農(nóng)林病蟲害遠(yuǎn)程診治系統(tǒng)的研究

摘要 介紹遠(yuǎn)程病蟲害診斷的重要性，探討遠(yuǎn)程病蟲害診斷系統(tǒng)的基本組成。通過對支持系統(tǒng)的3大關(guān)鍵技術(shù)的研究，設(shè)計了以知識挖掘為手段的病蟲害診斷模型子系統(tǒng)，以知識編輯為關(guān)鍵技術(shù)的病蟲害知識庫構(gòu)建子系統(tǒng)，并以SDD搜索關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了智能病蟲害檢索子系統(tǒng)；以3大技術(shù)為核心，并廣泛利用現(xiàn)代計算機技術(shù)，建立了以知識為中心的，集語音、視頻及無線通訊技術(shù)的遠(yuǎn)程病蟲害診治系統(tǒng)。系統(tǒng)基于WEB運行，可以提供不間斷服務(wù)。系統(tǒng)的應(yīng)用可以提高農(nóng)林重大病蟲害的診治決策水平及病蟲害的調(diào)控水平和效果。

關(guān)鍵詞 遠(yuǎn)程診斷；病蟲害；知識發(fā)現(xiàn)； SDD

中圖分類號S123文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2014）29-10377-04

基金項目基于模型的果園與油菜作物生產(chǎn)數(shù)字化管理平臺項目（2013AA102405）。

作者簡介胡林（1967-），內(nèi)蒙古商都人，研究員，博士后，從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究。

農(nóng)林重大病蟲害嚴(yán)重威脅著農(nóng)林業(yè)的生產(chǎn)和生態(tài)安全，農(nóng)林重大病蟲害的診斷與防治，在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和進(jìn)出口檢驗中都具有重要的地位，快速診斷與及時防治是對農(nóng)林重大病蟲害防治的基本要求，在我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)及生態(tài)建設(shè)中占有重要的地位，在診斷上的延誤，往往會造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，并對生態(tài)安全造成嚴(yán)重的威脅[1]。因此，通過利用信息技術(shù)，謀求利用計算機信息技術(shù)實現(xiàn)病蟲害的快速診斷，是人們普遍采用的方法[2-8]。主要的實現(xiàn)方法包括將傳統(tǒng)的檢索表分類系統(tǒng)制成檢索系統(tǒng)和開發(fā)病蟲害專家系統(tǒng)等。病蟲害系統(tǒng)的開發(fā)也從單機版發(fā)展到以網(wǎng)絡(luò)為載體的系統(tǒng)。但是，由于以傳統(tǒng)的分類檢索表的形式開發(fā)的系統(tǒng)，要求系統(tǒng)的應(yīng)用人員在病蟲害方面要有較為專業(yè)的知識，因而難以普及應(yīng)用。專家系統(tǒng)的開發(fā)中，專家知識庫的構(gòu)建，一直是專家系統(tǒng)構(gòu)建的難點。應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)人員和領(lǐng)域?qū)＜议g的溝通存在巨大的困難。專家的知識難以進(jìn)行有效的收集，并且一旦環(huán)境發(fā)生了變化，專家的知識也會難以滿足應(yīng)用的要求。在分析了重大病蟲害診治流程的基礎(chǔ)上，以WEB技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用了專家系統(tǒng)、數(shù)據(jù)挖掘、可視化和多媒體技術(shù)等，構(gòu)建了面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)開放、應(yīng)用彈性強、易于擴展的病蟲害遠(yuǎn)程診治系統(tǒng)。

1系統(tǒng)的總體構(gòu)架

病蟲害診斷治療的一般流程包括病蟲害的發(fā)現(xiàn)、識別、發(fā)生現(xiàn)狀及形勢預(yù)測、防治方案的擬定、實際效果評價幾個步驟。根據(jù)實際操作流程對其進(jìn)行抽象，形成了面向病蟲害診治的服務(wù)框架，見圖1。系統(tǒng)采用機器識別和專家系統(tǒng)兩種方法，進(jìn)行病蟲害的識別，并將兩種方法得到的結(jié)果進(jìn)行對比，無論相似度如何，都將診斷結(jié)果提交給用戶，并向用戶提供詳細(xì)的外形描述、形態(tài)特征以及三維模型和現(xiàn)場視頻，讓用戶進(jìn)行對照，以確定判別結(jié)果的準(zhǔn)確性。如果用戶對機器產(chǎn)生的診斷結(jié)果表示肯定，則由系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境條件作出發(fā)展形勢判定，并給出防治策略。否則系統(tǒng)向?qū)＜以诰€系統(tǒng)發(fā)出請求，由專家進(jìn)行診斷。對于特別重大的情況，可以由專家發(fā)起網(wǎng)上會診。

圖1病蟲害遠(yuǎn)程診斷流程根據(jù)系統(tǒng)流程的設(shè)計，對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行了設(shè)計?？蚣艿幕緝?nèi)容包括基于視覺技術(shù)的病蟲害識別模型，形成的識別模型儲存在規(guī)則庫中，供病蟲害機器識別調(diào)用?；诳梢暬庉嫾夹g(shù)的知識編輯系統(tǒng)，通過專家應(yīng)用知識編輯工具對知識進(jìn)行編輯，形成專家知識庫，并由知識庫按二叉樹的結(jié)構(gòu)形成推理規(guī)則，推理規(guī)則是系統(tǒng)的核心內(nèi)容。系統(tǒng)通過4個模塊將用戶與系統(tǒng)的推理機之間聯(lián)結(jié)起來。通訊模塊為系統(tǒng)的使用提供了靈活性，使得用戶和專家都可以使用多種終端進(jìn)行查詢和服務(wù)，如電話語音服務(wù)、手機短信、計算機等。搜索模塊則為用戶提供強大的搜索引擎，便于用戶靈活地進(jìn)行信息檢索，快速找到問題的解決方案。圖形圖像處理系統(tǒng)幫助用戶進(jìn)行圖形圖像的提交；圖像的智能處理實現(xiàn)在線顯微鏡的功能和病蟲害的在線實時診斷；GIS模塊方便了專家對病蟲害發(fā)生跡地的了解，各種現(xiàn)場因子的及時掌握，大大地提高了對病蟲害發(fā)生預(yù)測的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2系統(tǒng)的功能

根據(jù)對業(yè)務(wù)流程的分析及框架結(jié)構(gòu)的建立，可以確定系統(tǒng)主要實現(xiàn)的應(yīng)用服務(wù)功能包括病蟲害標(biāo)本的發(fā)現(xiàn)功能、病蟲害標(biāo)本的記錄功能、病蟲害標(biāo)本的視頻分割功能、病蟲害標(biāo)本的識別功能、專家知識的編輯功能、推理規(guī)則庫的建立、虛擬顯微鏡（立體鏡）功能、環(huán)境空間分析功能、通訊聯(lián)絡(luò)功能、診治方案生成功能、方案實施效果評價功能、用戶管理功能、數(shù)據(jù)庫和知識庫管理與維護(hù)。

以上功能的實現(xiàn)用基于組件的開發(fā)方式進(jìn)行組件的開發(fā)實現(xiàn)。大多數(shù)功能的實現(xiàn)對用戶是透明的，為方便用戶的使用[9]，客戶端的WEB頁面設(shè)計簡單易用。主要功能如圖3所示。管理端的功能基本相同，增加了數(shù)據(jù)庫管理和用戶管理的功能。

3系統(tǒng)的實現(xiàn)

系統(tǒng)建立在Window.NET平臺上，采用SQL Server 2000作為知識庫和實例庫服務(wù)器，主要構(gòu)件使用C#編寫。主要的功能實現(xiàn)包括：①病蟲害自動診斷模塊的開發(fā)與實現(xiàn)；②知識編輯工具的開發(fā)、知識庫的建立和規(guī)則的產(chǎn)生功能的實現(xiàn)；③基于SDD算法的智能搜索引擎的開發(fā)與實現(xiàn)；④基于圖形處理的虛擬儀器的開發(fā)與實現(xiàn)。

3.1病蟲害自動診斷模塊的開發(fā)與實現(xiàn)建立了基于mzLinux的嵌入式開發(fā)環(huán)境，研制了攝像頭的驅(qū)動程序和相應(yīng)的圖像處理程序，通過OEM手段完成了病蟲害診斷儀的原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)的功能是使用CCD攝像頭獲取病蟲害圖像資料，圖像經(jīng)過視頻處理技術(shù)處理，并對圖像進(jìn)行分割，選取具有典型性的圖像入庫，建立病蟲害視頻和圖像數(shù)據(jù)庫。利用特定的算法自動提取病蟲害圖形及顏色特征，并識別出病蟲害的名稱，給出具體防控方法和手段。

從硬件上看，包括嵌入式CPU、顯示屏、CCD攝像頭。圖4是硬件照片。從實現(xiàn)技術(shù)上看，流程如圖5所示。

3.2知識編輯工具的開發(fā)及規(guī)則庫的建立知識庫及推理規(guī)則的產(chǎn)生是實現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的關(guān)鍵。知識編輯系統(tǒng)的開發(fā)方便了領(lǐng)域?qū)＜易孕袑σ延械念I(lǐng)域知識進(jìn)行編輯，建立知識庫，并生成相應(yīng)的推理規(guī)則。該工具的開發(fā)大大提高了系統(tǒng)應(yīng)用的可推廣價值。知識的編輯及推理規(guī)則的產(chǎn)生如圖6所示。

3.3基于SDD算法的智能搜索引擎的開發(fā)與實現(xiàn)。SDD算法是基于半離散矩陣的算法[10]，是在SVD算法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種搜索算法，具有定義簡單、搜索效率高等優(yōu)點。經(jīng)過研究試驗，開發(fā)了中文搜索引擎，實現(xiàn)了對文本的準(zhǔn)確分詞和高效搜索。在課題研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)過深層開發(fā)，實現(xiàn)了單獨的中農(nóng)搜索網(wǎng)站。SDD的算法定義如下。

3.4基于圖像處理技術(shù)的虛擬儀器的開發(fā)與實現(xiàn)病蟲害診斷中，由于其環(huán)境的復(fù)雜性，機器的自動診斷有時難以準(zhǔn)確地鑒定出病蟲害。因此，開發(fā)出適合網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用的虛擬儀器就顯得非常重要。根據(jù)遠(yuǎn)程診斷的需求，開發(fā)了可以觀察病蟲害標(biāo)本的虛擬立體解剖鏡和虛擬顯微鏡。開發(fā)的基本原理為：將數(shù)字顯微鏡和數(shù)字解剖鏡聯(lián)接到網(wǎng)絡(luò)上，通過遠(yuǎn)程控制將圖像進(jìn)行采集，并保存在視頻與圖像數(shù)據(jù)庫，通過建立圖像的自動識別分類技術(shù)，可以實現(xiàn)病蟲害的診斷。利用圖像處理技術(shù)，開發(fā)虛擬的顯微鏡和立體觀察鏡，可以隨時進(jìn)行網(wǎng)上的圖像圖形的觀察，實現(xiàn)了實時網(wǎng)上診斷。利用這種技術(shù)可以實現(xiàn)真菌、病毒等微生物的實時診斷，彌補了目前病蟲害遠(yuǎn)程診治技術(shù)的空白。

4結(jié)論

利用.NET技術(shù)開發(fā)了面向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的農(nóng)林重大病蟲害遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)界面簡單，極易上手，已在12個省市應(yīng)用推廣。系統(tǒng)地收集了800多種病蟲害標(biāo)本數(shù)據(jù)，建立了大量的病蟲害推理規(guī)則庫，系統(tǒng)的應(yīng)用數(shù)據(jù)達(dá)到4 G。系統(tǒng)的研究與開發(fā)對于推進(jìn)病蟲害的自動識別技術(shù)及其應(yīng)用起到了積極的作用。在理論上引入了大量的先進(jìn)技術(shù)，提高了病蟲害自動識別的準(zhǔn)確率，促進(jìn)了技術(shù)的進(jìn)步。

在應(yīng)用的過程中，反映出了系統(tǒng)存在著的不足，表現(xiàn)為：①對于病蟲害的識別，在實驗室或靜態(tài)條件下，對病蟲害的識別率較高，但是在野外條件下，由于光照等條件的影響，對病蟲害的識別率還很低，系統(tǒng)難以在田間地頭得到應(yīng)用。②系統(tǒng)的圖像掃描需要借助專用的設(shè)備，還不能利用數(shù)碼相機、手機等通用設(shè)備獲取，造成了系統(tǒng)應(yīng)用推廣的瓶頸，在以后的應(yīng)用開發(fā)中應(yīng)逐步改進(jìn)。系統(tǒng)目前適合在基層農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)站等基層業(yè)務(wù)單位使用。

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和生態(tài)安全意識的提高，病蟲害診斷和防治的需求將會越來越旺盛，研究具有高效、安全、快速、準(zhǔn)確的病蟲害識別系統(tǒng)將成為行業(yè)日益突出的需求。隨著研究的深入，將會使該系統(tǒng)的應(yīng)用面逐漸展開，為推進(jìn)我國農(nóng)業(yè)有害生物的診斷防治作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 封傳紅，廖華明，羅林明，等.病蟲生物災(zāi)害遠(yuǎn)程診斷技術(shù)探討[J].中國植保導(dǎo)刊，2004（5）：5-7.

[2] 王淑芬，陳亮，張真.馬尾松毛蟲防治決策專家系統(tǒng)[J].林業(yè)科學(xué)，1992，28（1）：31-38.

[3] 齊群，耿祖群，杜永波.專家咨詢系統(tǒng)在楊樹害蟲綜合治理中的應(yīng)用[J].山東林業(yè)科技，2001（S1）：82-83.

[4] 周小燕，史巖，李道亮，等.棉花病蟲害診斷專家系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].萊陽農(nóng)學(xué)院學(xué)報，2005，22（1）：9-11.

[5] 李東暉，戴小鵬， 黃璜，等.棉花病蟲害防治過程中專家系統(tǒng)的應(yīng)用[J].福建電腦，2006（12）：1-2.

[6] 陳艷平.番茄病蟲害診斷專家系統(tǒng)知識庫的構(gòu)建[J].中國科技信息，2007（1）：68-69.

[7] 徐勝祥，賀立源，黃魏，等.基于Web的柑橘生產(chǎn)專家系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機工程與應(yīng)用，2006（1）：212-215.

[8] 陳步英.基于Web的黃瓜病蟲害專家系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[J].農(nóng)機化研究，2007（3）：159-161.

[9] 周國民，丘耘，樊景超，等.基于XML的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)[J].計算機工程與應(yīng)用，2005（21）：206-207.

[10] 樊景超，周國民.SDD算法在中文農(nóng)業(yè)網(wǎng)頁信息檢索的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2005（11）：129-131.