表型性狀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在玉米區(qū)域試驗(yàn)中的應(yīng)用

臧賀藏，王言景，趙巧麗，李國(guó)強(qiáng)，鄭國(guó)清

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所/河南省智慧農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450002；2.鄭州師范學(xué)院 初等教育學(xué)院，河南 鄭州 450044)

玉米是河南省主要秋糧作物。2011—2015年，河南省玉米種植面積穩(wěn)定在303萬(wàn)～334萬(wàn)hm2，占全國(guó)玉米種植面積的8.86%，總產(chǎn)占全國(guó)的8.35%[1-6]。玉米產(chǎn)量形成與表型性狀關(guān)系密切，因此，研究玉米表型性狀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)提高數(shù)據(jù)采集工作效率、降低采集人員的勞動(dòng)強(qiáng)度具有重要參考價(jià)值。傳統(tǒng)玉米表型性狀數(shù)據(jù)采集仍然普遍采用人工測(cè)量、紙質(zhì)記錄、經(jīng)驗(yàn)決策等工作方式，由人工實(shí)地觀察記錄數(shù)據(jù)，再錄入電腦進(jìn)行人工統(tǒng)計(jì)、分析，整個(gè)信息采集過(guò)程具有費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、誤差大、錯(cuò)誤率高等缺點(diǎn)。因此，高效的數(shù)據(jù)采集仍是當(dāng)前玉米育種亟需解決的關(guān)鍵難題。

作物品種區(qū)域試驗(yàn)是在一定生態(tài)區(qū)域范圍內(nèi)，選擇有代表性的多個(gè)試點(diǎn)同時(shí)實(shí)施同一試驗(yàn)，鑒定參試品種的適宜推廣區(qū)域，并評(píng)價(jià)其穩(wěn)產(chǎn)性及其他綜合性狀，為新品種審定和推廣提供依據(jù)[7-9]。玉米育種過(guò)程涉及育種目標(biāo)的確定、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、田間性狀調(diào)查、室內(nèi)考種、試驗(yàn)結(jié)果整理與分析等多個(gè)環(huán)節(jié)，是一項(xiàng)繁瑣的科研工作[10]。隨著玉米品種資源越來(lái)越豐富，育種方法也越來(lái)越多，育種工作者在實(shí)踐中積累了大量的第一手資料，面對(duì)浩瀚的種質(zhì)材料和繁多的記載項(xiàng)目，如何從中快速獲取有益信息已成為難題，傳統(tǒng)地采用現(xiàn)代化純計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)已達(dá)不到滿意的效果。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)可以快速獲取群體作物表型信息，但很難在規(guī)?；N小區(qū)廣泛應(yīng)用[11-12]。官曉敏等[13]結(jié)合Excel強(qiáng)大的公式計(jì)算功能將原始數(shù)據(jù)的計(jì)算自動(dòng)化，并利用編碼的Excel VBA程序自動(dòng)完成對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果的保存、整理，解決了區(qū)域試驗(yàn)中考種數(shù)據(jù)錄入工作量大、易出錯(cuò)、重復(fù)計(jì)算多的問(wèn)題。王虎等[14]設(shè)計(jì)了基于Windows Mobile手機(jī)平臺(tái)的作物品種田間測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，解決了傳統(tǒng)人工紙質(zhì)錄入效率低、錯(cuò)誤率高的問(wèn)題。趙新穎等[15]基于云計(jì)算技術(shù)，建立了水稻區(qū)域試驗(yàn)的信息采集系統(tǒng)，以降低人力成本，提高試驗(yàn)質(zhì)量。張士敏[16]以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，建立了水稻區(qū)域試驗(yàn)的信息采集系統(tǒng)，可以代替人工操作，極大地減少區(qū)域試驗(yàn)工作量。趙巧麗等[17]設(shè)計(jì)開發(fā)了通用型作物表型性狀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，改變了手工記錄的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式，省去了數(shù)據(jù)二次錄入過(guò)程。以上這些研究主要針對(duì)田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，而有關(guān)表型性狀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在玉米品種區(qū)域試驗(yàn)中的應(yīng)用研究鮮有報(bào)道，鑒于此，本研究設(shè)計(jì)了玉米表型性狀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)玉米表型性狀數(shù)據(jù)的快速采集，為其他作物表型性狀信息的快速獲取提供參考。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由軟件和硬件組成，軟件部分包括玉米表型性狀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)手持終端APP(以下簡(jiǎn)稱APP)和玉米表型性狀數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱Web管理系統(tǒng));硬件部分包括手持終端采集設(shè)備和條碼打印機(jī)，條碼打印機(jī)主要用于專用條碼和普通條碼的設(shè)計(jì)和打印。

1.1.1 數(shù)據(jù)層 該層位于數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器端，為業(yè)務(wù)邏輯層提供數(shù)據(jù)服務(wù)。系統(tǒng)Web 端由分布于各試驗(yàn)站上傳的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)組成，下達(dá)的試驗(yàn)任務(wù)實(shí)時(shí)更新至服務(wù)器。手持終端APP可實(shí)時(shí)獲取Web管理系統(tǒng)下發(fā)的試驗(yàn)任務(wù)，根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，為Web管理系統(tǒng)和條碼打印機(jī)提供數(shù)據(jù)來(lái)源。

1.1.2 邏輯層 該層是系統(tǒng)架構(gòu)中的核心部分。本系統(tǒng)中，邏輯層主要集中于業(yè)務(wù)流程的功能實(shí)現(xiàn)，用戶從Web瀏覽器提交試驗(yàn)任務(wù)操作請(qǐng)求，到服務(wù)器接收并處理，然后把用戶請(qǐng)求的數(shù)據(jù)返回至瀏覽器。手持終端APP從服務(wù)器接收用戶任務(wù)，并將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線方式上傳至服務(wù)器，為Web瀏覽器提供所需數(shù)據(jù)。

1.1.3 用戶層 該層是用戶與系統(tǒng)交互的窗口，用于接收用戶的輸入，對(duì)數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和操作。

1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)包括系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)表、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表和表型性狀數(shù)據(jù)調(diào)查表。系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)表包括用戶表及用戶組表，主要用于用戶登錄以及管理員進(jìn)行用戶角色管理數(shù)據(jù)表?；A(chǔ)數(shù)據(jù)表包括行政區(qū)域數(shù)據(jù)表、試驗(yàn)站管理數(shù)據(jù)表、玉米品種數(shù)據(jù)表、性狀管理數(shù)據(jù)表等。表型性狀數(shù)據(jù)調(diào)查表包括物候期記載表、抗逆性記載表、病蟲害調(diào)查表、主要性狀調(diào)查表、產(chǎn)量性狀調(diào)查表等。

1.3 系統(tǒng)的工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖1所示。條碼是連接田間與室內(nèi)2大系統(tǒng)的核心，其中，田間子系統(tǒng)包括手持終端采集設(shè)備和手持終端APP；室內(nèi)子系統(tǒng)由條碼打印機(jī)、Web管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心組成。

通過(guò)Web管理系統(tǒng)，管理存貯于數(shù)據(jù)中心的手持終端APP采集上傳的表型性狀數(shù)據(jù)，使用條碼打印機(jī)，按照試驗(yàn)布局，以一定的順序依次打印條碼，再將條碼按照打印順序依次懸掛在小區(qū)玉米植株上；通過(guò)手持終端APP掃描玉米植株上的條碼，進(jìn)入數(shù)據(jù)錄入界面，數(shù)據(jù)錄入完畢，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)同步。系統(tǒng)的詳細(xì)操作步驟：(1)用戶根據(jù)權(quán)限登錄Web管理系統(tǒng)；(2)設(shè)置試驗(yàn)任務(wù)，試驗(yàn)任務(wù)下發(fā)到手持終端APP；(3)手持終端APP根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)，生成田間布局，田間布局的小區(qū)編碼無(wú)線上傳至服務(wù)器；(4)條碼打印機(jī)從服務(wù)器獲取需打印的小區(qū)編碼信息，按順序打印條碼；(5)按順序打印好的條碼，根據(jù)試驗(yàn)布局順序依次懸掛在玉米植株上；(6)手持終端APP通過(guò)掃碼進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖1 手持終端APP和Web管理系統(tǒng)工作流程

2 試驗(yàn)與結(jié)果

2.1 手工與手持終端APP數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)方案

為測(cè)試手持終端APP數(shù)據(jù)采集效率，分別采用手工與手持終端APP試驗(yàn)，對(duì)數(shù)據(jù)采集耗時(shí)進(jìn)行了比較。表型性狀信息采集設(shè)備采用成都富立葉電子科技有限公司生產(chǎn)的富立葉C7手持終端，該設(shè)備配置四核、雙卡4G、Android 5.1系統(tǒng)、7英寸高清液晶屏、1 280 ppi×720 ppi高分辨率，具有NFC、Wifi、藍(lán)牙、GPS+BDS等功能，以及可選配一維/二維條碼掃描模組、UHF讀寫卡功能；同時(shí)，該設(shè)備耐高光、電池容量大、攜帶方便。數(shù)據(jù)采集耗時(shí)試驗(yàn)于玉米成熟期進(jìn)行，選擇常測(cè)的8個(gè)表型性狀(表1)為數(shù)據(jù)采集對(duì)象，數(shù)據(jù)格式包括文本、數(shù)值、圖片等常用形式，性狀測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)參考《農(nóng)作物品種試驗(yàn)技術(shù)規(guī)程—玉米》[18]。挑選6名從事玉米田間試驗(yàn)的一線人員，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作培訓(xùn)30 min后，隨機(jī)分3組，每組2人。手工采集試驗(yàn)人員共6名，隨機(jī)分3組，每組2人，樣本量為30株，按性狀采集標(biāo)準(zhǔn)采集，1人測(cè)量8個(gè)表型性狀數(shù)據(jù)、拍照、錄入Excel表格及圖片重命名，1人記錄8個(gè)表型性狀的試驗(yàn)時(shí)間。試驗(yàn)以采集表1全部性狀的時(shí)間為指標(biāo)，以完成全部性狀數(shù)據(jù)采集所消耗的平均時(shí)長(zhǎng)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

表1 8個(gè)玉米表型性狀

2.2 手工與手持終端APP數(shù)據(jù)采集耗時(shí)對(duì)比結(jié)果

手工數(shù)據(jù)采集主要包括以下4個(gè)操作流程：(1)將觀察觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄到記載本上；(2)用相機(jī)拍攝圖片；(3)將記載本上的數(shù)據(jù)錄入到Excel存檔；(4)將拍攝的圖片導(dǎo)出并重新命名。手持終端APP采集玉米表型性狀數(shù)據(jù)時(shí)僅需將數(shù)據(jù)記錄到設(shè)備中，其余3個(gè)步驟同步到Web管理系統(tǒng)自動(dòng)完成。表2為手工與手持終端APP數(shù)據(jù)采集耗時(shí)，由表2可以看出，3組人員手工采集10株玉米數(shù)據(jù)的平均耗時(shí)為629 s，其中，在數(shù)據(jù)記錄環(huán)節(jié)平均占用40.2%的時(shí)間，數(shù)據(jù)錄入環(huán)節(jié)平均占用35.9%的時(shí)間。而同一批人員利用手持終端APP采集數(shù)據(jù)耗時(shí)平均為183.7 s，與手工數(shù)據(jù)采集方式相比，應(yīng)用手持終端APP采集數(shù)據(jù)可節(jié)約時(shí)間70.8%；同時(shí)省去了拍照、數(shù)據(jù)錄入、圖片重命名環(huán)節(jié)。

表2 手工與手持終端APP采集10株玉米數(shù)據(jù)耗時(shí)對(duì)比

3 應(yīng)用效果

手持終端APP數(shù)據(jù)采集應(yīng)用案例如圖2所示。玉米表型性狀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自2016年以來(lái)，已在相關(guān)育種機(jī)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)用。主要對(duì)象為從事玉米區(qū)域試驗(yàn)的田間一線人員，應(yīng)用前進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)和實(shí)際操作等跟蹤服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)玉米表型性狀數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化采集和規(guī)范化管理，同時(shí)建立科學(xué)、規(guī)范的案例演示。采集員登錄手持終端APP后，顯示區(qū)域試驗(yàn)功能界面，選擇需要采集的性狀指標(biāo)制作模板，保存模板名稱為“成熟期”，選擇使用該模板，見圖2a；進(jìn)入數(shù)據(jù)采集界面，見圖2b。數(shù)據(jù)采集全部結(jié)束后，可以查詢數(shù)據(jù)詳情，見圖2c，查看完畢可一鍵上傳。

a:新建模板詳情；b:田間采集數(shù)據(jù)；c:數(shù)據(jù)詳情

4 結(jié)論與討論

圍繞玉米品種區(qū)域試驗(yàn)生產(chǎn)全程的信息化實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了玉米表型性狀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了玉米關(guān)鍵生育期的精確采集，有效解決了當(dāng)前玉米生產(chǎn)全程數(shù)據(jù)采集手段落后、記錄數(shù)據(jù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力、數(shù)據(jù)管理難等問(wèn)題。用戶隨時(shí)隨地通過(guò)手持終端APP，快速采集與實(shí)時(shí)查詢玉米表型性狀數(shù)據(jù)，便于實(shí)時(shí)實(shí)地滿足玉米區(qū)域試驗(yàn)生產(chǎn)管理過(guò)程各環(huán)節(jié)的需求。與傳統(tǒng)的手工數(shù)據(jù)采集對(duì)比，手持終端APP采集數(shù)據(jù)耗時(shí)可節(jié)約70.8%，省去了拍照、數(shù)據(jù)錄入、圖片重命名的環(huán)節(jié)。與相機(jī)拍攝照片相比，利用手持終端APP拍攝的照片，可以自動(dòng)標(biāo)注拍攝時(shí)間，以小區(qū)編號(hào)命名，便于圖像數(shù)據(jù)的后期整理和利用。

趙新穎等[19]基于云計(jì)算技術(shù)，建立了一個(gè)水稻區(qū)域試驗(yàn)的信息采集系統(tǒng)，利用云計(jì)算對(duì)傳感器收集的信息進(jìn)行分析，為區(qū)域試驗(yàn)的農(nóng)藝操作和結(jié)果評(píng)判提供依據(jù)。趙慶展等[20]設(shè)計(jì)了基于移動(dòng)GIS的棉田病蟲害信息采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了病蟲害發(fā)生位置及屬性信息的快速采集。黃錦等[21]設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于移動(dòng)智能設(shè)備的育種田間信息采集系統(tǒng)，主要討論了育種田間數(shù)據(jù)快速錄入、動(dòng)態(tài)配置表單、數(shù)據(jù)有效性驗(yàn)證以及保障數(shù)據(jù)安全的方法。上述研究主要側(cè)重于基本數(shù)據(jù)的錄入，而本研究應(yīng)用的手持終端APP具有UHF電子標(biāo)簽掃描、試驗(yàn)布局圖的生成及采集模板的共享。根據(jù)用戶在生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用需求，可以靈活調(diào)整表型性狀采集字段，為每個(gè)字段設(shè)置閾值，統(tǒng)一表型性狀數(shù)據(jù)的判斷與采集標(biāo)準(zhǔn)，可減少人為誤差和干擾。本系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)了一些不足之處，如株高、穗位高以及考種數(shù)據(jù)等需要儀器測(cè)量后再錄入到系統(tǒng)內(nèi)，時(shí)間消耗多，易產(chǎn)生人為誤差。當(dāng)前，該系統(tǒng)正在嘗試解決各類測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集問(wèn)題，以期進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)采集效率。如何進(jìn)一步完善系統(tǒng)的功能，提高系統(tǒng)的實(shí)用性，今后還需進(jìn)一步研究和探索。