西瓜栽培專家系統中病蟲害診斷知識組織與知識庫構建策略

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摘要基于知識工程方法，闡述了西瓜栽培專家系統中病蟲害診斷與防治知識組織與知識庫構建策略。知識獲取立足本地化、特色化，知識描述引入對象的概念對西瓜病蟲害進行描述，知識庫框架設計中建立分為侵染性病害、非侵染性病害、營養失調癥、蟲害診斷與防治決策的病蟲害分辨決策模型。

關鍵詞西瓜；病蟲害；診斷；專家系統

中圖分類號TPl82，S4

西瓜汁多味甘、質細性涼、食之爽口，是深受廣大消費者青睞的夏令消暑解渴之佳品。發展西瓜生產已經成為貴州農民致富奔小康的重要途徑之一，常年全省西瓜種植面積1．6萬hm²，產量30萬t以上。但貴州屬中亞熱帶濕潤氣候，山地丘陵多，春夏溫暖不炎熱，陰雨過多，空氣濕度大，西瓜病蟲害嚴重。生產上由于誤診或防治措施不當，造成減產或果實品質下降的現象時有發生，其主要原因在于許多瓜農缺少科學有效的病蟲害診斷與防治技術，針對這種情況，作者采用知識工程的方法，利用國家農業信息化工程技術研究中心的農業專家系統開發平臺PAID，在開發貴州省西瓜栽培專家系統的過程中，逐步形成了一套農作物病蟲害診斷專家系統知識表示與知識庫構建策略。

1知識獲取

在知識獲取上，面向貴州西瓜栽培管理全過程，立足本地化、特色化原則和無公害標準化生產規范，搜集整理了基于當地專家的經驗和西瓜栽培各個學科領域的多位專家科研成果、知識、經驗和數據，包括從育苗到收獲全生育期的土壤管理、營養診斷與無公害施肥、病蟲害診斷與無公害防治等內容。

通常采用當面交談與填表的方式進行。為保證專家思維的獨立性，首先，為專家提供一個病例，不讓專家直接看到該病例，這樣可以防止專家不經過詳細地推理和詢問有關信息而直接給出結論。在這個過程中專家會詢問一系列與病蟲害診斷有關的問題，由知識工程師根據病蟲害對癥狀進行描述，在交流過程中，知識工程師詳細記錄他同專家進行交流的所有問題和回答結果。通過這個過程研究專家在解決問題中的思維過程和運用的術語。需要從領域專家得到的信息包括：專家在進行診斷過程中使用的知識，這些知識在層次上的區別，專家應用這些知識得出假設和結論的思維過程及得出結論的可靠性等。通過這些問題的逐一回答，就可以獲取病蟲害診斷專家知識，選擇適合病蟲害診斷知識特點的知識表示方法，組織結構清晰的知識庫框架和對所使用知識的可靠程度的判斷。

由于作物病蟲害診斷與人體或動物的疾病診斷在主體特性上有著巨大差別一一作物病蟲害癥狀全部靠農民自己的觀察得到，一般不具有任何專業知識背景，所以病蟲害診斷專家系統與其他專家系統相比，更注重對癥狀空間的有效提問，其數據模糊特性也更加明顯。因此，在專家的選擇上不光是學術水平較高的專家，更側重于在基層對生產進行直接指導的農技人員，這樣所獲取的知識才更接近于生產實際，有關的術語才更能為各種植農戶所理解和認同。有時通過直接與農戶進行交流，獲取他們對于病蟲與異常診斷中的有關術語和他們在咨詢時的邏輯與理解能力。

在獲取知識形成系統后，又采用了下列方法對知識進行驗證：

文檔評審請領域專家對知識規則文檔進行審閱，提出修改意見。

彩色照片測試用彩色照片模擬現實病蟲害發生狀況，用系統進行診斷。

實地測試在大田實際情況下，使用專家系統進行診斷，測試其運行情況。

2病蟲害知識描述

作者認為病蟲害診斷專家知識在專家的知識體系中是以對象的形式存在的，每一種病蟲與異常的發生是一種承載著各種信息和方法的對象。從這個基點出發，就可以對病蟲與異常診斷知識的結構進行進一步研究。以每一種病害(蟲害、或異常)作為對象，它可能有一個或一個以上的表現型，而每個表現型又由環境信息和癥狀組成，環境信息和癥狀又有其各自的特征和值。因此，將病蟲害和與病蟲害診斷有關的信息和癥狀建成一個關系樹，所有病蟲害都可以以此樹為標準，對信息和癥狀進行分類、整理，形成同一的結構。結構層次如圖1所示。

2．1病蟲害

對應于一種病蟲害，如病毒病、枯萎病、蔓枯病、大肚果、黃守瓜等。它是一個集合，集合的全集就是專家系統中將要診斷的所有病蟲害和異常，每一種病蟲與異常是該集合的一個實例元素。系統中共收集了63種病蟲害，其中侵染性病害20種，蟲害12種，生理性病害22種，營養失調8種。

2．2表現型

根據時間或部位特征，將病蟲害劃分為不同的表現型。隨著植株的生長和感病時間的延長，西瓜所表現出的癥狀有明顯的特征，從而可以把病蟲害分為不同的表現型，如疫病可以分為幼苗期、莖葉生長期、結瓜期等時期發生。同一種病害通常也會在不同部位和不同器官表現不同，這樣可以根據發病部位的不同對病害的表現型進行分類，如疫病可以分為幼苗、葉、蔓、根莖、果實。但并不是所有的病蟲都有多個表現型，如潛葉蠅的的表現型只在葉片，另外無其他表現型。所以，一種病害一般有一個或一個以上的表現型，在診斷知識的組織過程中，必須對這些表現型加以區分、分別對待進行歸納，才能得出正確的診斷結果。

2．3環境信息

環境信息是指除西瓜上表現出的癥狀以外，那些與診斷有關的環境、氣候、生產管理措施等因素。病蟲害診斷所參照的依據不僅僅是在西瓜植株上所表現出的癥狀，有時候環境信息是診斷的必要條件，如蚜蟲或病毒病的大發生必需具備氣候干旱的條件，疫病發生需高溫高濕。

2．4癥狀

癥狀是診斷的主要依據。一般西瓜發生病害會在不同的部位表現出明顯的癥狀，但癥狀的性質、數量和表現不同。癥狀在每一個表現型只有唯一的一個，如疫病在果實形成暗綠色水漬狀近圓形斑，長有較薄一層白色霉狀物。每個癥狀一般有自己獨有的一個或數個特征。

2．5特征

對于環境信息而言，特征主要指西瓜的生育時期、種植方式、氣候條件等；對于癥狀來說，其特征主要指病斑、有無霉層、蟲體形態等等。每種病蟲害的表現型一般具有確定的特征數目，但有些特征是多種病蟲害共有的，如植株萎蔫可能是枯萎病、疫病、根腐病、根結線蟲等引起。在特異的病蟲害表現型中，特征具有自己唯一的取值，如在葉片表皮下造成不規則的線狀隧道只有潛葉蠅，另外無其他病蟲引起這種癥狀。

2．6值

值是整個知識樹結構的末梢結點，是用戶要為系統提供的信息。如被害部位＝果實、氣候條件＝天氣干旱、葉面病斑＝水漬狀病斑等。值通常也可以被多種病蟲害或表現型所共有。另外，值的表示方式可以是文字、圖片、聲音以及動畫等。

3知識庫框架設計

3．1病蟲害分辨決策

病蟲害診斷與防治知識庫框架包括病蟲害分辨

決策、侵染性病害、非侵染性病害、蟲害的診斷與防治。根據侵染性病害、非侵染性病害和蟲害發生規律，制定出病蟲害分辨決策檢索表(表1)。

3．2侵染性病害診斷與防治決策

根據侵染性病害的發病部位、癥狀特點(病征和病狀)、發病規律等診斷出病害種類，并提供給用戶不同部位，不同時期的彩色病害照片以察看確認。綜合防治方法包括利用抗病品種、農業防治、化學防治、生物防治、物理防治等。

3．3非侵染性病害診斷與防治決策

非侵染性病害只有病狀而沒有病征，多由水分供應失調、溫度過高或過低、田間管理不當、空氣中有毒氣體的存在、農藥使用不當、養分不足或不均衡等原因造成。所以要根據以上情況和發病部位、病狀特點等進行診斷。如裂果癥是由于瓜瓤發育旺盛階段久旱遇雨，或灌水量忽多忽少，或瓜的發育前期肥水不足，后期肥水供應過多等造成。

3．4蟲害診斷與防治決策

根據蟲害的危害特點、形態特征、發生規律等診斷出蟲害種類，并提供給用戶不同發育時期的害蟲形態特征彩色照片以察看確認。綜合防治方法包括利用抗蟲品種、農業防治、化學防治、生物防治、物理防治等。對于有些害蟲，如金龜子、天牛等，形態特征明顯，采用形態診斷較好；對于有些害蟲，如潛葉蠅，其蟲體不明顯，則根據其危害特點來診斷。

4知識規則組織

借鑒Common KADS方法，結合植物保護學，建立知識規則文檔并進行規范化說明，以侵染性病害診斷與防治決策為例，非侵染性病害、蟲害診斷與防治決策與其類似。

4．1田間癥狀

田間癥狀是指用戶在田間實地觀察所得到的病害發生情況。由于用戶文化水平及語言上的差異，易造成同樣的癥狀，不同用戶的描述可能不同。為此，本模型采用了一套標準的描述語言，只需用戶把自己觀察的情況與系統描述語言相對應，按照系統的語言選擇數據。

4．2發病部位

采用的病害分類方法是按照西瓜受害部位、生育期并結合癥狀劃分，系統中將侵染性病害劃分為“果實”、“苗床或田間的幼苗期”、“全株萎蔫、枯死，根和莖基部受到危害”、“上部莖蔓、葉柄及果梗被危害”、“葉片”、“幼瓜和花”、“整株植株畸變、異型”、“枝條頂部干枯、嫩葉皺褶、脫落”等。用戶在錄人事實時，可以根據自己的觀察角度，選擇某一條進入。

4．3具體癥狀描述

對各種病害的發病部位和各發病時期癥狀表現等進行詳細描述。同一種病害可能在不同的部位發病，如疫病可在葉片、莖蔓、果實上發病，病程一般分為初期、中期、后期或類似的若干時期，各時期癥狀表現也不盡一致。通常，具體癥狀描述分為3～5步，通過具體癥狀的描述，可使用戶對照田間實際癥狀，逐步診斷。如白粉病：主要危害葉片，初期在葉面產生近圓形、小粉斑，后成為連片白色霉斑，后期粉斑變成灰色，生有黑色小點，高溫干旱與高濕高溫條件交替出現是發生流行的條件。

4．4癥狀確認

用戶在輸入完數據后，保存決策，系統會自動給出結論和備注文檔。為了驗證結論的準確性，用戶可先打開備注文檔進行“確認”。文檔前一部分為病害的癥狀特點、病原和發生規律，并有相應圖片供參考，用戶可將自己觀察到的情況與之相對照，確認無誤后，可查看后一部分的防治方法；如認為有誤，可重新回到數據錄入部分，換一條途徑繼續診斷。

5小結

各地生態條件不同，適宜栽培的西瓜品種也不同，即使相同，其管理措施也因地而異，因此農業專家系統只有與當地農業技術專家和地方產業實踐緊密結合，充分調查基層生產需求，按照需求進行系統分析、設計、開發，才能開發出真正實用的專家系統軟件，提高產業的經濟效益和綜合社會效益，為農民增收，為農村經濟發展貢獻力量。本研究在知識獲取中側重于在基層對生產進行直接指導的農技人員，有時直接從農戶處獲取就是為了更接近于當地生產實際，與當地的社會文化水平相接近。

本文的知識組織與知識框架設計中，引入對象的概念，建立病蟲害分辨決策，先分辨病害或蟲害，后診斷具體病害或蟲害；將病害診斷分為侵染性病害診斷、非侵染性病害診斷、營養失調癥診斷三部分；將田間癥狀進行歸納建立標準的描述語言等的設計不僅對貴州西瓜適用，對于其他作物也具有重要的參考價值。

系統如果能加入病蟲害的預測預報，在防治方法中加入經濟評價，并能根據用戶經濟狀況，提供最優化防治方案，將更有利于用戶使用。如能與GPS、GIS結合則更有利于基層對生產進行直接指導。