基于Lucid多途徑檢索的油茶害蟲診斷APP開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

王超超 薛嬌 黃俊浩

摘要 油茶是亞熱帶地區(qū)重要的木本油料作物，近年來隨著種植面積的不斷擴(kuò)大和集約化經(jīng)營(yíng)，病蟲害問題日益嚴(yán)重，對(duì)油茶的產(chǎn)量和品質(zhì)造成不同程度的影響。本研究通過野外調(diào)查、文獻(xiàn)查閱、種類鑒定等工作，整理了21種油茶主要害蟲的形態(tài)特征、生物學(xué)習(xí)性、為害特點(diǎn)、防治措施等信息，并拍攝相應(yīng)害蟲及為害狀的高清照片1 600張。采用Lucid智能診斷系統(tǒng)，構(gòu)建Fact Sheet Fusion基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，并針對(duì)多途徑檢索方式提取害蟲“為害方式”、“為害部位”、“為害高峰期”、“形態(tài)特征”等4個(gè)1級(jí)特征組，以及10個(gè)2級(jí)特征和18個(gè)3級(jí)特征，共組成102個(gè)特征狀態(tài)，構(gòu)建了油茶害蟲的快速診斷系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)換得到基于Android系統(tǒng)的手機(jī)應(yīng)用APP，為林農(nóng)和森防一線工作者對(duì)油茶害蟲快速識(shí)別和防治提供便捷服務(wù)，從而促進(jìn)油茶產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。

關(guān)鍵詞 油茶害蟲; 多途徑檢索; Lucid; 診斷系統(tǒng); Android; 手機(jī)應(yīng)用

中圖分類號(hào)： S 763 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ?DOI： 10.16688/j.zwbh.2018397

Abstract Camellia oleifera is an important woody oil crop in the subtropical region. With the continuous expansion of plantation area and intensive management， the occurrence of pests increased rapidly in recent years， which seriously damage the yield and quality of oil production from the plant. Based on the field investigation， literature review， and species identification， we collected the basic information of 21 species of the major pests on C.oleifera， including the pest morphological characteristics， biology， damage characteristics， prevention measures and other information， as well as 1 600 high-resolution pictures of the pests and their damage. The Lucid Professional V 3.5 software， a multi-way identification system for pest intelligent diagnosis， was applied in this study. After all the basic information was well organized in the fact sheet fusion database， a Lucid system for the pest rapid diagnosis was then constructed with ranked and pictured characteristics. Totally 102 characteristic status were extracted including four first-grade character groups of damage parts， the way of damage， damage period and morphological characteristics， and 10 second-grade characters and 18 third-grade characters. On this basis， the system was converted into the mobile application for Android system to provide convenient services for oil tea farmers and forestry workers to quickly identify and prevent the pests， thus promoting the sustainable and healthy development of the C.oleifera industry.

Key words oil tea pest; multi-way identification; Lucid; diagnosis system; Android; mobile application

油茶Camellia oleifera是我國(guó)特有的木本食用油料樹種，與油橄欖、油棕、椰子并稱為世界四大木本油料植物，是亞熱帶地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)林之一[1]。油茶栽培歷史悠久，主要集中在湘、贛、桂、閩等南方丘陵地區(qū)，總面積達(dá)427萬hm2[2]。近年來，國(guó)家越來越重視油茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，多項(xiàng)科技成果應(yīng)用于油茶的栽培，油茶產(chǎn)量不斷攀升，栽培面積也不斷擴(kuò)大，但病蟲害問題越來越凸顯，給生產(chǎn)造成極大的損失，制約著油茶產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展[3-7]。油茶發(fā)生病蟲害時(shí)，輕則落花落果，重則葉片干枯、脫落，甚至全株枯死[8]。據(jù)調(diào)查，油茶落花落果率高達(dá)70%～80%，其中因油茶病蟲害引起的約占1/3，每年造成的損失占總產(chǎn)的10%～25%，嚴(yán)重年份及少數(shù)產(chǎn)區(qū)高達(dá)45%左右[9-10]。目前，油茶常見害蟲的基礎(chǔ)研究已經(jīng)明確了害蟲種類及其生物學(xué)特性和防治措施等基礎(chǔ)信息[11-16]。我國(guó)油茶病蟲害種類很多，已知的病蟲害有數(shù)百種，其中病害50余種，蟲害300余種;每年因病蟲害帶來的損失在15%～25%之間，個(gè)別受災(zāi)嚴(yán)重地區(qū)達(dá)30%～40%[17]。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了診斷系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化[18-20]，基于Android平臺(tái)的智能手機(jī)在全球范圍內(nèi)的普及[21]，更是為油茶害蟲的智能診斷提供了有利條件。Android操作系統(tǒng)的開源性為系統(tǒng)的自主研發(fā)提供了便利條件，國(guó)內(nèi)外一些研究者在油菜、甜玉米、棉花等作物上進(jìn)行了嘗試，開發(fā)了一系列基于Android系統(tǒng)的病蟲害診斷系統(tǒng)[22-27]。例如，孫傳恒等研建出“水稻病蟲害診斷系統(tǒng)”[28-30]、楊林楠等研建出“基于Android系統(tǒng)手機(jī)的甜玉米病蟲害智能診斷系統(tǒng)”[31]。

Lucid是基于多媒體技術(shù)的多途徑分類檢索和智能診斷系統(tǒng)，由澳大利亞昆士蘭大學(xué)有害生物信息技術(shù)與推 廣中心（CPITT）研發(fā)[32]，李娟等研建了“基于Lucid多途徑檢索的竹林害蟲智能診斷系統(tǒng)”[33]。而本研究同樣采用Lucid開發(fā)軟件收集整理圖片和文字等多媒體信息數(shù)據(jù)，構(gòu)建基礎(chǔ)生物學(xué)信息數(shù)據(jù)庫(kù)和相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)版油茶害蟲診斷系統(tǒng)，并轉(zhuǎn)換成基于Android系統(tǒng)的手機(jī)應(yīng)用，通過手機(jī)APP便可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地診斷油茶害蟲，為廣大森保技術(shù)人員與林農(nóng)提供方便實(shí)用的服務(wù)。

1 油茶害蟲基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息的收集與查證

1.1 油茶害蟲基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息的收集

本研究經(jīng)過多次對(duì)浙江省主要油茶分布區(qū)野外實(shí)地調(diào)查（2013年-2016年），拍攝害蟲生態(tài)照片1 600張，采集害蟲標(biāo)本2 500余號(hào)，并收集中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所徐天森研究員拍攝的部分油茶害蟲照片。通過總結(jié)專家、林業(yè)技術(shù)人員以及林農(nóng)的經(jīng)驗(yàn)，查閱大量文獻(xiàn)與書籍等途徑，篩選出近幾年為害油茶的主要害蟲共計(jì)21種，包括10種食葉害蟲（茶毒蛾Euproctis pseudoconspersa Strand、油茶小卷蛾Gatesclarkeana idia Diakonoff等），9種枝干害蟲（黑跗眼天牛Chreonoma atritarsis Picard、油茶織蛾Casmara patrona Meyrick等），2種食果害蟲（茶籽象甲Curculio chinensis Chevrolat等）。為了真實(shí)體現(xiàn)油茶害蟲信息的實(shí)用性與專業(yè)性，該系統(tǒng)主要以分類地位、形態(tài)描述、為害狀、為害特點(diǎn)、天敵狀況與防治方法等方面進(jìn)行全方位描述與分析。

1.2 油茶害蟲的鑒定與文字信息核實(shí)

對(duì)于大多數(shù)油茶害蟲，項(xiàng)目組人員均可以通過相關(guān)書籍和文獻(xiàn)來鑒定;而對(duì)于極少數(shù)少見甚至未記錄的害蟲，請(qǐng)相關(guān)專家進(jìn)行鑒定。另外，對(duì)于害蟲的防治信息和為害情況，請(qǐng)各地的森防部門和基層林業(yè)植保技術(shù)工作者進(jìn)行核實(shí)。

2 構(gòu)建油茶害蟲Fact Sheet Fusion（FSF）數(shù)據(jù)庫(kù)

Fact Sheet Fusion是Lucid系統(tǒng)自帶的一款自動(dòng)批量生成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)樣式事實(shí)庫(kù)的生物分類信息軟件[34]。內(nèi)容規(guī)范統(tǒng)一，使用方便快捷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單美觀，是目前易操作與使用的數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件。

2.1 確定油茶害蟲主題

數(shù)據(jù)庫(kù)主要由以下11個(gè)主題組成：害蟲名稱、害蟲簡(jiǎn)介、分類地位、分布區(qū)域、形態(tài)特征、為害林木、發(fā)生特點(diǎn)、為害狀、天敵（主要包括捕食性和寄生性天敵）、防治方法及參考文獻(xiàn)。

2.2 確定油茶害蟲對(duì)象

通過實(shí)地調(diào)查與對(duì)專家學(xué)者的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，并經(jīng)過詳細(xì)的篩選、對(duì)比及驗(yàn)證，最終確立油茶主要害蟲為21種，其中食葉害蟲10種，枝干害蟲9種，蛀果害蟲2種，涉及3目16科（表1）。

食葉害蟲：大多屬于鱗翅目幼蟲。就目前的為害程度來看，主要害蟲涉及11種。以啃食葉片為主，嚴(yán)重時(shí)植株呈現(xiàn)火燒狀，極大地影響植株生長(zhǎng)。害蟲大多以群體取食為主，取食量大，一株取食完后會(huì)遷移到另一株繼續(xù)取食，影響整片油茶林的生長(zhǎng)。

枝干害蟲：蛀食油茶枝干及枝條為主的害蟲，涉及9種，其中黑跗眼天牛和油茶織蛾為害較為嚴(yán)重，在各林區(qū)都有發(fā)生。為害枝干部分的蟲害大多為咀嚼式口器幼蟲鉆蛀于枝條內(nèi)、啃食木質(zhì)部，或刺吸式口器害蟲吸食汁液，從而破壞樹體的營(yíng)養(yǎng)輸入，造成枝干枯死，進(jìn)而影響油茶樹體的生長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致樹體死亡。

蛀果害蟲：取食茶果的害蟲主要有油茶寬盾蝽和茶籽象甲等2種。茶籽象甲是造成油茶林減產(chǎn)及絕收的重要蟲害。該害蟲為咀嚼式口器，成蟲將卵產(chǎn)于茶果內(nèi)，幼蟲孵化后從內(nèi)部蛀空茶果，造成茶果提早脫落或腐爛，影響林農(nóng)的經(jīng)濟(jì)收益。

2.3 油茶害蟲數(shù)據(jù)庫(kù)的功能

油茶害蟲數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建（圖1）完成后，可自動(dòng)生成所有害蟲的索引頁(yè)和每種害蟲的事實(shí)頁(yè)，用戶通過瀏覽索引頁(yè)查看每種害蟲的事實(shí)頁(yè)，查看某一害蟲種類的詳細(xì)圖文信息。

3 構(gòu)建油茶害蟲Lucid多途徑智能檢索系統(tǒng)

本研究采用Lucid Professional V 3.5軟件構(gòu)建油茶害蟲多途徑檢索系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由Lucid Builder和Lucid Player兩部分組成，構(gòu)建完成單機(jī)版和網(wǎng)絡(luò)版的智能檢索系統(tǒng)。

3.1 油茶害蟲檢索策略的確立

確定檢索策略就是選取害蟲典型的特征，探究最佳的檢索途徑。搭建油茶害蟲檢索系統(tǒng)關(guān)鍵在于清晰明確地表示出害蟲的主要特點(diǎn)及為害癥狀，本系統(tǒng)設(shè)置了4大類1級(jí)特征組：為害高峰期、為害部位、為害方式及害蟲形態(tài)特征，進(jìn)一步擴(kuò)展為10個(gè)2級(jí)特征和18個(gè)3級(jí)特征，細(xì)化到102個(gè)特征狀態(tài)（圖2）。

以環(huán)茸毒蛾、腎毒蛾、茶毒蛾3種毒蛾幼蟲為例來說明具體的檢索策略。在野外采集到的常見毒蛾害蟲有3種，以茶毒蛾較為普遍，一般為害時(shí)期都是幼蟲期，幼蟲喜群居，直接啃食葉片為主要為害方式，為害嚴(yán)重時(shí)可吃光多株油茶樹葉片，造成油茶樹枯黃死亡。毒蛾為害油茶林的方式較為典型，但是當(dāng)?shù)氐牧洲r(nóng)與相關(guān)技術(shù)人員對(duì)害蟲了解不足，無法直接識(shí)別害蟲的種類。本研究通過野外采集、文獻(xiàn)查閱以及專家鑒定等多方面相結(jié)合，總結(jié)出環(huán)茸毒蛾、腎毒蛾和茶毒蛾比較直觀的具體形態(tài)特征，即3種毒蛾幼蟲都具有毒蛾科昆蟲常具有的毒毛瘤或毛簇這一典型特征，但其毒毛瘤或毛簇又各有特點(diǎn)，其中環(huán)茸毒蛾幼蟲腹部前3節(jié)背板上有濃密的白色刷狀毛，腎毒蛾幼蟲腹部前4節(jié)背板上有濃密的黑棕色刷狀毛，而茶毒蛾幼蟲腹部第1、2、8節(jié)亞背線上的毛瘤最大。因此，對(duì)于3種毒蛾害蟲的鑒別，可從系統(tǒng)中的“為害部位”、“為害方式”、“害蟲形態(tài)特征-幼蟲期”這3個(gè)特征組衍生出的特征狀態(tài)進(jìn)行快速準(zhǔn)確鑒定（表2）。

3.2 特征狀態(tài)與對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)

油茶害蟲種類繁多。每種害蟲都有其特有的特征狀態(tài)，我們選取了豐富的相關(guān)特征狀態(tài)，以便于快速檢索出具體害蟲。在Lucid Builder界面將每種害蟲和它的特征狀態(tài)逐一關(guān)聯(lián)，包括：1）特征狀態(tài)與害蟲種類的關(guān)聯(lián)，每種害蟲種類與其特征狀態(tài)一一對(duì)應(yīng);2）害蟲種類與其對(duì)應(yīng)照片的關(guān)聯(lián)，確保每種害蟲都有清晰的照片可見;3）特征狀態(tài)與相應(yīng)照片的關(guān)聯(lián)，確保每個(gè)特征狀態(tài)都有高清照片來體現(xiàn)相應(yīng)的害蟲形態(tài)或?yàn)楹畹葍?nèi)容;4）害蟲種類與FSF基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)中事實(shí)頁(yè)的關(guān)聯(lián)，以便于詳細(xì)地了解害蟲相關(guān)信息等。

4 油茶害蟲Lucid診斷系統(tǒng)手機(jī)應(yīng)用的開發(fā)和展示4.1 油茶害蟲診斷系統(tǒng)Android版本手機(jī)應(yīng)用的開發(fā) ?單機(jī)版和網(wǎng)絡(luò)版的智能檢索系統(tǒng)的構(gòu)建為手機(jī)應(yīng)用APP的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。Lucid系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)了比較成熟的手機(jī)版本，通過昆士蘭大學(xué)Lucid central的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，即可得到相應(yīng)的油茶害蟲診斷系統(tǒng)APP?？紤]到用戶的廣泛性，我們采用了基于Android系統(tǒng)的版本，可以在安卓手機(jī)免費(fèi)安裝和使用（圖3）。

4.2 診斷模塊展示

用戶可以通過安裝在Android手機(jī)上的油茶害蟲診斷APP，根據(jù)害蟲的為害部位（根部、枝干、葉部、果實(shí)等）、為害方式、害蟲形態(tài)特征、為害高峰期（月）、為害狀，進(jìn)行多途徑檢索，完成對(duì)常見害蟲的快速診斷（圖4）。

4.3 瀏覽查詢模塊展示

對(duì)已知害蟲，茶農(nóng)可以通過該模塊，快速查詢害蟲有關(guān)信息，該害蟲發(fā)生規(guī)律、關(guān)鍵防控時(shí)期用藥方案、全生育期防控方案等（圖5）。

4.4 系統(tǒng)檢測(cè)與試用

在油茶害蟲診斷APP開發(fā)過程中，項(xiàng)目組深入油茶主要產(chǎn)區(qū)之一—浙江省麗水市，邀請(qǐng)當(dāng)?shù)亓旨既藛T及農(nóng)戶20余人進(jìn)行試用。項(xiàng)目組人員專業(yè)能力強(qiáng)，對(duì)油茶害蟲鑒定準(zhǔn)確率可達(dá)100%;林技人員平均準(zhǔn)確率可達(dá)92%;而農(nóng)戶中文化水平低者，使用困難，但平均準(zhǔn)確率可達(dá)83%。目前該APP還無法通過對(duì)害蟲拍照上傳進(jìn)行物種鑒定，但隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，未來我們將進(jìn)一步與昆蟲圖像識(shí)別專家進(jìn)行合作，整合新技術(shù)擴(kuò)展相關(guān)功能與應(yīng)用。

5 結(jié)語

針對(duì)油茶林中的害蟲，林農(nóng)們多是憑借經(jīng)驗(yàn)或者聽從森保技術(shù)人員指導(dǎo)用藥;而森保技術(shù)人員大多依靠經(jīng)驗(yàn)或查閱圖冊(cè)對(duì)害蟲進(jìn)行判斷。圖冊(cè)內(nèi)容、圖片數(shù)量均因篇幅所限，難以讓使用者快速、準(zhǔn)確和較全面地識(shí)別油茶林中的害蟲種類和選擇防治措施;而本系統(tǒng)開放性的設(shè)計(jì)可容納大量的資料，并可隨時(shí)更新或擴(kuò)展，能為服務(wù)對(duì)象查詢鑒別提供充足的資源。目前該系統(tǒng)在浙江省油茶種植區(qū)部分林技人員及農(nóng)戶的試用過程中，深受好評(píng)。今后，我們將大力推廣此APP，在用戶的體驗(yàn)與實(shí)踐中不斷地改進(jìn)和完善;通過廣泛聽取油茶害蟲防治一線林技工作者和茶農(nóng)反饋的信息，補(bǔ)充收集與油茶林害蟲相關(guān)的各種資料，添加新害蟲信息，不斷更新和完善數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)內(nèi)容，保證數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容的最新、最全、最實(shí)用，以滿足用戶的實(shí)際需求。另外，我們還將繼續(xù)通過Lucid軟件分別構(gòu)建兩種珍稀干果山核桃和香榧病蟲害智能診斷系統(tǒng)，統(tǒng)一構(gòu)建亞熱帶經(jīng)濟(jì)林病蟲害智能診斷平臺(tái)，盡早推廣到生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)科學(xué)研究與生產(chǎn)實(shí)踐的完美結(jié)合。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄢振武，王宗星，馮博杰，等.浙江省油茶產(chǎn)業(yè)升級(jí)發(fā)展機(jī)制與對(duì)策[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，59（4）：623-627.

[2] 李志鋼，馬力，陳永忠，等.我國(guó)油茶籽的綜合利用現(xiàn)狀概述[J].綠色科技，2018（6）：191-194.

[3] 陸建澤.油茶病蟲害防治現(xiàn)狀及應(yīng)對(duì)措施[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2015，35（20）：114-115.

[4] 鐘傳勇.油茶病蟲害防治技術(shù)措施[J].現(xiàn)代園藝，2016（23）：149.

[5] 陳雪雄.武夷山油茶主要病蟲害種類及防治策略[J].福建林業(yè)，2016（2）：39-41.

[6] 吳仁宏.優(yōu)良無性系油茶病蟲害及其防治措施[J].中國(guó)林業(yè)產(chǎn)業(yè)，2016（7）：207-208.

[7] 廖仿炎，趙丹陽，秦長(zhǎng)生，等.油茶枝干病蟲害研究現(xiàn)狀及防治對(duì)策[J].林業(yè)與環(huán)境科學(xué)，2015（2）：114-124.

[8] 韋旺君.油茶病蟲害防治現(xiàn)狀及應(yīng)對(duì)措施[J].農(nóng)業(yè)科技與信息，2016（6）：70-71.

[9] 鄭仁，黃向東，周建武，等.湘潭市油茶病蟲害防治現(xiàn)狀及策略[J].湖南林業(yè)科技，2013，40（6）：88-90.

[10] 姜曉裝.油茶病蟲害的防治措施[J].林業(yè)工程學(xué)報(bào)，2001，15（5）：35-37.

[11] 鄧艷，李德偉，蔣學(xué)建，等.廣西油茶病蟲害種類調(diào)查及發(fā)生特點(diǎn)[J].廣西林業(yè)科學(xué)，2013，42（4）：339-346.

[12] 蘇桂花，歐善生，覃連紅，等.廣西金秀縣油茶病蟲及其天敵昆蟲種類調(diào)查初報(bào)[J].廣西農(nóng)學(xué)報(bào)，2014，29（1）：37-41.

[13] 吳娟，黃建軍.玉屏縣油茶常見病蟲害發(fā)生及防治措施[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，2015（10）：39.

[14] 陳永忠.油茶常見病蟲害的防治[J].農(nóng)村新技術(shù)，2015（5）：19.

[15] 姚雪.油茶栽培技術(shù)及病蟲害防治[J].青海農(nóng)林科技，2015（4）：74-75.

[16] 趙丹陽，廖仿炎，秦長(zhǎng)生.廣東省油茶病蟲害發(fā)生規(guī)律[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，40（12）：86-89.

[17] 朱峰，曾天武，彭巍巍，等.贛北地區(qū)油茶主要病蟲害及其防治措施[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2018（2）：129-131.