張瑩+++陳桂芬

摘 要：本體是人工智能領(lǐng)域近年來研究的熱點(diǎn)之一，它對(duì)領(lǐng)域中的概念進(jìn)行規(guī)范的形式化的明確的描述，有效地解決系統(tǒng)間的異構(gòu)及互操作難的問題，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的共享及重用。文章把本體引入到玉米生產(chǎn)領(lǐng)域中，對(duì)其在玉米生產(chǎn)領(lǐng)域中進(jìn)行了探索及實(shí)踐，構(gòu)建了玉米精準(zhǔn)施肥本體，開發(fā)了基于本體的玉米精準(zhǔn)施肥決策系統(tǒng)，解決了玉米在精準(zhǔn)施肥數(shù)據(jù)方面存在著的分散、不規(guī)范、不利于管理的問題，及語義互操作和機(jī)器理解問題，為玉米精準(zhǔn)施肥提供了新的思路與方法，利于玉米智能系統(tǒng)的開發(fā)。

關(guān)鍵詞：本體；玉米；精準(zhǔn)施肥；決策

引言

近些年來，玉米不僅是我國三大糧食作物之一，而且是重要的飼料和工業(yè)原料，玉米作為飼料和工業(yè)原料其發(fā)展空間是很大的。玉米生產(chǎn)過程中，由于農(nóng)民盲目施肥現(xiàn)象普遍存在，造成土壤養(yǎng)分失衡，地力下降，肥料利用率低，影響了玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)的提高。

本體作為一種知識(shí)表示是人工智能領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。它能夠有效地解決系統(tǒng)間的異構(gòu)及互操作難的問題，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的共享及重用。把本體技術(shù)引入到玉米精準(zhǔn)施肥領(lǐng)域，進(jìn)行基于本體的玉米精準(zhǔn)施肥決策系統(tǒng)的研究，利用本體解決玉米在精準(zhǔn)施肥數(shù)據(jù)方面存在著的分散、不規(guī)范、不利于管理的問題，其目的就是能夠更加準(zhǔn)確地指導(dǎo)農(nóng)民施肥，提高玉米產(chǎn)量，同時(shí)減少不當(dāng)施肥所產(chǎn)生的巨大的負(fù)作用。

1 本體理論

1.1 本體概念

本體源于哲學(xué)，是對(duì)世界上客觀存在的事物的系統(tǒng)地描述。近年來，本體（ontology）被人工智能界賦予了新的內(nèi)涵，即“ontology是共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說明”。它體現(xiàn)出本體具有概念模型、明確、形式化和共享四層含義。其基本構(gòu)成要素有類、關(guān)系、函數(shù)、公理及實(shí)例。

1.2 本體的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)

大部分本體的構(gòu)建都是采用手式方式進(jìn)行，但由于本體構(gòu)建涉及的領(lǐng)域不同、描述語言的不同、開發(fā)者的不同，其構(gòu)建方法也不盡相同。較常見的方法為斯坦福大學(xué)開發(fā)的七步法，其過程為：

（1）確定所要構(gòu)建的本體的領(lǐng)域及范疇。（2）考查復(fù)用現(xiàn)有本體的可能性，對(duì)現(xiàn)在本體進(jìn)行復(fù)用，不僅可以降低開發(fā)難度及開發(fā)成本，還可以提高工作效率。（3）列舉出領(lǐng)域本體中的重要術(shù)語。（4）定義類及類的層次結(jié)構(gòu)。（5）定義類的屬性。（6）定義屬性的分面。（7）創(chuàng)建本體的實(shí)例。

Protégé是Stanford大學(xué)開發(fā)的、用Java編寫的開源的本體編輯器。其優(yōu)勢(shì)在于采用圖形化的界面，與Windows應(yīng)用程序風(fēng)格一致，便于用戶學(xué)習(xí)與使用。它提供了類、屬性、面、實(shí)例等框架，并且以樹形的層次目錄結(jié)構(gòu)顯示，通過點(diǎn)擊相應(yīng)的項(xiàng)目即可增加或編輯類、子類、屬性、實(shí)例等，不需要去了解具體的本體描述語言。

2 基于本體的玉米精準(zhǔn)施肥決策系統(tǒng)開發(fā)

肥料是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，施肥的目的不僅是為了營養(yǎng)作物，提高其產(chǎn)量和改善品質(zhì)，而且還可以改良和培肥土壤。而缺素癥是由于營養(yǎng)失調(diào)所引起的生理病害。一般情況下缺少微量營養(yǎng)元素和缺少大量元素的外部形態(tài)特征的差別會(huì)很明顯的。玉米吸收的礦物質(zhì)有多達(dá)20余種，其中氮、磷、鉀三大元素在玉米營養(yǎng)中地位突出。

文章就是利用玉米植株在不同生長(zhǎng)時(shí)期的不同表現(xiàn)，對(duì)玉米進(jìn)行精準(zhǔn)施肥，開發(fā)了基于本體的玉米精準(zhǔn)施肥決策系統(tǒng)。

2.1 本體的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)

借鑒已有的本體構(gòu)建方法，結(jié)合玉米生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)嶋H情況，以“七步法”為指導(dǎo)，構(gòu)建玉米精準(zhǔn)施肥本體。利用Protégé3.4.7建立玉米精準(zhǔn)施肥本體，使用OWL語言對(duì)玉米精準(zhǔn)施肥本體進(jìn)行描述。

2.1.1 列舉領(lǐng)域?qū)I(yè)術(shù)語。經(jīng)過對(duì)相關(guān)資料的進(jìn)行分析、整理，并聽取領(lǐng)域?qū)＜乙庖?，總結(jié)出玉米品種、施肥方法、施肥時(shí)期、肥料種類、土壤類型、種植面積、目標(biāo)產(chǎn)量、土壤肥力、株高、葉片顏色、癥狀、種植品種、苗期、穗期、粒期、玉米缺素、缺N癥、缺P癥、缺K癥、缺Zn癥、缺素原因、補(bǔ)救辦法等玉米施肥領(lǐng)域?qū)I(yè)術(shù)語，按自上而下、逐步細(xì)化的方法對(duì)其進(jìn)行篩選，選擇出必要術(shù)語來確立類及層次關(guān)系。

2.1.2 定義類（Classes）和層次。利用Protégé選擇OWL Classes選項(xiàng)卡建立玉米品種、肥料種類、土壤類型、玉米缺素等類及相應(yīng)子類，如圖1所示。通過菜單Project-Configure，選擇OWLVizTab，利用OWLViz查看各類間的關(guān)系。

圖1 類定義圖

2.1.3 定義屬性（Properties）及約束（Restriction）。屬性是對(duì)類進(jìn)行定義的有效方法，分為對(duì)象屬性，用于描述兩個(gè)類之間的關(guān)系，及數(shù)值屬性（Data properties），用于描述個(gè)體與數(shù)值之間的關(guān)系。

通過Protégé中Properties建立對(duì)象屬性、數(shù)據(jù)屬性及其子屬性，同時(shí)對(duì)各屬性進(jìn)行進(jìn)一步的約束和限制，如屬性取值的類型、取值的個(gè)數(shù)、屬性的定義域、值域等。本例中建立了若干的數(shù)據(jù)屬性及對(duì)象屬性，對(duì)象屬性建立了如what_time_fertilizer（各種肥料何時(shí)施用），其domain（定義域）為fertilizer_category，range（值域）為fertilizer_time；數(shù)據(jù)屬性建立了如lackfertilizer（缺素癥狀）、remedies（補(bǔ)救措施）其domain（定義域）均為lack_symtom，range（值域）均為string。并對(duì)屬性進(jìn)行了約束和限制。如圖2所示。

圖2 屬性設(shè)置圖

2.1.4 創(chuàng)建實(shí)例（Individuals）。整個(gè)本體構(gòu)建過程中最為繁重和繁瑣的部分是創(chuàng)建實(shí)例，在此定義了吉林省常用玉米品種（40余種）、玉米缺素（12種）等實(shí)例，同時(shí)設(shè)置其相關(guān)的屬性，如缺素癥狀、防治措施等，如圖3所示。本體建立完成后使用了Protégé中集成的推理機(jī)Pellet和FaCT++，對(duì)本體進(jìn)行了邏輯一致性的檢測(cè)，以保證本體結(jié)構(gòu)的正確性。endprint

2.2 系統(tǒng)的功能與實(shí)現(xiàn)

在玉米精準(zhǔn)施肥本體的基礎(chǔ)上，進(jìn)行基于本體的玉米精準(zhǔn)施肥決策系統(tǒng)的研制。系統(tǒng)開發(fā)采用Jsp/Servlet技術(shù)，開發(fā)環(huán)境為Window XP，JDK1.5，開發(fā)工具為Eclipse及語義開發(fā)工具包Jena，Tomcat為Web服務(wù)器。

2.2.1 系統(tǒng)主界面。利用構(gòu)建的玉米精準(zhǔn)施肥本體作為知識(shí)庫，進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)。該系統(tǒng)操作方便，界面友好，圖文并茂，更好地指導(dǎo)了農(nóng)戶進(jìn)行科學(xué)有效的施肥。

在系統(tǒng)主界面輸入用戶名及密碼，進(jìn)入基于本體的玉米精準(zhǔn)施肥決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米施肥的決策。

2.2.2 缺素診斷模塊。玉米由于營養(yǎng)失調(diào)會(huì)導(dǎo)致玉米的缺素癥的產(chǎn)生，玉米缺素癥對(duì)于玉米的產(chǎn)量及品質(zhì)的影響也是很大的，故對(duì)于玉米缺素癥狀進(jìn)行了診斷。

進(jìn)入缺素診斷模塊后，首先要進(jìn)行缺素玉米的生長(zhǎng)時(shí)期的選擇，根據(jù)所選擇的生長(zhǎng)時(shí)期，對(duì)其各項(xiàng)特征進(jìn)行相應(yīng)選擇，如：選擇生長(zhǎng)期時(shí)，要玉米的株高、癥狀部位、顏色、根系情況進(jìn)行選擇，然后進(jìn)行診斷，會(huì)得到診斷結(jié)果及對(duì)應(yīng)的缺素圖片，還可以進(jìn)行缺素防治，獲得相應(yīng)的防治措施；而在成熟期，則要通過株高、葉片顏色、果穗癥狀、籽粒癥狀等特征的選擇，來進(jìn)行玉米缺素診斷。如圖4所示。

圖4 缺素診斷界面圖

2.2.3 追肥決策模塊。通過缺素診斷模塊的診斷后，可知玉米的缺素情況，并此模塊中對(duì)其所缺少的元素進(jìn)行追肥決策。利用養(yǎng)分平衡法，輸入目標(biāo)產(chǎn)量及種植面積，選擇土壤肥力等級(jí)，經(jīng)過追肥決策，計(jì)算得出需要追加的肥料數(shù)量。如圖5所示。

圖5 追肥決策界面圖

3 結(jié)束語

以玉米精準(zhǔn)施肥本體為知識(shí)庫，開發(fā)的基于本體的玉米精準(zhǔn)施肥決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于玉米缺素癥狀的診斷及追肥決策，在吉林省，榆樹市弓棚鎮(zhèn)小范圍地進(jìn)行了應(yīng)用，取得了一定的成效，有效地解決了玉米精準(zhǔn)施肥數(shù)據(jù)存在的分散，不規(guī)范，不便于管理的情況。但此系統(tǒng)當(dāng)前只針對(duì)于缺素癥進(jìn)行施肥決策，其功能還有許多可擴(kuò)展之處，本體建立也還有許多因素考慮不全面，相信將來隨著對(duì)本體、玉米精準(zhǔn)施肥模型的不斷深入研究，其功能實(shí)現(xiàn)將會(huì)進(jìn)一步得到完善。

參考文獻(xiàn)

[1]謝佳貴，王立春，尹彩俠.吉林省不同類型土壤玉米施肥效應(yīng)研究[J].玉米科學(xué)，2008.

[2]于合龍，陳桂芬，畢春光.玉米精準(zhǔn)施肥數(shù)據(jù)庫建模研究[J].玉米科學(xué)，2008.

[3]蘇亞萍.基于本體的領(lǐng)域知識(shí)建模研究[D].吉林大學(xué).

[4]Protégé.http：//protege.stanford.edu[DB].2010.

[5]高嶺巍.玉米缺素癥的表現(xiàn)及防治[J].農(nóng)業(yè)科技通訊，2011.

作者簡(jiǎn)介：張瑩（1974-），女，河北遷安，講師，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)農(nóng)業(yè)應(yīng)用。endprint

2.2 系統(tǒng)的功能與實(shí)現(xiàn)

在玉米精準(zhǔn)施肥本體的基礎(chǔ)上，進(jìn)行基于本體的玉米精準(zhǔn)施肥決策系統(tǒng)的研制。系統(tǒng)開發(fā)采用Jsp/Servlet技術(shù)，開發(fā)環(huán)境為Window XP，JDK1.5，開發(fā)工具為Eclipse及語義開發(fā)工具包Jena，Tomcat為Web服務(wù)器。

2.2.1 系統(tǒng)主界面。利用構(gòu)建的玉米精準(zhǔn)施肥本體作為知識(shí)庫，進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)。該系統(tǒng)操作方便，界面友好，圖文并茂，更好地指導(dǎo)了農(nóng)戶進(jìn)行科學(xué)有效的施肥。

在系統(tǒng)主界面輸入用戶名及密碼，進(jìn)入基于本體的玉米精準(zhǔn)施肥決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米施肥的決策。

2.2.2 缺素診斷模塊。玉米由于營養(yǎng)失調(diào)會(huì)導(dǎo)致玉米的缺素癥的產(chǎn)生，玉米缺素癥對(duì)于玉米的產(chǎn)量及品質(zhì)的影響也是很大的，故對(duì)于玉米缺素癥狀進(jìn)行了診斷。

進(jìn)入缺素診斷模塊后，首先要進(jìn)行缺素玉米的生長(zhǎng)時(shí)期的選擇，根據(jù)所選擇的生長(zhǎng)時(shí)期，對(duì)其各項(xiàng)特征進(jìn)行相應(yīng)選擇，如：選擇生長(zhǎng)期時(shí)，要玉米的株高、癥狀部位、顏色、根系情況進(jìn)行選擇，然后進(jìn)行診斷，會(huì)得到診斷結(jié)果及對(duì)應(yīng)的缺素圖片，還可以進(jìn)行缺素防治，獲得相應(yīng)的防治措施；而在成熟期，則要通過株高、葉片顏色、果穗癥狀、籽粒癥狀等特征的選擇，來進(jìn)行玉米缺素診斷。如圖4所示。

圖4 缺素診斷界面圖

2.2.3 追肥決策模塊。通過缺素診斷模塊的診斷后，可知玉米的缺素情況，并此模塊中對(duì)其所缺少的元素進(jìn)行追肥決策。利用養(yǎng)分平衡法，輸入目標(biāo)產(chǎn)量及種植面積，選擇土壤肥力等級(jí)，經(jīng)過追肥決策，計(jì)算得出需要追加的肥料數(shù)量。如圖5所示。

圖5 追肥決策界面圖

3 結(jié)束語

以玉米精準(zhǔn)施肥本體為知識(shí)庫，開發(fā)的基于本體的玉米精準(zhǔn)施肥決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于玉米缺素癥狀的診斷及追肥決策，在吉林省，榆樹市弓棚鎮(zhèn)小范圍地進(jìn)行了應(yīng)用，取得了一定的成效，有效地解決了玉米精準(zhǔn)施肥數(shù)據(jù)存在的分散，不規(guī)范，不便于管理的情況。但此系統(tǒng)當(dāng)前只針對(duì)于缺素癥進(jìn)行施肥決策，其功能還有許多可擴(kuò)展之處，本體建立也還有許多因素考慮不全面，相信將來隨著對(duì)本體、玉米精準(zhǔn)施肥模型的不斷深入研究，其功能實(shí)現(xiàn)將會(huì)進(jìn)一步得到完善。

參考文獻(xiàn)

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[4]Protégé.http：//protege.stanford.edu[DB].2010.

[5]高嶺巍.玉米缺素癥的表現(xiàn)及防治[J].農(nóng)業(yè)科技通訊，2011.

作者簡(jiǎn)介：張瑩（1974-），女，河北遷安，講師，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)農(nóng)業(yè)應(yīng)用。endprint

2.2 系統(tǒng)的功能與實(shí)現(xiàn)

在玉米精準(zhǔn)施肥本體的基礎(chǔ)上，進(jìn)行基于本體的玉米精準(zhǔn)施肥決策系統(tǒng)的研制。系統(tǒng)開發(fā)采用Jsp/Servlet技術(shù)，開發(fā)環(huán)境為Window XP，JDK1.5，開發(fā)工具為Eclipse及語義開發(fā)工具包Jena，Tomcat為Web服務(wù)器。

2.2.1 系統(tǒng)主界面。利用構(gòu)建的玉米精準(zhǔn)施肥本體作為知識(shí)庫，進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)。該系統(tǒng)操作方便，界面友好，圖文并茂，更好地指導(dǎo)了農(nóng)戶進(jìn)行科學(xué)有效的施肥。

在系統(tǒng)主界面輸入用戶名及密碼，進(jìn)入基于本體的玉米精準(zhǔn)施肥決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米施肥的決策。

2.2.2 缺素診斷模塊。玉米由于營養(yǎng)失調(diào)會(huì)導(dǎo)致玉米的缺素癥的產(chǎn)生，玉米缺素癥對(duì)于玉米的產(chǎn)量及品質(zhì)的影響也是很大的，故對(duì)于玉米缺素癥狀進(jìn)行了診斷。

進(jìn)入缺素診斷模塊后，首先要進(jìn)行缺素玉米的生長(zhǎng)時(shí)期的選擇，根據(jù)所選擇的生長(zhǎng)時(shí)期，對(duì)其各項(xiàng)特征進(jìn)行相應(yīng)選擇，如：選擇生長(zhǎng)期時(shí)，要玉米的株高、癥狀部位、顏色、根系情況進(jìn)行選擇，然后進(jìn)行診斷，會(huì)得到診斷結(jié)果及對(duì)應(yīng)的缺素圖片，還可以進(jìn)行缺素防治，獲得相應(yīng)的防治措施；而在成熟期，則要通過株高、葉片顏色、果穗癥狀、籽粒癥狀等特征的選擇，來進(jìn)行玉米缺素診斷。如圖4所示。

圖4 缺素診斷界面圖

2.2.3 追肥決策模塊。通過缺素診斷模塊的診斷后，可知玉米的缺素情況，并此模塊中對(duì)其所缺少的元素進(jìn)行追肥決策。利用養(yǎng)分平衡法，輸入目標(biāo)產(chǎn)量及種植面積，選擇土壤肥力等級(jí)，經(jīng)過追肥決策，計(jì)算得出需要追加的肥料數(shù)量。如圖5所示。

圖5 追肥決策界面圖

3 結(jié)束語

以玉米精準(zhǔn)施肥本體為知識(shí)庫，開發(fā)的基于本體的玉米精準(zhǔn)施肥決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于玉米缺素癥狀的診斷及追肥決策，在吉林省，榆樹市弓棚鎮(zhèn)小范圍地進(jìn)行了應(yīng)用，取得了一定的成效，有效地解決了玉米精準(zhǔn)施肥數(shù)據(jù)存在的分散，不規(guī)范，不便于管理的情況。但此系統(tǒng)當(dāng)前只針對(duì)于缺素癥進(jìn)行施肥決策，其功能還有許多可擴(kuò)展之處，本體建立也還有許多因素考慮不全面，相信將來隨著對(duì)本體、玉米精準(zhǔn)施肥模型的不斷深入研究，其功能實(shí)現(xiàn)將會(huì)進(jìn)一步得到完善。

參考文獻(xiàn)

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[3]蘇亞萍.基于本體的領(lǐng)域知識(shí)建模研究[D].吉林大學(xué).

[4]Protégé.http：//protege.stanford.edu[DB].2010.

[5]高嶺巍.玉米缺素癥的表現(xiàn)及防治[J].農(nóng)業(yè)科技通訊，2011.

作者簡(jiǎn)介：張瑩（1974-），女，河北遷安，講師，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)農(nóng)業(yè)應(yīng)用。endprint