松墨天牛誘捕器智能管理系統(tǒng)的構(gòu)建

黃世國(guó)姜明李小林洪銘淋林燕紅張飛萍

(1.福建農(nóng)林大學(xué)生態(tài)公益林重大有害生物防控福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州 350002；2.福建農(nóng)林大學(xué)智慧農(nóng)林褔建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州 350002；3.威海市林業(yè)局，山東威海 264200)

松材線蟲(chóng)病是一種重大的檢疫性森林病害，已在我國(guó)18個(gè)省份造成了大面積危害[1－2]。通過(guò)控制該病主要媒介昆蟲(chóng)松墨天牛Monochamus alternatus，阻止疫病擴(kuò)散蔓延，一直是防控該病的重要策略[3－4]。已有研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明，在林間科學(xué)布設(shè)松墨天牛誘捕器可以有效監(jiān)測(cè)和控制松墨天牛種群，在松材線蟲(chóng)病的防控中發(fā)揮著重要作用[5－9]。

作業(yè)人員在野外的做法是，用手寫紙質(zhì)標(biāo)簽標(biāo)識(shí)誘捕器，管理松墨天牛誘捕器，手持GPS或者其它開(kāi)源地理信息系統(tǒng)軟件定位誘捕器的地理位置，統(tǒng)計(jì)誘捕的害蟲(chóng)數(shù)量，并手工記錄在紙質(zhì)材料上，然后室內(nèi)再次整理并形成紙質(zhì)材料保存。當(dāng)誘捕信息量大時(shí)，與紙質(zhì)標(biāo)簽相比，數(shù)字化標(biāo)簽是更好的標(biāo)識(shí)方法。隨著二維碼技術(shù)的迅速發(fā)展[10－12]，該技術(shù)已廣泛用于物品的標(biāo)識(shí)，如利用二維碼標(biāo)識(shí)農(nóng)產(chǎn)品構(gòu)建追溯系統(tǒng)等[13]。微信小程序的普及更進(jìn)一步拓寬了二維碼的應(yīng)用領(lǐng)域[14]。因此有必要探尋利用二維碼技術(shù)標(biāo)識(shí)誘捕器。但如何適應(yīng)野外調(diào)查不理想的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是必須解決的問(wèn)題。同樣，利用定位設(shè)備[15－16]和開(kāi)源定位軟件如GPS工具箱[17]是有效的誘捕器定位方法，但作業(yè)人員將其生成完整的誘捕器信息并上報(bào)林業(yè)基層管理部門耗時(shí)費(fèi)力。由于目前將松材線蟲(chóng)病控制的野外作業(yè)任務(wù)承包給社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)體已是各地常用的做法，上述管理方式顯然無(wú)法實(shí)現(xiàn)管理部門對(duì)該項(xiàng)措施的實(shí)施和效果的實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)，由于數(shù)據(jù)量大，沒(méi)有好的數(shù)據(jù)管理技術(shù)，也難以實(shí)現(xiàn)誘捕數(shù)據(jù)的快速查找和分析。

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展[18－19]，基于移動(dòng)終端的野外調(diào)查方式已開(kāi)始在農(nóng)業(yè)蟲(chóng)害調(diào)查中應(yīng)用。如俞佩仕等應(yīng)用移動(dòng)終端調(diào)查稻田飛虱在田間危害情況[20]，將手機(jī)作為數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)傳輸工具，在服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)省時(shí)省力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

筆者在分析傳統(tǒng)誘捕器管理方法的基礎(chǔ)上，引入數(shù)字化標(biāo)簽技術(shù)標(biāo)識(shí)誘捕器，利用ionoic框架研究誘捕器完整信息的自動(dòng)生成和及時(shí)遠(yuǎn)程傳輸方法，利用Spring Boot、MyBatis框架研究大量數(shù)據(jù)的管理和統(tǒng)計(jì)分析，利用Element和Vue框架研究用戶和系統(tǒng)之間的友好交互方法。再通過(guò)技術(shù)集成開(kāi)發(fā)松墨天牛誘捕器智能管理系統(tǒng)，以期為基層作業(yè)人員和林業(yè)管理部門提供一種省時(shí)省力采集和管理大量誘捕數(shù)據(jù)的新方法，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、管理和數(shù)據(jù)分析。

1 材料與方法

松墨天牛誘捕器的智能管理系統(tǒng)的基本思路是:作業(yè)人員通過(guò)手機(jī) APP掃描二維碼，待手機(jī)GPS自動(dòng)獲取定位信息后，錄入害蟲(chóng)的數(shù)量，并把數(shù)據(jù)提交上傳。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)暢通時(shí)，數(shù)據(jù)直接上傳到云服務(wù)器；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)不暢通時(shí)，則數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)在手機(jī)上，待網(wǎng)絡(luò)暢通時(shí)再一次性將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器。用戶在瀏覽器端可以實(shí)時(shí)瀏覽上傳的誘捕情況數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，也可以查看各個(gè)誘捕器在地圖上的地理空間位置。

1.1 基于Android的手機(jī)APP 手機(jī)APP在Visual Studio Code環(huán)境下使用ionic框架和npm等工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)。利用QR Scanner插件快速、節(jié)能、精準(zhǔn)地掃描誘捕器上的二維碼；使用Cordova的Geolocation插件調(diào)用手機(jī)的GPS模塊獲取準(zhǔn)確的地理空間位置信息。當(dāng)用戶提交數(shù)據(jù)時(shí)，APP將采集到的數(shù)據(jù)使用Angular提供的HTTP請(qǐng)求(POST、GET)與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互即通過(guò)POST請(qǐng)求將數(shù)據(jù)提交到服務(wù)器，并通過(guò)GET請(qǐng)求從數(shù)據(jù)庫(kù)獲取歷史數(shù)據(jù)和相應(yīng)的配置選項(xiàng)。

1.2 服務(wù)器端和瀏覽器端 服務(wù)器端在IntelliJ IDEA環(huán)境下利用Spring Boot、MyBatis框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)。先通過(guò)HTTP協(xié)議獲取到APP端上傳的數(shù)據(jù)，然后使用Hikari數(shù)據(jù)庫(kù)連接池與MySQL進(jìn)行高速交互。使用MyBatis實(shí)現(xiàn)MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境下數(shù)據(jù)的增、刪、改、查功能，從而有效管理誘捕器數(shù)據(jù)。同時(shí)，為了數(shù)據(jù)的安全，采用了JSON Web Token協(xié)議保證用戶和服務(wù)器之間安全可靠地傳遞信息。依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法原理編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析。

瀏覽器端在 Visual Studio Code環(huán)境下使用Element和Vue進(jìn)行開(kāi)發(fā)。使用前端 HTTP框架Axios給后端提供數(shù)據(jù)，并以JSON數(shù)據(jù)格式進(jìn)行前后端交互。利用APP端上傳的信息調(diào)用百度地圖API并在地圖上自動(dòng)標(biāo)注，實(shí)現(xiàn)對(duì)誘捕器空間分布的可視化展示。采用Apache ECharts對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行基于圖表的可視化展示。使用EasyPoi插件實(shí)現(xiàn)表格和文件的上傳和下載。使用路由攔截技術(shù)實(shí)現(xiàn)登錄限制。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)字化標(biāo)識(shí)誘捕器 鑒于誘捕器主要以縣為單位實(shí)施應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了包含12個(gè)數(shù)字信息的二維碼，前6位數(shù)字為區(qū)域代碼，確定誘捕器所在的省、市、縣行政區(qū)域，后6位數(shù)字則表示該縣布設(shè)的誘捕器序號(hào)。系統(tǒng)提供給縣級(jí)管理人員生成和管理指定數(shù)量的二維碼(圖1)并以PDF文件形式下載打印的功能(圖2)。

圖1 二維碼管理Fig.1 QR codes management

針對(duì)縣級(jí)單位項(xiàng)目實(shí)施由不同實(shí)體完成的需求，縣級(jí)用戶可建立項(xiàng)目管理員角色，給管理員分配二維碼(圖3)。當(dāng)縣級(jí)單位未分發(fā)二維碼時(shí)，項(xiàng)目管理員也可自行打印自己管理的二維碼。將打印好的二維碼經(jīng)塑封后和誘捕器綁定完成誘捕器的標(biāo)識(shí)。

圖2 系統(tǒng)生成的二維碼Fig.2 QR codes generated by our system

圖3 項(xiàng)目管理員管理Fig.3 Management of project administrator

圖4 提交誘捕器位置信息Fig.4 Submitting information about trap position

2.2 獲取誘捕信息 手機(jī)GPS定位功能具有不同的設(shè)置模式。在野外僅使用GPS定位是較好的模式。開(kāi)發(fā)的手機(jī)APP提供的模式設(shè)置功能供用戶選擇僅GPS定位模式；同時(shí)，針對(duì)獲取手機(jī)定位信息需保證一定的延時(shí)，APP具有控制延時(shí)時(shí)長(zhǎng)的功能(圖4)。經(jīng)作業(yè)人員施工現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)真對(duì)照，確認(rèn)在僅GPS定位模式下，APP顯示的經(jīng)緯度信息與實(shí)際地點(diǎn)的誤差在10 m以內(nèi)，而其它模式則偏差較大。APP也提供利用手機(jī)攝像頭掃描二維碼的功能。作業(yè)人員用手機(jī)掃碼后，APP顯示誘捕器所在位置的經(jīng)緯度、海拔等信息并進(jìn)行延時(shí)。延時(shí)完成后用戶點(diǎn)擊“提交信息”按鈕將位置信息存儲(chǔ)在手機(jī)中，然后APP跳轉(zhuǎn)到誘捕信息錄入頁(yè)面(圖5)供輸入害蟲(chóng)數(shù)量以及其它相關(guān)信息。同時(shí)，該頁(yè)面具有拍照功能，供作業(yè)人員將現(xiàn)場(chǎng)工作的場(chǎng)景拍攝上傳，接受業(yè)主方監(jiān)督。

圖5 誘捕信息錄入Fig.5 Inputting trap information

2.3 遠(yuǎn)程傳輸野外誘捕調(diào)查數(shù)據(jù) 系統(tǒng)分網(wǎng)絡(luò)暢通與否自動(dòng)處理野外誘捕調(diào)查數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸問(wèn)題。作業(yè)人員點(diǎn)擊圖5頁(yè)面所示的“提交”按鈕時(shí)，APP提供自動(dòng)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的功能。如網(wǎng)絡(luò)暢通，則APP將數(shù)據(jù)直接遠(yuǎn)程傳輸?shù)皆品?wù)器，與微信小程序傳輸野外調(diào)查數(shù)據(jù)基本一致。林區(qū)一般位置較偏遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)弱甚至不通。此時(shí)，微信小程序無(wú)法滿足林業(yè)生產(chǎn)的需要。而我們開(kāi)發(fā)的APP檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)不暢通時(shí)，自動(dòng)提示誘捕信息提交失敗(圖6)，并將相關(guān)信息存儲(chǔ)在手機(jī)中。待網(wǎng)絡(luò)暢通時(shí)，由用戶重新

圖6 提交失敗Fig.6 Submitting failure

2.4 可視化展示誘捕器的空間分布 通過(guò)地圖直觀展示誘捕器的地理位置信息，對(duì)于管理部門管理誘捕器有重要意義，同時(shí)對(duì)作業(yè)人員野外操作誘捕器(如更換誘芯等)有重要輔助作用。在瀏覽器端，系統(tǒng)提供大量誘捕器的可視化展示功能。該功能通過(guò)調(diào)用百度地圖API把每個(gè)誘捕器的經(jīng)緯度從WGS84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成百度地圖坐標(biāo)，然后和編號(hào)一起登錄系統(tǒng)并單擊“提交”按鈕將手機(jī)中的記錄全部上傳到服務(wù)器(圖7)。同時(shí)，APP提供了作業(yè)人員只能上傳自己負(fù)責(zé)管理的誘捕器信息的功能，當(dāng)某個(gè)作業(yè)人員誤掃了其他人員管理的誘捕器并將信息上傳時(shí)，服務(wù)器端則拒絕接收。只有當(dāng)業(yè)主方進(jìn)一步確認(rèn)后，由其他作業(yè)人員在該手機(jī)的APP上輸入正確的賬號(hào)后才能完成遠(yuǎn)程傳輸。以標(biāo)注的形式在百度地圖上展示出來(lái)(圖8)。管理部門和業(yè)主方可以直接掌握自己管理的誘捕器的具體分布情況，并為誘捕器放置方案設(shè)計(jì)提供輔助作用。在APP端，也同樣調(diào)用百度地圖API完成上述功能。該功能為作業(yè)人員提供自己管理的誘捕器的位置信息，方便作業(yè)人員在野外查找誘捕器并完成相應(yīng)的工作。

圖7 緩存提交Fig.7 Submitting the information in cache

圖8 誘捕器空間分布Fig.8 Spatial distribution of traps

2.5 管理和分析誘捕情況數(shù)據(jù) 系統(tǒng)提供行政區(qū)劃自動(dòng)解析功能，可以根據(jù)APP上傳的誘捕器經(jīng)緯度信息自動(dòng)解析出其行政區(qū)域即省、市、縣和鄉(xiāng)鎮(zhèn)名稱。系統(tǒng)還提供給各級(jí)用戶管理誘捕數(shù)據(jù)的功能。用戶通過(guò)它查看每個(gè)誘捕器各個(gè)批次的詳細(xì)信息和匯總信息、所管轄行政區(qū)域內(nèi)所有誘捕器的匯總信息。具體來(lái)說(shuō):縣級(jí)用戶通過(guò)該模塊可以獲得各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)匯總的松墨天牛誘捕情況(圖9)。同時(shí)，單擊圖9中的“查看”按鈕即可查看各鄉(xiāng)鎮(zhèn)下每個(gè)誘捕器的詳細(xì)信息和匯總信息。依此類推，市級(jí)用戶和省級(jí)用戶通過(guò)該功能可以了解本市和本省誘捕器的匯總信息以及管轄區(qū)域內(nèi)匯總的誘捕信息。

圖9 誘捕情況匯總信息Fig.9 Summary of trapping information

為了進(jìn)一步滿足基層對(duì)數(shù)據(jù)分析的需要，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了統(tǒng)計(jì)學(xué)分析模塊供各級(jí)用戶進(jìn)行誘捕情況數(shù)據(jù)分析。主要包括樣本的描述性分析、方差分析，同時(shí)，在總體方差顯著情況下分別采用了費(fèi)希爾提出的最小顯著性差異方法和SCHEFFE的多重比較。

用戶可以獲得誘捕器總數(shù)、總誘蟲(chóng)量、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值、最小值和置信區(qū)間等信息。同時(shí)，也可以進(jìn)行方差分析和多重比較等。分析結(jié)果可供用戶下載。

2.6 系統(tǒng)運(yùn)行情況 2019年4月系統(tǒng)已部署在阿里云服務(wù)器上，并交由福建省和山東省的作業(yè)人員和管理人員廣泛使用。目前，系統(tǒng)運(yùn)行正常。在應(yīng)用過(guò)程中，作業(yè)人員反映APP操作方便，能在幾分鐘內(nèi)即掌握使用方法。同時(shí)，數(shù)據(jù)在不同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下遠(yuǎn)程傳輸可靠。目前系統(tǒng)管理的誘捕器近4萬(wàn)個(gè)，每個(gè)誘捕器涉及十余批次，共接收到近60萬(wàn)條誘捕情況數(shù)據(jù)。管理部門和作業(yè)方反映利用該系統(tǒng)方便了大量誘捕器的管理，同時(shí)也滿足了基層單位對(duì)數(shù)據(jù)分析的要求。

3 結(jié)論與討論

如何實(shí)現(xiàn)有效管理野外設(shè)置的大量誘捕器，一直是森防管理部門的一項(xiàng)重要工作。傳統(tǒng)的誘捕器人工管理費(fèi)時(shí)費(fèi)力易混亂，難以滿足實(shí)踐需求。本研究開(kāi)發(fā)的松墨天牛誘捕器的智能管理系統(tǒng)采用了數(shù)字化標(biāo)識(shí)的方法，開(kāi)發(fā)的APP解決了野外誘捕數(shù)據(jù)采集和及時(shí)傳輸?shù)膯?wèn)題，方便了作業(yè)人員在野外查找和管理誘捕器，開(kāi)發(fā)的服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)了大量誘捕數(shù)據(jù)的管理和統(tǒng)計(jì)分析功能，并通過(guò)開(kāi)發(fā)的瀏覽器端用戶能夠方便地使用這些功能。本系統(tǒng)已正常運(yùn)行一年，能夠滿足野外復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)人員的數(shù)據(jù)采集操作和遠(yuǎn)程傳輸要求，較好地滿足了傳統(tǒng)誘捕器管理和基層數(shù)據(jù)分析需求。系統(tǒng)的推廣應(yīng)用不僅能提高管理效率，還對(duì)推進(jìn)林業(yè)信息化建設(shè)具有重要意義。

系統(tǒng)收集的大量誘捕數(shù)據(jù)可以為松墨天牛種群動(dòng)態(tài)提供數(shù)據(jù)支撐，特別是基于這些數(shù)據(jù)的地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析[21－22]，可以進(jìn)一步分析松墨天牛種群與經(jīng)緯度、海拔之間的相關(guān)關(guān)系。松墨天牛種群和松枯死木數(shù)量之間具有密切的關(guān)系[23－24]。同時(shí)，防治松材線蟲(chóng)病也必須考慮多種措施相互配合。因此，有必要將本系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展，使其能夠遠(yuǎn)程同步采集誘捕器、蛀干劑、航空防治、生物防治、松枯死木清理等技術(shù)措施的數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)[25]挖掘不同數(shù)據(jù)之間的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而開(kāi)發(fā)出松材線蟲(chóng)病智能防控工程管理和決策系統(tǒng)，為松材線蟲(chóng)病的科學(xué)防治提供技術(shù)支撐。

志謝：福建泉州涌明生物科技有限公司吳仁興、蔣昌齡、余啟源，山東國(guó)偉林業(yè)防治有限公司代光偉，環(huán)翠區(qū)自然資源局郭志強(qiáng)、姜濱，劉公島林場(chǎng)劉曉，海濱林場(chǎng)喬仁發(fā)等參與了系統(tǒng)的運(yùn)行測(cè)試，并對(duì)本系統(tǒng)的完善提出了大量寶貴意見(jiàn)，福建農(nóng)林大學(xué)軟件工程專業(yè)本科生鐘暉宏參與了軟件開(kāi)發(fā)，特致感謝。