草坪有害生物診斷系統(tǒng)的設(shè)計與構(gòu)建

岳曉霞，柳小妮，李 毅

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

草坪有害生物診斷系統(tǒng)的設(shè)計與構(gòu)建

岳曉霞，柳小妮，李 毅

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

針對草坪有害生物信息共享平臺缺乏，草坪有害生物診斷及防治難的問題，以網(wǎng)絡(luò)為運行平臺，結(jié)合eclipse開發(fā)工具和Java編程語言，設(shè)計構(gòu)建了包括用戶登錄、草坪有害生物瀏覽查詢、診斷、防治、與專家互動及系統(tǒng)管理六大功能模塊的草坪有害生物診斷系統(tǒng)。不僅將分散在書籍、文獻(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)等中的草坪有害生物信息及防治方法進(jìn)行了整合和集成，以模糊查詢的方式實現(xiàn)了35種常見草坪病害、92種草坪蟲害和102種草坪雜草的的快速查詢及瀏覽，同時提供了以文字+圖片的草坪有害生物的診斷方法。該系統(tǒng)的建立，對草坪有害生物信息的共享、草坪有害生物的準(zhǔn)確識別及科學(xué)防治具有一定的現(xiàn)實意義。

草坪；有害生物；診斷；系統(tǒng)

近30年來，草坪在社區(qū)綠化，體育運動，國土生態(tài)治理等方面有了極大的應(yīng)用，在一定程度上促進(jìn)了草坪建植技術(shù)、草坪服務(wù)、草坪產(chǎn)品和草坪科研教育理論體系的發(fā)展[1]，同時，也使得草坪業(yè)成了一門集社會產(chǎn)業(yè)，應(yīng)用產(chǎn)業(yè)，經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)于一體的綜合型產(chǎn)業(yè)[2]。草坪業(yè)在我國起步較晚，因信息交流與共享平臺缺乏、交流渠道不暢，導(dǎo)致草坪體系中知識的推廣與應(yīng)用明顯滯后于草坪業(yè)快速發(fā)展的需求，理論研究與技術(shù)實踐存在很大差距[3]。僅草坪養(yǎng)護(hù)而言，就存在很多問題，如基層草坪管理者對草坪專業(yè)知識知之甚少，養(yǎng)護(hù)管理不到位，導(dǎo)致草坪病、蟲、草害嚴(yán)重，草坪失綠，草皮衰敗，退化等現(xiàn)象隨處可見[4]，增強草坪信息的共享尤為重要。

在計算機和通信技術(shù)日趨普及和完善的現(xiàn)代社會，利用計算機強大的信息處理功能及存儲記憶能力與草坪有關(guān)科研成果相結(jié)合，實現(xiàn)信息的交換與資源共享，已成為一種新的趨勢。盡管近年來我國的科研工作者也順應(yīng)這種趨勢，研發(fā)出了與草坪信息有關(guān)的實用的系統(tǒng)[7]，但大多對草坪有害生物的診斷沒有涉及或只是作為系統(tǒng)構(gòu)成的一部分，內(nèi)容有限。研究擬構(gòu)建一個集草坪病、蟲、草害知識于一體的診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)草坪有害生物的瀏覽查詢、診斷與防治功能，為草坪的養(yǎng)護(hù)管理提供知識平臺。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體要求

系統(tǒng)主要面向從事草坪養(yǎng)護(hù)管理的一線從業(yè)人員及草坪科研人員，因此，設(shè)計系統(tǒng)時，要充分考慮到這些人員的知識構(gòu)成體系，力爭設(shè)計的系統(tǒng)在知識層面和結(jié)構(gòu)層面上，都能很好的被一線從業(yè)人員及草坪科研工作者運用。這就要求系統(tǒng)本身不僅應(yīng)該擁有良好的界面、很好的可操作性，其提供的草坪有害生物診斷功能，也應(yīng)該具有能夠根據(jù)用戶提供的信息，診斷出符合該信息的草坪有害生物的能力。此外，系統(tǒng)還應(yīng)具有實現(xiàn)草坪有害生物瀏覽查詢、用戶管理，系統(tǒng)維護(hù)等功能，方便用戶進(jìn)行草坪有害生物相關(guān)知識的瀏覽查詢、防治措施的選擇及系統(tǒng)知識的更新和管理等。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2.1 知識庫 知識庫是系統(tǒng)中知識的存儲空間，是一個診斷系統(tǒng)的核心，其知識數(shù)量的多少和質(zhì)量的高低，在一定程度上決定著系統(tǒng)性能的好壞[10]。因此，知識庫建立之初，要收集大量高質(zhì)量的與草坪有害生物相關(guān)的資料與數(shù)據(jù)信息，這些資料及數(shù)據(jù)信息主要來源于網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)資料，書籍及專家經(jīng)驗。并根據(jù)系統(tǒng)的最終目的，將收集到的知識和信息按計算機可識別的形式規(guī)范化整理，為知識的完美表達(dá)和充分利用奠定基礎(chǔ)。

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計初衷，系統(tǒng)知識庫主要收集了與草坪有害生物相關(guān)的各種基礎(chǔ)資料信息，如草坪雜草，草坪害蟲，草坪病害的相關(guān)圖片，文本信息，視頻信息等(圖1)。

圖1 知識庫結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the knowledge base

1)草坪病害 草坪病害是指草坪草在生長發(fā)育過程中受到病原生物的侵害或外界不適宜條件的干擾，導(dǎo)致其細(xì)胞和組織結(jié)構(gòu)因其新陳代謝紊亂、生理生化發(fā)生變化而產(chǎn)生的一系列病變，最終在內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部形態(tài)上表現(xiàn)異常的現(xiàn)象[12]。該系統(tǒng)包括銹病、白粉病、白絹病、幣斑病，銅斑病和雪霉病等在內(nèi)的35種常見草坪病害信息。

2)草坪害蟲 草坪害蟲，指在草坪生長過程直接以草坪草為食或?qū)Σ萜翰荼旧頍o害但卻充當(dāng)病害媒介或?qū)θ祟惤】翟斐赏{的昆蟲[13]。該系統(tǒng)收集了對草坪不同部位具有為害的各種昆蟲，包括鱗翅目(Lepidoptera)，半翅目(Hemiptera)，膜翅目(Hymenoptera)等，如小地老虎(Agrotisypsilon)，黃地老虎(A.segetum)，暗黑鰓金龜(Holotrichiaparallela)，溝金針蟲(Pleonomuscanaliculatus)，單刺螻蛄(GryllotalapunispinaSaussure)，青革土蝽(Macroscyrtussubaenus)等92種害蟲信息。

3)草坪雜草 雜草指能夠在人工生境中自然繁衍其種群的植物，以超強的環(huán)境適應(yīng)性、極大地為害性和持續(xù)性著稱，對草坪的生長有著不可忽視的為害作用[14]。該系統(tǒng)收集了禾本科(Gramineae)，菊科(Compositae)，唇形科(Labiatae)等28個科，包括牛筋草(Eleusineindica)，馬唐(Digitariasanguinalis)，狗尾草(Setariaviridis),香附子(Cyperusrotundus)，水蜈蚣(Kylliingabrevifolia),空心蓮子草(Alternantheraphiloxeroides)，天胡荽(Hydrocotylesibthorpioides)，酢漿草(Oxaliscorniculata)等，共計102種雜草的基本資料。

4)防治方法 草坪有害生物的防治，其主要目地是維護(hù)草坪在經(jīng)濟、美學(xué)及生態(tài)上的效益。但由于草坪生長的特殊性和所處生態(tài)群落的復(fù)雜性，依靠單純的化學(xué)藥劑防治不僅達(dá)不到預(yù)期的防治目的，還會殺死害蟲的天敵，導(dǎo)致其生境中的食物鏈遭到破壞[14]。因此，要以“預(yù)防為主，綜合治理”為基本原則[15]，從草坪有害生物發(fā)生的根本源為著手點，結(jié)合自然控制因素及生物手段進(jìn)行治理。

1.2.2 數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)庫是為了實現(xiàn)一定的目的，并按某種規(guī)則組織起來的“數(shù)據(jù)”的“集合”[16]，是一個計算機化的信息管理系統(tǒng)不可或缺的組成部分[17]。一個診斷系統(tǒng)運行效率的高低，數(shù)據(jù)庫的作用舉足輕重。

系統(tǒng)結(jié)合設(shè)計需求，以知識庫中的資料為基礎(chǔ)，整合計算機運行方式，基于SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，構(gòu)建了病害、蟲害和雜草數(shù)據(jù)庫(表1)。

表1 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

1.2.3 推理機 推理機是專家系統(tǒng)進(jìn)行工作和控制問題求解過程中完成數(shù)據(jù)調(diào)用和推理過程的計算機程序，是診斷系統(tǒng)的核心機構(gòu)，其具有的“思維功能”對于診斷系統(tǒng)而言不可替代[18]。此系統(tǒng)運用推理機，旨在實現(xiàn)草坪有害生物診斷功能的智能化，其推理的流程實質(zhì)就是草坪有害生物診斷的步驟(圖2)。

1.3 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由用戶登錄模塊、草坪有害生物瀏覽查詢模塊，草坪有害生物診斷模塊、草坪有害生物防控模塊及專家互動模塊構(gòu)成，后臺有系統(tǒng)管理模塊(圖3)。

1.3.1 用戶登錄模塊 用戶登錄模塊由一般用戶、注冊用戶、VIP用戶構(gòu)成。

1.3.2 瀏覽與查詢模塊 瀏覽查詢模塊主要有病害、蟲害和草害信息瀏覽查詢3個子模塊。

圖2 草坪有害生物診斷系統(tǒng)的推理流程Fig.2 The inference flow chart for diagnosis of turfgrass pests

1) 草坪病害 該模塊系統(tǒng)按照病原生物分類的方式進(jìn)行分層，分為2層。第1層為病原物類型，分為真菌性病害、細(xì)菌性病害、線蟲病害和其他病害，第2層為具體的草坪病害。

2)草坪蟲害 按照害蟲為害部位和分類地位方式分層，分4層顯示。第1層為為害部位，分為地下類害蟲和莖葉類害蟲；第2層為害蟲類別，分為金龜甲類，地老虎類，金針蟲類等，第3層為分類地位，分為鱗翅目(Lepiodoptera)、直翅目(Orthoptera)、半翅目(Hemiptera)等；第4層為具體的草坪害蟲。

3)草坪雜草 該模塊根據(jù)雜草對除草劑敏感程度和雜草之間的親緣關(guān)系以層層遞進(jìn)的方式分層顯示，第1層為雜草類別，分為單子葉雜草和雙子葉雜草兩個板塊。2個板塊又由第2層(雜草所屬的科)、第3層(雜草屬)和第4層(具體的雜草種)組成。如在雙子葉板塊中就有蓼科(Polygonaceae)、唇形科、酢漿草科(Oxalidaceae)等，在蓼科的下層即第3層則為蓼屬(Polygonum)，唇形科下屬第3層為活血丹屬(Glechoma)、香薷屬(Elsholtzia)、益母草屬(Leonurus)等，在益母草屬即第4層為具體的雜草-夏至草(Lagopsissupina)。

1.3.3 草坪有害生物診斷模塊 診斷模塊也分為病害蟲害和草害3個診斷模塊。該模塊的每個子模塊又由選擇性診斷板塊和用戶輸入板塊構(gòu)成。

1.3.4 草坪有害生物防治模塊 該模塊主要由病害、蟲害和雜草防治方法3個子模塊組成。

1.3.5 與專家互動模塊 與專家互動模塊由專家在線解答模塊，留言模塊組成。專家在線解答模塊又分為草害問題解答、病害問題解答和蟲害問題解答。留言模塊由用戶留言、草坪有害生物圖片上傳、專家答案模塊構(gòu)成。

圖3 草坪有害生物診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure of diagnostic system

1.3.6 系統(tǒng)管理模塊 系統(tǒng)管理模塊是該系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊，由用戶資料管理，用戶信息反饋，系統(tǒng)使用說明及系統(tǒng)維護(hù)構(gòu)成，負(fù)責(zé)系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理功能，這些功能包括數(shù)據(jù)庫與知識庫的更新與維護(hù)，用戶信息的管理等。

2 系統(tǒng)功能

2.1 用戶分級功能

系統(tǒng)在用戶登錄模塊設(shè)置了不同的登錄路徑，并在后臺管理模塊中設(shè)計了系統(tǒng)管理員的專享登錄路徑。如一般用戶只對系統(tǒng)對外開放的功能具有操作權(quán)利，注冊用戶則對系統(tǒng)提供的所有功能都具有操作權(quán)利，但對系統(tǒng)提供的信息沒有粘貼、復(fù)制及下載的權(quán)利，而VIP用戶除具有以上權(quán)利外，還對系統(tǒng)提供的信息具有粘貼，復(fù)制及下載的權(quán)利。注冊用戶可以根據(jù)活躍程度變?yōu)閂IP 用戶，活躍程度就是在留言模塊的留言次數(shù)和與專家互動的次數(shù)(一般不少于10次)來實現(xiàn)，系統(tǒng)本身提供用戶升級功能。

2.2 瀏覽查詢功能

系統(tǒng)提供兩種瀏覽查詢方式：

1)用戶可以在系統(tǒng)提供的對話框中輸入所要瀏覽查詢的草坪有害生物的中文名、拉丁名或別名等條件進(jìn)行精確查詢或輸入草坪有害生物的形態(tài)特征和為害特征等進(jìn)行模糊查詢及瀏覽。

2)用戶可以直接根據(jù)系統(tǒng)提供的草坪有害生物信息進(jìn)行逐一瀏覽查詢。

每種瀏覽查詢方式都包括圖片瀏覽查詢和文本瀏覽查詢，其中文本信息包括草坪有害生物的中文名、拉丁名、別名、為害特征和分布區(qū)域等(圖4)。

圖4 草坪有害生物瀏覽查詢流程圖Fig.4 The flow chart for browsing and inquiring

2.3 診斷功能

診斷功能只對注冊用戶和VIP用戶開放，提供兩種診斷方式(以草害診斷為例)?？傮w診斷流程如圖5所示。

在選擇性診斷板塊界面，用戶可以以系統(tǒng)提供的雜草信息為基礎(chǔ)，對雜草信息進(jìn)行篩選，其最終篩選結(jié)果會以雜草所在的科的圖片的形式呈現(xiàn)，如果圖片信息與用戶需求信息相近或一致，雙擊圖片，系統(tǒng)就會切換到一個新的具有該雜草詳細(xì)信息的界面，如果最終篩選結(jié)果符合用戶需求，用戶可進(jìn)行后續(xù)信息的粘貼、打印等操作；反之，則點擊菜單欄“否”按鈕，此時，系統(tǒng)會彈出“轉(zhuǎn)跳”or“返回”詢問對話框，選擇“轉(zhuǎn)跳”，系統(tǒng)就會自動切換到與專家互動界面；選擇“返回”，就會回到初始診斷界面。為了節(jié)約時間，提高診斷效率，在二次診斷的過程中，系統(tǒng)會以對話框的形式詢問是否屏蔽掉第一次錯誤診斷信息，用戶可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行選擇。

圖5 草坪有害生物診斷流程圖Fig.5 The flow chart for diagnosing

用戶借助于系統(tǒng)界面提供的輸入對話框輸入該雜草的形態(tài)特征(根、莖、葉、花、果實)，系統(tǒng)以模糊診斷的方式，在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中找到與用戶輸入字段相同的信息，經(jīng)過推理機的推理，給出用戶可能需要的圖片信息，其后續(xù)的診斷步驟同上。

草坪病害的診斷，通過病害癥狀的描述來完成。而蟲害除了與病害有相同的診斷方式外，還可以通過形態(tài)特征來診斷，其診斷方式與草害診斷方式相似。

2.4 提供防治方法的功能

該功能由草坪有害生物防治模塊來實現(xiàn)，用戶可以根據(jù)具體的診斷結(jié)果，選擇最為經(jīng)濟有效的防治方法來防治因草坪有害生物引起的災(zāi)害的進(jìn)一步擴大。

2.5 與專家互動功能

該模塊除了支持用戶提問及在線交流外，還提供留言，查看其他用戶提問記錄，查看專家解答記錄，圖片、視頻上傳下載及使用時存在問題的反饋等功能。

專家解答部分，以文字或視頻的方式給出，用戶可根據(jù)自己的實際需求選擇任一方式進(jìn)行瀏覽。而這部分的文字及視屏信息，經(jīng)管理員整理后，會存儲到系統(tǒng)知識庫中，以備知識庫更新時使用。

2.6 系統(tǒng)管理功能

系統(tǒng)管理模塊是以系統(tǒng)安全為理念設(shè)計的，如用戶資料管理功能，在實現(xiàn)對新舊用戶信息資料的管理以及注冊用戶與VIP用戶之間的角色轉(zhuǎn)換功能的同時，還對用戶資料具有加密的功能；而用戶信息反饋資料管理功能，主要實現(xiàn)用戶使用系統(tǒng)時遇到的問題的反饋，系統(tǒng)管理員可以根據(jù)反饋的信息對系統(tǒng)做進(jìn)一步的改進(jìn)，完善系統(tǒng)功能；系統(tǒng)使用說明功能，主要是幫助用戶更好的運用該系統(tǒng)；系統(tǒng)維護(hù)功能，主要用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和知識庫的編輯、更新、刪除、擴充及系統(tǒng)程序的維護(hù)等，該模塊只有系統(tǒng)管理員才可以操作。

3 小結(jié)

建立草坪有害生物診斷系統(tǒng)的主要目地是如何解決草坪有害生物信息的共享和實現(xiàn)草坪有害生物準(zhǔn)確診斷及科學(xué)防治的問題。與已開發(fā)的與草坪信息有關(guān)的其他系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)不僅在開發(fā)技術(shù)和草坪有害生物方面的信息容量上略勝一籌，而且在瀏覽查詢和診斷方式上略有創(chuàng)新，該系統(tǒng)將專家系統(tǒng)原理、模糊推理和數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合，以文字+圖片的方式實現(xiàn)了對草坪有害生物的診斷，以模糊查詢和直接瀏覽的方式實現(xiàn)了對草坪有害生物的查詢?yōu)g覽。文字+圖片的診斷方式不僅解決了因文本描述不到位導(dǎo)致診斷結(jié)果不準(zhǔn)確的問題，還提高了系統(tǒng)的可視化程度及診斷效率。既使用戶不具備草坪的專業(yè)知識，亦可在最短的時間，找到自己所需的知識，具有很好的應(yīng)用前景。

該系統(tǒng)在診斷過程中雖然采用了圖片診斷，但因照片質(zhì)量、技術(shù)及時間限制，依然無法攻克圖片模糊識別的難題，有待后續(xù)工作進(jìn)一步研究。

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Design and construction of turfgrass pests diagnostic system

YUE Xiao-xia1,2，LIU Xiao-ni1,2，LI Yi1,2

(CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem，MinistryofEducation/PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince/Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China)

In order to resolve the problems of pest information sharing platform shortage and difficulties in turfgrass pest diagnosis and control,a turfgrass pest diagnostic system with 6 functional modules (including user login,lawn pest browse query,diagnosis,control method,expert interacting and system management was designed and developed.The system integrated the information related to turfgrass pest control from different resources.The user could search and browse 35 common turfgrass diseases,92 insect pests and 102 weeds,through fuzzy query,and the relevant diagnostic methods were provided with texts and pictures.The system was helpful for users to share information on the accurate identification and scientific control of turfgrass pests.

turf；turfgrass pest；diagnosis；system

2016-03-10；

2016-04-19

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)校級教學(xué)研究項目“草坪網(wǎng)絡(luò)實踐教學(xué)新模式探討”資助

岳曉霞(1989-)，女，甘肅會寧人，碩士研究生。 E-mail：1328616976@qq.com 柳小妮為通訊作者。

S 688.4；TP 392

A

1009-5500(2017)01-0099-06