KR20210045253A - Irrigation system and method using water shortage diagnosis of crops - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 작물의 수분스트레스 진단을 이용한 관개 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 특히 토양 수분 정보와 연계해서 적정 관개시기 및 관개 량을 결정하기 위한 의사결정 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an irrigation system and method using the water stress diagnosis of crops, and in particular, to a decision-making system and method for determining an appropriate irrigation timing and irrigation amount in connection with soil moisture information.
농작물 재배를 위한 종래의 관수 제어 방법은, 매일 혹은 정해진 날짜에 일정 시간 동안 물을 뿌려주는 방법이다. 작물재배를 위한 적정한 관수 관리는, 작물의 수분 스트레스와 과도한 물의 사용을 최소화하고 작물생장에 필요한 양만 적소 적시에 투입하는 것을 의미한다. 필요 이상의 과다 관수는 토양 침식을 가중시키고, 물의 이동과 용탈에 의해서 지표수 및 지하수의 오염을 야기하는 문제가 있으며, 반면에 부족 관수는 재배작물의 생산성과 품질을 저하시키는 문제가 발생된다.The conventional irrigation control method for cultivation of crops is a method of spraying water for a predetermined time every day or on a predetermined date. Appropriate irrigation management for crop cultivation means minimizing the use of water stress and excessive water on the crop, and putting only the amount necessary for crop growth at the right time and at the right time. Excessive irrigation more than necessary increases soil erosion and causes contamination of surface water and groundwater due to movement and leaching of water, while insufficient irrigation causes a problem of lowering the productivity and quality of cultivated crops.
한편, 종래에는 관수를 위한 관수 제어기를 수동으로 조작하거나, 관수 제어기를 매일 혹은 일정 날짜 간격으로 정해진 시간 동안 관수를 하도록 설정하는 방식으로 관수를 하였다. 그러나, 이러한 관수 제어 방법은, 일반적으로 재배자의 경험이나 재배 교본에 의한 방법으로, 수확물의 품질 목표나 실제 토양의 수분 정도와 무관하게 진행되어, 경작물의 품질을 향상하는데 기여하기 어려운 문제가 있었다.Meanwhile, in the related art, irrigation was performed by manually operating an irrigation controller for irrigation, or setting the irrigation controller to irrigation for a predetermined time every day or at a fixed date interval. However, this irrigation control method is generally a method based on a grower's experience or a cultivation textbook, and proceeds regardless of the quality target of the crop or the actual moisture level of the soil, and thus it is difficult to contribute to the improvement of the quality of the cultivated product.
이와 관련, 종래의 한국공개특허 제10-2012-0072826호는 토양수분장력계를 이용한 관수제어장치로서, 토양의 수분 장력을 측정하는 토양수분 장력계 및 장력 센서를 통해, 토양의 수분에 관한 정보를 바탕으로 관수를 수행하는 기술을 개시하고 있다.In this regard, conventional Korean Patent Publication No. 10-2012-0072826 is an irrigation control device using a soil moisture tensiometer, and information on soil moisture through a soil moisture tensiometer and a tension sensor that measures the moisture tension of the soil. It discloses a technology for performing irrigation based on.
다만, 토양의 수분 장력을 측정하는 경우 작물의 외부 환경 조건만을 고려한 정보를 이용하여 환경 제어를 하는바, 작물 상태에 맞춤화된 환경 제어를 하지 못하고 있다. 즉, 현재 온실제어 시스템은 작물의 생육 과정에서 작물이 병들었는지, 수분이 부족한지, 광합성이 잘 진행되고 있는지, 증산 작용은 어떠한지 등에 대해 평가하고, 이를 온실 환경제어에 반영하지는 못하고 있는 문제점이 있다.However, when measuring the moisture tension of the soil, environmental control is performed using information considering only the external environmental conditions of the crop, and therefore, environmental control tailored to the condition of the crop cannot be performed. In other words, the current greenhouse control system evaluates whether the crop is sick, lack of moisture, photosynthesis, and transpiration during the growth process of the crop, and does not reflect this in the greenhouse environment control. .
본 발명은 엽온 정보와 기상 정보를 이용해 작물 수분스트레스를 진단하여 관개 시기와 관개 량을 결정하는 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a system and method for determining irrigation timing and irrigation amount by diagnosing crop moisture stress using leaf temperature information and meteorological information.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 토양의 유효수분함량의 비율에 따른 작물의 수분스트레스 진단을 이용한 관개 시스템에 있어서, 상기 작물이 위치한 대기의 온도, 습도, 일사량 또는 풍속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 기상 정보와 상기 작물의 엽온을 측정하여 측정 정보를 생성하는 측정부; 상기 측정 정보 중 특정 시간대의 측정 정보를 이용하여 상기 작물의 수분스트레스의 지수값(: Crop Water Stress Index)과 토양유효수분함량()를 산출하는 산출부; 및 상기 지수값과 기 설정된 수분스트레스의 기준값()을 비교하고, 상기 토양유효수분함량()과 상기 작물의 최대 토양수분허용 부족량(MAD: Maximum Allowable Deficit)의 임계 값과 비교하여 관개를 결정하는 제어부를 포함하는 작물의 수분스트레스 진단을 이용한 관개 시스템을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is an irrigation system using a moisture stress diagnosis of a crop according to a ratio of the effective moisture content of the soil, including at least one of temperature, humidity, solar radiation, or wind speed of the atmosphere where the crop is located. A measurement unit that generates measurement information by measuring weather information and leaf temperature of the crop; The index value of the moisture stress of the crop by using the measurement information of a specific time period among the measurement information ( : Crop Water Stress Index) and effective soil moisture content ( A calculation unit that calculates ); And a reference value of the index value and a preset moisture stress ( ), and the effective soil moisture content ( ) And a control unit for determining irrigation by comparing with a threshold value of the maximum allowable soil moisture deficit (MAD) of the crop.
실시 예에 따라, 상기 측정부는, 상기 엽온을 측정하기 위하여 열화상 카메라, 적외선 센서, 또는 드론 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.According to an embodiment, the measurement unit may include at least one of a thermal imaging camera, an infrared sensor, and a drone to measure the leaf temperature.
실시 예에 따라, 상기 열화상카메라는, RGB 또는 적외선 이미지를 이용하여 상기 작물의 외관부의 온도 공간 변이를 평균하여 상기 엽온을 측정할 수 있다.According to an embodiment, the thermal imaging camera may measure the leaf temperature by averaging the temperature and spatial variation of the outer part of the crop by using an RGB or infrared image.
실시 예에 따라, 상기 작물의 수분스트레스의 지수 값(: Crop Water Stress Index)은, 상기 엽온과 상기 작물이 위치한 대기 온도 간의 차이의 상한선 및 하한선을 이용하여 산출될 수 있다.According to an embodiment, the index value of the moisture stress of the crop ( : Crop Water Stress Index) may be calculated using the upper and lower limits of the difference between the leaf temperature and the atmospheric temperature in which the crop is located.
실시 예에 따라, 상기 제어부는, 상기 작물의 수분스트레스의 지수 값(: Crop Water Stress Index)이 기 설정된 수분스트레스의 기준 값()을 초과하고, 상기 토양유효수분함량()이 상기 작물의 최대 토양수분허용 부족량(MAD: Maximum Allowable Deficit)의 임계 값 미만인 경우, 관개 시작을 결정할 수 있다. 상기 임계 값은, 80% 미만으로 설정될 수 있다.Depending on the embodiment, the control unit, the index value of the moisture stress of the crop ( : Crop Water Stress Index) is the standard value of moisture stress ( ), and the effective soil moisture content ( ) Is less than the threshold value of the maximum allowable soil moisture deficit (MAD) of the crop, it is possible to determine the start of irrigation. The threshold value may be set to less than 80%.
또한 본 발명은, 토양의 유효수분함량의 비율에 따른 작물의 수분스트레스 진단을 이용한 관개 방법에 있어서, 상기 작물이 위치한 대기의 온도, 습도, 일사량 또는 풍속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 기상 정보와 상기 작물의 엽온을 측정부에서 측정하여 측정 정보를 생성하는 단계; 상기 측정 정보 중 특정 시간대의 측정 정보를 이용하여 산출부에서 상기 작물의 수분스트레스의 지수 값(: Crop Water Stress Index)과 토양유효수분함량()를 산출하는 단계; 및 상기 산출부의 결과를 통해 제어부에서 상기 지수 값과 기 설정된 수분스트레스의 기준 값()을 비교하고, 상기 토양유효수분함량()과 상기 작물의 최대 토양수분허용 부족량(MAD: Maximum Allowable Deficit)의 임계 값과 비교하여 관개를 결정하는 단계를 포함하는 작물의 수분스트레스 진단을 이용한 관개 방법을 제공하는 것을 다른 특징으로 한다.In addition, the present invention, in the irrigation method using the water stress diagnosis of the crop according to the ratio of the effective moisture content of the soil, the weather information including at least one of temperature, humidity, solar radiation, or wind speed of the atmosphere where the crop is located, and the Generating measurement information by measuring the leaf temperature of the crop in a measuring unit; The index value of the moisture stress of the crop in the calculation unit by using the measurement information of a specific time period among the measurement information ( : Crop Water Stress Index) and effective soil moisture content ( Calculating ); And a reference value of the index value and a preset moisture stress in the control unit through the result of the calculation unit ( ), and the effective soil moisture content ( It is another feature to provide an irrigation method using the diagnosis of moisture stress of a crop comprising the step of determining irrigation by comparing with) and a threshold value of the maximum allowable deficit (MAD) of the crop.
실시 예에 따라, 상기 측정 정보는, 기 설정된 특정 시간 대에서 산출될 수 있으며, 기 설정된 온도 이상 또는 습도 이하에서 측정될 수 있다.According to an embodiment, the measurement information may be calculated at a predetermined specific time period, and may be measured above a predetermined temperature or below a humidity.
실시 예에 따라, 상기 수분스트레스의 기준 값()은, 상기 작물의 기 설정된 재배기간 동안 상기 지수 값()의 평균 값으로 설정될 수 있다.According to an embodiment, the reference value of the moisture stress ( ) Is the index value ( ) Can be set as an average value.
또한 본 발명은, 상술한 어느 하나의 방법을 실행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독가능 기록매체를 제공하는 것을 또 다른 특징으로 한다.In addition, the present invention is another feature of providing a computer-readable recording medium in which a program for executing any one of the above-described methods is recorded.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 비파괴 적외선 영상기술을 이용한 작물 수분스트레스 정량화가 가능한 이점이 있다.According to the present invention having the configuration as described above, there is an advantage that it is possible to quantify crop moisture stress using non-destructive infrared imaging technology.
또한 본 발명은, 적정 물 관리 기술 개발을 적용하여 가뭄대책 추진 및 피해를 최소화 할 수 있는 이점이 있다.In addition, the present invention has the advantage of minimizing damage and promoting drought countermeasures by applying appropriate water management technology development.
또한 본 발명은, 지속적인 노지 밭 작물 재배기반 마련에 따른 농가 생산 효율성 향상 및 소득 증대를 가져오는 이점이 있다.In addition, the present invention has the advantage of bringing about improvement in farm production efficiency and income increase according to the continuous provision of the basis for cultivation of field crops.
도 1은 본 발명의 작물의 수분스트레스 진단을 이용한 관개 방법의 순서도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 작물 수분스트레스 지수(CWSI) 산정 방법을 구현한 프로그램의 모습을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 작물의 엽온을 측정하는 모습을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 열화상 카메라를 이용하여 적외선 영상 간 분리를 통한 작물의 엽온을 측정하는 모습을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 관개 전후의 엽온의 변화를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 토양수분함량의 변화에 의한 CWSI의 변화를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 토양수분함량과 CWSI 간의 상관관계를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 기상 자료를 이용하여 예측한 엽온과 실측한 엽온 간의 비교를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 과실 특성의 분석 결과를 나타낸다.1 shows a flow chart of the irrigation method using the water stress diagnosis of the crop of the present invention.
Figure 2 shows the appearance of a program implementing the crop moisture stress index (CWSI) calculation method according to an embodiment of the present invention.
3 shows a state of measuring leaf temperature of a crop according to an embodiment of the present invention.
4 shows a state of measuring leaf temperature of a crop through separation between infrared images using a thermal imaging camera according to an embodiment of the present invention.
5 shows changes in leaf temperature before and after irrigation according to an embodiment of the present invention.
6 shows a change in CWSI due to a change in soil moisture content according to an embodiment of the present invention.
7 shows a correlation between soil moisture content and CWSI according to an embodiment of the present invention.
8 shows a comparison between predicted leaf temperature and measured leaf temperature using meteorological data according to an embodiment of the present invention.
9 shows the results of analysis of fruit characteristics according to an embodiment of the present invention.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.The terms used in the present specification will be briefly described, and the present invention will be described in detail.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다. Terms used in the present invention have selected general terms that are currently widely used as possible while taking functions of the present invention into consideration, but this may vary according to the intention or precedent of a technician working in the field, the emergence of new technologies, and the like. In addition, in certain cases, there are terms arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning of the terms will be described in detail in the description of the corresponding invention. Therefore, the terms used in the present invention should be defined based on the meaning of the term and the overall contents of the present invention, not a simple name of the term.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, "그 중간에 다른 구성을 사이에 두고" 연결되어 있는 경우도 포함한다.When a part of the specification is said to "include" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary. In addition, terms such as "... unit" and "module" described in the specification mean units that process at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software, or as a combination of hardware and software. . In addition, when a part is said to be "connected" with another part throughout the specification, this includes not only the case of being "directly connected" but also the case of being connected "with another configuration in the middle".
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.
도 1은 본 발명의 작물의 수분스트레스 진단을 이용한 관개 방법의 순서도를 나타낸다.1 shows a flow chart of the irrigation method using the water stress diagnosis of the crop of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명은 측정 정보를 생성하는 단계, 작물의 수분스트레스의 지수값과 토양유효수분함량을 산출하는 단계 및 관개를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the present invention may include generating measurement information, calculating an index value of water stress of a crop and an effective soil moisture content, and determining irrigation.
측정 정보를 생성하는 단계는, 작물이 위치한 대기의 온도, 습도, 일사량 또는 풍속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 기상 정보와 상기 작물의 엽온을 측정부에서 측정하여 생성될 수 있다.The step of generating the measurement information may be generated by measuring meteorological information including at least one of temperature, humidity, solar radiation, or wind speed of the atmosphere in which the crop is located and the leaf temperature of the crop by a measuring unit.
본 발명은, 실시간 작물의 엽온과 기상정보를 이용하여 작물 수분스트레스를 진단하고, 토양수분정보와 연계해서 적정한 관개 시기 및 관개 량을 결정하기 위한 관개 의사결정 지원 방법을 구현할 수 있다.The present invention can implement an irrigation decision support method for diagnosing crop moisture stress using real-time leaf temperature and weather information of crops, and determining an appropriate irrigation timing and irrigation amount in connection with soil moisture information.
측정 정보는, 기 설정된 특정 시간 대에서 산출될 수 있으며, 기 설정된 온도 이상 또는 습도 이하에서 측정될 수 있다.The measurement information may be calculated at a preset specific time period, and may be measured above a preset temperature or below a humidity.
상기 측정 정보 중 특정 시간대의 측정 정보를 이용하여 산출부에서 상기 작물의 수분스트레스의 지수 값(: Crop Water Stress Index)과 토양유효수분함량()를 산출할 수 있다.The index value of the moisture stress of the crop in the calculation unit by using the measurement information of a specific time period among the measurement information ( : Crop Water Stress Index) and effective soil moisture content ( ) Can be calculated.
관개를 결정하는 단계는, 산출부의 결과를 통해 제어부에서 지수 값과 기 설정된 수분스트레스의 기준 값()을 비교하고, 토양유효수분함량()과 작물의 최대 토양수분허용 부족량(MAD: Maximum Allowable Deficit)의 임계 값과 비교하는 과정을 포함한다.The step of determining irrigation includes an index value and a preset water stress reference value in the control unit through the result of the calculation unit ( ) And the effective soil moisture content ( ) And the critical value of the Maximum Allowable Deficit (MAD) of the crop.
상기 수분스트레스의 기준 값()은, 상기 작물의 기 설정된 재배기간 동안 상기 지수 값()의 평균 값으로 설정될 수 있다.The reference value of the moisture stress ( ) Is the index value ( ) Can be set as an average value.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 작물 수분스트레스 지수(CWSI) 산정 방법을 구현한 프로그램의 모습을 나타낸다.Figure 2 shows the appearance of a program implementing the crop moisture stress index (CWSI) calculation method according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명을 구현하기 위해, 에너지 수지 방정식을 바탕으로 한 CWSI 수식을 사용할 수 있으며, 대기 및 토양환경변화에 따른 작물이 받는 수분스트레스를 정량화 할 수 있다.Referring to FIG. 2, in order to implement the present invention, a CWSI equation based on an energy balance equation may be used, and moisture stress received by crops according to changes in the atmosphere and soil environment may be quantified.
작물 수분스트레스 지수(CWSI)값을 이용해 작물의 적정 관개시기를 정확히 결정할 수 있으며, 그 방법에 대해서는 도 3 이하 시스템과 더불어 자세히 설명하도록 한다.Crop water stress index (CWSI) value can be used to accurately determine the appropriate irrigation timing of the crop, and the method will be described in detail with the system below in FIG. 3.
상술한 관개 방법이 적용된 관개 시스템에 대하여 설명한다.An irrigation system to which the above-described irrigation method is applied will be described.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 작물의 엽온을 측정하는 모습을 나타낸다.3 shows a state of measuring leaf temperature of a crop according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 측정부에서 는 상기 작물이 위치한 대기의 온도, 습도, 일사량 또는 풍속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 기상 정보와 상기 작물의 엽온을 측정하여 측정 정보를 생성할 수 있다.Referring to FIG. 3, the measurement unit may generate measurement information by measuring meteorological information including at least one of temperature, humidity, solar radiation, or wind speed of the atmosphere in which the crop is located and leaf temperature of the crop.
측정부는, 엽온을 측정하기 위하여 열화상 카메라, 적외선 센서, 또는 드론 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The measuring unit may include at least one of a thermal imaging camera, an infrared sensor, and a drone to measure leaf temperature.
왼쪽은 열화상카메라, 중간은 적외선 센서, 오른쪽은 드론으로 엽온을 획득하는 모습을 나타낸다.The left is a thermal imager, the middle is an infrared sensor, and the right is a drone to acquire leaf temperature.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 열화상 카메라를 이용하여 적외선 영상 간 분리를 통한 작물의 엽온을 측정하는 모습을 나타낸다. 4 shows a state of measuring leaf temperature of a crop through separation between infrared images using a thermal imaging camera according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 영상 간 분리를 통해, 작물과 작물 외부의 배경의 공간을 분리하고, 작물의 온도를 측정하는 과정에 대한 실시 예를 알 수 있다.Referring to FIG. 4, an embodiment of a process of separating a crop and a background space outside the crop and measuring the temperature of the crop through separation between images can be seen.
작물 수분스트레스 지수 값 산정에 들어가는 엽온의 경우, 본 발명의 실시 예에 따라 열화상카메라, 적외선 센서, 드론 등 총 3가지 방법을 이용해 데이터를 획득할 수 있으며, 열화상카메라는, RGB 또는 적외선 이미지를 이용하여 상기 작물의 외관부의 온도 공간 변이를 평균하여 상기 엽온을 측정할 수 있다.In the case of leaf temperature entering the crop moisture stress index value calculation, data can be obtained using a total of three methods, such as a thermal imaging camera, an infrared sensor, and a drone, according to an embodiment of the present invention, and the thermal imaging camera is an RGB or infrared image. The leaf temperature can be measured by averaging the temperature and spatial variation of the outer part of the crop by using.
도 5 내지 도 8은, 엽온과 토양수분과의 관계 및 토양수분함량의 변화에 의한 CWSI의 변화와 상관관계를 나타낸다.5 to 8 show the relationship between leaf temperature and soil moisture, and the change and correlation of CWSI due to the change in soil moisture content.
도 5 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 수분스트레스를 측정하는 과정의 이해를 할 수 있으며, 본 발명의 자세한 실시 예는 이후 후술하기로 한다.5 to 8, it is possible to understand the process of measuring the moisture stress of the present invention, and a detailed embodiment of the present invention will be described later.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 관개 전후의 엽온의 변화를 나타낸다.5 shows changes in leaf temperature before and after irrigation according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 작물 엽온의 경우 관개 전후에 뚜렷하게 나타나는 것을 알 수 있으며, 본 발명에서 관개 시기와 관개 량을 결정하기 위해 수분과 엽온의 상관 관계를 고려함을 알 수 있다.Referring to FIG. 5, it can be seen that leaf temperature of crops clearly appears before and after irrigation, and it can be seen that the correlation between moisture and leaf temperature is considered to determine the irrigation timing and irrigation amount in the present invention.
작물 엽온의 경우 관개 전후에 따른 뚜렷한 온도의 증감의 차이(1.5~2도)를 나타내는데, 관개 량에 따른 토양수분변화와 CWSI값 간에 상관관계가 존재할 수 있다.In the case of crop leaf temperature, there is a distinct difference in temperature increase or decrease (1.5 to 2 degrees Celsius) before and after irrigation, and there may be a correlation between soil moisture change according to irrigation amount and CWSI value.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 토양수분함량의 변화에 의한 CWSI의 변화를 나타낸다.6 shows a change in CWSI due to a change in soil moisture content according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 토양수분함량별 사과 CWSI 변화(왼쪽: 7월, 오른쪽 9월)를 나타낸다.Referring to FIG. 6, changes in apple CWSI according to soil moisture content (left: July, right September) are shown.
관개 량이 많을수록, 토양 내 수분함량이 많을수록 CWSI값은 감소하며, 그 반대로 관개 량이 적을수록, 토양 내 수분함량이 적을수록 CWSI값은 증가하며, 작물이 받는 수분스트레스 정도가 커짐을 확인할 수 있다.It can be seen that the CWSI value decreases as the amount of irrigation increases and the moisture content in the soil increases. Conversely, the CWSI value increases as the amount of irrigation increases and the moisture content in the soil decreases, and the degree of moisture stress received by the crop increases.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 토양수분함량과 CWSI 간의 상관관계, 기상 자료를 이용하여 예측한 엽온과 실측한 엽온 간의 비교를 각각 나타낸다.7 and 8 show a correlation between soil moisture content and CWSI according to an embodiment of the present invention, and a comparison between the predicted leaf temperature and the measured leaf temperature using meteorological data.
도 7 및 도 8을 참조하면, 기상정보(대기온습도, 일사량, 풍속)와 엽온 간의 다중회귀분석을 실시하여, 항목간의 높은 상관관계를 나타낸다.7 and 8, multiple regression analysis between meteorological information (atmospheric temperature and humidity, solar radiation, wind speed) and leaf temperature is performed to show a high correlation between items.
이를 이용해 대기 온도, 습도, 일사량, 풍속정보를 이용해 별도로 엽온을 측정하지 않고, 예측하는 모델을 개발(R2=0.73)할 수 있다. Using this, it is possible to develop a model (R 2 =0.73) that predicts leaf temperature without separately measuring leaf temperature using information on air temperature, humidity, insolation, and wind speed.
본 발명의 실시 예에 따라, 관개 시스템을 구현하기 위해 시스템 및 방법은 다음과 같은 과정을 포함할 수 있다. ① 실제 영농방식을 도입하여 기본적으로 특정 온도 이하 및 습도 이상에서는 관개를 하지 않게 관개 허용 시간대를 설정하도록 하고, ② 총 관개 량은 최대 토양수분허용 부족량(Maximum Allowable Deficit, MAD)의 80% 수준으로 설정하며 ③ 일반적으로 엽온과 대기온도간 차이는 3~4도 정도 유지한다.According to an embodiment of the present invention, a system and method for implementing an irrigation system may include the following processes. ① By introducing the actual farming method, the irrigation time zone is basically set so that irrigation is not conducted below a certain temperature and above the humidity. ② The total irrigation amount is 80% of the maximum allowable deficit (MAD). It is set and ③ In general, the difference between leaf temperature and atmospheric temperature is maintained at about 3~4 degrees.
또한, ④ 구역별 변량 관개가 가능하게끔 전자밸브를 이용하여 시간 및 개별 구역 관개를 할 수 있게 인터페이스를 구축하고, ⑤ 돌발 강우 시 자동 정지기능, 강우 예보 시 지체시간 설정 등 노지 환경의 불확실성을 반영할 수 있는 모듈을 추가할 수 있다.In addition, ④ an interface is built to allow irrigation of time and individual zones using an solenoid valve to enable variable irrigation for each zone, and ⑤ reflects the uncertainty of the field environment such as an automatic stop function in case of sudden rainfall, and a delay time setting for rainfall forecasting. You can add modules that can do it.
산출부는, 상기 측정 정보 중 특정 시간대의 측정 정보를 이용하여 상기 작물의 수분스트레스의 지수 값(: Crop Water Stress Index)과 토양유효수분함량()를 산출할 수 있다.The calculation unit uses the measurement information of a specific time period among the measurement information to determine the index value of the moisture stress of the crop ( : Crop Water Stress Index) and effective soil moisture content ( ) Can be calculated.
이 과정에서, 작물의 수분스트레스의 지수 값(: Crop Water Stress Index)은, 엽온과 작물이 위치한 대기 온도 간의 차이의 상한선 및 하한선을 이용하여 아래 수학식 1 내지 수학식 3에 의해 산출될 수 있다.In this process, the index value of the moisture stress of the crop ( : Crop Water Stress Index) may be calculated by
(여기서, : 엽온과 대기온도간의 차이, : 엽온-대기온도 차의 상한선, : 엽온-대기온도 차의 하한선)(here, : Difference between leaf temperature and atmospheric temperature, : Upper limit of the difference between leaf temperature and atmospheric temperature, : Lower limit of the difference between leaf temperature and atmospheric temperature)
여기서, 참고로, 에너지 방정식과 토양 열전도량, 토양과 대기 간 현열 전도량을 수식으로 표현하면 다음과 같다.Here, for reference, the energy equation, soil heat conduction, and sensible heat conduction between soil and atmosphere are expressed as equations as follows.
<에너지방정식><Energy Equation>
(여기서, : 순복사량(W m-2), : 토양열전도량(W m-2), : 토양과 대기 간 현열 전도량(W m-2), : 증발 혹은 응결에 의한 잠열 전도량(W m-2), : 호흡 혹은 열저장 등 열전달(W m-2). : 대기온도(K), : 맑은 하늘 방사율, : 증기압(kPa))(here, : Net radiation amount (W m -2 ), : Soil heat conductivity (W m -2 ), : Sensitive heat conduction between soil and atmosphere (W m -2 ), : Latent heat conduction by evaporation or condensation (W m -2 ), : Heat transfer such as breathing or heat storage (W m -2 ). : Air temperature (K), : Clear sky emissivity, : Vapor pressure (kPa))
<토양열전도량><Soil thermal conductivity>
(여기서, : 열전도율, : 깊이 z에서의 토양 온도[oC])(here, : Thermal conductivity, : Soil temperature at depth z[ o C])
<토양과 대기 간 현열 전도량><sensible heat conduction between soil and atmosphere>
(여기서, : 공기밀도(kg m-3), : 공기 열 heat capacity of air(~1013 J kg-1 oC-1), : 표면온도(oC), : 공기역학적 저항(s m-1), : 해수면 위 해발고도(m), : 풍속측정 높이(m), : 변위 높이(m), : 거칠기 길이(m), roughness length (m), : von Karman 상수 (~0.4), : 풍속 (m s-1), : 외관부 잎 높이(m))(here, : Air density (kg m -3 ), : Air heat heat capacity of air(~1013 J kg -1 o C -1 ), : Surface temperature ( o C), : Aerodynamic resistance (sm -1 ), : Altitude above sea level (m), : Wind speed measurement height (m), : Displacement height (m), : Roughness length (m), roughness length (m), : von Karman constant (~0.4), : Wind speed (ms -1 ), : Exterior leaf height (m))
<증발 혹은 응결에 의한 잠열 전도량><Latent heat conduction by evaporation or condensation>
(여기서, : 포화대기압(kPa), : 건습계 상수(kPa oC-1), : 수분손실에 대한 외관부 엽온 저항값(s m-1), : 외관부 엽온와 대기온도의 평균값(oC))(here, : Saturated atmospheric pressure (kPa), : Psychrometer constant (kPa o C -1 ), : External leaf temperature resistance value for moisture loss (sm -1 ), : Average value of leaf temperature and air temperature ( o C))
또한, “FAO 56-Penman Monteith 방정식”을 적용하여,In addition, by applying the “FAO 56-Penman Monteith equation”,
(여기서, ETo : 기준잠재증발산량 (mm/day), ETc : 실제증발산량 (mm/day), Kc : 작물계수를 나타냄.)(Here, ETo: standard potential evaporation amount (mm/day), ETc: actual evaporation amount (mm/day), Kc: crop coefficient.)
최적의 수확량 및 품질을 획득한 시험구(예, 시험구II(관개량 75%))내 작물의 엽온과 기상정보를 이용해 작물 수분스트레스 지수 값을 계산하고, 아래와 같이, 재배 기간 동안 평균한 값을 최종 작물 수분스트레스 지수 기준 값()으로 설정할 수 있다.The crop moisture stress index value is calculated using the leaf temperature and meteorological information of the crop in the test section (e.g., test section II (75% irrigation)) that has obtained the optimal yield and quality, and averaged the value during the cultivation period as follows Final crop moisture stress index reference value ( ) Can be set.
제어부는, 지수값과 기 설정된 수분스트레스의 기준 값()을 비교하고, 토양유효수분함량()과 작물의 최대 토양수분허용 부족량(MAD: Maximum Allowable Deficit)의 임계 값과 비교하여 관개를 결정할 수 있다.The control unit, the index value and the preset moisture stress reference value ( ) And the effective soil moisture content ( ) And the critical value of the Maximum Allowable Deficit (MAD) of the crop to determine irrigation.
제어부는, 작물의 수분스트레스의 지수 값(: Crop Water Stress Index)이 기 설정된 수분스레스의 기준 값()을 초과하고, 토양유효수분함량()이 작물의 최대 토양수분허용 부족량(MAD: Maximum Allowable Deficit)의 임계 값 미만인 경우, 아래 표 1과 같이 관개 시작과 종료를 결정할 수 있다. 임계 값은, 80% 미만으로 설정될 수 있다.The control unit, the index value of the moisture stress of the crop ( : Crop Water Stress Index) is the standard value of moisture stress ( ), and the effective soil moisture content ( ) Is less than the threshold of the Maximum Allowable Deficit (MAD) of the crop, the start and end of irrigation can be determined as shown in Table 1 below. The threshold value may be set to less than 80%.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 과실 특성의 분석 결과를 나타낸다.9 shows the results of analysis of fruit characteristics according to an embodiment of the present invention.
도 9를 참조하면, 과중, 종경, 횡경, 안토시아닌 함량은 토양수분함량이 높은 시험구에서 수확된 사과에서 더 높은 것으로 나타난 반면에, 경도는 토양수분함량이 낮은 시험구에서 가장 높은 것으로 나타나는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 9, it was found that the content of fruit weight, vertical diameter, horizontal diameter, and anthocyanin was higher in the apples harvested in the test plot with high soil moisture content, while the hardness appeared to be highest in the test plot with low soil moisture content. I can.
따라서, 본 발명이 적용되는 경우, 비파괴 적외선 영상기술을 이용한 작물 수분스트레스 정량화 및 적정 물 관리 기술 개발을 통한 선진 기술 확립이 가능하다.Therefore, when the present invention is applied, it is possible to establish advanced technology through quantification of crop moisture stress using non-destructive infrared imaging technology and development of appropriate water management technology.
또한, 일소피해 저감 등 선제적인 가뭄대책 추진이 되는 동시에 피해를 최소화할 수 있고, 지속적인 노지 밭작물 재배기반 마련에 따른 농가 생산 효율성 제공 및 소득 증대를 가져올 수 있다. In addition, it is possible to minimize damage while promoting preemptive drought measures such as reducing sun damage, and to provide farmers with production efficiency and increase income by continuing to lay the foundation for cultivation of field crops.
또한, 적정 관개계획 수립 및 자동제어 물 관리 기술 또는 시스템 도입으로 농업에 있어 물 절약 및 부족한 노동력 문제를 해소하는데 기여할 수 있다.In addition, the establishment of an appropriate irrigation plan and the introduction of automatic control water management technology or system can contribute to water conservation and solving the problem of insufficient labor in agriculture.
위와 같은 시스템 및 방법의 경우, 방법을 실행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독가능 기록매체로 구현될 수 있다.In the case of the above system and method, it may be implemented as a computer-readable recording medium in which a program for executing the method is recorded.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.Although the present invention has been described in detail through exemplary embodiments above, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that various modifications can be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. will be. Therefore, the scope of the present invention is limited to the described embodiments and should not be determined, and should be determined by all changes or modifications derived from the claims and the concept of equality as well as the claims to be described later.
Claims (10)
상기 작물이 위치한 대기의 온도, 습도, 일사량 또는 풍속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 기상 정보와 상기 작물의 엽온을 측정하여 측정 정보를 생성하는 측정부;
상기 측정 정보 중 특정 시간대의 측정 정보를 이용하여 상기 작물의 수분스트레스의 지수값(: Crop Water Stress Index)과 토양유효수분함량()를 산출하는 산출부; 및
상기 지수값과 기 설정된 수분스트레스의 기준값()을 비교하고, 상기 토양유효수분함량()과 상기 작물의 최대 토양수분허용 부족량(MAD: Maximum Allowable Deficit)의 임계 값과 비교하여 관개를 결정하는 제어부를 포함하는 작물의 수분스트레스 진단을 이용한 관개 시스템.
In the irrigation system using the moisture stress diagnosis of crops according to the ratio of the effective moisture content of the soil,
A measuring unit configured to generate measurement information by measuring meteorological information including at least one of temperature, humidity, solar radiation, or wind speed of the atmosphere in which the crop is located and leaf temperature of the crop;
The index value of the moisture stress of the crop by using the measurement information of a specific time period among the measurement information ( : Crop Water Stress Index) and effective soil moisture content ( A calculation unit that calculates ); And
The index value and the preset moisture stress reference value ( ), and the effective soil moisture content ( ) And a control unit for determining irrigation by comparing with a threshold value of the maximum allowable soil moisture deficit (MAD) of the crop.
상기 측정부는,
상기 엽온을 측정하기 위하여 열화상 카메라, 적외선 센서, 또는 드론 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 작물의 수분스트레스 진단을 이용한 관개 시스템.
The method of claim 1,
The measuring unit,
An irrigation system using at least one of a thermal imaging camera, an infrared sensor, or a drone to measure the leaf temperature.
상기 열화상카메라는,
RGB 또는 적외선 이미지를 이용하여 상기 작물의 외관부의 온도 공간 변이를 평균하여 상기 엽온을 측정하는 것을 특징으로 하는 작물의 수분스트레스 진단을 이용한 관개 시스템.
The method of claim 2,
The thermal imaging camera,
An irrigation system using a moisture stress diagnosis of a crop, characterized in that the leaf temperature is measured by averaging the temperature and spatial variation of the outer part of the crop by using an RGB or infrared image.
상기 작물의 수분스트레스의 지수값(: Crop Water Stress Index)은,
상기 엽온과 상기 작물이 위치한 대기 온도 간의 차이의 상한선 및 하한선을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 작물의 수분스트레스 진단을 이용한 관개 시스템.
The method of claim 1,
The index value of the moisture stress of the crop ( : Crop Water Stress Index),
An irrigation system using a moisture stress diagnosis of a crop, characterized in that calculated using an upper limit and a lower limit of the difference between the leaf temperature and the atmospheric temperature in which the crop is located.
상기 제어부는,
상기 작물의 수분스트레스의 지수값(: Crop Water Stress Index)이 기 설정된 수분스트레스의 기준값()을 초과하고,
상기 토양유효수분함량()이 상기 작물의 최대 토양수분허용 부족량(MAD: Maximum Allowable Deficit)의 임계 값 미만인 경우, 관개 시작을 결정하는 것을 특징으로 하는 작물의 수분스트레스 진단을 이용한 관개 시스템.
The method of claim 1,
The control unit,
The index value of the moisture stress of the crop ( : Crop Water Stress Index) is the standard value of moisture stress ( ) Exceeds,
The effective soil moisture content ( ) Is less than the threshold of the maximum allowable soil moisture deficit (MAD) of the crop, irrigation system using the water stress diagnosis of a crop, characterized in that to determine the start of irrigation.
상기 임계 값은,
80% 미만인 것을 특징으로 하는 작물의 수분스트레스 진단을 이용한 관개 시스템.
The method of claim 5,
The threshold is,
Irrigation system using the water stress diagnosis of crops, characterized in that less than 80%.
상기 작물이 위치한 대기의 온도, 습도, 일사량 또는 풍속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 기상 정보와 상기 작물의 엽온을 측정부에서 측정하여 측정 정보를 생성하는 단계;
상기 측정 정보 중 특정 시간대의 측정 정보를 이용하여 산출부에서 상기 작물의 수분스트레스의 지수값(: Crop Water Stress Index)과 토양유효수분함량()를 산출하는 단계; 및
상기 산출부의 결과를 통해 제어부에서 상기 지수값과 기 설정된 수분스트레스의 기준값()을 비교하고, 상기 토양유효수분함량()과 상기 작물의 최대 토양수분허용 부족량(MAD: Maximum Allowable Deficit)의 임계 값과 비교하여 관개를 결정하는 단계를 포함하는 작물의 수분스트레스 진단을 이용한 관개 방법.
In the irrigation method using the moisture stress diagnosis of crops according to the ratio of the effective moisture content of the soil,
Generating measurement information by measuring meteorological information including at least one of temperature, humidity, insolation, or wind speed of the atmosphere in which the crop is located and leaf temperature of the crop by a measuring unit;
The index value of the moisture stress of the crop in the calculation unit by using the measurement information of a specific time period among the measurement information ( : Crop Water Stress Index) and effective soil moisture content ( Calculating ); And
Based on the result of the calculation unit, the control unit determines the index value and the reference value of the preset moisture stress ( ), and the effective soil moisture content ( ) And the irrigation method using the water stress diagnosis of a crop comprising the step of determining irrigation by comparing with a threshold value of the maximum allowable soil moisture deficit (MAD) of the crop.
상기 측정 정보는,
기 설정된 특정 시간 대에서 산출될 수 있으며,
기 설정된 온도 이상 또는 습도 이하에서 측정되는 것을 특징으로 하는 작물의 수분스트레스 진단을 이용한 관개 방법.
The method of claim 7,
The measurement information is,
It can be calculated at a specific time period set in advance,
An irrigation method using the diagnosis of moisture stress of a crop, characterized in that it is measured above a preset temperature or below a humidity.
상기 수분스트레스의 기준값()은,
상기 작물의 기 설정된 재배기간 동안 상기 지수값()의 평균 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 작물의 수분스트레스 진단을 이용한 관개 방법.
The method of claim 7,
The reference value of the moisture stress ( )silver,
The index value ( ) Irrigation method using the water stress diagnosis of crops, characterized in that set to the average value.
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