新疆天山野果林病蟲害預(yù)測與預(yù)警系統(tǒng)研究

趙鴻飛，陳天華，李春蕾

（1.北京工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，北京 100000）

新疆野蘋果或威爾士蘋果[Malus sieversii（Lebed.）Roem.]分布于天山山脈，是天山野蘋果面積大的野生種質(zhì)資源。長期的自然選擇形成了許多變異，遺傳多樣性極為豐富，且環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，具有抗旱、抗寒、抗病蟲、耐瘠薄的特異單株，挖掘利用的潛力很大[1-5]。然而，自1993年蘋果小吉丁蟲（Agrilus mali Matsumura）被發(fā)現(xiàn)以來，該蟲的傳播與蔓延導(dǎo)致新疆野果林面積急劇減少[6，7]，根據(jù)新疆林業(yè)主管部門調(diào)查，2011年其發(fā)生面積占野果林面積的近40%，已對(duì)新疆野果林形成了嚴(yán)重威脅，野蘋果遺傳多樣性及固有的繁育體系正被破壞[8，9]。因此，對(duì)當(dāng)?shù)靥O果小吉丁蟲的發(fā)生情況進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測以及科學(xué)、準(zhǔn)確地預(yù)測預(yù)警，已成為了亟待解決的問題。

在病蟲害監(jiān)測預(yù)警研究中，一些學(xué)者做出了有意義的嘗試，并取得了一定的研究成果。宮彥萍等[10]綜合遙感、氣象與病蟲害模型知識(shí)，集成WebGIS、數(shù)據(jù)庫、ASP.NET等技術(shù)建立的全國縣級(jí)尺度的主要作物病蟲害預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)；王阿川等[11]采用三層的B/S結(jié)構(gòu)和選擇符合J2EE標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)平臺(tái)，構(gòu)建了專家系統(tǒng)，為林業(yè)病蟲害發(fā)展提供了很好的借鑒；黃沖等[12]為提高農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測預(yù)警能力，基于Web研究開發(fā)重大病蟲害數(shù)字化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)病蟲監(jiān)測數(shù)據(jù)填報(bào)、管理和統(tǒng)計(jì)分析，以及基于WebGIS的農(nóng)作物重大病蟲害監(jiān)測預(yù)警、情報(bào)信息發(fā)布等功能。

按照傳統(tǒng)采集方式，調(diào)查人員會(huì)通過抽樣檢查的方法收集果樹害蟲數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)均為人工記錄，所以積累的資料仍為紙質(zhì)圖表，在共享和應(yīng)用時(shí)有很多不便，不僅浪費(fèi)了人力資源，同時(shí)也耗費(fèi)了大量的時(shí)間。隨著林業(yè)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的果樹病蟲害記錄方法的弊端逐漸凸顯，難以滿足研究的需要。相關(guān)研究以及報(bào)告表明，國內(nèi)研究人員已經(jīng)開發(fā)了基于Android的果樹病蟲害信息推送系統(tǒng)[13]和基于Android平臺(tái)的病蟲調(diào)查統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[14]，系統(tǒng)結(jié)合了病蟲害調(diào)查的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面，并且所有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)都能通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)共享。

本文對(duì)新疆天山野果林的實(shí)際需求進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了新疆野果林病蟲害監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，并就系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)行了闡述。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體框架結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用B/S體系結(jié)構(gòu)；數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2008；移動(dòng)終端要求為Android 5.0及以上系統(tǒng)；服務(wù)器端為Linux 4.0及以上系統(tǒng)；客戶站選擇操作系統(tǒng)為Windows 10；根據(jù)新疆野天山果林病蟲害監(jiān)測與預(yù)警的需要，對(duì)系統(tǒng)分層設(shè)計(jì)，建立4個(gè)層次，包括用戶層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層以及應(yīng)用層，具體如圖1。

圖1 系統(tǒng)總體框架

1.1.1 用戶層

系統(tǒng)用戶可分為三類，即行業(yè)專家，病蟲害調(diào)查員以及系統(tǒng)管理員，他們有著不同的職責(zé)和權(quán)限。系統(tǒng)管理員負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)，數(shù)據(jù)的整理和分析，因此，他的權(quán)限比其他兩類用戶更高。病蟲害調(diào)查員負(fù)責(zé)收集果樹的病蟲害相關(guān)數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，需立即上報(bào)。系統(tǒng)管理人員使用的采集數(shù)據(jù)大部分都來自于病蟲害調(diào)查員，他們權(quán)責(zé)分明，各自負(fù)責(zé)一個(gè)固定的林區(qū)，調(diào)查員大多是具備一定專業(yè)知識(shí)的人員，具有較為豐富的果樹種植和病蟲害防治經(jīng)驗(yàn)，能夠迅速采集有效的數(shù)據(jù)。林業(yè)專家主要職責(zé)是根據(jù)病蟲害調(diào)查員上報(bào)的采集數(shù)據(jù)，綜合分析并指導(dǎo)野果林病蟲害防治工作。

1.1.2 應(yīng)用層

應(yīng)用層體現(xiàn)為系統(tǒng)中建成的兩個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)相互獨(dú)立，適用于不同的用戶。需要注意的是，數(shù)據(jù)收集和監(jiān)測系統(tǒng)以APP的形式部署在手持智能設(shè)備上，由當(dāng)?shù)卣{(diào)查員負(fù)責(zé)采集蘋果病蟲害的監(jiān)測數(shù)據(jù)、地理信息等。采集完成可將數(shù)據(jù)通過智能終端上報(bào)到果樹病蟲害預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)中。果樹病蟲害預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)是面向系統(tǒng)管理員和專家的平臺(tái)，系統(tǒng)管理員可以將所得數(shù)據(jù)、圖表進(jìn)行發(fā)布，專家則可以通過瀏覽器以網(wǎng)頁的方式訪問所得數(shù)據(jù)和圖表，以便專家進(jìn)行蟲害爆發(fā)的分析。

1.1.3 服務(wù)層

服務(wù)層是野果林病蟲害監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)中的核心組成部分，出于實(shí)際需要的考慮，將該層劃分為多種服務(wù)：

人員管理：調(diào)查人員的信息全部錄入到系統(tǒng)中，系統(tǒng)管理員有權(quán)對(duì)調(diào)查人員的信息進(jìn)行修改，增減等。

信息發(fā)布：將預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)分析出的果樹病蟲害預(yù)測預(yù)報(bào)信息和蟲害防治信息等發(fā)送給移動(dòng)終端。

工作進(jìn)度查詢：可按林區(qū)、班次等作為數(shù)據(jù)采集的劃分依據(jù)，在系統(tǒng)中查詢各個(gè)調(diào)查人員收集數(shù)據(jù)的進(jìn)程。

模型預(yù)測：基于馬爾科夫模型對(duì)新疆野果林的病蟲害發(fā)生等級(jí)、面積進(jìn)行預(yù)測。

蟲害信息采集：功能包括采集果樹病蟲害監(jiān)測信息，鎖定信息的來源，記錄信息產(chǎn)生的時(shí)間點(diǎn)，附帶真實(shí)圖照。

蟲害資料查詢：用戶可進(jìn)行各類果樹常見病蟲害統(tǒng)資料查詢，包括病蟲害照片、危害特征、生活習(xí)性等，輔助監(jiān)測預(yù)報(bào)。

分析結(jié)果顯示：統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果以柱狀圖，餅狀圖可視化呈現(xiàn)，具體數(shù)據(jù)以表格形式呈現(xiàn)。

遙感影像分析：通過遙感影像可觀測果樹遭受病蟲害前后的對(duì)比照，根據(jù)光譜分析的結(jié)果預(yù)估野果林是否發(fā)生蟲害。

1.1.4 數(shù)據(jù)層

由于果樹病蟲害預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)中有大量數(shù)據(jù)需要進(jìn)行處理，一般數(shù)據(jù)庫不能滿足要求，故系統(tǒng)采用開源數(shù)據(jù)庫。

病蟲害相關(guān)數(shù)據(jù)：主要包括病蟲害生活習(xí)性數(shù)據(jù)、病蟲害防治方法，蟲情、生態(tài)的實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)等。

氣象數(shù)據(jù)：為氣象歷史資料，包括平均氣溫，最高、最低溫度，相對(duì)濕度，降雨(雨量、雨日)，日照，風(fēng)向、風(fēng)速等氣象要素。

用戶信息庫：用于存儲(chǔ)不同用戶的資料信息。2系統(tǒng)功能

根據(jù)預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)際需求，每個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)具有不同功能模塊，各功能模塊之間相互調(diào)用配合，進(jìn)而滿足用戶層不同用戶的需求（見圖2）。

圖2 系統(tǒng)主要功能模塊

2.1 監(jiān)測采集系統(tǒng)

病蟲害調(diào)查員通過手機(jī)端完成果樹病蟲害相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。利用智能終端內(nèi)置的GPS定位獲取位置信息，由于野果林地處偏僻，所以信號(hào)較弱或信號(hào)中斷的情況無法完全避免。若出現(xiàn)此類情況，可提前保存到本地，在聯(lián)網(wǎng)情況下，可將信息上報(bào)到監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。

2.2 預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)

2.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)測分析

數(shù)據(jù)的預(yù)測分析，一方面是根據(jù)馬爾科夫模型預(yù)測出來病蟲害爆發(fā)等級(jí)進(jìn)行判斷，另一方面是專家結(jié)合不同監(jiān)測表單、遙感數(shù)據(jù)等，綜合分析病蟲害發(fā)生情況，進(jìn)行果樹病蟲害預(yù)測預(yù)警。

再如，俄羅斯著名史詩《伊戈?duì)柍稣饔洝匪鑼懙氖且粮隊(duì)柡筒宸蛉薣注]波洛夫人，又稱欽察人，11—12世紀(jì)在多瑙河與伏爾加河之間的草原上和亞速海邊游牧，漁獵，最早于1055年與羅斯(即今俄羅斯)人接觸。之間的戰(zhàn)事，其中幾乎每次戰(zhàn)役都能從俄羅斯的《編年史》、《三圣編年史》、《伊帕吉夫編年史》、塔吉曉夫《俄國史》中找到歷史的記載。例如，史詩描寫的涅米加之戰(zhàn)中，伊戈?duì)柋环?jì)劃出逃時(shí)：

2.2.2 林區(qū)林班管理

系統(tǒng)可以手動(dòng)添加、修改林區(qū)林班，包括林區(qū)、林班的編號(hào)、名稱、所在位置等。另外，可以在林班界面添加所在的林班遙感影像。

2.2.3 任務(wù)考核

每一個(gè)調(diào)查員負(fù)責(zé)不同的林區(qū)，通過調(diào)查員上報(bào)的數(shù)據(jù)既可以判斷其工作進(jìn)度，也可以直觀查看，對(duì)存在錯(cuò)誤、漏填的表單進(jìn)行退回操作。

2.2.4 人員管理

系統(tǒng)管理人員有權(quán)對(duì)用戶的信息進(jìn)行修改、添加、刪除等操作，通過這種方式，最大程度地限制了系統(tǒng)敏感數(shù)據(jù)的訪問行為。

2.2.5 預(yù)警信息及防治預(yù)案發(fā)布

用于病蟲害監(jiān)測信息和林業(yè)專業(yè)知識(shí)的發(fā)布，為人們防治病蟲害工作提供參考。預(yù)警信息包括日常工作匯報(bào)、病蟲害數(shù)量、分布情況、密度和病蟲害生活習(xí)性等。同時(shí)，專家根據(jù)系統(tǒng)收集的各類整合后的數(shù)據(jù)，綜合分析后可發(fā)布相應(yīng)的防治預(yù)案，對(duì)當(dāng)?shù)毓麡湔{(diào)查員的管理和防治工作提供有效且合理的建議。

3 系統(tǒng)預(yù)測模型的建立

3.1 原理

馬爾科夫鏈又叫概率轉(zhuǎn)移法，是時(shí)間序列分析中的一種方法，其研究對(duì)象是某種事物狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率。世間的各種事物每時(shí)每刻都處于不同的狀態(tài)，隨著時(shí)間的變換，事物的狀態(tài)也在不斷的改變，而每次的轉(zhuǎn)移都有一定概率，后一時(shí)刻的狀態(tài)往往是前一時(shí)刻的狀態(tài)按一定概率轉(zhuǎn)移過來的，這種從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)入另一種狀態(tài)的現(xiàn)象，稱為狀態(tài)轉(zhuǎn)移[15]。若每次的狀態(tài)都只與互相接引的前一次有關(guān)，而與過去的狀態(tài)無關(guān)，即狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程是無后效性的，這種狀態(tài)的轉(zhuǎn)移過程就稱為馬爾科夫鏈[15]。

3.2 實(shí)際應(yīng)用

選取新疆天山野果林1999年～2016年的蘋果小吉丁蟲發(fā)生等級(jí)數(shù)據(jù)，如表1所示。其中等級(jí)為1表示正常狀態(tài)，2、3、4分別表示輕度、中度、重度災(zāi)害等級(jí)。

根據(jù)表1可得，相距1年各等級(jí)的轉(zhuǎn)移次數(shù)，如表2所示。故轉(zhuǎn)移概率矩陣為：

同理可得 P（2）、P（3）、P（4）的轉(zhuǎn)移概率矩陣。

選取2017年前的四個(gè)相鄰的年份，即2013年、2014年、2015年、2016年的蘋果小吉丁蟲發(fā)生等級(jí)以及各自到2017年的轉(zhuǎn)移步數(shù)，再根據(jù)之前計(jì)算的轉(zhuǎn)移概率矩陣 P（4）、P（3）、P（2）、P（1），可得到新疆天山2017年的蘋果小吉丁蟲發(fā)生等級(jí)概率分布表。

根據(jù)表3，預(yù)測2017年天山蘋果小吉丁蟲發(fā)生等級(jí)為“1”或“3”。查詢新疆天山2017年蘋果小吉丁蟲實(shí)際發(fā)生等級(jí)可知，對(duì)2017年的預(yù)測結(jié)果符合當(dāng)年的實(shí)際發(fā)生情況。

馬爾科夫鏈與其他方法不同，不需考慮許多復(fù)雜的外界因子，只需有多年的病蟲害發(fā)生程度歷史資料，通過計(jì)算機(jī)輔助軟件很快計(jì)算出結(jié)果，基層測報(bào)人員很容易掌握和應(yīng)用，一些因子通過計(jì)算和觀察很容易獲得。因此，通過這種方法，可以大大提高預(yù)測預(yù)報(bào)效率，對(duì)病蟲害的長期預(yù)測有著良好的效果。

表1 1999年～2016年天山蘋小吉丁蟲發(fā)生等級(jí)

表2 相距1年蘋小吉丁蟲發(fā)生等級(jí)轉(zhuǎn)移次數(shù)統(tǒng)計(jì)

表3 2017年天山蘋小吉丁蟲發(fā)生等級(jí)概率分布

4 結(jié)語

本文介紹了新疆野果林病蟲害監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的總體框架結(jié)構(gòu)、功能組成，以新疆天山的蘋小吉丁蟲為例，采用1995年～2016年新疆蘋小吉丁蟲發(fā)生等級(jí)的相關(guān)數(shù)據(jù)，運(yùn)用馬爾科夫模型建立矩陣，通過數(shù)據(jù)分析和以往狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率的記錄，預(yù)測野果林第5年發(fā)生病蟲害的等級(jí)，事實(shí)表明，預(yù)測結(jié)果吻合當(dāng)時(shí)的實(shí)際發(fā)生情況。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了新疆天山野果林病蟲害管理智能化、線上線下信息互聯(lián)化、資源共享化。該系統(tǒng)的開發(fā)解決了當(dāng)?shù)毓麡洳∠x害管理和防治上遇到的信息共享困難，預(yù)測預(yù)警時(shí)效性差的問題，為新疆當(dāng)?shù)毓麡洳∠x害有效防治、科學(xué)預(yù)測提供有效幫助。