KR20210111256A - 토양 탄소 매핑을 위한 중성자 감마 분석의 스캐닝 모드 적용 - Google Patents

토양 탄소 매핑을 위한 중성자 감마 분석의 스캐닝 모드 적용 Download PDF

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브라이언 에이 친
3세 헨리 엘렌 토버트
갈리나 엔. 야쿠보바
알렉산드라 카베트스키
니콜라이 사르그스얀
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어번 유니버시티
더 유나이티드 스테이츠 오브 아메리카, 애즈 레프리젠티드 바이 더 세크러테리 오브 애그리컬쳐
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Abstract

현장의 토양 함량을 분석하기 위한 시스템은, 다수의 토양 샘플 각각의 감마 스펙트럼을 검출하도록 구성된 데이터 수집 유닛으로서, 현장 표면적은 다수의 부분으로 분할되고, 다수의 토양 샘플은 다수의 부분 각각으로부터의 적어도 하나의 토양 샘플을 포함하는, 데이터 수집 유닛과, 다수의 토양 샘플 각각의 지리 좌표를 검출하도록 구성된 내비게이션 유닛과, 다수의 토양 샘플 각각의 검출된 감마 스펙트럼을 토양 샘플의 지리 좌표와 연관시키고, 검출된 감마 스펙트럼을 기반으로 각각의 토양 샘플 내의 적어도 하나의 원소의 중량 퍼센트를 결정하도록 구성된 데이터 분석 유닛, 및 현장의 토양 내의 적어도 하나의 원소의 농도를 나타내는 맵을 생성하도록 구성된 원소 함량 맵 유닛을 포함한다.

Description

토양 탄소 매핑을 위한 중성자 감마 분석의 스캐닝 모드 적용
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2018년 12월 7일 출원된 미국 가출원 제62/776,822호의 이익을 35 USC § 119(e) 하에 주장하며, 그 전체 내용이 본원에 참조로 포함된다.
본 개시는 토양 내의 적어도 하나의 화합물의 분포를 매핑하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
주어진 지리적 영역의 토양에 대한 원소 함량 분석은 토양이 농업, 레크리에이션 등과 같은 특정 용도에 적합할 수 있는지 여부를 밝힐 수 있다. 토양 함량 분석의 다른 용도는 탄소 배출권(carbon credit) 및 영양분의 이용 가능성 수준을 결정하거나, 현재 및 예상 수확량과 시비(fertilization)의 잠재적 수익성을 평가하기 위한 영양분 도입의 필요성을 결정하는 것을 포함한다.
토양 분석은 토양 샘플 수집으로 시작할 수 있으며, 실제로는 현장(field)의 극히 일부만 실험실에서 분석된다. 예를 들어, 토양 원소 함량 분석의 일반적인 방법 중 하나는 혼합 샘플링(composite sampling)으로, 토양의 여러 하위 샘플(subsample)이 현장 내의 무작위로 선택된 위치에서 수집된다. 이후 하위 샘플이 혼합되고 원소 함량에 대해 혼합물이 분석된다. 어떤 경우, 혼합물 내에 포함된 것으로 밝혀진 주어진 원소의 양은 분석 중인 현장의 전체 영역 내의 해당 원소의 평균 양으로 간주될 수 있다.
실제 하위 샘플의 수는 현장 크기 및 균일성에 따라 약간 다를 수 있는 반면, 하위 샘플의 수는 일반적으로 20을 초과하지 않으며, 때로는 분석 중인 면적의 0.01% 미만에 이른다. 또한, 대부분의 토양 테스트 및 분석 시스템은 많은 샘플을 테스트하는 데 쉽게 적응할 수 없으며, 기껏해야 현장 토양의 실제 원소 함량에 대한 높은 수준의 근사치를 제공한다. 토양의 원소 함량의 정확도의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않기 때문에, 주어진 현장 영역에 대해 보다 상세하고 정확한 원소 함량 정보를 산출하는 방법론이 필요하다.
주어진 현장 영역에 대해 보다 상세하고 정확한 원소 함량 정보를 산출하는 방법론이 필요하다.
현장의 토양 함량을 분석하기 위한 시스템이 개시되며, 시스템은, 다수의 토양 샘플 각각의 감마 스펙트럼을 검출하도록 구성된 데이터 수집 유닛으로서, 현장 표면적은 다수의 부분으로 분할되고, 다수의 토양 샘플은 다수의 부분 각각으로부터의 적어도 하나의 토양 샘플을 포함하는, 데이터 수집 유닛과, 다수의 토양 샘플 각각의 지리 좌표를 검출하도록 구성된 내비게이션 유닛과, 다수의 토양 샘플 각각의 검출된 감마 스펙트럼을 토양 샘플의 지리 좌표와 연관시키고, 검출된 감마 스펙트럼을 기반으로 각각의 토양 샘플 내의 적어도 하나의 원소의 중량 퍼센트를 결정하도록 구성된 데이터 분석 유닛, 및 현장의 토양 내의 적어도 하나의 원소의 농도를 나타내는 맵을 생성하도록 구성된 원소 함량 맵 유닛을 포함한다.
농업 현장의 토양 함량을 분석하기 위한 방법이 개시되며, 방법은, 현장 표면적을 다수의 부분으로 분할하는 단계와, 토양 샘플의 감마 스펙트럼을 검출하기 위해 각각의 부분 내의 적어도 하나의 토양 샘플을 스캔하는 단계와, 검출된 스펙트럼을 토양 샘플의 지리적 위치와 연관시키는 단계와, 검출된 스펙트럼을 기반으로 토양 샘플 내의 적어도 하나의 원소의 양을 계산하는 단계, 및 현장의 각각의 부분 내의 적어도 하나의 원소의 양을 나타내는 맵을 생성하는 단계를 포함한다.
현장 토양의 원소 함량을 분석하기 위한 시스템이 개시되며, 시스템은, 적어도 하나의 토양 샘플의 감마 스펙트럼을 수집하도록 구성된 데이터 수집 유닛과, 토양 샘플의 지리 좌표를 제공하도록 구성된 내비게이션 유닛과, 수집된 감마 스펙트럼을 토양 샘플의 지리 좌표와 연관시키고 토양 샘플 내의 원소의 중량 퍼센트를 계산하도록 구성된 데이터 분석 유닛, 및 계산된 중량 퍼센트를 기반으로 토양 샘플 내의 적어도 하나의 원소의 농도를 나타내는 맵을 생성하도록 구성된 원소 함량 맵 유닛을 포함한다.
본 개시에 기술된 개념은 첨부된 도면에서 제한이 아닌 예로서 도시된다. 도면의 단순성과 명확성을 위해, 도면에 도시된 요소는 반드시 일정한 비율로 그려진 것은 아니다. 예를 들어, 일부 요소의 치수는 명확성을 위해 다른 요소에 비해 과장될 수 있다. 또한, 적절한 것으로 간주되는 경우, 해당하는 또는 유사한 요소를 나타내기 위해 도면 간에 참조 라벨이 반복되었다. 상세한 설명은 특히 다음과 같은 첨부 도면을 참조한다, 도면에서:
도 1은 감마 분석 장치의 예시적인 구현형태를 나타내는 단순화한 도면이고;
도 2A 및 도 2B는 감마 분석 장치의 예시적인 이동식 구현형태를 나타내는 단순화한 도면이고;
도 3은 감마 분석 장치에 의해 스캔될 현장의 다수의 부분을 나타내는 단순화한 도면이고;
도 4A는 규소의 피크 면적과 중량 퍼센트 사이의 예시적인 관계를 나타내는 그래프이고;
도 4B는 도 4A에 도시된 그래프의 일부를 나타내는 그래프이고;
도 5는 감마 분석 수율과 칼륨 에너지 사이의 예시적인 관계를 나타내는 그래프이고;
도 6은 토양의 칼륨 함량을 결정하기 위한 예시적인 방법론을 나타내는 단순화한 도면이고;
도 7은 제 1 스캔 현장의 다수의 부분을 나타내는 단순화한 도면이고;
도 8은 제 1 스캔 현장의 탄소 분포 맵을 나타내는 단순화한 도면이고;
도 9는 제 1 스캔 현장의 규소 분포 맵을 나타내는 단순화한 도면이고;
도 10 및 도 11은 서로 다른 이틀에 걸쳐 수행된 제 2 스캔 현장의 스캔 동작으로부터 생성된 맵을 나타내는 단순화한 도면이고;
도 12는 도 10 및 도 11의 스캔 데이터의 조합을 기반으로 하는 탄소 분포 맵을 나타내는 단순화한 도면이고;
도 13은 제 2 스캔 현장의 규소 분포 맵을 나타내는 단순화한 도면이고;
도 14 및 도 15는 각각 본 개시의 방법을 사용하여 생성된 제 1 맵 및 제 1 맵과 동시에 수행되는 수분 측정을 기반으로 생성된 제 2 맵을 나타내는 단순화한 도면이고; 및
도 16A 및 도 16B는 현장 토양의 원소 함량을 결정하기 위한 예시적인 프로세스 알고리즘의 블록도이다.
본 개시의 개념은 다양한 수정 및 대안적 형태를 허용할 수 있지만, 그 특정 실시형태는 도면에 예로서 도시되었으며 여기서 상세히 기술될 것이다. 그러나, 본 개시의 개념을 개시된 특정 형태로 제한하려는 의도는 없지만, 그와는 반대로, 의도는 본 개시 및 첨부된 청구 범위와 일치하는 모든 수정, 등가물 및 대안을 포괄하려는 것임을 알아야 한다.
명세서에서 "일 실시형태", "실시형태", "예시적인 실시형태" 등에 대한 언급은, 기술된 실시형태가 특정 특징, 구조 또는 특성을 포함할 수 있지만, 모든 실시형태가 해당 특정 특징, 구조 또는 특성을 포함하거나 반드시 포함하지 않을 수 있음을 시사한다. 또한, 이러한 문구는 반드시 동일한 실시형태를 지칭하는 것은 아니다. 게다가, 특정 특징, 구조 또는 특성이 일 실시형태와 관련하여 기술될 때, 명시적으로 기술되었는지 간에 다른 실시형태와 관련하여 그러한 특징, 구조 또는 특성을 달성하는 것은 분 기술 분야의 숙련자의 지식 내에 있는 것이다.
개시된 실시형태는 어떤 경우 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 또는 이들의 임의의 조합으로 구현될 수 있다. 개시된 실시형태는 또한 하나 이상의 프로세서에 의해 판독 및 실행될 수 있는, 일시적 또는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 의해 전달되거나 이에 저장되는 명령어로서 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 컴퓨팅 장치(예를 들어, 휘발성 또는 비휘발성 메모리, 미디어 디스크 또는 기타 미디어 장치)에 의해 판독 가능한 형태의 정보를 저장하거나 전송하기 위한 임의의 저장 장치, 메커니즘 또는 기타 물리적 구조로서 구현될 수 있다.
도면에서, 일부 구조적 또는 방법 특징은 특정 배열 및/또는 순서로 도시될 수 있다. 그러나, 이러한 특정 배열 및/또는 순서가 필요하지 않을 수 있음을 알아야 한다. 오히려, 일부 실시형태에서, 이러한 특징은 예시적인 도면에 도시된 것과 다른 방식 및/또는 순서로 배열될 수 있다. 추가로, 특정 도면에 구조적 또는 방법 특징을 포함하는 것은 이러한 특징이 모든 실시형태에서 필요하다는 것을 의미하는 것이 아니며, 일부 실시형태에서는 포함되지 않거나 다른 특징과 결합될 수 있다.
주어진 현장의 토양의 상세하고 정확한 원소 함량을 개발하기 위한 예시적인 시스템은, 현장의 적어도 일부를 스캔하기 위한 중성자 발생기 장치와 다수의 감마 검출기(예를 들어, 요오드 나트륨 감마 검출기) 및 스캔 결과를 저장 및 분석하고 현장의 부분의 원소 함량을 나타내는 맵을 생성하기 위한 컴퓨팅 시스템을 포함할 수 있다. 예시적인 시스템은 이동식 시스템일 수 있고, 토양의 스캔을 수행하기 위해 현장의 상당 부분을 이동하도록 구성될 수 있다. 본 개시의 일부 실시형태에 따르면, 토양 내의 원소(C, Si, O, H, K, Cl 등) 함량은 감마 검출기에 의해 캡처된 측정 스펙트럼을 사용하여 계산될 수 있다.
예시적인 시스템은 스캐닝 프로세스 동안 토양의 지리적 위치를 캡처하기 위해 지구 위치측정 시스템(GPS) 장치와 통신하도록 더 구성될 수 있다. 예를 들어, 스캔 동안 식별된 원소 함량 데이터는 GPS 장치에 의해 제공된 지리 좌표와 결합(또는 연관)될 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 스캔으로부터 결정된 원소 함량 및 연관된 지리 좌표를 기반으로, 예시적인 시스템은 농업 및 기타 목적에 적합한 원소 분포 맵을 생성하도록 구성될 수 있다.
도 1은 현장(120)의 토양 샘플(124)을 분석하기 위한 예시적인 시스템(100)을 도시하고 있다. 시스템(100)은 토양 원소 분석을 위한 하나 이상의 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 시스템(100)은 중성자 발생기 장치(102)와, 다수의 감마 검출기(104)와, 분할 전자 장치(split electronics)(106), 및 처리 유닛(또는 프로세서)(110)을 포함한다. 별도로 도시되지는 않았지만, 예시적인 시스템(100)은 원소 분석 데이터를 획득, 처리, 저장 및/또는 분석하도록 구성된, 처리 및 메모리/데이터 저장 유닛 및 장치, 오디오 및 비디오 스캐닝 장치 등과 같은, 이에 한정되지 않는 하나 이상의 추가 또는 대체 구성요소를 포함할 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 임의의 중성자 펄스원(neutron pulse source)(102)이 사용될 수 있으며, 본 개시는 중성자 발생기(102)로 한정되지 않는다. 또한, 중수소-중수소(deuterium-deuterium, D-D) 및 중수소-삼중 수소(deuterium-tritium, D-T) 융합 중성자 발생기 및 중성자 방출(118)의 전자 제어를 가능하게 하는 것들과 같은 가속기 기반 중성자원(accelerator-based neutron source)이 바람직하다. 특히 D-T 중성자 발생기는 본 발명을 실시하는 데 바람직할 수 있다. 이러한 발생기는 펄스화되어(즉, 다양한 길이 동안 온/오프됨) 중성자 방출(118)의 전자적 제어를 제공할 수 있다.
처리 유닛(110)은 토양(120)의 스캐닝 및 스캔 동안 수집된 스펙트럼 데이터의 분석을 수행하기 위해 중성자 발생기 장치(102), 감마 검출기(104) 및 분할 전자 장치(106)를 모니터링하고 작동시키도록 구성될 수 있다. 시스템(100)은 하나 이상의 지리 좌표를 수신하기 위해 지구 위치측정 시스템(GPS) 장치(112)와 통신할 수 있다. 예를 들어, 처리 유닛(110)은 토양 샘플(124)의 지리적 위치를 나타내는 지리 좌표를 요청하도록 구성될 수 있다. 또 다른 예에서, 처리 유닛(110)은 토양 샘플(124)의 수신된 지리적 위치를 해당 토양 샘플(124)의 검출된 감마 스펙트럼(116)을 나타내는 데이터와 연관시킬 수 있다.
시스템(100)의 하나 이상의 구성요소는 고정물, 카트(cart) 또는 또 다른 강성 또는 반-강성 구조물(114)에 배치 및/또는 고정될 수 있다. 구조물(114)은 토양(122)을 스캔하기 위해 현장(120)의 적어도 일부를 따라 이동할 수 있도록 자체 추진되거나, 직접 또는 원격으로 구동될 수 있다. 도 2A는 시스템(100)의 적어도 일부가 트레일러(202) 내에 배치되는, 토양 분석 시스템(100)의 예시적인 이동식 구현형태(200-A)를 도시하고 있다. 트레일러(202)는 가스 또는 배터리 구동 여부에 관계없이 모터 차량(206)에 의해 현장(120)을 가로질러 예인(204)될 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 도 2B는 시스템(100)의 하나 이상의 구성요소가 드론(220)과 같은 원격 제어 무인 항공기 상에 배치 및/또는 이에 고정되는, 시스템(100)의 예시적인 이동식 구현형태(200-B)를 도시하고 있다.
도 3 내지 도 15는 현장(120)의 토양을 스캔하고, 현장(120)의 토양(122)에 해당하는 스캔 데이터를 분석 및 저장하고, 스캔 동안 획득한 스펙트럼 데이터를 기반으로 현장(120)의 원소 함량 맵을 생성하기 위해 시스템(100)에 의해 수행되는 예시적인 프로세스를 도시하고 있다. 분석, 계산 및 맵 생성 작업과 같은, 이에 한정되지 않는 하나 이상의 프로세스가 처리 유닛(110)에 의해 수행될 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 스캔 동안 시스템(100)의 하나 이상의 구성요소에 의해 수집된 스캔 데이터는 시스템(100)으로부터 다운로드되거나 달리 추출될 수 있고, 원격(예를 들어, 클라우드 기반) 컴퓨팅 시스템에서의 추가 처리를 위해 전달될 수 있다. 다른 스캔 데이터 수집, 처리 및 분석 방법도 고려된다.
도 3은 토양 분석 시스템(100)에 의해 스캔될 영역(302)의 예시적인 도면(300)을 도시하고 있다. 예를 들어, 시스템(100)의 처리 유닛(110)은 스캐닝 동작을 시작하기 전에 현장(120)을 다수의 부분(블록 또는 사이트)(306)으로 분할하도록 구성될 수 있다. 어떤 경우, 부분(이하, 사이트)(306)의 수는 현장 크기 및 하나 이상의 풍경 특징의 존재를 기반으로 할 수 있다. 예를 들어, 사이트(306)의 크기를 결정할 때, 스캐닝을 위한 적절한 속도(예를 들어, ~5 km/h) 및 지형 프로파일이 고려될 수 있다. 각각의 사이트(306)는 비교적 균일한 지형 프로파일을 포함할 수 있다. 현장 분할 동안, 시스템(100)의 처리 유닛(110)은 현장(120)을 가로지르는 아스팔트 도로(308) 등과 같은 지형 유형의 변화에 대한 검출 및/또는 예를 들어 지형 내의 낮은 지점에 대한 검출과 같이, 지형의 프로파일 및 구성의 변화에 대한 검출에 대응하여 별도의 사이트(306)를 지정하도록 구성될 수 있다. 스캐닝 조건에 영향을 미치는 상기한 지형 관련 요인 및 기타 요인이 주어지면, 다수의 사이트(306)의 각각의 사이트(306)는 크기가 ~100 m2 미만 내지 ~1000 m2 이상까지 다양할 수 있다. 도 3에 도시된 예에서, 현장(120)의 총 면적은 약 800 m2이고 사이트의 수는 12 개였다.
시스템(100)의 처리 유닛(110)은 사이트(306)의 토양(122) 내의 주어진 원소의 존재 또는 부재를 식별할 때 및/또는 (306) 사이트(306)의 토양(122) 내의 원소의 양을 측정할 때 소정의 원하는 정확도 값을 달성하기 위해 소정의 기간 동안 토양(122)을 스캔하도록 구성될 수 있다. 어떤 경우, 시스템(100)의 처리 유닛(110)이 각각의 사이트(306)를 스캔하는 기간은 원소의 감마 피크 수율을 기반으로 할 수 있으며, 이는 결과적으로 사이트(306)의 토양 내의 해당 원소의 양, 식별 중인 원소의 화학적, 분자 및/또는 해부학적 구조, 및 하나 이상의 다른 특성에 의해 영향을 받을 수 있다.
추가로 또는 대안으로, 각각의 사이트(306)를 스캔하는 기간은 소정의 원하는 측정 정확도 값을 기반으로 할 수 있다. 예를 들어, 탄소 함량 측정에 대해 ±0.5 w%의 정확도에 도달하기 위해, 한 사이트에 대한 획득 시간은 15 분일 수 있다. 또 다른 예로서, ±0.5-1 w%의 허용 가능한 정확도를 갖는 규소에 대한 시스템(100) 측정 시간은 ~5 분일 수 있는데, 이는 규소에 대한 규소 감마 피크 수율이 (토양(122) 내의 더 높은 함량으로 인해) 탄소 피크 수율보다 몇 배 더 높기 때문이다.
시스템(100)은 다수의 사이트(306) 각각의 지리적 위치, 예를 들어 지리 좌표를 식별하고, 맵의 디지털 렌더링(digital rendering) 상에 각각의 사이트(306)를 표시하고 번호를 매기도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 시스템(100)의 처리 유닛(110)은, 예를 들어, 유선 네트워크 연결, 또 다른 유형의 네트워크 통신 매체, 또는 무선 근거리 통신망(LAN), 블루투스, 광역 통신망(WAN) 등과 같은, 이에 한정되지 않는 장거리 또는 단거리 무선망을 사용하여 시스템(100)이 통신하는 GPS 유닛(112)(시스템(100)의 내부 또는 외부에 있음)으로부터 각각의 사이트(306)의 지리 좌표를 요청하고 수신하도록 구성될 수 있다. 따라서, 시스템(100)의 처리 유닛(110)은 런타임에 샘플링 현장의 맵 위에 디스플레이되는 진행 중인 경로에 대해 시스템(100)의 현재 지리적 위치를 획득하고 추적하도록 구성될 수 있다.
스캐닝 동작 동안, 시스템은 사이트(306)에 대해 토양(122)의 감마 스펙트럼이 스캔된 기간을 각각의 개별 사이트(306)에 대해 결정할 수 있다. 시스템(100)의 처리 유닛(110)은 해당 사이트(306)의 토양(122)이 스캔된 기간에 대응하여, 디스플레이된 맵 상의 주어진 사이트(306)의 색상을 변경하도록 구성될 수 있다. 어떤 경우, 시스템은 스캔 런타임 동안 각각의 사이트(306) 내에서 수집된 총 획득 시간을 기반으로, 디스플레이된 맵 상의 사이트(306)의 색상을 변경하거나 바꿀 수 있다. 예를 들어, 시스템(100)의 처리 유닛(110)은, 해당 사이트(306)에 대한 정확한 토양 원소 결정을 위해 소정의 충분한 양의 데이터가 획득되었음을 나타내기 위해 컬러 코딩(color-coding)을 사용할 수 있고, 모든 사이트(306)가 소정의 색상으로 변경된 경우와 같이, 처리 유닛(110)은 스캐닝 동작이 완료되었음을 나타내는 상응하는 명령 및/또는 통지를 발행할 수 있다.
스캐닝 동안 획득된, 각각의 검출기(104)로부터의 INS 및 TNC 스펙트럼은 런타임에 랩톱 스크린에 디스플레이된다. 프로세서(110)는 소정의 기간에, 예를 들어 매 30 초마다, 주어진 사이트(306)의 토양(122)의 감마 스펙트럼(감마 검출기(104) 각각으로부터의 INS 및 TNC 스펙트럼) 및 해당 사이트(306)의 상응하는 지리 좌표를 저장하도록 구성될 수 있다. 시스템(100)은 GPS 장치(112)와 처리 유닛(110) 및/또는 기록 장비의 메모리 사이에 연결이 유지되고 있는지 여부를 정기적으로 확인하도록 구성될 수 있다. 또한, GPS 장치와 기록 장비 간의 연결이 끊어진 것을 검출한 것에 대응하여, 시스템(100)은 상응하는 경고를 발행하고, 스캐닝 데이터의 기록을 일시 중지하여 부정확한 데이터가 기록되는 것을 방지할 수 있다. 어떤 경우, 저장된 스펙트럼의 총 수는 스캔 시간에 따라 수천 개 이상에 도달할 수 있다. 스캐닝 후에, 저장된 스펙트럼은 시스템(100)의 하나 이상의 데이터 처리 구성요소(도시되지 않음)로 전송될 수 있다.
처음에, 매 30 초 측정에 대한 순(net) INS 스펙트럼이 계산된다.
각각의 r-번째 레코드 및 각각의 i-번째 검출기(104)에 대한 채널당 초당 계수(counts per second(cps))의 순 INS 스펙트럼(netINS r,i )은 다음과 같이 식 (1)을 사용하여 계산될 수 있다:
Figure pct00001
(1)
여기서 LT INS,r,i 및 LT TNC,r,i 는 각각 r-번째 레코드 및 i-번째 검출기(104)의 수명을 나타내고, INS r,i 및 TNC r,i 는 각각 r-번째 레코드 및 i-번째 검출기(104)의 측정 스펙트럼을 나타낸다. 이후, 스펙트럼을 사용하는 모든 후속 동작은 채널별로 수행될 수 있다.
수명(LT)은 다음과 같이 식 (2)를 사용하여 계산될 수 있다:
Figure pct00002
(2)
여기서 RT는 초 단위의 실제 측정 시간을 나타내고, OCR은 출력 계수율(output count rate)을 나타내며, ICR은 입력 계수율(input count rate)을 나타낸다. 어떤 경우, RT, OCR 및 ICR 파라미터는 스캐닝 동작을 수행하는 데 사용되는 스펙트럼 수집 하드웨어의 사양에 의해 정의될 수 있다. 또한, RT, OCR 및 ICR 파라미터 값은 각각의 해당 스펙트럼 파일에 포함될 수 있다.
예를 들어, 각각의 검출기(104)는 에너지와 채널 번호 사이의 의존성을 나타내는 고유한 에너지 교정을 포함할 수 있다. 스캔의 지정된 날짜 또는 시간 상에 존재하는 환경 조건의 변화로 인해 의존성이 변경될 할 수 있다. 모든 스펙트럼을 하나의 에너지 교정으로 가져오기 위해, 우세한 피크(예를 들어, 규소 및 산소 피크)의 중심이 모든 스펙트럼에서 동일한 채널에 있도록 스펙트럼은 이동될 수 있다.
이동 후, 여덟 개의 netINS r,i 스펙트럼은 채널별로 요약될 수 있으며, 각각의 r-번째 레코드에 대한 순 INS 스펙트럼(netINS r )은 다음과 같이 식 (3)을 사용하여 계산될 수 있다:
Figure pct00003
(3)
스펙트럼에 대한 수명(ΔLT avg,r )은 식 (4)와 같이 다수의 검출기(104) 각각의 해당 수명의 평균으로서 정의될 수 있다:
Figure pct00004
(4)
ΔLT avg,r 을 갖는 netINS r 스펙트럼은 두 개의 인접한 레코드 사이의 지리적 중간점(312)의 위치에 기인한다. 따라서, 데이터 세트 netINS r 스펙트럼, ΔLT avg,r 및 중간 지점의 지리 좌표가 도 3에 도시된 바와 같이 생성된다.
도 3를 더 참조하면, 중간점(312) 좌표를 갖는 데이터는 사이트(306)별로 분류될 수 있고, 따라서 예를 들어 숫자 4, 5, 6, 7, 8 및 9를 사용하여 식별된 중간점(312)은 사이트 #2 등으로 귀속된다. 주어진 사이트(306-n)에 대한 가중 중심(310)은 해당 사이트(306-n)에 귀속되는 중간점(312)을 기반으로 결정될 수 있다. 사이트(S)의 평균 netINS S 스펙트럼(채널당 cps)은 다음과 같이 식 (5)를 사용하여 결정될 수 있다:
Figure pct00005
(5)
따라서, 각각의 사이트(306)의 평균 netINS S 스펙트럼은 다수의 사이트(306) 각각의 원소 함량을 결정하는 데 사용될 수 있다. 원소 함량은 해당 원소(핵) 감마 피크 면적으로부터 계산될 수 있다. 피크 면적은 IGOR 소프트웨어를 사용하여, 설계된 소프트웨어에 의해 netINS S 스펙트럼으로부터 계산될 수 있다. 어떤 경우, 원소 함량 분포는 이전에 정의된 교정 데이터 또는 기타 파라미터 또는 값을 기반으로 계산될 수 있다.
적어도 도 8 내지 도 15을 참조하여 더 논의되는 바와 같이, 탄소, 규소, 수소 및 칼륨에 대한 원소 분포 맵은 스캐닝 동작 중에 수집된 데이터를 기반으로 그려질 수 있다. 탄소 및 규소 함량 분포는 netINS S 스펙트럼으로부터 정의될 수 있다. 또한, TNC 스펙트럼 데이터는 수소 함량을 결정하는 데 사용될 수 있다. 칼륨 함량 및 매핑은 자연 감마 배경 스펙트럼 측정을 기반으로 결정될 수 있다.
식 (6)은 탄소 함량(중량 퍼센트, Cw%)을 결정하는 데 사용될 수 있다.
Figure pct00006
(6)
여기서 PA 4.44 , PA 1.78 , PA 4.44,bkg = 140 cps, PA 1.78,bkg = 453 cps는 netINS s 내에서 중심이 4.44 MeV(탄소 피크)인 피크 면적 및 중심이 1.78 MeV(규소 피크)인 피크 면적을 나타내고, 0.0496 및 13.733의 감마 스펙트럼의 시스템 배경은 각각의 교정 계수를 나타낸다.
도 4는 교정 의존성을 기반으로 규소의 원소 함량을 결정하기 위한 예시적인 도면(400)을 도시하고 있다. 예를 들어, 규소 교정 의존성의 합리적 근사치는 여러 개의 포인트, 예를 들어 네 개의 데이터 포인트 및 제로-제로 포인트를 기반으로 결정될 수 있다. 어떤 경우, 규소 교정을 계속 개선하기 위해 추가 스캔 데이터를 사용할 수 있다.
따라서, 규소 함량은 다음과 같이 식 (7)을 기반으로 결정될 수 있다:
Figure pct00007
(7)
토양 수소 분포는 중심 피크가 2.223 MeV인 TNC 스펙트럼의 수소 피크 면적을 기반으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 수소 피크 면적을 정의하기 위해, r-번째 레코드 및 i-번째 검출기(104)에 대한 TNC 스펙트럼은 다음과 같이 식 (8)을 사용하여 채널별로 계산될 수 있다:
Figure pct00008
(8)
다수의 감마 검출기(104)에 대한 스펙트럼의 이동, 요약, 평균 수명 및 중간점(312) 지리적 위치 결정, 사이트(306)별로 스펙트럼 분류, 사이트(306)의 가중 중심(310) 및 사이트(306)에 대한 평균 TNC 스펙트럼 결정은 netINS 스펙트럼 결정과 유사한 방식으로 결정될 수 있다. 특히 다음과 같다:
Figure pct00009
(9)
Figure pct00010
(10)
Figure pct00011
(11)
또한, 수소 피크 면적의 스펙트럼은 TNC s 로부터 계산될 수 있고, 수소 분포 맵을 그리기 위해 수소 피크 면적의 값 및 사이트의 가중 중심이 사용될 수 있다.
토양 칼륨 분포 맵은, 예를 들어 중성자 펄스원(102) 및/또는 감마 검출기(104) 및 수소 및 규소와 같은 시스템(100)의 관련 구성요소에 의해 중성자-감마 기술을 이용하여 분석된 다른 원소와 관련하여 기술된 프로세스와 유사한 방식으로 생성될 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 칼륨 함량은 토양의 중성자 조사에 의존하지 않고 토양에서 수집된 자연 감마 스펙트럼을 기반으로 엄격하게 결정될 수 있다. 예를 들어, 40K 동위 원소는 칼륨 함유 화합물의 칼륨 동위 원소 혼합물 내에 자연적으로 존재할 수 있다. 이 동위 원소는 칼륨 화합물이 풍부한 것으로 알려져 있으며(η = 0.0117%) 방사성이다(T 1/2 = 1.248·109년). 40K의 방사능 붕괴는 자연 방사능의 주요 구성요소 중 하나인 감마선인 1.46 MeV 에너지로 감마선 방출을 동반한다. 따라서, 토양 내의 칼륨 존재는 측정된 감마선 강도를 기반으로 결정될 수 있다.
도 5는 자연 방사능의 감마 스펙트럼의 예시적인 그래프(500)를 도시하고 있으며, 토양(122) 표면에 직접 설치된 시스템(100)에 의해 0.5 시간 동안 측정된 스펙트럼을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 파선(506)은 칼륨 함유 물질(~ 11 kg)(총 중량 22.7 kg)이 측정 시스템 아래에 배치되었을 때 측정된 감마 스펙트럼을 나타낼 수 있으며, 여기서 중심이 약 1.46 MeV인 유의한 피크(예를 들어, 에너지 값 508-1 및 508-2 사이)는 칼륨의 존재를 나타낸다.
도 6은 칼륨 교정 계수를 추정하기 위한 방법론의 예시적인 도면(600)을 도시하고 있다. 첫 번째 근사를 위해, 토양 칼륨은 반경(R)과 함께 반구형 공간에 균일하게 분포된 것으로 가정했다. 감마 검출기(104)는 이 반구(602)의 중심(608)에 위치했다. Kw%(606)이 단위 부피(dV, 606) 내에 존재하고 재료 밀도가 d인 경우, dγ, s-1이고, 1.46 MeV의 에너지를 갖는 감마선은 다음과 같이 나타난다:
Figure pct00012
(12)
여기서 N A 는 아보가드로수(Avogadro number)이고 AW는 칼륨의 원자량, λ = 0.693/T1/2이다. 그리고 나서 감마 검출기(104)(피크 면적, S)의 신호 강도는 다음과 같이 계산될 수 있다:
Figure pct00013
(13)
Figure pct00014
(14)
여기서 t는 감마선 등록 효율(registration efficiency)이고, μ는 물질 내의 1.46 MeV 감마선의 질량 흡착 계수(mass adsorption coefficient)이고, 거리 l은 dV와 감마 검출기(104) 사이의 거리이며, R은 반구 반경이다. 칼륨 함유 물질 내의 Kw%는 11/22.7·100% = 48.4%이다. 이 물질의 부피 밀도는 1.1 g cm-3이었고, 이 물질이 있는 반구의 반경은
Figure pct00015
= 21.4 cm이다. 1.6 MeV에 대한 칼륨 함유 물질(KCl)의 질량 감쇠 계수(mass attenuation coefficient)는 0.048 cm2 g-1이고, 값 G st = 3.416이다. 스펙트럼의 피크 면적은 칼륨 함유 물질에 대해 237 cps로 계산되었으며, 이는 도 5에 파선으로 도시되어 있다. 여기에서, t 값은 69.4로 추정될 수 있다.
토양 밀도는 추정을 위해 1.2 g cm-3 및 μ = 0.052 cm2 g-1과 동일하게 취해질 수 있다(주요 토양 원소는 Si 및 O 임). 그리고 나서, 무한 반경의 토양에 대해 G soil = Kw%/100·9.615이고 칼륨 피크 면적은 토양에 대해 14 cps였으며, 이는 도 5에 파선으로 도시되어 있다. 피크 면적은 G 및 감마선 등록 효율(t)에 비례한다. 이들 값으로부터, 토양 내의 칼륨에 대한 교정 계수는 0.15 Kw%/cps로 추정될 수 있으며, 토양 내의 Kw%는 2%로 추정될 수 있다. 이 값은 토양 내의 평균 칼륨 함량과 일치한다. 이러한 교정은 더 높은 정확도를 위해 여러 개의 참조 샘플을 사용하여 반복되어야 하지만, 주어진 일련의 측정에 대해 다음과 같이 식 (15)의 추정을 사용할 수 있다:
Figure pct00016
(15)
지리 좌표 및 원소 함량(중량%)의 측정 데이터 세트를 사용하여 원소 분포 맵을 생성했다. 맵은 지역 다항식 보간법(local polynomial interpolation) 또는 또 다른 계산 방식을 사용하여 생성될 수 있다. 맵은 지리적 기본 지도 상에 배치되었다. 생성된 원소 분포 맵은 맵의 방향성 배향을 나타내기 위해 북쪽, 남쪽, 동쪽 및 서쪽과 같은 하나 이상의 기본 방향을 나타내는 화살표 또는 또 다른 유형의 아이콘을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 생성된 원소 분포 맵은 상향 수직 방향이 예를 들어 북쪽 방향을 나타내도록 자동으로 배향될 수 있다. 어떤 경우, 생성된 맵은 주어진 원소 또는 다수의 원소의 원소 함량의 하나 이상의 범위를 나타내는 상응하는 범례(legend) 및/또는 스케일 바(scale bar)를 포함할 수 있다. 생성된 원소 분포 맵은 동일한 함량을 갖는 영역을 나타내는 하나 이상의 등고선 값 라벨(contour value label)을 포함하는 등고선 지도를 포함할 수 있다. 감마 스펙트럼 데이터 분석을 기반으로 생성된 원소 분포 맵의 일부 예는 적어도 도 8 내지 도 15에 도시되어 있다.
제 1 스캔 현장은 예를 들어 ~6 헥타르(ha)와 같은 제 1 총 면적을 포함하고, 제 2 스캔 현장은 토양 유형이 각각 마르빈 양질 사토(Marvyn loamy sand) 및 말보로 양질 사토(Marlboro loamy sand)(1-6% 경사)인 제 2 총 면적(예를 들어, ~23 ha)을 포함한다.
도 7은 다수의 사이트(306)로 분할되는 제 1 스캔 현장(702)의 예시적인 도면(700)을 도시하고 있으며, 여기서 다수의 제 1 사이트(306)는 제 1 스캔 현장(702) 상에 위치하고, 다수의 사이트(704)는 제 1 스캔 현장(702)에 인접한 도로 상에 있다. 하나의 예로서, 각각의 사이트(306)의 다수의 중간점 및 각각의 사이트(306)에서의 총 측정 시간이 표 1에 나타나 있다.
Figure pct00017
도 8은 적어도 도 7을 참조하여 기술된 제 1 스캔 현장(702)에 대한 탄소 분포 맵(808)의 디지털 렌더링의 예시적인 도면(800)을 도시하고 있다. 예를 들어, 탄소 함량 분포(802)는 (예를 들어, 기준 요소(802-1 내지 802-4)에 의해 도시된 바와 같이) 남쪽에서 북쪽으로 0.5 내지 2.0 w%로 증가한 반면, 도로의 탄소 함량은 현장(122)에 비해 극도로 높았으며, 18 w%에 달했다. 도 9는 적어도 도 7을 참조하여 기술된 제 1 스캔 현장(702)에 대한 규소 분포 맵(908)의 디지털 렌더링의 예시적인 도면(900)을 도시하고 있다. 예를 들어, 제 1 스캔 현장(702) 상의 규소 함량 분포(902)는 변했으며, 규소 함량은 일반적으로 44 ±2 w%의 범위 내에 유지되었다. 또 다른 예에서, 규소 함량(902)은 현장(702)에 인접한 도로에서 매우 낮았으며(약 10 w%), 이는 도로가 탄산염 자갈과 같은 광물로 구성될 수 있고 규소가 거의 없음을 의미한다.
도 10 및 도 11은 날씨가 안정(맑음)했던 2019년 4월 11일 및 2019년 4월 17일과 같이 서로 다른 이틀에 걸쳐 캡처된 제 2 스캔 현장(1004) 상의 탄소 분포(1002, 1102)의 예시적인 맵(1000 및 1100)을 각각 도시하고 있으며, 여기서 제 2 스캔 현장(1004)의 면적은 약 13.6 ha이다. 비교는 두 맵이 매우 유사하다는 것을 보여주며, 등고선(1002, 1102)에서의 약간의 약간의 불일치만이 맵(1000 및 1100)의 각각의 북쪽 부분으로 제한된다. 따라서, 제 2 스캔 현장(1004)의 다중 스캔은 스캔 결과 및 수집된 스캔 데이터로부터 생성된 맵이 거의 동일한 기상 조건 하에서 비교적 일관된 것을 입증하였다. 따라서, 감마 분석 장치 시스템(100)을 이용하여 토양(122)의 스캔 데이터를 수집하고 수집된 스캔 데이터를 기반으로 토양(122)의 원소 함량 분포 맵을 생성하는 방법론 및 접근 방식은 충분히 정확하고, 방법론의 결과는 유사한 기본 조건에서 재현 가능하다. 도 12는 도 10 및 도 11의 맵을 생성하는 데 사용되는 데이터 세트(1000, 1100)의 조합에서 기인하는 탄소(C)의 원소 분포(1202)를 나타내는 맵(1200)을 도시하고 있으며, 이는 보다 신뢰할 수 있는 원소 함량 맵일 수 있다. 도 13은 서로 다른 이틀에 걸쳐 수행된 제 2 스캔 현장(1004)의 스캔된 동작의 결합된 데이터(본원에 별도로 도시되지 않음)를 기반으로 규소 원소 분포(1302)를 나타내는 규소 분포 맵(1300)을 도시하고 있다.
도 14는 제 2 스캔 현장(1004)의 토양(122)의 수소 원소 분포(1402)의 예시적인 맵(1400)을 도시하고 있다. 예를 들어, 수소 분포 맵(1400)은 수소 피크 면적의 분포를 나타내며, 여기서 요소 번호(1404)는 각각의 사이트(306)의 각각의 피크 값을 나타낸다. 도 15는 TDR-300 토양 수분 측정기(TDR-300 Soil Moisture Meter)를 사용하는 수분 측정을 사용하여 수행된 수소 스캐닝으로부터 생성된 예시적인 맵(1500)을 도시하고 있다. 전극의 길이는 7 인치였고 측정 중에 토양 유형 모드로서 "Sand"가 선택되었다. 토양 수분의 맵(1500)은 이 기기에 의해 측정되었다. TDR-300에 의한 수분 측정(1502)의 상대 오차(해당 피크 값(1504) 포함)는 대략 12% 내지 20% 범위였다. TDR 300에 의한 수분 측정의 이러한 상대 오차 값에도 불구하고, 도 14 및 도 15의 맵(1400 및 1500)의 비교는 각각 두 기기 간의 유사성을 입증했으며, 수분 분포 매핑(1402)을 위해 중성자 감마 분석을 사용하면 정확한 결과를 산출할 수 있다는 결론을 내릴 수 있다.
도 16A 및 도 16B는 현장(120)의 토양(122)의 원소 함량을 결정하기 위한 예시적인 프로세스(1600)를 도시하고 있다. 프로세스(1600)는 처리 유닛(110)이 주어진 현장(120)의 원소 토양 분석을 수행하는 요청을 수신하는 블록 1602에서 시작할 수 있다. 일부 예에서, 요청은 사용자 또는 시스템에 의해 생성될 수 있다. 또한, 원소 토양 분석 프로세스(1600)를 시작하기 위한 다른 방법도 고려된다.
요청에 대응하여, 블록 1604에서 처리 유닛(110)은 스캔할 현장(120)의 하나 이상의 외부 경계를 검출할 수 있다. 예를 들어, 처리 유닛(110)은 스캔할 현장(120)의 적어도 일부를 포함하는 지리적 지도의 디지털 렌더링을 기반으로, 현장(120)의 실제 스캔(예를 들어, 비디오, 수중 음파 탐지기 등)을 기반으로, 또는 이들의 일부 조합을 기반으로 현장(120)의 외부 경계를 검출할 수 있다. 외부 경계 식별 프로세스 동안 분석된 지리적 지도는 현장(120)의 대략적인 또는 정확한 지리 좌표와, 현장(120)의 위도와 경도와, 현장(120)의 면적과, 네 개의 기본 방향에 대한 현장(120)의 배향, 및 현장(120)의 지리공간적, 상대적 및 특정 위치를 설정하기에 충분한 기타 데이터 파라미터를 포함할 수 있다.
블록 1606에서, 처리 유닛(110)은 스캔할 현장(120)을 다수의 부분 또는 사이트(306)로 분할할 수 있다. 예를 들어, 처리 유닛(110)은 지형 프로파일, 지형의 동질성 또는 이질성, 및/또는 언덕, 산등성이, 안장, 움푹 들어간 곳, 도로, 구조물, 인공 폭포, 초목 등과 같은, 자연적이든 인공적이든 지형지물의 존재 또는 부재를 기반으로 현장(120)을 부분들로 분할할 수 있다. 어떤 경우, 각각의 사이트(306)는 비교적 균일한 지형 프로파일을 포함할 수 있다. 현장 분할 동안, 시스템(100)의 처리 유닛(110)은 현장(120)을 가로지르는 아스팔트 도로(308) 등과 같은 지형의 변화에 대한 검출 및/또는 예를 들어 지형 내의 낮은 지점에 대한 검출과 같이, 지형의 프로파일 및 구성의 변화에 대한 검출에 대응하여 별도의 사이트(306)를 지정하도록 구성될 수 있다. 스캐닝 조건에 영향을 미치는 상기한 지형 관련 요인 및 기타 요인이 주어지면, 다수의 사이트(306)의 각각의 사이트(306)는 크기가 ~100 m2 미만 내지 ~1000 m2 이상까지 다양할 수 있으며, 따라서 총 면적이 약 800 m2인 주어진 현장(120)에는 12 개 사이트 등이 포함될 수 있다.
처리 유닛(110)은 블록 1608에서 현장(120)의 제 1 부분의 제 1 토양 샘플의 스캐닝을 시작하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 처리 유닛(110)은 중성자 펄스원(102)을 사용하여 제 1 위치/사이트(306)의 토양 샘플을 스캔할 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 블록 1608에서, 처리 유닛(110)은 예를 들어 감마 검출기(104)를 사용하여 제 1 토양 샘플의 감마 스펙트럼을 검출하도록 구성될 수 있다. 블록 1610에서, 처리 유닛(110)은 제 1 토양 샘플의 지리적 위치를 요청하도록 구성될 수 있다. 어떤 경우, 처리 유닛(110)은 시스템(100)의 내부 또는 외부에 있는 GPS 장치(112)와 통신할 수 있으며, 현장(120)의 제 1 부분(306)의 제 1 토양 샘플의 위치를 나타내는 지리 좌표 또는 기타 지리공간적 위치 파라미터를 요청하고 수신하도록 구성될 수 있다.
처리 유닛(110)은 블록 1612에서 제 1 토양 샘플의 검출된 감마 스펙트럼(116) 데이터를 제 1 토양 샘플의 수신된 지리 좌표와 연관시킬 수 있다. 예를 들어, 처리 유닛(110)은 블록 1612에서 스캔 데이터 및 연관된 지리 좌표를 그에 직접 연결된 데이터 저장 장치에 저장할 수 있다. 다른 예에서, 처리 유닛(110)은 외부, 원격 또는 장외 저장 서버, 및/또는 클라우드 네트워킹 및 데이터 저장 장치 또는 시스템과 통신할 수 있다.
블록 1614에서, 처리 유닛(110)은 다수의 사이트(306) 중 동일한 사이트 내의 다음 토양 샘플이 검출되었는지 여부를 결정할 수 있다. 예를 들어, 처리 유닛(110)은 스캔 중인 현장(120)의 영역 및/또는 사이트(306)의 영역에 대해, 시스템(100), 예를 들어 구조물(114), 중성자 펄스원(102) 및/또는 감마 검출기(104)의 현재 지리적 위치를 검출할 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 처리 유닛(110)은 다음 토양 샘플(124) 및/또는 다음 사이트(306)의 존재 또는 부재가 결정될 수 있도록 자신의 지리적 위치를 변경하도록 시스템(100)을 작동시킬 수 있다. 추가 데이터 수집이 시스템(100)에 의해 수행되어야 하는지 여부를 결정하기 위한 다른 시나리오 및 방법이 또한 고려된다. 예를 들어, 시스템(100)은 추가 토양 샘플(124) 및/또는 사이트(306)가 원소 토양 함량 분석을 위해 스캔되어야 한다는 확인을 요청하는 사용자 통지를 표시하도록 구성될 수 있다. 현재 사이트(306) 내에서 스캔할 수 있는 다음 토양 샘플에 대응하여, 처리 유닛(110)은 블록 1608로 돌아가서 사이트(306) 내의 다음 이용 가능한 토양 샘플을 스캔할 수 있다.
현재 사이트(306)의 모든 토양 샘플이 스캔되었다는 결정에 대응하여, 처리 유닛(110)은 블록 1616에서 다수의 사이트(306) 중 다음 사이트가 검출되었는지 여부를 결정할 수 있다. 예를 들어, 처리 유닛(110)은 스캔 중인 현장(120)의 영역 및/또는 사이트(306)의 영역에 대해, 시스템(100), 예를 들어 구조물(114), 중성자 펄스원(102) 및/또는 감마 검출기(104)의 현재 지리적 위치를 검출할 수 있다. 다수의 사이트(306) 중 다음 사이트(306)가 스캔 중인 현장(120) 내에서 이용 가능하다는 블록 1616에서의 결정에 대응하여, 처리 유닛(110)은 블록 1608로 돌아가 다음 사이트(306) 내의 제 1 토양 샘플(124)을 스캔할 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 현장(120)의 모든 사이트(306)가 스캔된 것에 대응하여, 처리 유닛(110)은 수집된 스캔 데이터를 분석할 수 있다.
블록 1618에서, 처리 유닛(110)은 C, Si, O, H, K, Cl 등과 같은, 이에 한정되지 않는 다수의 원소 중 적어도 하나의 하나 이상의 피크 값에 대해, 수집된 감마 스펙트럼을 분석하도록 구성될 수 있다. 적어도 도 3 내지 도 6 및 도 10 내지 도 15를 참조하여 기술한 바와 같이 주어진 원소의 피크 값을 결정하기 위한 방법은 다양할 수 있다. 어떤 경우, 처리 유닛(110)은 토양(120)의 원소 함량 분석과 관련된 중간점, 가중 중심 및 기타 파라미터 값을 식별하도록 구성될 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 처리 유닛(110)은 부분/사이트(306)별로 각각의 원소의 식별된 피크 값을 분류하도록 구성될 수 있다. 수집된 스펙트럼을 분석하기 위한 다른 작업 및 방법도 고려된다.
블록 1620에서, 처리 유닛(110)은 시스템(100)을 사용하는 스캐닝 동작 동안 수집된 감마 스펙트럼 데이터를 기반으로 원소 분포 맵을 생성하도록 구성될 수 있다. 앞서 논의한 바와 같이, 원소 분포 맵은 지역 다항식 보간법 또는 또 다른 계산 방식을 사용하여 생성될 수 있고, 지리적 기본 지도 상에 중첩될 수 있다. 생성된 원소 분포 맵은 맵의 방향성 배향을 나타내기 위해 북쪽, 남쪽, 동쪽 및 서쪽과 같은 하나 이상의 기본 방향을 나타내는 화살표 또는 또 다른 유형의 아이콘을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 생성된 원소 분포 맵은 상향 수직 방향이 북쪽 방향 등을 나타내도록 자동으로 배향될 수 있다. 어떤 경우, 생성된 맵은 주어진 원소 또는 다수의 원소의 원소 함량의 하나 이상의 범위를 나타내는 상응하는 범례 및/또는 스케일 바를 포함할 수 있다. 생성된 원소 분포 맵은 동일한 함량을 갖는 영역을 나타내는 하나 이상의 등고선 값 라벨을 포함하는 등고선 지도를 포함할 수 있다.
프로세스(1600)는 이후 종료될 수 있다. 어떤 경우, 처리 유닛(110)은 수집된 감마 스펙트럼 데이터를 기반으로 원소 분포 맵을 생성하기 위한 하나 이상의 프로세스를 반복하도록 구성될 수 있다.
특정 예시적인 실시형태가 도면 및 상기한 설명에서 상세하게 기술되었고, 이러한 예시 및 설명은 예시적인 것으로 간주되어야 하고 특성상 제한적이지 않지만, 예시적인 실시형태만이 도시되고 기술되었으며 본 개시의 사상 내에 있는 모든 변경 및 수정은 보호되어야 함을 알아야 한다. 본원에 기술된 장치, 시스템 및 방법의 다양한 특징으로부터 발생하는 본 개시의 다수의 이점이 존재한다. 본 개시의 장치, 시스템 및 방법의 대안적인 실시형태는 기술된 모든 특징을 포함하지 않을 수 있지만, 이러한 특징의 적어도 일부 장점으로부터 여전히 이익을 얻을 수 있다는 점에 주목해야 할 것이다. 본 기술 분야의 숙련자는 본 개시의 하나 이상의 특징을 포함하는 장치, 시스템 및 방법의 자체 구현을 쉽게 고안할 수 있다.

Claims (21)

  1. 현장의 토양 함량을 분석하기 위한 시스템으로서, 시스템은:
    다수의 토양 샘플 각각의 감마 스펙트럼을 검출하도록 구성된 데이터 수집 유닛으로서, 현장 표면적은 다수의 부분으로 분할되고, 다수의 토양 샘플은 다수의 부분 각각으로부터의 적어도 하나의 토양 샘플을 포함하는, 데이터 수집 유닛과;
    다수의 토양 샘플 각각의 지리 좌표를 검출하도록 구성된 내비게이션 유닛과;
    다수의 토양 샘플 각각의 검출된 감마 스펙트럼을 토양 샘플의 지리 좌표와 연관시키고, 검출된 감마 스펙트럼을 기반으로 각각의 토양 샘플 내의 적어도 하나의 원소의 중량 퍼센트를 결정하도록 구성된 데이터 분석 유닛; 및
    현장의 토양 내의 적어도 하나의 원소의 농도를 나타내는 맵을 생성하도록 구성된 원소 함량 맵 유닛을 포함하는 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    토양 샘플은 현장 표면적의 적어도 5%를 누적해서 포함하는, 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    토양 샘플은 현장 표면적의 적어도 10%를 누적해서 포함하는, 시스템.
  4. 농업 현장의 토양 함량을 분석하기 위한 방법으로서, 방법은:
    현장 표면적을 다수의 부분으로 분할하는 단계와;
    토양 샘플의 감마 스펙트럼을 검출하기 위해 각각의 부분 내의 적어도 하나의 토양 샘플을 스캔하는 단계와;
    검출된 스펙트럼을 토양 샘플의 지리적 위치와 연관시키는 단계와;
    검출된 스펙트럼을 기반으로 토양 샘플 내의 적어도 하나의 원소의 양을 계산하는 단계; 및
    현장의 각각의 부분 내의 적어도 하나의 원소의 양을 나타내는 맵을 생성하는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    적어도 하나의 원소의 양은 탄소(C), 규소(Si), 칼륨(K), 산소(O), 수소(H), 및 염소(Cl) 중 적어도 하나의 농도 값을 포함하는, 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    각각의 부분은 균일한 풍경을 갖는, 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    스캔하는 단계는 중성자 발생기를 갖는 펄스화된 고속 열 중성자 시스템(pulsed fast thermal neutron system)을 사용하여 스캔하는 단계를 포함하는, 방법.
  8. 제 4 항에 있어서,
    토양 샘플은 현장 표면적의 적어도 10%를 누적해서 포함하는, 방법.
  9. 제 4 항에 있어서,
    소정의 값을 기반으로 스펙트럼 에너지를 보정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  10. 현장 토양의 원소 함량을 분석하기 위한 시스템으로서, 시스템은:
    적어도 하나의 토양 샘플의 감마 스펙트럼을 수집하도록 구성된 데이터 수집 유닛과;
    토양 샘플의 지리 좌표를 제공하도록 구성된 내비게이션 유닛과;
    수집된 감마 스펙트럼을 토양 샘플의 지리 좌표와 연관시키고 토양 샘플 내의 원소의 중량 퍼센트를 계산하도록 구성된 데이터 분석 유닛; 및
    계산된 중량 퍼센트를 기반으로 토양 샘플 내의 적어도 하나의 원소의 농도를 나타내는 맵을 생성하도록 구성된 원소 함량 맵 유닛을 포함하는 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    데이터 수집 유닛은 펄스화된 고속 열 중성자 시스템을 포함하는, 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    펄스화된 고속 열 중성자 시스템은 중성자 발생기를 포함하는, 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    펄스화된 고속 열 중성자 시스템은 감마 검출기를 더 포함하는, 시스템.
  14. 제 10 항에 있어서,
    데이터 수집 유닛은 다수의 토양 샘플의 감마 스펙트럼을 수집하도록 더 구성되고, 다수의 토양 샘플은 현장 표면적의 적어도 10%를 누적해서 포함하는, 시스템.
  15. 제 10 항에 있어서,
    분석 유닛은 스펙트럼 이동 및 중량 퍼센트 계산기를 사용하여 결정된 소정의 값을 기반으로 스펙트럼 에너지를 보정하도록 더 구성되는, 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    스펙트럼 에너지를 보정하는 것은, 다수의 스펙트럼 각각에 대해, 원소의 우세한 피크의 중심이 스펙트럼의 다수의 에너지 채널 중 동일한 하나와 연관되도록, 스펙트럼을 이동시키는 것을 포함하는, 시스템.
  17. 제 10 항에 있어서,
    분석 유닛은 스펙트럼의 수명을 기반으로 중량 퍼센트를 계산하도록 더 구성되고, 스펙트럼의 수명은 다수의 검출기 각각의 수명의 평균인, 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    수명은 실시간 측정 시간, 입력 계수율, 및 출력 계수율을 기반으로 하는, 시스템.
  19. 제 17 항에 있어서,
    분석 유닛은 계산된 중량 퍼센트를 두 개의 이웃하는 레코드 사이의 지리적 중간 지점과 연관시키도록 더 구성되는, 시스템.
  20. 제 10 항에 있어서,
    농도는 탄소(C), 규소(Si), 칼륨(K), 산소(O), 및 수소(H) 중 적어도 하나의 함량을 나타내는, 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서,
    토양 샘플 내의 탄소(C) 함량은 현장의 부분 내에서 검출된 순 스펙트럼의 평균을 기반으로 결정되고, 칼륨 농도는 토양의 중성자 조사를 사용하지 않고 토양 샘플의 자연 감마 스펙트럼을 기반으로 결정되는, 시스템.
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