[논문]노지 스마트팜 구축을 위한 적정 관개기술 연구 사례 - 센싱 및 모델링을 통한 적정 토양수분관리 -

김민영; 최용훈

문제 정의

재배작물 및 지역특성에 따라 두둑의 형태가 다르고, 피복재를 사용함에 따라 토양 내 물이 어떻게 이동하는지 정확하게 구현할 수 있는 모델은 국내·외 어디서도 찾아볼 수 없다. 따라서 본 연구에서는 노지재배 작물을 대상으로 해서 국내의 재배환경을 반영하여 더 정확한 토양수분예측 및 관개계획모델을 개발하고자 하였다.
이러한 과학적인 방법에 IT기술을 결합한 스마트 농업시스템이 시설원예와 축산분야를 중심으로 많이 진행되고 있으나, 아직 노지 물관리에 대한 기술개발은 미흡한 실정이다. 따라서 본 호에서는 농촌진흥청 국립농업과학원에서 수행한 노지 작물재배를 위한 스마트 물관리 기술과 관련한 연구사례를 소개하고자 한다.
일반적으로 경사지를 제외한 평지의 경우 밭 포장 가운데 위치가 토양의 평균특성을 가진다고 가정하고 그 지점에 센서를 설치한다. 본 연구에서는 토양수분변이를 고려하지 않는 일반화된 측정방법이 가질 수 있는 문제점을 살펴보고, 적정 관개계획을 위한 공간변이분석의 중요성에 대해서 논의하고자 한다.

가설 설정

또한 한정된 수량으로 밭의 토양수분을 대표할 수 있는 최적화된 위치에 설치하기란 쉽지 않다. 일반적으로 경사지를 제외한 평지의 경우 밭 포장 가운데 위치가 토양의 평균특성을 가진다고 가정하고 그 지점에 센서를 설치한다. 본 연구에서는 토양수분변이를 고려하지 않는 일반화된 측정방법이 가질 수 있는 문제점을 살펴보고, 적정 관개계획을 위한 공간변이분석의 중요성에 대해서 논의하고자 한다.

제안 방법

2) 한 개의 휴대형 토양수분센서를 이용해서 주 1회 간격(총 7회)으로 밭 포장을 8 m × 10 m 간격의 격자형 지점의 표토 아래 10 cm 부분을 측정하였다.
본 연구에서 개발된 노지 블루베리 스마트 관개시스템은 기본적으로 CDMA 무선통신을 이용하여 데이터를 송수신하며, 전자밸브, 무접점 릴레이 등을 사용하여 제어알고리즘에 따라 펌프를 On/Off 시키게 된다. 뿐만 아니라, 관개이력과 관련된 데이터를 분석하여 향후 작물에 필요한 관개 요구량을 예측하여, 필요한 용수량을 자동으로 확보하는 기능을 추가하였다.
전북 정읍시과 고창군에 위치한 농장을 대상으로, 지난 2년간(2014년~2015년) 블루베리 재배토양의 수분함량을 두 가지 타입의 센서(고정식, 이동식)를 이용하여 측정하고, 토양수분함량 변화에 따른 블루베리 수확량과 품질을 분석하여 적정 관개기준(최저·최고수분량, 관개시기, 관개량 등)을 설정하였다. 뿐만 아니라 블루베리 재배용 상토 내 물의 이동특성을 분석하여 적정 관개패턴을 결정하였다. 이러한 연구를 통해 얻어진 결과들은 관개시스템 운영을 위한 제어알고리즘 개발에 활용하였다.
본 연구에서 개발된 노지 블루베리 스마트 관개시스템은 기본적으로 CDMA 무선통신을 이용하여 데이터를 송수신하며, 전자밸브, 무접점 릴레이 등을 사용하여 제어알고리즘에 따라 펌프를 On/Off 시키게 된다. 뿐만 아니라, 관개이력과 관련된 데이터를 분석하여 향후 작물에 필요한 관개 요구량을 예측하여, 필요한 용수량을 자동으로 확보하는 기능을 추가하였다.
전북 정읍시과 고창군에 위치한 농장을 대상으로, 지난 2년간(2014년~2015년) 블루베리 재배토양의 수분함량을 두 가지 타입의 센서(고정식, 이동식)를 이용하여 측정하고, 토양수분함량 변화에 따른 블루베리 수확량과 품질을 분석하여 적정 관개기준(최저·최고수분량, 관개시기, 관개량 등)을 설정하였다.

이론/모형

Excel 기반의 농경지 물 및 질소수지를 예측하는 모델(Assessment Program for Korean Agricultural Environment, APKAN)은 이러한 농업현장의 문제를 해결하기 위해 만들어졌다(서명철 등, 2012). 기상청의 실시간 자료와 농촌진흥청의 흙토람 토양데이터를 기본적인 자료로 사용하며, 모델 내 증발산량 계산에는 FAO의 Penman-Monteith 방식을 이용한다. 작토층 내 작물이 유용할 수 있는 수분함량(∆S)을 물수지 방정식을 통해 계산하며(그림 3), 토양 내 물의 이동뿐만 아니라 질소 수지를 분석하는 기능까지 포함하고 있어 이를 활용한 시비관리도 가능하다.

성능/효과

개발된 시스템을 농가현장에 적용하여 성능평가를 실시한 결과 농업용수가 31.0% 절약되고, 관개소요 노동력이 95.0% 절감되는 것으로 나타났다. 또한 블루베리 수확량은 34.
밭 포장 내 고정센서를 이용해서 연속적으로 측정한 자료를 보면, 그림 2에서 보는 바와 같이 3차 측정시기인 9월 30일에 토양수분값이 최소로 나타났으며, 이후 7차(10월 21일), 1차(9월 16일), 6차(10월 12일), 2차(9월 23일), 5차(10월 8일), 4차(10월 2일) 순서로 높은 값을 보였다. 그러나 격자형으로 토양수분함량을 측정하고, 통계학적 공간보간기법인 크리깅(Kriging) 방법을 적용한 결과를 보게 되면 7차 측정한 값이 가장 낮은 것으로 나타났다. 본 연구결과는 하나의 지점(고정식 센서)을 선정하여 획득한 값은 해당 밭의 토양수분을 대표하기에는 부족하며, 토양수분함량의 시공간 분석을 통해서 그 변화를 시각적으로 확인하고 반영하여야만 적정 관개계획을 수립할 수 있다는 사실을 뒷받침 해준다.
0% 절감되는 것으로 나타났다. 또한 블루베리 수확량은 34.0% 증가되었고, 과경은 8.7% 증가하였으며, 과중은 25.4%가 증가하는 등 전반적으로 생산성이 크게 향상되었다. 시기별 적정 수분관리를 통해 경도는 3.
그러나 격자형으로 토양수분함량을 측정하고, 통계학적 공간보간기법인 크리깅(Kriging) 방법을 적용한 결과를 보게 되면 7차 측정한 값이 가장 낮은 것으로 나타났다. 본 연구결과는 하나의 지점(고정식 센서)을 선정하여 획득한 값은 해당 밭의 토양수분을 대표하기에는 부족하며, 토양수분함량의 시공간 분석을 통해서 그 변화를 시각적으로 확인하고 반영하여야만 적정 관개계획을 수립할 수 있다는 사실을 뒷받침 해준다.
4%가 증가하는 등 전반적으로 생산성이 크게 향상되었다. 시기별 적정 수분관리를 통해 경도는 3.6% 증가하였고, 생리적 낙과율도 10.4% 저감되었다.
실측 데이터와 APKAN 모의 결과를 비교하면 가을배추 밭의 일별 백분율 오차(percent error)는 –20.3%∼22.1%의 범위이며, 오차제곱합(Sum of Squares error)이 672.07로 나타났다.

후속연구

토양 및 기상자료를 기반으로 한 본 개발시스템은 향후 작물의 수분스트레스까지 고려한 종합적인 스마트 관개시스템으로 기능을 확대할 예정이다. 또한 블루베리뿐만 아니라 다른 과수 및 채소, 식량작물에까지 본 개발시스템을 적용해서 성능을 평가할 예정이다.
본 연구는 향후 다양한 형태의 두둑과 비닐피복을 한 포장을 대상으로 많은 실증시험을 하고, 획득한 자료를 바탕으로 기존의 APKAN모델을 보완할 예정이다. 뿐만 아니라 기존에 농업인이 직접 입력해야 하는 기상 및 위치정보를 지리정보시스템(GIS)을 이용해 데이터베이스화 시켜, 농업인이 밭 포장 주소만 입력하면 위치, 지형, 기상, 토양정보 등 모델 구동에 필요한 모든 입력정보를 자동으로 연계하여 적정 관개계획에 필요한 관개시기, 관개량 등의 정보를 제공하는 웹(web) 기반의 관개계획모델을 개발할 예정이다.
본 연구는 향후 다양한 형태의 두둑과 비닐피복을 한 포장을 대상으로 많은 실증시험을 하고, 획득한 자료를 바탕으로 기존의 APKAN모델을 보완할 예정이다. 뿐만 아니라 기존에 농업인이 직접 입력해야 하는 기상 및 위치정보를 지리정보시스템(GIS)을 이용해 데이터베이스화 시켜, 농업인이 밭 포장 주소만 입력하면 위치, 지형, 기상, 토양정보 등 모델 구동에 필요한 모든 입력정보를 자동으로 연계하여 적정 관개계획에 필요한 관개시기, 관개량 등의 정보를 제공하는 웹(web) 기반의 관개계획모델을 개발할 예정이다.
노지 재배 작물의 생산측면에서 물관리는 작물생육에 있어 가장 중요한 요소이자, 현장에서 농민들이 어려워하는 작업 중 하나이다. 시시각각 변화하고 제어가 불가능한 외기환경에서 작물생육에 적합한 물관리를 스마트화 함으로써, 수확 및 품질을 향상시키고, 농업용수를 절약하며, 영농편이성을 향상시켜 노동 부담을 줄이는 등 경쟁력 있는 농업·농촌의 토대를 마련하는 데 기여할 것으로 사료된다.
토양 및 기상자료를 기반으로 한 본 개발시스템은 향후 작물의 수분스트레스까지 고려한 종합적인 스마트 관개시스템으로 기능을 확대할 예정이다. 또한 블루베리뿐만 아니라 다른 과수 및 채소, 식량작물에까지 본 개발시스템을 적용해서 성능을 평가할 예정이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	토양의 특징은?	토양은 매우 불균일한 상태로 존재하기 때문에 동일한 구획의 밭에서도 위치에 따라 토성, 공극율, 보수력, 침투율, 유기물 함량, 온도, pH, EC 등 토양의 물리·이화학적 특성이 서로 다르다. 토양에서 수분의 이동은 다양한 토양 특성의 영향을 받으며, 이에 따라 요구되는 관개량도 변화한다.
	스마트 농업이란?	요즘 화두가 되고 있는 스마트 농업이란 노동집약적이고, 전통적인 생산방식에서 벗어나 정보통신기술, 생명공학기술, 나노기술 등 첨단기술과의 융합을 통해 고품질 농산물을 생산하고, 영농편리성을 증대하며, 더 나아가 환경오염을 최소화하는 방법이다. 시‧공간의 제약 없이 언제 어디서나 작물 생장을 관측하고, 필요한 제어를 할 수 있어야 할 뿐만 아니라, 현장에서 수집되는 데이터를 바탕으로 최적의 작물 생육환경을 구축하는 일련의 과정을 포함한다.
	스마트 농업을 실현하기 위한 조건은?	요즘 화두가 되고 있는 스마트 농업이란 노동집약적이고, 전통적인 생산방식에서 벗어나 정보통신기술, 생명공학기술, 나노기술 등 첨단기술과의 융합을 통해 고품질 농산물을 생산하고, 영농편리성을 증대하며, 더 나아가 환경오염을 최소화하는 방법이다. 시‧공간의 제약 없이 언제 어디서나 작물 생장을 관측하고, 필요한 제어를 할 수 있어야 할 뿐만 아니라, 현장에서 수집되는 데이터를 바탕으로 최적의 작물 생육환경을 구축하는 일련의 과정을 포함한다.

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