基于Web GIS的吉林省玉米病蟲草害診治專家系統(tǒng)的研究與應用

姚玉霞　張蕓　隋慶茹　劉曉燕　韓智慧

摘要：本文利用網(wǎng)絡地理信息系統(tǒng)（Web GIS）技術和可視化空間數(shù)據(jù)挖掘技術，結合不確定性推理、多媒體技術，針對吉林省玉米病蟲害草發(fā)生的情況，充分考慮引起吉林玉米病害、蟲害、草害發(fā)生的原因及不確定性的因素，將可視化、專家知識、農(nóng)民經(jīng)驗、地理信息系統(tǒng)的有機結合，研究玉米病蟲草害診治智能專家系統(tǒng)進行推廣，在吉林省部分地區(qū)的應用中取得了良好效果。

關鍵詞：Web GIS 玉米病蟲草害；專家系統(tǒng)

項目來源：吉林省教育廳“十二五”規(guī)劃“吉林省玉米生產(chǎn)管理智能決策系統(tǒng)推廣應用的研究”；長春科技學院“以IT認證為載體提升計算機專業(yè)大學生實踐能力的研究”

中圖分類號： S126 文獻標識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2014.19.0012

吉林省玉米的病蟲草害高達80多種，每年都因為病蟲害草造成巨大玉米的減產(chǎn)損失，研究“基于Web GIS的吉林省玉米病蟲草害智能專家系統(tǒng)”能對玉米病蟲草害進行準確診斷，通過有效防治玉米病蟲草害來提高玉米的產(chǎn)量與質(zhì)量。最重要的手段之是一計算機技術在農(nóng)業(yè)領域應用，通過計算機和信息技術，結合收集整理相關領域的知識、利用知識表示及推理策略、應用模型和專家經(jīng)驗為使用者提供生產(chǎn)指導。該系統(tǒng)不僅美觀易用，還滿足了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務的實際需求，具有很強的實用性。

1 Web GIS的在系統(tǒng)研制中的應用

Web GIS是建立在Web技術上的一種特殊環(huán)境下的地理信息系統(tǒng)，將萬維網(wǎng)地理信息系統(tǒng)（Web GIS）應用于農(nóng)業(yè)，解決現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際問題。其主要特點是基于Intranet標準，數(shù)據(jù)來源豐富，可分布存儲、分布式服務體系結構、發(fā)布速度快，范圍廣、維護方便、用戶界面友好、系統(tǒng)建設和維護投資少，安全性和協(xié)同性強。

2玉米病蟲草害專家系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀

目前，在玉米生產(chǎn)中應用的專家系統(tǒng)種類很多，已有許多課題也在研究相關的專家系統(tǒng)，但是，對于玉米病蟲草害的防治大多是建立在糧食生產(chǎn)管理系統(tǒng)中所包含的一部分關于病蟲害的防治，或者有專門的系統(tǒng)也都是單機版的較多，內(nèi)容不全面，應用很有一定局限性?；赪eb GIS的吉林省玉米病蟲草害防治專家系統(tǒng)，是將因特網(wǎng)和GIS技術相結合，應用于玉米病蟲草害防治。系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、信息查詢、專題分析、診治決策、后期預測等功能。以Web GIS為基礎、計算機網(wǎng)絡化構架技術和編程語言為手段，提出了基于Web GIS的玉米病蟲草害系統(tǒng)的設計與開發(fā)思路來實現(xiàn)系統(tǒng)的構建；建立分析和管理的動態(tài)知識模型和網(wǎng)絡化玉米病蟲草害診治專家決策系統(tǒng)，已經(jīng)在吉林部分玉米種植區(qū)推廣應用。

3 玉米病蟲草害數(shù)據(jù)庫的構建

3.1 研究數(shù)據(jù)來源

課題研究數(shù)據(jù)的主要來源是基于領域專家、專業(yè)書籍、網(wǎng)絡資源、實驗數(shù)據(jù)、農(nóng)民經(jīng)驗等。方法是咨詢該領域專家，專家大多是吉林大學農(nóng)學院、吉林農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院、吉林省農(nóng)業(yè)科學院植保所、榆樹市科技局，農(nóng)安、雙陽、德惠、四平等地區(qū)的農(nóng)業(yè)技術推廣站和玉米專家，從他們那里得到相關數(shù)據(jù)資料。收集吉林省農(nóng)委多年的測試數(shù)據(jù)，查閱本領域專著，教材及科相關論文等科技文獻資料，進行整理、歸納后抽提相關知識。結合課題組積累的試驗研究數(shù)據(jù)，根據(jù)玉米病蟲草害與產(chǎn)量關系的試驗，吸收示范區(qū)農(nóng)技人員和農(nóng)民的實踐經(jīng)驗補充知識來源、圖片數(shù)據(jù)來源于吉林農(nóng)業(yè)大學植物保護教研室、榆樹市科技局和吉林省農(nóng)業(yè)科學院植保所。

3.2 數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容構建

農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)是一個具有大量農(nóng)業(yè)專門知識與經(jīng)驗的計算機系統(tǒng)，它應用人工智能等技術、數(shù)據(jù)挖掘、依據(jù)領域知識和農(nóng)業(yè)專家提供的特殊經(jīng)驗方法進行推理判斷，模擬農(nóng)業(yè)專家某一復雜農(nóng)業(yè)問題進行決策，及時解決農(nóng)業(yè)專家不在現(xiàn)場的問題。農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)是現(xiàn)代精準農(nóng)業(yè)的重要組成部分之一，系統(tǒng)的研制與應用是農(nóng)業(yè)信息化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和農(nóng)業(yè)科技上水平的新途徑。數(shù)據(jù)庫內(nèi)容包括生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫、知識數(shù)據(jù)庫、病蟲草害圖像數(shù)據(jù)庫等。玉米病蟲草害標準圖像實例數(shù)據(jù)庫，主要包括信息豐富的玉米蟲害、病害、雜草的典型形態(tài)特征。其中，玉米病蟲草害的數(shù)據(jù)來源是收集整理玉米各時期的蟲害、病害、草害等數(shù)據(jù)共計5316條，各類照片394張。數(shù)據(jù)庫是用于記錄當前問題的求解狀態(tài)，存儲除了知識庫以外其他方面的數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容是不斷變化的。

3.3 專家系統(tǒng)的應用

所研制的“基于WebGIS的吉林省玉米病蟲草害診治專家系統(tǒng)”共分為前臺管理系統(tǒng)和后臺管理系統(tǒng)兩大主模塊。在前臺管理系統(tǒng)包括三個模塊：用戶注冊/登錄、GIS系統(tǒng)和病蟲草害查詢和診斷系統(tǒng)；在后臺管理系統(tǒng)中，主要包含了用戶信息管理和信息錄入兩個子模塊。系統(tǒng)界面友好，將文字與圖片相結合，使用簡單方便，為用戶提供直觀的數(shù)據(jù)選擇的方式；不需要用戶安裝太多的軟件或者插件，系統(tǒng)可靠性好，便于維護，易于移植、易于推廣。對用戶信息和知識庫中的知識在后臺管理模塊實現(xiàn)維護的功能，可以對數(shù)據(jù)修改、添加、刪除，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行編輯、采集、統(tǒng)計分析各種空間數(shù)據(jù)。通過推理機對玉米病蟲草害的發(fā)展趨勢進行分析模擬，得出防治方法。本系統(tǒng)將GIS與ES相結合，將專家系統(tǒng)決策功能納入地理信息系統(tǒng)，利用地理信息系統(tǒng)得出的結果，提高了專家系統(tǒng)決策的科學性。

系統(tǒng)軟件運行環(huán)境是WINDOWS98及以上操作系統(tǒng)，硬件運行環(huán)境是20G以上硬盤、CPU賽揚300以上，64M以上內(nèi)存。單擊光盤中setup.exe進行自動安裝，安裝后即可使用。出現(xiàn)如下界面：

一是進入前臺管理系統(tǒng)的主界面圖1，進行病蟲草害查詢。

二是后臺管理系統(tǒng)。管理員通過后臺管理系統(tǒng)可以對用戶進行管理，可以對用戶進行查看、修改、添加/刪除用戶等，可以直接對數(shù)據(jù)庫中的病、蟲、草害等數(shù)據(jù)進行修改、增加、刪除等操作和維護。管理員登錄系統(tǒng)流程圖4所示，在管理員用戶名和密碼的文本框內(nèi)分別屬用戶名和密碼，并輸入隨機產(chǎn)生的驗證碼，點擊登陸就可以進入后臺。

三是查詢與診治方法，以病害查詢?yōu)槔?/p>

病害查詢其方法步驟為在登錄主界面以后，在主界面中間部分的下拉菜單中直接選擇“病害”，點擊按鈕“查詢”，彈出“病害查詢” 界面，在彈出的“病害查詢”界面中選擇發(fā)病時期中“生長期”，在“請選擇發(fā)病部位”的復選框中選擇“葉部”，在“發(fā)病癥狀”文本框內(nèi)輸入玉米發(fā)病時的癥狀信息，輸入完以后再點擊“查詢” 按鈕，在頁面的右邊就會顯示出“病害名稱”，同時，在圖片框中顯示小斑病的圖像，在防治方法的文本框中，描述了小斑病防治的方法。

蟲害查詢：以玉米螟查詢?yōu)槔M行方法步驟的說明。在主界面中的下拉菜單中直接選擇“蟲害”，點擊“查詢”按鈕，彈出“蟲害查詢” 界面，在“請選擇發(fā)病時期”的復選框中選擇“生長期”，選擇“幼蟲”，在“發(fā)病癥狀”框中輸入“幼蟲危害幼葉，點擊下方的“查詢” 按鈕，就會顯示出“蟲害名稱”及圖片框中出現(xiàn)玉米螟的圖像，在防治方法的文本框中，分別描述了玉米螟防治的方法。

草害查詢：在主界面下拉菜單中選擇“雜草”，點擊按鈕“查詢”，彈出“雜草查詢” 界面，在“根系種類”中選擇“直根系”，在“發(fā)病癥狀”框中輸入“稈直立，基部傾斜或膝曲，光滑無毛”，再單擊下方的“查詢” 按鈕，在右邊就會顯示出“雜草名稱”，然后在圖片框中出現(xiàn)稗草的圖像，在防治方法的文本框中，描述了稗草防治的方法。除此以外，還可以采取在主界面的下方有數(shù)據(jù)信息查詢，在信息查詢中分別列出了玉米的病害、蟲害和草害主要的信息。點擊所要查詢的名稱，可以直接鏈接到各自相關的知識表。這里就不一一說明。

近年來隨著課題研究的進一步深入，該系統(tǒng)作為省教育廳“十二五”科研課題“吉林省玉米生產(chǎn)管理智能決策系統(tǒng)推廣應用的研究”的一部分，使得傳統(tǒng)的GIS有了新的發(fā)展空間，使是所研究的系統(tǒng)得到了進一步的應用，在應用的過程中，積累了大量的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)，獲取相應的知識，為了更好的對玉米的進行管理、分析和決策，研制了“基于WebGIS的玉米智能決策系統(tǒng)”，實現(xiàn)了一個面向農(nóng)民用戶的玉米病蟲害防治專家系統(tǒng)，應用效果良好，提高了糧食產(chǎn)量。

參考文獻

[1]劉孝永，等.病蟲害專家系統(tǒng)研究進展[J].山東農(nóng)業(yè)科學，2013，（9）：138-143.

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[3]武向良等，農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)研究進展及發(fā)展方向[J].農(nóng)機化研究，2008，（1）：235-238.

[4]蘇利等，大宗農(nóng)作物病蟲害防治數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的研究[J].陜西農(nóng)業(yè)科學，2009，（4）：66-72.

[5]彭瑩瓊，等.B/S模式的水稻病蟲害診斷專家系統(tǒng)研究[J].江西農(nóng)業(yè)大學學報，2008，（6）：1157-1160.

[6]古樂聲，張寶劍，等.基于CBR的小麥病蟲害專家系統(tǒng)的研究與實踐[J].廣東農(nóng)業(yè)科學，2009，（8）：253-255.

作者簡介：姚玉霞，長春科技學院，教授，碩士生導師，研究方向：計算機與應用。

三是查詢與診治方法，以病害查詢?yōu)槔?/p>

病害查詢其方法步驟為在登錄主界面以后，在主界面中間部分的下拉菜單中直接選擇“病害”，點擊按鈕“查詢”，彈出“病害查詢” 界面，在彈出的“病害查詢”界面中選擇發(fā)病時期中“生長期”，在“請選擇發(fā)病部位”的復選框中選擇“葉部”，在“發(fā)病癥狀”文本框內(nèi)輸入玉米發(fā)病時的癥狀信息，輸入完以后再點擊“查詢” 按鈕，在頁面的右邊就會顯示出“病害名稱”，同時，在圖片框中顯示小斑病的圖像，在防治方法的文本框中，描述了小斑病防治的方法。

蟲害查詢：以玉米螟查詢?yōu)槔M行方法步驟的說明。在主界面中的下拉菜單中直接選擇“蟲害”，點擊“查詢”按鈕，彈出“蟲害查詢” 界面，在“請選擇發(fā)病時期”的復選框中選擇“生長期”，選擇“幼蟲”，在“發(fā)病癥狀”框中輸入“幼蟲危害幼葉，點擊下方的“查詢” 按鈕，就會顯示出“蟲害名稱”及圖片框中出現(xiàn)玉米螟的圖像，在防治方法的文本框中，分別描述了玉米螟防治的方法。

草害查詢：在主界面下拉菜單中選擇“雜草”，點擊按鈕“查詢”，彈出“雜草查詢” 界面，在“根系種類”中選擇“直根系”，在“發(fā)病癥狀”框中輸入“稈直立，基部傾斜或膝曲，光滑無毛”，再單擊下方的“查詢” 按鈕，在右邊就會顯示出“雜草名稱”，然后在圖片框中出現(xiàn)稗草的圖像，在防治方法的文本框中，描述了稗草防治的方法。除此以外，還可以采取在主界面的下方有數(shù)據(jù)信息查詢，在信息查詢中分別列出了玉米的病害、蟲害和草害主要的信息。點擊所要查詢的名稱，可以直接鏈接到各自相關的知識表。這里就不一一說明。

近年來隨著課題研究的進一步深入，該系統(tǒng)作為省教育廳“十二五”科研課題“吉林省玉米生產(chǎn)管理智能決策系統(tǒng)推廣應用的研究”的一部分，使得傳統(tǒng)的GIS有了新的發(fā)展空間，使是所研究的系統(tǒng)得到了進一步的應用，在應用的過程中，積累了大量的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)，獲取相應的知識，為了更好的對玉米的進行管理、分析和決策，研制了“基于WebGIS的玉米智能決策系統(tǒng)”，實現(xiàn)了一個面向農(nóng)民用戶的玉米病蟲害防治專家系統(tǒng)，應用效果良好，提高了糧食產(chǎn)量。

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作者簡介：姚玉霞，長春科技學院，教授，碩士生導師，研究方向：計算機與應用。

三是查詢與診治方法，以病害查詢?yōu)槔?/p>

病害查詢其方法步驟為在登錄主界面以后，在主界面中間部分的下拉菜單中直接選擇“病害”，點擊按鈕“查詢”，彈出“病害查詢” 界面，在彈出的“病害查詢”界面中選擇發(fā)病時期中“生長期”，在“請選擇發(fā)病部位”的復選框中選擇“葉部”，在“發(fā)病癥狀”文本框內(nèi)輸入玉米發(fā)病時的癥狀信息，輸入完以后再點擊“查詢” 按鈕，在頁面的右邊就會顯示出“病害名稱”，同時，在圖片框中顯示小斑病的圖像，在防治方法的文本框中，描述了小斑病防治的方法。

蟲害查詢：以玉米螟查詢?yōu)槔M行方法步驟的說明。在主界面中的下拉菜單中直接選擇“蟲害”，點擊“查詢”按鈕，彈出“蟲害查詢” 界面，在“請選擇發(fā)病時期”的復選框中選擇“生長期”，選擇“幼蟲”，在“發(fā)病癥狀”框中輸入“幼蟲危害幼葉，點擊下方的“查詢” 按鈕，就會顯示出“蟲害名稱”及圖片框中出現(xiàn)玉米螟的圖像，在防治方法的文本框中，分別描述了玉米螟防治的方法。

草害查詢：在主界面下拉菜單中選擇“雜草”，點擊按鈕“查詢”，彈出“雜草查詢” 界面，在“根系種類”中選擇“直根系”，在“發(fā)病癥狀”框中輸入“稈直立，基部傾斜或膝曲，光滑無毛”，再單擊下方的“查詢” 按鈕，在右邊就會顯示出“雜草名稱”，然后在圖片框中出現(xiàn)稗草的圖像，在防治方法的文本框中，描述了稗草防治的方法。除此以外，還可以采取在主界面的下方有數(shù)據(jù)信息查詢，在信息查詢中分別列出了玉米的病害、蟲害和草害主要的信息。點擊所要查詢的名稱，可以直接鏈接到各自相關的知識表。這里就不一一說明。

近年來隨著課題研究的進一步深入，該系統(tǒng)作為省教育廳“十二五”科研課題“吉林省玉米生產(chǎn)管理智能決策系統(tǒng)推廣應用的研究”的一部分，使得傳統(tǒng)的GIS有了新的發(fā)展空間，使是所研究的系統(tǒng)得到了進一步的應用，在應用的過程中，積累了大量的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)，獲取相應的知識，為了更好的對玉米的進行管理、分析和決策，研制了“基于WebGIS的玉米智能決策系統(tǒng)”，實現(xiàn)了一個面向農(nóng)民用戶的玉米病蟲害防治專家系統(tǒng)，應用效果良好，提高了糧食產(chǎn)量。

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[6]古樂聲，張寶劍，等.基于CBR的小麥病蟲害專家系統(tǒng)的研究與實踐[J].廣東農(nóng)業(yè)科學，2009，（8）：253-255.

作者簡介：姚玉霞，長春科技學院，教授，碩士生導師，研究方向：計算機與應用。