KR20180093594A - 광 반사도를 이용하여 토양함수율을 측정하는 방법 및 휴대용 분광계 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따르면, 측정장치 및 분석장치를 포함하는 휴대용 분광계가 토양의 함수율을 측정하는 방법에 있어서, (a) 상기 측정장치를 통해, 광원으로부터 방사되어 토양 시료로부터 반사된 빛의 반사도를 각 파장별로 측정하는 단계; 및 (b) 상기 분석장치를 통해, (i) 상기 반사된 빛의 파장 중 토양함수율을 측정하기에 가장 적합한 파장을 선택하거나, 선택받고, (ii) 사전에 수집된 기존 함수율 데이터를 토대로 상기 최적 파장에 대응되는 반사도를 분석하여 토양함수율 연산식을 도출하며, (iii) 상기 토양함수율 연산식 및 상기 최적 파장의 반사도를 이용하여 상기 토양 시료의 함수율을 산정하는 단계를 포함하는, 토양함수율 측정 방법이 제공된다.
Description
본 발명은 휴대용 분광계를 이용한 토양함수율 측정 방법 및 휴대용 분광계에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 광물의 수분 함량에 따라 변화하는 빛의 반사도를 측정하고, 측정된 반사도를 통해 해당 토양의 함수율을 연산함으로써, 현장에서 휴대용 분광계 외 기타 장비의 사용 없이 신속하고 정확하게 토양의 함수율을 측정 가능하게 하는 방법 및 휴대용 분광계에 관한 것이다.
토양 내 포함된 수분의 함량을 나타내는 토양함수율은 가뭄의 발생, 식물의 성장, 지반의 강도 등과 밀접한 관련이 있어 건설·토목·농업·환경산업에 매우 중요한 요소로 작용하고 있으며, 이에 따라 토양함수율을 측정할 수 있는 방법과 그 장치들이 꾸준히 개발되어 왔다.
그러나, 종래의 토양함수율 측정 기술은 사전에 특정 조건으로 가공된 시료를 준비해야 하거나, 시공간적으로 제한된 환경에서의 복잡한 실험 절차를 거쳐야 하며, 이를 위한 장치들 또한 고가이거나 부피를 크게 차지하는 등 다양한 제약이 존재한다는 문제점이 있다.
이로 인하여 정밀한 토양함수율 측정을 위해서는 오랜 시간이 소요되며, 전문가가 아닌 일반 사용자들은 각자의 필요에 따라 직접 토양함수율을 측정하기가 어려운 곤란을 겪고 있다.
따라서, 시공간적 제약에서 벗어나, 보다 간편한 방법을 통해 실시간으로 토양함수율을 측정할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 현장에서 별도의 준비 과정 또는 복잡한 실험 절차를 거치지 않고 즉각적으로 토양함수율을 측정 가능하도록 함으로써, 사용자들이 신속하고 간편하게 토양함수율을 측정할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 기타 장비의 사용 없이 휴대용 분광계만으로 토양함수율 측정을 완료할 수 있도록 함으로써, 토양함수율 측정 시의 시공간적 제약을 해소하고 경제성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 측정장치 및 분석장치를 포함하는 휴대용 분광계가 토양의 함수율을 측정하는 방법에 있어서, (a) 상기 측정장치를 통해, 광원으로부터 방사되어 토양 시료로부터 반사된 빛의 반사도를 각 파장별로 측정하는 단계; 및 (b) 상기 분석장치를 통해, (i) 상기 반사된 빛의 파장 중 토양함수율을 측정하기에 가장 적합한 파장을 선택하거나, 선택받고, (ii) 사전에 수집된 기존 함수율 데이터를 토대로 상기 최적 파장에 대응되는 반사도를 분석하여 토양함수율 연산식을 도출하며, (iii) 상기 토양함수율 연산식 및 상기 최적 파장의 반사도를 이용하여 상기 토양 시료의 함수율을 산정하는 단계를 포함하는, 토양함수율 측정 방법이 제공된다.
상기 최적 파장은, 1900nm의 파장일 수 있다.
상기 최적 파장의 반사도 분석은, 상기 기존 함수율 데이터를 이용하여 상기 최적 파장의 반사도에 표준 회귀분석을 적용하는 것일 수 있다.
상기 휴대용 분광계는, 상기 토양의 표면 또는 상기 토양 시료 상에 설치될 수 있다.
상기 (a) 단계 이전, 상기 분석장치를 통해, 상기 측정장치가 상기 토양 시료에 적합하게 설치되었는지 여부를 판정하고, 적합하게 설치되었을 경우 상기 측정장치 및 상기 분석장치의 상태를 최적화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 (b) 단계는, (iv) 상기 산정된 함수율 데이터를 사용자 단말기로 전송하거나, 자체적으로 디스플레이하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 기존 함수율 데이터는, 기존 정보 제공 서버를 통해 수집하거나, 사용자 단말기를 통해 사용자로부터 입력받는 것일 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 측정장치 및 분석장치를 포함하며, 토양의 함수율을 측정하는 휴대용 분광계에 있어서, 상기 측정장치를 통해, 광원으로부터 방사되어 토양 시료로부터 반사된 빛의 반사도를 각 파장별로 측정하는 반사도 측정부; 및 상기 분석장치를 통해, (i) 상기 반사된 빛의 파장 중 토양함수율을 측정하기에 가장 적합한 파장을 선택하거나, 선택받고, (ii) 사전에 수집된 기존 함수율 데이터를 토대로 상기 최적 파장에 대응되는 반사도를 분석하여 토양함수율 연산식을 도출하며, (iii) 상기 토양함수율 연산식 및 상기 최적 파장의 반사도를 이용하여 상기 토양 시료의 함수율을 산정하는 함수율 연산부를 포함하는, 휴대용 분광계가 제공된다.
상기 최적 파장은, 1900nm의 파장일 수 있다.
상기 최적 파장의 반사도 분석은, 상기 기존 함수율 데이터를 이용하여 상기 최적 파장의 반사도에 표준 회귀분석을 적용하는 것일 수 있다.
상기 휴대용 분광계는, 상기 토양의 표면 또는 상기 토양 시료 상에 설치될 수 있다.
상기 휴대용 분광계는, 상기 분석장치를 통해, 상기 측정장치가 상기 토양 시료에 적합하게 설치되었는지 여부를 판정하고, 적합하게 설치되었을 경우 상기 측정장치 및 상기 분석장치의 상태를 최적화시키는 최적화 수행부를 포함할 수 있다.
상기 휴대용 분광계는, 상기 분석장치를 통해, 상기 산정된 함수율 데이터를 사용자 단말기로 전송하거나, 자체적으로 디스플레이하는 분석 결과 제공부를 포함할 수 있다.
상기 기존 함수율 데이터는, 기존 정보 제공 서버를 통해 수집하거나, 사용자 단말기를 통해 사용자로부터 입력받는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 현장에서 별도의 준비 과정 또는 복잡한 실험 절차를 거치지 않고 즉각적으로 토양함수율을 측정 가능하도록 함으로써, 사용자들이 신속하고 간편하게 토양함수율을 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기타 장비의 사용 없이 휴대용 분광계만으로 토양함수율 측정을 완료할 수 있도록 함으로써, 토양함수율 측정 시의 시공간적 제약을 해소하고 경제성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양함수율 측정 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 분광계의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 휴대용 분광계를 통해 토양함수율이 측정되는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 선택된 최적 파장의 반사도와 함수율 간의 상관관계를 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 분광계의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 휴대용 분광계를 통해 토양함수율이 측정되는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 선택된 최적 파장의 반사도와 함수율 간의 상관관계를 도시한 그래프이다.
이하에서 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 “간접적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양함수율 측정 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 토양함수율 측정 시스템은 통신망을 통해 서로 통신 가능한 휴대용 분광계(100), 사용자 단말기(200) 및 기존 정보 제공 서버(300)를 포함할 수 있다.
먼저, 통신망은 유선 및 무선 등과 같은 그 통신 양태를 가리지 않고 구성될 수 있다. 근거리 통신망(LAN : Local Area Network), 도시권 통신망(MAN : Metropolitan Area Network), 광역 통신망(WAN : Wide Area Network) 등 다양한 통신망으로 구성될 수 있다.
휴대용 분광계(100)는 토양 시료로부터 반사되는 빛의 파장별 반사도를 측정하여 이를 이용해 해당 토양의 함수율을 연산하고, 그 결과를 사용자에게 제공하는 장치일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 분광계(100)는 토양 시료에 빛을 방사하고, 상기 빛이 토양 시료로부터 반사되는 반사도를 각 파장별로 측정하는 측정장치(110)와, 휴대용 분광계(100)의 상태를 최적화시키며 상기 파장별 반사도 데이터를 분석하여 해당 토양의 함수율을 연산하는 분석장치(120)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 측정장치(110)는 함수율을 측정하고자 하는 토양 표면, 또는 토양의 일부를 채취한 시료 상에 수직으로 맞대어 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 측정장치(110)는 토양 시료에 빛을 방사하기 위한 광원을 포함할 수 있으며, 광원으로부터 방사되어 해당 토양으로부터 반사된 빛을 분광하여 각 파장별 빛의 반사도를 측정하고, 이의 데이터를 분석장치(120)로 전송할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 측정장치(110) 및 상기 분석장치(120)는 서로 광섬유케이블(Fiber-optic cable)로 연결될 수 있으며, 이를 통해 상호 간에 광 신호를 송수신할 수도 있다.
일 실시예에 따른 분석장치(120)는 기존 함수율 데이터를 기존 정보 제공 서버(300)로부터 수집하거나, 사용자 단말기(200)를 통해 사용자로부터 입력받을 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 분석장치(120)는 기존 함수율 데이터로서 기존에 분석장치(120)를 통해 연산되었던 특정 토양의 함수율 데이터를 분석장치(120)의 데이터베이스를 통해 참조할 수도 있다.
상기 기존 함수율 데이터는 사전에 수집된 기존의 토양함수율 데이터로서, 분석장치(120)가 토양 시료로부터 측정된 정보를 분석할 시 기준 정보로 활용하기 위한 데이터일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 분석장치(120)는 추후 연산하게 될 토양함수율의 정밀도를 향상시키기 위하여, 측정장치(110)와 토양 시료가 적합하게 연결되었는지 여부를 판단할 수 있으며, 측정장치(110) 및 분석장치(120)의 상태를 최적화시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분석장치(120)는 토양함수율을 측정하기에 가장 적합한 파장을 자동으로 선택하거나, 혹은 사용자로부터 선택받을 수 있다.
이후, 분석장치(120)는 기존 함수율 데이터를 토대로 하여, 상기 파장별로 측정된 반사도 데이터 중 상기 최적 파장에 대응되는 반사도 데이터에 표준 회귀분석을 적용함으로써, 토양함수율을 산정할 수 있는 연산식을 도출할 수 있다.
이에 따라, 분석장치(120)는 상기 최적 파장에 대응되는 반사도를 상기 연산식에 대입함으로써, 해당 토양의 함수율을 산정할 수 있다.
일 실시예에 따른 분석장치(120)는 상기 토양 시료로부터 반사된 광 신호의 스펙트럼 정보, 상기 산정한 토양함수율 데이터 등을 일 이상 포함하는 토양 분석 결과 정보를 사용자 단말기(200)로 전송함으로써 사용자에게 제공할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 분석장치(120)는 다양한 정보를 디스플레이할 수 있는 화면을 포함하여 구성될 수 있으며, 이를 통해 상기 토양 분석 결과 정보를 자체적으로 디스플레이함으로써 사용자에게 제공할 수도 있다.
즉, 일 실시예에 따른 사용자는 기준 시료 준비 등과 같은 별도의 준비 과정 또는 복잡한 실험 절차 없이, 휴대용 분광계(100)로 하여금 현장에서 즉각적으로 토양함수율을 측정하도록 할 수 있다.
또한, 사용자는 별도 장비의 사용 없이 휴대용 분광계(100)만으로 토양함수율 측정을 완료할 수 있으므로, 토양함수율 측정 시 시공간적 제약에서 벗어날 수 있으며, 이를 통해 경제적인 이점 또한 가질 수 있다.
사용자 단말기(200)는 휴대폰, 스마트폰, PDA(Personal Digital Assistant), PMP(Portable Multimedia Player), 태블릿 PC 등과 같이 네트워크를 통하여 휴대용 분광계(100) 등의 외부 장치 또는 기존 정보 제공 서버(300) 등의 외부 서버와 연결될 수 있고, 모든 종류의 핸드헬드(Handheld) 기반의 무선 통신 장치를 포함할 수 있으며, 이 외에도 데스크탑 PC, 태블릿 PC, 랩탑 PC, 셋탑 박스를 포함하는 IPTV와 같이, 네트워크를 통하여 휴대용 분광계(100) 등의 외부 장치 또는 기존 정보 제공 서버(300) 등의 외부 서버와 연결될 수 있는 통신 장치도 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 단말기(200)는 웹 브라우저를 실행하여 웹 서버(미도시)로부터 제공되는 토양 분석 정보 제공 웹 페이지를 요청할 수 있다. 상기 웹 페이지의 요청은 웹 페이지의 주소 입력, 특정 웹 페이지에서 링크 선택, 검색 서비스를 제공하는 웹 페이지에서 검색 요청 등 다양한 방법으로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 사용자 단말기(200)의 메모리에는 사용자에게 토양 분석 결과 정보를 제공하는 토양 분석 정보 제공 프로그램이 설치되어 있을 수 있다.
상기 토양 분석 정보 제공 프로그램은 휴대용 분광계(100) 등의 외부 장치 또는 기존 정보 제공 서버(300) 등의 외부 서버와 통신할 수 있는 프로그램 모듈로써, 운영 시스템, 응용 프로그램 모듈 및 기타 프로그램 모듈의 형태로 사용자 단말기(200) 또는 이와 통신 가능한 다른 장치에 포함될 수 있으며, 물리적으로는 여러 가지 공지의 기억 장치 상에 저장될 수 있다. 한 편, 이러한 프로그램 모듈은 본 발명에 따라 후술할 특정 업무를 수행하거나 특정 추상 데이터 유형을 실행하는 루틴, 서브루틴, 프로그램, 오브젝트, 컴포넌트, 데이터 구조 등을 포괄하지만, 이에 제한되지는 않는다.
기존 정보 제공 서버(300)는 다양한 토양으로부터 측정된 기존 함수율 데이터를 사전에 자체적으로 수집하거나, 또는 사용자로부터 입력받는 서버일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기존 정보 제공 서버(300)는 휴대용 분광계(100)의 요청에 따라 기존 함수율 데이터를 휴대용 분광계(100)로 전송할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 분광계(100)의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 분광계(100)는 측정장치(110) 및 분석장치(120)를 포함할 수 있다.
먼저, 측정장치(110)는 토양 시료에 빛을 방사하여, 토양 시료로부터 빛이 반사되는 정도를 각 파장별로 측정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 측정장치(110)는 광원부(111), 반사도 측정부(112) 및 광 정보 전송부(113)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 광원부(111)는 광원으로서, 가시광선, 근적외선, 단파적외선 등과 같은 다양한 파장의 빛을 방사하는 램프를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 함수율을 측정하고자 하는 토양 시료는 광원으로부터 수직으로 소정 거리 이상 떨어진 곳에 위치하게 되며, 광원부(111)는 광원을 통해 토양 시료로 빛을 방사할 수 있다.
반사도 측정부(112)는 토양 시료로부터 반사되는 빛의 반사도를 각 파장별로 측정할 수 있다.
구체적으로, 일 실시예에 따른 반사도 측정부(112)는 광원부(111)로부터 방사되어 토양 시료로부터 반사된 빛이 프리즘 등을 통해 분광되도록 처리할 수 있다.
이에 따라, 반사도 측정부(112)는 상기 반사된 빛의 각 파장별 반사도를 측정할 수 있다. 예를 들면, 1500nm인 파장에 대응되는 반사도는 0.2로 측정될 수 있으며, 1900nm인 파장에 대응되는 반사도는 0.1로 측정될 수 있다.
광 정보 전송부(113)는 토양 시료로부터 반사된 빛과 이의 파장별 반사도가 측정된 정보를 분석장치(120)로 전달할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광 정보 전송부(113)는 상기 반사광을 광 신호로서 광섬유케이블을 통해 분석장치(120)로 전송할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 정보 전송부(113)는 반사도 측정부(112)에서 측정된 상기 반사광의 각 파장별 반사도 데이터를 분석장치(120)로 전송할 수도 있다.
분석장치(120)는 측정장치(110)로부터 수신한 광 신호 및 파장별 반사도 데이터를 분석하여, 해당 토양과 관련된 정보를 사용자에게 제공할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 분석장치(120)는 최적화 수행부(121), 데이터베이스(122), 광 정보 관리부(123), 함수율 연산부(124), 분석 결과 제공부(125), 제어부(126) 및 통신부(127)를 포함할 수 있다.
최적화 수행부(121)는 측정장치(110)를 통해 측정되는 반사도 데이터 및 함수율 연산부(124)를 통해 연산되는 토양함수율 데이터의 정확도를 향상시키기 위하여, 휴대용 분광계(100)의 상태를 최적화시킬 수 있다.
구체적으로, 일 실시예에 따른 최적화 수행부(121)는 측정장치(110)가 토양 시료에 수직으로 설치되었는지 여부를 확인할 수 있다.
이때, 측정장치(110)가 토양 시료와 수직으로 연결되지 않았을 시, 최적화 수행부(121)는 경고음을 발생시키거나, 이에 대한 경고 메시지를 디스플레이함으로써 사용자로 하여금 측정장치(110)를 올바르게 설치하도록 유도할 수 있다.
이후, 최적화 수행부(121)는 휴대용 분광계(100)가 효율적이고 정밀하게 동작할 수 있도록 분석장치(120)의 상태(예를 들면, 메모리 상태 등)를 최적화시킬 수 있으며, 측정장치(110)의 광원의 화이트 밸런스를 적절하게 조정할 수도 있다.
데이터베이스(122)는 본 발명의 토양함수율 측정 프로세스와 관련된 다양한 정보를 저장할 수 있다.
구체적으로, 일 실시예에 따르면, 데이터베이스(122)는 광 정보 관리부(123)로부터 수신되는 기존 함수율 데이터를 데이터베이스화하여 저장할 수 있으며, 이는 광 정보 관리부(123)로 하여금 실시간으로 갱신될 수도 있다.
또한, 일 실시예에 따른 데이터베이스(122)는 휴대용 분광계(100)를 통해 측정된 다양한 토양 시료별 반사도 데이터 및 토양함수율 데이터를 각각 광 정보 관리부(123) 및 함수율 연산부(124)로부터 수신하여 저장할 수도 있다.
광 정보 관리부(123)는 측정장치(110)로부터 송신된 광 신호를 소정의 파장 범위별로 나누어 수신할 수 있다. 예를 들면, 광 신호가 350nm~1000nm, 1000nm~1830nm 및 1830nm~2500nm인 파장 범위별로 나뉘어 수신될 수 있다.
또한, 광 정보 관리부(123)는 파장별 반사도 데이터를 상기 소정의 파장 범위별로 분류하여 함수율 연산부(124)로 전달할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 정보 관리부(123)는 기존 정보 제공 서버(300)로 기존 함수율 데이터를 요청하는 신호를 전송할 수 있으며, 이에 따라 기존 정보 제공 서버(300)로부터 송신된 기존 함수율 데이터를 데이터베이스(122)에 저장할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 광 정보 관리부(123)는 사용자 단말기(200)를 통해 사용자로부터 기존 함수율 데이터를 입력받을 수도 있으며, 상기 입력된 기존 함수율 데이터를 데이터베이스(122)에 저장할 수도 있다.
함수율 연산부(124)는 광 정보 관리부(123)로부터 수신한 파장별 반사도 데이터를 분석하여, 해당 토양의 함수율을 연산할 수 있다.
구체적으로, 일 실시예에 따른 함수율 연산부(124)는 측정장치(110)를 통해 반사도가 측정된 파장 중 토양함수율 연산 시 참조하게 될 파장으로서, 토양함수율 측정에 가장 적합한 파장을 자동으로 선택할 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 함수율 연산부(124)는 상기 토양함수율 측정에 가장 적합한 파장으로서, 토양함수율에 가장 민감하게 반응하는 단파적외선 영역(Short Wave Infrared Region) 중 OH기에 따라 영향을 받는 파장인 1900nm의 파장을 선택하는 것이 바람직하다.
또한, 다른 실시예에 따르면, 사용자가 분석장치(120)를 조작함으로써 함수율 연산부(124)가 토양함수율 연산 시 참조하게 될 파장을 직접 선택할 수도 있다.
이후, 함수율 연산부(124)는 기존 함수율 데이터를 토대로 하여, 상기 최적 파장으로 선택한 파장과 대응되는 반사도 데이터에 표준 회귀분석을 적용함으로써 해당 반사도를 이용하여 함수율을 연산할 수 있는 연산식을 도출할 수 있으며, 상기 연산식을 통해 해당 토양의 함수율을 산정할 수 있다.
예를 들면, 함수율 연산부(124)는 최적 파장으로 1900nm의 파장을 선택할 수 있으며, 이에 대응되는 반사도가 0.1일 수 있다. 이때, 1900nm에 대응되는 반사도에 표준 회귀분석을 적용한 결과, 해당 반사도(R) 및 함수율(θ) 간의 관계가 로그 함수의 경향을 보이게 되며, 그 연산식이 아래와 같이 도출될 수 있다.
이에 따라, 함수율 연산부(124)는 1900nm 파장에 대응되는 반사도인 0.1을 수학식 1에 대입함으로써, 해당 토양의 함수율을 0.12(=(-0.096)×ln(0.1)-0.104)로 산정하고, 해당 토양함수율 데이터를 분석 결과 제공부(125)로 전달할 수 있다.
분석 결과 제공부(125)는 분석장치(120)를 통해 토양함수율을 분석한 결과를 사용자에게 제공할 수 있다.
구체적으로, 일 실시예에 따른 분석 결과 제공부(125)는 함수율 연산부(124)로부터 수신한 토양함수율 데이터를 사용자 단말기(200)로 전송할 수 있으며, 이를 통해 사용자는 해당 토양의 토양함수율 정보를 즉각적으로 확인할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 분석 결과 제공부(125)는 측정장치(110)로부터 수신한 광 신호의 스펙트럼 정보를 그래프 형태로 시각화하여 사용자 단말기(200)로 전송함으로써, 사용자 단말기(200)에 디스플레이되도록 처리할 수도 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 일 실시예에 따른 분석 결과 제공부(125)는 상기 토양함수율 데이터 및 시각화된 광 신호의 스펙트럼 정보를 분석장치(120)의 화면에 디스플레이할 수도 있다.
일 실시예에 따른 제어부(126)는 측정장치(110), 최적화 수행부(121), 데이터베이스(122), 광 정보 관리부(123), 함수율 연산부(124), 분석 결과 제공부(125) 및 통신부(127) 간의 데이터의 흐름을 제어하는 기능을 수행할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 제어부(126)는 측정장치(110), 최적화 수행부(121), 데이터베이스(122), 광 정보 관리부(123), 함수율 연산부(124), 분석 결과 제공부(125) 및 통신부(127)에서 각각 고유한 기능을 수행하도록 제어할 수 있다.
일 실시예에 따른 통신부(127)는 분석장치(120)와 외부 서버 및 외부 장치 간 통신이 가능하도록 한다. 구체적으로 분석장치(120)가 사용자 단말기(200) 및 기존 정보 제공 서버(300)와의 통신을 가능하게 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 휴대용 분광계를 통해 토양함수율이 측정되는 과정을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 휴대용 분광계(100)는 토양 시료에 빛을 방사하고, 상기 빛이 토양 시료로부터 반사되는 반사도를 각 파장별로 측정하는 측정장치(110)와, 휴대용 분광계(100)의 상태를 최적화시키며 상기 파장별 반사도 데이터를 분석하여 해당 토양의 함수율을 연산하는 분석장치(120)를 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 분석장치(120)는 전원이 켜질 시 기존 정보 제공 서버(300)로 기존 함수율 데이터를 요청하는 신호를 전송할 수 있다(S301).
상기 기존 함수율 데이터는 사전에 수집된 다양한 토양의 토양함수율 데이터로서, 분석장치(120)가 현재 함수율을 측정하고자 하는 토양 시료로부터 수집된 정보를 분석할 시 기준 정보로 활용하기 위한 데이터일 수 있다.
이에 따라, 기존 정보 제공 서버(300)는 자체적으로 수집하거나 사용자로부터 입력된 기존 함수율 데이터를 분석장치(120)로 전송할 수 있으며(S302), 분석장치(120)는 상기 S302 단계를 통해 수신한 기존 함수율 데이터를 분석장치(120) 내의 데이터베이스에 저장할 수 있다(S303).
본 발명의 일 실시예에 따르면, 측정장치(110)는 함수율을 측정하고자 하는 토양 표면, 또는 토양의 일부를 채취한 시료에 수직으로 맞대어 설치되는 것이 바람직하며, 분석장치(120)는 측정장치(110)와 토양 시료가 서로 수직으로 연결되었는지 여부를 확인함으로써, 토양함수율 측정 프로세스의 수행 가능 여부를 판단할 수 있다(S304).
이때, 측정장치(110)가 토양 시료와 수직으로 연결되지 않았을 시, 분석장치(120)는 경고음을 발생시키거나, 이에 대한 경고 메시지를 디스플레이함으로써 사용자로 하여금 측정장치(110)를 올바르게 설치하도록 유도할 수 있다.
S304 단계를 수행한 결과, 측정장치(110)가 올바르게 설치된 것으로 판단되었을 시, 분석장치(120)는 자체적으로 상태 최적화를 수행하고, 광원의 화이트 밸런스를 조정함으로써 토양함수율을 측정하기 위한 동작의 정밀도 및 효율성을 향상시킬 수 있다(S305).
이후, 일 실시예에 따른 측정장치(110)는 광원을 통해 토양 시료에 빛을 방사하여, 토양 시료로부터 반사되는 빛을 분광시킴으로써 해당 반사광의 각 파장별로 반사도를 측정할 수 있으며(S306), 상기 S306 단계의 반사광 신호 및 이의 각 파장별 반사도 데이터를 분석장치(120)로 전송할 수 있다(S307).
본 발명의 일 실시예에 따른 분석장치(120)는 상기 S307 단계에서 수신한 반사광의 각 파장별 반사도를 분석하기 전, 토양함수율을 측정하기에 가장 적합한 파장을 자동으로 선택하거나, 또는 사용자로부터 선택받을 수 있다(S308).
이때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 토양함수율 측정에 가장 적합한 파장으로서, 토양함수율에 가장 민감하게 반응하는 단파적외선 영역(Short Wave Infrared Region) 중 OH기에 따라 영향을 받는 파장인 1900nm의 파장이 선택되는 것이 바람직하다.
이후, 일 실시예에 따른 분석장치(120)는 상기 S303 단계에서 저장된 기존 함수율 데이터를 토대로 하여, 상기 S308 단계에서 최적 파장으로 선택한 파장과 대응되는 반사도 측정 데이터에 표준 회귀분석을 적용함으로써, 해당 반사도를 이용하여 함수율을 연산할 수 있는 연산식을 도출할 수 있다(S309).
이후, 분석장치(120)는 상기S309 단계에서 도출된 연산식에 해당 반사도를 대입함으로써 해당 토양의 함수율을 산정할 수 있다(S310).
본 발명의 일 실시예에 따르면, 사용자는 사용자 단말기(200)에 설치된 토양 분석 정보 제공 프로그램을 실행시킬 수 있다(S311).
이에 따라, 분석장치(120)는 상기 S307 단계에서 수신한 반사광 신호의 스펙트럼 정보 및 상기 S310 단계에서 산정된 토양함수율 데이터 등을 일 이상 포함하는 토양 분석 결과 정보를 사용자 단말기(200)로 전송할 수 있으며(S312), 사용자 단말기(200)는 상기 S312 단계를 통해 수신한 토양 분석 결과 정보를 화면에 디스플레이함으로써 사용자에게 제공할 수 있다(S313).
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 선택된 최적 파장의 반사도와 함수율 간의 상관관계를 도시한 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 휴대용 분광계(100)를 통해 측정되는 파장 중 토양의 함수율에 가장 민감하게 반응하는 파장은 1900nm의 파장일 수 있다.
이에 따라, 휴대용 분광계(100)는 특정 토양의 함수율을 측정하기 위한 최적 파장으로 1900nm의 파장을 선택할 수 있으며, 해당 파장에 대응되는 반사도를 대상으로 표준 회귀분석을 적용할 수 있다.
이때, 도 4를 참조하면, 1900nm 파장의 반사도와 함수율 간의 관계는 로그 함수의 경향을 나타낼 수 있으며, 이를 통해 상술한 수학식 1과 같은 연산식이 도출될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따라 실시된 회귀분석에 있어, 연산식의 적합도를 의미하는 결정계수(Coefficient of Determination; r²)가 0.821로 나타나며, 상기 연산식에 따라 예측된 값과 실제 환경에서 관찰되는 값 간의 오차율인 평균 제곱근 오차(Root Mean Square Error; RMSE)가 5.122%로 나타나는 바, 상당히 우수한 상관관계를 확인할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 분광계(100)는 별도의 사전 준비 과정과 복잡한 실험 절차, 기타 장비의 사용 없이도 정밀한 토양함수율을 신속하게 측정할 수 있으며, 이를 즉각적으로 사용자에게 제공함으로써 사용자의 편의성과 만족도를 증진시킬 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 휴대용 분광계
110 : 측정장치
111 : 광원부
112 : 반사도 측정부
113 : 광 정보 전송부
120 : 분석장치
121 : 최적화 수행부
122 : 데이터베이스
123 : 광 정보 관리부
124 : 함수율 연산부
125 : 분석 결과 제공부
126 : 제어부
127 : 통신부
200 : 사용자 단말기
300 : 기존 정보 제공 서버
110 : 측정장치
111 : 광원부
112 : 반사도 측정부
113 : 광 정보 전송부
120 : 분석장치
121 : 최적화 수행부
122 : 데이터베이스
123 : 광 정보 관리부
124 : 함수율 연산부
125 : 분석 결과 제공부
126 : 제어부
127 : 통신부
200 : 사용자 단말기
300 : 기존 정보 제공 서버
Claims (14)
- 측정장치 및 분석장치를 포함하는 휴대용 분광계가 토양의 함수율을 측정하는 방법에 있어서,
(a) 상기 측정장치를 통해, 광원으로부터 방사되어 토양 시료로부터 반사된 빛의 반사도를 각 파장별로 측정하는 단계; 및
(b) 상기 분석장치를 통해, (i) 상기 반사된 빛의 파장 중 토양함수율을 측정하기에 가장 적합한 파장을 선택하거나, 선택받고, (ii) 사전에 수집된 기존 함수율 데이터를 토대로 상기 최적 파장에 대응되는 반사도를 분석하여 토양함수율 연산식을 도출하며, (iii) 상기 토양함수율 연산식 및 상기 최적 파장의 반사도를 이용하여 상기 토양 시료의 함수율을 산정하는 단계를 포함하는, 토양함수율 측정 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 최적 파장은,
1900nm의 파장인 것을 특징으로 하는, 토양함수율 측정 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 최적 파장의 반사도 분석은,
상기 기존 함수율 데이터를 이용하여 상기 최적 파장의 반사도에 표준 회귀분석을 적용하는 것을 특징으로 하는, 토양함수율 측정 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 휴대용 분광계는,
상기 토양의 표면 또는 상기 토양 시료 상에 설치되는 것을 특징으로 하는, 토양함수율 측정 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 (a) 단계 이전,
상기 분석장치를 통해, 상기 측정장치가 상기 토양 시료에 적합하게 설치되었는지 여부를 판정하고, 적합하게 설치되었을 경우 상기 측정장치 및 상기 분석장치의 상태를 최적화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 토양함수율 측정 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
(iv) 상기 산정된 함수율 데이터를 사용자 단말기로 전송하거나, 자체적으로 디스플레이하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 토양함수율 측정 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 기존 함수율 데이터는,
기존 정보 제공 서버를 통해 수집하거나, 사용자 단말기를 통해 사용자로부터 입력받는 것을 특징으로 하는, 토양함수율 측정 방법.
- 측정장치 및 분석장치를 포함하며, 토양의 함수율을 측정하는 휴대용 분광계에 있어서,
상기 측정장치를 통해, 광원으로부터 방사되어 토양 시료로부터 반사된 빛의 반사도를 각 파장별로 측정하는 반사도 측정부; 및
상기 분석장치를 통해, (i) 상기 반사된 빛의 파장 중 토양함수율을 측정하기에 가장 적합한 파장을 선택하거나, 선택받고, (ii) 사전에 수집된 기존 함수율 데이터를 토대로 상기 최적 파장에 대응되는 반사도를 분석하여 토양함수율 연산식을 도출하며, (iii) 상기 토양함수율 연산식 및 상기 최적 파장의 반사도를 이용하여 상기 토양 시료의 함수율을 산정하는 함수율 연산부를 포함하는, 휴대용 분광계.
- 제 8항에 있어서,
상기 최적 파장은,
1900nm의 파장인 것을 특징으로 하는, 휴대용 분광계.
- 제 8항에 있어서,
상기 최적 파장의 반사도 분석은,
상기 기존 함수율 데이터를 이용하여 상기 최적 파장의 반사도에 표준 회귀분석을 적용하는 것을 특징으로 하는, 휴대용 분광계.
- 제 8항에 있어서,
상기 휴대용 분광계는,
상기 토양의 표면 또는 상기 토양 시료 상에 설치되는 것을 특징으로 하는, 휴대용 분광계.
- 제 8항에 있어서,
상기 휴대용 분광계는,
상기 분석장치를 통해, 상기 측정장치가 상기 토양 시료에 적합하게 설치되었는지 여부를 판정하고, 적합하게 설치되었을 경우 상기 측정장치 및 상기 분석장치의 상태를 최적화시키는 최적화 수행부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 휴대용 분광계.
- 제 8항에 있어서,
상기 휴대용 분광계는,
상기 분석장치를 통해, 상기 산정된 함수율 데이터를 사용자 단말기로 전송하거나, 자체적으로 디스플레이하는 분석 결과 제공부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 휴대용 분광계.
- 제 8항에 있어서,
상기 기존 함수율 데이터는,
기존 정보 제공 서버를 통해 수집하거나, 사용자 단말기를 통해 사용자로부터 입력받는 것을 특징으로 하는, 휴대용 분광계.
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|---|---|---|---|
| KR1020170019889A KR20180093594A (ko) | 2017-02-14 | 2017-02-14 | 광 반사도를 이용하여 토양함수율을 측정하는 방법 및 휴대용 분광계 |
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|---|---|---|---|
| KR1020170019889A KR20180093594A (ko) | 2017-02-14 | 2017-02-14 | 광 반사도를 이용하여 토양함수율을 측정하는 방법 및 휴대용 분광계 |
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| KR20180093594A true KR20180093594A (ko) | 2018-08-22 |
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| KR1020170019889A KR20180093594A (ko) | 2017-02-14 | 2017-02-14 | 광 반사도를 이용하여 토양함수율을 측정하는 방법 및 휴대용 분광계 |
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN110118732A (zh) * | 2019-05-22 | 2019-08-13 | 中国农业大学 | 土壤含水量检测方法及装置 |
| KR20200107357A (ko) * | 2019-03-07 | 2020-09-16 | 충남대학교산학협력단 | 휴대용 분광계를 이용한 오염토양 내 아연 및 카드뮴 탐사 장치 및 방법 |
| CN117074403A (zh) * | 2023-08-17 | 2023-11-17 | 宁夏大学 | 一种土壤水分盐分信息自动化提取装置 |
-
2017
- 2017-02-14 KR KR1020170019889A patent/KR20180093594A/ko not_active Application Discontinuation
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