❍ 미국은 약 200만 개 이상의 농가가 9억 5천만 에이커의 토지를 농업용으로 사용할 만큼 대규모 농업(농가당 약 60만 평)이 발달하였으며, 미국 정부는 농업의 효율성 향상을 위하여 정밀농업 기술의 구현에 점점 더 집중하고 있음.
미국의 대규모 농업을 담당하는 주요 기관으로 우주항공국(NASA), 해양대 기청(NOAA), 농무부(USDA) 등이 있으며, 그들은 농부의 수익성을 향상시 키고 다양한 화학 물질의 적용으로 인한 환경 문제를 줄이기 위해 정밀농업의 보급을 확대하고 있음.
❍ 연방항공국(FAA)은 2016년 통과된 드론 비행에 대하여 제한 규정을 발표하 였으나, 정밀농업의 확대적용을 위하여 최대 55lb 무게의 상업용 드론을 낮 동안 농업에 사용할 수 있도록 함.
❍ 미국은 농업에 사용되는 GNSS, GPS 기술의 선두 국가로, 미국 농장에 사용 되고 있는 정밀농업 기술 중 70% 이상이 GNSS와 GPS를 기반으로 하고 있음.
이는 필드 매핑, 자율주행, 변량시비, 수확량 매핑 등을 가능하게 하여 농업을 계획하고 관리하고 더 효율적인 의사결정을 할 수 있도록 지원함.
해외 정밀농업 기술 및 기자재 분석❙ 21
❍ 2016년 USDA 보고서(USDA 2016)에 따르면 미국에서는 다음과 같이 정밀 농업 기술을 사용하고 있으며, 그 적용 범위와 기술 개발의 범위를 점차 확대할 것으로 보고함.
- 수확량 모니터를 포함한 GPS 기반 매핑 시스템은 미국 전체 옥수수 및 대두 농장의 약 50%에서 사용되고 있음.
- 옥수수 및 대두 농장의 약 33%가 자동조향·자율주행 시스템을 사용하고 있음.
- 토양매핑은 전체 농장의 약 16~26%가 사용하고 있음.
2.1. USDA
❍ United States Department of Agriculture(USDA)와 Agricultural Research Service(ARS)는 미국 농무부로서, 미국 내 농업 생산력을 극대화하고 식량 안보를 위한 각종 연구를 수행하고 있음. 특히 농작물의 성장을 촉진하고 지 원하는 화학 물질의 오남용과 투입 자재를 최소화함으로써 농작물 생산량은 20% 증대시키고 환경오염은 20% 감소하는 것을 목표로 함.
❍ 정밀농업 구현을 위해 잔류물, 작물 생육 환경, 농경지 수분함량 등 각종 정 보에 대한 모니터링 기술 개발을 수행 중임.
- 위성 기반 모니터링은 해상도가 낮은 단점이 있어, 이를 개선하고자 소형 무인항공기 시스템을 도입함.
- 이를 통해, 수확량 손실을 방지하고, 작물 및 환경 관리를 계획함.
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<그림 3-1> Hydrology and remote sensing technology
자료: USDA.
❍ USDA는 NASA Terra 및 Aqua program 그리고 USGS Landsat program 팀과 공동 연구를 통해 Landsat 위성 이미지와 Terra 및 Aqua 위성에 탑재된 고분해능 기상센서 Moderate resolution imaging spectrometer(MODIS) 이미지의 융합을 통해 대규모 옥수수 및 콩밭의 Phenology 매핑 기술을 개 발함.
- MODIS는 705km의 고도에서 이틀에 한 번씩 지구 표면을 관측하며, 전 지구에 대한 육지와 해양의 표면온도, 토지피복, 구름, 에어로졸, 수증기, 기온분포 등을 관측 가능함.
- 농경지 데이터 레이어 프로그램(Cropland Data Layer)을 사용하여 분석을 수행함.
해외 정밀농업 기술 및 기자재 분석❙ 23
<그림 3-2> Landsat and MODIS를 이용한 옥수수 및 콩 Phenology 매핑
자료: Gao et al.(2017).
❍ 농경지의 수분함량을 모니터링하고, 수분함량 수준에 따라 각 구획별로 가변 관개가 가능한 Irrigation Decision Support System(IDSS)을 개발함.
- 현장에서 기상, 농작물, 토양 센서로부터 수집된 데이터는 관개 시스템 중 앙에 위치한 피벗 포인트에 내장된 컴퓨터로 수집되며, 작물 스트레스는 하루에 1회 현장의 각 구획별로 수집됨.
- 작물 물 스트레스 지도는 중앙 피벗 관개 시스템에 설치된 무선 적외선 온 도계 시스템에 의해 수집된 데이터를 이용하여 생성됨. 작물의 물 스트레스 지도를 기반으로 관개 처방 지도는 관개 일정 관리 제어 및 데이터 수집 시 스템(Scheduling Supervisory Control and Data Acquisition System:
SSCADA)에 의해 생성되며, 의사 결정 지원 시스템을 이용하여 관개 양이 결정됨.
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<그림 3-3> Irrigation Decision Support System(IDSS)
자료: Evett, Steven R., et al.(2020)
❍ 농업 경제성 확보 및 환경 피해 최소화를 위한 질소 관리 및 투입 자재 최적 화를 위해 가변 질소 관리 시스템을 개발함.
- 가변 질소 관리는 농작물이 요구하는 질소를 구획별로 식별하고 매핑하여, 요구하는 양 만큼의 질소를 처방함으로써 이루어짐.
- 질소 관리 시스템은 트랙터 부착형 센서, 변량시비 컨트롤러, GIS 데이터 베이스를 이용하여 구성되며, 농경지 이미지, GIS 데이터베이스를 이용하여 처방 지도를 생성하고, 이를 기준으로 질소를 변량시비함.
- 실험은 미국 메릴랜드주에 위치한 USDA의 Beltsville Agricultural Research Center(BARC)에서 약 7년 동안 수행되었으며, 그 결과 질소 변량시비는 총 27%의 질소 소비량을 감소시켰으며, 수확량은 증가시킨 것 으로 나타남.
❍ 광학센서를 탑재한 무인항공기 기반 해충 관리 시스템을 개발하여, 감자의 주요 해충 중 하나인 콜로라도 감자 딱정벌레에 의한 작물의 손상을 조기에 식별함. 무인항공기를 이용하여 수집한 컬러 적외선 이미지를 이용하여 보다 광범위한 필드의 해충 관리를 가능하게 함.
해외 정밀농업 기술 및 기자재 분석❙ 25 - 컴퓨터 비전을 이용하여 3D 이미지를 생성함으로써 농작물의 부피를 산출
하고, 이를 기반으로 수확량을 예측함.
<그림 3-4> 광학센서를 탑재한 무인항공기 기반 해충 관리 시스템
자료: Hunt and Rondon(2017)을 인용 후 재구성함.
2.2. JohnDeere
❍ JohnDeere는 전 세계 농기계 선두기업으로 정밀농업 분야에서도 두각을 나 타내고 있으며, 현재 약 25종 이상의 다양한 정밀농업의 세부 기술을 개발 하고 상용화함. 이들은 정밀농업을 ‘변량형 농법(variable rate agriculture:
VRA)’ 개념을 넘어, 농경지 및 농기계를 포함한 농업 전반에 걸친 데이터를 수집하고, 관리하여 효율적인 농업을 가능하게 해주는 모든 범주를 정밀농업 으로 간주하고 있음.
❍ JohnDeere는 자율주행(Level 2) 트랙터를 개발하고 상용화하였으며, 자율 주행에 필요한 각 단계별 기술 패키지를 개발하여 적용하고 있음.
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❍ JohnDeere는 운영센터(Operation Center)를 설립하여 전 주기 농업기간 동안 트랙터에 부착된 GPS 및 다양한 센서로부터 데이터를 수집하고 농업을 보다 효율적으로 운영하기 위하여 농지 구획별, 비료, 파종의 양, 파종 시기 등 다양한 농업의 기본이 되는 정보들을 분석 및 제공함. 특히, Field Analyzer를 통해, 필드에서 발생하는 주요 데이터를 매핑하고 적절한 처방을 제시함. 사용자는 컴퓨터, 태블릿, 스마트폰을 이용하여 다양한 정보를 확인 하고 관리할 수 있음.
<그림 3-5> JohnDeere의 정밀농업 솔루션
자료: JohnDeere.
해외 정밀농업 기술 및 기자재 분석❙ 27
<표 3-1> JohnDeere의 정밀농업 기술
기술 분류 세부 기술 기술 내용
Guidance &
Machine Automation
AutoTrac Universal 300 Add-on 타입 스티어링으로 자동조향을 위한 솔루션 AutoTrac Controller 자사의 구형 또는 승인된 타 브랜드 모델에 대하여 자동조향
구현
AutoTrac 농기계의 자동조향 구현
AutoTrac Turn Automation AutoTrac의 추가 기능으로 선회 자동화 구현
AutoTrac Vision 전면에 장착된 카메라를 이용하여 특수한 조건(야간, 곡물 높 이가 높을 때)에서도 자동조향 구현
AutoTrac Implement Guidance-Passive
StarFire 수신기를 이용하여 고르지 않은 지형과 경사면에서 Autotrac 기능을 확장하여 정밀도를 향상시킴
Active Implement
Guidance 트랙터와 작업기가 동일한 경로를 추종하도록 하는 기능 Tractor Integrated Active
Implement Guidance 트랙터의 속도를 제어하고, 작물과의 거리를 일정하게 유지 MachineSync GNSS 기반으로 농경지에서 콤바인과 트랙터 곡물 트레일러
간의 속도 및 조향 동기화
In-Field Data Sharing 현장에서 동시에 작동하는 다수의 농기계 데이터를 공유 Tractor Implement
Automation
베일 생성, 파종, 수확 등 각종 트랙터 부착 작업기의 자동 제어 구현
Active Fill Control 콤바인의 작물 분출구를 트레일러의 원하는 지점으로 설정 가능
AutoTrac RowSense AutoTrac 없이 불규칙하게 심어진 작물을 수확할 때, 자동 으로 행을 제어하여 자율 수확이 가능하게 함
Site Specific Farming
Section Control 구획별 정확한 양의 비료를 공급하여 일관된 생육 환경을 조성 하고, 중복 작업을 방지함
GreenStar Rate Control 자체 개발 컨트롤러를 통해 비 ISOBUS 작업기에서도 비료 살포, 파종 등 다양한 작업기 제어를 가능하게 함
HarvestLab 3000
근적외선 분광기를 사용하여 수확된 작물 내의 성분을 분석 하고, 이를 기반으로 절단 길이를 자동으로 조정하고 사일리지 첨가제의 양을 최적화함
Connected Farm Management
JDLink
텔레메틱스 시스템으로, 농기계의 성능, 위치 등의 데이터를 어플리케이션을 통해 확인하고 관리할 수 있으며, 고장 코드의 실시간 감지 가능
Open Platform
데이터 공유 플랫폼으로, 사용자는 다양한 브랜드의 농기계 데 이터를 하나로 종합하고 분석 가능하며, 이를 통해 농장 종합 관리가 가능함
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기술 분류 세부 기술 기술 내용
Connected Farm Management
DataConnect
JohnDeere Operation Center와 365FarmNet 플랫폼 간의 직접적인 클라우드-클라우드 연결을 제공하고, 이를 통해 데이터 공유
AutoTrac Online
비수기에 작업 계획을 수립하여 성수기에 작업을 원활하게 할 수 있는 기능으로, 농경지에 접근하여 설정을 활성화하면 자동 으로 계획된 작업이 진행되도록 하여 현장에서 디스플레이 설 정으로 인한 시간 절약 가능
Field Management 작업이 완료되면 작업 성능 보고서가 자동으로 operation center로 업로드되고, 필드지도가 사용자에게 전송됨
Affiliated Software Companies
타사 소프트웨어 및 서비스 제공 업체와 연결할 수 있는 인터 페이스를 제공하며, 농업 컨설턴트는 사용자의 계정으로 정밀 농업을 위한 처방을 보내며 사용자는 이 처방을 이용하여 현 장의 농기계에 명령 전달 가능
Fleet Management 농경지 및 농기계에 대한 각종 정보 관리를 가능하게 하며, 필드 매핑 결과와 지오펜스 등 설정 가능
Job Management
작업 일정 관리를 통해 중복 작업 혹은 불필요한 시간 소모를 최소화함. 다수의 인원이 하나의 팀으로 작업할 경우, 각 인원 별 업무 관리 기능 제공
Connected Support 원격 접속 기능을 지원하여 숙련된 전문가가 복잡한 장비의 설정 문제, 고장 등 각종 문제 발생 시 원격으로 해결 가능
(계속)
자료: JohnDeere.
❍ (Fleet Management) 사용자가 여러 대의 기계를 다양한 위치에서 동시에 운영할 때 하나의 지도에서 농경지 및 기계에 대한 전반적인 데이터를 시각화 하여 보여주며, GPS를 기반으로 지오펜스를 설정하여 기계가 특정 영역을 벗 어날 때 사용자에게 경고를 발생하게 함. 또한, 원격으로 시스템 설정, 사용량 및 성능을 조회할 수 있으며, 여러 농기계의 데이터를 비교할 수도 있으며, 모든 필드에서 작업이 완료되었는지 누락된 작업지가 있는지 추적이 가능하도록 컬러 필드 맵 정보를 제공함.