西瓜栽培專家系統(tǒng)中病蟲害診斷知識組織與知識庫構(gòu)建策略

趙澤英　王　海　彭志良　李裕榮

摘要基于知識工程方法，闡述了西瓜栽培專家系統(tǒng)中病蟲害診斷與防治知識組織與知識庫構(gòu)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(shè)計中建立分為侵染性病害、非侵染性病害、營養(yǎng)失調(diào)癥、蟲害診斷與防治決策的病蟲害分辨決策模型。

關(guān)鍵詞西瓜；病蟲害；診斷；專家系統(tǒng)

中圖分類號TPl82，S4

西瓜汁多味甘、質(zhì)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(fā)展西瓜生產(chǎn)已經(jīng)成為貴州農(nóng)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(chǎn)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(chǎn)上由于誤診或防治措施不當，造成減產(chǎn)或果實品質(zhì)下降的現(xiàn)象時有發(fā)生，其主要原因在于許多瓜農(nóng)缺少科學(xué)有效的病蟲害診斷與防治技術(shù)，針對這種情況，作者采用知識工程的方法，利用國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)開發(fā)平臺PAID，在開發(fā)貴州省西瓜栽培專家系統(tǒng)的過程中，逐步形成了一套農(nóng)作物病蟲害診斷專家系統(tǒng)知識表示與知識庫構(gòu)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(chǎn)規(guī)范，搜集整理了基于當?shù)貙＜业慕?jīng)驗和西瓜栽培各個學(xué)科領(lǐng)域的多位專家科研成果、知識、經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，包括從育苗到收獲全生育期的土壤管理、營養(yǎng)診斷與無公害施肥、病蟲害診斷與無公害防治等內(nèi)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(jīng)過詳細地推理和詢問有關(guān)信息而直接給出結(jié)論。在這個過程中專家會詢問一系列與病蟲害診斷有關(guān)的問題，由知識工程師根據(jù)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(jié)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(shù)語。需要從領(lǐng)域?qū)＜业玫降男畔ǎ簩＜以谶M行診斷過程中使用的知識，這些知識在層次上的區(qū)別，專家應(yīng)用這些知識得出假設(shè)和結(jié)論的思維過程及得出結(jié)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(jié)構(gòu)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(nóng)民自己的觀察得到，一般不具有任何專業(yè)知識背景，所以病蟲害診斷專家系統(tǒng)與其他專家系統(tǒng)相比，更注重對癥狀空間的有效提問，其數(shù)據(jù)模糊特性也更加明顯。因此，在專家的選擇上不光是學(xué)術(shù)水平較高的專家，更側(cè)重于在基層對生產(chǎn)進行直接指導(dǎo)的農(nóng)技人員，這樣所獲取的知識才更接近于生產(chǎn)實際，有關(guān)的術(shù)語才更能為各種植農(nóng)戶所理解和認同。有時通過直接與農(nóng)戶進行交流，獲取他們對于病蟲與異常診斷中的有關(guān)術(shù)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(tǒng)后，又采用了下列方法對知識進行驗證：

文檔評審請領(lǐng)域?qū)＜覍χR規(guī)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(xiàn)實病蟲害發(fā)生狀況，用系統(tǒng)進行診斷。

實地測試在大田實際情況下，使用專家系統(tǒng)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(fā)生是一種承載著各種信息和方法的對象。從這個基點出發(fā)，就可以對病蟲與異常診斷知識的結(jié)構(gòu)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(xiàn)型，而每個表現(xiàn)型又由環(huán)境信息和癥狀組成，環(huán)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(guān)的信息和癥狀建成一個關(guān)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(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)層次如圖1所示。

2．1病蟲害

對應(yīng)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(tǒng)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(tǒng)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(yǎng)失調(diào)8種。

2．2表現(xiàn)型

根據(jù)時間或部位特征，將病蟲害劃分為不同的表現(xiàn)型。隨著植株的生長和感病時間的延長，西瓜所表現(xiàn)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(xiàn)型，如疫病可以分為幼苗期、莖葉生長期、結(jié)瓜期等時期發(fā)生。同一種病害通常也會在不同部位和不同器官表現(xiàn)不同，這樣可以根據(jù)發(fā)病部位的不同對病害的表現(xiàn)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(xiàn)型，如潛葉蠅的的表現(xiàn)型只在葉片，另外無其他表現(xiàn)型。所以，一種病害一般有一個或一個以上的表現(xiàn)型，在診斷知識的組織過程中，必須對這些表現(xiàn)型加以區(qū)分、分別對待進行歸納，才能得出正確的診斷結(jié)果。

2．3環(huán)境信息

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

2．4癥狀

癥狀是診斷的主要依據(jù)。一般西瓜發(fā)生病害會在不同的部位表現(xiàn)出明顯的癥狀，但癥狀的性質(zhì)、數(shù)量和表現(xiàn)不同。癥狀在每一個表現(xiàn)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(shù)個特征。

2．5特征

對于環(huán)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(tài)等等。每種病蟲害的表現(xiàn)型一般具有確定的特征數(shù)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(jié)線蟲等引起。在特異的病蟲害表現(xiàn)型中，特征具有自己唯一的取值，如在葉片表皮下造成不規(guī)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(jié)構(gòu)的末梢結(jié)點，是用戶要為系統(tǒng)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(xiàn)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(shè)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(jù)侵染性病害、非侵染性病害和蟲害發(fā)生規(guī)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(jù)侵染性病害的發(fā)病部位、癥狀特點(病征和病狀)、發(fā)病規(guī)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(nóng)業(yè)防治、化學(xué)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(yīng)失調(diào)、溫度過高或過低、田間管理不當、空氣中有毒氣體的存在、農(nóng)藥使用不當、養(yǎng)分不足或不均衡等原因造成。所以要根據(jù)以上情況和發(fā)病部位、病狀特點等進行診斷。如裂果癥是由于瓜瓤發(fā)育旺盛階段久旱遇雨，或灌水量忽多忽少，或瓜的發(fā)育前期肥水不足，后期肥水供應(yīng)過多等造成。

3．4蟲害診斷與防治決策

根據(jù)蟲害的危害特點、形態(tài)特征、發(fā)生規(guī)律等診斷出蟲害種類，并提供給用戶不同發(fā)育時期的害蟲形態(tài)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(nóng)業(yè)防治、化學(xué)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(tài)特征明顯，采用形態(tài)診斷較好；對于有些害蟲，如潛葉蠅，其蟲體不明顯，則根據(jù)其危害特點來診斷。

4知識規(guī)則組織

借鑒Common KADS方法，結(jié)合植物保護學(xué)，建立知識規(guī)則文檔并進行規(guī)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(fā)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(tǒng)描述語言相對應(yīng)，按照系統(tǒng)的語言選擇數(shù)據(jù)。

4．2發(fā)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(jié)合癥狀劃分，系統(tǒng)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(jù)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(fā)病部位和各發(fā)病時期癥狀表現(xiàn)等進行詳細描述。同一種病害可能在不同的部位發(fā)病，如疫病可在葉片、莖蔓、果實上發(fā)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(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)是發(fā)生流行的條件。

4．4癥狀確認

用戶在輸入完數(shù)據(jù)后，保存決策，系統(tǒng)會自動給出結(jié)論和備注文檔。為了驗證結(jié)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(fā)生規(guī)律，并有相應(yīng)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(shù)據(jù)錄入部分，換一條途徑繼續(xù)診斷。

5小結(jié)

各地生態(tài)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(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)只有與當?shù)剞r(nóng)業(yè)技術(shù)專家和地方產(chǎn)業(yè)實踐緊密結(jié)合，充分調(diào)查基層生產(chǎn)需求，按照需求進行系統(tǒng)分析、設(shè)計、開發(fā)，才能開發(fā)出真正實用的專家系統(tǒng)軟件，提高產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益和綜合社會效益，為農(nóng)民增收，為農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展貢獻力量。本研究在知識獲取中側(cè)重于在基層對生產(chǎn)進行直接指導(dǎo)的農(nóng)技人員，有時直接從農(nóng)戶處獲取就是為了更接近于當?shù)厣a(chǎn)實際，與當?shù)氐纳鐣幕较嘟咏?/p>

本文的知識組織與知識框架設(shè)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(yǎng)失調(diào)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(shè)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(tǒng)如果能加入病蟲害的預(yù)測預(yù)報，在防治方法中加入經(jīng)濟評價，并能根據(jù)用戶經(jīng)濟狀況，提供最優(yōu)化防治方案，將更有利于用戶使用。如能與GPS、GIS結(jié)合則更有利于基層對生產(chǎn)進行直接指導(dǎo)。