水稻害蟲三維標本信息管理系統的設計

摘要：為充分發揮水稻害蟲標本在服務水稻生產中的作用，研制3D成像系統，將水稻害蟲標本自動化生成三維數字化模型。并建立水稻害蟲三維標本信息管理系統，為用戶提供在線檢索服務和防治技術信息。

關鍵詞：數字化；水稻害蟲三維標本；信息管理系統

中圖分類號：TP399；S435.112 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）05-1216-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.05.048

Abstract： In order to make full use of insect specimens of rice pest in rice production， 3D imaging system was developed， which made the three dimensional digital model of the automatic generation of specimens of rice insect. The rice insect specimens of three-dimensional information system was established to provide users with online information retrieval services and prevention techniques.

Key words： digitization； rice pests three-dimensional specimen；information management system

水稻是中國主要的糧食作物之一，在生產過程中，經常遭受害蟲的侵害。中國水稻有害蟲300余種，其中常見的30多種，認識這些蟲害，并提供相關信息是及時解決蟲害和防控的基礎。害蟲標本是人們了解害蟲知識，鑒別害蟲種類的有效、直觀的工具之一[1]，但是標本不利于檢索和維護，同時多次使用容易造成標本的損壞[2]。隨著計算機技術的迅猛發展，把害蟲標本進行數字化處理成為當前研究的熱點。

將害蟲標本數字化，當今大多數采用的是二維圖像形式，這只能從某個角度去觀察害蟲。通過虛擬現實技術可以建立害蟲三維模型，但是這種方法建模速度慢，需要人力多，而且與實際對象的相似度上可能存在一定的偏差。有些使用分形算法建立昆蟲三維模型，通用性差[3]。此次設計的系統三維模型是基于水稻害蟲圖像自動生成的，可以實現720°的自由旋轉，解決了二維圖像的缺陷，實現水稻害蟲的真實再現。同時利用Web技術，實現水稻害蟲信息數據的網絡共享。系統主要以黑龍江墾區水稻常見害蟲為例，為墾區農民、農業科技人員及相關專家之間搭建水稻害蟲的有效信息和知識共享的平臺，建立水稻害蟲三維標本信息管理系統可以推動該區水稻生產的信息化發展，提高水稻的產量和質量。

1 水稻害蟲三維標本信息管理系統的創建流程

系統采用總體規劃、分步實施的方法，如圖1所示。首先采集大量的水稻害蟲活體，制作成適合建模的害蟲標本，然后研發標本三維模型自動拍攝控制臺，進行720°害蟲圖像的拍攝，然后把拍攝的圖像自動組成圖像矩陣，通過算法實現水稻害蟲三維標本的建模；通過查閱相關資料及調研，結合數據庫及網絡技術，建立水稻害蟲網絡信息管理系統，使農業生產科技人員、農業管理人員和農戶利用互聯網就可以訪問該系統，為水稻生產提供技術咨詢服務。

2 水稻害蟲三維標本信息管理系統功能模塊

黑龍江墾區水稻害蟲三維標本信息管理系統主要包含新聞動態、水稻蟲害基本知識、三維標本制作子系統、識別子系統、在線交流、后臺管理6個功能模塊，各子模塊功能如下。

新聞動態模塊：主要發布有關各地區遭受的水稻蟲害最新信息，以及不同時期應注意的事項。使用戶能夠更好地采取防治措施。

水稻蟲害基本知識模塊：該功能模塊主要介紹黑龍江墾區水稻經常出現的害蟲的所屬分類、主要特征、發生時期、為害水稻部位、為害程度、在墾區分布情況以及相應的診治方法和防治措施。系統共收集30余種黑龍江墾區的水稻害蟲信息，包括每種害蟲的名稱、可以720°旋轉的水稻害蟲三維標本模型、水稻癥狀圖像、防治措施、診治方案以及其他相關描述信息，方便用戶查詢水稻害蟲信息及診治方法。

三維標本制作子系統：利用自制的多角度拍攝裝置從上、中、下三個方向拍攝害蟲標本，然后把三個角度的圖片序列組成圖像矩陣。

識別子系統模塊：在該子系統模塊的相關數據庫中匯集了黑龍江墾區常見的水稻蟲害的基本知識，比如蟲害的發生情況、發生期、蟲害的特征、以及為害程度等。該模塊主要實現以下功能：①檢索診斷功能。用戶輸入相應的發生時期、發生特征、發生部位等信息，根據系統推理機能推出屬于什么類型的蟲害，并調出此害蟲的相關信息及防治措施等。②預測功能。用戶可以輸入水稻所處時期、氣象資料包括溫度、濕度、雨量信息，系統會給出這個時期有可能發生什么類型的蟲害，發生概率的大小，以提早防治。③知識庫的維護功能。管理員根據專家最新的研究可以更新知識庫中的數據，以便能夠更加準確地診斷。

在線交流模塊：農民、科技人員、專家可以登錄該模塊中相互交流，以及時解決水稻生產中遇到的問題。

后臺管理模塊：主要負責增、減水稻害蟲相關的信息以及用戶的信息，使系統能夠及時更新以及正常運行。

3 水稻害蟲三維標本信息管理系統設計

3.1 水稻害蟲標本三維模型的自動化系統設計

3.1.1 三維模型自動化生成裝置 為了使水稻害蟲能夠更真實化地再現，系統利用計算機軟硬件技術實現自制的3D成像系統，在降低成本的情況下，使建模實現自動化，大大提高了水稻害蟲標本數字化的效率。

如圖2的3D成像系統包括3D自動成像軟件和3D拍攝硬件。硬件包含轉動裝置、照相機、燈光。轉動裝置由轉輪底座和轉輪組成，水稻害蟲標本放在轉盤的插針上，通過3D自動成像軟件控制步進電機的運轉，在步進電機的驅動下，實現轉盤主體與水稻害蟲的一體旋轉[4]。軟件會自動控制相機720°拍攝取樣，全景展示害蟲各個角度的細節，將害蟲原貌細致直觀地展示給用戶。

3.1.2 三維模型生成過程 水稻害蟲標本三維模型生成共分為三大步驟，第一步是拍攝前的準備。首先把標本固定在旋轉平臺的中心插針上，根據害蟲的大小調整好三個相機的焦距。第二步獲取上、中、下三個角度的圖片序列。系統采用0.025度的步進電機控制旋轉臺的旋轉，每當電機轉動225個單位，成像軟件控制電機停止1 s，同時啟動三個相機進行拍攝，拍攝圖片分別放在三個文件夾中。文件夾的命名為害蟲標本的前8位英文字母（不足的添a補充）+a|b|c（a、b、c分別代表上、中、下），文件的順序號為2位（按拍攝順序依次排序）。每個相機拍攝64次。第三步三維模型自動生成。利用圖像處理技術把上述的圖像序列去除插針和背景色，轉化為灰度圖像，同時為了便于在網絡中傳輸，圖片的分辨率轉換為500×400。處理后的圖像經過拼接算法組成64×3的組圖像矩陣，上、中、下圖像序列按序號排列分別位于第一、第二、第三列。根據圖像拼接算法調用位于不同坐標的圖像，形成720°任意旋轉的水稻害蟲標本三維模型。

3.2 特征信息診斷功能的設計

水稻的每種蟲害都有一定的特征，包含多種癥狀，某一癥狀可能不是一種蟲害特有的，癥狀和蟲害之間存在著網狀關系，在建立知識庫前首先按每個部位發生蟲害的特征進行提取，然后再根據各種癥狀進行水稻蟲害的識別。

系統選擇產生式規則表示方法，將案例檢索和模糊推理相結合，設計出適合水稻蟲害的診斷算法[5-7]。現以二化螟蟲害為例說明診斷的過程。在知識庫中二化螟蟲害的記錄為：X={水稻分蘗期Y1}and{稻莖后劍葉尖端變黃Y2}and{水稻心葉枯黃而死Y3}and{受害莖上有蛀孔Y4}and{孔外蟲糞很少，莖內蟲糞多Y5}and{稻稈易折斷Y6}Then 二化螟為害造成的枯心苗 WITH Z。其中Yi（i=1，2，3，4，5，6）為第i個癥狀所占的權重值，其計算公式為：

其中Z（Si）為第i個癥狀在知識庫中的總和，∑Z（Sj）為案例庫中所有癥狀的和。

在檢索診斷時系統利用案例檢索和模糊推理相結合，計算篩選出與待測案例相似度最大的案例，即使沒有完全匹配，也能給出診斷結果，不同于以往的只有匹配失敗和成功兩種結果，根據相似度取值的不同可以得出三個結果。ρ為診斷的相似度，y和Y分別是用戶提供的和系統案例庫中的第m個癥狀的權重，ρ取值為：

診斷后可能出現如下三種結果：

1）匹配成功，相似度的取值為ρ≥0.95。系統給出診斷出的蟲類，以及具體的相關信息和防治方法。

2）診斷成功但不精確，相似度的取值為0.75≤ρ<0.95。這時需要用戶再次輸入水稻的癥狀信息，如果用戶沒有補充癥狀信息，系統會給出最接近的診斷結果以及防治方法。

3）匹配失敗，相似度的取值為ρ<0.75。說明系統中沒有相關案例，系統會通過管理員把用戶輸入的癥狀信息發布到在線交流模塊上，如果專家提供相應的診斷結果，系統會把案例加入到案例庫中。

3.3 數據庫的設計

水稻害蟲標本數據表由基本數據和組成三維模型的多角度組圖片組成。基本數據字段如表1所示，包括害蟲的名稱、種類、寄主、分布、為害特征、發病時期、為害水稻部位、防治方法等。

4 系統的實現

系統實現了水稻害蟲標本三維模型的自動生成，以及有關害蟲的相關知識及診斷。基于跨平臺性和安全性、可操作性的考慮，系統采用JSP作為開發語言，采用SQL Server作為后臺數據庫。系統的管理界面如圖3所示。

5 小結

將虛擬現實技術、專家系統和圖像識別技術相結合，設計了水稻害蟲三維標本信息管理系統。該系統利用自行開發的3D成像系統將水稻害蟲標本批量化地生成三維模型，節約了大量的成本和時間，同時利用系統可以獲取水稻蟲害知識信息及防治技術，對水稻發生的蟲害進行及時、科學的診斷，同時系統根據用戶輸入的天氣、氣溫、水稻生長時期等信息能夠預測水稻可能遭受的蟲害，以便用戶及時地預防。系統的開發對于黑龍江墾區水稻生產具有一定的指導意義。

參考文獻：

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