Time Series Modeling of Soil Moisture Dynamics for Precision Irrigation in Open-Field Orchards = 노지 과수원의 정밀 관수를 위한 토양 수분 동태 시계열 모델링

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Climate change has increased the frequency of drought and flooding, making water management challenging in open-field orchards. Real-time management of soil moisture supports decision-making for appropriate irrigation levels and prevents water stress, leading to stable crop yields. Soil moisture sensors are widely used to optimize irrigation management by quantifying the available water capacity, which is defined as the difference between the field capacity (FC) and the permanent wilting point and exhibits spatiotemporal variability. In this study, a data-driven approach was introduced by analyzing time series data of Frequency Domain Reflectometry (FDR) sensor acquired in open-field orchards to dynamically estimate FC, offering practical advantages over static conventional methods. The soil water status was partitioned into increasing, saturation, and drainage phases based on the sensor-derived volumetric water content, with the classification achieving an F1-score of 0.74. Only drainage events with a duration of more than four days were selected for FC estimation. The estimates were validated against van Genuchten soil water retention curves derived from Rosetta3, consistently confirming that the estimated FC were within the conventionally assumed range of −10 to −33 kPa. Data-driven analysis of volumetric water content can provide a robust and non-destructive method for estimating site-specific FC, enabling irrigation management that dynamically responds to changing field conditions without relying on generalized soil databases.

국문 초록 (Abstract)

최근 집중호우 및 지속되는 가뭄과 같은 이상 기상 현상의 빈도가 증가하고 있습니다. 이러한 이상 기상은 특히 다년생 작물의 뿌리 생육에 심각한 스트레스를 유발합니다. 이러한 기후 변동성에 대응하기 위해 토양 수분 센서를 활용한 실시간 모니터링과 정밀 관수 관리의 중요성이 대두되고 있습니다. 일반적으로 관수 관리를 위한 지표로 사용되는 유효 수분 함량은 포장 용수량과 영구 위조점의 차이로 정의되나, 기존에 토성에 따른 고정된 상수로 사용되었던 포장 용수량이 시공간적으로 변동성을 보임에 따라 그 한계가 지적되고 있습니다. 이에 본 연구에서는 노지 과수원의 토양 수분 센서로부터 수집된 시계열 데이터를 분석하여 포장 용수량을 동적으로 추정하는 데이터 기반 분석 방법을 제시하였습니다. 토양수분 동태는 센서로부터 얻은 용적 수분 함량의 차분 값을 바탕으로 증가, 포화, 배수 단계로 구분하였으며 분류 정확도는 F1-score 0.74로 평가되었습니다. 구분된 토양 수분 단계 중 4일 이상 지속된 배수 단계만을 추출하여 포장 용수량 추정에 사용하였습니다. 추정된 포장 용수량은 토양 입도 분석 결과와 Rosetta3 프로그램을 이용하여 도출된 van Genuchten 모델의 토양 수분 보유 곡선으로 검증되었습니다. 추정된 포장 용수량은 일반적으로 포장 용수량으로 정의되는 범위(−10 ~ −33 kPa)와 일치하였습니다. 해당 값을 기준으로 배수단계에서 포장 용수량 이하의 토양 수분 데이터를 추출하여 커널 밀도 함수를 통해 식물 추출 한계선을 지정하여 유효 수분 함량의 하한선을 정량화 하였습니다. 또한, 생육 단계(휴면기와 생육기)에 따른 분리 분석을 수행하여 토양 수분 데이터의 분포가 식물의 계절적 수분 흡수 패턴을 유의미하게 반영하고 있음을 확인하였습니다. 이러한 결과는 센서 기반 토양수분 데이터의 시계열 분석이 포장 용수량과 식물 추출 한계선을 동적으로 추정할 수 있음을 시사합니다. 본 연구의 결과는 물리적인 토양 채취 없이 센서 기반의 토양 수분 데이터만으로 현장 특이적 토양 수분 특성을 파악하여 정밀 관수 관리를 최적화할 수 있는 실질적인 접근법을 제시합니다.

목차 (Table of Contents)

• LITERATURE REVIEW 1
• Advances in soil moisture measurement and data-driven applications 1
• Soil moisture sensor-based precision irrigation in orchard systems 2
• Dynamic estimation of irrigation parameters from time series soil moisture data 3
• LITERATURE CITED 6
• INTRODUCTION 10
• MATERIALS AND METHODS 13
• Experimental site 13
• Sensor installation and measurement 16
• Processing of volumetric water content data 18
• Soil water phase detection method 20
• Model performance evaluation metrics 21
• Field capacity estimation method 22
• Soil particle size analysis 22
• Determination of soil water retention curve 23
• Estimation of plant extraction limit 23
• Data preprocessing and statistical analysis 24
• RESULTS 25
• Changes in soil water content in response to water input 25
• Evaluation of soil water phase detection performance 28
• Data-driven estimation of FC 32
• Validation of estimated FC with SWRCs 35
• Estimation of PEL 39
• DISCUSSION 42
• Robustness and differentiation of methodology 44
• Practical implications for irrigation management 44
• Limitations and future directions 45
• CONCLUSION 47
• LITERATURE CITED 48
• ABSTRACT IN KOREAN 53