草坪有害生物诊断系统的设计与构建

岳晓霞，柳小妮，李 毅

(甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070)

草坪有害生物诊断系统的设计与构建

岳晓霞，柳小妮，李 毅

(甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070)

针对草坪有害生物信息共享平台缺乏，草坪有害生物诊断及防治难的问题，以网络为运行平台，结合eclipse开发工具和Java编程语言，设计构建了包括用户登录、草坪有害生物浏览查询、诊断、防治、与专家互动及系统管理六大功能模块的草坪有害生物诊断系统。不仅将分散在书籍、文献、网络等中的草坪有害生物信息及防治方法进行了整合和集成，以模糊查询的方式实现了35种常见草坪病害、92种草坪虫害和102种草坪杂草的的快速查询及浏览，同时提供了以文字+图片的草坪有害生物的诊断方法。该系统的建立，对草坪有害生物信息的共享、草坪有害生物的准确识别及科学防治具有一定的现实意义。

草坪；有害生物；诊断；系统

近30年来，草坪在社区绿化，体育运动，国土生态治理等方面有了极大的应用，在一定程度上促进了草坪建植技术、草坪服务、草坪产品和草坪科研教育理论体系的发展[1]，同时，也使得草坪业成了一门集社会产业，应用产业，经济产业于一体的综合型产业[2]。草坪业在我国起步较晚，因信息交流与共享平台缺乏、交流渠道不畅，导致草坪体系中知识的推广与应用明显滞后于草坪业快速发展的需求，理论研究与技术实践存在很大差距[3]。仅草坪养护而言，就存在很多问题，如基层草坪管理者对草坪专业知识知之甚少，养护管理不到位，导致草坪病、虫、草害严重，草坪失绿，草皮衰败，退化等现象随处可见[4]，增强草坪信息的共享尤为重要。

在计算机和通信技术日趋普及和完善的现代社会，利用计算机强大的信息处理功能及存储记忆能力与草坪有关科研成果相结合，实现信息的交换与资源共享，已成为一种新的趋势。尽管近年来我国的科研工作者也顺应这种趋势，研发出了与草坪信息有关的实用的系统[7]，但大多对草坪有害生物的诊断没有涉及或只是作为系统构成的一部分，内容有限。研究拟构建一个集草坪病、虫、草害知识于一体的诊断系统，实现草坪有害生物的浏览查询、诊断与防治功能，为草坪的养护管理提供知识平台。

1 系统设计

1.1 总体要求

系统主要面向从事草坪养护管理的一线从业人员及草坪科研人员，因此，设计系统时，要充分考虑到这些人员的知识构成体系，力争设计的系统在知识层面和结构层面上，都能很好的被一线从业人员及草坪科研工作者运用。这就要求系统本身不仅应该拥有良好的界面、很好的可操作性，其提供的草坪有害生物诊断功能，也应该具有能够根据用户提供的信息，诊断出符合该信息的草坪有害生物的能力。此外，系统还应具有实现草坪有害生物浏览查询、用户管理，系统维护等功能，方便用户进行草坪有害生物相关知识的浏览查询、防治措施的选择及系统知识的更新和管理等。

1.2 系统结构

1.2.1 知识库 知识库是系统中知识的存储空间，是一个诊断系统的核心，其知识数量的多少和质量的高低，在一定程度上决定着系统性能的好坏[10]。因此，知识库建立之初，要收集大量高质量的与草坪有害生物相关的资料与数据信息，这些资料及数据信息主要来源于网络，文献资料，书籍及专家经验。并根据系统的最终目的，将收集到的知识和信息按计算机可识别的形式规范化整理，为知识的完美表达和充分利用奠定基础。

根据系统的设计初衷，系统知识库主要收集了与草坪有害生物相关的各种基础资料信息，如草坪杂草，草坪害虫，草坪病害的相关图片，文本信息，视频信息等(图1)。

图1 知识库结构Fig.1 The structure of the knowledge base

1)草坪病害 草坪病害是指草坪草在生长发育过程中受到病原生物的侵害或外界不适宜条件的干扰，导致其细胞和组织结构因其新陈代谢紊乱、生理生化发生变化而产生的一系列病变，最终在内部结构和外部形态上表现异常的现象[12]。该系统包括锈病、白粉病、白绢病、币斑病，铜斑病和雪霉病等在内的35种常见草坪病害信息。

2)草坪害虫 草坪害虫，指在草坪生长过程直接以草坪草为食或对草坪草本身无害但却充当病害媒介或对人类健康造成威胁的昆虫[13]。该系统收集了对草坪不同部位具有为害的各种昆虫，包括鳞翅目(Lepidoptera)，半翅目(Hemiptera)，膜翅目(Hymenoptera)等，如小地老虎(Agrotisypsilon)，黄地老虎(A.segetum)，暗黑鳃金龟(Holotrichiaparallela)，沟金针虫(Pleonomuscanaliculatus)，单刺蝼蛄(GryllotalapunispinaSaussure)，青革土蝽(Macroscyrtussubaenus)等92种害虫信息。

3)草坪杂草 杂草指能够在人工生境中自然繁衍其种群的植物，以超强的环境适应性、极大地为害性和持续性著称，对草坪的生长有着不可忽视的为害作用[14]。该系统收集了禾本科(Gramineae)，菊科(Compositae)，唇形科(Labiatae)等28个科，包括牛筋草(Eleusineindica)，马唐(Digitariasanguinalis)，狗尾草(Setariaviridis),香附子(Cyperusrotundus)，水蜈蚣(Kylliingabrevifolia),空心莲子草(Alternantheraphiloxeroides)，天胡荽(Hydrocotylesibthorpioides)，酢浆草(Oxaliscorniculata)等，共计102种杂草的基本资料。

4)防治方法 草坪有害生物的防治，其主要目地是维护草坪在经济、美学及生态上的效益。但由于草坪生长的特殊性和所处生态群落的复杂性，依靠单纯的化学药剂防治不仅达不到预期的防治目的，还会杀死害虫的天敌，导致其生境中的食物链遭到破坏[14]。因此，要以“预防为主，综合治理”为基本原则[15]，从草坪有害生物发生的根本源为着手点，结合自然控制因素及生物手段进行治理。

1.2.2 数据库 数据库是为了实现一定的目的，并按某种规则组织起来的“数据”的“集合”[16]，是一个计算机化的信息管理系统不可或缺的组成部分[17]。一个诊断系统运行效率的高低，数据库的作用举足轻重。

系统结合设计需求，以知识库中的资料为基础，整合计算机运行方式，基于SQL Server 2008数据库管理系统，构建了病害、虫害和杂草数据库(表1)。

表1 数据库结构

1.2.3 推理机 推理机是专家系统进行工作和控制问题求解过程中完成数据调用和推理过程的计算机程序，是诊断系统的核心机构，其具有的“思维功能”对于诊断系统而言不可替代[18]。此系统运用推理机，旨在实现草坪有害生物诊断功能的智能化，其推理的流程实质就是草坪有害生物诊断的步骤(图2)。

1.3 系统组成

系统由用户登录模块、草坪有害生物浏览查询模块，草坪有害生物诊断模块、草坪有害生物防控模块及专家互动模块构成，后台有系统管理模块(图3)。

1.3.1 用户登录模块 用户登录模块由一般用户、注册用户、VIP用户构成。

1.3.2 浏览与查询模块 浏览查询模块主要有病害、虫害和草害信息浏览查询3个子模块。

图2 草坪有害生物诊断系统的推理流程Fig.2 The inference flow chart for diagnosis of turfgrass pests

1) 草坪病害 该模块系统按照病原生物分类的方式进行分层，分为2层。第1层为病原物类型，分为真菌性病害、细菌性病害、线虫病害和其他病害，第2层为具体的草坪病害。

2)草坪虫害 按照害虫为害部位和分类地位方式分层，分4层显示。第1层为为害部位，分为地下类害虫和茎叶类害虫；第2层为害虫类别，分为金龟甲类，地老虎类，金针虫类等，第3层为分类地位，分为鳞翅目(Lepiodoptera)、直翅目(Orthoptera)、半翅目(Hemiptera)等；第4层为具体的草坪害虫。

3)草坪杂草 该模块根据杂草对除草剂敏感程度和杂草之间的亲缘关系以层层递进的方式分层显示，第1层为杂草类别，分为单子叶杂草和双子叶杂草两个板块。2个板块又由第2层(杂草所属的科)、第3层(杂草属)和第4层(具体的杂草种)组成。如在双子叶板块中就有蓼科(Polygonaceae)、唇形科、酢浆草科(Oxalidaceae)等，在蓼科的下层即第3层则为蓼属(Polygonum)，唇形科下属第3层为活血丹属(Glechoma)、香薷属(Elsholtzia)、益母草属(Leonurus)等，在益母草属即第4层为具体的杂草-夏至草(Lagopsissupina)。

1.3.3 草坪有害生物诊断模块 诊断模块也分为病害虫害和草害3个诊断模块。该模块的每个子模块又由选择性诊断板块和用户输入板块构成。

1.3.4 草坪有害生物防治模块 该模块主要由病害、虫害和杂草防治方法3个子模块组成。

1.3.5 与专家互动模块 与专家互动模块由专家在线解答模块，留言模块组成。专家在线解答模块又分为草害问题解答、病害问题解答和虫害问题解答。留言模块由用户留言、草坪有害生物图片上传、专家答案模块构成。

图3 草坪有害生物诊断系统结构图Fig.3 The structure of diagnostic system

1.3.6 系统管理模块 系统管理模块是该系统的基础模块，由用户资料管理，用户信息反馈，系统使用说明及系统维护构成，负责系统基础数据的管理功能，这些功能包括数据库与知识库的更新与维护，用户信息的管理等。

2 系统功能

2.1 用户分级功能

系统在用户登录模块设置了不同的登录路径，并在后台管理模块中设计了系统管理员的专享登录路径。如一般用户只对系统对外开放的功能具有操作权利，注册用户则对系统提供的所有功能都具有操作权利，但对系统提供的信息没有粘贴、复制及下载的权利，而VIP用户除具有以上权利外，还对系统提供的信息具有粘贴，复制及下载的权利。注册用户可以根据活跃程度变为VIP 用户，活跃程度就是在留言模块的留言次数和与专家互动的次数(一般不少于10次)来实现，系统本身提供用户升级功能。

2.2 浏览查询功能

系统提供两种浏览查询方式：

1)用户可以在系统提供的对话框中输入所要浏览查询的草坪有害生物的中文名、拉丁名或别名等条件进行精确查询或输入草坪有害生物的形态特征和为害特征等进行模糊查询及浏览。

2)用户可以直接根据系统提供的草坪有害生物信息进行逐一浏览查询。

每种浏览查询方式都包括图片浏览查询和文本浏览查询，其中文本信息包括草坪有害生物的中文名、拉丁名、别名、为害特征和分布区域等(图4)。

图4 草坪有害生物浏览查询流程图Fig.4 The flow chart for browsing and inquiring

2.3 诊断功能

诊断功能只对注册用户和VIP用户开放，提供两种诊断方式(以草害诊断为例)。总体诊断流程如图5所示。

在选择性诊断板块界面，用户可以以系统提供的杂草信息为基础，对杂草信息进行筛选，其最终筛选结果会以杂草所在的科的图片的形式呈现，如果图片信息与用户需求信息相近或一致，双击图片，系统就会切换到一个新的具有该杂草详细信息的界面，如果最终筛选结果符合用户需求，用户可进行后续信息的粘贴、打印等操作；反之，则点击菜单栏“否”按钮，此时，系统会弹出“转跳”or“返回”询问对话框，选择“转跳”，系统就会自动切换到与专家互动界面；选择“返回”，就会回到初始诊断界面。为了节约时间，提高诊断效率，在二次诊断的过程中，系统会以对话框的形式询问是否屏蔽掉第一次错误诊断信息，用户可以根据自己的需求进行选择。

图5 草坪有害生物诊断流程图Fig.5 The flow chart for diagnosing

用户借助于系统界面提供的输入对话框输入该杂草的形态特征(根、茎、叶、花、果实)，系统以模糊诊断的方式，在系统数据库中找到与用户输入字段相同的信息，经过推理机的推理，给出用户可能需要的图片信息，其后续的诊断步骤同上。

草坪病害的诊断，通过病害症状的描述来完成。而虫害除了与病害有相同的诊断方式外，还可以通过形态特征来诊断，其诊断方式与草害诊断方式相似。

2.4 提供防治方法的功能

该功能由草坪有害生物防治模块来实现，用户可以根据具体的诊断结果，选择最为经济有效的防治方法来防治因草坪有害生物引起的灾害的进一步扩大。

2.5 与专家互动功能

该模块除了支持用户提问及在线交流外，还提供留言，查看其他用户提问记录，查看专家解答记录，图片、视频上传下载及使用时存在问题的反馈等功能。

专家解答部分，以文字或视频的方式给出，用户可根据自己的实际需求选择任一方式进行浏览。而这部分的文字及视屏信息，经管理员整理后，会存储到系统知识库中，以备知识库更新时使用。

2.6 系统管理功能

系统管理模块是以系统安全为理念设计的，如用户资料管理功能，在实现对新旧用户信息资料的管理以及注册用户与VIP用户之间的角色转换功能的同时，还对用户资料具有加密的功能；而用户信息反馈资料管理功能，主要实现用户使用系统时遇到的问题的反馈，系统管理员可以根据反馈的信息对系统做进一步的改进，完善系统功能；系统使用说明功能，主要是帮助用户更好的运用该系统；系统维护功能，主要用于系统数据库和知识库的编辑、更新、删除、扩充及系统程序的维护等，该模块只有系统管理员才可以操作。

3 小结

建立草坪有害生物诊断系统的主要目地是如何解决草坪有害生物信息的共享和实现草坪有害生物准确诊断及科学防治的问题。与已开发的与草坪信息有关的其他系统相比，该系统不仅在开发技术和草坪有害生物方面的信息容量上略胜一筹，而且在浏览查询和诊断方式上略有创新，该系统将专家系统原理、模糊推理和数据库技术相结合，以文字+图片的方式实现了对草坪有害生物的诊断，以模糊查询和直接浏览的方式实现了对草坪有害生物的查询浏览。文字+图片的诊断方式不仅解决了因文本描述不到位导致诊断结果不准确的问题，还提高了系统的可视化程度及诊断效率。既使用户不具备草坪的专业知识，亦可在最短的时间，找到自己所需的知识，具有很好的应用前景。

该系统在诊断过程中虽然采用了图片诊断，但因照片质量、技术及时间限制，依然无法攻克图片模糊识别的难题，有待后续工作进一步研究。

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Design and construction of turfgrass pests diagnostic system

YUE Xiao-xia1,2，LIU Xiao-ni1,2，LI Yi1,2

(CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem，MinistryofEducation/PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince/Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China)

In order to resolve the problems of pest information sharing platform shortage and difficulties in turfgrass pest diagnosis and control,a turfgrass pest diagnostic system with 6 functional modules (including user login,lawn pest browse query,diagnosis,control method,expert interacting and system management was designed and developed.The system integrated the information related to turfgrass pest control from different resources.The user could search and browse 35 common turfgrass diseases,92 insect pests and 102 weeds,through fuzzy query,and the relevant diagnostic methods were provided with texts and pictures.The system was helpful for users to share information on the accurate identification and scientific control of turfgrass pests.

turf；turfgrass pest；diagnosis；system

2016-03-10；

2016-04-19

甘肃农业大学校级教学研究项目“草坪网络实践教学新模式探讨”资助

岳晓霞(1989-)，女，甘肃会宁人，硕士研究生。 E-mail：1328616976@qq.com 柳小妮为通讯作者。

S 688.4；TP 392

A

1009-5500(2017)01-0099-06