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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김성준
- 발행연도
- 2016
- 저작권
- 건국대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수7
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매년 여름철 반복되는 조류 대발생에 신속 대응하고자 많은 노력을 기하고 있음에도 불구하고, 최근 남조류 대발생으로 인한 오염은 수질관리(보건, 위생) 측면에서 큰 문제가 되고 있다. 따라서 이를 유해조류대발생(Harmful Algal Bloom, HAB)으로도 표현하여 주기적으로 모니터링하고, 발생 정도에 따라 수질예보제 및 조류경보제를 실시하는 등 신속히 대응을 위한 노력이 계속되고 있다.
그러나 종종 유해남조류 세포수는 기준(5,000 cell/mL)을 초과하여 경보 발령상황이었음에도 불구하고 클로로필-a(Chlorophyll-a, Chl-a) 농도는 기준(25 ㎎/㎥) 미만으로 경보가 발령되지 않은 사례가 발생하였다. 이에 2016년부터는 Chl-a 농도가 조류경보 기준에서 삭제되었으며, 유해 남조류 세포수만을 기준으로 단일화하여 발령하게 되었다. 일부 세포수와 농도는 상관관계를 가지나, 세포의 성장단계 및 상태에 따라 유해물질 함유량이 다를 수 있으므로 보다 정확히 남조류를 정량하기 위한 기법 개발이 요구되었다.
남조류가 가진 고유 색소인 피코시아닌(phycocyanin, PC)을 이용한 농도 추정을 통해 남조류를 정량적으로 분석 가능하나, 현재 국내에서는 수질오염공정시험법과 같은 규정된 실험법이 없으며, 기존 연구에서 제안된 추출 기법도 통일성을 찾기 힘든 실정이다.
따라서, 본 연구에서는 물질이 가지고 있는 흡수(absorbtion)와 산란(scattering)의 함수로 이루어진 고유분광특성(Inherent Optical Properties, IOPs)을 이용하여 수체 내 각 성분을 분리하고, PC 농도를 추정하는 경험식을 제안하고자 하였다. 수체에서 일어나는 원격반사도를 포함한 외재적분광특성(Apparent Optical Properties, AOPs)은 초분광센서를 활용하여 측정되었으며, 실험실에서 각 물질별 IOPs를 측정하여 비교함으로써 모델의 안정성을 높였다. 또한 모형의 정확도를 높이고자 PC 추출 기법 최적화 과정을 거쳐 가장 효율적인 추출 기법을 제시하였다. 본 연구에서 제안한 Optimized IOPs Inversion Model-Korea (OIIM-K)는 기존 다중분광정보 기반 모델의 한계를 개선함과 동시 국내 실정에 맞는 남조류 농도 추정이 가능하다는 장점이 있다. 모델 적용 결과, Chl-a의 실측 값과의 관계는 결정계수 0.74, 상대제곱근오차 39.94 %, 평균 상대오차 48.21 %로 안정적인 결과를 보였다. 또한 PC는 결정계수 0.98, 상대제곱근오차 81.40 %, 평균 상대오차 27.23 %로 모델 적용이 유의수준임을 확인하였다. 향후 남조류 이외의 종이 우점하거나 우점종 천이 시기가 달라질 경우 정확도를 높이기 위한 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다.
그러나 종종 유해남조류 세포수는 기준(5,000 cell/mL)을 초과하여 경보 발령상황이었음에도 불구하고 클로로필-a(Chlorophyll-a, Chl-a) 농도는 기준(25 ㎎/㎥) 미만으로 경보가 발령되지 않은 사례가 발생하였다. 이에 2016년부터는 Chl-a 농도가 조류경보 기준에서 삭제되었으며, 유해 남조류 세포수만을 기준으로 단일화하여 발령하게 되었다. 일부 세포수와 농도는 상관관계를 가지나, 세포의 성장단계 및 상태에 따라 유해물질 함유량이 다를 수 있으므로 보다 정확히 남조류를 정량하기 위한 기법 개발이 요구되었다.
남조류가 가진 고유 색소인 피코시아닌(phycocyanin, PC)을 이용한 농도 추정을 통해 남조류를 정량적으로 분석 가능하나, 현재 국내에서는 수질오염공정시험법과 같은 규정된 실험법이 없으며, 기존 연구에서 제안된 추출 기법도 통일성을 찾기 힘든 실정이다.
따라서, 본 연구에서는 물질이 가지고 있는 흡수(absorbtion)와 산란(scattering)의 함수로 이루어진 고유분광특성(Inherent Optical Properties, IOPs)을 이용하여 수체 내 각 성분을 분리하고, PC 농도를 추정하는 경험식을 제안하고자 하였다. 수체에서 일어나는 원격반사도를 포함한 외재적분광특성(Apparent Optical Properties, AOPs)은 초분광센서를 활용하여 측정되었으며, 실험실에서 각 물질별 IOPs를 측정하여 비교함으로써 모델의 안정성을 높였다. 또한 모형의 정확도를 높이고자 PC 추출 기법 최적화 과정을 거쳐 가장 효율적인 추출 기법을 제시하였다. 본 연구에서 제안한 Optimized IOPs Inversion Model-Korea (OIIM-K)는 기존 다중분광정보 기반 모델의 한계를 개선함과 동시 국내 실정에 맞는 남조류 농도 추정이 가능하다는 장점이 있다. 모델 적용 결과, Chl-a의 실측 값과의 관계는 결정계수 0.74, 상대제곱근오차 39.94 %, 평균 상대오차 48.21 %로 안정적인 결과를 보였다. 또한 PC는 결정계수 0.98, 상대제곱근오차 81.40 %, 평균 상대오차 27.23 %로 모델 적용이 유의수준임을 확인하였다. 향후 남조류 이외의 종이 우점하거나 우점종 천이 시기가 달라질 경우 정확도를 높이기 위한 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다.
목차
Ⅰ. 서 론 11.1. 연구 배경 및 목적 11.1.1 물 관리 현황 11.1.2 조류 대발생 및 대응 현황 21.1.3 조류 원격모니터링 71.1.4 초분광센서를 이용한 조류 정량화 알고리즘 91.1.5 연구 목적 121.2. 연구 동향 131.2.1 국내 동향 131.2.2 국외 동향 161.3. 연구 절차 19Ⅱ. 자 료 및 방 법 212.1. 분광 특성 기본 이론 212.2. 대상 지역 272.3. 현장 자료 수집 292.3.1 시료 채수 및 수질 측정 292.3.2 원격반사도 측정 및 보정 312.4. 실내 자료 분석 352.4.1 Chl-a 추출 352.4.2 PC 추출 362.4.3 물질별 IOPs 측정 592.4.3.1 실험 장비 및 과정 612.4.3.2 식물플랑크톤 흡수계수(aph) 측정 642.4.3.3 유색용존유기물질 흡수계수(acdom) 측정 682.5. 기존 고유분광특성 변환 모델(IOPs Inversion Model) 분석 712.5.1 A Single Band Ratio Empirical model 722.5.2 Semi-Empirical Model 732.5.3 Multiple Band Linear Regression Model 742.5.4 Nested Band Semi-Empirical Model 74Ⅲ. 결 과 및 고 찰 773.1 수질 측정 분석 결과 783.2 AOPs 측정 및 보정 결과 893.3 IOPs 측정 및 보정 결과 913.4 고유흡광계수(a*) 추정 943.5 기존 IOPs Inversion Model 비교 973.6 개선 IOPs Inversion Model 제안 1013.7 OIIM-K 적용 결과 113Ⅳ. 요 약 및 결 론 117참 고 문 헌 119ABSTRACT 129부 록 131
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