基于本體的玉米精準施肥決策系統(tǒng)的研究與設計

張瑩+++陳桂芬

摘 要：本體是人工智能領域近年來研究的熱點之一，它對領域中的概念進行規(guī)范的形式化的明確的描述，有效地解決系統(tǒng)間的異構及互操作難的問題，實現知識的共享及重用。文章把本體引入到玉米生產領域中，對其在玉米生產領域中進行了探索及實踐，構建了玉米精準施肥本體，開發(fā)了基于本體的玉米精準施肥決策系統(tǒng)，解決了玉米在精準施肥數據方面存在著的分散、不規(guī)范、不利于管理的問題，及語義互操作和機器理解問題，為玉米精準施肥提供了新的思路與方法，利于玉米智能系統(tǒng)的開發(fā)。

關鍵詞：本體；玉米；精準施肥；決策

引言

近些年來，玉米不僅是我國三大糧食作物之一，而且是重要的飼料和工業(yè)原料，玉米作為飼料和工業(yè)原料其發(fā)展空間是很大的。玉米生產過程中，由于農民盲目施肥現象普遍存在，造成土壤養(yǎng)分失衡，地力下降，肥料利用率低，影響了玉米的產量和品質的提高。

本體作為一種知識表示是人工智能領域研究的熱點之一。它能夠有效地解決系統(tǒng)間的異構及互操作難的問題，實現知識的共享及重用。把本體技術引入到玉米精準施肥領域，進行基于本體的玉米精準施肥決策系統(tǒng)的研究，利用本體解決玉米在精準施肥數據方面存在著的分散、不規(guī)范、不利于管理的問題，其目的就是能夠更加準確地指導農民施肥，提高玉米產量，同時減少不當施肥所產生的巨大的負作用。

1 本體理論

1.1 本體概念

本體源于哲學，是對世界上客觀存在的事物的系統(tǒng)地描述。近年來，本體（ontology）被人工智能界賦予了新的內涵，即“ontology是共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說明”。它體現出本體具有概念模型、明確、形式化和共享四層含義。其基本構成要素有類、關系、函數、公理及實例。

1.2 本體的構建與實現

大部分本體的構建都是采用手式方式進行，但由于本體構建涉及的領域不同、描述語言的不同、開發(fā)者的不同，其構建方法也不盡相同。較常見的方法為斯坦福大學開發(fā)的七步法，其過程為：

（1）確定所要構建的本體的領域及范疇。（2）考查復用現有本體的可能性，對現在本體進行復用，不僅可以降低開發(fā)難度及開發(fā)成本，還可以提高工作效率。（3）列舉出領域本體中的重要術語。（4）定義類及類的層次結構。（5）定義類的屬性。（6）定義屬性的分面。（7）創(chuàng)建本體的實例。

Protégé是Stanford大學開發(fā)的、用Java編寫的開源的本體編輯器。其優(yōu)勢在于采用圖形化的界面，與Windows應用程序風格一致，便于用戶學習與使用。它提供了類、屬性、面、實例等框架，并且以樹形的層次目錄結構顯示，通過點擊相應的項目即可增加或編輯類、子類、屬性、實例等，不需要去了解具體的本體描述語言。

2 基于本體的玉米精準施肥決策系統(tǒng)開發(fā)

肥料是重要的農業(yè)生產資料，施肥的目的不僅是為了營養(yǎng)作物，提高其產量和改善品質，而且還可以改良和培肥土壤。而缺素癥是由于營養(yǎng)失調所引起的生理病害。一般情況下缺少微量營養(yǎng)元素和缺少大量元素的外部形態(tài)特征的差別會很明顯的。玉米吸收的礦物質有多達20余種，其中氮、磷、鉀三大元素在玉米營養(yǎng)中地位突出。

文章就是利用玉米植株在不同生長時期的不同表現，對玉米進行精準施肥，開發(fā)了基于本體的玉米精準施肥決策系統(tǒng)。

2.1 本體的構建與實現

借鑒已有的本體構建方法，結合玉米生產領域實際情況，以“七步法”為指導，構建玉米精準施肥本體。利用Protégé3.4.7建立玉米精準施肥本體，使用OWL語言對玉米精準施肥本體進行描述。

2.1.1 列舉領域專業(yè)術語。經過對相關資料的進行分析、整理，并聽取領域專家意見，總結出玉米品種、施肥方法、施肥時期、肥料種類、土壤類型、種植面積、目標產量、土壤肥力、株高、葉片顏色、癥狀、種植品種、苗期、穗期、粒期、玉米缺素、缺N癥、缺P癥、缺K癥、缺Zn癥、缺素原因、補救辦法等玉米施肥領域專業(yè)術語，按自上而下、逐步細化的方法對其進行篩選，選擇出必要術語來確立類及層次關系。

2.1.2 定義類（Classes）和層次。利用Protégé選擇OWL Classes選項卡建立玉米品種、肥料種類、土壤類型、玉米缺素等類及相應子類，如圖1所示。通過菜單Project-Configure，選擇OWLVizTab，利用OWLViz查看各類間的關系。

圖1 類定義圖

2.1.3 定義屬性（Properties）及約束（Restriction）。屬性是對類進行定義的有效方法，分為對象屬性，用于描述兩個類之間的關系，及數值屬性（Data properties），用于描述個體與數值之間的關系。

通過Protégé中Properties建立對象屬性、數據屬性及其子屬性，同時對各屬性進行進一步的約束和限制，如屬性取值的類型、取值的個數、屬性的定義域、值域等。本例中建立了若干的數據屬性及對象屬性，對象屬性建立了如what_time_fertilizer（各種肥料何時施用），其domain（定義域）為fertilizer_category，range（值域）為fertilizer_time；數據屬性建立了如lackfertilizer（缺素癥狀）、remedies（補救措施）其domain（定義域）均為lack_symtom，range（值域）均為string。并對屬性進行了約束和限制。如圖2所示。

圖2 屬性設置圖

2.1.4 創(chuàng)建實例（Individuals）。整個本體構建過程中最為繁重和繁瑣的部分是創(chuàng)建實例，在此定義了吉林省常用玉米品種（40余種）、玉米缺素（12種）等實例，同時設置其相關的屬性，如缺素癥狀、防治措施等，如圖3所示。本體建立完成后使用了Protégé中集成的推理機Pellet和FaCT++，對本體進行了邏輯一致性的檢測，以保證本體結構的正確性。endprint

2.2 系統(tǒng)的功能與實現

在玉米精準施肥本體的基礎上，進行基于本體的玉米精準施肥決策系統(tǒng)的研制。系統(tǒng)開發(fā)采用Jsp/Servlet技術，開發(fā)環(huán)境為Window XP，JDK1.5，開發(fā)工具為Eclipse及語義開發(fā)工具包Jena，Tomcat為Web服務器。

2.2.1 系統(tǒng)主界面。利用構建的玉米精準施肥本體作為知識庫，進行系統(tǒng)的開發(fā)。該系統(tǒng)操作方便，界面友好，圖文并茂，更好地指導了農戶進行科學有效的施肥。

在系統(tǒng)主界面輸入用戶名及密碼，進入基于本體的玉米精準施肥決策系統(tǒng)，實現對玉米施肥的決策。

2.2.2 缺素診斷模塊。玉米由于營養(yǎng)失調會導致玉米的缺素癥的產生，玉米缺素癥對于玉米的產量及品質的影響也是很大的，故對于玉米缺素癥狀進行了診斷。

進入缺素診斷模塊后，首先要進行缺素玉米的生長時期的選擇，根據所選擇的生長時期，對其各項特征進行相應選擇，如：選擇生長期時，要玉米的株高、癥狀部位、顏色、根系情況進行選擇，然后進行診斷，會得到診斷結果及對應的缺素圖片，還可以進行缺素防治，獲得相應的防治措施；而在成熟期，則要通過株高、葉片顏色、果穗癥狀、籽粒癥狀等特征的選擇，來進行玉米缺素診斷。如圖4所示。

圖4 缺素診斷界面圖

2.2.3 追肥決策模塊。通過缺素診斷模塊的診斷后，可知玉米的缺素情況，并此模塊中對其所缺少的元素進行追肥決策。利用養(yǎng)分平衡法，輸入目標產量及種植面積，選擇土壤肥力等級，經過追肥決策，計算得出需要追加的肥料數量。如圖5所示。

圖5 追肥決策界面圖

3 結束語

以玉米精準施肥本體為知識庫，開發(fā)的基于本體的玉米精準施肥決策系統(tǒng)，實現了對于玉米缺素癥狀的診斷及追肥決策，在吉林省，榆樹市弓棚鎮(zhèn)小范圍地進行了應用，取得了一定的成效，有效地解決了玉米精準施肥數據存在的分散，不規(guī)范，不便于管理的情況。但此系統(tǒng)當前只針對于缺素癥進行施肥決策，其功能還有許多可擴展之處，本體建立也還有許多因素考慮不全面，相信將來隨著對本體、玉米精準施肥模型的不斷深入研究，其功能實現將會進一步得到完善。

參考文獻

[1]謝佳貴，王立春，尹彩俠.吉林省不同類型土壤玉米施肥效應研究[J].玉米科學，2008.

[2]于合龍，陳桂芬，畢春光.玉米精準施肥數據庫建模研究[J].玉米科學，2008.

[3]蘇亞萍.基于本體的領域知識建模研究[D].吉林大學.

[4]Protégé.http：//protege.stanford.edu[DB].2010.

[5]高嶺巍.玉米缺素癥的表現及防治[J].農業(yè)科技通訊，2011.

作者簡介：張瑩（1974-），女，河北遷安，講師，碩士，研究方向：計算機農業(yè)應用。endprint

2.2 系統(tǒng)的功能與實現

在玉米精準施肥本體的基礎上，進行基于本體的玉米精準施肥決策系統(tǒng)的研制。系統(tǒng)開發(fā)采用Jsp/Servlet技術，開發(fā)環(huán)境為Window XP，JDK1.5，開發(fā)工具為Eclipse及語義開發(fā)工具包Jena，Tomcat為Web服務器。

2.2.1 系統(tǒng)主界面。利用構建的玉米精準施肥本體作為知識庫，進行系統(tǒng)的開發(fā)。該系統(tǒng)操作方便，界面友好，圖文并茂，更好地指導了農戶進行科學有效的施肥。

在系統(tǒng)主界面輸入用戶名及密碼，進入基于本體的玉米精準施肥決策系統(tǒng)，實現對玉米施肥的決策。

2.2.2 缺素診斷模塊。玉米由于營養(yǎng)失調會導致玉米的缺素癥的產生，玉米缺素癥對于玉米的產量及品質的影響也是很大的，故對于玉米缺素癥狀進行了診斷。

進入缺素診斷模塊后，首先要進行缺素玉米的生長時期的選擇，根據所選擇的生長時期，對其各項特征進行相應選擇，如：選擇生長期時，要玉米的株高、癥狀部位、顏色、根系情況進行選擇，然后進行診斷，會得到診斷結果及對應的缺素圖片，還可以進行缺素防治，獲得相應的防治措施；而在成熟期，則要通過株高、葉片顏色、果穗癥狀、籽粒癥狀等特征的選擇，來進行玉米缺素診斷。如圖4所示。

圖4 缺素診斷界面圖

2.2.3 追肥決策模塊。通過缺素診斷模塊的診斷后，可知玉米的缺素情況，并此模塊中對其所缺少的元素進行追肥決策。利用養(yǎng)分平衡法，輸入目標產量及種植面積，選擇土壤肥力等級，經過追肥決策，計算得出需要追加的肥料數量。如圖5所示。

圖5 追肥決策界面圖

3 結束語

以玉米精準施肥本體為知識庫，開發(fā)的基于本體的玉米精準施肥決策系統(tǒng)，實現了對于玉米缺素癥狀的診斷及追肥決策，在吉林省，榆樹市弓棚鎮(zhèn)小范圍地進行了應用，取得了一定的成效，有效地解決了玉米精準施肥數據存在的分散，不規(guī)范，不便于管理的情況。但此系統(tǒng)當前只針對于缺素癥進行施肥決策，其功能還有許多可擴展之處，本體建立也還有許多因素考慮不全面，相信將來隨著對本體、玉米精準施肥模型的不斷深入研究，其功能實現將會進一步得到完善。

參考文獻

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[3]蘇亞萍.基于本體的領域知識建模研究[D].吉林大學.

[4]Protégé.http：//protege.stanford.edu[DB].2010.

[5]高嶺巍.玉米缺素癥的表現及防治[J].農業(yè)科技通訊，2011.

作者簡介：張瑩（1974-），女，河北遷安，講師，碩士，研究方向：計算機農業(yè)應用。endprint

2.2 系統(tǒng)的功能與實現

在玉米精準施肥本體的基礎上，進行基于本體的玉米精準施肥決策系統(tǒng)的研制。系統(tǒng)開發(fā)采用Jsp/Servlet技術，開發(fā)環(huán)境為Window XP，JDK1.5，開發(fā)工具為Eclipse及語義開發(fā)工具包Jena，Tomcat為Web服務器。

2.2.1 系統(tǒng)主界面。利用構建的玉米精準施肥本體作為知識庫，進行系統(tǒng)的開發(fā)。該系統(tǒng)操作方便，界面友好，圖文并茂，更好地指導了農戶進行科學有效的施肥。

在系統(tǒng)主界面輸入用戶名及密碼，進入基于本體的玉米精準施肥決策系統(tǒng)，實現對玉米施肥的決策。

2.2.2 缺素診斷模塊。玉米由于營養(yǎng)失調會導致玉米的缺素癥的產生，玉米缺素癥對于玉米的產量及品質的影響也是很大的，故對于玉米缺素癥狀進行了診斷。

進入缺素診斷模塊后，首先要進行缺素玉米的生長時期的選擇，根據所選擇的生長時期，對其各項特征進行相應選擇，如：選擇生長期時，要玉米的株高、癥狀部位、顏色、根系情況進行選擇，然后進行診斷，會得到診斷結果及對應的缺素圖片，還可以進行缺素防治，獲得相應的防治措施；而在成熟期，則要通過株高、葉片顏色、果穗癥狀、籽粒癥狀等特征的選擇，來進行玉米缺素診斷。如圖4所示。

圖4 缺素診斷界面圖

2.2.3 追肥決策模塊。通過缺素診斷模塊的診斷后，可知玉米的缺素情況，并此模塊中對其所缺少的元素進行追肥決策。利用養(yǎng)分平衡法，輸入目標產量及種植面積，選擇土壤肥力等級，經過追肥決策，計算得出需要追加的肥料數量。如圖5所示。

圖5 追肥決策界面圖

3 結束語

以玉米精準施肥本體為知識庫，開發(fā)的基于本體的玉米精準施肥決策系統(tǒng)，實現了對于玉米缺素癥狀的診斷及追肥決策，在吉林省，榆樹市弓棚鎮(zhèn)小范圍地進行了應用，取得了一定的成效，有效地解決了玉米精準施肥數據存在的分散，不規(guī)范，不便于管理的情況。但此系統(tǒng)當前只針對于缺素癥進行施肥決策，其功能還有許多可擴展之處，本體建立也還有許多因素考慮不全面，相信將來隨著對本體、玉米精準施肥模型的不斷深入研究，其功能實現將會進一步得到完善。

參考文獻

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[3]蘇亞萍.基于本體的領域知識建模研究[D].吉林大學.

[4]Protégé.http：//protege.stanford.edu[DB].2010.

[5]高嶺巍.玉米缺素癥的表現及防治[J].農業(yè)科技通訊，2011.

作者簡介：張瑩（1974-），女，河北遷安，講師，碩士，研究方向：計算機農業(yè)應用。endprint