牛國強(qiáng)，吳儒鑫，孟凡博

（遼寧省科技創(chuàng)新體系建設(shè)服務(wù)中心，遼寧沈陽 110004）

農(nóng)作物有害生物協(xié)同監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

牛國強(qiáng)，吳儒鑫，孟凡博

（遼寧省科技創(chuàng)新體系建設(shè)服務(wù)中心，遼寧沈陽 110004）

農(nóng)作物有害生物是制約農(nóng)業(yè)增產(chǎn)和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量提高的重要因素。將有關(guān)測報(bào)算法與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合，建立區(qū)域性農(nóng)作物有害生物監(jiān)測、預(yù)警及防治體系，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害防治工作從重短期、重治理向重長期、重預(yù)防轉(zhuǎn)變，對有害生物監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)提出了更高的要求。文中簡要論述了有害生物監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)需求分析、總體設(shè)計(jì)及需要考慮的問題、監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、動態(tài)測報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、測試與應(yīng)用需要注意的問題，為農(nóng)作物有害生物防控提供了信息化解決思路。

有害生物；預(yù)警系統(tǒng)；測報(bào)算法

我國是一個(gè)農(nóng)作物有害生物災(zāi)害頻發(fā)、重發(fā)生的國家，有害生物種類多、危害大，是農(nóng)作物增產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量提高、農(nóng)民增收的重要制約因素。農(nóng)作物有害生物災(zāi)害除了受其自身生物學(xué)特性影響外，還受區(qū)域條件、作物品種、耕作栽培制度、田間管理水平、氣象條件、防治水平等諸多因素影響。目前國內(nèi)外均比較注重農(nóng)作物有害生物監(jiān)測、診斷與預(yù)警信息系統(tǒng)的研發(fā)工作，并提出了一系列監(jiān)測預(yù)警數(shù)學(xué)模式。早期的研究多為定性或半定性的方法，隨著數(shù)理統(tǒng)計(jì)、模糊數(shù)學(xué)、灰色系統(tǒng)、人工智能等技術(shù)和方法的提出和成熟，尤其是近年來大數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和發(fā)展，開展有害生物定量測報(bào)有了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，使得研制基于網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)成為可能。

本文在分析有關(guān)研究成果基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際情況，應(yīng)用軟件工程思想，采用動態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)、大型數(shù)據(jù)庫技術(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)算法設(shè)計(jì)了農(nóng)作物有害生物協(xié)同監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)。對農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)軟件需求獲取與分析技術(shù)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了分析，對有害生物監(jiān)測表單設(shè)計(jì)與應(yīng)用、測報(bào)結(jié)果圖型與數(shù)字化表達(dá)進(jìn)行了探索，從而規(guī)范監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、及時(shí)上報(bào)數(shù)據(jù)、提高匯總統(tǒng)計(jì)效率、充分發(fā)揮歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的價(jià)值，為將災(zāi)害防治工作從重短期、重治理向重長期、重預(yù)防轉(zhuǎn)化提供了信息化解決思路。

1 系統(tǒng)需求與總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要包括有害生物數(shù)據(jù)庫、災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、災(zāi)害防治數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測表單維護(hù)、測報(bào)算法維護(hù)等功能。災(zāi)害數(shù)據(jù)協(xié)同監(jiān)測、數(shù)據(jù)清洗轉(zhuǎn)換與集中存儲、測報(bào)算法動態(tài)更新功能是重要功能。

1.1 系統(tǒng)功能性需求

系統(tǒng)的功能性需求主要包括有害生物數(shù)據(jù)庫管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與維護(hù)、防治數(shù)據(jù)庫管理、測報(bào)模型建立與測報(bào)因子數(shù)據(jù)采集、動態(tài)測報(bào)以及相關(guān)的系統(tǒng)配置管理功能。

在系統(tǒng)需求分析過程中，要充分調(diào)研應(yīng)用地區(qū)的具體需求，理清有害生物數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、防治數(shù)據(jù)庫及測報(bào)因子數(shù)據(jù)庫之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，同時(shí)要綜合考慮測報(bào)算法的動態(tài)建模實(shí)現(xiàn)。

1.2 系統(tǒng)非功能性需求

系統(tǒng)的質(zhì)量屬性（Quality Attribute）是非功能性需求分析的重點(diǎn)，多數(shù)失敗的軟件項(xiàng)目均有在需求分析階段不充分重視質(zhì)量屬性的因素。質(zhì)量屬性由開發(fā)者關(guān)注的開發(fā)期質(zhì)量屬性和用戶關(guān)注的運(yùn)行期質(zhì)量屬性構(gòu)成。

1.2.1 開發(fā)期質(zhì)量屬性

易理解性（Understandability）：軟件的源代碼文件的命名、變量命名及程序代碼的組織要規(guī)范，程序注釋要完整，便于理解。監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)目前還處于不斷發(fā)展、不斷完善的階段，前期的開發(fā)成果的易理解性對后期繼續(xù)開發(fā)至關(guān)重要。

可擴(kuò)展性（Extensibility）：農(nóng)作物有害生物監(jiān)測與預(yù)警工作需應(yīng)對實(shí)際中各種復(fù)雜的變化，系統(tǒng)的功能需求及數(shù)據(jù)處理要求變更的可能性較大，監(jiān)測數(shù)據(jù)采集所涉及的有害生物種類及表單種類會動態(tài)變化。因此，系統(tǒng)要有高度的可擴(kuò)展性，以及時(shí)應(yīng)對需求變化。

1.2.2 運(yùn)行期質(zhì)量屬性

安全性（Security）：本系統(tǒng)是基于互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，系統(tǒng)的安全性要求較高。是重點(diǎn)做好用戶身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)庫SQL注入防護(hù)、DDOS拒絕服務(wù)攻擊防范等工作。

易用性（Usability）：系統(tǒng)用戶主要為基層的測報(bào)員、各級植物保護(hù)部門的工作人員及廣大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員。這些人員的信息系統(tǒng)操作水平參差不齊，設(shè)備配置相對也較低，加之上網(wǎng)條件等制約因素，在軟件易用性方面要重點(diǎn)考慮，使這些用戶經(jīng)過少量培訓(xùn)甚至不經(jīng)過培訓(xùn)即可使用系統(tǒng)。

可靠性（Reliability）：有害生物災(zāi)害監(jiān)測工作受季節(jié)等因素影響明顯，系統(tǒng)應(yīng)能保障在工作期間不間斷運(yùn)行。有害生物監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及預(yù)警分析計(jì)算等工作要處理大量的數(shù)據(jù)，因此，對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理性具有較高的要求。

健壯性（Robustness）：用戶錯(cuò)誤操作和誤操作在所難免，加之互聯(lián)網(wǎng)上的攻擊行為等，系統(tǒng)應(yīng)具備較強(qiáng)的鍵壯性，在用戶進(jìn)行誤操作和非法操作時(shí)能進(jìn)行有效提醒，并保證數(shù)據(jù)的完整性、一致性不被破壞。

1.3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮本系統(tǒng)的功能性需求和非功能性需求，還要考慮與其它系統(tǒng)的交互性需求、當(dāng)前開發(fā)技術(shù)成熟情況、終端設(shè)置情況及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用普及情況等綜合性因素。本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 農(nóng)作物有害生物協(xié)同監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

農(nóng)作物有害生物發(fā)生情況數(shù)據(jù)采集方式是分布式的，基層測報(bào)員使用本系統(tǒng)錄入各類有害生物的監(jiān)測表單數(shù)據(jù)，各級管理部門可以匯總和查詢所管轄區(qū)域的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

各類監(jiān)測表單是根據(jù)國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范并結(jié)合本地實(shí)現(xiàn)情況編制的。在這部分的設(shè)計(jì)過程中，要重點(diǎn)做好如下工作：

2.1 監(jiān)測表單結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

各類監(jiān)測表單填報(bào)數(shù)據(jù)內(nèi)容不盡相同，但是一些基本屬性還是共同的，如監(jiān)測區(qū)域、監(jiān)測時(shí)間、填報(bào)人等。在表單結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要抽象出公共屬性，公共屬性的命名、類型設(shè)計(jì)等要統(tǒng)一，利于維護(hù)和升級。

2.2 監(jiān)測表單的動態(tài)增減

隨著有害生物發(fā)生情況的變化，不同時(shí)期監(jiān)測種類、監(jiān)測重點(diǎn)均會有相應(yīng)調(diào)整。因此，要設(shè)計(jì)監(jiān)測表單的動態(tài)增減功能。該功能設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)如下功能：

表單制作：管理部門根據(jù)工作需要設(shè)計(jì)監(jiān)測表單需采集的數(shù)據(jù)格式，需要明確表單監(jiān)測的有害生物種類、監(jiān)測數(shù)據(jù)內(nèi)容及數(shù)據(jù)格式（如小數(shù)點(diǎn)后位數(shù)）等信息。

程序生成：系統(tǒng)應(yīng)提供模板供生成新監(jiān)測數(shù)據(jù)采集程序模塊。

功能集成：提供新的監(jiān)測表單集成到系統(tǒng)的功能，包括權(quán)限分配等設(shè)置。

2.3 監(jiān)測表單程序流程

各監(jiān)測表單程序的工作流程應(yīng)統(tǒng)一，程序流程中應(yīng)考慮如下步驟：

身份驗(yàn)證：驗(yàn)證用戶是否已登錄系統(tǒng)，是否具有使用本表單的權(quán)限。

數(shù)據(jù)檢索條件：由用戶定義查詢的數(shù)據(jù)范圍，為保障系統(tǒng)總體性能和用戶體驗(yàn)，不建議默認(rèn)檢索全部數(shù)據(jù)。

針對用戶的新增數(shù)據(jù)、修改數(shù)據(jù)和刪除數(shù)據(jù)操作進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，對數(shù)處理要進(jìn)行相關(guān)的提示和數(shù)據(jù)校驗(yàn)。

對于數(shù)據(jù)的變更操作記錄日志。

3 動態(tài)測報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的動態(tài)測報(bào)原理是根據(jù)監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)，計(jì)算出各測報(bào)因子歷史發(fā)生值，利用測報(bào)內(nèi)容歷史發(fā)生值和因子發(fā)生值，采用回歸分析方法計(jì)算新的回歸系數(shù)，再進(jìn)行測報(bào)。因此，監(jiān)測數(shù)據(jù)積累的越多，效果會越理想。

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

監(jiān)測表單的數(shù)據(jù)是監(jiān)測原始數(shù)據(jù)，是分散的個(gè)體，其本身不具備宏觀可統(tǒng)計(jì)性。必需將其轉(zhuǎn)換為測報(bào)算法可用的數(shù)據(jù)。因此，系統(tǒng)首先要由用戶建立測報(bào)模型，測報(bào)模型定義了測報(bào)內(nèi)容與其測報(bào)因子的函數(shù)依賴關(guān)系，再定義測報(bào)內(nèi)容、測報(bào)因子與監(jiān)測數(shù)據(jù)的函數(shù)關(guān)系?？紤]到系統(tǒng)的動態(tài)使用，系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)快速方便的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換計(jì)算功能。這樣的低耦合設(shè)計(jì)，可使監(jiān)測數(shù)據(jù)采集部分、動態(tài)測報(bào)部分功能更加獨(dú)立，在實(shí)際應(yīng)用過程中效果良好。

3.2 測報(bào)算法動態(tài)集成

農(nóng)作物有害生物除了受其自身的生物學(xué)特性影響外，還受到區(qū)域、種植品種、耕作栽培制度、田間管理水平、氣象條件、防治水平等諸多因素影響，因此，有害生物的監(jiān)測預(yù)警工作不能從單一角度出發(fā)，要多條件結(jié)合進(jìn)行。已經(jīng)建立的測報(bào)模型也不是一成變的，需要不斷進(jìn)行修正。新的測報(bào)算法，也需要集成到系統(tǒng)中來。

因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，需要考慮測報(bào)模型的調(diào)整以及新的測報(bào)算法集成功能，對同一種有害生物災(zāi)害，采用多用方法進(jìn)行測報(bào)，再綜合評定，以取得良好的測報(bào)效果。

4 應(yīng)用與建議

4.1 系統(tǒng)開發(fā)與測試應(yīng)用情況

本系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了有害生物數(shù)據(jù)庫、災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、災(zāi)害防治數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測表單維護(hù)、測報(bào)算法維護(hù)及基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的測報(bào)等功能，數(shù)字化了部分地區(qū)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，并采用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了災(zāi)害的相關(guān)因子分析。監(jiān)測數(shù)據(jù)采集等功能改善了現(xiàn)有工作質(zhì)量、提高了采集效率，隨著歷史數(shù)據(jù)的積累、測報(bào)算法的豐富，其預(yù)報(bào)預(yù)警的輔助決策功能也將得到發(fā)揮。

4.2 應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)算法的意義

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)作物有害生物監(jiān)測數(shù)據(jù)分布式采集功能，采用回歸分析、馬爾科夫鏈算法建立測報(bào)模型技術(shù)較為成熟。數(shù)理統(tǒng)計(jì)算法具有易于理解、便于應(yīng)用的特點(diǎn)，但是需要較長的時(shí)間序列，需要大量的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)的成熟與發(fā)展，使得數(shù)理統(tǒng)計(jì)算法可以得到很好的應(yīng)用。數(shù)理統(tǒng)計(jì)算法可以發(fā)現(xiàn)有害生物發(fā)生的相關(guān)因子，研究人員可以據(jù)此進(jìn)一步研究其機(jī)理，這對于探索有害生物發(fā)生機(jī)制具有重要的意義。

4.3 規(guī)范監(jiān)測數(shù)據(jù)采集工作，充分發(fā)揮監(jiān)測數(shù)據(jù)作用

管理部門多年來積累了大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)有些是已經(jīng)數(shù)字化的，還有大部分歷史數(shù)據(jù)沒有數(shù)字化，其價(jià)值遠(yuǎn)沒有發(fā)揮出來。通過本系統(tǒng)的應(yīng)用，可以將歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)為未來開展監(jiān)測預(yù)警工作服務(wù)。通過對歷史數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)一步研究有害生物的發(fā)生規(guī)律，結(jié)合區(qū)域特點(diǎn)，建立有效的測報(bào)數(shù)學(xué)模型，長此以往，監(jiān)測預(yù)警工作必將再上一個(gè)臺階，進(jìn)而為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收做出重要貢獻(xiàn)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)采集到數(shù)據(jù)整理加工、數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析測報(bào)的一體化，解決了過去監(jiān)測數(shù)據(jù)采集不規(guī)范、上報(bào)數(shù)據(jù)不及時(shí)、匯總統(tǒng)計(jì)效率不高的問題，使多年來歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的得到應(yīng)用，體現(xiàn)了其應(yīng)用價(jià)值，使管理部門對有害生物發(fā)生情況能及時(shí)掌握，運(yùn)用信息技術(shù)科學(xué)分析、科學(xué)決策。

4.4 建議

農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)雖然經(jīng)過多年的推廣普及，但人員素質(zhì)、設(shè)備及相關(guān)應(yīng)用軟件還有很大提高空間，建議政府有關(guān)部門提高農(nóng)業(yè)信息化領(lǐng)域研究與應(yīng)用的支持力度，加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和人員培訓(xùn)工作。

建議有關(guān)部門繼續(xù)加強(qiáng)有害生物災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性、規(guī)范性，完善監(jiān)測點(diǎn)的布局，在時(shí)間和空間上保持連續(xù)性，為專家測報(bào)系統(tǒng)的應(yīng)用提供良好的基礎(chǔ)條件。

建議有關(guān)研究單位將更多的優(yōu)秀測報(bào)算法應(yīng)用到測報(bào)系統(tǒng)中，使監(jiān)測預(yù)警工作更加科學(xué)化；實(shí)現(xiàn)與地理信息系統(tǒng)等其它系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息圖形化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)布，便于資源共享，以達(dá)到最佳的預(yù)警效果。

［1］ 張孝羲，程遐年，耿濟(jì)國.害蟲測報(bào)原理與方法［M］，北京：農(nóng)業(yè)出版社，1979.

［2］ 王明紅，馬占鴻，金曉華，等.北京市農(nóng)作物病蟲害遠(yuǎn)程預(yù)警信息系統(tǒng)構(gòu)建［J］.植物病理學(xué)報(bào)，2005，35（6）：67～70.

［3］ 王莉.基于WebGIS的農(nóng)業(yè)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測與評價(jià)管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

［4］ 王小奇，丁秀云，黃峰，等.應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度分析昆蟲種群動態(tài)的關(guān)鍵因子［J］.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1993（2）：120～124.

［5］ 國家林業(yè)局植樹造林司、國家林業(yè)局森林局森林病蟲害防治總站.森林病蟲害監(jiān)測預(yù)報(bào)方法及應(yīng)用程序［M］.哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)出版社，2002.

［6］ 劉宇，劉萬才，王學(xué)鋒.水稻重大病蟲害數(shù)字化監(jiān)測預(yù)警平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.中國植保導(dǎo)刊，2009，29（12）：5～9.

［7］ 溫昱.軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.電子工業(yè)出版社，2008.

［8］ 張躍延，蘇宇，房大偉.Asp.Net開發(fā)典型模塊大全［M］.人民郵電出版社，2009.

S431

B

1002-1728（2017）06-0056-04

10.3969／j.issn.1002-1728.2017.06.012

2017-12-04

遼寧省科技型中小企業(yè)創(chuàng)新資金

牛國強(qiáng)（1972-），男，信息系統(tǒng)項(xiàng)目管理師，高級工程師，副研究員，農(nóng)業(yè)信息化專業(yè)推廣碩士。