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문제 정의
- 그러나 우리나라에서는 이런 토양수분 측정 센서를 통한 연구가 일반화되어 있지 않은 현실이며 이들 센서에 대한 이해도 부족한 형편이라 할 수 있을 것이다. 따라서 본 논문에서는 주로 이용되고 있는 두 종류(TDR, FDR)의 토양수분 센서의 정확성을 검정해 토양 수분 측정에 어느 정도 이용할 수 있는지를 살펴보고자 했다.
제안 방법
- 전압펄스 신호를 사용한다. Topp 등(1980)에 의한 TDR의 유전율과 토양 수분 함량 간의 관계가 3차식으로 표현된 것을 감안해 센서로 측정한 값과 코어로 실측한 값 사이의 관계를 Fig. 3의 좌측 그림과 같이 3차로 분석을 해보고 일반적인 직선 관계로 분석을 해보았다. 그 결과를 살펴보면 실린더 형 TDR 센서인 TRIMEe 3차식의 관계에서는 결정계수(R2)가 0.
- 시험구는 가로세로 2mX2m의 크기로 구성하되 포화된 수분함량을 측정하기 위한 습윤 구역과 건조상태의 토양 수분 함량 측정을 위한 건조구역으로 구분해 동일한 센서를 토양에 매설하고 측정을 실시했다. 습윤 구역을 만들기 위해 하루 동안 숩윤 구역으로 구분된 장소에 물을 계속 공급해 충분히 젖은 상태를 유지하도록 했고, 건조구역은 실험이 있기 전부터 건조되도록 했다. 토양 수분 함량의 측정은 센서를 이용해 토양용적수분함량을 먼저 측정하고 그 이후에 토양용적 수분 함량 측정용 코어를 이용해 센서로 측정한 부위의 주변을 3반복으로 시료를 채취하고 (Fig.
- 토성은 본량사양토였다. 시험구는 가로세로 2mX2m의 크기로 구성하되 포화된 수분함량을 측정하기 위한 습윤 구역과 건조상태의 토양 수분 함량 측정을 위한 건조구역으로 구분해 동일한 센서를 토양에 매설하고 측정을 실시했다. 습윤 구역을 만들기 위해 하루 동안 숩윤 구역으로 구분된 장소에 물을 계속 공급해 충분히 젖은 상태를 유지하도록 했고, 건조구역은 실험이 있기 전부터 건조되도록 했다.
- 습윤 구역을 만들기 위해 하루 동안 숩윤 구역으로 구분된 장소에 물을 계속 공급해 충분히 젖은 상태를 유지하도록 했고, 건조구역은 실험이 있기 전부터 건조되도록 했다. 토양 수분 함량의 측정은 센서를 이용해 토양용적수분함량을 먼저 측정하고 그 이후에 토양용적 수분 함량 측정용 코어를 이용해 센서로 측정한 부위의 주변을 3반복으로 시료를 채취하고 (Fig. 2) 채취한 토양을 평량해 건조기에 넣고 건조시킨 후 수분 함량을 산출했다.
대상 데이터
- 세 개의 탐침(rod)이 달려 있는 형태이다. PR-1 으로 측정한 수분 함량과 코어로 측정한 수분함량을 비교한 결과 PR-1의 측정 자료는 다른 센서들과는 달리 습윤지역과 건조지역에서의 수분함량 차이가 별로 없어 센서 자체의 정확성에 의심이 가는 결과를 얻어 다른 센서들이 측정 자료 수가 30이었던 것과는 달리 10개의 측정자료로 분석을 실시했다. 결과적으로 PR-1은 실제 토양수분 함량에 비해 대략 1%부터 15%까지의 범위로 오차를 나타냈으며 전체적으로는 수분함량을 과다 추정하는 결과를 보였다.
- 가격이 비싼 것으로 알려진 TDR(Time Domain Reflectometry) 형태의 센서가 2종이었으며, 나머지 5종은 FDR(Frequency Domain Reflectometry) 형태의 센서 였다. TDR 센서는 Soihnoisture(USA)에서 제작한 MiniTrase와 Imko(German)의 TRIME이고, FDR 은 Sentek(Australia)에서 개발한 EasyAG, EnviroSCAN과 Delta-T(England)에서 제작한 PRT과 WET-2 및 Decagon(USA)에서 제작한 ECH2O 센서였다. Trime과 EasyAG, EnviroSCAN 및 PRTe 실린더 형태의 토양 수분센서로 access 튜브를 토양 내에 묻어놓고 깊이별로 측정하도록 제작된 센서이고, MiniTrase와 WET-2는 rod 형태의 토양 수분 센서로 rod를 토양 내로 삽입해 측정된 값을 사용하는 센서이다.
- 본 실험을 수행하기 위해 경기도 수원시 농업과학기술원의 구내 포장을 이용했으며, 토성은 본량사양토였다. 시험구는 가로세로 2mX2m의 크기로 구성하되 포화된 수분함량을 측정하기 위한 습윤 구역과 건조상태의 토양 수분 함량 측정을 위한 건조구역으로 구분해 동일한 센서를 토양에 매설하고 측정을 실시했다.
- 토양수분 함량 측정 정도를 파악하는 본 시험에 사용된 토양 수분 센서는 7종의 센서를 선택해 실험에 이용했다. 가격이 비싼 것으로 알려진 TDR(Time Domain Reflectometry) 형태의 센서가 2종이었으며, 나머지 5종은 FDR(Frequency Domain Reflectometry) 형태의 센서 였다.
성능/효과
- 1%의 오차를 나타내고 있음을 알 수 있다. EnviroSCANe SF로 수분 함량을 나타내는 것보다는 직접 측정한 토양 수분 함량으로 나타내는 것이 결정 계수 값을 더 높였고 표준오차도 약 2.6%로 0.16% 작게 나타났다.
- 이것은 다른 수분측정 센서들과는 달리 측정에 소요되는 장치들이 많은데 multiplexer가 반드시 있어야 한다. MiniTrase로 측정한 수분함량과 코어로 측정한 수분 함량을 비교해본 결과 결정 계수는 0.9637이었고 표준오차는 0.01로 측정값과 1%의 오차를 나타내 측정 대상 센서 중에서 가장 좋은 결과를 보였다. 또한 통계적으로 고도의 유의성이 있었다 (Fig.
- 그러나, 본 시험에서는 수분함량 위주로 측정 결과를 비교했으므로 온도와 EC에 대해서는 따로 검증 실험이 필요할 것이다. WET-2로 측정한 수분 함량과 코어로 측정한 수분 함량을 직접 비교한 결과 결정 계수는 0.932 였고 표준오차는 0.013으로 측정값과의 오차가 약 1.3%를 나타냈으며 고도의 유의성을 보였다. 그러나, 건조한 상태에서는 측정값이 다소 과소평가되는 경향이었다.
- 선택해 실험에 이용했다. 가격이 비싼 것으로 알려진 TDR(Time Domain Reflectometry) 형태의 센서가 2종이었으며, 나머지 5종은 FDR(Frequency Domain Reflectometry) 형태의 센서 였다. TDR 센서는 Soihnoisture(USA)에서 제작한 MiniTrase와 Imko(German)의 TRIME이고, FDR 은 Sentek(Australia)에서 개발한 EasyAG, EnviroSCAN과 Delta-T(England)에서 제작한 PRT과 WET-2 및 Decagon(USA)에서 제작한 ECH2O 센서였다.
- PR-1 으로 측정한 수분 함량과 코어로 측정한 수분함량을 비교한 결과 PR-1의 측정 자료는 다른 센서들과는 달리 습윤지역과 건조지역에서의 수분함량 차이가 별로 없어 센서 자체의 정확성에 의심이 가는 결과를 얻어 다른 센서들이 측정 자료 수가 30이었던 것과는 달리 10개의 측정자료로 분석을 실시했다. 결과적으로 PR-1은 실제 토양수분 함량에 비해 대략 1%부터 15%까지의 범위로 오차를 나타냈으며 전체적으로는 수분함량을 과다 추정하는 결과를 보였다. WET-2는 토양 수분 함량, 온도, EC를 측정할 수 있는 센서로 측정 센서와 측정값을 보여주는 장치로 구성되어 있다.
- 결과적으로 토양의 용적수분 함량을 측정하는 7종의 센서를 코어를 이용한 토양의 용적 수분함량과 직접 비교를 통해 수분 함량 측정에 사용할 만한 센서를 검증하고자 한 결과 탐침 형태 TDR인 Mini-Trase와 탐침 형태 FDR인 WET-2가 비교적 좋은 측정 결과를 보여주었고 토양단면을 깊이별로 측정하는 EasyAG, EnviroSCAN도 토양의 깊이마다 측정하는 편리성을 참고할 때 토양수분 함량 센서로 이용 가능하다는 결론을 얻을 수 있었다. Access 튜브 내로 센서를 삽입시켜 토양단면의 수분 함량을 측정할 수 있는 TDR의 일종인 TRIME는 우리나라 조건에서는 약간의 개선이 필요하다고 판단되었으며 PR-1과 ECH2O는 우리나라 환경에서 측정을 하기 위해서는 새로운 방법이 모색되어야 할 것이라고 판단할 수 있었다.
- 3의 좌측 그림과 같이 3차로 분석을 해보고 일반적인 직선 관계로 분석을 해보았다. 그 결과를 살펴보면 실린더 형 TDR 센서인 TRIMEe 3차식의 관계에서는 결정계수(R2)가 0.7794이며 표준오차 (SE)가 0.0242(m3.m-3)로 측정값과 약 2.4%의 오차가 있음을 보여주고 있으며, 1차선형식의 관계에서는 결정계수(R2)가 0.7617이며 표준오차(SE)가 0.0254(m3.m-3)로 측정값과 약 2.5%의 오차가 있음을 보여주고 있다. 두 개의 경우 모두 p가 0.
- 주파수를 가진다. 본 시험을 통해 ECH2O로 측정한 수분 함량을 코어로 측정한 수분함량과 비교하고자 하였으나 센서로 측정한 값이 토양 수분 함량이 유사하다고 판단되는 비슷한 위치에서 반복적으로 측정할 때마다 전혀 다른 값으로 읽혀져 코어로 측정한 수분 함량과 비교를 할 수 없었다.
후속연구
- 센서로 이용 가능하다는 결론을 얻을 수 있었다. Access 튜브 내로 센서를 삽입시켜 토양단면의 수분 함량을 측정할 수 있는 TDR의 일종인 TRIME는 우리나라 조건에서는 약간의 개선이 필요하다고 판단되었으며 PR-1과 ECH2O는 우리나라 환경에서 측정을 하기 위해서는 새로운 방법이 모색되어야 할 것이라고 판단할 수 있었다.
- 주파수는 20MHz의 신호를 만들어내고 측정범위는 수분 함량이 80%, 온도는 40℃, EC는 6 ds・m-1까지 측정할 수 있다. 그러나, 본 시험에서는 수분함량 위주로 측정 결과를 비교했으므로 온도와 EC에 대해서는 따로 검증 실험이 필요할 것이다. WET-2로 측정한 수분 함량과 코어로 측정한 수분 함량을 직접 비교한 결과 결정 계수는 0.
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