친환경 농업을 실현하는 머신비전

제초제 사용 최소화 … 경제·환경 두 마리 토끼 잡다’

디지털 영상처리 기술은 산업 분야에서 검사·품질 실험·자동화·공정 최적화 등에 쓰인다. 공장자동화 분야에서 큰 사랑을 받아온 이 기술은 최근 농업에도 쓰이고 있다. 농업에 쓰이는 머신비전은 공장자동화와 마찬가지로 생산성을 높이고 비용을 절감할 수 있음은 물론 환경 역시 보호할 수 있다.
자료제공 | Allied Vision Technologies(www.alliedvisiontec.com)

최근 네덜란드 와게닝겐 대학 연구진이 농장에 생겨나는 잡초를 자동으로 인식·제거하는 비전시스템을 개발해 화제가 되고 있다. 기존 방법과 대비해 친환경적이라는 특징을 가지고 있다.

바주카로 파리를 잡다
잡초는 정원을 헐벗은 것처럼 만드는 역할을 한다. 잡초가 너무 많으면 정원을 관리하기 힘들어진다. 정원이 아닌 농장이나 밭에서는 잡초가 일으키는 문제가 더욱 심해진다.

사탕무 밭에서 자라는 야생 감자가 대표적 예다. 감자는 다른 밭에서는 부러 농사를 지어 수확할 정도로 인기가 많지만, 사탕무 밭에서 자라나는 감자는 잡초일 뿐이다. 사탕무를 수확한 뒤에도 계속 남아있는 감자줄기는 계속 자라나 이듬해 사탕무 경작에 악영향을 끼치게 된다. 감자에는 선충(nematodes)이 기생하는데, 이 선충이 Phytophtora와 같은 질병을 밭 전체에 전염시키는 것이다.

수 에이커(1에이커는 약 4050평방미터)에 걸쳐 자라고 있는 야생 감자들을 하나하나 수확해 제거하는 것은 불가능하다. 따라서 지금까지는 감자에서 자라나는 선충을 없애기 위해 농약을 살포하는 수밖에 없었다.

문제는 밭 전체에 농약을 살포했다는 것이다. 이런 방법은 야생 감자를 잡기 위해 사탕무 전체에 농약을 살포하는 꼴이 된다. 말 그대로 파리를 잡으려고 바주카를 사용하는 셈. 농약을 불필요하게 많이 사용하게 되어 환경오염은 물론 금전낭비라는 문제점도 낳는다.

네덜란드는 농업 분야에서 생산성 및 기술력이 높은 국가로 알려져 있다. 농경 및 농학이 유달리 발달한 국가이기도 하다. 이런 네덜란드에서 잡초 퇴치 문제를 중히 여기는 것은 당연하다. 네덜란드 와게닝겐 대학 농장기술그룹(Farm Technology group)에서 논문 연구의 일환으로 5년간 진행한 프로젝트는 위트레흐트에 있는 STW 기술재단의 후원을 받았다.

거대 필드 스캐너
이 프로젝트의 목표는 밭 전체에 걸쳐 감자를 정확히 인식하고, 밭에 어떠한 상처나 오염도 없이 이를 제거함으로써 궁극적으로 사탕무를 수확할 수 있도록 돕는 것이다. 이를 수행하기 위해서는 영상 시스템이 신속하고 정확하게 각 식물을 판별해 제초제를 살포함으로써 감자를 없애야 한다. 연구진은 Allied Vision Technologies의 베네룩스 지역 영업 파트너인 네덜란드 영상 전문 업체 데이터 비전과 함께 트랙터로 나를 수 있는 모바일 시스템을 개발했다. 이 시스템은 거대한 스캐너를 통해 지표면 영상을 획득하고, 그 중 야생 감자를 인식한 뒤 제초제를 살포한다.

잡초를 인식 및 분석하라
이 시스템은 대형 트레일러에 장착되어 현장에서 직접 검사를 수행한다. 시스템은 우선 잡초를 감지해야 한다. 이를 수행하기 위해 Allied Vision Technologies에서 만든 두 대의 Marlin F-201 디지털카메라가 투입되었다. 두 카메라 모두 2메가픽셀 센서를 탑재하고 있는데, 한 대의 카메라는 일반 컬러 버전이고 다른 한 대의 카메라는 적외선 780nm 적외선 투과 필터를 장착한 단색 카메라다. 이들 카메라는 두 가지 기능을 제공하는데, 첫째는 땅 안쪽에 있는 식물을 탐지하는 것이고, 둘째는 그 사이에서 농작물과 잡초를 구별하는 것이다.

이 시스템은 150×18㎝ 영역에서 ㎜당 1픽셀 이상의 해상도를 얻을 수 있다(정확히는 1.08픽셀/㎜). 작업을 최적화하기 위해 아래가 뚫려있는 상자 안에 카메라를 설치하며, 5개의 Xenon 램프를 통해 조명을 제어한다. 트레일러의 바퀴 중 하나에 거리측정장치를 장착해 지역 내에 있는 작물들의 정확한 위치를 문서 및 영상화한다.

연구팀은 영상 획득과 분석을 효율적으로 수행하기 위해 내쇼날인스트루먼트의 하드웨어(NI PXI 시스템 및 Virtex-5 FPGA)와 소프트웨어(NI LabView)를 택했다.

지능형 영상 분석의 위용
영상 분석 중 가장 중요하고 우선시되어야 할 과정은 바로 잡초를 인식하는 것이다. 시스템은 인식 작업을 지원함으로써 작업에 투입될 준비를 마쳤다. 연구팀 일원인 Ard Nieuwenhuizen 박사는 “기계적으로 설계된 이 밭 구조를 통해 고랑의 경로를 선명히 정의할 수 있다. 고랑을 따라 식물을 분석함으로써 고랑 틈에서 자라나는 식물들 중 잡초만 잡아낼 수 있다”고 설명했다.

하지만 고랑을 따라 재배되고 있는 식물 사이에서 잡초가 성장할 확률은 여전히 존재한다. 따라서 이 시스템은 고랑이 아닌 안쪽에 있는 식물에 먼저 초점을 맞추고, 식물이 가진 색이나 적외선적 특성 등을 검사·분석한다. 감자에 대한 정보를 획득한 소프트웨어를 사용하면 고랑에 있는 식물의 종류를 분석 및 파악할 수 있다. 사탕무 공장에서 활약하는 경우도 마찬가지다.

Nieuwenhuizen 박사는 “농업 영상 시스템이 수행해야 할 추가적인 사항은 물이나 질소 함유량과 같은 토양 성분을 분석하는 것”이라며, “일정하지 않은 이 조건들은 식물 고유의 색체나 성질 등으로 이어진다”고 말했다. 그는 “시스템은 이런 상황에서도 문제없이 분석하기 위해 매 10미터마다 조정 작업을 수행함으로써 서로 인접해있는 식물들을 비교할 수 있다”고 설명했다.

한편, 원치 않는 식물이 성장한다면 마이크로스프레이어로 제초제를 살포해야 한다. 연구진이 개발한 시스템은 야생 감자에 5마이크로리터 단위로 제초제를 살포한다. 시간당 3킬로미터 단위로 움직이는 마이크로스프레이어는 ±15㎜ 정밀도를 자랑한다.

유연하고 강력한 산업용 카메라
연구진은 시스템에 적용할 카메라로 Allied Vision Technologies의 Marlin 카메라를 선택했다. 악조건 속에서도 안정적으로 작업할 수 있다는 것이 선택 요인이었다.
Nieuwenhuizen 박사는 “뿐만 아니라 판독 범위·셰이딩 보정·트리거 교정 등을 개인적 필요나 요구에 따라 구성할 수 있다”고 말했다.

수확량 증가·환경 보호
연구진이 시제품을 작업에 사용해본 결과는 성공적이었다. 자동화 솔루션은 야생 감자를 효과적으로 없앨 수 있었다. 솔루션을 통해 경제적인 이득뿐 아니라 생태계적인 이득도 얻을 수 있었다. 원하지 않는 식물에만 제초제를 분사함으로써 시스템 도입 이전 대비 제초제 양을 획기적으로 줄였으며 비용 역시 감소시켰다.

이 시스템은 두 가지 방법을 통해 환경에 미치는 악영향을 줄였다. 적은 독성분만으로 야생 감자를 없앨 수 있었으며, 질병 관리 시스템을 통해 잡초 발생률을 초기에 줄임으로써 사탕무의 성장주기 전체에 필요한 화학적 처리를 줄였다.

여러 기업들이 이 시스템에 관심을 보이고 있다. 하지만 야생 감자를 제거하는 데에 그치지 않고 다양한 불필요한 식물들을 없애기까지는 개발이 더욱 필요하다.

또한 와게닝겐 대학의 다른 연구팀은 마찬가지로 Allied Vision Technologies의 카메라를 사용해 농약을 살포하지 않고도 불필요한 식물들을 제거하는 시스템을 개발하고 있다. 이 시스템은 농약 대신 기계적인 제거 방법을 택해 유기농 농업에 널리 쓰이게 될 전망이다.

농업 분야에 있어 디지털 영상처리 시스템은 아직 도입 초기 단계에 머물러 있다. 하지만 이 잡초 제거 시스템을 통해 우리 시대의 두 가지 상반된 과제를 해결할 수 있다. 경제적이면서도 환경적인, 지속 가능한 생산이 그것이다.