토양의 용적수분 함량을 현장에서 측정할 수 있어 토양 내 물 이동이나 관개관리에 효과적으로 이용할 수 있는 6종의 토양수분 센서에 대한 검정을 실시했다. TDR형태의 센서가 2종으로 토양단면측정용인 TRIME과 탐침형태인 Mini-TRASE이었으며, 4종은 FDR 형태의 센서로 토양단면 측정용인 EasyAG, EnviroSCAN, PR-1과 탐침형태의 WET-1 센서였다. 코어로 측정한 용적수분함량과 비교한 결과 TRIME은 1차 선형식의 관계에서 코어측정값과 약 2.4%의 오차를 나타냈고, Mini-TRASE는 코어 용적 수분함량과 약 1.4%의 오차를 나타냈으며, 이 오차는 실험에 사용했던 7종의 센서들 중에서 가장 작은 값이었다. EasyAG는 SF로 분석했을 때는 코어측정값과 약 2.6%의 오차를 나타냈고, 센서로 측정한 토양 수분 함량을 코어수분함량과 직접적으로 비교했을 때도 역시 약 2.6%의 오차를 나타냈다. EnviroSCAN은 SF로 분석했을 때는 코어측정값과 약 2.8%의 오차를 나타냈고, 센서로 측정한 토양수분 함량을 코어수분 함량과 직접적으로 비교했을 때는 2.6%의 오차를 나타냈다. WET-1은 센서로 측정한 값과 코어로 실측한 값 사이에 약 2.0%의 오차가 있음을 보여주고 있으며, 이것은 검정에 사용했던 FDR 센서들 중에서는 가장 작은 값이었다. PR-1은 측정시 access 튜브 내에서 방향을 조금씩 바꿀 때마다 측정값이 달리 나오는 경우가 많아 수분함량 측정횟수가 많지 않았으나 실측값과 약 4.7%의 오차를 보였다. 결론적으로 센서의 정확성을 검정하기 위해 사용된 6종의 센서 중 PR-1은 현장 측정에 문제가 있을 것으로 여겨진다.
토양의 용적수분 함량을 현장에서 측정할 수 있어 토양 내 물 이동이나 관개관리에 효과적으로 이용할 수 있는 6종의 토양수분 센서에 대한 검정을 실시했다. TDR형태의 센서가 2종으로 토양단면측정용인 TRIME과 탐침형태인 Mini-TRASE이었으며, 4종은 FDR 형태의 센서로 토양단면 측정용인 EasyAG, EnviroSCAN, PR-1과 탐침형태의 WET-1 센서였다. 코어로 측정한 용적수분함량과 비교한 결과 TRIME은 1차 선형식의 관계에서 코어측정값과 약 2.4%의 오차를 나타냈고, Mini-TRASE는 코어 용적 수분함량과 약 1.4%의 오차를 나타냈으며, 이 오차는 실험에 사용했던 7종의 센서들 중에서 가장 작은 값이었다. EasyAG는 SF로 분석했을 때는 코어측정값과 약 2.6%의 오차를 나타냈고, 센서로 측정한 토양 수분 함량을 코어수분함량과 직접적으로 비교했을 때도 역시 약 2.6%의 오차를 나타냈다. EnviroSCAN은 SF로 분석했을 때는 코어측정값과 약 2.8%의 오차를 나타냈고, 센서로 측정한 토양수분 함량을 코어수분 함량과 직접적으로 비교했을 때는 2.6%의 오차를 나타냈다. WET-1은 센서로 측정한 값과 코어로 실측한 값 사이에 약 2.0%의 오차가 있음을 보여주고 있으며, 이것은 검정에 사용했던 FDR 센서들 중에서는 가장 작은 값이었다. PR-1은 측정시 access 튜브 내에서 방향을 조금씩 바꿀 때마다 측정값이 달리 나오는 경우가 많아 수분함량 측정횟수가 많지 않았으나 실측값과 약 4.7%의 오차를 보였다. 결론적으로 센서의 정확성을 검정하기 위해 사용된 6종의 센서 중 PR-1은 현장 측정에 문제가 있을 것으로 여겨진다.
This study was to verify and calibrate seven kinds of soil water sensors for volumetric soil water content(VSWC) measurement under field. Types of sensors were TDR (Time Domain Reflectometry) and FDR(Frequency Domain Reflectometry). Two kinds of TDR were TRIME(profile type), and Mini-TRASE(rod type)...
This study was to verify and calibrate seven kinds of soil water sensors for volumetric soil water content(VSWC) measurement under field. Types of sensors were TDR (Time Domain Reflectometry) and FDR(Frequency Domain Reflectometry). Two kinds of TDR were TRIME(profile type), and Mini-TRASE(rod type). Five kinds of FDR were EasyAG, EnviroSCAN, PR-1(profile type), and WET-1(rod type). VSWC by TRIME and Mini-TRASE compared with VSWC by soil core showed the standard error of about 2.4%, and 1.4% which is the smallest value among all the sensors used in the experiment, respectively. The errors of EasyAG and EnviroSCAN analyzed with scaled frequency(SF) were about 2.6%, and 2.8% and those by 1 versus 1 correspondence were about 2.6%, and 2.6%, respectively. WET-1 showed about 2.0% of error, which is the smallest value among errors by FDR sensors. PR-1 with the error of about 4.7% should be hard for application in field. Therefore, users on soil water sensors have to take into consideration the errors of sensors revealed after the calibration for the correct measurement of VSWC in field. The rest except for PR-1 among the sensors could be used for VSWC measurement with 1.4~2.6% error.
This study was to verify and calibrate seven kinds of soil water sensors for volumetric soil water content(VSWC) measurement under field. Types of sensors were TDR (Time Domain Reflectometry) and FDR(Frequency Domain Reflectometry). Two kinds of TDR were TRIME(profile type), and Mini-TRASE(rod type). Five kinds of FDR were EasyAG, EnviroSCAN, PR-1(profile type), and WET-1(rod type). VSWC by TRIME and Mini-TRASE compared with VSWC by soil core showed the standard error of about 2.4%, and 1.4% which is the smallest value among all the sensors used in the experiment, respectively. The errors of EasyAG and EnviroSCAN analyzed with scaled frequency(SF) were about 2.6%, and 2.8% and those by 1 versus 1 correspondence were about 2.6%, and 2.6%, respectively. WET-1 showed about 2.0% of error, which is the smallest value among errors by FDR sensors. PR-1 with the error of about 4.7% should be hard for application in field. Therefore, users on soil water sensors have to take into consideration the errors of sensors revealed after the calibration for the correct measurement of VSWC in field. The rest except for PR-1 among the sensors could be used for VSWC measurement with 1.4~2.6% error.
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문제 정의
(2003)에 의한 TDR을 이용한 전기 전도 도와 용적 밀도 측정 관련 연구를 제외하고는 토양수분 측정 센서를 통한 연구가 일반화되어 있지 않은 현실이며 이들 센서에 대한 이해도 부족한 형편이다. 따라서 본 논문에서는 주로 이용되고 있는 두 가지 형태 (TDR, FDR)의 6종의 토양수분 센서의 정확성을 검증해 우리나라와 같은 환경에서 사용할 수 있는지를 살펴보고자 했다.
제안 방법
5m인 플라스틱 판을 토양에 매설해 습윤구역의 물이 건조구역에 영향을 미치지 않도록 했다. 각각의 시험 구에서 프로파일 형태의 센서는 3반복으로 매설해 측정을 했고 탐침과 평면판 형태의 센서는 각각의 시험 구에서 30회 이상 측정했다. 습윤구역 시험구에는 2 ton의 물을 공급한 다음 하루가 지난 후 측정을 실시했고, 건조구역은 실험이 있기 1개월 전부터 건조되도록 했다.
시험 구는 가로 .세로 2mX2m의 크기로 했으며, 포화 된 수분함량을 측정하기 위한 습윤구역과 건조상태의 토양수분 함량 측정을 위한 건조구역으로 구분했다. 습윤구역과 건조구역 간의 거리는 2m를 유지하고 2m X0.
토양단면에 대한 측정이 가능하다. 센서 출고 시에 SF와 토양수분 함량간의 관계가 멱함수(power function)의 형태로 표현된 것을 감안해 센서로 측정한 값과 코어로 실측한 값 사이의 관계를 Fig. 4의 좌측 그림과 같이 멱함수로 분석을 해보고, 1:1선에의 근접성을 확인하기 위해 직선관계로도 분석을 했다. EasyAG는 멱함수의 관계에서는 결정계수가 0.
세로 2mX2m의 크기로 했으며, 포화 된 수분함량을 측정하기 위한 습윤구역과 건조상태의 토양수분 함량 측정을 위한 건조구역으로 구분했다. 습윤구역과 건조구역 간의 거리는 2m를 유지하고 2m X0.5m인 플라스틱 판을 토양에 매설해 습윤구역의 물이 건조구역에 영향을 미치지 않도록 했다. 각각의 시험 구에서 프로파일 형태의 센서는 3반복으로 매설해 측정을 했고 탐침과 평면판 형태의 센서는 각각의 시험 구에서 30회 이상 측정했다.
측정할 수 있다. 이 센서 또한 출고시에 SF와 토양수분 함량간의 관계를 멱함수의 형태로 나타냈으므로 그 관계를 살펴보고, 1:1 직선관계로도 분석했다. 멱함수의 관계에서는 결정계수가 0.
2), 프로파일 센서 (TRIME, EasyAG, EnviroSCAN, PR-1)의 경우 센서가 묻혀 있는 깊이에 맞춰 시료를 채취했다. 채취한 토양은 저울에 평량해 건조기에 넣고 건조시킨 후 수분함량을 산출했다. 코어로 시료를 채취할 때는 센서의 측정용적과 측정부위를 같이 하기 위해 센서의 1/2 높이 지점에 코어의 가운데 부분을 일치시켜서 채취했다.
습윤구역 시험구에는 2 ton의 물을 공급한 다음 하루가 지난 후 측정을 실시했고, 건조구역은 실험이 있기 1개월 전부터 건조되도록 했다. 탐침 형태의 센서(Mini-TRASE, WET-1)는 토양수분 함량의 측정은 지상으로부터 5 cm 이하의 깊이에서 센서를 이용해 토양용적수분함량을 먼저 측정하고 그 이후에 토양용적수분 함량 측정용 1인치 코어를 이용해 센서로 측정한 부위의 주변을 3 반복으로 시료를 채취했으며(Fig. 2), 프로파일 센서 (TRIME, EasyAG, EnviroSCAN, PR-1)의 경우 센서가 묻혀 있는 깊이에 맞춰 시료를 채취했다. 채취한 토양은 저울에 평량해 건조기에 넣고 건조시킨 후 수분함량을 산출했다.
탐침형태의 FDR 센서인 WET-1은 유전율에 의한 굴절률과 토양수분 함량 간의 함수관계를 직선 관계로 표현하기에 측정결과를 1:1 직선관계로 분석했다. 이 센서로 측정한 값과 코어로 실측한 값을 분석한 결과 결정계수는 0.
토양의 용적수분 함량을 현장에서 측정할 수 있어 토양 내 물 이동이나 관개관리에 효과적으로 이용할 수 있는 6종의 토양수분 센서에 대한 검정을 실시했다. TDR형태의 센서가 2종으로 토양단면측정용인 TRIME과 탐침형태인 Mini-TRASE이었으며, 4종은 FDR 형태의 센서로 토양단면 측정용인 EasyAG, EnviroSCAN, PR-1과 탐침형태의 WET-1 센서였다.
대상 데이터
1. Sensors tested in the experiment (TRIME, EasyAG, EnviroSCAN, PR-1, Mini-TRASE, and WET-1 from the left).
가격이 비싼 것으로 알려진 Time Domain Reflectometry (TDR) 형태의 센서 2종과 5종의 Frequency Domain Reflectometry(FDR) 형태의 센서를 이용했다. TDR 센서는 Soilmoisture (USA)에서 제작한 Mini-TRASE와 Imko (German) 의 TRIME이고, FDR은 Sentek(Australia)에서 개발한 EasyAG, EnviroSCAN과 Delta-T (England)에서 제작한 PR-1과 WET-1 및 Decagon(USA)에서 제작한 ECH2O 센서였다. 센서의크기가 20cm인 TRIME과 10cm인 EasyAG, EnviroSCAN 및 PR-1은 프로 파일형 토양수분센서로 투입관을 설치하고 깊이별로 측정하도록 제작된 센서이고, 센서의 크기가 20cm인 Mini-Trase와 10cm인 WET-1은 탐침(rod) 형태의 토양수분 센서로 탐침을 토양 내에 설치해 수분함량을 측정하는 센서이다.
선택해 실험에 이용했다. 가격이 비싼 것으로 알려진 Time Domain Reflectometry (TDR) 형태의 센서 2종과 5종의 Frequency Domain Reflectometry(FDR) 형태의 센서를 이용했다. TDR 센서는 Soilmoisture (USA)에서 제작한 Mini-TRASE와 Imko (German) 의 TRIME이고, FDR은 Sentek(Australia)에서 개발한 EasyAG, EnviroSCAN과 Delta-T (England)에서 제작한 PR-1과 WET-1 및 Decagon(USA)에서 제작한 ECH2O 센서였다.
실험장소 및 측정 본 실험을 수행하기 위해 경기도 수원시 농업과학기술원의 구내포장을 이용했으며, 토양은 본량통이며 토성은 사양토였다(Table 1). 시험 구는 가로 .
토양수분 센서 토양수분 함량 측정 정도를 파악하는 본 시험에 사용된 토양수분 센서는 7종의 센서를 선택해 실험에 이용했다. 가격이 비싼 것으로 알려진 Time Domain Reflectometry (TDR) 형태의 센서 2종과 5종의 Frequency Domain Reflectometry(FDR) 형태의 센서를 이용했다.
데이터처리
TDR 센서인 TRIME은 Topp et al.(1980)이 제 시한유전율과 토양수분 함량간의 3차 관계식을 감안해 센서로 측정한 값과 코어로 실측한 값 사이의 관계를 Fig. 3의 좌측 그림과 같이 3차함수로 분석하고, 1:1 선에의 근접성을 확인하기 위해 직선관계로도 분석했다. 이것은 3차식의 관계에서는 결정계수(R2)가 0.
이론/모형
3. Rolation between volumetric soil water content(VSWC) measured by TRIME and soil core method.
성능/효과
6%의 오차를 나타냈다. EnviroSCAN은 SF로 분석했을 때는 코어측정값과 약 2.8%의 오차를 나타냈고, 센서로 측정한 토양수분 함량을 코어 수분함량과 직접적으로 비교했을 때는 2.6%의 오차를 나타냈다. WET-1은 센서로 측정한 값과 코어로 실측한 값 사이에 약 2.
6%의 오차를 나타냈다. WET-1은 센서로 측정한 값과 코어로 실측한 값 사이에 약 2.0%의 오차가 있음을 보여주고 있으며, 이것은 검정에 사용했던 FDR 센서들 중에서는 가장 작은 값이었다. PR-1은 측정시 access 튜브 내에서 방향을 조금씩 바꿀 때마다 측정값이 달리 나오는 경우가 많아 수분함량 측정횟수가 많지 않았으나 실측값과 약 4.
7%의 오차를 보였다. 결론적으로 센서의 정확성을 검정하기 위해 사용된 6종의 센서 중 PR-1은 현장 측정에 문제가 있을 것으로 여겨진다.
6%의 오차가 있음을 보여주고 있다. 두 개의 경우 모두 P가 0.0이보다 작아 고도의 유의성이 있음을 보여주고 있으나(Fig. 4), 직선 관계로 분석했을 경우 전체적으로 약간 과소 측정하는 경향을 보였다.
4%의 오차가 있음을 보여주고 있다. 또한, p가 0.001보다 작아 고도의 유의성이 존재했으며, 오차는 실험에 사용했던 7종의 센서들 중에서 가장 작게 나타났으나 수분함량이 낮은 곳(20% 이하)에서는 core 측정방법보다 작게 측정하는 경향이었다.
0%의 오차가 있음을 보여주고 있다. 또한, p가 0.001보다 작아 고도의 유의성이 존재했으며, 오차는 실험에 사용했던 FDR 센서들 중에서 가장 작게 나타났으나 수분함량이 낮은 곳(20% 이하)에서는 Mini-TRASE와 마찬가지로 작게 측정하는 경향을 보였다.
이 센서로 측정한 값과 코어로 실측한 값을 분석한 결과 결정계수는 0.855이었으며 표준오차는 0.0197(m3·m-3) 로 코어 측정값과 약 2.0%의 오차가 있음을 보여주고 있다. 또한, p가 0.
Mini-TRASE를 비롯한 5종의 센서는 보정식을 사용할 경우 표준오차가 개선된 반면 TRIME은 보정되기 이전에 비해 표준오차가 약간 상승했다. 이러한 결과는 TRIME의 경우에는 센서로 측정한 값을 바로 사용해도 무방하다고 판단할 수 있으며, 5종의 센서는 측정의 정밀도와 정확도 향상을 위해서 보정을 실시하는 것이 바람직할 것으로 사료된다. 이상과 같은 TDR, FDR 센서로 구분되는 6종의 토양수분 센서로 측정한 수분함량(x)을 코어를 이용한 토양 용적수분함량과 비교한 결과를 종합해 보면(Table 2, Table 3), 프로파일 형 토양수분 센서들인 TRIME, EasyAG, EnviroSCAN, PR-1의측정오차가 탐침형인 Mini-TRASE, WET-1에 비해 큰 경향을 나타내고 있으며, 토양수분 센서 개별 측정오차나 측정시의 문제점을 살펴보았을 때 6종의 센서 중 PR-1은 현장에서 사용하지 않는 것이 바람직할 것이다.
이러한 결과는 TRIME의 경우에는 센서로 측정한 값을 바로 사용해도 무방하다고 판단할 수 있으며, 5종의 센서는 측정의 정밀도와 정확도 향상을 위해서 보정을 실시하는 것이 바람직할 것으로 사료된다. 이상과 같은 TDR, FDR 센서로 구분되는 6종의 토양수분 센서로 측정한 수분함량(x)을 코어를 이용한 토양 용적수분함량과 비교한 결과를 종합해 보면(Table 2, Table 3), 프로파일 형 토양수분 센서들인 TRIME, EasyAG, EnviroSCAN, PR-1의측정오차가 탐침형인 Mini-TRASE, WET-1에 비해 큰 경향을 나타내고 있으며, 토양수분 센서 개별 측정오차나 측정시의 문제점을 살펴보았을 때 6종의 센서 중 PR-1은 현장에서 사용하지 않는 것이 바람직할 것이다.
코어로 측정한 용적수분함량과 비교한 결과 TRIME은 1차 선형식의 관계에서 코어측정값과 약 2.4%의 오차를 나타냈고, Mini-TRASE는 코어 용적 수분함량과 약 1.4%의 오차를 나타냈으며, 이 오차는 실험에 사용했던 7종의 센서들 중에서 가장 작은 값이었다. EasyAG는 SF로 분석했을 때는 코어 측정값과 약 2.
Figure 6에 나타난 측정 횟수가 다른 토양단면 측정용 센서에 비해 작은데 그 이유는 측정시 투입관 내에서 방향을 조금씩 바꿀 때마다 측정값이 달리 나오는 경우가 많아서 그경우의 측정값을 제외했기 때문이다. 코어로 측정한 토양수분 함량과 비교한 결과 결정계수는 0.525로서 다른 단면 측정용 센서에 비해 낮은 값을 보였고, 표준오차도 0.0471로서 코어로 측정한 값과 약 4.7%의 오차를 보였다. 이는 다른 센서들에 비해 약 2배에 가까운 오차이며, 동일지점에서 방향을 조금씩 바꿀 때마다 달라지는 측정 값을 고려할 때 현장에서의 사용은 문제가 될 것이다.
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