寶雞市蘋果病蟲害管理信息系統(tǒng)構建

高蕾 徐春迪 代爽

【摘 要】農(nóng)業(yè)作為立國之本，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展水平高低將直接影響到社會進步和發(fā)展。寶雞市經(jīng)濟發(fā)展相對落后，在蘋果種植產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，病蟲害預測防治等方面科術含量偏低，尤其是當前蘋果種植面積的進一步擴大，病蟲害防治工作成效將直接影響到蘋果產(chǎn)量和品質，對果農(nóng)利益影響深遠，所以提高蘋果病蟲害防治水平和運用科技水平建立蘋果病蟲害管理信息系統(tǒng)十分必要。本文就蘋果病蟲害管理工作展開深刻剖析，設計了一套基于GIS系統(tǒng)和Internet技術的蘋果病蟲害管理信息系統(tǒng)，系統(tǒng)包括蘋果病蟲害基礎數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、蘋果蟲害預測預報子系統(tǒng)和蘋果病蟲害網(wǎng)絡發(fā)布子系統(tǒng)。利用ArcIMS作為地理信息的網(wǎng)絡發(fā)布平臺，系統(tǒng)地提出了平臺搭建的步驟與Web應用程序的開發(fā)步驟。系統(tǒng)提供的算法可以較好地預測蘋果病害的發(fā)生程度，系統(tǒng)作為一種工具軟件可以為果樹病蟲害管理、田間數(shù)據(jù)分析與精細農(nóng)業(yè)研究提供技術支持。

【關鍵詞】病蟲害預測;病蟲害防治;地理信息系統(tǒng)

中圖分類號： TP311.52文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）06-0069-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.06.024

【Abstract】As the foundation of the nation， the level of agricultural economic development will directly affect social progress and development. The economic development of Baoji city was backward. In the development of apple planting industry， the scientific and technological content of disease and insect pest prediction and prevention is relatively low，especially with the further expansion of apple planting area at present， the results of pest control work will directly affect the yield and quality of apples， and have a far-reaching impact on farmers' planting interests. Therefore， it is necessary to improve the pest control level of apples and establish an apple pest management information system with the application of science and technology. In this paper， with the deep analysis of the apple pest management work， it designed a set of apple pest management information system based on GIS system and Internet technology to practice， in order to improve the level of social production. This system includes apple pest data processing subsystem， apple pest forecasting subsystem and apple pest network publishing subsystem.Using ArcIMS as the geographic information network publishing platform， the system puts forward the steps of platform construction and Web application development steps. The algorithm provided by the system can better predict the occurrence degree of apple disease. As a tool software， the system can provide support for fruit tree pest management， field data analysis and fine agriculture research.

【Key words】Pest and disease prediction; Pest control; Geographic information system

0 引言

我國農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎，但是我國經(jīng)濟發(fā)展水平相對偏低，我國在農(nóng)業(yè)方面的科技含量較低，寶雞市農(nóng)業(yè)發(fā)展也更為落后，對于農(nóng)作物病蟲害預測和防治水平也偏低，所以我國的蘋果生產(chǎn)業(yè)存在著嚴重的病蟲害現(xiàn)狀，病蟲害存在的種類繁多并且會在果園中隨機高頻率發(fā)生，發(fā)生的地域廣泛，蘋果生產(chǎn)方面會造成嚴重的經(jīng)濟損失。由于我國地域遼闊，不同的蘋果產(chǎn)區(qū)在品種結構、氣候特點、土壤類型和栽培管理等各個方面上也各不相同，所以不同地域的病蟲害在種類和發(fā)生程度上也各有不同。通過查閱相關資料，在全國范圍內調查了解到當前的蘋果病害種類大概有51種，可以發(fā)現(xiàn)發(fā)生頻率高的主要蘋果病害大概有16種，分別是斑點落葉病、白粉病、輪紋病、煤污病、霉心病、粗皮病、炭疽病、褐腐病、銹病、千腐病、褐斑病、黑星病、花葉病毒病、套袋果實黑點病、銹果病;其中各省市分布較廣的嚴重病害有腐爛病、斑點落葉病、輪紋病，對蘋果產(chǎn)業(yè)造成了很大影響，對其健康發(fā)展構成了極大的威脅。此次的調查結果比起以往的相關資料記載多出了兩種新病害，分別是絲核菌葉枯病和炭疽菌葉枯病。經(jīng)過調查研究，絲核菌葉枯是2010年在河南濮陽發(fā)現(xiàn)，其癥狀是菌絲可在枝葉上蔓延擴散，會引起樹枝病死和葉片枯死;炭疽菌葉枯病是近兩年在江蘇豐縣、河南商丘、安徽的碭山及山東青島等地發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)癥狀是從葉尖侵染，從葉片邊緣擴散，形成大小不同的枯死斑，病斑周圍的健康組織隨后變黃，病重葉片很快脫落。根據(jù)本次的調查我們共收錄到78種害蟲，與之前調查的相關資料數(shù)據(jù)相比，增加了兩種新害蟲，其中主要害蟲有桃小食心蟲、蘋果綿蚜、二斑葉螨、蘋果小卷葉蛾、山楂葉螨、繡線菊蚜等21種，其中分布較廣、會造成嚴重危害的害蟲是葉螨類和蚜蟲類。在鱗翅目的害蟲中，蘋果蠹蛾為主要害蟲，其余大多屬于次要害蟲，但是由于溫度氣候、土壤類型等不確定的條件，一些次要害蟲也可能會造成嚴重危害，廣大的蘋果種植戶對這些害蟲也不能放松警惕，盡量減少蟲害的侵襲。

目前我國對于蘋果的病蟲害防治方法技術有三種，分別是預防性的套袋技術、殺蟲燈技術和生物防治技術。根據(jù)我們的調查顯示目前最主要的生物防蟲技術是預防性的套袋技術，對果實進行套袋防治這種方法既可以避免蘋果遭受污染，又可以消除害蟲對蘋果的傷害。套袋技術是在果實即將成熟之前使用特別制作的紙袋子完全包住蘋果，防止害蟲的侵入和啃噬，對蘋果的品質有大量的提高，當然這個技術有一定的缺點就是十分消耗人力，但是它也有一定的好處就是基本不會殘留農(nóng)藥，并且在一定程度上還節(jié)省了成本，是一種經(jīng)濟又環(huán)保的防蟲技術，所以使用范圍也特別廣泛。殺蟲燈技術是一種具有針對性的蟲害防治技術，這種技術具體來說就是利用一種防蟲燈，這種燈主要防治對象是在夜里覓食并且能夠飛行的小型昆蟲。將這種防蟲燈放置在果園中，通過聲波或者光源來吸引植物周圍的小昆蟲，目標一進入燈中之后就會自動產(chǎn)生高壓，瞬間殺死或者損傷害蟲，并且死傷之后的害蟲會掉入已經(jīng)提前準備好的紙袋內，方便于后面的清理。生物防治技術實際上就是利用一些激素來吸引昆蟲，然后再采用一些手段或者方法來消滅或損傷害蟲，從而減少昆蟲的數(shù)量，例如人們可以使用人工激素來吸引昆蟲到事先設定的地方，進而統(tǒng)一清除掉昆蟲，或者也可以使用性激素將雌性昆蟲匯集到一起，影響它們的繁殖，達到消滅害蟲的效果，從而提高殺蟲的效率。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)開發(fā)基礎

根據(jù)我國病蟲害和上面幾種蘋果病蟲害防治技術的現(xiàn)狀描述，可以發(fā)現(xiàn)構建一個蘋果病蟲害的管理信息系統(tǒng)是十分必要的，因此我們將構建一個基于GIS系統(tǒng)、Internet技術和人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術的電子信息系統(tǒng)。GIS （Geographic Information Systems， 地理信息系統(tǒng)）是聚集了多門學科的技術結果，以整個地球空間為基礎，在計算機硬、軟件系統(tǒng)支持下，對需要研究的地理空間中的各種地理信息數(shù)據(jù)采用地理模型分析方法進行采集、存儲、編輯、管理、分析、輸出的技術系統(tǒng)，這種計算機技術系統(tǒng)可以為地球地理空間地理數(shù)據(jù)的查詢、研究和處理進行服務。其基本功能是將來自數(shù)據(jù)庫的矢量化數(shù)據(jù)或柵格型數(shù)據(jù)在地圖影像轉換為數(shù)理狀物顯示，然后對顯示結果進行瀏覽、操作編輯和分析輸出。其顯示范圍極其廣闊，大到整個地理空間，小到詳細的樹木，現(xiàn)實對象包括省級行政區(qū)、經(jīng)濟情況、運輸線路、輸水量、農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量等內容。

采用通用高級編程語言結合地理信息系統(tǒng)組件就是集成二次開發(fā)方式，這種開發(fā)方式在進行地理信息系統(tǒng)開發(fā)之中是比較好的，可以計算處理出落入每一個柵格中的采樣點數(shù)據(jù)的平均值、最大值和最小值三種方法，也就是系統(tǒng)所提供的IDW插值方法。它測試出相關系數(shù)為0.9987，結果表明這一方法的運算結果與ArcInfo軟件中的IDW插值方法結果十分接近，可以滿足系統(tǒng)的要求。人工神經(jīng)網(wǎng)絡可以用作建模處理，它的基本功能有非線性函數(shù)動態(tài)處理能力，同時也具有自組織、自適應和自學習的功能，對于蘋果病蟲害的監(jiān)測有很大幫助作用。采用BP網(wǎng)絡模型分析方法對蘋果病蟲害的發(fā)生量進行檢測預報，相對于現(xiàn)有的分辨方法更具快捷性、通用性、準確性。對蘋果病蟲害的預測運用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱更高效的建立BP網(wǎng)絡模型，它的優(yōu)點在于不需要進行繁瑣的編程，使用更方便。完成對Matlab的調用需要同時利用高級編程語言程序（Vb）設計出人機交互界面，這對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的指導具有極高的應用價值。同時，神經(jīng)網(wǎng)絡模型的建立提供了一種新的通用的實用性方法，不同條件下的預測預報都可以應用到。

1.2 系統(tǒng)配置方案

要構建一個蘋果病蟲害管理信息系統(tǒng)，采用先進的GIS技術和空間數(shù)據(jù)庫管理技術會提供非常大的幫助，以計算機網(wǎng)絡、人工網(wǎng)絡和空間數(shù)據(jù)為基礎，以地理數(shù)據(jù)庫為核心，建立一個高效、全面、規(guī)范、通用、實用的蘋果病蟲害管理信息系統(tǒng)。這個信息系統(tǒng)對空間信息管理進行蘋果產(chǎn)業(yè)資源信息采集、生長動態(tài)監(jiān)測、現(xiàn)狀管理分析、最終結果決策與公布，GIS技術在其中可以充分發(fā)揮優(yōu)勢，將各種農(nóng)業(yè)資源在空間的分布狀況、它們的生長變化趨勢、遭受病蟲害的現(xiàn)狀等直觀、動態(tài)、全面地顯示出來。此次寶雞市病蟲害管理信息系統(tǒng)項目建設以基礎應用系統(tǒng)開發(fā)為主，利用計算機網(wǎng)絡進行開發(fā)。

1.3 系統(tǒng)功能結構

蘋果病蟲害管理信息系統(tǒng)包括蘋果病蟲害基礎數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、蘋果病蟲害監(jiān)測預報子系統(tǒng)和蘋果病蟲害網(wǎng)絡發(fā)布子系統(tǒng)。它們之間運用同一個數(shù)據(jù)庫，基礎數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)可以得到蘋果的實時生長狀況，病蟲害監(jiān)測預報子系統(tǒng)會監(jiān)測出果樹是否被病蟲侵害，數(shù)據(jù)庫可以將兩個系統(tǒng)的結果保存在其中，然后再通過網(wǎng)絡發(fā)布子系統(tǒng)將處理結果發(fā)布出去，接著蘋果病蟲害的各種信息和蘋果的質量就可以通過IE瀏覽器被需要的客戶端查詢。這三種子系統(tǒng)的不同之處是運用不同的結構模式進行開發(fā)的。

1.3.1 基礎數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

蘋果病蟲害基礎數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的基本功能有獲取蘋果生長實時數(shù)據(jù)、空間信息編輯、屬性查詢和分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、窗口分析、網(wǎng)絡分析、緩沖區(qū)分析、插值分析、數(shù)字高程模型分析和將處理后的圖層數(shù)據(jù)以新的數(shù)據(jù)模式導出。在系統(tǒng)中可以共同使用矢量化數(shù)據(jù)結構和柵格型數(shù)據(jù)結構，兩個數(shù)據(jù)結構相互配合可以使系統(tǒng)操作識圖起來更方便，在實際操作的過程中可以根據(jù)不同需求條件選擇更適合的數(shù)據(jù)結構。一般以柵格數(shù)據(jù)結構表示空間信息，圖層中每個單元格上的屬性值表示所屬對象的屬性特征。柵格數(shù)據(jù)編碼結構有完全柵格數(shù)據(jù)結構、游程數(shù)據(jù)編碼結構、四叉樹數(shù)據(jù)結構、二維行程編碼結構、鏈碼結構、影像金字塔結構、塊碼結構，在一般情況下，采用完全柵格數(shù)據(jù)結構對數(shù)據(jù)進行處理和操作更為簡便。

1.3.2 蘋果病蟲害監(jiān)測預報子系統(tǒng)

病蟲害信息整理、病蟲害統(tǒng)計分析、病蟲害監(jiān)測預報功能主要是在蘋果病蟲害監(jiān)測預報子系統(tǒng)中體現(xiàn)。系統(tǒng)結合運用GIS技術和人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術，將病蟲害受災情況用不同的標記符號標記出來，使結果更加的清晰明了、形象直觀。并且系統(tǒng)還提供了1-8周的短期預測功能。

病蟲害監(jiān)測預報功能由BP （Back Propagation） 網(wǎng)絡模型在人工神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)中進行開發(fā)。由大量簡單的神經(jīng)單元充分連接形成的人工網(wǎng)絡，它能夠體現(xiàn)出采集數(shù)據(jù)信息之間的非線性關系，充分的人工網(wǎng)絡具有強組織、聯(lián)想能力，可以模擬大腦處理不同的信息，靈活處理已知和未知參數(shù)對其進行建模。

1.3.3 蘋果病蟲害網(wǎng)絡發(fā)布子系統(tǒng)

蘋果病蟲害網(wǎng)絡發(fā)布子系統(tǒng)的功能有查詢蘋果病蟲害信息、數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢圖查詢、監(jiān)測預報結果查詢等?？蛻舳烁鶕?jù)自己的需求通過網(wǎng)絡技術查詢蘋果病蟲害受災情況、防治病蟲害的方法、種植蘋果的用量情況和監(jiān)測預報結果，這種方法使客戶端種植蘋果十分便捷。在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的查詢過程大致可分為3類：（1）直接查找出數(shù)據(jù)庫中人們需要查詢的的數(shù)據(jù)及所含信息;（2）通過分析運算查詢出人們需要查詢具有一定約束條件的信息;（3）根據(jù)已知實體數(shù)據(jù)模型，模擬分析出虛擬數(shù)據(jù)模型，來監(jiān)測預報人們需要查詢數(shù)據(jù)信息結果。綜合上述查詢過程的分析，我們可以得出一個結論就是在預測蘋果病蟲害的系統(tǒng)中，第三種查詢過程更適用于用戶。

2 地理數(shù)據(jù)庫的建立

2.1 數(shù)據(jù)庫概念設計

地理數(shù)據(jù)模型是對現(xiàn)實世界地理實體的抽象表達，用計算機處理數(shù)據(jù)，可以描述地理數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)信息組織和為建立地理數(shù)據(jù)庫提供新的板塊模式，為數(shù)據(jù)管理提供全新思路與路徑。地理數(shù)據(jù)模型的選取和建立是地理信息數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)表達的基礎，在蘋果病蟲害管理信息系統(tǒng)中影響數(shù)據(jù)的定義、采集、存儲、分析和決策。

數(shù)據(jù)庫是將具有一定特征屬性的大量數(shù)據(jù)組織和描述，將其按一種數(shù)據(jù)結構模型存儲在計算機內。其中的數(shù)據(jù)可以單獨調用，也可以結合分析的，可以被各種用戶端分享使用。蘋果病蟲害管理信息系統(tǒng)也有同樣的特點，對數(shù)據(jù)信息進行采集管理，以直觀圖形或者圖像數(shù)據(jù)為搜索引擎，滿足客戶對病蟲害的了解、查詢和防治，具有多元化、可視化的功能特點。

2.2 空間數(shù)據(jù)庫設計

空間數(shù)據(jù)庫是存儲在計算機內的地理信息與處理后的相關地理信息數(shù)據(jù)的集合。在空間數(shù)據(jù)庫中客戶端可以直接查找獲得要使用的空間數(shù)據(jù)，使用完成并生成新的數(shù)據(jù)再以符合工業(yè)技術標準的RDBMS數(shù)據(jù)類型存儲。每種數(shù)據(jù)幾何類型都應遵循OGC等國際標準，以保證數(shù)據(jù)庫之間的正常運行。用這種數(shù)據(jù)類型可以使數(shù)據(jù)完整和統(tǒng)一，使日常事務處理更完善，分布完成不同數(shù)據(jù)的存儲與數(shù)據(jù)庫操作。

2.3 屬性數(shù)據(jù)庫設計

屬性數(shù)據(jù)庫獨立于空間數(shù)據(jù)，它的內容包括蘋果正常情況下參照數(shù)據(jù)、農(nóng)田基本情況、農(nóng)戶檢查數(shù)據(jù)等，根據(jù)用戶所需數(shù)據(jù)可自行添加，作為參照對比分析蘋果的基本情況，檢查蘋果是否有病蟲害現(xiàn)象。

3 結論與討論

在以上分析設計中，我們可以了解到寶雞市蘋果病蟲害和其防治系統(tǒng)的現(xiàn)狀，學習到數(shù)據(jù)庫和病蟲害管理信息系統(tǒng)構建的依據(jù)、設計和運行。總體設計來看，寶雞市蘋果病蟲害管理信息系統(tǒng)的構建是刻不容緩的，它和以往的病蟲害防治系統(tǒng)相比高效性、全面性、準確性都得到了保障。具體來講，在GIS系統(tǒng)、Internet技術和人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術的支持下建立的蘋果病蟲害管理信息系統(tǒng)能夠將寶雞市蘋果的信息完整的呈現(xiàn)在系統(tǒng)中并且能準確及時的預測病蟲害發(fā)生的時間、方位和類型，然后將其迅速發(fā)布出來。點取查詢、條件查詢、空間查詢可以滿足基本的屬性數(shù)據(jù)查詢和空間數(shù)據(jù)的查詢要求，查詢操作方式簡潔方便，查詢結果形象直觀。

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