農作物病蟲害防治農藥速查系統構建與應用

邱榮洲, 陳韶萍, 趙 健, 池美香, 林建偉, 黃 婷, 翁啟勇*,

(1. 福建省農業科學院 植物保護研究所，福建省作物有害生物監測與治理重點實驗室，福建省作物有害生物綠色防控工程研究中心，福州 350013；2. 福建省農業科學院 數字農業研究所，福州 350003；3. 福建省莆田市城廂區農業農村局，福建 莆田 351100)

農藥是目前農業生產中使用最廣泛且高效的作物病蟲害防治手段，GB/T8321.10—2018《農藥合理使用準則(十)》[1]中規定的430 種農藥在50 種作物上的合理使用準則多達580 項。由于品種繁多，作用方式多樣，農民很難全面掌握各種農藥的適用對象與安全使用方法。保證農藥的科學合理使用，密切關系到農產品的產量和質量安全[2]。隨著農村基礎硬件設施建設不斷進步，農民通過計算機、手機和移動網絡獲取和利用農業信息的渠道已經打通[3]，且具備了一定規模，傳統以廣播電視、報刊書籍等為載體的農業科技信息推廣，正向以移動互聯網終端為載體的移動傳播發展[4]。

本研究針對農業病蟲害防治中農藥安全合理使用這一關鍵環節，以農戶、各級農藥經銷人員及農技推廣人員為主要用戶群體，采用RESTful Web 服務架構設計，運用HTML5 移動Web 開發技術，開發了一款跨平臺 (android/iOS) 的農藥速查軟件系統，以期在微信等社交媒體平臺廣泛普及的環境下[5]，以微信平臺為用戶訪問入口，通過構建農藥與病蟲害之間的相互關聯，為用戶提供專業的病蟲害識別知識及用藥選擇建議。

1 系統方案設計

1.1 數據來源與處理方法

數據主要來源于GB/T8321《農藥合理使用準則》、中國農藥信息網的農藥登記數據庫[6]、相關病蟲害防治類書籍以及本課題組十多年來采集的病蟲害圖片庫，共整理收錄了福建省30 種主要作物病蟲害防治中所涉及的農藥525 種、病害247 種、蟲害258 種、防治配方630 項及圖片2078 張。其中，病蟲害識別相關內容包括為害部位、為害期、為害癥狀、防治方法及相應圖片等，農藥品種信息包括農藥中英文通用名稱、化學結構分類、劑型及理化性質等內容。

數據處理方法如下：1) 以適用作物、防治對象為檢索條件，分別檢索GB/T8321《農藥合理使用準則》和農藥登記數據庫，選取檢索結果中出現頻次較高的農藥及其劑型為農藥防治配方，并邀請相關植保專家進行審核，根據專家的建議對防治配方進行修訂；2) 當出現《農藥合理使用準則》中的信息與農藥登記數據 (核準標簽) 不一致時，以農藥登記數據為準；3) 由于農藥產品更新換代快，農藥登記數據也在不斷更新，為提高采集數據的及時、準確，將每年定期對農藥防治配方和圖片數據進行更新維護。

1.2 體系結構設計

系統由Web 管理端和Web 移動端組成，采用RESTful (Representational State Transfer，表現層狀態轉換) Web 服務[7]架構設計。相較基于傳統SOAP (Simple Object Access Protocol，簡單對象訪問協議) Web 服務[8-10]模式開發的應用系統，RESTful Web 服務在統一接口、輕量級特性及兼容性等方面更具有優勢[11]。基于RESTfu Web 服務開發農藥速查數據接口，使得Web 管理端和Web 移動端應用程序可以通過HTTP 的方式調用RESTful 服務接口來獲取數據，從而降低系統的耦合度、提高資源復用率及降低軟件開發成本。

1.3 數據庫設計

本系統的數據庫主要設計了6 個數據表單，分別為plant_disease (作物病害表)、plant_pest (作物蟲害表)、pesticide (農藥品種表)、prescription(防治配方表)、crop (作物表)及user (用戶表)。其中，作物病害表存儲病害名稱、為害作物、發生期、為害部位、田間癥狀、發病規律、防治措施、圖片等字段；作物蟲害表存儲蟲害名稱、為害作物、發生期、為害部位、形態特征、生活習性、防治措施、圖片等字段；農藥品種表存儲中文通用名稱、英文通用名稱、化學名稱、CAS 登錄號、主要劑型、理化性質、作用特點等字段；防治配方表存儲病蟲害名稱、防治藥劑、使用方法、注意事項等字段；作物表存儲作物類別、作物名稱、生育期劃分、植物部位劃分、圖片等字段；用戶表存儲賬號、昵稱、密碼、關注作物等字段。用戶賬號通過和個人微信號的唯一標識openID 進行綁定，實現了用戶點擊微信菜單進入功能頁面后，自動識別身份信息的功能。病蟲害和作物的圖片字段保存為包括圖片名稱、大小和路徑等信息的JSON (JavaScript Object Notation，JS 對象標記)字符串，格式為“{name:*.jpg; size:*kb; path:rootyearmonthday*.jpg;}”。

1.4 系統功能的設計

Web 管理端分為農藥管理、病蟲害管理和系統管理3 個功能模塊，Web 移動端分為農藥查詢和病蟲害圖譜2 個功能模塊 (圖1)。Web 移動端以“數字植保”微信公眾號為訪問入口，可實現農藥品種與病蟲害信息的交叉快速查詢。

圖1 系統功能框圖Fig. 1 Block diagram of system function

農藥和病蟲害查詢是系統的核心功能。通過病蟲害防治配方表建立農藥與病蟲害間的“多對多”關系，實現從農藥名稱和病蟲害名稱兩個途徑分別查詢農藥品種的功能：其一是輸入農藥名稱進行查詢，通過關鍵詞進行模糊匹配，篩選出符合條件的記錄，并以清單列表的形式列出，用戶從列表中選擇某個農藥，獲得農藥的詳細信息以及可防治的病蟲害對象；其二是輸入作物及病蟲害 (防治對象) 名稱進行查詢，系統給出模糊匹配成功的作物病蟲害列表，用戶從列表中選擇某個防治對象，獲得可以防治該病蟲害的農藥品種。

2 系統實現

2.1 系統開發平臺

系統采用B/S 架構，前端采用HTML5、CSS3、Javascript、jQuery 及Bootstrap 等技術，后端以JAVA作為開發語言，基于Spring Boot 實現RESTful 數據服務，為前端提供數據接口。測試環境包括：服務器，硬件配置為Xeon (R) Platinum 8163 2.50 GHz兩核處理器，4 GB 內存，操作系統為Windows Server 2008 R2 Enterprise，數據庫系統為Microsoft SQL Server 2008；客戶端智能手機，硬件配置為2.84 GHz八核處理器，128 GB ROM，8 GB RAM，6.39 英寸主屏，操作系統Android OS 10；客戶端個人電腦，硬件配置為3.60 GHz 八核處理器，32 GB 內存，操作系統為Windows 10，瀏覽器為Google Chrome 71.0。

2.2 系統主要功能的實現

2.2.1 農藥查詢 用戶通過“數字植保”微信公眾號的“農藥速查”菜單按鈕進入農藥速查Web 移動端，首次進入時，系統可以通過微信網頁授權機制獲取用戶的微信openID，并將其與用戶賬號綁定，實現系統自動識別用戶身份信息的功能。Web移動端的農藥查詢服務由殺蟲劑、殺菌劑、除草劑及植物生長調節劑 (在軟件系統中簡稱為植調劑) 4 個子功能模塊組成。各子功能模塊可按農藥通用名稱和農藥商品名稱進行模糊查詢，或按通用名稱首個漢字的拼音首字母分類瀏覽查詢。以搜索殺菌劑“百菌清”為例：進入農藥查詢主頁面(圖2A) 后，在頁面頂端的查詢輸入框中輸入農藥通用名稱“百菌清”或名稱首字母“bjq”進行模糊匹配查詢(圖2B)；或進入殺菌劑子功能模塊頁面——殺菌劑列表，通過右側“百菌清”首個漢字“百”的拼音首字母“B”分類瀏覽進行查詢(圖2C)，點擊“百菌清”，系統即顯示百菌清相關的詳細信息，包括英文通用名稱、化學名稱、CAS 登錄號、主要劑型、理化性質、作用特點等信息，并關聯顯示該農藥的防治配方信息(圖2D)。

圖2 農藥查詢用戶界面Fig. 2 User interface of pesticide inquiry

2.2.2 農作物病蟲害圖譜 農作物病蟲害圖譜按作物類別分為蔬菜、水果、糧油糖棉、煙茶及花卉5 大類，每個大類下再細分若干作物對象，用戶可通過“ + 關注”來收藏常用的作物對象，方便下次通過“我的關注”快速找到作物對象，如病蟲害圖譜主頁面所示(圖3A)。選擇某一種作物進入作物病蟲害列表頁面(圖3B)，點擊列表中的病蟲害名稱即可進入該病蟲害的詳細信息頁面(圖3C ～3D)，查看發生期、為害部位、為害特點、防治配方、預防措施、圖片等信息，其中防治配方中的農藥與農藥查詢模塊相關聯，選擇農藥名稱即可進入該農藥的詳細信息頁面。當某種病蟲害查不到與之相關的登記農藥配方時，系統還可根據關聯規則算法自動關聯顯示同屬病原病害或同科害蟲的防治信息以供參考。

圖3 病蟲害圖譜用戶界面Fig. 3 User interface of plant diseases and pest mapping

2.2.3 Web 管理端

2.2.3.1 農藥信息管理 根據農藥用途和化學成分對農藥進行分類管理，共分為殺蟲(螨)劑、殺菌劑、除草劑及植物生長調節劑4 類。農藥信息管理模塊包括對農藥信息進行增加、刪除、修改和查詢等操作功能。管理員登錄Web 管理端后，進入農藥信息管理模塊，分級展開農藥分類，如殺蟲劑 >有機磷類 > 倍硫磷(圖4A)，點擊農藥列表上方的“新增”按鈕可創建新的農藥數據，包括中文通用名稱、英文通用名稱、化學名稱、CAS 登錄號、其他名稱、原料來源、禁限用情況、敏感作物、主要劑型、理化性質、作用特點等信息。在農藥列表欄，管理員可在上方的文本框(圖4A) 中輸入農藥名稱來查詢已錄入的農藥信息，或選擇某一種已錄入的農藥，對該農藥條目進行修改和刪除。

圖4 Web 管理端用戶界面Fig. 4 User interface of Web management

2.2.3.2 作物病蟲害管理 管理員進入作物病害或作物蟲害管理模塊，分級展開作物分類(如選擇“水果” > “柑橘類”)，點擊右側的“添加”按鈕可創建新的病蟲害數據。病害信息包括病害名稱、別名、病原、發生期、為害部位、田間癥狀、發病規律、預防措施、病害癥狀圖片等信息；蟲害信息包括蟲害名稱、別名、分類地位、發生期、為害部位、形態特征、危害特點、預防措施、害蟲特征圖片等信息。

2.2.3.3 系統管理 系統管理包括信息類別管理、Alanwood、數據分析和用戶管理4 個功能模塊。類別管理是指對農藥類別、作物類別、病害病原類別、害蟲類別等信息進行增加、刪除、修改、查詢等操作； Alanwood 功能模塊收錄每種農藥的中英文通用名稱對應關系，主要根據農藥通用名稱簡編(compendium of pesticide common names, CPCN)[12]公布的內容整理而成；數據分析主要是對農藥、病害、蟲害等數據的用戶訪問情況進行統計，包括訪問量、最近一次訪問時間、訪問用戶等信息；用戶管理主要是對賬號、姓名、郵箱、密碼等信息進行管理，以及管理員對密碼進行重置管理(圖4B)。

2.3 實際應用舉例分析

本系統的相關軟件為自主研發產品，已申請軟件著作權 (授權號：2020SR0823742)。系統于2021 年5 月13 日開通試運行，并在福建省進行了推廣應用。根據數據庫統計(圖5，截至2022 年3 月)，涵蓋的作物有30 種，農藥配方為630 個，其中殺菌劑348 個，殺蟲劑282 個。除去殺蟲劑混劑 (6.83%)、殺菌劑混劑 (10.16%)、其他殺蟲劑(9.05%) 及其他殺菌劑 (8.25%)。按化學結構分類，目前占比超過有機磷類 (5.08%)的有：甾醇合成抑制劑類 (7.94%)、抗菌素類 (6.98%)、甲氧基丙烯酸酯類 (6.87%)、新煙堿類 (5.56%)、擬除蟲菊酯類 (5.40%)及生物源類殺蟲劑 (5.24%)，表明隨著化學農藥品種不斷推陳出新，有機磷類農藥的占比呈不斷下降趨勢，農藥向高效、低毒、多樣化方向發展。30 種作物對應的農藥配方數據量統計結果見圖6，排名前5 位的分別是水稻、黃瓜、柑橘、番茄和辣椒，其中水稻和柑橘的種植面積較大，黃瓜、番茄、辣椒的經濟價值較高，因此相對應的病蟲害種類多、用藥量大。

圖5 不同種類的農藥配方數據量比較Fig. 5 Comparison of pesticide prescription records of different chemical classification

圖6 30 種作物對應的農藥配方數據量比較Fig. 6 Comparison of pesticide prescription records of 30 crops

3 結論與討論

因農藥使用不當造成的農產品中農藥殘留超標等問題，是影響農產品質量安全的重要因素，農藥的科學、合理使用亟需專業的技術指導，而植保專家“一對一”科技服務存在服務成本高、服務內容受限及服務人員缺乏等突出問題。目前農民在遇到病蟲害防治問題時，解決的主要途徑是依賴于當地農資公司提供的產品與技術服務，存在農藥亂用、濫用的風險。為了讓農戶能夠自主掌握病蟲害防治基本知識，本研究應用移動Web開發技術，研發了一款跨平臺的農藥速查軟件系統，可持續為農戶提供在線植保技術服務，幫助農戶在田間方便快捷地獲取作物病蟲害圖文識別要點及科學防治方法，旨在不斷提升農戶的職業素養和知識水平，提高技能，推進農藥的增效減量。

本研究建立的農藥速查軟件與同類系統[13-16]比較具有以下優點：1)在軟件架構上，本系統是采用RESTful Web 服務架構設計，運用HTML5移動Web 開發技術開發的一款基于微信的跨平臺農藥速查系統，可以借助微信平臺進行多次轉發，有助于提升農藥使用技術的傳播效率；2)在數據采集上，本系統主要依據中國農藥信息網的農藥登記數據庫以及相關病蟲害防治書籍內容進行歸類、梳理而成，可為病蟲害防控提供科學、準確、詳細的農藥合理使用專業知識；3)在查詢服務方面，本系統通過建立農藥與病蟲害間的“多對多”關聯關系，實現了農藥與病蟲害的相互查詢，提高了數據檢索的效率。

為提高系統的實用性，對病蟲害識別特征的描述采用了通俗性的語言，并配以直觀的病蟲害田間全真圖片。針對部分農戶可能對智能手機操作不夠嫻熟的問題，設計了簡化的操作界面及步驟，用戶可通過選擇作物生育期和病蟲害發生部位進行初步診斷，結合比對田間典型特征圖片，實現對病蟲害的準確快速檢索。農藥速查系統的推廣使用，有望通過不斷向農戶輸送現代植保新技術以及病蟲害識別、診治、防治技術，為農戶提供對癥下藥的便捷科技服務，幫助農戶提升病蟲害管控水平，提高安全施藥和科學防控能力。