초록 ▼

본 연구의 목적달성을 위하여 먼저 오이와 토마토의 다양한 생육장해를 대상으로 기존의 식물 생체정보 수집용 측정기와 분광분석기를 사용한 실험을 통하여 연구대상 생육장해의 진단가능성 수준을 파악하였다. 그리고 결과의 활용을 위하여 농촌의 작물 재배현장에서 장해진단에 사용할 수 있는 측정기를 선발하고, 실험으로부터 얻은 결과와 관행의 장해진단 기술을 종합하여 작물 재배현장에서 생육장해를 진단하는 전문가 시스템을 개발한 다음, 개발한 장해진 단 전문가 시스템에 의한 진단 정확도를 분석하였다. 이러한 연구의 구체적 추진 내용은 다음과 같다.

본 연구의 목적달성을 위하여 먼저 오이와 토마토의 다양한 생육장해를 대상으로 기존의 식물 생체정보 수집용 측정기와 분광분석기를 사용한 실험을 통하여 연구대상 생육장해의 진단가능성 수준을 파악하였다. 그리고 결과의 활용을 위하여 농촌의 작물 재배현장에서 장해진단에 사용할 수 있는 측정기를 선발하고, 실험으로부터 얻은 결과와 관행의 장해진단 기술을 종합하여 작물 재배현장에서 생육장해를 진단하는 전문가 시스템을 개발한 다음, 개발한 장해진 단 전문가 시스템에 의한 진단 정확도를 분석하였다. 이러한 연구의 구체적 추진 내용은 다음과 같다.
연구 대상으로 한 생육장해는, 겨울철 플라스틱온실이나 유리 온실 내에서 재배하는 오이와 토마토의 기본적인 생육장해로서 영양장해인 N, P, Ca 결핍과 환경장해로서 저광, 저온, 염류농도의 3 가지 장해였다.
장해 진단에 사용한 측정기는 기본적으로 식물의 비파괴형 생체 (in-vivo) 측정기를 이용하여 지금까지 소개된 다양한 측정기의 원리와 특성을 조사한 다음, 장해 진단에 이용가능성이 높은 식물체 단엽 측정용 기기와 군락 측정용 기기를 선택하여 장해진단 기능을 오이와 토마토에 대하여 실험하였다.
오이 실험에서는 먼저 식물체 단엽과 군락 생체정보간의 상관관계를 찾은 다음, 장해의 진단가능성올 확인하는 실험과 오이의 주요 생육장해의 진단 가능성을 정량화하기 위하여 반복적으로 실험을 수행하였다. 모든 실험은 양액 재배 오이를 대상으로 엽록소측정기, 엽온측정기, 엽록소형광측정기, 분광분석기를 사용하여 수행하였다.
오이의 단엽과 군락 생체정보간의 상관관계를 조사한 결과, 생육장해 진단에 있어 인접한 주로부터 차광의 영향을 받지 않도록 설계된 포트 재배 실험 결과를 차광의 영향을 받는 군락 재배 토마토에 적용할 수 있음을 확인하였다. 오이장해의 진단 가능성을 파악하는 실험 결과, 실험한 생육장해의 진단가능성과 최초진단가능일은 생육장해 종류와 사용기기에 따라 차이가 크며 동일한 생육장해와 사용기기에 있어서도 실험시기에 따라 차이가 있음을 알 수 있었다. 그리고 오이 잎 반사광의 분광분석방법은 전술한 3 가지 측정기와 더불어 오이의 장해진단에 상당히 효과적인 것으로 판단되었다.
오이의 각 생육장해에 대한 각 측정기의 진단가능성을 정량화 하기 위한 반복실험으로 오이의 주요 생육장해 진단의 가능성과 최초진단가능일을 파악하였고, 이 자료는 설증실험을 통하여 그 신뢰도를 확인하였다. 이 자료는 오이의 생육장해 유무를 확인하거나 또는 미지의 오이의 생육장해가 발생하였을 경우측정기의 측정 자료를 체계적으로 검토하여 그 장해를 추적하는 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 판단하였다.
토마토를 대상으로 한 실험은 오이와 동열하게 단엽과 군락 생체정보간의 상관관계를 찾는 실험과 단엽 정보에 의한 장해 진단용 자료수집올 위한 실험으로 구분하여 수행하였다. 단엽과 군락 생체정보간의 상관관계 실험 결과, 토마토 생육장해 진단에 있어 포트 재배 실험 결과를 군락 재배 토마토에 적용할 수 있음을 확인하였다. 그리고 단엽 측정용 계측기(엽록소측정기, 엽온측정기, 엽록소형광측정기, 기공저항측정기, 분광분석기)와 군락 측정용 계측기(다파장복사계와 군락분석기)의 토마토 장해진단 능력을 비교 실험한 결과, 단엽 측정용 계측기 중 분광분석기의 장해진단능력은 군락측정용 계측기의 진단능력과 매우 높은 상관관계를 보였으며 따라서 분광분석기에 의해 단엽으로부터 수집한 생체정보는 군락용 기기를 대신할 수 있을 것으로 예상되었고, 토마토의 단엽 생체정보는 군락 생체정보를 대신할 수 있는 것으로 판단되었다.
토마토의 장해 진단용 자료수집을 위한 반복실험 결과, 오이와 마찬가지로 토마토의 주요 생육장해 진단의 가능성과 최초 진단가능일올 파악하였다. 이 자료는 실증실험을 통하여 신뢰도를 확인하였다. 이 자료는 또한 토마토의 생육장해 유무를 확인하거나 또는 미지의 토마토 생육장해가 발생하였을 경우 측정기의 측정 자료를 체계적으로 검토하여 장해를 추적하는 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 판단하였다.
이상의 실험자료를 작물 재배 현장에서 활용할 수 있도록 농민이 용이하게 사용 가능한 측정기를 선발하였는데, 이는 엽록소측정기와 엽온측정기였다. 그리고 농업 전문기관에 대해서는 이 측정기 외에 소형의 분광분석기(또는 다파장복사계)의 사용을 추천하였다.
오이와 토마토의 실험으로부터 얻은 장해진단 기초자료를 활용하여 농촌의 작물 재배 현장에서 생육장해 여부를 판단하거나 장해가 있는 것으로 판단되었을 경우 그 원인올 추적하는 방법을 구하였다. 본 연구에서는 이러한 장해진단 방법의 용이한 사용을 위하여 본 연구에서 구한 진단방법올 인공지능의 한 분야인 전문가 시스템(Expert System) 에 접목하였다. 이 전문가 시스템은 본 연구의 실험으로부터 얻은 자료 뿐 만 아니라 오이나 토마토의 질병을 포함한 다양한 생육장해의 관행 진단법을 이 전문가 시스템의 데이터 베이스로 구성함으로서 본 연구에서 취급하지 않은 생육장해도 진단할 수 있도록 개발 하였다.
본 연구의 실험 결과를 관행 장해진단 기술에 접목하여 개발한 전문가 시스템의 진단 정확도의 개선 정도를 전문가 시스템의 출력 확신도로 평가한 결과, 오이의 N, P, Ca 결핍 장해 진단 정확도의 수준은 개략적으로 각각 10 - 30%, 5 - 10%, 50 - 200%, 토마토의 경우는 각각 o - 20%, 0 - 20%, 10 - 40% 향상된 것 으로 나타났다.
본 연구결과의 주요한 한가지 한계는, 모든 실험에서 한가지 인자만올 처리하는 방법으로 생육장해 실험올 수행하였다는 점올 들 수 있다. 한가지 인자만을 처리하여 생육장해를 부여하는 것 보다 2 가지 이상의 인자를 처리하여 생육장해를 부여할 경우 길항작용(antagonism), 상조작용(synergism) 또는 상호작용(interaction) 등에 의해 그 장해의 특성은 한가지 인자만올 처리한 경우로부터 유추한 결과와 상당히 다를 것으로 판단된다.
본 연구와 관련하여 부언하고자 하는 것은, 본 연구 수행방법과 같이 모든 실험에서 약 15 - 20 일간의 실험기간으로서는 오이와 토마토의 생육장해에 대한 적응과 순화과정을 관찰하기에 부족하였다는 점을 들 수 있다. 물론 약 15 - 20 일간의 실험 기간은 본 연구에서 추구하고 있는 오이나 토마토 생육장해의 진단 목적에는 충분한 기간이었으나, 각 실험에서 그 기간이 더 길었다면 오이나 토마토에 생육장해가 발생하였을 경우 적응(adaptation) 과 순화(acclimatiza-tion) 과정 등도 관찰할 수 있고 최종적으로는 수확량과의 관계도 파악할 수 있을 것으로 고려되며 추후에 해결되어야 할 과제이다.

Abstract ▼

When plants show visible symptoms of physiological disorders induced by biotic or abiotic stresses during their growth, it is considered that the damage occurred is already too advanced to recover the normal metabolism. Therefore, bio-informations obtained from agricultural plants grown in the field

When plants show visible symptoms of physiological disorders induced by biotic or abiotic stresses during their growth, it is considered that the damage occurred is already too advanced to recover the normal metabolism. Therefore, bio-informations obtained from agricultural plants grown in the field require rapid as well as accurate way of diagnosing any abnormality of the plants, which can be done only by experienced and well-trained people. Especially, densely-planted cucumber and tomato plants in plastic house during winter are likely to be exposed to various environmental stresses and it is very important to diagnose such stresses well before their development on the plants. However, diagnosing the causes of physiological disorders is not easy task and much experiences and professional know ledges are required. We understand that most of the farmers feel the necessity of having such an experts to consult.
The present study, therefore, was designed to develop the methods to accurately diagnose the causes of physiological disorders in cucumber and tomato plants with the physiological instruments already commercially developed. In addition, we tried to develop expert system by combining our diagnostic methods with existing diagnostic techniques used by expert. To achieve our goal, existing instruments measuring the physiological parameters of cucumber and tomato plants, and spectrophotometer were used to find out the possibilities of detecting the levels of physiological disorders in both species. We tried to select the convenient instruments that can be used in the field to detect the physiological disorders and to develop expert system by combining our experimental results with existing diagnostic methods. Finally the justification of such an expert system was tested.

목차 Contents

• 표지 ...1
• 제출문 ...2
• 요약문...3
• SUMMARY ...8
• CONTENTS ...12
• 목차 ...17
• 제1장 서 론 ...22
• 제1절 연구의 필요성 ...22
• 제2절 연구 목표 ...25
• 제3절 연구 추진 내용 ...26
• 제2장 생육장해 진단의 기본 논리 ...29
• 제1절 생육장해의 개념 정립 ...29
• 제2절 영양장해 진단의 중요성 ...31
• 제3절 환경장해 진단의 중요성 ...33
• 제3장 생체정보 수집관련 기술 ...38
• 제1절 생체계측 기술 개요 ...38
• 제2절 사용 측정기의 측정 원리와 특성 ...40
• 1. 엽록소측정기 ...41
• 2. 엽온측정기 ...42
• 3. 엽록소형광측정기 ...43
• 4. 기공저항(-증산량)측정기 ...47
• 5. 분광분석기 ...50
• 가. 반사 또는 흡수를 이용한 생육장해 분석 연구 ...56
• 나. 분광분석정보를 분석하는 방법 ...59
• 6. 식물체액유량계 ...60
• 7. 다파장복사계 ...63
• 8. 군락분석기 ...64
• 제3절 오이와 토마토 생육장해 진단을 위한 생리적인 계측기의 사용과 문제점 ...68
• 제4장 오이의 생체정보 수집실험 ...72
• 제1절 생체정보 수집을 위한 단엽의 위치 결정실험 ...72
• 1. 목 적 ...72
• 2. 재료 및 방법 ...72
• 3. 실험 결과 및 고찰 ...74
• 4. 적 요 ...75
• 제2절 단엽의 생체정보 수집시간 결정실험 ...78
• 1. 목 적 ...78
• 2. 재료 및 방법 ...78
• 3. 결과 및 고찰 ...79
• 4. 결 론 ...82
• 제3절 단엽과 군락 생체정보간의 상관관계 실험 ...82
• 1. 목 적 ...82
• 2. 재료 및 방법 ...83
• 가. 포트와 군락 재배 오이의 단엽 측정치 비교실험 ...83
• 나. 단엽 생체정보에 의한 군락 특성 파악 가능성 실험 ...84
• 3. 결과 및 고찰 ...85
• 가. 포트와 군락 재배 오이의 단엽 측정치 비교실험 ...85
• 나. 단엽 생체정보에 의한 군락 특성 파악 가능성 실험 ...87
• 4. 결 론 ...97
• 제4절 단엽 정보에 의한 장해 진단용 자료수집 실험 ...97
• 1. 목 적 ...97
• 2. 재료 및 방법 ...98
• 가. 실험 재료 ...98
• 나. 실험 방법 ...98
• 1) 장해진단의 가능성 실험 ...98
• 2) 장해별 반복실험 ...101
• 3. 결과 및 고찰 ...103
• 가. 장해진단 가능성 실험 ...103
• 1) 실험기간중 기상 상태 ...103
• 2) 생육장해 현상의 육안조사 결과 ...104
• 3) 엽록소측정기, 엽온측정기, 엽록소 형광측정기를 이용한 장해진단 가능성 분석 ...109
• 4) 분광분석기를 이용한 장해진단 가능성 분석 ...112
• 나. 장해별 반복실험 ...117
• 4. 적요 ...123
• 제5절 장해진단 기초자료 실증실험 ...125
• 1. 목적 ...125
• 2. 재료 및 방법 ...125
• 3. 결과 및 고찰 ...126
• 제5장 토마토 생체정보 수집실험 ...130
• 제1절 단엽의 생체정보 수집 위치 결정실험 ...130
• 1. 목 적 ...130
• 2. 재료 및 방법 ...130
• 3. 결과 및 고찰 ...132
• 4. 적 요 ...134
• 제2절 토마토와 오이의 분광특성 비교 실험 ...134
• 제3절 단엽과 군락 생체정보간의 상관관계실험 ...135
• 1. 목 적 ...135
• 2. 재료 및 방법 ...137
• 가. 포트와 군락 재배 토마토의 단엽 측정치 비교실험 ...137
• 나. 단엽 생체정보와 군락 생체정보의 비교실험 ...137
• 3. 결과 및 고찰 ...138
• 가. 포트와 군락 재배 토마토의 단엽 측정치 비교실험 ...138
• 나. 단엽 생체정보와 군락생체정보의 비교실험 ...141
• 4. 결 론 ...146
• 제4절 단엽 정보에 의한 장해 진단용 자료수집 실험 ...147
• 1. 목 적 ...147
• 2. 재료 및 방법 ...147
• 가. 실험 재료 ...147
• 나. 실험 기기 ...148
• 다. 실험 방법 ...149
• 3. 결과 및 고찰 ...151
• 가. 분광분석을 위한 민감파장대와 그 중심파장 결정 ...151
• 나. 장해별 진단가능성과 진단가능일 ...152
• 4. 적 요 ...167
• 제5절 장해진단 기초자료 실증실험 ...169
• 1. 목 적 ...169
• 2. 재료 및 방법 ...169
• 3. 결과 및 고찰 ...170
• 제6장 생육장해 진단법 개발 ...175
• 제1절 진단 기본 방향 결정 ...175
• 1. 진단용 전문가 시스템 개발 ...175
• 2. 실험결과의 활용방법 ...176
• 제2절 실용 측정기 결정 ...178
• 1. 분광분석기 ...178
• 2. 분광분석기 외 측정기 ...183
• 제3절 오이와 토마토 장해진단 기초자료 결정 ...185
• 제4절 적 요 ...187
• 제7장 전문가 시스템 개발 ...189
• 제1절 배경 및 목적 ...189
• 제2절 전문가 시스템의 구성 ...190
• 1. 전문가 시스템 개발 도구의 선택 ...190
• 2. 전문가 시스템의 기본구조 ...191
• 3. 지식의 표현 ...193
• 4. 추론 방식 결정 ...193
• 5. 추론용 트리 구성 ...195
• 6. 전문가 시스템 개발용 윈도우 구성 ...196
• 7. 사용자 인터페이스 ...199
• 8. 확신도 표현 ...200
• 제3절 오이 토마토 생육장해 진단 시스템 개발 ...200
• 1. 지식 베이스 구성 ...200
• 가. 트리 구성 ...200
• 나. 규칙 설정과 확신도 부여 ...205
• 2. 전문가 시스템의 구동 ...218
• 3. 농민의 선호도 조사 ...223
• 제4절 실험자료 추가 시 진단 정확도의 개선 분석 ...225
• 1. 목 적 ...225
• 2. 분석 방법 ...225
• 3. 결과 및 고찰 ...226
• 4. 결 론 ...230
• 제5절 적 요 ...230
• 제8장 종합 결론 ...232
• 참고문헌 ...236
• 부록 1. 오이 실험 분석 결과 ...244
• 부록 2. 토마토 실험 분석 결과 ...274