[연구] 식생 스트레스 조기탐지 시스템 개발

논문 DOI : https://doi.org/10.1016/j.rse.2022.113311



□ 서울대학교 조경.지역시스템공학부 류영렬 교수 연구팀(1저자 김종민 박사)은 분광 필터 및 포토다이오드를 이용하여 태양 유도 엽록소 형광 물질(SIF)을 간단하면서도 저렴한 비용으로 탐지하는 기술을 개발하였다.

□ SIF는 적색부터 근적외선까지 식생에서 직접 방사되는 미량의 빛으로, 광합성량과 Non-photochemical quenching (NPQ)와 직접적인 관계를 맺고 있어 식생 스트레스 조기탐지의 지표로 최근들어 각광받고 있다.

□ 최근 수많은 선행 연구팀들이 SIF를 탐지하기 위하여 상업적으로 판매되는 분광계 기반의 근접 원격탐사 시스템들을 개발하고 있으나, 아직 다음과 같은 한계점들이 있다. 1) 분광계의 성능은 외부 환경의 온도 및 습도에 큰 영향을 받아, 이를 외부에서 안정적으로 사용하기 위해서는 추가적인 환경 통제가 요구된다. 2) 상업적으로 판매되는 SIF 탐지 시스템은 높은 가격대를 형성하고 있다. 3) 상업적으로 판매되는 SIF 탐지 시스템은 사용 방법이 어려워 진입장벽이 높다.

□ 연구팀은 분광 필터 및 포토다이오드를 결합하여, 손쉽게 SIF를 탐지할 수 있는 시스템을 개발하였다. SIF는 두 개 이상의 매우 좁은 파장대(<1 nm)를 정밀하게 관측하면 탐지할 수 있다. 연구팀은 대기 중 산소가 빛을 흡수하는 파장대와 산소에 영향을 받지 않는 파장대를 선별적으로 선정하고, 이를 활용하여 SIF를 탐지하였다.

□ 연구팀이 개발한 시스템을 이용하여 탐지한 SIF와 상업적으로 판매되는 분광계로부터 도출한 SIF는 높은 상관관계를 보였다.

□ 무엇보다, 제초제(DCMU) 처리한 실험구와 대조구 실험에서, 개발한 SIF시스템은 육안과 기존에 널리 사용되는 식생지수보다 4일 이상 앞서 제초제 효과를 탐지하였다.

□ 서울대학교 조경.지역시스템공학부 류영렬 교수는 “이 논문의 핵심은 손쉬운 방법으로 저렴하게 SIF를 탐지할 수 있다는 점이며, 향후 조경, 농업, 임업 등 식생 관리 및 모니터링에 널리 활용될 것으로 기대한다”라고 전망하였다.

□ 이번 연구 성과는 저명 국제학술지 “환경원격탐사 (Remote Sensing of Environment)”2022년 12월호에 게재되었다.






그림 1. 연구팀에서 개발한 SIF 탐지를 위한 스마트 근접 표면 센싱 시스템(4S-SIF)의 모식도 및 관측된 SIF 결과. 상업적으로 판매되는 분광계로 탐지된 SIF와 연구팀이 개발한 센서에서 탐지된 SIF의 상관관계가 높음. 또한, 억제 제초제(DCMU)를 처리하였을 때, 관측된 SIF값이 증가한 것을 확인할 수 있음.