水稻害蟲三維標(biāo)本信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：為充分發(fā)揮水稻害蟲標(biāo)本在服務(wù)水稻生產(chǎn)中的作用，研制3D成像系統(tǒng)，將水稻害蟲標(biāo)本自動(dòng)化生成三維數(shù)字化模型。并建立水稻害蟲三維標(biāo)本信息管理系統(tǒng)，為用戶提供在線檢索服務(wù)和防治技術(shù)信息。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化；水稻害蟲三維標(biāo)本；信息管理系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP399；S435.112 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）05-1216-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.05.048

Abstract： In order to make full use of insect specimens of rice pest in rice production， 3D imaging system was developed， which made the three dimensional digital model of the automatic generation of specimens of rice insect. The rice insect specimens of three-dimensional information system was established to provide users with online information retrieval services and prevention techniques.

Key words： digitization； rice pests three-dimensional specimen；information management system

水稻是中國(guó)主要的糧食作物之一，在生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常遭受害蟲的侵害。中國(guó)水稻有害蟲300余種，其中常見的30多種，認(rèn)識(shí)這些蟲害，并提供相關(guān)信息是及時(shí)解決蟲害和防控的基礎(chǔ)。害蟲標(biāo)本是人們了解害蟲知識(shí)，鑒別害蟲種類的有效、直觀的工具之一[1]，但是標(biāo)本不利于檢索和維護(hù)，同時(shí)多次使用容易造成標(biāo)本的損壞[2]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，把害蟲標(biāo)本進(jìn)行數(shù)字化處理成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

將害蟲標(biāo)本數(shù)字化，當(dāng)今大多數(shù)采用的是二維圖像形式，這只能從某個(gè)角度去觀察害蟲。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以建立害蟲三維模型，但是這種方法建模速度慢，需要人力多，而且與實(shí)際對(duì)象的相似度上可能存在一定的偏差。有些使用分形算法建立昆蟲三維模型，通用性差[3]。此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)三維模型是基于水稻害蟲圖像自動(dòng)生成的，可以實(shí)現(xiàn)720°的自由旋轉(zhuǎn)，解決了二維圖像的缺陷，實(shí)現(xiàn)水稻害蟲的真實(shí)再現(xiàn)。同時(shí)利用Web技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水稻害蟲信息數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享。系統(tǒng)主要以黑龍江墾區(qū)水稻常見害蟲為例，為墾區(qū)農(nóng)民、農(nóng)業(yè)科技人員及相關(guān)專家之間搭建水稻害蟲的有效信息和知識(shí)共享的平臺(tái)，建立水稻害蟲三維標(biāo)本信息管理系統(tǒng)可以推動(dòng)該區(qū)水稻生產(chǎn)的信息化發(fā)展，提高水稻的產(chǎn)量和質(zhì)量。

1 水稻害蟲三維標(biāo)本信息管理系統(tǒng)的創(chuàng)建流程

系統(tǒng)采用總體規(guī)劃、分步實(shí)施的方法，如圖1所示。首先采集大量的水稻害蟲活體，制作成適合建模的害蟲標(biāo)本，然后研發(fā)標(biāo)本三維模型自動(dòng)拍攝控制臺(tái)，進(jìn)行720°害蟲圖像的拍攝，然后把拍攝的圖像自動(dòng)組成圖像矩陣，通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)水稻害蟲三維標(biāo)本的建模；通過(guò)查閱相關(guān)資料及調(diào)研，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立水稻害蟲網(wǎng)絡(luò)信息管理系統(tǒng)，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)科技人員、農(nóng)業(yè)管理人員和農(nóng)戶利用互聯(lián)網(wǎng)就可以訪問(wèn)該系統(tǒng)，為水稻生產(chǎn)提供技術(shù)咨詢服務(wù)。

2 水稻害蟲三維標(biāo)本信息管理系統(tǒng)功能模塊

黑龍江墾區(qū)水稻害蟲三維標(biāo)本信息管理系統(tǒng)主要包含新聞動(dòng)態(tài)、水稻蟲害基本知識(shí)、三維標(biāo)本制作子系統(tǒng)、識(shí)別子系統(tǒng)、在線交流、后臺(tái)管理6個(gè)功能模塊，各子模塊功能如下。

新聞動(dòng)態(tài)模塊：主要發(fā)布有關(guān)各地區(qū)遭受的水稻蟲害最新信息，以及不同時(shí)期應(yīng)注意的事項(xiàng)。使用戶能夠更好地采取防治措施。

水稻蟲害基本知識(shí)模塊：該功能模塊主要介紹黑龍江墾區(qū)水稻經(jīng)常出現(xiàn)的害蟲的所屬分類、主要特征、發(fā)生時(shí)期、為害水稻部位、為害程度、在墾區(qū)分布情況以及相應(yīng)的診治方法和防治措施。系統(tǒng)共收集30余種黑龍江墾區(qū)的水稻害蟲信息，包括每種害蟲的名稱、可以720°旋轉(zhuǎn)的水稻害蟲三維標(biāo)本模型、水稻癥狀圖像、防治措施、診治方案以及其他相關(guān)描述信息，方便用戶查詢水稻害蟲信息及診治方法。

三維標(biāo)本制作子系統(tǒng)：利用自制的多角度拍攝裝置從上、中、下三個(gè)方向拍攝害蟲標(biāo)本，然后把三個(gè)角度的圖片序列組成圖像矩陣。

識(shí)別子系統(tǒng)模塊：在該子系統(tǒng)模塊的相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)中匯集了黑龍江墾區(qū)常見的水稻蟲害的基本知識(shí)，比如蟲害的發(fā)生情況、發(fā)生期、蟲害的特征、以及為害程度等。該模塊主要實(shí)現(xiàn)以下功能：①檢索診斷功能。用戶輸入相應(yīng)的發(fā)生時(shí)期、發(fā)生特征、發(fā)生部位等信息，根據(jù)系統(tǒng)推理機(jī)能推出屬于什么類型的蟲害，并調(diào)出此害蟲的相關(guān)信息及防治措施等。②預(yù)測(cè)功能。用戶可以輸入水稻所處時(shí)期、氣象資料包括溫度、濕度、雨量信息，系統(tǒng)會(huì)給出這個(gè)時(shí)期有可能發(fā)生什么類型的蟲害，發(fā)生概率的大小，以提早防治。③知識(shí)庫(kù)的維護(hù)功能。管理員根據(jù)專家最新的研究可以更新知識(shí)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，以便能夠更加準(zhǔn)確地診斷。

在線交流模塊：農(nóng)民、科技人員、專家可以登錄該模塊中相互交流，以及時(shí)解決水稻生產(chǎn)中遇到的問(wèn)題。

后臺(tái)管理模塊：主要負(fù)責(zé)增、減水稻害蟲相關(guān)的信息以及用戶的信息，使系統(tǒng)能夠及時(shí)更新以及正常運(yùn)行。

3 水稻害蟲三維標(biāo)本信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 水稻害蟲標(biāo)本三維模型的自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 三維模型自動(dòng)化生成裝置 為了使水稻害蟲能夠更真實(shí)化地再現(xiàn)，系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)實(shí)現(xiàn)自制的3D成像系統(tǒng)，在降低成本的情況下，使建模實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，大大提高了水稻害蟲標(biāo)本數(shù)字化的效率。

如圖2的3D成像系統(tǒng)包括3D自動(dòng)成像軟件和3D拍攝硬件。硬件包含轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、照相機(jī)、燈光。轉(zhuǎn)動(dòng)裝置由轉(zhuǎn)輪底座和轉(zhuǎn)輪組成，水稻害蟲標(biāo)本放在轉(zhuǎn)盤的插針上，通過(guò)3D自動(dòng)成像軟件控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤主體與水稻害蟲的一體旋轉(zhuǎn)[4]。軟件會(huì)自動(dòng)控制相機(jī)720°拍攝取樣，全景展示害蟲各個(gè)角度的細(xì)節(jié)，將害蟲原貌細(xì)致直觀地展示給用戶。

3.1.2 三維模型生成過(guò)程 水稻害蟲標(biāo)本三維模型生成共分為三大步驟，第一步是拍攝前的準(zhǔn)備。首先把標(biāo)本固定在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的中心插針上，根據(jù)害蟲的大小調(diào)整好三個(gè)相機(jī)的焦距。第二步獲取上、中、下三個(gè)角度的圖片序列。系統(tǒng)采用0.025度的步進(jìn)電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)，每當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)225個(gè)單位，成像軟件控制電機(jī)停止1 s，同時(shí)啟動(dòng)三個(gè)相機(jī)進(jìn)行拍攝，拍攝圖片分別放在三個(gè)文件夾中。文件夾的命名為害蟲標(biāo)本的前8位英文字母（不足的添a補(bǔ)充）+a|b|c（a、b、c分別代表上、中、下），文件的順序號(hào)為2位（按拍攝順序依次排序）。每個(gè)相機(jī)拍攝64次。第三步三維模型自動(dòng)生成。利用圖像處理技術(shù)把上述的圖像序列去除插針和背景色，轉(zhuǎn)化為灰度圖像，同時(shí)為了便于在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，圖片的分辨率轉(zhuǎn)換為500×400。處理后的圖像經(jīng)過(guò)拼接算法組成64×3的組圖像矩陣，上、中、下圖像序列按序號(hào)排列分別位于第一、第二、第三列。根據(jù)圖像拼接算法調(diào)用位于不同坐標(biāo)的圖像，形成720°任意旋轉(zhuǎn)的水稻害蟲標(biāo)本三維模型。

3.2 特征信息診斷功能的設(shè)計(jì)

水稻的每種蟲害都有一定的特征，包含多種癥狀，某一癥狀可能不是一種蟲害特有的，癥狀和蟲害之間存在著網(wǎng)狀關(guān)系，在建立知識(shí)庫(kù)前首先按每個(gè)部位發(fā)生蟲害的特征進(jìn)行提取，然后再根據(jù)各種癥狀進(jìn)行水稻蟲害的識(shí)別。

系統(tǒng)選擇產(chǎn)生式規(guī)則表示方法，將案例檢索和模糊推理相結(jié)合，設(shè)計(jì)出適合水稻蟲害的診斷算法[5-7]?，F(xiàn)以二化螟蟲害為例說(shuō)明診斷的過(guò)程。在知識(shí)庫(kù)中二化螟蟲害的記錄為：X={水稻分蘗期Y1}and{稻莖后劍葉尖端變黃Y2}and{水稻心葉枯黃而死Y3}and{受害莖上有蛀孔Y4}and{孔外蟲糞很少，莖內(nèi)蟲糞多Y5}and{稻稈易折斷Y6}Then 二化螟為害造成的枯心苗 WITH Z。其中Yi（i=1，2，3，4，5，6）為第i個(gè)癥狀所占的權(quán)重值，其計(jì)算公式為：

其中Z（Si）為第i個(gè)癥狀在知識(shí)庫(kù)中的總和，∑Z（Sj）為案例庫(kù)中所有癥狀的和。

在檢索診斷時(shí)系統(tǒng)利用案例檢索和模糊推理相結(jié)合，計(jì)算篩選出與待測(cè)案例相似度最大的案例，即使沒有完全匹配，也能給出診斷結(jié)果，不同于以往的只有匹配失敗和成功兩種結(jié)果，根據(jù)相似度取值的不同可以得出三個(gè)結(jié)果。ρ為診斷的相似度，y和Y分別是用戶提供的和系統(tǒng)案例庫(kù)中的第m個(gè)癥狀的權(quán)重，ρ取值為：

診斷后可能出現(xiàn)如下三種結(jié)果：

1）匹配成功，相似度的取值為ρ≥0.95。系統(tǒng)給出診斷出的蟲類，以及具體的相關(guān)信息和防治方法。

2）診斷成功但不精確，相似度的取值為0.75≤ρ<0.95。這時(shí)需要用戶再次輸入水稻的癥狀信息，如果用戶沒有補(bǔ)充癥狀信息，系統(tǒng)會(huì)給出最接近的診斷結(jié)果以及防治方法。

3）匹配失敗，相似度的取值為ρ<0.75。說(shuō)明系統(tǒng)中沒有相關(guān)案例，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)管理員把用戶輸入的癥狀信息發(fā)布到在線交流模塊上，如果專家提供相應(yīng)的診斷結(jié)果，系統(tǒng)會(huì)把案例加入到案例庫(kù)中。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

水稻害蟲標(biāo)本數(shù)據(jù)表由基本數(shù)據(jù)和組成三維模型的多角度組圖片組成?；緮?shù)據(jù)字段如表1所示，包括害蟲的名稱、種類、寄主、分布、為害特征、發(fā)病時(shí)期、為害水稻部位、防治方法等。

4 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水稻害蟲標(biāo)本三維模型的自動(dòng)生成，以及有關(guān)害蟲的相關(guān)知識(shí)及診斷。基于跨平臺(tái)性和安全性、可操作性的考慮，系統(tǒng)采用JSP作為開發(fā)語(yǔ)言，采用SQL Server作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)的管理界面如圖3所示。

5 小結(jié)

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、專家系統(tǒng)和圖像識(shí)別技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了水稻害蟲三維標(biāo)本信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用自行開發(fā)的3D成像系統(tǒng)將水稻害蟲標(biāo)本批量化地生成三維模型，節(jié)約了大量的成本和時(shí)間，同時(shí)利用系統(tǒng)可以獲取水稻蟲害知識(shí)信息及防治技術(shù)，對(duì)水稻發(fā)生的蟲害進(jìn)行及時(shí)、科學(xué)的診斷，同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的天氣、氣溫、水稻生長(zhǎng)時(shí)期等信息能夠預(yù)測(cè)水稻可能遭受的蟲害，以便用戶及時(shí)地預(yù)防。系統(tǒng)的開發(fā)對(duì)于黑龍江墾區(qū)水稻生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姚廷山，姜國(guó)金，肖 田，等. 數(shù)字化柑桔病蟲害標(biāo)本館的創(chuàng)建[J].中國(guó)南方果樹，2013，42（4）：75-77.

[2] 范一峰，王義平，黃俊浩.昆蟲標(biāo)本圖片庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28（11）：90-91.

[3] 劉桂陽(yáng)，齊 瑛，林志偉，等.昆蟲三維標(biāo)本網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（8）：164-167.

[4] 田應(yīng)平，楊 興，朱 玲，等.數(shù)字化魚類標(biāo)本網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].漁業(yè)現(xiàn)代化，2012，39（4）：56-60.

[5] 李鑫星，傅澤田，張領(lǐng)先.農(nóng)業(yè)病蟲害遠(yuǎn)程診斷與知識(shí)呼叫中心系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41（6）：153-157.

[6] 曹婧華， 李 楠， 冉彥中， 等. 基于網(wǎng)絡(luò)的玉米病蟲害專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析[J].玉米科學(xué)，2011，19（4）：149-152.

[7] 李瓊玉. 基于案例推理的水稻病蟲害診斷專家系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].上海：上海海洋大學(xué)，2010.