KR20200107357A - Zinc and Cadmium Exploration Device in Contaminated Soil using Portable Spectrometer and Method of the Same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 금속토양 또는 금속토양 주변의 광화작용으로 인한 토양 오염도 측정을 위해 특정 물질을 탐사하는 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 휴대용 분광계를 이용하여 현장에서 취득된 영상을 분석하여 오염토양 내 아연 및 카드뮴의 분포 여부 및 함량을 측정하게 되는 휴대용 분광계를 이용한 오염토양 내 아연 및 카드뮴 탐사 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a technology for exploring a specific material to measure soil contamination due to mineralization in metallic soils or around metallic soils, and more particularly, zinc in contaminated soil by analyzing images acquired in the field using a portable spectrometer. And a device and method for detecting zinc and cadmium in contaminated soil using a portable spectrometer that measures the distribution and content of cadmium.
토양 오염이란 토양 속에 오염물질이 함유되는 현상이며, 오염물질이 섞인 폐수, 하수, 폐기물이 토양에 버려지거나 토양 주변의 광화작용을 통해 토양이 오염되기도 한다. 주요 토양오염물질로는 카드뮴, 수은, 납, 아연, 비소, 육가크로뮴 등을 들 수 있다. 위와 같은 토양오염물질은 농작물의 생육장애를 초래하며, 먹이연쇄계를 거치는 동안 사람과 가축에까지 해를 끼친다. 따라서 토양 오염도 탐사를 통해 토양 오염 실태를 파악하고, 이를 개선하기 위한 기술의 개발이 요구되고 있다.Soil pollution is a phenomenon in which pollutants are contained in the soil, and wastewater, sewage, and waste mixed with pollutants are thrown into the soil or the soil may be polluted through mineralization around the soil. Major soil pollutants include cadmium, mercury, lead, zinc, arsenic and hexavalent chromium. The above soil pollutants lead to disturbances in the growth of crops and harm to humans and livestock while passing through the food chain. Therefore, there is a demand for the development of technology to identify the state of soil pollution and improve it through soil pollution degree exploration.
종래에는 토양 오염도 탐사를 위해 현장에서 시료채취 및 화학분석을 통하여 오염원의 분포나 함량을 분석하였다. 일예로 채취된 토양을 산분해 또는 전처리하고, 불꽃을 주입하여 원자화한 후 원자에 의해서 흡수된 자외선 또는 가시광선의 양을 측정하여 시료의 화합물을 판별하는 원자흡수분광광도법이나, 시료를 고주파유도코일에 의해 형성된 아르곤 플라즈마에 주입하여 6000K~8000K로 가열 시 원자가 방출하는 발광선 및 발광각도를 측정하여 원소의 정성 및 정량 분석을 수행하는 유도결합플라즈마-원자발광분광법 등이 있다. Conventionally, the distribution or content of pollutants was analyzed through sample collection and chemical analysis in the field for soil pollution survey. For example, an atomic absorption spectroscopy method in which the collected soil is acid-decomposed or pretreated, and the amount of ultraviolet or visible light absorbed by the atom is measured after atomization by injecting a flame, or the sample is placed on a high-frequency induction coil. Inductively coupled plasma-atomic emission spectroscopy, which performs qualitative and quantitative analysis of elements by measuring the emission line and emission angle emitted by atoms when injected into the argon plasma formed by heating to 6000K ~ 8000K.
위와 같은 종래의 토양 오염도 분석 방식은 분석 과정이 복잡하여 분석 시간이 오래걸리고 비용이 증가하는 단점이 있고, 결정적으로 토양의 오염도 분포를 파악하기 위해서는 단위 구역 마다 시료를 각각 채취하여야 하기 때문에 넓은 지역의 오염도 분포를 측정하기 어려운 문제가 있었다. The conventional soil contamination analysis method as described above has disadvantages that the analysis process is complicated, which takes a long time to analyze and increases the cost. In order to determine the soil contamination distribution, it is necessary to collect samples for each unit area. There was a problem that it was difficult to measure the pollution degree distribution.
최근에는 분광촬영기와 분광영상센서를 사용하여 수광된 빛을 백 개 내지 수백 개의 파장정보로 분리하여 영상을 취득함으로써 시료의 물성, 형질 등을 매우 정확하게 식별할 수 있도록 하는 분광영상기술이 개발되었다.Recently, a spectroscopic imaging technology has been developed that enables highly accurate identification of physical properties and traits of a sample by separating the received light into hundreds to hundreds of wavelength information using a spectroscopic imaging sensor and a spectroscopic image sensor to obtain an image.
이러한 분광영상기술은 처음에는 군사용으로 항공기나 위성에 탑재하여 표적물 식별용으로 활용되었으며, 민수용으로는 농작물의 경작상태, 광물의 분포, 지구 환경조사 등의 원격탐사 분야와 종사선별, 세포분석 분야에 이용되고 있다.These spectroscopic imaging technologies were initially mounted on aircraft or satellites for military use and used to identify targets.For civil use, remote sensing fields such as cultivation conditions of crops, distribution of minerals, and global environmental surveys, and field selection, cell analysis It is being used for.
기존의 중금속 오염 탐사는 측정 범위가 너무 광범위하고, 특정 물질을 정확히 탐지하지 못하고, 대략적인 혼합물의 원소 분포만 측정 가능하기 때문에 특정 원소의 분포 탐지가 취약하여 정밀한 탐사가 불가한 문제가 있어 토양 내 특정 물질의 함유량을 탐사하기 위한 기술의 개발이 요구된다.Existing heavy metal contamination exploration has a problem that makes precise exploration impossible because the measurement range is too wide, specific substances cannot be accurately detected, and only the approximate element distribution of a mixture can be measured. There is a need to develop a technology for exploring the content of specific substances.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 분광계를 이용해 획득한 토양의 분광 영상자료를 분석하여 금속토양 주변의 광산 내부 오염물질 일예로 아연이나 카드뮴에 특화된 오염물질 분포 및 함량을 분석할 수 있는 기술을 제공하고자 한다.The present invention has been conceived to solve the above problems, and an object of the present invention is to analyze spectral image data of soil obtained using a spectrometer, and as an example of a pollutant inside a mine around a metallic soil, a pollutant specialized for zinc or cadmium We intend to provide a technology that can analyze distribution and content.
또한, 휴대용 분광계를 이용하여 현장에서 즉시 오염물질의 분포 및 함량을 분석할 수 있는 휴대용 분광계를 이용한 오염토양 내 아연 및 카드뮴 탐사 장치 및 방법을 제공함에 있다. In addition, it is intended to provide an apparatus and method for exploring zinc and cadmium in contaminated soil using a portable spectrometer capable of immediately analyzing the distribution and content of pollutants in the field using a portable spectrometer.
특히 토양 내 광물조성에 따른 중금속 흡착기작을 활용하여 토양 내 아연과 카드뮴의 함량을 휴대용 분광계를 활용하여 정확히 탐지할 수 있는 휴대용 분광계를 이용한 오염토양 내 아연 및 카드뮴 탐사 장치 및 방법을 제공함에 있다. In particular, it is intended to provide an apparatus and method for exploring zinc and cadmium in contaminated soil using a portable spectrometer that can accurately detect the content of zinc and cadmium in the soil using a portable spectrometer by utilizing the mechanism of adsorption of heavy metals according to the mineral composition in the soil.
본 발명의 일실시 예에 따른 휴대용 분광계를 이용한 오염토양 내 아연 및 카드뮴 탐사 장치는, 광산 내부 분광계 영상을 이용하여 광산 내부의 아연 및 카드뮴의 함량 또는 분포를 측정하는 것을 특징으로 한다. An apparatus for exploring zinc and cadmium in contaminated soil using a portable spectrometer according to an embodiment of the present invention is characterized in that the content or distribution of zinc and cadmium inside the mine is measured using an image of a spectrometer inside the mine.
또한, 상기 탐사 장치는, 광산 내부에 광원을 조사하여 반사되는 분광계 영상을 획득하는, 탐지부; 및 상기 탐지부의 분광계 영상을 분석하여 토양 내 아연 및 카드뮴의 함량을 분석하는 분석부를 포함한다. In addition, the probe may include: a detector configured to obtain a spectrometer image reflected by irradiating a light source inside the mine; And an analysis unit analyzing the content of zinc and cadmium in the soil by analyzing the spectrometer image of the detection unit.
또한, 상기 탐지부는, 상기 분광계 영상을 유선 또는 무선으로 상기 분석부에 송신하는 광정보 전송부를 포함하고, 상기 분석부는, 상기 광정보 전송부를 통해 송신되는 분광계 영상을 수신하는 광정보 수신부를 포함한다. In addition, the detection unit includes an optical information transmission unit that transmits the spectrometer image to the analysis unit by wire or wirelessly, and the analysis unit includes an optical information reception unit that receives the spectrometer image transmitted through the optical information transmission unit. .
또한, 상기 탐지부는 휴대용 패키지로 구성되며, 상기 분광계 영상이 유선으로 전송되는 경우 상기 분석부는 상기 탐지부와 일체로 구성되며, 무선으로 전송되는 경우 상기 분석부는 토양 외측에 배치되는 중계기에 설치되는 것을 특징으로 한다. In addition, the detection unit is configured as a portable package, and when the spectrometer image is transmitted by wire, the analysis unit is integrated with the detection unit, and when transmitted wirelessly, the analysis unit is installed on a repeater disposed outside the soil. It is characterized.
또한, 상기 탐사장치는, 1850~1900nm 파장영역을 통해 반사되는 빛의 반사도를 통해 아연 및 카드뮴의 함량 또는 분포를 측정하는 것을 특징으로 한다. In addition, the probe is characterized in that the content or distribution of zinc and cadmium is measured through reflectivity of light reflected through a wavelength range of 1850 to 1900 nm.
또한, 상기 탐사 장치는 1885~1895nm 영역의 파장을 통해 반사되는 빛의 반사도를 통해 아연의 함량 또는 분포를 측정하는 것을 특징으로 한다. In addition, the probe is characterized in that the content or distribution of zinc is measured through reflectivity of light reflected through a wavelength in a range of 1885 to 1895 nm.
또한, 상기 탐사 장치는 1850~1860nm 영역의 파장을 통해 반사되는 빛의 반사도를 통해 카드뮴의 함량 또는 분포를 측정하는 것을 특징으로 하는, 휴대용 분광계를 이용한 오염토양 내 아연 및 카드뮴 탐사 장치.In addition, the exploration device is characterized in that to measure the content or distribution of cadmium through the reflectivity of light reflected through a wavelength in the 1850 ~ 1860nm range, Zinc and cadmium in contaminated soil using a portable spectrometer.
본 발명의 일실시 예에 따른 휴대용 분광계를 이용한 오염토양 내 아연 및 카드뮴 탐사 장치를 이용한 탐사 방법은, 광산 내부에 광원을 조사하는 광원 조사단계(S10); 토양에 조사된 광원이 반사된 분광계 영상을 획득하는 분광계 영상 획득 단계(S20); 상기 분광계 영상을 저장하는 영상 저장 단계(S40); 저장된 분광계 영상을 분석하여 토양 내 아연 및 카드뮴 함량을 연산하는 아연 및 카드뮴 함량 연산 단계(S50); 및 연산된 아연 및 카드뮴의 함량을 제공하는 아연 및 카드뮴 함량 제공단계(S60)를 포함한다. A method for exploring zinc and cadmium in contaminated soil using a portable spectrometer according to an embodiment of the present invention includes: a light source irradiation step (S10) of irradiating a light source inside a mine; A spectrometer image acquisition step of obtaining a spectrometer image in which the light source irradiated to the soil is reflected (S20); An image storage step of storing the spectrometer image (S40); A zinc and cadmium content calculation step (S50) of analyzing the stored spectrometer image to calculate zinc and cadmium content in the soil; And a zinc and cadmium content providing step (S60) of providing the calculated zinc and cadmium content.
또한, 상기 탐사 방법은, 탐지부(10)에서 획득한 분광계 영상을 분석부(20)로 유선 또는 무선 전송하는 영상 전송 단계(S30); 를 더 포함한다. In addition, the detection method may include an image transmission step (S30) of transmitting the spectrometer image acquired by the
아울러, 상기 아연 함량은 아래의 식 1을 통해, 카드뮴 함량은 아래의 식 2를 통해 산출되는 것을 특징으로 한다. In addition, the zinc content is characterized in that it is calculated through Equation 1 below, and the cadmium content is calculated through Equation 2 below.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 휴대용 분광계를 이용한 오염토양 내 아연 및 카드뮴 탐사 장치 및 방법은, 분광계 영상을 통해 토양 주변에 광화작용으로 인해 토양에 포함될 수 있는 아연이나 카드뮴의 분포 및 함량을 탐지하여 금속토양 주변의 토양 내 오염도 탐지 신뢰도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.The apparatus and method for detecting zinc and cadmium in contaminated soil using a portable spectrometer of the present invention having the above configuration detects the distribution and content of zinc or cadmium that may be included in the soil due to mineralization around the soil through a spectrometer image. Thus, there is an effect that can improve the reliability of detection of contamination in soil around metallic soil.
특히 휴대용 분광계를 이용하여 토양오염도를 탐사하기 때문에 현장에서 즉시 광범위한 지역의 오염도 분석이 가능한 효과가 있다.In particular, since the soil pollution level is investigated using a portable spectrometer, it is possible to analyze the pollution level of a wide area immediately at the site.
나아가 지속적인 토양 모니터링을 통해 농업 생산력을 향상시키며, 폐금속토양의 토양오염 실태 조사에 활용이 가능하고, 아연이나 카드뮴 같은 중금속 원소는 유용 광물의 지시원소로 사용될 수 있어 광체를 찾거나, 광맥의 연장부 확인에 유용하게 사용될 것으로 기대된다. Furthermore, it improves agricultural productivity through continuous soil monitoring, and can be used to investigate the actual condition of soil pollution in waste metal soils, and heavy metal elements such as zinc and cadmium can be used as indicator elements of useful minerals to find ore bodies or to extend veins. It is expected to be useful in confirming wealth.
도 1은 빛의 파장에 따라 토양에서 반사되는 빛의 반사도를 나타낸 그래프
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 휴대용 분광계를 이용한 토양 내 아연 및 카드뮴 탐사 장치의 블록도
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 휴대용 분광계를 이용한 토양 내 아연 및 카드뮴 탐사 방법의 순서도
도 4는 빛의 파장에 따라 아연에서 반사되는 빛의 반사도를 나타낸 그래프
도 5는 빛의 파장에 따라 카드뮴에서 반사되는 빛의 반사도를 나타낸 그래프1 is a graph showing the reflectivity of light reflected from the soil according to the wavelength of light
2 is a block diagram of a device for exploring zinc and cadmium in soil using a portable spectrometer according to an embodiment of the present invention
3 is a flow chart of a method for detecting zinc and cadmium in soil using a portable spectrometer according to an embodiment of the present invention
4 is a graph showing the reflectivity of light reflected from zinc according to the wavelength of light
5 is a graph showing the reflectivity of light reflected from cadmium according to the wavelength of light
본 발명을 설명하기에 앞서 본 발명의 기본원리에 대하여 간단히 설명하기로 한다. 도 1에는 빛의 파장에 따라 토양에서 반사되는 빛의 반사도를 나타낸 그래프가 도시되어 있다. 토양은 철산화물과, 유기물질, 물 및 점토광물을 포함하여 이루어지며, 빛을 조사하는 경우 도 1에 도시된 바와 같이 파장에 따라 반사도가 달라지는데, 오염물질을 많이 포함하는 토양의 경우 오염물질을 적게 포함하는 토양에 비해 반사도가 전체적으로 낮게 분포되는 것을 알 수 있다. 또한, 광산 내부의 중금속은 광물의 흡착기작특성에 따라 분광학적 반사도 변이를 발생시키게 되며, 특정물질의 함유 유무 및 함량에 따라 특정 파장대에서 반사도가 급격히 변화하는 구간이 발생하기 때문에 이를 이용하여 토양 내 특정물질의 분포나 함량을 측정하도록 하였다. Before describing the present invention, the basic principles of the present invention will be briefly described. 1 is a graph showing the reflectivity of light reflected from the soil according to the wavelength of light. The soil contains iron oxide, organic substances, water and clay minerals, and when light is irradiated, the reflectivity varies depending on the wavelength as shown in FIG. 1, but in the case of soil containing a large amount of pollutants, It can be seen that the overall reflectivity is lower than the soil containing less. In addition, heavy metals inside the mine cause a spectroscopic reflectance change according to the mineral adsorption mechanism characteristics, and a section in which the reflectivity rapidly changes in a specific wavelength range according to the presence or content of a specific substance occurs. The distribution or content of specific substances was measured.
특히 금속토양이나, 금속토양 주변의 토양은 광화작용의 특성 및 지질조건에 따라 오염원소나 구성광물이 상이하며, 토양 내 유기물질이 적게 포함되기 때문에 금속토양이나, 금속토양 주변의 토양 오염도를 탐사하기 위해서는 광물조성의 연구가 필수적이다. 따라서 본 발명은 금속토양이나, 금속토양 주변의 토양에서 흔히 검출될 수 있는 아연이나 카드뮴의 분광특성을 파악하여 아연 및 카드뮴 함량에 따란 반사도 변이가 통계적으로 유의한 파장을 선택하고, 이를 통해 토양 내 아연 또는 카드뮴의 분포나 함량을 측정하게 되는 기술을 제공하고자 한다. In particular, metal soils or soils around metal soils have different contaminants and constituent minerals depending on the characteristics of mineralization and geological conditions, and because they contain less organic matter in the soil, it is necessary to investigate the degree of soil contamination around metal soils or metal soils. For this, research on mineral composition is essential. Therefore, the present invention identifies the spectral characteristics of zinc or cadmium, which can be commonly detected in metallic soils or soils around metallic soils, and selects a wavelength whose reflectivity variation according to zinc and cadmium content is statistically significant, through which It is intended to provide a technique to measure the distribution or content of zinc or cadmium.
이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 휴대용 분광계를 이용한 오염토양 내 아연 및 카드뮴 탐사 장치(이하 '탐사 장치')에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 2에는 본 발명의 일실시 예에 따른 탐사 장치(100)의 블록도가 도시되어 있다.Hereinafter, a device for exploring zinc and cadmium in contaminated soil using a portable spectrometer according to an embodiment of the present invention (hereinafter, referred to as'exploration device') will be described in detail with reference to the drawings. 2 is a block diagram of a
도시된 바와 같이 탐사 장치(100)는 광산 내부의 분광 영상 획득을 위한 탐지부(10)와, 탐지부(10)를 통해 획득된 영상을 이용하여 토양 내 아연 및 카드뮴 함량을 분석하는 분석부(20)로 구성된다. As shown, the
본 발명의 탐사 장치(100)는 광산 내부에 아연 및 카드뮴 분포 시 토양 내 광물조성에 따른 중금속 흡착기재를 활용하며, 이는 분광학적 특성으로 나타나기 때문에 이를 통해 토양의 분광계 영상을 이용하여 토양 내 함유된 아연 및 카드뮴의 함량을 탐지하는 것을 특징으로 한다.The
보다 구체적으로 탐지부(10)는 휴대용으로 구성되어 광산 내부 또는 그 주변의 토양에서 직접 분광 영상의 획득이 가능하도록 구성될 수 있다. 탐지부(10)는 분석부(20)가 카드뮴 및 아연 예측 함량 값을 즉각적으로 도출할 수 있도록 시료의 전처리 없이 신속하게 분광정보를 취득하도록 구성될 수 있다. 이를 위해 탐지부(10)는, 광원부(11), 반사도 측정부(12) 및 광정보 전송부(13)를 포함한다. More specifically, the
광원부(11)는, 측정대상이 되는 토양에 가시광선, 적외선, 단파적외선(350~2500nm)까지의 영역을 할로겐 조명 소스(halogen light source)로 빛을 조사하도록 구성된다.The
반사도 측정부(12)는, 광원부(11)에서 조사된 빛이 토양에서 반사되어 반사된 분광 영상을 수광하도록 구성된다. 반사도 측정부(12)는, 압밀되고 평평한 토양에 휴대용 분광계를 수직으로 맞댄 상태에서 반사도를 측정하도록 구성될 수 있다. 반사도 측정부(12)는 측정한 영상정보를 최적화하고 화이트밸런스(white-balance) 하여 정확한 정보를 획득할 수 있도록 구성될 수 있다. 반사도 측정부(12)는, 수광정보를 350~1000nm, 1000~1800nm, 1800~2500nm의 세 영역 범위로 나누고 3~6nm의 해상도로 측정한 광정보를 1nm 단위의 반사도 값으로 재정리하여 광정보가 전송되도록 구성될 수 있다. 수광정보를 세 영역으로 나누는 이유는 아연과 카드뮴 함량에 민감한 파장영역을 탐지하기 위함이다. 일예로 광물의 흡착기작에 따라 발생하는 분광특성은 1800~2500nm영역에서 뚜렷하게 발생한다. 아연 및 카드뮴 탐사에 있어 요구되는 파장영역은 후의 실험에서 자세히 상술한다.The
광정보 전송부(13)는, 반사도 측정부(12)를 통해 수광된 분광 영상을 분석부(20)로 무선 또는 유선 전송하도록 구성된다. 광정보 전송부(13)가 유선으로 구성되는 경우 탐지부(10)와 분석부(20)를 연결하는 광섬유케이블(Fiber-optic cable)일 수 있고, 탐지부(10)와 분석부(20)에 연결되어 일체로 구성될 수 있다.The optical
상술한 바와 같은 탐지부(10)는 휴대용으로 구성되어 광산 내부 또는 토양 주변의 토양에서 직접 분광 영상의 획득이 가능하도록 구성될 수 있다. 탐지부(10)와 분석부(20)가 유선으로 연결되는 경우 탐지부(10)와 분석부(20)가 일체로 구성될 수도 있고, 탐지부(10)와 분석부(20)가 무선으로 연결되는 경우 분석부(20)는 탐지부(10)에서 이격되어 이동수단과 같은 중계기의 내부에 설치될 수 있다. The
분석부(20)는 기존에 구축한 또는 사용자로부터 입력받은 카드뮴 및 아연함량 예측식을 토대로 측정한 파장영역 중 최적파장 영역을 추출하여 표준 회귀식 또는 예측식에 적용한다. 이에 따라 카드뮴 및 아연 예측값이 도출되며 이 정보는 사용자에게 제공할 수 있다. 이에 대한 상세 설명은 탐사 방법에서 상세히 후술한다. The
분석부(20)는, 광정보 전송부(13)에서 전송되는 분광 영상을 수신하는 광정보 수신부(21)와, 광정보 수신부(21)를 통해 수신된 분광 영상을 저장하는 데이터베이스(22)와, 데이터베이스(22)에 저장된 분광 영상을 이용하여 토양 내 아연 및 카드뮴의 분포나 함량을 연산하는 아연 및 카드뮴 함량 연산부(23)와, 아연 및 카드뮴 함량 연산부(23)를 통해 연산된 아연 및 카드뮴 함량 분석 결과를 사용자에게 제공하는 디스플레이부(24) 및 위 광정보 수신부(21), 데이터베이스(22), 아연 및 카드뮴 함량 연산부(23) 및 디스플레이부(24)를 총괄하여 제어하는 제어부(25)를 포함하여 구성된다. The
데이터베이스부(22)는, 기존에 구축한 서버에서 제공하는 광물별, 중금속 원소별(카드뮴 및 아연)에 따른 함량 예측 표준 회귀식을 제공받거나, 사용자가 직접 입력하도록 구성될 수 있다. 또한, 탐지부(10)가 측정한 다양한 광물조성별(스멕타이트) 분광정보와 예측 중금속 함량을 저장할 수 있다.The
아연 및 카드뮴 함량 연산부(23)는, 탐지부(10)에서 측정한 수광정보 중 토양주변 토양 내 카드뮴 및 아연과 밀접한 파장영역(1850nm)을 추출하여 예측함량을 계산한다. 함량은 기존에 구축한 회귀식을 기반하여 산출된다. The zinc and cadmium
디스플레이부(24)는, 카드뮴 및 아연 함량 연산부(23)이 계산한 아연 및 카드뮴 함량 분석 결과는 사용자에게 제공한다. 이때 중금속함량에 대한 세계 각 국의 함량 기준치와 비교하여 토양 주변 토양 내 카드뮴 및 아연의 오염정도를 평가하도록 제공될 수 있다.The
제어부(25)는, 광정보 수신부(21), 데이터베이스(22), 아연 및 카드뮴 함량 연산부(23) 및 디스플레이부(24)를 총괄하여 제어하는 제어부(25)는 문제가 발생했을 시 디스플레이부에 오류메시지를 나타냄으로써 정확한 함량을 예측하도록 구성될 수 있다. 제어부(25)는, 광정보 수신부(21)에서 받는 수광정보가 적합하게 설치되어 측정되었는지, 최적화 작업이 적합하게 수행되었는지, 수신된 수광정보 내 오류정보가 존재하는지 여부를 판정할 수 있도록 구성될 수 있다. 제어부(25)는, 데이터베이스부(22)의 메모리가 충분한지, 기존 구축한 서버와 분석부가 정상적으로 연결되어있는지 여부를 확인하도록 구성될 수 있다. 아울러, 아연 및 카드뮴 함량 연산부(23)가 아연 및 카드뮴 함량값을 도출하여 디스플레이부(24)에 전송하기 전 중금속의 정성 및 정량평가에 대한 신뢰도 및 오류평가를 포함 할 수 있다.The
이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 분광 자료를 이용한 토양 내 아연 및 카드뮴 함량 탐사 장치(100)를 이용한 토양 내 아연 및 카드뮴 함량 탐사 방법에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 3에는, 본 발명의 일실시 예에 따른 휴대용 분광계를 이용한 토양 내 아연 및 카드뮴 탐사 방법의 순서도가 도시되어 있고, 도 4에는 빛의 파장에 따라 아연에서 반사되는 빛의 반사도를 나타낸 그래프가 도시되어 있고, 도 5에는 빛의 파장에 따라 카드뮴에서 반사되는 빛의 반사도를 나타낸 그래프가 도시되어 있다. Hereinafter, a method for detecting zinc and cadmium content in soil using the
우선 탐지부(10)의 광원부(11)를 이용하여 광산 및 광산 주변에 분포된 광산 토양에 광원을 조사하는 광원 조사단계(S10)를 수행한다. First, a light source irradiation step (S10) of irradiating a light source to the mine and the mine soil distributed around the mine is performed using the
다음으로, 광산 내부에 조사된 광원이 반사된 분광계 영상을 반사도 측정부(12)를 통해 획득하는 분광계 영상 획득 단계(S20)를 수행한다. Next, a spectrometer image acquisition step (S20) of acquiring a spectrometer image in which the light source irradiated inside the mine is reflected through the
다음으로, 광정보 전송부(13)를 통해 분광계 영상을 분석부(20)로 송신하고, 분석부(20)의 광정보 수신부(21)를 통해 수신하는 영상 전송 단계(S30)를 수행한다. Next, an image transmission step S30 of transmitting the spectrometer image to the
다음으로, 수신된 영상을 데이터베이스(22)에 저장하는 영상 저장 단계(S40)를 수행한다. Next, an image storage step S40 of storing the received image in the
다음으로 저장된 분광계 영상을 분석하여 토양 내 아연 및 카드뮴 함량을 연산하는 아연 및 카드뮴 함량 연산 단계(S50)를 수행한다.Next, a zinc and cadmium content calculation step (S50) of calculating the zinc and cadmium content in the soil is performed by analyzing the stored spectrometer image.
도 4를 참조하면, 아연의 함량이 많은 토양일수록 파장에 따라 반사도가 낮게 나타나며, 특히 1885~1895nm 대의 파장영역에서 다른 물질에 비해 반사도가 급격히 낮아지는 것을 볼 수 있다. 또한, 도 5를 참조하면, 카드뮴의 함량이 많은 토양일수록 파장에 따라 반사도가 낮게 나타나며, 특히 1850~1860nm 대의 파장영역에서 다른 물질에 비해 반사도가 급격히 낮아지는 것을 볼 수 있다. Referring to FIG. 4, it can be seen that the higher the content of zinc, the lower the reflectivity according to the wavelength, and in particular, in the wavelength range of 1885 to 1895 nm, the reflectivity is rapidly lowered compared to other materials. In addition, referring to FIG. 5, it can be seen that the reflectivity of the soil with a high cadmium content decreases according to the wavelength, and in particular, in the wavelength range of 1850 to 1860 nm, the reflectivity decreases sharply compared to other materials.
따라서 1885~1895nm 대의 파장영역에서의 반사도 및 1850~1860nm 대의 파장영역에서의 반사도를 분석하여 토양 내 아연 또는 카드뮴의 함유 여부 및 함량 측정이 가능하다. 1850~1900nm의 파장영역은 아연 및 카드뮴의 함량을 예측에 있어 통계적으로도 유의한 파장으로, 상기 파장의 반사도를 선형의 회귀분석에 적용함으로써 아연 및 카드뮴의 함량 예측식을 산출할 수 있다. 아연 및 카드뮴의 함량과 반사도 사이의 회귀분석을 통해 도출된 경험식은 아래 식 1과 식 2와 같다. 식 1은 아연의 함량 연산공식이고, 식 2는 카드뮴의 함량 연산공식이다.Therefore, it is possible to measure the content and whether zinc or cadmium is contained in the soil by analyzing the reflectivity in the wavelength range of 1885~1895nm and the reflectivity in the wavelength range of 1850~1860nm. The wavelength range of 1850 to 1900 nm is a statistically significant wavelength in predicting the content of zinc and cadmium, and by applying the reflectivity of the wavelength to a linear regression analysis, the content prediction equation of zinc and cadmium can be calculated. The empirical equations derived through regression analysis between the content of zinc and cadmium and the reflectivity are as in Equations 1 and 2 below. Equation 1 is the zinc content calculation formula, and Equation 2 is the cadmium content calculation formula.
위의 식들은 실험에서 사용된 데이터를 사용해서 산출된 경험식으로 식 1과 식 2에서의 계수들은 회귀분석을 통해 도출된 값이다. 식 1은 아연의 함량을 예측하는 데 있어 1889nm의 반사도가 효과적임을 보여준다. 상기 연산식에서 적합성을 의미하는 결정계수(R2)는 0.755이며, 실험에서의 관측값과 실제 광산 토양에서 검출된 함량 값의 평균제곱근오차(RMSE)는 0.3775%로, 상당히 유의한 상관성을 보여준다. 식 2는 카드뮴의 함량을 예측하는 데 있어 1854nm의 반사도가 효과적임을 보여준다. 카드뮴의 경우, 결정계수(R2)은 0.723, 평균제곱근오차는 0.0042%로 본 실시예에서 도출된 카드뮴의 경험식 또한 통계적으로 유의한 수준이다.The above equations are empirical equations calculated using the data used in the experiment, and the coefficients in equations 1 and 2 are values derived through regression analysis. Equation 1 shows that the 1889nm reflectivity is effective in predicting the zinc content. In the above equation, the coefficient of determination (R 2 ), which means suitability, is 0.755, and the root mean square error (RMSE) between the observed value in the experiment and the content value detected in the actual mine soil is 0.3775%, showing a significant correlation. Equation 2 shows that the reflectivity of 1854 nm is effective in predicting the cadmium content. In the case of cadmium, the coefficient of determination (R 2 ) is 0.723, and the root mean square error is 0.0042%, and the empirical formula of cadmium derived in this example is also statistically significant.
회귀분석을 통해 도출된 최적의 파장영역은 아연의 경우 1889nm, 카드뮴의 경우 1854nm이다. 식 1과 식 2에서 사용한 파장영역은 물과 OH기의 흡광특성에 의해 발현하는 스멕타이트와 밀접한 관련이 있는 파장이다. 본 실시예에서 상술한 연산식은 광산토양에서 다량으로 발생되는 아연 또는 카드뮴이 스멕타이트에 흡착하는 기작에 따라 발생하는 반사도의 변이를 나타내는 것으로, 광산 토양 내 아연 및 카드뮴의 함량을 식 1과 식 2를 이용하여 즉각적으로 측정할 수 있다. The optimal wavelength range derived through regression analysis is 1889 nm for zinc and 1854 nm for cadmium. Used in Equations 1 and 2 The wavelength range is a wavelength closely related to smectite expressed by the absorption characteristics of water and OH groups. In the present embodiment, the above-described calculation formula represents a variation in reflectivity that occurs according to a mechanism by which zinc or cadmium generated in a large amount in the mine soil adsorbs to smectite, and the contents of zinc and cadmium in the mine soil are expressed in Equations 1 and 2. Can be used to measure immediately.
일예로, 350~2500nm까지의 반사도(R)가 측정이 되면, 1889nm의 반사도의 값을 추출한 후 1889nm의 반사도 값이 0.5라고 가정하면, 예측된 아연 함량은 1.0695%(3.939-5.739*0.500의 계산값)일 수 있다. For example, if the reflectivity (R) of 350 to 2500 nm is measured, after extracting the reflectivity of 1889 nm, assuming that the reflectivity of 1889 nm is 0.5, the predicted zinc content is 1.0695% (3.939-5.739 * 0.500). Value).
마지막으로 디스플레이부(24)를 통해 연산된 아연 및 카드뮴의 함량을 제공하는 아연 및 카드뮴 함량 제공단계(S60)를 수행한다. Finally, a zinc and cadmium content providing step (S60) of providing the calculated zinc and cadmium content through the
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.The technical idea should not be interpreted as limited to the above-described embodiment of the present invention. As well as a variety of application ranges, various modifications can be made at the level of those skilled in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Therefore, these improvements and changes will fall within the scope of protection of the present invention as long as it is apparent to those skilled in the art.
100 : 토양 내 아연 및 카드뮴 함량 탐사 장치
10 : 탐지부
11 : 광원부
12 : 반사도 측정부
13 : 광정보 전송부
20 : 분석부
21 : 광정보 수신부
22 : 데이터베이스
23 : 아연 및 카드뮴함량 연산부
24 : 디스플레이부
25 : 제어부100: device for detecting zinc and cadmium content in soil
10: detection unit
11: light source unit
12: reflectivity measurement unit
13: Optical information transmission unit
20: analysis unit
21: optical information receiver
22: database
23: zinc and cadmium content calculation unit
24: display unit
25: control unit
Claims (10)
A device for exploring zinc and cadmium in contaminated soil using a portable spectrometer, characterized in that measuring the content or distribution of zinc and cadmium inside the mine using a spectrometer image inside the mine.
상기 탐사 장치는,
광산 내부에 광원을 조사하여 반사되는 분광계 영상을 획득하는, 탐지부;
상기 탐지부의 분광계 영상을 분석하여 토양 내 아연 및 카드뮴의 함량을 분석하는 분석부;
를 포함하는, 휴대용 분광계를 이용한 오염토양 내 아연 및 카드뮴 탐사 장치.
The method of claim 1,
The exploration device,
A detector for obtaining a spectrometer image reflected by irradiating a light source inside the mine;
An analysis unit for analyzing the content of zinc and cadmium in the soil by analyzing the spectrometer image of the detection unit;
Containing, a device for exploring zinc and cadmium in contaminated soil using a portable spectrometer.
상기 탐지부는,
상기 분광계 영상을 유선 또는 무선으로 상기 분석부에 송신하는 광정보 전송부를 포함하고,
상기 분석부는,
상기 광정보 전송부를 통해 송신되는 분광계 영상을 수신하는 광정보 수신부를 포함하는, 휴대용 분광계를 이용한 오염토양 내 아연 및 카드뮴 탐사 장치.
The method of claim 2,
The detection unit,
Including an optical information transmission unit for transmitting the spectrometer image to the analysis unit by wire or wireless,
The analysis unit,
A device for exploring zinc and cadmium in contaminated soil using a portable spectrometer, comprising an optical information receiver for receiving a spectrometer image transmitted through the optical information transmitter.
상기 탐지부는 휴대용 패키지로 구성되며,
상기 분광계 영상이 유선으로 전송되는 경우 상기 분석부는 상기 탐지부와 일체로 구성되며, 무선으로 전송되는 경우 상기 분석부는 토양 외측에 배치되는 중계기에 설치되는 것을 특징으로 하는, 휴대용 분광계를 이용한 오염토양 내 아연 및 카드뮴 탐사 장치.
The method of claim 3,
The detection unit is composed of a portable package,
When the spectrometer image is transmitted by wire, the analysis unit is integrated with the detection unit, and when transmitted wirelessly, the analysis unit is installed on a repeater disposed outside the soil. Zinc and cadmium exploration device.
상기 탐사장치는,
1850~1900nm 파장영역을 통해 반사되는 빛의 반사도를 통해 아연 및 카드뮴의 함량 또는 분포를 측정하는 것을 특징으로 하는, 휴대용 분광계를 이용한 오염토양 내 아연 및 카드뮴 탐사 장치.
The method of claim 1,
The exploration device,
A device for exploring zinc and cadmium in contaminated soil using a portable spectrometer, characterized in that the content or distribution of zinc and cadmium is measured through reflectivity of light reflected through a wavelength range of 1850 to 1900 nm.
상기 탐사 장치는 1885~1895nm 영역의 파장을 통해 반사되는 빛의 반사도를 통해 아연의 함량 또는 분포를 측정하는 것을 특징으로 하는, 휴대용 분광계를 이용한 오염토양 내 아연 및 카드뮴 탐사 장치.
The method of claim 5,
The exploration device is a device for detecting zinc and cadmium in contaminated soil using a portable spectrometer, characterized in that the content or distribution of zinc is measured through the reflectivity of light reflected through a wavelength in the 1885 ~ 1895 nm range.
상기 탐사 장치는 1850~1860nm 영역의 파장을 통해 반사되는 빛의 반사도를 통해 카드뮴의 함량 또는 분포를 측정하는 것을 특징으로 하는, 휴대용 분광계를 이용한 오염토양 내 아연 및 카드뮴 탐사 장치.
The method of claim 5,
The exploration device is a device for exploring zinc and cadmium in contaminated soil using a portable spectrometer, characterized in that the content or distribution of cadmium is measured through the reflectivity of light reflected through a wavelength in a range of 1850 to 1860 nm.
광산 내부에 광원을 조사하는 광원 조사단계(S10);
토양에 조사된 광원이 반사된 분광계 영상을 획득하는 분광계 영상 획득 단계(S20);
상기 분광계 영상을 저장하는 영상 저장 단계(S40);
저장된 분광계 영상을 분석하여 토양 내 아연 및 카드뮴 함량을 연산하는 아연 및 카드뮴 함량 연산 단계(S50); 및
연산된 아연 및 카드뮴의 함량을 제공하는 아연 및 카드뮴 함량 제공단계(S60);
를 포함하는, 휴대용 분광계를 이용한 오염토양 내 아연 및 카드뮴 탐사 방법.
In the probe method using the device for detecting zinc and cadmium in contaminated soil using the portable spectrometer of any one of claims 1 to 7,
A light source irradiation step of irradiating a light source inside the mine (S10);
A spectrometer image acquisition step of obtaining a spectrometer image in which the light source irradiated to the soil is reflected (S20);
An image storage step of storing the spectrometer image (S40);
A zinc and cadmium content calculation step (S50) of analyzing the stored spectrometer image to calculate zinc and cadmium content in the soil; And
Zinc and cadmium content providing step (S60) of providing the calculated zinc and cadmium content;
Containing, zinc and cadmium exploration method in contaminated soil using a portable spectrometer.
상기 탐사 방법은,
탐지부(10)에서 획득한 분광계 영상을 분석부(20)로 유선 또는 무선 전송하는 영상 전송 단계(S30);
를 더 포함하는, 휴대용 분광계를 이용한 오염토양 내 아연 및 카드뮴 탐사 방법.
The method of claim 8,
The exploration method,
An image transmission step (S30) of transmitting the spectrometer image obtained by the detection unit 10 to the analysis unit 20 by wire or wirelessly;
A method for exploring zinc and cadmium in contaminated soil using a portable spectrometer further comprising a.
상기 아연 함량은 아래의 식 1을 통해, 카드뮴 함량은 아래의 식 2를 통해 산출되는 것을 특징으로 하는, 오염토양 내 아연 및 카드뮴 탐사 방법.
The zinc content is calculated through Equation 1 below, and the cadmium content is calculated through Equation 2 below. A method of exploring zinc and cadmium in contaminated soil.
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| KR1020190026364A KR102194472B1 (en) | 2019-03-07 | 2019-03-07 | Zinc and Cadmium Exploration Device in Contaminated Soil using Portable Spectrometer and Method of the Same |
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| KR101780058B1 (en) * | 2016-05-31 | 2017-09-20 | (주)아세아항측 | Method of developing libraries for heavy metals in soil samples using hyperspectral sensor |
| KR20180093594A (en) * | 2017-02-14 | 2018-08-22 | 충남대학교산학협력단 | Method and portable spectrometer for measuring moisture content of soil by using light reflectance |
-
2019
- 2019-03-07 KR KR1020190026364A patent/KR102194472B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 신지혜, ‘Mineral composition and Spectral response of Heavy metal contaminated Soil : A case study of Boksu mine’(충남대학교 석사학위논문, 2018.02.28.) pp1~56.* * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102194472B1 (en) | 2020-12-23 |
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