지상부 원격탐사 센서의 반사율지수에 의한 고추 생체량 추정 (Estimation for Red Pepper(Capsicum annum L.) Biomass by Reflectance Indices with Ground-Based Remote Sensor)

서지정보

· 발행기관 : 한국토양비료학회
· 수록지 정보 : 한국토양비료학회지(Korean Journal of Soil Science and Fertilizer) / 42권 / 2호 / 79 ~ 87페이지
· 저자명 : 김현구, 강성수, 홍순달

초록

21세기의 농업은 환경과 조화를 이루며 농업의 생산을 지속가능하게 하는 형태로 농업생산성 확보뿐 아니라 환경보존 및 농산물의 안전성을 동시에 추구하고 있다. 이런 시대흐름에 맞추어 원격탐사기술은 정밀농업의 한 방법으로 꾸준히 연구되어 왔고 농업 응용기술에 무한한 잠재력을 지니고 있다 (Jackson, 1984).
원격탐사는 측정하고자 하는 목표물에 대하여 물리적인 접촉 없이 유용한 정보를 얻는 것이다. 원격탐사는 옥수수의 질소스트레스에 관한 연구 (Blackmer et al., 1995)와 식물의 수분스트레스에 관한 연구 (Carlson et al., 1995; Moran et al., 1995) 등에 활용되고 있을 뿐만 아니라 사과나무에 대한 진드기의 영향 (Penuelas et al., 1995)과 같이 병충해 예찰 연구까지 확장되고 있다.
식물체의 분광학적 반사율은 식물의 스트레스 정도에 따라 달라지며 생장을 저해하는 환경조건에서 식물 잎의 반사율은 일반적으로 가시광선 영역 (380 - 760 nm) 혹은 적외선 영역에서 증가된다. (Cater and Knapp, 2001). 이러한 잎의 광학적 성질에 대한 원리는 엽록소 농도 및 질소 스트레스에 대한 상대적인 평가에 이용되어 왔다 (Read et al., 2002). 따라서 이러한 원격탐사 측정기술은 작물의 질소 스트레스를 비파괴, 실시간으로 검정하여 적정 시비량 결정을 위한 효율적인 도구로 활용 가능하다 (홍 등, 2003). 이러한 원격탐사방법을 이용하여 목화 (Stephan, 1998; Read et al., 2002; Kevin et al., 2003), 옥수수 (Shanahan., 2001; Osborne et al., 2002) 벼 (Hussain et al., 2000; Singh et al., 2002; Lihong el al., 2004) 그리고 밀 (Singh et al., 2002; Flowers et al., 2003) 등의 작물에 대한 생체량 (biomass)과 질소 및 엽록소 함량, 수확량 평가에 대한 연구가 수행되어 왔다.
원격탐사 기기의 반사율을 활용하여 식물 생장량을 지수화한 것은 근적외선 영역의 반사율을 적색영역의 반사율로 나눈 식물생장지수비율 (Ratio Vegetation Index, RVI)이다. 이 지수의 기본 개념은 식물의 활성에 직접적 연관이 있는 광합성작용에 필수적인 엽록소가 적색영역의 복사선을 많이 흡수하여 낮은 반사율을 나타내는 반면, 근적외선 영역의 복사선은 높은 반사율을 나타낸다는 관계를 활용한 것이다 (Avery and Belin, 1992). 그 이외 식생의 canopy를 특성화하기 위하여 많은 스펙트럼 지수들이 개발되었고 가장 보편적인 것은 녹색 생체량의 평가수단으로 개발된 Normalized Difference Vegetation Index(NDVI)이다(Tucker, 1979). Rondeaux등 (1996)은 NDVI는 토양의 배경효과 때문에 작물의 식생을 평가하는데 부적합 할 수 있다는 것을 지적하며 Optimized Soil-Adjusted Vegetation Index (OSAVI)라는 수정된 지수를 제안하였고, Gitelson 등 (1996)은 Green Normalized Difference Vegetation Index (gNDVI)를 제안했으며 이것은 녹색식물의 canopy 상태에서 생체량의 변이를 평가하는데 NDVI보다 효율적이라고 보고되고 있다 (Schepers et al., 2001; Gitelson et al., 2001). 또한, 계속해서 새로운 지수들이 제안되고 있고 각 지수들의 계산 방법은 다음과 같다.
rNDVI =
( NIR - Red )

( NIR + Red )




gNDVI =
( NIR - Green )

( NIR + Green )




aNDVI =
( NIR - Amber )

( NIR + Amber )



rNDVI; Normalized Difference Vegetation Index
gNDVI; Green Normalized Difference Vegetation Index
aNDVI; Amber Normalized Difference Vegetation Index
NIR; Reflectance of near infrared
Red; Reflectance of red band
Green; Reflectance of green band
Amber; Reflectance of amber band


작물의 덧거름 시비량을 결정하기 위해 적용하는 기술로는 식물체의 전질소나 줄기절단에 의한 수액의 질산태 질소를 측정하는 방법(Bundy and Andraski, 1993; Darryl, 1996) 등이 검토되었으나 식물체를 파괴하는 문제로 조사개체의 제한을 받아왔다. 그러나 Chlorophyll meter를 이용한 잎의 엽록소 측정법(Schepers, 1998; Fox et al., 1994; Darryl, 1996)을 활용하는 연구는 작물의 질소 덧거름 시비량 결정에 측정의 간편성과 비파괴 측정의 장점을 부여하였다. 엽록소 측정기는 잎을 접촉하여 측정하기 때문에 조사개체수를 무한대로 증가시킬 수 없는 단점이 있으나, 지상원격탐사에 의한 식물체 검정은 조사 개체수를 전 포장으로 확대할 수도 있기 때문에 실시간으로 공간적인 변이성에 따른 변량시비 추천이 가능한 장점이 있다(Dalal and Henry, 1986; Redellfs et al., 1987; Wiegand et al., 1990, 1992; Daughtry et al, 1992; Yoder and Pettigrew, 1995; Wang et al., 1998; Cater and Knapp; 2001, 2002; Lihong et al, 2004).
본 연구는 다양한 질소스트레스 상태의 고추에 대한 지상 원격탐사 센서의 활용가능성을 평가하기 위하여 생육시기별 고추생체량과 반사율지수의 상호관계를 분석 하고, 질소 관리를 위한 효율적인 센서와 반사율 지수 및 검정시기 등을 조사하였다.

영어초록

Pot experiments using sand culture were conducted in 2004 under greenhouse conditions to evaluate the effect of nitrogen deficiency on red pepper biomass. Nitrogen stress was imposed by implementing 6 levels (40% to 140%) of N in Hoagland’s nutrient solution for red pepper. Canopy reflectance measurements were made with hand held spectral sensors including GreenSeekerTM, Crop CircleTM, and Field ScoutTM Chlorophyll meter, and a spectroradiometer as well as Minolta SPAD-502 chlorophyll meter. Canopy reflectance and dry weight of red pepper were measured at five growth stages, the 30th, 40th, 50th, 80th and 120th day after planting(DAT). Dry weight of red pepper affected by nitrogen stress showed large differences between maximum and minimum values at the 120th DAT ranged from 48.2 to 196.6 g plant-1, respectively. Several reflectance indices obtained from GreenSeekerTM, Crop CircleTM and Spectroradiometer including chlorophyll readings were compared for evaluation of red pepper biomass. The reflectance indices such as rNDVI, aNDVI and gNDVI by the Crop CircleTM sensor showed the highest correlation coefficient with dry weight of red pepper at the 40th, 50th, and 80th DAT, respectively. Also these reflectance indices at the same growth station was closely correlated with dry weight, yield, and nitrogen uptake of red pepper at the 120th DAT, especially showing the best correlation coefficient at the 80th DAT. From these result, the aNDVI at the 80th DAT can significantly explain for dry weight of red pepper at the 120th DAT as well as for application level of nitrogen fertilizer. Consequently ground remote sensing as a non-destructive real-time assessment of plant nitrogen status was thought to be a useful tool for in season nitrogen management for red pepper providing both spatial and temporal information.

참고자료

· 없음