寶雞市蘋果病蟲害管理信息系統構建

高蕾 徐春迪 代爽

【摘 要】農業作為立國之本，農業經濟發展水平高低將直接影響到社會進步和發展。寶雞市經濟發展相對落后，在蘋果種植產業發展中，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量和品質，對果農利益影響深遠，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系統和Internet技術的蘋果病蟲害管理信息系統，系統包括蘋果病蟲害基礎數據處理子系統、蘋果蟲害預測預報子系統和蘋果病蟲害網絡發布子系統。利用ArcIMS作為地理信息的網絡發布平臺，系統地提出了平臺搭建的步驟與Web應用程序的開發步驟。系統提供的算法可以較好地預測蘋果病害的發生程度，系統作為一種工具軟件可以為果樹病蟲害管理、田間數據分析與精細農業研究提供技術支持。

【關鍵詞】病蟲害預測;病蟲害防治;地理信息系統

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

我國農業是國民經濟發展的基礎，但是我國經濟發展水平相對偏低，我國在農業方面的科技含量較低，寶雞市農業發展也更為落后，對于農作物病蟲害預測和防治水平也偏低，所以我國的蘋果生產業存在著嚴重的病蟲害現狀，病蟲害存在的種類繁多并且會在果園中隨機高頻率發生，發生的地域廣泛，蘋果生產方面會造成嚴重的經濟損失。由于我國地域遼闊，不同的蘋果產區在品種結構、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，可以發現發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，對蘋果產業造成了很大影響，對其健康發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。經過調查研究，絲核菌葉枯是2010年在河南濮陽發現，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現，大多數癥狀是從葉尖侵染，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據相比，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藥，并且在一定程度上還節省了成本，是一種經濟又環保的防蟲技術，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 系統設計

1.1 系統開發基礎

根據我國病蟲害和上面幾種蘋果病蟲害防治技術的現狀描述，可以發現構建一個蘋果病蟲害的管理信息系統是十分必要的，因此我們將構建一個基于GIS系統、Internet技術和人工神經網絡技術的電子信息系統。GIS （Geographic Information Systems， 地理信息系統）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、軟件系統支持下，對需要研究的地理空間中的各種地理信息數據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，這種計算機技術系統可以為地球地理空間地理數據的查詢、研究和處理進行服務。其基本功能是將來自數據庫的矢量化數據或柵格型數據在地圖影像轉換為數理狀物顯示，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，現實對象包括省級行政區、經濟情況、運輸線路、輸水量、農產品產量等內容。

采用通用高級編程語言結合地理信息系統組件就是集成二次開發方式，這種開發方式在進行地理信息系統開發之中是比較好的，可以計算處理出落入每一個柵格中的采樣點數據的平均值、最大值和最小值三種方法，也就是系統所提供的IDW插值方法。它測試出相關系數為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，可以滿足系統的要求。人工神經網絡可以用作建模處理，它的基本功能有非線性函數動態處理能力，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測有很大幫助作用。采用BP網絡模型分析方法對蘋果病蟲害的發生量進行檢測預報，相對于現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神經網絡工具箱更高效的建立BP網絡模型，它的優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，這對農業生產的指導具有極高的應用價值。同時，神經網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 系統配置方案

要構建一個蘋果病蟲害管理信息系統，采用先進的GIS技術和空間數據庫管理技術會提供非常大的幫助，以計算機網絡、人工網絡和空間數據為基礎，以地理數據庫為核心，建立一個高效、全面、規范、通用、實用的蘋果病蟲害管理信息系統。這個信息系統對空間信息管理進行蘋果產業資源信息采集、生長動態監測、現狀管理分析、最終結果決策與公布，GIS技術在其中可以充分發揮優勢，將各種農業資源在空間的分布狀況、它們的生長變化趨勢、遭受病蟲害的現狀等直觀、動態、全面地顯示出來。此次寶雞市病蟲害管理信息系統項目建設以基礎應用系統開發為主，利用計算機網絡進行開發。

1.3 系統功能結構

蘋果病蟲害管理信息系統包括蘋果病蟲害基礎數據處理子系統、蘋果病蟲害監測預報子系統和蘋果病蟲害網絡發布子系統。它們之間運用同一個數據庫，基礎數據處理子系統可以得到蘋果的實時生長狀況，病蟲害監測預報子系統會監測出果樹是否被病蟲侵害，數據庫可以將兩個系統的結果保存在其中，然后再通過網絡發布子系統將處理結果發布出去，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。這三種子系統的不同之處是運用不同的結構模式進行開發的。

1.3.1 基礎數據處理子系統

蘋果病蟲害基礎數據處理子系統的基本功能有獲取蘋果生長實時數據、空間信息編輯、屬性查詢和分析、數據統計分析、窗口分析、網絡分析、緩沖區分析、插值分析、數字高程模型分析和將處理后的圖層數據以新的數據模式導出。在系統中可以共同使用矢量化數據結構和柵格型數據結構，兩個數據結構相互配合可以使系統操作識圖起來更方便，在實際操作的過程中可以根據不同需求條件選擇更適合的數據結構。一般以柵格數據結構表示空間信息，圖層中每個單元格上的屬性值表示所屬對象的屬性特征。柵格數據編碼結構有完全柵格數據結構、游程數據編碼結構、四叉樹數據結構、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，采用完全柵格數據結構對數據進行處理和操作更為簡便。

1.3.2 蘋果病蟲害監測預報子系統

病蟲害信息整理、病蟲害統計分析、病蟲害監測預報功能主要是在蘋果病蟲害監測預報子系統中體現。系統結合運用GIS技術和人工神經網絡技術，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。并且系統還提供了1-8周的短期預測功能。

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

1.3.3 蘋果病蟲害網絡發布子系統

蘋果病蟲害網絡發布子系統的功能有查詢蘋果病蟲害信息、數據發展趨勢圖查詢、監測預報結果查詢等。客戶端根據自己的需求通過網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測預報結果，這種方法使客戶端種植蘋果十分便捷。在系統數據庫的查詢過程大致可分為3類：（1）直接查找出數據庫中人們需要查詢的的數據及所含信息;（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）根據已知實體數據模型，模擬分析出虛擬數據模型，來監測預報人們需要查詢數據信息結果。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中，第三種查詢過程更適用于用戶。

2 地理數據庫的建立

2.1 數據庫概念設計

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

數據庫是將具有一定特征屬性的大量數據組織和描述，將其按一種數據結構模型存儲在計算機內。其中的數據可以單獨調用，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也有同樣的特點，對數據信息進行采集管理，以直觀圖形或者圖像數據為搜索引擎，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 空間數據庫設計

空間數據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據的集合。在空間數據庫中客戶端可以直接查找獲得要使用的空間數據，使用完成并生成新的數據再以符合工業技術標準的RDBMS數據類型存儲。每種數據幾何類型都應遵循OGC等國際標準，以保證數據庫之間的正常運行。用這種數據類型可以使數據完整和統一，使日常事務處理更完善，分布完成不同數據的存儲與數據庫操作。

2.3 屬性數據庫設計

屬性數據庫獨立于空間數據，它的內容包括蘋果正常情況下參照數據、農田基本情況、農戶檢查數據等，根據用戶所需數據可自行添加，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的現狀，學習到數據庫和病蟲害管理信息系統構建的依據、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的構建是刻不容緩的，它和以往的病蟲害防治系統相比高效性、全面性、準確性都得到了保障。具體來講，在GIS系統、Internet技術和人工神經網絡技術的支持下建立的蘋果病蟲害管理信息系統能夠將寶雞市蘋果的信息完整的呈現在系統中并且能準確及時的預測病蟲害發生的時間、方位和類型，然后將其迅速發布出來。點取查詢、條件查詢、空間查詢可以滿足基本的屬性數據查詢和空間數據的查詢要求，查詢操作方式簡潔方便，查詢結果形象直觀。

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