KR102677271B1 - How to predict leaf water vapor pressure difference (VPD) using meteorological data - Google Patents
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Abstract
Description
본 기술은 스마트팜에서 작물의 최적 생육조건을 만들기위한 작물의 잎의 적절한 수증기압차를 예측하기 위한 기술에 관한 것이다. 더욱 자세하게는 작물의 생육을 최적화하기 위한 기술에 관한 것이다.This technology is about predicting the appropriate water vapor pressure difference between crop leaves to create optimal growth conditions for crops in smart farms. More specifically, it concerns technology for optimizing crop growth.
본 발명의 출원 이전의 선행기술로 식물의 온도를 측정하여 식물생장 환경데이터를 수집하는 장치에 관한 기술이 개시되어 있다. 이 기술은 식물의 위치를 인식할 수 있는 영상처리 시스템과 이를 이용해 정확한 위치의 온도 값을 자동으로 측정할 수 있는 기술에 관한 것이다.Prior art prior to the application of the present invention discloses a device for collecting plant growth environment data by measuring the temperature of plants. This technology is about an image processing system that can recognize the location of plants and a technology that can automatically measure the temperature value of the exact location using this.
또 다른 선행기술로 식물을 촬영한 칼라 영상과 열 영상을 이용하여 비접촉 방식으로 잎의 온도를 측정하는 기술이다. 이 기술에서는 칼라 카메라와 열상 카메라를 통해 촬영한 동일 촬영에 대한 촬영 영상을 이용하여 칼라 영상과 열 영상 간의 매핑 파라미터를 산출하는 제1 단계와, 상기 칼라 카메라와 열상 카메라를 통해 촬영한 대상 식물에 대한 칼라 영상과 열 영상을 각각 획득하는 제2 단계, 상기 제2 단계에서 획득한 칼라 영상에서 식물의 잎 컬러를 근거로 해당 컬러를 갖는 잎 영역을 분리하는 제3 단계, 상기 제1 단계에서 산출된 매핑 파라미터를 근거로 열 영상에서 칼라 영상에서의 잎 영역에 대응되는 영역을 설정하는 제4 단계 및, 상기 제4 단계에서 설정된 열 영상에서의 잎 영역에 대해 화소별 온도 값에 대한 평균치를 산출하여 식물의 잎 온도를 획득하는 제5 단계를 포함하는 기술이 개시되어 있다.Another prior technology is a technology that measures the temperature of leaves in a non-contact manner using color images and thermal images taken of plants. In this technology, the first step is to calculate mapping parameters between color images and thermal images using captured images of the same shot taken through a color camera and a thermal camera, and to target plants photographed through the color camera and thermal camera. A second step of acquiring a color image and a thermal image respectively, a third step of separating a leaf area with the corresponding color based on the color of the plant's leaf in the color image obtained in the second step, calculated in the first step A fourth step of setting an area corresponding to the leaf area in the color image in the thermal image based on the mapping parameters, and calculating the average temperature value for each pixel for the leaf area in the thermal image set in the fourth step. Thus, a technology including a fifth step of obtaining the leaf temperature of the plant is disclosed.
기존의 스마트팜에서의 광합성이 잘 일어나고 있는지, 증산작용이 잘 일어나고 있는지에 관하여서는 엽온을 측정하여 이를 이용하여왔다. 그러나, 엽온은 광합성이 잘 일어나고 있는지를 확인할 수 있는 지표 중에 하나일 뿐 작물의 잎 내부에서 발생하는 증산량을 직접적으로 대표하는 값은 아니다.In existing smart farms, leaf temperature has been measured and used to determine whether photosynthesis and transpiration are occurring well. However, leaf temperature is only one of the indicators that can confirm whether photosynthesis is occurring well and is not a value that directly represents the amount of transpiration occurring inside the plant's leaves.
이러한 이유로 정확한 Leaf VPD 값의 예측이 중요하다. Leaf VPD의 값에 따라 스마트팜 내부의 온도 및 습도를 제어하고, 양액의 공급과 관수를 정밀 제어할 수 있다.For this reason, accurate prediction of leaf VPD values is important. Depending on the value of Leaf VPD, the temperature and humidity inside the smart farm can be controlled, and the supply and irrigation of nutrient solution can be precisely controlled.
Leaf VPD에서 VPD(Vapor Pressure Deficit; 수증기압차)로 Leaf VPD는 엽의 수증기압차다. Leaf VPD는 잎의 증산 상태를 알 수 있는 지표가 된다. Leaf VPD는 잎의 기공의 열림, 이산화탄소 흡수, 수증기의 증발, 뿌리에서의 영양 흡수, 작물의 열 스트레스와 직-간접적으로 관련되어 있다.Leaf VPD to VPD (Vapor Pressure Deficit) Leaf VPD is the water vapor pressure difference of the leaves. Leaf VPD is an indicator of the transpiration state of the leaf. Leaf VPD is directly or indirectly related to leaf stomata opening, carbon dioxide absorption, water vapor evaporation, nutrient absorption in roots, and heat stress of crops.
Leaf VPD가 증가하면, 잎의 기공이 작아진다. 기공이 작아지기 때문에 이산화탄소의 흡수가 감소하여 광합성량도 감소한다. Leaf VPD가 증가함에 따라 작물은 잎과 공기 사이의 증기압의 차이가 더 크기 때문에 잎에서 빠르게 증발이 발생하여 뿌리에서 더 많은 영양분을 흡수하고, 작물은 빠른 증발로 잎에서 뿌리까지 더 많은 힘이 작용하여 작물의 스트레스가 증가한다.As Leaf VPD increases, leaf stomata become smaller. As the pores become smaller, the absorption of carbon dioxide decreases and the amount of photosynthesis also decreases. As Leaf VPD increases, the crop absorbs more nutrients from the roots due to faster evaporation from the leaves due to the greater difference in vapor pressure between the leaves and the air, and the crop absorbs more nutrients from the leaves to the roots due to faster evaporation. This increases crop stress.
따라서, 잎의 수증기압차를 정확히 측정한다면, 작물의 성장 단계별로 스마트팜 내부의 환경을 조절하여 작물 잎의 수증기압차를 조절하여 작물의 생장을 더욱 빠르게 촉진할 수 있을 것이다.Therefore, if the water vapor pressure difference between leaves is accurately measured, the environment inside the smart farm can be adjusted at each stage of crop growth to control the water vapor pressure difference between crop leaves, thereby promoting crop growth more quickly.
작물 잎의 수증기압차(Leaf VPD )의 계산은 아래와 같은 순서로 계산되며, 대기온도, 대기습도, 엽온 데이터가 필요하다. Calculation of the water vapor pressure difference (Leaf VPD) of crop leaves is calculated in the following order, and air temperature, air humidity, and leaf temperature data are required.
- ASVP(Air Saturation Vapor Pressure; 대기포화수증기압) 계산- ASVP (Air Saturation Vapor Pressure) calculation
ASVP(kPa) = 0.61078 x e^( Ta / ( Ta + 233.3) x 17.2694 ) ) ASVP(kPa) = 0.61078 x e^( Ta / ( Ta + 233.3) x 17.2694 ) )
※ Ta(℃): 대기온도 ※ Ta(℃): Ambient temperature
- LSVP(Leaf Saturation Vapor Pressure; 엽포화수증기압) 계산- LSVP (Leaf Saturation Vapor Pressure) calculation
LSVP(kPa) = 0.61078 x e^( Tc / ( Tc + 233.3) x 17.2694 ) ) LSVP(kPa) = 0.61078 x e^( Tc / ( Tc + 233.3) x 17.2694 ) )
※ Tc(℃): 엽온 ※ Tc(℃): Leaf temperature
- LVPD 계산- LVPD calculation
LVPD(kPa) = LSVP - (ASVP * RH/100) LVPD(kPa) = LSVP - (ASVP * RH/100)
※ RH(%) : 대기습도 ※ RH(%): Atmospheric humidity
상기 계산과정에서 엽온의 측정값이 필요한데, 엽온을 측정하는 것은 쉽지않은 문제가 있다. 본 출원 발명에서는 엽온 데이터를 이용하여 작물 잎의 수증기압차(Leaf VPD )를 MLP 모델을 사용하여 예측한 결과와 엽온 데이터 없이 작물 잎의 수증기압차(Leaf VPD )를 예측한 결과를 제공함으로써 스마트팜에서 항시 측정하고 있는 환경 측정데이터 만으로 작물 잎의 수증기압차(Leaf VPD )를 예측하여 스마트팜 내부의 온도, 습도 및 양액 공급을 정밀 제어하고자 한다.In the above calculation process, a measured value of leaf temperature is required, but measuring leaf temperature is not easy. In the present application, the results of predicting the water vapor pressure difference (Leaf VPD) of crop leaves using the MLP model using leaf temperature data and the results of predicting the water vapor pressure difference (Leaf VPD) of crop leaves without leaf temperature data are provided in smart farms. We aim to precisely control the temperature, humidity, and nutrient solution supply inside the smart farm by predicting the water vapor pressure difference (Leaf VPD) of crop leaves using only environmental measurement data that is constantly being measured.
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 과제 해결 수단은 다음과 같다.The means to solve the above problems are as follows.
기상 데이터를 이용한 잎의 수증기압차 예측방법에 있어서,In the method of predicting the difference in water vapor pressure of leaves using meteorological data,
농장에 설치된 기상대에서 측정한 측정값과 엽온 데이터 및 작물 잎의 수증기압차 값을 준비하는 학습데이터 준비단계(S1); 및A learning data preparation step (S1) that prepares measurements from a weather station installed on the farm, leaf temperature data, and water vapor pressure difference values of crop leaves; and
다층신경망 학습모델을 생성하는 학습모델생성단계(S2); 및Learning model generation step (S2) to generate a multi-layer neural network learning model; and
상기 학습모델생성단계에서 생성한 학습모델에 학습데이터 준비단계에서 준비한 데이터를 학습하는 학습단계(S3); 및A learning step (S3) of learning the data prepared in the learning data preparation step with the learning model created in the learning model generation step; and
상기 학습단계를 마친 인공신경망학습모델에 해당 농장에 설치된 기상대에서 획득 가능한 데이터를 입력하여 작물 잎의 수증기압차 값을 예측하는 것을 특징으로 하는 기상 데이터를 이용한 잎의 수증기압차 예측방법 제공한다.A method for predicting the water vapor pressure difference of leaves using meteorological data is provided, which involves predicting the water vapor pressure difference value of crop leaves by inputting data obtainable from a weather station installed on the farm to the artificial neural network learning model that has completed the learning step.
또한, 상기 학습모델생성단계는 모델하이퍼파라미터를 설정하는 것을 의미하는 것을 특징으로 하는 기상 데이터를 이용한 잎의 수증기압차 예측방법 제공한다.In addition, the learning model creation step provides a method of predicting the water vapor pressure difference of leaves using meteorological data, which means setting model hyperparameters.
또한, 상기 모델하이퍼파라미터에는 손실함수, 활성화함수, 학습률, 은닉층의 개수 인 것을 특징으로 하는 기상 데이터를 이용한 잎의 수증기압차 예측방법 제공한다.In addition, the model hyperparameters include a loss function, activation function, learning rate, and number of hidden layers. A method for predicting the water vapor pressure difference of leaves using meteorological data is provided.
또한, 상기 기상데이터는 대기온도와 대기습도인 것을 특징으로 하는 기상 데이터를 이용한 잎의 수증기압차 예측방법 제공한다.In addition, a method for predicting the difference in water vapor pressure of leaves using meteorological data is provided, wherein the meteorological data are atmospheric temperature and atmospheric humidity.
또한, 또 다른 실시예의 In addition, in another embodiment
기상 데이터를 이용한 잎의 수증기압차 예측방법에 있어서,In the method of predicting the difference in water vapor pressure of leaves using meteorological data,
농장에 설치된 기상대에서 측정한 측정값과 및 작물 잎의 수증기압차 값을 준비하는 학습데이터 준비단계(SA1); 및A learning data preparation step (SA1) that prepares measured values from a weather station installed on the farm and water vapor pressure difference values of crop leaves; and
다층신경망 학습모델을 생성하는 학습모델생성단계(SA2); 및Learning model generation step (SA2) to generate a multi-layer neural network learning model; and
상기 학습모델생성단계에서 생성한 학습모델에 학습데이터 준비단계에서 준비한 데이터를 학습하는 학습단계(SA3); 및A learning step (SA3) of learning the data prepared in the learning data preparation step with the learning model created in the learning model generation step; and
상기 학습단계를 마친 인공신경망학습모델에 해당 농장에 설치된 기상대에서 획득 가능한 데이터를 입력하여 작물 잎의 수증기압차 값을 예측하는 것을 특징으로 하는 기상 데이터를 이용한 잎의 수증기압차 예측방법 제공한다.A method for predicting the water vapor pressure difference of leaves using meteorological data is provided, which involves predicting the water vapor pressure difference value of crop leaves by inputting data obtainable from a weather station installed on the farm to the artificial neural network learning model that has completed the learning step.
또한, 또 다른 실시예의In addition, in another embodiment
기상 데이터를 이용한 잎의 수증기압차 예측방법에 있어서,In the method of predicting the difference in water vapor pressure of leaves using meteorological data,
농장에 설치된 기상대에서 측정한 측정값과 엽온 예측 데이터 및 작물 잎의 수증기압차 값을 준비하는 학습데이터 준비단계(SB1); 및Learning data preparation step (SB1), which prepares measured values from a weather station installed on the farm, leaf temperature prediction data, and water vapor pressure difference values of crop leaves; and
다층신경망 학습모델을 생성하는 학습모델생성단계(SB2); 및Learning model generation step (SB2) to generate a multi-layer neural network learning model; and
상기 학습모델생성단계에서 생성한 학습모델에 학습데이터 준비단계에서 준비한 데이터를 학습하는 학습단계(SB3); 및A learning step (SB3) of learning the data prepared in the learning data preparation step with the learning model created in the learning model generation step; and
상기 학습단계를 마친 인공신경망학습모델에 해당 농장에 설치된 기상대에서 획득 가능한 데이터를 입력하여 작물 잎의 수증기압차 값을 예측하는 것을 특징으로 하는 기상 데이터를 이용한 잎의 수증기압차 예측방법 제공한다.A method for predicting the water vapor pressure difference of leaves using meteorological data is provided, which involves predicting the water vapor pressure difference value of crop leaves by inputting data obtainable from a weather station installed on the farm to the artificial neural network learning model that has completed the learning step.
또한 상기 엽온 예측 데이터는 입력변수로 대기온도, 일사량 및 엽온 측정 데이터를 이용하여 엽온을 대기온도와 일사량의 함수로 구한 하기의 엽온 예측 회귀식을 사용하여 상기 농장에 설치된 기상대에서 측정한 대기온도와 일사량으로부터 계산하여 구해지는 것을 특징으로 하는 기상 데이터를 이용한 잎의 수증기압차 예측방법 제공한다(엽온 예측 회귀식 = 9.651772156859273 + (0.46214678+0.08514499 ) * air_temp(대기온도) + 0.00351328 * solar_radiation(일사량))In addition, the leaf temperature prediction data uses air temperature, solar radiation, and leaf temperature measurement data as input variables, and uses the following leaf temperature prediction regression equation to calculate leaf temperature as a function of air temperature and solar radiation. The air temperature measured at the weather station installed on the farm is Provides a method for predicting the water vapor pressure difference in leaves using meteorological data, which is calculated from solar radiation (leaf temperature prediction regression equation = 9.651772156859273 + (0.46214678+0.08514499 ) * air_temp (air temperature) + 0.00351328 * solar_radiation (solar radiation))
또한, 상기 엽온 예측 데이터는 입력변수로 대기온도, 대기습도, 일사량 및 엽온 측정 데이터를 이용한 MLP 인공지능 학습모델을 학습한 결과로 생성된 MLP 모델에 상기 농장에 설치된 기상대에서 측정한 대기온도, 대기습도 및 일사량을 입력하여 출력으로 계산되는 엽온 예측 값을 이용하는 것을 특징으로 하는 기상 데이터를 이용한 잎의 수증기압차 예측방법 제공한다.In addition, the leaf temperature prediction data is an MLP model created as a result of learning an MLP artificial intelligence learning model using air temperature, air humidity, solar radiation, and leaf temperature measurement data as input variables, and the air temperature and air temperature measured at the weather station installed on the farm. A method for predicting the water vapor pressure difference of leaves using meteorological data is provided, which uses predicted leaf temperature values calculated as output by inputting humidity and solar radiation.
본 출원 발명의 상기와 같은 발명의 구성에 의하여 농장에 구비된 기상데이터만으로 농장에서 재배되는 작물 잎의 수증기압차 값 예측하여 스마트팜 내부의 지상부 및 지하부 환경을 제어함으로써 스마트팜 내부의 작물이 스트레스 없이 잘 자랄 수 있는 효과가 있는 발명이다.According to the above-mentioned configuration of the present application, the water vapor pressure difference value of the leaves of crops grown on the farm is predicted using only the weather data provided on the farm, and the above-ground and underground environments inside the smart farm are controlled, so that the crops inside the smart farm are stress-free. It is an invention that is effective in growing well.
또한, 작물의 상태 또는 재배 단계 또는 작물의 특성에 따라 취약한 특성 또는 강한 특성을 고려하여 여름과 같은 고온다습한 환경, 겨울과 같이 저온 건조한 환경에서 작물이 받은 스트레스를 최소화하면서 재배할 수 있는 지상부 및 지하부 환경을 만들어 줄 수 있는 효과가 있다. 즉, 작물에 따라 높은 작물 잎의 수증기압차를 잘 견디는 작물은 조금 높게, 낮은 작물 잎의 수증기압차를 잘 견디는 작물은 조금 낮게 지상부 및 지하부 환경을 조절하고, 재배 단계에 따라서도 적절히 작물 잎의 수증기압차를 제어해 줌으로써 건전한 스마트팜 지상부 및 지하부 재배환경을 조성할 수 있다.In addition, considering the weak or strong characteristics depending on the condition or cultivation stage of the crop or the characteristics of the crop, the above-ground part and It has the effect of creating an underground environment. In other words, depending on the crop, the above-ground and below-ground environments are adjusted to be slightly higher for crops that can tolerate high water vapor pressure differences between plant leaves, and slightly lower for crops that can tolerate low water vapor pressure differences between plant leaves, and depending on the cultivation stage, the water vapor pressure of crop leaves is adjusted appropriately. By controlling the car, a healthy smart farm above-ground and underground cultivation environment can be created.
도 1은 본 발명의 Leaf VPD(작물 잎의 수증기압차) 계산식을 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 Leaf VPD관련하여 식물과 공기의 온도차가 0 일때의 VPD 챠트이다.
도 3은 본 발명의 대기온도, 대기습도, 일사량 및 엽온을 학습데이터로 사용하여 학습시킨 작물 잎의 수증기압차 예측 MLP 학습완료 모델을 사용하여 작물 잎의 수증기압차를 예측한 결과이다.
도 4는 본 발명의 대기온도, 대기습도 및 일사량을 학습데이터로 사용하여 학습시킨 작물 잎의 수증기압차 예측 MLP 학습완료 모델을 사용하여 작물 잎의 수증기압차를 예측한 결과이다.
도 5는 본 발명의 대기온도, 대기습도, 일사량 및 엽온 예측 데이터를 학습데이터로 사용하여 학습시킨 작물 잎의 수증기압차 예측 MLP 학습완료 모델을 사용하여 작물 잎의 수증기압차를 예측한 결과이다.
도 6은 본 발명의 대기온도, 대기습도 및 엽온 데이터를 입력으로 학습시킨 작물의 엽온 예측 MLP 학습완료모델을 사용하여 작물의 엽온을 예측한 결과이다. Figure 1 shows the Leaf VPD (water vapor pressure difference of crop leaves) calculation formula of the present invention.
Figure 2 is a VPD chart when the temperature difference between the plant and the air is 0 in relation to the Leaf VPD of the present invention.
Figure 3 shows the results of predicting the water vapor pressure difference of crop leaves using the MLP learned model for predicting water vapor pressure difference of crop leaves, which was learned using the air temperature, atmospheric humidity, solar radiation, and leaf temperature of the present invention as learning data.
Figure 4 shows the results of predicting the water vapor pressure difference of crop leaves using the MLP learned model for predicting water vapor pressure difference of crop leaves, which was learned using the air temperature, atmospheric humidity, and solar radiation of the present invention as learning data.
Figure 5 shows the results of predicting the water vapor pressure difference of crop leaves using the MLP learned model for predicting water vapor pressure difference of crop leaves, which was learned using the air temperature, atmospheric humidity, solar radiation, and leaf temperature prediction data of the present invention as learning data.
Figure 6 shows the results of predicting the leaf temperature of crops using the MLP learned model for predicting leaf temperature of crops, which was learned using the air temperature, atmospheric humidity, and leaf temperature data of the present invention as input.
본 출원 발명의 작용효과를 도면을 활용하여 설명하면 다음과 같다.The effects of the invention of this application are explained using the drawings as follows.
도 1은 본 발명의 Leaf VPD(작물 잎의 수증기압차) 계산식을 도시하고 있다. 대기포화 수증기압(ASVP)을 우선 계산하고, 엽포화수증기압을 계산하고 그 차이를 계산하는 방식이다. 이때 엽온을 알고 있어야 계산이 가능하다. Figure 1 shows the Leaf VPD (water vapor pressure difference of crop leaves) calculation formula of the present invention. The method is to first calculate the atmospheric saturated vapor pressure (ASVP), then calculate the leaf saturated vapor pressure, and then calculate the difference. At this time, calculation is possible only if you know the leaf temperature.
Leaf VPD에서 VPD(Vapor Pressure Deficit; 수증기압차)로 Leaf VPD는 엽의 수증기압차다. Leaf VPD는 잎의 증산 상태를 알 수 있는 지표가 된다. Leaf VPD는 잎의 기공의 열림, 이산화탄소 흡수, 수증기의 증발, 뿌리에서의 영양 흡수, 작물의 열 스트레스와 직-간접적으로 관련되어 있다.Leaf VPD to VPD (Vapor Pressure Deficit) Leaf VPD is the water vapor pressure difference of the leaves. Leaf VPD is an indicator of the transpiration state of the leaf. Leaf VPD is directly or indirectly related to leaf stomata opening, carbon dioxide absorption, water vapor evaporation, nutrient absorption in roots, and heat stress of crops.
Leaf VPD가 증가하면, 잎의 기공이 작아진다. 기공이 작아지기 때문에 이산화탄소의 흡수가 감소하여 광합성량도 감소한다. Leaf VPD가 증가함에 따라 작물은 잎과 공기 사이의 증기압의 차이가 더 크기 때문에 잎에서 빠르게 증발이 발생하여 뿌리에서 더 많은 영양분을 흡수하고, 작물은 빠른 증발로 잎에서 뿌리까지 더 많은 힘이 작용하여 작물의 스트레스가 증가한다.As Leaf VPD increases, leaf stomata become smaller. As the pores become smaller, the absorption of carbon dioxide decreases and the amount of photosynthesis also decreases. As Leaf VPD increases, the crop absorbs more nutrients from the roots due to faster evaporation from the leaves due to the greater difference in vapor pressure between the leaves and the air, and the crop absorbs more nutrients from the leaves to the roots due to faster evaporation. This increases crop stress.
따라서, 잎의 수증기압차를 정확히 측정한다면, 작물의 성장 단계별로 스마트팜 내부의 환경을 조절하여 작물 잎의 수증기압차를 조절하여 작물의 생장을 더욱 빠르게 촉진할 수 있을 것이다.Therefore, if the water vapor pressure difference between leaves is accurately measured, the environment inside the smart farm can be adjusted at each stage of crop growth to control the water vapor pressure difference between crop leaves, thereby promoting crop growth more quickly.
상기 잎의 수증기압차를 계산하기 위해서는 엽온을 측정해야한다. 엽온의 측정방법으로는 온도센서를 이용한 접촉식 측정법을 시작으로 최근에는 적외선 온도측정법(infrared thermometry) 또는 열 영상 분석법(thermal imaging)과 같은 원격 측정 기술이 활용되고 있다. 그러나, 재배 상태를 대표하는 엽온을 측정하기 위해서는 대표가 되는 위치의 작물을 적절한 방법으로 온도계 또는 열화상 카메라 등으로 측정하여야 정확한 엽온을 측정할 수 있는 것이어서, 측정을 위한 장비의 구입과 상기 장비를 이용한 엽의 측정에 인력이 많은 소모되는 비용이 많이 소요되는 측정값이라 할 수 있다. 그러나, 그렇게 비용을 들여서 측정한 엽온을 이용하여 작물 잎의 수증기압차를 정확히 측정할 수 있다면, 스마트팜 지상부 및 지하부 환경제어를 최적화할 수 있다.In order to calculate the water vapor pressure difference of the leaf, the leaf temperature must be measured. Methods for measuring leaf temperature include contact measurement using a temperature sensor, and recently, remote measurement technologies such as infrared thermometry or thermal imaging have been used. However, in order to measure the leaf temperature that represents the cultivation state, the crop at the representative location must be measured in an appropriate manner using a thermometer or thermal imaging camera to measure the accurate leaf temperature. Therefore, it is necessary to purchase equipment for measurement and install the equipment. It can be said that it is a costly measurement that requires a lot of manpower to measure the leaves used. However, if the water vapor pressure difference between crop leaves can be accurately measured using the leaf temperature measured at such a cost, environmental control of the above-ground and underground parts of the smart farm can be optimized.
상기 작물 잎의 수증기압차는 일정하게 유지되는 것이 바람직한 것은 아니고작물의 성장단계에 따라 적절하게 조절되는 것이 작물의 건전한 생육에 도움이 된다.It is not desirable for the water vapor pressure difference between the crop leaves to be maintained constant, but it is helpful for the healthy growth of the crop to be appropriately adjusted depending on the growth stage of the crop.
일반적으로 작물의 성장을 위해서는 약 0.8~1.2kPa(kilopascals) 정도가 좋다. 그러나, 성장단계에 따라 조금씩 다른 작물 잎의 수증기압차를 유지하는 것이 작물의 성장에 더 좋을 수 있다.Generally, about 0.8 to 1.2 kPa (kilopascals) is good for crop growth. However, maintaining a slightly different water vapor pressure difference between crop leaves depending on the growth stage may be better for crop growth.
발아이후 초기 작물은 아기식물 단계로도 물리우는 클론(clones) 단계에서는 식물이 뿌리를 내리려고 애쓰기 때문에 많은 스트레스를 감당할 수 없다. 즉, 생존에 필요한 낮은 작물 잎의 수증기압차가 적절하다(0.8kPa)After germination, the early crop cannot handle much stress as the plant struggles to take root during the clone stage, which is also known as the baby plant stage. In other words, the low water vapor pressure difference between plant leaves required for survival is appropriate (0.8 kPa).
또한, 성장단계에 있는 작물은 아기식물과 비교하여 더 크고 튼튼하기 때문에 상대적으로 높은 작물 잎의 수증기압차를 견딜 수 있다. 그럼에도 높은 작물 잎의 수증기압차에서는 식물의 기공이 폐쇄되어 이산화탄소의 흡수가 줄어들어 광합성이 어려울 수 있다. 성장단계에서는 이산화탄소의 흡수가 중요한 역할을 하기때문이며, 기공의 열림을 유지하기 위하여 작물 잎의 수증기압차는 1.0kPa가 적당하다.Additionally, crops in the growth stage are larger and stronger than baby plants, so they can withstand a relatively high difference in water vapor pressure between the crop leaves. Nevertheless, at high water vapor pressure differences in crop leaves, the plant's stomata may close, reducing the absorption of carbon dioxide, making photosynthesis difficult. This is because carbon dioxide absorption plays an important role in the growth stage, and the water vapor pressure difference between crop leaves is 1.0 kPa to maintain stomata opening.
꽃이 피는 시기는 식물이 충분히 튼튼하지만, 꽃은 민감하기 때문에 습도가 너무 높은 것은 좋지 않다. 이 시기의 작물 잎의 수증기압차는 1.2 ~ 1.5kPa가 적당하다. 즉, 광합성을 해야하는 시기에는 1kPa가 적절하며, 개화기에는 작물 주변의 수분이 낮아야 하기 때문에 1.5kPa 전후가 적절함을 알 수 있다.During the flowering period, the plants are strong enough, but since the flowers are sensitive, it is not good to have too much humidity. The appropriate water vapor pressure difference between crop leaves at this time is 1.2 to 1.5 kPa. In other words, 1kPa is appropriate when photosynthesis is required, and around 1.5kPa is appropriate during the flowering period because the moisture around the crop must be low.
도 2는 본 발명의 Leaf VPD관련하여 식물과 공기의 온도차가 0 일때의 VPD 챠트이다.Figure 2 is a VPD chart when the temperature difference between the plant and the air is 0 in relation to the Leaf VPD of the present invention.
작물과 대기의 온도차가 없을 때 상대습도 및 온도에 따른 작물 잎의 수증기압차를 계산해 놓은 표이다.This table calculates the difference in water vapor pressure between crop leaves according to relative humidity and temperature when there is no temperature difference between the crop and the atmosphere.
도 3은 본 발명의 대기온도, 대기습도, 일사량 및 엽온을 학습데이터로 사용하여 학습시킨 작물 잎의 수증기압차 예측 MLP 학습완료 모델을 사용하여 작물 잎의 수증기압차를 예측한 결과이다.Figure 3 shows the results of predicting the water vapor pressure difference of crop leaves using the MLP learned model for predicting water vapor pressure difference of crop leaves, which was learned using the air temperature, atmospheric humidity, solar radiation, and leaf temperature of the present invention as learning data.
모델을 만드는데 사용된 데이터는 농진청에서 제공한 수분스트레스지수(CWSI) 데이터(2021.07.19 ~ 2021.07.30) 중 온도, 습도, 엽온 값을 사용했다. 입력데이터로 대기온도, 대기습도 및 엽온을 사용하여 작물 잎의 수증기압차 예측 MLP 학습모델을 학습하여 생성한 모델의 예측 값과 참값을 비교한 결과이다. RMSE 값이 0.05로 매우 정확한 결과는 보여주고 있다.The data used to create the model were temperature, humidity, and leaf temperature values from the moisture stress index (CWSI) data (2021.07.19 ~ 2021.07.30) provided by the Rural Development Administration. This is the result of comparing the predicted and true values of the model created by learning the MLP learning model to predict the water vapor pressure difference of crop leaves using air temperature, atmospheric humidity, and leaf temperature as input data. The RMSE value is 0.05, showing very accurate results.
상기 RMSE는 평균 제곱근 오차(RMSE, Root Mean Squared Error)로 불리며, 예측 모델에서 예측한 값과 실제 값 사이의 평균 차이를 측정한다. 예측 모델이 목표 값(정확도)을 얼마나 잘 예측할 수 있는지 추정하는 대푯값으로 오차가 적을수록 예측모델이 목표 값을 더 잘 예측한다고 할 수 있다.The RMSE is called Root Mean Squared Error (RMSE), and measures the average difference between the value predicted by the prediction model and the actual value. It is a representative value that estimates how well a prediction model can predict the target value (accuracy). It can be said that the smaller the error, the better the prediction model predicts the target value.
본 출원 발명에서 학습모델은 MLP을 사용하였다. MLP(Multi-Layer Perceptron)란 지도학습에 사용되는 인공 신경망의 한 형태로, MLP는 일반적으로 최소 하나 이상의 비선형 은닉 계층을 포함하며, 이러한 계층은 학습 데이터에서 복잡한 패턴을 추출하는 데 도움이 된다. MLP는 주로 분류 및 회귀 문제에 적용되며, 그 학습 알고리즘으로 역전파학습 방법이 주로 사용된다.In the invention of this application, MLP was used as a learning model. MLP (Multi-Layer Perceptron) is a type of artificial neural network used in supervised learning. MLP typically includes at least one nonlinear hidden layer, and these layers help extract complex patterns from training data. MLP is mainly applied to classification and regression problems, and the backpropagation learning method is mainly used as its learning algorithm.
최근 딥러닝의 영향으로 비선형의 은닉계층의 수가 증가하는 경향이 있으며, 비선형 은닉층의 입력도 증가하는 추세에 있다. 은닉층의 개수와 각 은닉층의 노드수가 증가할수록 노드의 학습에 필요한 데이터의 양도 충분히 증가하여야 상기 노드를 정확하게 학습할 수 있다. 즉, 딥러닝 모듈로 갈수록 빅데이터가 필요하다. 그러나, 본 출원 발명에서 사용한 데이터의 양이 많지 않기 때문에 은닉층의 노드수나 개수를 딥러닝과 같이 많이 늘려 사용할 수는 없었다. 그럼에도 시뮬레이션의 통하여 최적의 학습 결과를 얻을 수 있었다.Recently, due to the influence of deep learning, the number of nonlinear hidden layers tends to increase, and the input of nonlinear hidden layers also tends to increase. As the number of hidden layers and the number of nodes in each hidden layer increases, the amount of data required to learn the node must also sufficiently increase to accurately learn the node. In other words, the deeper the deep learning module, the more big data is needed. However, because the amount of data used in the invention of this application was not large, the number or number of nodes in the hidden layer could not be increased as much as in deep learning. Nevertheless, optimal learning results were obtained through simulation.
도 3의 학습모델은 학습데이터로 대기온도, 대기습도, 엽온 및 상기 도1에 도시된 식으로 계산된 작물 잎의 수증기압차 값을 사용하였다. 인공지능 학습모델은 MLP 모델을 사용하였으며, 상기 학습데이터들은 전처리를 통하여 평균과 표준편차를 데이터에 의한 학습결과에 차이가 없도록 정규화하여 사용하였으며, 모델학습을 위한 모델하이퍼파라미터 : adam, relu, lr = 0.01, layers = (6, 6, 3)로 설정하였다.The learning model in FIG. 3 used air temperature, atmospheric humidity, leaf temperature, and water vapor pressure difference values of crop leaves calculated using the equation shown in FIG. 1 as learning data. The artificial intelligence learning model used the MLP model, and the above learning data was preprocessed to normalize the mean and standard deviation so that there was no difference in the learning results based on the data. Model hyperparameters for model learning: adam, relu, lr = 0.01, layers = (6, 6, 3).
여기서 adam은 최적화 파라미터를, relu는 활성화함수를, Ir은 학습율을, layers는 히든레이어를 나타내고, (6,6,3)은 첫 번째 히든레이어는 6개의 노드를, 두 번째 히든레이어는 6개의 노드를, 세 번째 히든레이어는 3개의 노드를 가진 인공신경망 모델 구조임을 알려주고 있다.Here, adam represents the optimization parameter, relu represents the activation function, Ir represents the learning rate, layers represent the hidden layer, and (6,6,3) represents the first hidden layer with 6 nodes and the second hidden layer with 6 nodes. It indicates that the node and the third hidden layer are an artificial neural network model structure with three nodes.
도 4는 본 발명의 대기온도, 대기습도 및 일사량을 학습데이터로 사용하여 학습시킨 작물 잎의 수증기압차 예측 MLP 학습완료 모델을 사용하여 작물 잎의 수증기압차를 예측한 결과이다.Figure 4 shows the results of predicting the water vapor pressure difference of crop leaves using the MLP learned model for predicting water vapor pressure difference of crop leaves, which was learned using the air temperature, atmospheric humidity, and solar radiation as learning data of the present invention.
학습데이터에서 엽온데이터를 빼고 학습한 결과를 이용하는 점에서 도 3의 모델과 차이가 있다. RMSE가 0.15로 도3의 모델과 0.1정도 차이가 있는 모델이다.It differs from the model in Figure 3 in that it uses the learning results by subtracting the leaf-on data from the learning data. This model has an RMSE of 0.15, which is about 0.1 different from the model in Figure 3.
도 4의 학습모델은 학습데이터로 대기온도, 대기습도 및 상기 도1에 도시된 식으로 계산된 작물 잎의 수증기압차 값을 사용하였다. 인공지능 학습모델은 MLP 모델을 사용하였으며, 상기 학습데이터들은 전처리를 통하여 평균과 표준편차를 데이터에 의한 학습결과에 차이가 없도록 정규화하여 사용하였으며, 모델학습을 위한 모델하이퍼파라미터 : adam, relu, lr = 0.01, layers = (2, 4, 4, 4)로 설정하였다.The learning model in FIG. 4 used air temperature, atmospheric humidity, and water vapor pressure difference values of crop leaves calculated using the formula shown in FIG. 1 as learning data. The artificial intelligence learning model used the MLP model, and the above learning data was preprocessed to normalize the mean and standard deviation so that there was no difference in the learning results based on the data. Model hyperparameters for model learning: adam, relu, lr = 0.01, layers = (2, 4, 4, 4).
여기서 adam은 최적화 파라미터를, relu는 활성화함수를, Ir은 학습율을, layers는 히든레이어를 나타내고, (2, 4, 4, 4)는 첫 번째 히든레이어는 2개의 노드를, 두 번째 내지 네번째 히든레이어는 4개의 노드를 각각 구비한 인공신경망 모델 구조임을 알려주고 있다. 예측값이 참값과 비교하여 피크 값에서 조금 낮게 나타난 것을 확인할 수 있다.Here, adam represents the optimization parameter, relu represents the activation function, Ir represents the learning rate, layers represent the hidden layer, (2, 4, 4, 4) represents 2 nodes for the first hidden layer, and 2 nodes for the second to fourth hidden layers. It indicates that the layers are an artificial neural network model structure with four nodes each. You can see that the predicted value appears slightly lower in the peak value compared to the true value.
도 5는 본 발명의 대기온도, 대기습도, 일사량 및 엽온 예측 데이터를 학습데이터로 사용하여 학습시킨 작물 잎의 수증기압차 예측 MLP 학습완료 모델을 사용하여 작물 잎의 수증기압차를 예측한 결과이다.Figure 5 shows the results of predicting the water vapor pressure difference of crop leaves using the MLP learned model for predicting water vapor pressure difference of crop leaves, which was learned using the air temperature, atmospheric humidity, solar radiation, and leaf temperature prediction data of the present invention as learning data.
상기 도 3 및 도 4의 모델과는 엽온을 측정값이 아닌 엽온 예측모델을 사용하여 엽온을 예측한 값을 사용하는 점에 차이가 있다. RMSE가 0.1로 도 3의 모델과 0.05정도 오차가 크고, 도4의 모델과 비교하여서는 0.05 정도 오차가 작은 결과의 모델이다.There is a difference from the models in FIGS. 3 and 4 in that the leaf temperature is not a measured value, but a value predicted by the leaf temperature using a leaf temperature prediction model. This model has an RMSE of 0.1, which is about 0.05 larger in error compared to the model in Figure 3, and has a smaller error of about 0.05 compared to the model in Figure 4.
도 6은 본 발명의 대기온도, 대기습도 및 엽온 데이터를 입력으로 학습시킨 작물의 엽온 예측 MLP 학습완료모델을 사용하여 작물의 엽온을 예측한 결과이다. 상기한 것과 같이 작물의 엽온은 측정장치를 이용하여 측정하는 것이 가장 정확하겠지만 특정에 있어서도, 누가 스마트팜의 어느 위치에 있는 작물의 어떠한 잎을 측정하였는가에 따라 측정 오차가 있을 수 있는 것이어서 엽온을 실측하는 것이 반드시 정확한 작물 잎의 수증기압차를 계산하는 최선의 방법은 아닐 수 있다.Figure 6 shows the results of predicting the leaf temperature of crops using the MLP learned model for predicting leaf temperature of crops, which was learned using the air temperature, atmospheric humidity, and leaf temperature data of the present invention as input. As mentioned above, it is most accurate to measure the leaf temperature of a crop using a measuring device, but even in specific cases, there may be measurement errors depending on who measures which leaf of the crop is located at which location in the smart farm, so the actual leaf temperature cannot be measured. This may not necessarily be the best way to calculate the exact water vapor pressure difference between crop leaves.
본 출원 발명에서는 작물의 잎의 온도는 즉 엽온에 영향을 줄 수 있는 대기온도와 일사량을 이용하여 회귀식을 만들어 사용하였다. 이 회귀식은 In the invention of this application, the temperature of the leaves of crops was created by using a regression equation using the air temperature and solar radiation, which can affect the leaf temperature. This regression equation is
작물의 엽온 = 9.651772156859273 + (0.46214678+0.08514499 ) * air_temp Crop leaf temperature = 9.651772156859273 + (0.46214678+0.08514499 ) * air_temp
+ 0.00351328 * solar_radiation+ 0.00351328 * solar_radiation
으로 표시된다. 이렇게 구한 회귀식을 이용하여 도 5의 모델의 학습에 이용하였다.It is displayed as The regression equation obtained in this way was used to learn the model in Figure 5.
또한, 상기한 것에서 확인할 수 있듯이 대기온도와 일사량을 변수로 하고 있어 대기온도와 일사량 및 실측된 엽온을 이용하여 엽온 예측 MLP 모델도 구해보았다. 이 모델은 학습을 위한 입력데이터로 대기온도, 대기습도 및 일사량을 사용하였고, 모델 학습에 사용한 모델하이퍼파라미터는 adam, relu, lr = 0.01, layers=(9, 9, 9)였다.In addition, as can be seen from the above, since air temperature and solar radiation are variables, an MLP model for predicting leaf temperature was also obtained using air temperature, solar radiation, and actually measured leaf temperature. This model used air temperature, atmospheric humidity, and solar radiation as input data for learning, and the model hyperparameters used for model learning were adam, relu, lr = 0.01, layers = (9, 9, 9).
모델의 예측 오차는 RMSE = 0.776으로 나타났다. 매우 정확도가 높은 결과를 얻을 수 있었다. 피크값이 참값과 비교하여 약간 낮게 나타났다. 이는 도 5의 모델이 엽온 예측 결과 값을 입력으로하여 참값과 비교하여 예측 값이 약간 낮게 나타난 결과와도 매우 유사한 것을 확인할 수 있다.The prediction error of the model was RMSE = 0.776. Very highly accurate results were obtained. The peak value appeared slightly lower than the true value. It can be seen that this is very similar to the result in which the model in FIG. 5 inputs the leaf temperature prediction result value and the predicted value is slightly lower compared to the true value.
작물 잎의 수증기압차는 재배 작물의 광합성량과도 관계가 있고, 뿌리의 양분 및 수분 흡수와도 영향이 있는 지표이다. 스마트팜의 최종 목표는 작물의 생육단계별로 최적의 생육조건을 만들어 주는 것이므로, 이러한 목적을 달성하기 위하여 작물 잎의 수증기압차는 꼭 필요한 생육측정 지표라 할 수 있다. 상기 작물 잎의 수증기압차를 스마트팜 또는 농장에 필수적으로 구비된, 대기온도, 대기습도 및 일사량만으로 예측할 수 있는 것은 매우 획기적인 기술로 평가할 수 있다.The difference in water vapor pressure between crop leaves is an indicator that is related to the amount of photosynthesis of cultivated crops and also affects the absorption of nutrients and moisture by roots. Since the ultimate goal of smart farms is to create optimal growth conditions for each stage of crop growth, the water vapor pressure difference between crop leaves can be said to be an essential growth measurement indicator to achieve this goal. Being able to predict the difference in water vapor pressure of the crop leaves using only air temperature, atmospheric humidity, and solar radiation, which is essential for smart farms or farms, can be evaluated as a very groundbreaking technology.
이는 기존에는 엽온을 측정하여야만 계산 가능하였던 것을 인공지능 MLP 학습모델을 사용하여 비선형적인 관계를 모델링하여 사용한 것으로 이 분야의 통상의 기술자 전혀 예측하지 못한 방법으로 구성의 차별성과 효과의 현저성이 있는 기술입니다.This is a technology that previously could only be calculated by measuring leaf temperature, but was modeled using an artificial intelligence MLP learning model to model a non-linear relationship. This is a technology that provides differentiation in composition and remarkable effectiveness in a way that was completely unexpected by a person in the field. no see.
상기와 같은 탁월한 작용효과를 가진 발명의 구성은 다음과 같다.The composition of the invention having the above excellent effects is as follows.
기상 데이터를 이용한 잎의 수증기압차 예측방법에 있어서,In the method of predicting the difference in water vapor pressure of leaves using meteorological data,
농장에 설치된 기상대에서 측정한 측정값과 엽온 데이터 및 작물 잎의 수증기압차 값을 준비하는 학습데이터 준비단계(S1); 및A learning data preparation step (S1) that prepares measurements from a weather station installed on the farm, leaf temperature data, and water vapor pressure difference values of crop leaves; and
다층신경망 학습모델을 생성하는 학습모델생성단계(S2); 및A learning model creation step (S2) that generates a multi-layer neural network learning model; and
상기 학습모델생성단계에서 생성한 학습모델에 학습데이터 준비단계에서 준비한 데이터를 학습하는 학습단계(S3); 및A learning step (S3) of learning the data prepared in the learning data preparation step with the learning model created in the learning model generation step; and
상기 학습단계를 마친 인공신경망학습모델에 해당 농장에 설치된 기상대에서 획득 가능한 데이터를 입력하여 작물 잎의 수증기압차 값을 예측하는 것을 특징으로 하는 기상 데이터를 이용한 잎의 수증기압차 예측방법 제공한다.A method for predicting the water vapor pressure difference of leaves using meteorological data is provided, which involves predicting the water vapor pressure difference value of crop leaves by inputting data obtainable from a weather station installed on the farm to the artificial neural network learning model that has completed the learning step.
또한, 상기 학습모델생성단계는 모델하이퍼파라미터를 설정하는 것을 의미하는 것을 특징으로 하는 기상 데이터를 이용한 잎의 수증기압차 예측방법 제공한다.In addition, the learning model creation step provides a method of predicting the water vapor pressure difference of leaves using meteorological data, which means setting model hyperparameters.
또한, 상기 모델하이퍼파라미터에는 손실함수, 활성화함수, 학습률, 은닉층의 개수 인 것을 특징으로 하는 기상 데이터를 이용한 잎의 수증기압차 예측방법 제공한다.In addition, the model hyperparameters include a loss function, activation function, learning rate, and number of hidden layers. A method for predicting the water vapor pressure difference of leaves using meteorological data is provided.
또한, 상기 기상데이터는 대기온도와 대기습도인 것을 특징으로 하는 기상 데이터를 이용한 잎의 수증기압차 예측방법 제공한다.In addition, a method for predicting the difference in water vapor pressure of leaves using meteorological data is provided, wherein the meteorological data are atmospheric temperature and atmospheric humidity.
또한, 또 다른 실시예의 In addition, in another embodiment
기상 데이터를 이용한 잎의 수증기압차 예측방법에 있어서,In the method of predicting the difference in water vapor pressure of leaves using meteorological data,
농장에 설치된 기상대에서 측정한 측정값과 및 작물 잎의 수증기압차 값을 준비하는 학습데이터 준비단계(SA1); 및A learning data preparation step (SA1) that prepares measured values from a weather station installed on the farm and water vapor pressure difference values of crop leaves; and
다층신경망 학습모델을 생성하는 학습모델생성단계(SA2); 및Learning model generation step (SA2) to generate a multi-layer neural network learning model; and
상기 학습모델생성단계에서 생성한 학습모델에 학습데이터 준비단계에서 준비한 데이터를 학습하는 학습단계(SA3); 및A learning step (SA3) of learning the data prepared in the learning data preparation step with the learning model created in the learning model generation step; and
상기 학습단계를 마친 인공신경망학습모델에 해당 농장에 설치된 기상대에서 획득 가능한 데이터를 입력하여 작물 잎의 수증기압차 값을 예측하는 것을 특징으로 하는 기상 데이터를 이용한 잎의 수증기압차 예측방법 제공한다.A method for predicting the water vapor pressure difference of leaves using meteorological data is provided, which involves predicting the water vapor pressure difference value of crop leaves by inputting data obtainable from a weather station installed on the farm to the artificial neural network learning model that has completed the learning step.
또한, 또 다른 실시예의In addition, in another embodiment
기상 데이터를 이용한 잎의 수증기압차 예측방법에 있어서,In the method of predicting the difference in water vapor pressure of leaves using meteorological data,
농장에 설치된 기상대에서 측정한 측정값과 엽온 예측 데이터 및 작물 잎의 수증기압차 값을 준비하는 학습데이터 준비단계(SB1); 및Learning data preparation step (SB1), which prepares measured values from a weather station installed on the farm, leaf temperature prediction data, and water vapor pressure difference values of crop leaves; and
다층신경망 학습모델을 생성하는 학습모델생성단계(SB2); 및Learning model generation step (SB2) to generate a multi-layer neural network learning model; and
상기 학습모델생성단계에서 생성한 학습모델에 학습데이터 준비단계에서 준비한 데이터를 학습하는 학습단계(SB3); 및A learning step (SB3) of learning the data prepared in the learning data preparation step with the learning model created in the learning model generation step; and
상기 학습단계를 마친 인공신경망학습모델에 해당 농장에 설치된 기상대에서 획득 가능한 데이터를 입력하여 작물 잎의 수증기압차 값을 예측하는 것을 특징으로 하는 기상 데이터를 이용한 잎의 수증기압차 예측방법 제공한다.A method for predicting the water vapor pressure difference of leaves using meteorological data is provided, which involves predicting the water vapor pressure difference value of crop leaves by inputting data obtainable from a weather station installed on the farm to the artificial neural network learning model that has completed the learning step.
또한 상기 엽온 예측 데이터는 입력변수로 대기온도, 일사량 및 엽온 측정 데이터를 이용하여 엽온을 대기온도와 일사량의 함수로 구한 하기의 엽온 예측 회귀식을 사용하여 상기 농장에 설치된 기상대에서 측정한 대기온도와 일사량으로부터 계산하여 구해지는 것을 특징으로 하는 기상 데이터를 이용한 잎의 수증기압차 예측방법 제공한다(엽온 예측 회귀식 = 9.651772156859273 + (0.46214678+0.08514499 ) * air_temp(대기온도) + 0.00351328 * solar_radiation(일사량))In addition, the leaf temperature prediction data uses air temperature, solar radiation, and leaf temperature measurement data as input variables, and uses the following leaf temperature prediction regression equation to calculate leaf temperature as a function of air temperature and solar radiation. The air temperature measured at the weather station installed on the farm is Provides a method for predicting the water vapor pressure difference in leaves using meteorological data, which is calculated from solar radiation (leaf temperature prediction regression equation = 9.651772156859273 + (0.46214678+0.08514499 ) * air_temp (air temperature) + 0.00351328 * solar_radiation (solar radiation))
또한, 상기 엽온 예측 데이터는 입력변수로 대기온도, 대기습도, 일사량 및 엽온 측정 데이터를 이용한 MLP 인공지능 학습모델을 학습한 결과로 생성된 MLP 모델에 상기 농장에 설치된 기상대에서 측정한 대기온도, 대기습도 및 일사량을 입력하여 출력으로 계산되는 엽온 예측 값을 이용하는 것을 특징으로 하는 기상 데이터를 이용한 잎의 수증기압차 예측방법 제공한다.In addition, the leaf temperature prediction data is an MLP model created as a result of learning an MLP artificial intelligence learning model using air temperature, air humidity, solar radiation, and leaf temperature measurement data as input variables, and the air temperature and air temperature measured at the weather station installed on the farm. A method for predicting the water vapor pressure difference of leaves using meteorological data is provided, which uses predicted leaf temperature values calculated as output by inputting humidity and solar radiation.
Claims (8)
농장에 설치된 기상대에서 측정한 측정값과 엽온 예측 데이터 및 작물 잎의 수증기압차 값을 준비하는 학습데이터 준비단계(SB1); 및
다층신경망 학습모델을 생성하는 학습모델생성단계(SB2); 및
상기 학습모델생성단계에서 생성한 학습모델에 학습데이터 준비단계에서 준비한 데이터를 학습하는 학습단계(SB3); 및
상기 학습단계를 마친 인공신경망학습모델에 해당 농장에 설치된 기상대에서 획득 가능한 데이터를 입력하여 작물 잎의 수증기압차 값을 예측하고,
상기 엽온 예측 데이터는 입력변수로 대기온도, 일사량 및 엽온 측정 데이터를 이용하여 엽온을 대기온도와 일사량의 함수로 계산된 하기의 엽온 예측 회귀식을 사용하여 상기 농장에 설치된 기상대에서 측정한 대기온도와 일사량으로부터 계산되며,
상기 학습모델생성단계는 모델하이퍼파라미터를 설정하는 것을 의미하고, 상기 모델하이퍼파라미터에는 손실함수, 활성화함수, 학습률, 은닉층의 개수가 포함되는 것을 특징으로 하는 기상 데이터를 이용한 잎의 수증기압차 예측방법.
(엽온 예측 회귀식 = 9.651772156859273 + (0.46214678+0.08514499 ) * air_temp(대기온도) + 0.00351328 * solar_radiation(일사량))In the method of predicting the difference in water vapor pressure of leaves using meteorological data including air temperature and atmospheric humidity,
Learning data preparation step (SB1), which prepares measured values from a weather station installed on the farm, leaf temperature prediction data, and water vapor pressure difference values of crop leaves; and
Learning model generation step (SB2) to generate a multi-layer neural network learning model; and
A learning step (SB3) of learning the data prepared in the learning data preparation step with the learning model created in the learning model generation step; and
The water vapor pressure difference value of crop leaves is predicted by inputting data that can be obtained from a weather station installed on the farm into the artificial neural network learning model that has completed the learning step above,
The leaf temperature prediction data uses air temperature, solar radiation, and leaf temperature measurement data as input variables, and uses the following leaf temperature prediction regression equation to calculate leaf temperature as a function of air temperature and solar radiation. The air temperature measured at the weather station installed on the farm is Calculated from solar radiation,
The learning model creation step means setting model hyperparameters, and the model hyperparameters include a loss function, activation function, learning rate, and number of hidden layers. A method for predicting water vapor pressure difference in leaves using meteorological data.
(Leaf temperature prediction regression equation = 9.651772156859273 + (0.46214678+0.08514499 ) * air_temp (air temperature) + 0.00351328 * solar_radiation (solar radiation))
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Citations (5)
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| KR20160145319A (en) | 2015-06-10 | 2016-12-20 | 주식회사 엘앤와이비젼 | Method for temperature measuring of plant leaf using muti-image |
| KR20210114751A (en) * | 2020-03-11 | 2021-09-24 | 서울대학교산학협력단 | Method and apparatus for estimating crop growth quantity |
| JP2021157767A (en) * | 2020-03-27 | 2021-10-07 | 富士通株式会社 | Crop condition estimation program, crop condition estimation method and crop condition estimation device |
| KR20230072574A (en) * | 2021-11-17 | 2023-05-25 | 대한민국(농촌진흥청장) | Apparatus and method of measuring crop water stress using an infrared camera |
-
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20130035816A (en) | 2011-09-30 | 2013-04-09 | 순천대학교 산학협력단 | Measuring temperature of the plant by using the image processing method |
| KR20160145319A (en) | 2015-06-10 | 2016-12-20 | 주식회사 엘앤와이비젼 | Method for temperature measuring of plant leaf using muti-image |
| KR20210114751A (en) * | 2020-03-11 | 2021-09-24 | 서울대학교산학협력단 | Method and apparatus for estimating crop growth quantity |
| JP2021157767A (en) * | 2020-03-27 | 2021-10-07 | 富士通株式会社 | Crop condition estimation program, crop condition estimation method and crop condition estimation device |
| KR20230072574A (en) * | 2021-11-17 | 2023-05-25 | 대한민국(농촌진흥청장) | Apparatus and method of measuring crop water stress using an infrared camera |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| makerjeju, Vapor Pressure Deficit(VPD) Guide, 블로그, [online], 2019.3.28., 인터넷: < URL: https://makerjeju.tistory.com/29 >* * |
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