사과 속살 특성까지 '초분광'으로 신속 정확 판별

다음은 대한민국 정부 부처 보도자료 '사과 속살 특성까지 '초분광'으로 신속 정확 판별'에 대한 상세하고 포괄적인 요약입니다.

1. 핵심 요약

농촌진흥청은 2025년 9월 22일, 사과 속살의 품종 및 품질 특성을 신속하고 정확하게 판별할 수 있는 '초분광 특수 카메라 기반 분석 방법'을 확립했다고 발표했습니다. 이 기술은 기존 육안이나 일반 카메라로는 확인하기 어려웠던 사과의 물리·화학적 내부 특성과 흠집, 멍, 생리장해 등 이상 여부를 94.3%의 높은 정확도로 판별하며, 과실 분석 기술 고도화의 기반을 마련했습니다. 특히, 새로 보급되는 비적색 계열 사과 품종의 특성 정보를 효율적으로 축적하고, 다양한 작물의 품질 향상에 기여할 것으로 기대됩니다. 이 원천기술은 관련 특허 출원(10-2024-0190520)을 완료했으며, 향후 당도 예측 지수 개발을 통해 사과 품질 정보를 종합적으로 제공할 계획입니다.

2. 주요 내용

• 초분광 기반 사과 특성 분석 원천기술 확보: 농촌진흥청은 사과 품종과 품질 특성을 정확하고 신속하게 분석할 수 있는 '초분광 특수 카메라 기반 분석 방법'을 확립하여 과실 분석 기술 고도화의 기반을 마련했습니다. 이 기술은 사과의 외부뿐만 아니라 보이지 않는 속살의 물리·화학적 특징까지 파악할 수 있습니다.
• 높은 판별 정확도 확보: 연구진은 기존 사과 과실 판별에 적합한 식생지수 50개를 선별하고, 초분광 카메라로 촬영한 이미지를 바탕으로 6개의 신규 식생지수를 개발했습니다. 이 신규 지수 6개를 활용한 결과, 사과 품종 및 품질 특성 판별 정확도는 94.3%로 나타나, 기존 지수 50개를 활용했을 때의 정확도(95.6%)와 거의 차이가 없는 높은 수준을 보였습니다.
• 육안 식별 어려운 내부 특성 및 결함 판별: 개발된 초분광 기술은 눈이나 일반 카메라로 구분하기 어려운 적색 품종의 미묘한 특성을 판별할 수 있습니다. 또한, 과실의 흠집, 멍, 생리장해 등 눈으로 찾기 어려운 내부 이상 여부까지 미리 확인할 수 있어, 고품질 사과 선별에 혁신적인 기여를 할 것으로 기대됩니다.
• 비적색 계열 사과 품종 분석 체계화: 농촌진흥청은 '썸머킹'(청색), '골든볼', '황옥'(황색) 등 비(非) 적색 계열 사과 품종을 현장에 보급해왔으며, 이 새로운 품종들의 특성 정보를 빠르게 축적하기 위한 표현형 분석 방법의 체계화가 필요했습니다. 초분광 기술은 이러한 신품종의 특성 분석을 효율적으로 수행하는 데 핵심적인 역할을 합니다.
• 기술 특허 출원 및 현장 적용성 증대: 관련 기술은 '작물 과실 특성 분석을 위한 식생지수 생성하는 방법 및 장치'라는 명칭으로 특허 출원(출원번호: 10-2024-0190520)을 완료했습니다. 농촌진흥청 농업생명자원부 김남정 부장은 초분광 이미지를 활용한 식생지수 선별 및 개발을 통해 현장 적용성을 크게 높였다고 강조했습니다.
• 초분광 기술의 원리 및 장점: '초분광(Hyperspectral)' 기술은 수백 개의 스펙트럼(파장)을 동시에 촬영하여 각 스펙트럼별 이미지와 스펙트럼 값을 추출할 수 있는 영상 센서를 활용합니다. 이는 빨강, 초록, 파랑 세 가지 파장만 인식하는 일반 RGB 카메라와 달리, 400nm에서 2500nm 영역 내 2~6nm 간격의 수백 개 파장을 정밀 분석하여 작물의 물질 구성(생리물질, 수분)이나 병징 등 물리생화학적 복합 형질 특성을 파악할 수 있게 합니다.
• 식생지수의 역할: '식생지수'는 분광(스펙트럼) 값을 기반으로 식물체의 상태(건강 정도), 병징, 내재한 대사물질을 추정하도록 개발된 지표입니다. 이번 연구에서는 3가지 선발기법(Boruta, MI+Lasso, RFE)을 활용한 앙상블 방법으로 식생지수를 선별하고, PLS-DA(부분 최소 제곱 판별 분석) 및 ANOVA(분산 분석)를 통해 특정 스펙트럼을 탐색하여 신규 지수를 개발했습니다.

3. 배경 및 목적

사과는 2023년 한국농촌경제연구원의 '식품소비행태조사'에서 소비자가 가장 선호하는 과일 1위(15.1%)에 오를 만큼 국민 과일로서 중요한 위치를 차지하고 있습니다. 농촌진흥청은 소비자의 선택 폭을 넓히고 출하 시기를 다변화하기 위해 '썸머킹'과 같은 청색 계열, '골든볼', '황옥'과 같은 황색 계열 등 비(非) 적색 계열 사과 품종을 지속적으로 개발하고 현장에 보급해왔습니다. 그러나 이러한 새로운 품종들이 현장에 성공적으로 안착하고 품질을 유지하기 위해서는 품종별 특성 정보를 빠르고 정확하게 축적할 수 있는 체계적인 표현형 분석 방법이 절실했습니다. 기존의 육안 검사나 일반 디지털(RGB) 카메라를 통한 분석은 사과의 외부 특성 파악에 국한되어, 과실 내부의 미묘한 물리·화학적 변화나 초기 단계의 생리장해, 멍 등을 감지하는 데 한계가 있었습니다.

이러한 배경 아래, 본 기술 개발의 주요 목적은 기존 육안이나 일반 디지털(RGB) 카메라로는 파악하기 어려웠던 사과의 내부 물리·화학적 특성까지 정밀하게 분석하여 과실의 품질을 객관적으로 평가하고 선별하는 기술을 고도화하는 데 있습니다. 특히, 신규 보급 품종의 특성 분석을 가속화하고, 과실의 흠집, 멍, 생리장해 등 눈에 보이지 않는 이상 여부를 조기에 감지하여 고품질 사과 생산 및 유통을 지원함으로써 농가 소득 증대와 소비자 만족도 향상에 기여하는 것입니다. 궁극적으로는 과실 분석 기술의 정확도와 효율성을 높여 국내 과수 산업의 경쟁력을 강화하고, 스마트 농업 기술 발전에 중요한 발판을 마련하는 것을 목표로 합니다.

4. 세부 추진 내용

농촌진흥청 연구진은 사과의 외부 모양과 색상을 분석하는 기존 디지털(RGB) 카메라 기술을 기반으로, 사과 속살의 물리·화학적 특성까지 정밀하게 확인할 수 있는 '초분광 특수 카메라 기반 분석 방법'을 확립했습니다. 이 방법은 일반적인 RGB 카메라가 빨강(Red), 초록(Green), 파랑(Blue)의 세 가지 파장만을 인식하는 것과 달리, 초분광 카메라는 400nm에서 2500nm 영역 내 수백 개의 미세한 파장 간격으로 스펙트럼(분광) 값을 동시에 촬영하여 각 스펙트럼별 이미지와 값을 추출할 수 있는 첨단 영상 센서를 활용합니다. 이를 통해 작물의 물질 구성(생리물질, 수분), 병징 등 물리생화학적 복합 형질 특성을 파악할 수 있어, 육안이나 일반 카메라로는 찾기 어려운 미세한 상처나 병징까지도 정밀하게 확인 가능합니다. 초분광 영상은 RGB 영상이 평면적인 정보를 제공하는 것과 달리, 수백 개의 파장 정보를 통해 입체적인 물질 구성 정보를 제공하는 것이 특징입니다.

세부적으로, 연구팀은 먼저 반복 검증 과정을 거쳐 사과 과실 판별에 적합한 기존 식생지수 50개를 선별했습니다. '식생지수'란 분광(스펙트럼) 값을 기반으로 식물체의 상태(건강 정도), 병징, 내재한 대사물질을 추정하도록 개발된 지표로, 식물의 건강 상태를 수치화하는 데 사용됩니다. 이와 함께 초분광 카메라로 사과를 촬영하여 품종별 이미지를 추출하고, PLS-DA(부분 최소 제곱 판별 분석) 및 ANOVA(분산 분석) 기법을 통해 특정 스펙트럼을 탐색하여 6개의 신규 식생지수를 독자적으로 개발했습니다. 이 신규 지수 6개를 활용한 결과, 사과 품종 및 품질 특성 판별 정확도는 94.3%로 나타나, 앞서 선별한 기존 지수 50개를 활용했을 때의 정확도(95.6%)와 거의 차이가 없는 높은 수준을 보였습니다. 이러한 연구 성과는 '작물 과실 특성 분석을 위한 식생지수 생성하는 방법 및 장치'라는 명칭으로 특허 출원(출원번호: 10-2024-0190520)을 완료하며 지적재산권으로도 보호받고 있습니다.

5. 기대 효과

이 초분광 기반 분석 기술의 도입은 사과 산업 전반에 걸쳐 혁신적인 변화와 다양한 긍정적 효과를 가져올 것으로 기대됩니다. 첫째, 육안이나 일반 카메라로는 구분이 어려웠던 적색 품종의 미묘한 특성까지도 적은 노동력과 비용으로 정확하게 판별할 수 있게 되어, 선별 과정의 효율성과 객관성이 크게 향상될 것입니다. 둘째, 눈으로 식별하기 어려운 과실 내부의 멍, 흠집, 생리장해 등 이상 여부를 조기에, 그리고 정밀하게 확인할 수 있게 됨으로써, 고품질 사과의 선별 및 유통이 가능해져 상품성 저하로 인한 손실을 최소화할 수 있습니다. 이는 농가의 소득 증대로 직결될 뿐만 아니라, 소비자들이 더욱 신뢰할 수 있는 고품질 사과를 공급받을 수 있게 하여 만족도를 높일 것입니다.

나아가, 이 기술은 사과뿐만 아니라 다양한 작물의 품질 향상에도 응용될 수 있는 범용성을 가지고 있습니다. 특히, 농촌진흥청이 보급하고 있는 '썸머킹', '골든볼', '황옥'과 같은 비적색 계열 사과 품종의 특성 정보를 빠르게 축적하고 체계화하는 데 결정적인 역할을 하여, 신품종의 시장 안착과 확산에 기여할 것입니다. 궁극적으로는 과실의 내부 품질을 과학적으로 평가하고 관리하는 새로운 표준을 제시하여 국내 과수 산업의 경쟁력을 강화하고, 스마트 농업 기술 발전에 중요한 발판을 마련할 것으로 기대됩니다.

6. 향후 계획

농촌진흥청은 이번에 확보한 초분광 기반 사과 특성 분석 원천기술을 바탕으로, 앞으로도 과실 분석 기술을 지속적으로 고도화해 나갈 계획입니다. 우선적으로, 사과의 당도를 예측할 수 있는 식생지수를 추가로 개발하여 사과의 품종, 내부 특성, 이상 여부뿐만 아니라 당도 정보까지 종합적으로 제공할 수 있는 시스템을 구축할 예정입니다. 이를 통해 소비자와 유통업체에 더욱 상세하고 신뢰도 높은 품질 정보를 제공하고, 농가에서는 수확 후 관리 및 선별 과정에서 더욱 효율적인 의사결정을 내릴 수 있도록 지원할 것입니다.

또한, 농촌진흥청 농업생명자원부 김남정 부장의 언급처럼, 초분광 이미지를 활용한 과실 내부 특성 분석 기술을 더욱 정밀하게 발전시켜 과실 분석의 정확도를 한층 더 높여나갈 것입니다. 이는 사과를 넘어 다양한 과실 작물에 대한 내부 품질 분석 기술로 확장될 가능성을 내포하고 있으며, 궁극적으로는 스마트팜 및 디지털 육종 기술과의 연계를 통해 국내 농업의 미래 경쟁력을 강화하고, 고품질 농산물 생산 및 유통 시스템을 혁신하는 데 기여할 것으로 기대됩니다.