In general, fractal analysis which is based on self-similarity as a basic theory has been mainly used to define the characteristics of complex mathematical figures, however, considering its basic theory, it can be also used to analyze the surface ununiformity of unknown materials. In this study, the...
In general, fractal analysis which is based on self-similarity as a basic theory has been mainly used to define the characteristics of complex mathematical figures, however, considering its basic theory, it can be also used to analyze the surface ununiformity of unknown materials. In this study, the soil samples were collected from the reclaimed (remodelled) agricultural fields which mean that the external soil is artificially piled up (mainly up to 1m) on the lands, Naju, Jellanam-do and Gumi, Gyeongsangbuk-do, and the conventional agricultural fields, Anseong, Gyeonggi-do and Hwasoon, Jellanam-do, and compared using fractal dimension analysis on the basis of the results of chemical properties. The score of fractal dimension ($D_0$) for organic matter was lower in Hwasoon (1.46) and Naju (1.58) than Anseong (1.86) and Gumi (1.96), and this trend showed similarly in soil pH. On the basis of the results of chemical properties, fine textured-soils (Hwasoon and Naju) and conventional agricultural fields were chemically uniform compared to coarse textured-soils (Anseong and Gumi) and the reclaimed. Therefore, it is required to develop technical methods for integrated soil management to the reclaimed lands.
In general, fractal analysis which is based on self-similarity as a basic theory has been mainly used to define the characteristics of complex mathematical figures, however, considering its basic theory, it can be also used to analyze the surface ununiformity of unknown materials. In this study, the soil samples were collected from the reclaimed (remodelled) agricultural fields which mean that the external soil is artificially piled up (mainly up to 1m) on the lands, Naju, Jellanam-do and Gumi, Gyeongsangbuk-do, and the conventional agricultural fields, Anseong, Gyeonggi-do and Hwasoon, Jellanam-do, and compared using fractal dimension analysis on the basis of the results of chemical properties. The score of fractal dimension ($D_0$) for organic matter was lower in Hwasoon (1.46) and Naju (1.58) than Anseong (1.86) and Gumi (1.96), and this trend showed similarly in soil pH. On the basis of the results of chemical properties, fine textured-soils (Hwasoon and Naju) and conventional agricultural fields were chemically uniform compared to coarse textured-soils (Anseong and Gumi) and the reclaimed. Therefore, it is required to develop technical methods for integrated soil management to the reclaimed lands.
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문제 정의
프랙탈 기법은 복잡한 도형의 특성을 규정하기 위한 연구로 많은 진행이 이루어 졌으나 그 기본 개념상 어떤 표면상의 불규칙성을 해석하는 데에도 쓰일 수가 있다. 따라서 본 연구에서는 리모델링 농경지인 적토형 인위토양 2지구(나주, 구미)와 대조토양으로 일반농경지 2지구(안성, 화순)을 선정하여 10 m간격으로 시료를 채취하여 형태의 불규칙성을 정량적으로 계산하는 프랙탈 기법을 통하여 표토의 화학성을 비교하여 그 형태적 특성을 해석하여, 향후 인위토양에 대한 토양특성관리 방안에 대한 기초자료로 제공하는데 목적을 두었다.
제안 방법
통계적 기법중 프랙탈은 자기유사성을 기본개념으로 하며, 보통 복잡한 도형의 특성을 규정하기 위해 주로 연구되어 왔으나, 그 기본 개념상 어떤 표면상의 불규칙성을 해석하는 데에도 쓰일 수 있다. 따라서 본 연구에서는 리모델링 농경지인 인위토양 2지구(나주, 구미)와 대조토양으로 일반농경지 2지구(안성, 화순)을 선정하여 10 m 간격으로 시료를 채취하여 프랙탈 차원해석을 통하여 표토의 화학성을 비교하였다. 그 결과로 유기물의 Fractal dimension(D0) 값은 화순(1.
대상 데이터
본 연구에 사용된 대조토양으로 경기도 안성시 공도면에 위치한 논 포장은 하성평탄지 토양으로 최근 10년 동안 객토나 적토를 하지 않은 토양으로 0-2%의 경사를 가지고 있으며 토양명은 석천통(coarse loamy, mixed, nonacid, mesic family of Fluvaquentic Endoaquetps)으로 분류된 토양이었다. 전라남도 화순군 도곡면에 위치한 논 포장은 곡간지 토양과 하성평탄지의 인접된 토양으로 지형적으로 하성평탄지(홍적토양)이며, 0-2%의 경사를 가지고 있으며 토양명은 극락통(fine, mixed, mesic family of Anthraquic Hapludalfs)으로 분류된 토양이다.
본 연구에서는 10 × 10 m 간격으로 전남 나주시 금천면 고동리에 위치한 표토층이 세립질, 준설토층이 조립질인 매립적토형 인위토양 농경지(100 × 50 m) 시료 50점, 경북 구미시 도개면 가산리에 위치한 표토층이 조립질이고 준설토층이 조립질인 매립적토형 인위토양 농경지(100 × 100 m) 시료 100점, 전남 화순군 도곡면 효산리에 위치한 세립질 논토양인 극락통(80 × 40 m) 시료 32점 및 경기도 안성시 공도읍 중복리에 위치한 조립질 논토양인 석천통(80 ×50 m) 40점을 채취하여 본 시험에 사용하였다.
전라남도 화순군 도곡면에 위치한 논 포장은 곡간지 토양과 하성평탄지의 인접된 토양으로 지형적으로 하성평탄지(홍적토양)이며, 0-2%의 경사를 가지고 있으며 토양명은 극락통(fine, mixed, mesic family of Anthraquic Hapludalfs)으로 분류된 토양이다. 전라남도 나주시 금천면 고동리에 위치한 논 포장은 표토를 약 60 cm 걷어낸후 약 2 m의 준설토를 적토한 뒤 원토양을 다시 위에 적토한 상태의 토양으로 상층부의 원토양은 토양구조가 파괴되고, 물리성 및 화학성이 교란된 상태였다. 구미시 도개면 가산리에 위치한 논 포장 역시 표토를 약 60 cm 걷어낸뒤 약 3 m의 강바닥 준설토를 적토한 후 원토양을 다시 위에 적토한 상태의 토양이었다.
데이터처리
화학성 분석은 농촌진흥청 토양 및 식물체분석법(NIAST, 2000)에 준하여 표토의 화학성분 중 pH, EC, 유기물, 유효인산(P2O5) 및 양이온(Ca, Mg, K)의 분석을 시행하였다. 이렇게 얻어진 각 특성별 정보의 해석을 위해 GS+프로그램(Robertson, 1998)을 이용하여 Fractal 분석을 수행하여 비교해석 하였다.
이론/모형
본 연구에서는 10 × 10 m 간격으로 전남 나주시 금천면 고동리에 위치한 표토층이 세립질, 준설토층이 조립질인 매립적토형 인위토양 농경지(100 × 50 m) 시료 50점, 경북 구미시 도개면 가산리에 위치한 표토층이 조립질이고 준설토층이 조립질인 매립적토형 인위토양 농경지(100 × 100 m) 시료 100점, 전남 화순군 도곡면 효산리에 위치한 세립질 논토양인 극락통(80 × 40 m) 시료 32점 및 경기도 안성시 공도읍 중복리에 위치한 조립질 논토양인 석천통(80 ×50 m) 40점을 채취하여 본 시험에 사용하였다. 화학성 분석은 농촌진흥청 토양 및 식물체분석법(NIAST, 2000)에 준하여 표토의 화학성분 중 pH, EC, 유기물, 유효인산(P2O5) 및 양이온(Ca, Mg, K)의 분석을 시행하였다. 이렇게 얻어진 각 특성별 정보의 해석을 위해 GS+프로그램(Robertson, 1998)을 이용하여 Fractal 분석을 수행하여 비교해석 하였다.
성능/효과
이와 같은 Fractal 차원해석을 도입하여 본 연구의 샘플 지점 4지점의 프랙탈분석 결과는 Table 2와 같았다. Fractal dimension(D0)값을 보면 pH가 일반 논토양인 화순 지역이 가장 낮은 1.65값을 보였으며 그 외에 나주, 안성, 구미 지역은 모두 1.91로 내우 낮은 균일도를 보여주어 일반토양인 화순지방이 pH분포의 균일성이 우수한 것으로 나타났다. 한편 같은 일반토양이었던 안성은 D0값이 1.
따라서 본 연구에서는 리모델링 농경지인 인위토양 2지구(나주, 구미)와 대조토양으로 일반농경지 2지구(안성, 화순)을 선정하여 10 m 간격으로 시료를 채취하여 프랙탈 차원해석을 통하여 표토의 화학성을 비교하였다. 그 결과로 유기물의 Fractal dimension(D0) 값은 화순(1.46), 나주(1.58)가 조립질 토양인 안성(1.86), 구미(1.96)보다 낮은 값을 보여 상대적으로 표토의 화학성이 균일한 결과를 보였으며, 토양 pH 역시 같은 경향이었다. 전반적으로 화학성 분포는 세립질 토양이 조립질 보다 균일한 특성을 보였으며, 리모델링 농경지와 일반토양과의 비교에서는 일반토양이 비교적 균일한 특성을 보여 인위토의 토양관리에 대한 대책이 요구되고 있음을 시사하였다.
프랙탈 차원 해석 결과 전반적으로 세립질 토양이 비교적 균일한 화학성 분포를 보이는 것으로 나타났으며, 일반 논토양과 비교시 리모델링 농경지가 비교적 불균일한 분포를 보이는 것으로 나타났다. 그리고 안성 포장의 경우는 전반적인 균일도는 낮았으나 90도의 세로방향은 pH, 유기물, 유효인산 함량이 모두 낮은 D0값을 보이는 방향성으로 보아 안성 포장의 특수성(물의흐름, 토양구조 등)이 있는 것으로 추측되었다. 따라서 본 연구를 통해 표면의 화학성 분포를 통한 프랙탈 차원해석을 실시함으로써 포장의 균일도 및 방향성을 해석하여 그 지역의 특징적 결과를 도출 할 수 있었으며, 프랙탈 차원해석의 응용분야는 매우 넓음을 감안하여 향후 여러 각도의 프랙탈 이론의 응용이 이루어진다면 기초학문 분야의 다각적 정보를 제공할 수 있을 것이라 생각되었다.
, 2010). 따라서 본 기술통계 값의 전체적인 정규분포는 일부 값을 제외하고 평균값(mean)이 중앙값(median)보다 큰 양의 부호를 갖는 음성왜도(negatively skewed)의 분포특성을 보여주고 있다.
한편 유효인산 함량을 보면 안성지역이 604 mg kg-1, 구미(478 mg kg-1), 화순(176 mg kg-1), 나주(78 mg kg-1) 순으로 낮았다. 매립 적토형 인위토양은 토양이 교란되어진 상태로 존재하며, 2008년 리모델링 사업 이후 상당기간 영농 활동을 하지 않아 유기물 함량이 낮은 특징을 보였으며, 유기물과 유효인산 함량 또한 일반토양에 비해 변이계수가 다소 높은 경향을 보였다. 한편, 왜도(skewness)와 첨도(kutosis)는 각각 뽀족한 정도와 기울어진 정도를 나타내는 값으로서 첨도의 값이 1이고, 왜도가 0이면 표준정규분포 형태가 되며, 첨도가 값이 크면 평균에서 상당히 높은 형태가 된다고 알려져 있으며, 왜도가 0보다 크면 오른쪽으로 기울어진 것이고, 0보다 작으면 왼쪽으로 기울어진 것을 의미 한다(Jung et al.
62값을 보여 안성포장의경우 방향성에 따른 D0의 편차가 컸다. 유기물 역시 화순이 가장 낮은 1.46이었고, 그 다음으로 나주(1.58) ＞ 안성(1.86) ＞ 구미(1.96)으로 순으로 나타나, 유기물의 포장 전체의 균일도는 세립질 토양이었던 화순과 나주 지방이 균일하게 분포하는 것으로 나타났으며, 반대로 조립질 토양에서 유기물의 분포가 균일하지 못한 것으로 분석되었다. 한편, 유효인산함량의 경우를 보면 경우가 달랐는데 구미지역이 1.
84) 순으로 나타났다. 프랙탈 차원 해석 결과 전반적으로 세립질 토양이 비교적 균일한 화학성 분포를 보이는 것으로 나타났으며, 일반 논토양과 비교시 리모델링 농경지가 비교적 불균일한 분포를 보이는 것으로 나타났다. 그리고 안성 포장의 경우는 전반적인 균일도는 낮았으나 90도의 세로방향은 pH, 유기물, 유효인산 함량이 모두 낮은 D0값을 보이는 방향성으로 보아 안성 포장의 특수성(물의흐름, 토양구조 등)이 있는 것으로 추측되었다.
후속연구
그리고 안성 포장의 경우는 전반적인 균일도는 낮았으나 90도의 세로방향은 pH, 유기물, 유효인산 함량이 모두 낮은 D0값을 보이는 방향성으로 보아 안성 포장의 특수성(물의흐름, 토양구조 등)이 있는 것으로 추측되었다. 따라서 본 연구를 통해 표면의 화학성 분포를 통한 프랙탈 차원해석을 실시함으로써 포장의 균일도 및 방향성을 해석하여 그 지역의 특징적 결과를 도출 할 수 있었으며, 프랙탈 차원해석의 응용분야는 매우 넓음을 감안하여 향후 여러 각도의 프랙탈 이론의 응용이 이루어진다면 기초학문 분야의 다각적 정보를 제공할 수 있을 것이라 생각되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
'인위토양'의 조건은 무엇인가?
인위토양은 자연토양 상태에서 토양 층위나 토양분류에 변화를 줄 수 있는 정도의 인위적 영향이 있는 경우를 말하며, 국내에서는 농업적인 목적으로 표토뿐만 아니라 심토까지 토양 형성 발달에 막대한 영향을 준 사례가 많다. 특히 4대강 사업에 의한 대규모 리모델링 농경지는 이러한 인위 토양들을 파생시키는 결과를 초래하였다.
본 연구에서 낸 인위토양과 일반 농경지의 프랙탈 차원해석을 통한 표토의 화학성의 비교 결과는 무엇인가?
따라서 본 연구에서는 리모델링 농경지인 인위토양 2지구(나주, 구미)와 대조토양으로 일반농경지 2지구(안성, 화순)을 선정하여 10 m 간격으로 시료를 채취하여 프랙탈 차원해석을 통하여 표토의 화학성을 비교하였다. 그 결과로 유기물의 Fractal dimension(D0) 값은 화순(1.46), 나주(1.58)가 조립질 토양인 안성(1.86), 구미(1.96)보다 낮은 값을 보여 상대적으로 표토의 화학성이 균일한 결과를 보였으며, 토양 pH 역시 같은 경향이었다. 전반적으로 화학성 분포는 세립질 토양이 조립질 보다 균일한 특성을 보였으며, 리모델링 농경지와 일반토양과의 비교에서는 일반토양이 비교적 균일한 특성을 보여 인위토의 토양관리에 대한 대책이 요구되고 있음을 시사하였다.
프랙탈 차원을 구하는 주된 방법은 어떤 것들이 있는가?
프랙탈 차원을 구하는 방법은 다양하게 존재하지만 주로 박스카운트 차원(box count dimension), 용적차원(capacity dimension), 상관차원(correlation dimension)이 비교적 간단한 계산 방법으로 많이 사용된다(Larry and Tibor, 1989; Theiler, 1987). 박스 카운트 계산법은 평면상에 존재하는 점이나 곡선 또는 형상을 크기가 e인 격자 N(e)개로 전체를 포함하였다고 하면, 크기 e가 작아질수록 개수 1/e는 늘어나게 되며 그 관계는 다음 Eq.
참고문헌 (16)
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