정밀 농업의 필요성

■ 정밀농업의 정의 및 필요성

 

정밀농업(Precision Agriculture)은 비료, 물, 노동력 등의 투입자원을 최소화하면서 생산량은 최대화시키는 생산방식이다. 개념적 의미는 영농 면적단위별(필지 등)로 모니터링과 측정을 통해 진단·분석함으로써 최적의 처방과 처리를 추구하는 농업기술 접근 방법론이다. 토양 특성과 작물 생육특성의 농경지 위치 별 차이로 수확량과 품질에 차이가 있으므로 농경지 및 농작물의 상태, 환경, 조건 등을 모니터링하고, 이에 대한 분석을 통해 최소 투입자원(비료, 살충제 등)으로 환경오염을 줄이고 고품질 농작물의 생산량을 최대화하는 것을 목적으로 한다. 즉, 정밀농업은 보다 큰 면적에 균일한 농작업을 행하는 기계화 농업과 달리 작은 면적의 위치특성에 맞는 변량 농자재 처방을 기반으로 하는 정보화 농업을 의미한다. 이를 실현하기 위한 기술로는 센서, IoT 등을 이용한 데이터 수집, 빅데이터와 인공지능(AI) 등의 고급 데이터 분석, 자율주행 농기계와 드론, 정밀 기상정보와 항공영상 정보 등의 기술 등이 있다. 국내에서 통용되는 스마트팜(실내 시설농업에 해당하는 것으로, 작물의 생육환경이 모니터링 되고 적기에 최적의 영농 의사결정이 수행되는 농장)과 유사하나 확장된 개념으로, 정밀농업은 기후정보를 수집 및 분석, 활용하여 에너지 소비를 줄인다는 점에서 유리온실, 비닐하우스 등 날씨 영향을 배제하는 스마트팜보다 확장된 개념으로 볼 수 있다.

 

■ ICBM과 인공지능(AI)으로 정밀농업에 날개를 달다

 

최근 4차 산업혁명으로 ICBM[사물인터넷(IoT), 클라우드(Cloud), 빅데이터(Big Data), 모바일(Mobile)], 드론 등의 기술이 급격한 발전을 이루면서, 정밀농업은 기술적 한계에서 벗어나 본격적인 비상을 시작했다. 또한, 인공지능(AI) 등의 기술 발전으로 데이터 DB 구축 및 데이터를 기반으로 효율적인 의사결정을 내리는 것이 가능해졌다. IoT 기반 데이터 수집을 통해 클라우드 기반 빅데이터 구축하고, 인공지능 기반 최적화 예측과 맞춤 처방하여 지능화된 농기계・농업로봇 등에 의한 최적화 작업이 가능하며, 모바일 기기를 통한 농업인에게 정보 제공 등이 과거에 비해 정밀하게 수행할 수 있어, 진정한 의미의 정밀농업 구현이 가시화되고 있다.

 

■ 한국 농업의 해결책,

 

정밀농업의 체계적인 도입 정밀농업은 ICT 기술 등을 활용한 농법으로써 변량 기술을 통한 농기계의 자동화, 센서 기술과 정보처리 기술을 통한 농작물 및 기후의 예측 가능성 확대 그리고 변량 시비 기술을 통한 친환경적 농사를 지을 수 있다는 이점을 가지고 있어, 농촌인력 고령화, 농산물 수급 불균형, 환경오염 문제에 있어 정밀농업의 체계적인 도입이 대안이 될 수 있을 것으로 기대된다.

 

▶ 농업의 첨단화

농업 인력을 최소화할 수 있는 ICT 기술을 통해 고령화에 대응독일의 경우 불규칙한 경계를 지닌 다수의 소규모 필지를 가상으로 통합하여 관리하고 있다. 자동주행로봇이 일련의 작업을 저장하고 해당 위치에서 자동으로 작업이 이루어지는 Headland management로 농업 인구 감소에 대응하고 있다. 또한 스마트폰으로 농지의 상태와 관리가 필요한 부분을 바로 확인할 수 있어 이전과는 달리 농업에 많은 노동력이 필요하지 않게 되었다.

▶ 농업의 정보화

농업의 정보화로 불확실성을 감소시킴으로써 체계적인 수급 계획 마련영국 옥스퍼드셔의 농부들은 정밀농업의 도입으로 이전과는 확연히 다른 모습의 농사를 짓고 있다. 토양센서로 지도를 작성해 구획별로 알맞은 농작물을 키울 수 있으며, 부족한 영양분이 무엇인지 바로 알 수 있게 되었다. 병충해 센서는 병충해 발생 빈도와 시기를 측정하여 미리 대응할 수 있게 해주어 작물 다변화와 생산량 증대에 기여하고 있다.

 

▶ 친환경적 농업

토양 맞춤 관리로 환경에 최소한의 영향을 줄 만큼만 농자재 투입미국 아이오와 옥수수 농가에서(530ha) 토양조사를 통해 변량시비를 실시한 결과 25%이상의 화학비료와 농약을 절감했다는 연구결과가 있다. 스페인 남부 과수원 역시 정밀농업의 맞춤관리로 25%이상의 물 절약을 이뤄냈다. 정밀농업의 장점은 경제성과 친환경을 동시에 달성할 수 있다는 것인데 이는 변량시비에 기인한다. 이전의 대규모 농지에 균일하게 시비했던 것과 비교하면 절감할 수 있는 화학비료와 농약의 양은 엄청난 수준이다. 

 

■ 정밀농업으로 인해 기대되는 환경이익

 

정밀농업은 ICT 기술 등을 활용하여 토양과 작물의 특성에 맞는 비료, 물 사용 등 최적화한 농법으로 경제성과 친환경 두 가지 모두 충족 가능하다. 특히, 날씨, 토양, 작물 정보를 분석하고 화학비료 사용을 최소화하여 환경오염을 줄이고, 기후정보를 수집, 분석. 활용하여 에너지소비를 줄이는 동시에 농작물의 생산성을 극대화하는 농법이다.

 

■ 정밀농업의 주요 단계

정밀농업은 1) 관찰, 2) 처방, 3) 농작업, 4) 결과 분석의 순서 과정으로 진행된다. 1단계 모니터링을 통해 수집된 농경지·농작물·농기계에 대한 데이터는 2단계에서 데이터 분석·AI·기계학습을 통하여 적절한 처방을 내리는 데 사용된다. 처방결과는 3단계의 농작업의 입력 조건으로 활용되고, 농작업의 결과는 4단계 결과분석에 사용한다.

 

▶ 1단계, 관찰(Monitoring) : 농경지의 토양, 작물, 수확량 상태를 조사하여 기초정보를 만들어 내는 단계 모니터링은 각종 센서를 이용하여 농경지·농작물·농기계와 같은 농업 전반에 걸친 모든 데이터를 수집하고 관리하는 정밀농업의 첫 번째 단계이다. - 농경지 정보: 수분함량, 전기전도도, 온도, 습도, N-P-K 등 각종 토양 환경 - 농작물 정보: 외형(크기, 길이, 무게 등), 영양성분 등 - 농기계 정보: 위치, 농작업 상태, 차량 동기화, 자동 조향, 수확량 등 농업 모니터링은 경지서버(field server) 형태로 토양에 직접 설치한 센서와 드론을 이용하여 상공에서 필드 이미지를 촬영하여 각종 정보를 관측하는 방식으로 구분된다. 그중, 드론은 카메라를 이용하여 실시간으로 작물 및 토양 생육정보를 수집하고, 필지 전체를 한 번에 매핑하여 가변 맵 작성이 가능하기 때문에 정밀농업에 활발히 적용되고 있는 추세이다. 첫 단계인 관찰 단계에서는 각종 센서를 통해 데이터가 수집되기 때문에, 현장에서 데이터 수집을 위한 무선 데이터 송수신 기술과 야외환경에서 센서 모듈의 전원공급 등에 대한 기술이 필요하다.

 

▶ 2단계, 처방(Prescription) : 센서기술로 얻은 정보를 기반으로, 농약과 비료의 알맞은 양을 결정하는 단계 정밀농업의 2단계는 1단계에서 수집한 데이터를 기반으로 효율적인 의사결정을 하는 처방 단계로, AI 및 빅데이터 분석을 통하여 작물의 생육환경에 최적화된 조건을 제공하고, 적절한 처방을 내림으로써 저투입·고효율 농업을 가능하게 한다.

 

1단계 관찰에서 수집된 방대한 양의 데이터를 저장·관리·분석하기 위해서는 수집된 데이터를 데이터베이스화한다. 농업 전반에 걸쳐 수집된 데이터를 고차원 회귀분석, 분류분석(패턴인식), 군집분석 등과 같은 다양한 분석방법으로 정밀농업을 위한 진단 및 처방 결과를 도출한다. 분석 결과를 시계열 자료, 통계적 분포, 지도, 계층구조, 네트워크 등을 이용하여 시각화 표현 자료로 분석하여 처방에 대한 시각화 자료를 제공하고, 전문 농업인의 재배 노하우나 경험 등의 지식 없이도 스스로 학습한 AI 기반 플랫폼을 이용하여 농업인에게 노하우를 제공하며, 컴퓨터 시각 기술이 결합된 AI를 이용하여 잡초 및 질병에 감염된 작물의 감지 및 제거가 가능하다.

 

▶ 3단계, 농작업(Agricultural operation) : 최적으로 판단된 정보에 따라, 필요한 양의 농자재와 비료를 투입하는 단계 정밀농업의 3단계인 농작업은 2단계의 처방 결과를 기반으로 드론, 트랙터, 콤바인 등 각종 하드웨어를 이용하여 농작업을 수행하는 단계이다. 드론은 경작지와 농작물에 필요한 비료, 농약, 물 등을 적재적소에 공급할 수 있으며, 거리측정기를 이용하여 고도를 식물의 높이와 지형에 따라 자동으로 조정할 수 있다. 또한, 드론은 지표면을 스캔하고 고도를 실시간으로 일정하게 조정해 정확한 양을 살포할 수 있으며, 살포 효율을 높여 농약 살포량을 절감할 수 있고 또 이를 통해 수질이나 지하수 오염을 감소시킬 수 있다. 트랙터, 콤바인, 이앙기 등 주요 농기계는 처방 결과를 기반으로 파종, 농약살포 등을 가변적으로 할 수 있으며, 카메라를 기반으로 잡초를 인식하여 잡초 제거도 가능하게 한다. 또한 자율주행 시스템은 위성지도와 매핑 결과를 기반으로 일정한 작업을 가능하게 하여 농경지 내 미 작업 구획을 없애고, 중복작업을 방지할 수 있어, 이는 농작업 시 시간 손실 및 농약 및 비료의 손실을 줄이고, 토양 오염을 방지할 수 있으며, 일정하게 심어진 농작물은 자율주행 기능을 이용하여 수확 시 손실률을 최소화할 수 있기 때문에 효율적이다.

 

▶ 4단계, 결과 분석(Result analysis) : 산출된 양을 기존 수확량과 비교, 시비 방법의 적절성을 확인한 후 수정 보완하여 데이터를 축적하는 단계 결과 분석은 정밀농업의 마지막 단계로, 3단계를 통해 수행된 농작업 결과를 기반으로 다음 농번기의 농업을 위한 기초자료로 활용하기 위해 데이터베이스를 구축하고, 처방 지도 및 농업 경영 등 농업 전반을 분석하는 단계이다. 2단계 처방을 기반으로 3단계 농작업을 수행한 결과를 분석함으로써, 입력(처방) 대비 결과(농작업)를 평가하고, 처방에 대한 성능을 지속적으로 업데이트하는 데 사용함. 이를 통해, 데이터베이스가 축적될수록 처방은 보다 효율적인 농업을 가능하게 한다. 농작업 결과를 기반으로 다음 해의 농업에 대한 사전 매핑 정보를 저장할 수 있고, 이를 기반으로 농경지 관리 및 파종 시 정밀한 관리를 통하여 고품질 농작물 생산을 가능하게 한다.