農林病蟲害遠程診治系統的研究

摘要 介紹遠程病蟲害診斷的重要性，探討遠程病蟲害診斷系統的基本組成。通過對支持系統的3大關鍵技術的研究，設計了以知識挖掘為手段的病蟲害診斷模型子系統，以知識編輯為關鍵技術的病蟲害知識庫構建子系統，并以SDD搜索關鍵技術，構建了智能病蟲害檢索子系統；以3大技術為核心，并廣泛利用現代計算機技術，建立了以知識為中心的，集語音、視頻及無線通訊技術的遠程病蟲害診治系統。系統基于WEB運行，可以提供不間斷服務。系統的應用可以提高農林重大病蟲害的診治決策水平及病蟲害的調控水平和效果。

關鍵詞 遠程診斷；病蟲害；知識發現； SDD

中圖分類號S123文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）29-10377-04

基金項目基于模型的果園與油菜作物生產數字化管理平臺項目（2013AA102405）。

作者簡介胡林（1967-），內蒙古商都人，研究員，博士后，從事現代農業信息技術研究。

農林重大病蟲害嚴重威脅著農林業的生產和生態安全，農林重大病蟲害的診斷與防治，在農林業生產和進出口檢驗中都具有重要的地位，快速診斷與及時防治是對農林重大病蟲害防治的基本要求，在我國經濟建設及生態建設中占有重要的地位，在診斷上的延誤，往往會造成重大的經濟損失，并對生態安全造成嚴重的威脅[1]。因此，通過利用信息技術，謀求利用計算機信息技術實現病蟲害的快速診斷，是人們普遍采用的方法[2-8]。主要的實現方法包括將傳統的檢索表分類系統制成檢索系統和開發病蟲害專家系統等。病蟲害系統的開發也從單機版發展到以網絡為載體的系統。但是，由于以傳統的分類檢索表的形式開發的系統，要求系統的應用人員在病蟲害方面要有較為專業的知識，因而難以普及應用。專家系統的開發中，專家知識庫的構建，一直是專家系統構建的難點。應用系統的開發人員和領域專家間的溝通存在巨大的困難。專家的知識難以進行有效的收集，并且一旦環境發生了變化，專家的知識也會難以滿足應用的要求。在分析了重大病蟲害診治流程的基礎上，以WEB技術為基礎，綜合應用了專家系統、數據挖掘、可視化和多媒體技術等，構建了面向服務的體系結構，實現了結構開放、應用彈性強、易于擴展的病蟲害遠程診治系統。

1系統的總體構架

病蟲害診斷治療的一般流程包括病蟲害的發現、識別、發生現狀及形勢預測、防治方案的擬定、實際效果評價幾個步驟。根據實際操作流程對其進行抽象，形成了面向病蟲害診治的服務框架，見圖1。系統采用機器識別和專家系統兩種方法，進行病蟲害的識別，并將兩種方法得到的結果進行對比，無論相似度如何，都將診斷結果提交給用戶，并向用戶提供詳細的外形描述、形態特征以及三維模型和現場視頻，讓用戶進行對照，以確定判別結果的準確性。如果用戶對機器產生的診斷結果表示肯定，則由系統根據環境條件作出發展形勢判定，并給出防治策略。否則系統向專家在線系統發出請求，由專家進行診斷。對于特別重大的情況，可以由專家發起網上會診。

圖1病蟲害遠程診斷流程根據系統流程的設計，對系統的結構框架進行了設計。框架的基本內容包括基于視覺技術的病蟲害識別模型，形成的識別模型儲存在規則庫中，供病蟲害機器識別調用。基于可視化編輯技術的知識編輯系統，通過專家應用知識編輯工具對知識進行編輯，形成專家知識庫，并由知識庫按二叉樹的結構形成推理規則，推理規則是系統的核心內容。系統通過4個模塊將用戶與系統的推理機之間聯結起來。通訊模塊為系統的使用提供了靈活性，使得用戶和專家都可以使用多種終端進行查詢和服務，如電話語音服務、手機短信、計算機等。搜索模塊則為用戶提供強大的搜索引擎，便于用戶靈活地進行信息檢索，快速找到問題的解決方案。圖形圖像處理系統幫助用戶進行圖形圖像的提交；圖像的智能處理實現在線顯微鏡的功能和病蟲害的在線實時診斷；GIS模塊方便了專家對病蟲害發生跡地的了解，各種現場因子的及時掌握，大大地提高了對病蟲害發生預測的準確性。系統的結構如圖2所示。

2系統的功能

根據對業務流程的分析及框架結構的建立，可以確定系統主要實現的應用服務功能包括病蟲害標本的發現功能、病蟲害標本的記錄功能、病蟲害標本的視頻分割功能、病蟲害標本的識別功能、專家知識的編輯功能、推理規則庫的建立、虛擬顯微鏡（立體鏡）功能、環境空間分析功能、通訊聯絡功能、診治方案生成功能、方案實施效果評價功能、用戶管理功能、數據庫和知識庫管理與維護。

以上功能的實現用基于組件的開發方式進行組件的開發實現。大多數功能的實現對用戶是透明的，為方便用戶的使用[9]，客戶端的WEB頁面設計簡單易用。主要功能如圖3所示。管理端的功能基本相同，增加了數據庫管理和用戶管理的功能。

3系統的實現

系統建立在Window.NET平臺上，采用SQL Server 2000作為知識庫和實例庫服務器，主要構件使用C#編寫。主要的功能實現包括：①病蟲害自動診斷模塊的開發與實現；②知識編輯工具的開發、知識庫的建立和規則的產生功能的實現；③基于SDD算法的智能搜索引擎的開發與實現；④基于圖形處理的虛擬儀器的開發與實現。

3.1病蟲害自動診斷模塊的開發與實現建立了基于mzLinux的嵌入式開發環境，研制了攝像頭的驅動程序和相應的圖像處理程序，通過OEM手段完成了病蟲害診斷儀的原型系統。該系統的功能是使用CCD攝像頭獲取病蟲害圖像資料，圖像經過視頻處理技術處理，并對圖像進行分割，選取具有典型性的圖像入庫，建立病蟲害視頻和圖像數據庫。利用特定的算法自動提取病蟲害圖形及顏色特征，并識別出病蟲害的名稱，給出具體防控方法和手段。

從硬件上看，包括嵌入式CPU、顯示屏、CCD攝像頭。圖4是硬件照片。從實現技術上看，流程如圖5所示。

3.2知識編輯工具的開發及規則庫的建立知識庫及推理規則的產生是實現遠程診斷系統的關鍵。知識編輯系統的開發方便了領域專家自行對已有的領域知識進行編輯，建立知識庫，并生成相應的推理規則。該工具的開發大大提高了系統應用的可推廣價值。知識的編輯及推理規則的產生如圖6所示。

3.3基于SDD算法的智能搜索引擎的開發與實現。SDD算法是基于半離散矩陣的算法[10]，是在SVD算法基礎上發展起來的一種搜索算法，具有定義簡單、搜索效率高等優點。經過研究試驗，開發了中文搜索引擎，實現了對文本的準確分詞和高效搜索。在課題研究的基礎上，經過深層開發，實現了單獨的中農搜索網站。SDD的算法定義如下。

3.4基于圖像處理技術的虛擬儀器的開發與實現病蟲害診斷中，由于其環境的復雜性，機器的自動診斷有時難以準確地鑒定出病蟲害。因此，開發出適合網絡上應用的虛擬儀器就顯得非常重要。根據遠程診斷的需求，開發了可以觀察病蟲害標本的虛擬立體解剖鏡和虛擬顯微鏡。開發的基本原理為：將數字顯微鏡和數字解剖鏡聯接到網絡上，通過遠程控制將圖像進行采集，并保存在視頻與圖像數據庫，通過建立圖像的自動識別分類技術，可以實現病蟲害的診斷。利用圖像處理技術，開發虛擬的顯微鏡和立體觀察鏡，可以隨時進行網上的圖像圖形的觀察，實現了實時網上診斷。利用這種技術可以實現真菌、病毒等微生物的實時診斷，彌補了目前病蟲害遠程診治技術的空白。

4結論

利用.NET技術開發了面向網絡應用的農林重大病蟲害遠程診斷系統，系統界面簡單，極易上手，已在12個省市應用推廣。系統地收集了800多種病蟲害標本數據，建立了大量的病蟲害推理規則庫，系統的應用數據達到4 G。系統的研究與開發對于推進病蟲害的自動識別技術及其應用起到了積極的作用。在理論上引入了大量的先進技術，提高了病蟲害自動識別的準確率，促進了技術的進步。

在應用的過程中，反映出了系統存在著的不足，表現為：①對于病蟲害的識別，在實驗室或靜態條件下，對病蟲害的識別率較高，但是在野外條件下，由于光照等條件的影響，對病蟲害的識別率還很低，系統難以在田間地頭得到應用。②系統的圖像掃描需要借助專用的設備，還不能利用數碼相機、手機等通用設備獲取，造成了系統應用推廣的瓶頸，在以后的應用開發中應逐步改進。系統目前適合在基層農業技術服務站等基層業務單位使用。

隨著社會經濟的不斷發展和生態安全意識的提高，病蟲害診斷和防治的需求將會越來越旺盛，研究具有高效、安全、快速、準確的病蟲害識別系統將成為行業日益突出的需求。隨著研究的深入，將會使該系統的應用面逐漸展開，為推進我國農業有害生物的診斷防治作出應有的貢獻。

參考文獻

[1] 封傳紅，廖華明，羅林明，等.病蟲生物災害遠程診斷技術探討[J].中國植保導刊，2004（5）：5-7.

[2] 王淑芬，陳亮，張真.馬尾松毛蟲防治決策專家系統[J].林業科學，1992，28（1）：31-38.

[3] 齊群，耿祖群，杜永波.專家咨詢系統在楊樹害蟲綜合治理中的應用[J].山東林業科技，2001（S1）：82-83.

[4] 周小燕，史巖，李道亮，等.棉花病蟲害診斷專家系統的研究與設計[J].萊陽農學院學報，2005，22（1）：9-11.

[5] 李東暉，戴小鵬， 黃璜，等.棉花病蟲害防治過程中專家系統的應用[J].福建電腦，2006（12）：1-2.

[6] 陳艷平.番茄病蟲害診斷專家系統知識庫的構建[J].中國科技信息，2007（1）：68-69.

[7] 徐勝祥，賀立源，黃魏，等.基于Web的柑橘生產專家系統的設計[J].計算機工程與應用，2006（1）：212-215.

[8] 陳步英.基于Web的黃瓜病蟲害專家系統的開發與應用[J].農機化研究，2007（3）：159-161.

[9] 周國民，丘耘，樊景超，等.基于XML的農業專家系統構建技術[J].計算機工程與應用，2005（21）：206-207.

[10] 樊景超，周國民.SDD算法在中文農業網頁信息檢索的應用[J].農業網絡信息，2005（11）：129-131.