趙 晴,臧賀藏,張 杰,胡 峰,王 猛,張建濤,李國強
(河南省農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與信息研究所/河南省智慧農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心,河南 鄭州 450002)
目前,我國農(nóng)作物重大害蟲監(jiān)測預警信息的采集主要依靠人工觀測、調(diào)查、統(tǒng)計以及大田普查、黑光燈誘集、性誘劑誘捕等方式[1-7]。其中,人工調(diào)查需要基層農(nóng)技人員深入田間實地,調(diào)查時間長且勞動強度大,記錄的調(diào)查結(jié)果還需再次錄入計算機以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的電子化,增加了額外的工作量。黑光燈誘集效果好,但是誘集種類多、數(shù)量大,仍需定期取樣后進行室內(nèi)分類統(tǒng)計,不僅時效性差且工作量大,相似的近源種類昆蟲難以區(qū)分,容易造成統(tǒng)計誤差[8-13]。而性誘劑誘捕以利用昆蟲性信息素為原理,對指定的田間昆蟲進行誘集,方法簡單、應用廣泛[14]。利用性誘芯進行害蟲測報,技術(shù)原理成熟可靠,但是需要測報人員定期取樣,帶回室內(nèi)人工分析統(tǒng)計,消耗大量人力和時間,調(diào)查數(shù)據(jù)質(zhì)量差,測報結(jié)果具有一定的延時性;對無趨光性和沒有性外激素的害蟲無法進行誘集監(jiān)測。
本研究針對性誘測報時效性較差,害蟲田間調(diào)查數(shù)據(jù)電子化程度低等問題,利用視頻監(jiān)測、遠程傳輸、圖像處理等信息技術(shù),改進害蟲性誘測報方式,研發(fā)專用的昆蟲遠程性誘測報裝置;開發(fā)基于Android智能手機的害蟲蟲情田間采集APP端(以下簡稱APP端),優(yōu)化害蟲信息的采集和統(tǒng)計方式,構(gòu)建作物蟲情采集監(jiān)測預警系統(tǒng)(以下簡稱采集監(jiān)測系統(tǒng))。該系統(tǒng)以服務器為基礎(chǔ),通過遠程性誘測報裝置和APP端采集害蟲信息,由管理員用戶登錄系統(tǒng)維護蟲情等相關(guān)信息,統(tǒng)計整理后的害蟲整體發(fā)生情況,通過Web端首頁進行綜合展示,監(jiān)測點用戶通過登錄系統(tǒng)查詢本地害蟲發(fā)生情況,并以手機短信的方式向指定群體發(fā)布害蟲預警信息。
采集監(jiān)測系統(tǒng)通過APP端,實現(xiàn)田間蟲情信息的電子化采集錄入、上傳等功能,提升田間害蟲信息采集的效率,并可查看相關(guān)的蟲情發(fā)生動態(tài)信息;結(jié)合Web端軟件及遠程性誘測報數(shù)據(jù),實現(xiàn)監(jiān)測點用戶對本地害蟲蟲情發(fā)生數(shù)據(jù)的在線化管理和應用,并通過采集監(jiān)測系統(tǒng)設置信息接收通訊錄,向指定人群發(fā)布蟲情預警信息。
采用分層架構(gòu)設計采集監(jiān)測系統(tǒng)。從技術(shù)框架上,采集監(jiān)測系統(tǒng)主要分為3個層面,一是以APP端和遠程性誘測報裝置相結(jié)合的數(shù)據(jù)采集層;二是通過4G、WLAN網(wǎng)絡組成的數(shù)據(jù)傳輸層;三是對數(shù)據(jù)進行管理的Web端應用、APP端查詢的數(shù)據(jù)應用層(圖1)。
圖1 采集監(jiān)測系統(tǒng)分層架構(gòu)
采集監(jiān)測系統(tǒng)由系統(tǒng)服務器及后臺數(shù)據(jù)庫、APP端、用戶Web端組成,采用了C/S和B/S混合架構(gòu)。APP端位于Android智能手機上,由用戶完成田間蟲情數(shù)據(jù)采集并上傳至蟲情信息數(shù)據(jù)庫,為C/S結(jié)構(gòu);用戶Web端通過對服務器的鏈接,完成對預警發(fā)布數(shù)據(jù)庫和蟲情信息數(shù)據(jù)庫的訪問,在Web端實現(xiàn)蟲情數(shù)據(jù)管理和監(jiān)測預警等應用,為B/S結(jié)構(gòu)(圖2)。
系統(tǒng)角色設計為監(jiān)測點用戶、管理員用戶2種,監(jiān)測點用戶使用APP端和Web端賬戶;管理員用戶使用Web端賬戶。
圖2 采集監(jiān)測系統(tǒng)B/S與C/S混合構(gòu)架模式
2種角色登錄系統(tǒng)Web端后顯示不同的界面,相應的功能模塊分別進行設計:監(jiān)測點用戶界面為用戶信息維護、蟲情信息管理、監(jiān)測預警3個功能模塊。其中,蟲情信息管理包含監(jiān)測點蟲情信息補錄、查詢2個子模塊,監(jiān)測預警包含預警閾值設置、通訊錄管理、預警信息推送3個子模塊。管理員用戶界面為系統(tǒng)管理、蟲情信息管理、蟲情信息查詢、蟲情基本信息4個功能模塊,其中,系統(tǒng)管理包括用戶信息管理、站點信息維護、FTP目錄管理3個子模塊;蟲情信息管理包括APP調(diào)查信息管理和性誘圖像管理2個子模塊,蟲情基本信息包括作物信息、蟲名蟲態(tài)信息、作物與害蟲關(guān)系3個子模塊(圖3)。
圖3 采集監(jiān)測系統(tǒng)角色權(quán)限及功能模塊設計
采集監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測點用戶使用APP端進行田間調(diào)查,完成蟲情信息的采集和上傳;管理員用戶通過管理遠程性誘測報裝置FTP路徑,實現(xiàn)裝置自動采集遠程性誘圖片并回傳至服務器進行數(shù)據(jù)采集。監(jiān)測點用戶在Web端對蟲情信息進行查詢統(tǒng)計和通訊錄、閾值的設置,并完成預警信息的編輯推送;管理員用戶對服務器、蟲情數(shù)據(jù)庫進行管理維護,完成蟲情數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和信息展示和維護(圖4)。
采集監(jiān)測系統(tǒng)涉及的遠程性誘測報裝置主要包括電源、電源控制器、微型攝像頭、誘蟲陷阱、4G路由器5個部分。(1)電源,通過電源控制器后與攝像頭和路由器相連實現(xiàn)供電。(2)電源控制器為KG316T型DC12V時控開關(guān),依據(jù)實際需要進行設置,控制攝像頭、路由器供電的時間段。(3)微型攝像頭選用DV-IP 903 P型130萬像素微型網(wǎng)絡攝像頭,體積小巧適合安裝于誘集箱體,并可設置上傳圖像的FTP文件路徑。(4)誘蟲陷阱由昆蟲性誘芯和粘蟲板組成,用于誘殺所監(jiān)測的目標昆蟲。(5)4G路由器為SIM卡插卡式工業(yè)路由器,用于圖像數(shù)據(jù)無線通信上傳至服務器。
電源由太陽能板、蓄電池及充電控制器組成。太陽能板接受陽光產(chǎn)生電流,通過充電控制器變壓后給蓄電池充電。太陽能板置于立桿頂端,下方一側(cè)為測報誘集箱體,另一側(cè)為設備集成安裝的防水箱。測報誘集箱體頂端為防雨罩,罩內(nèi)安裝微型攝像頭,攝像頭正對下方平臺上的粘蟲板和誘芯;另一側(cè)防水箱內(nèi)安裝電池、電源控制器、4G路由器等(圖5)。
圖4 采集監(jiān)測系統(tǒng)工作流程
1:立桿;2:太陽能電池板;3:防水箱;4:測報誘集箱體;5:微型攝像頭;6:性誘芯及粘板;7:電池、電源控制器、4G路由等;8:地埋基座
APP端:基于Android Studio開發(fā)系統(tǒng);程序語言:Java;Android 4.0.3以上系統(tǒng)。Web端:基于Visual Studio 2017集成開發(fā)環(huán)境,開發(fā)語言C#、Asp.net;Windows 7操作系統(tǒng)以上。
遠程性誘測報裝置主要以遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的定時拍照功能為基礎(chǔ),集合4G無線傳輸技術(shù),實現(xiàn)性誘圖像的定時采集和回傳;對不同種類的誘蟲圖片進行圖像預處理,構(gòu)建SVM識別模型,并基于OpenCV的Adaboost級聯(lián)分類的樹狀結(jié)構(gòu),進行OpenCV的Traincascade程序分類器訓練,實現(xiàn)圖像計數(shù);通過后臺集成SMS(Short messaging service)移動電話短信的云服務功能,實現(xiàn)監(jiān)測點用戶向指定人員發(fā)布預警信息。
系統(tǒng)以Microsoft Visual Studio 2015作為開發(fā)工具,采用B/S模式,后臺服務器采用Windows Server 2008操作系統(tǒng)和SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。APP端系統(tǒng)后臺服務器為Windows Server 2008,采用Java 提供的Web Service服務用以接收APP端上傳的田間采集數(shù)據(jù),或監(jiān)測點用戶Web端錄入數(shù)據(jù)。性誘測報系統(tǒng)通過后臺設置FTP文件夾和回傳路徑,獲得遠程性誘測報裝置回傳的誘集圖像,圖像處理后的數(shù)據(jù)錄入后臺服務器。APP端、Web端及圖像處理數(shù)據(jù),采用統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)庫表頭字段,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的標準化,達到APP端和Web端數(shù)據(jù)共享和兼容。
APP端僅提供監(jiān)測點用戶登錄帳號,登錄后主要分為查詢、錄入、管理3個模塊。其中,數(shù)據(jù)錄入模塊,用于監(jiān)測點用戶采集蟲情信息,通過依次點選作物、蟲名、蟲態(tài),填寫數(shù)量及備注信息后,保存在APP端本地(圖6);采集的數(shù)據(jù)在管理模塊中,由監(jiān)測點用戶通過點擊相應選項進行上傳。
圖6 采集監(jiān)測系統(tǒng)APP端數(shù)據(jù)錄入模塊
監(jiān)測點用戶通過用戶名和密碼進入站點界面,顯示為個人中心、蟲害信息、監(jiān)測預警3個模塊。通過蟲害信息模塊,可以篩選、查看、下載來自本監(jiān)測點的蟲情相關(guān)信息數(shù)據(jù),并提供信息添加界面,方便監(jiān)測點用戶對蟲情信息補充完善。監(jiān)測預警模塊,由監(jiān)測點用戶設置所監(jiān)測目標害蟲的預警閾值,并管理本監(jiān)測點范圍內(nèi)的種植戶等相關(guān)人員的名單和手機號信息,進行信息推送的設置;當目標害蟲發(fā)生情況達到預警閾值時,由監(jiān)測點用戶在短信推送界面選擇需要發(fā)送的人員,編寫預警信息后進行短信推送(圖7)。
圖7 監(jiān)測點用戶預警信息推送
管理員用戶通過用戶名和密碼進入管理界面,顯示為系統(tǒng)管理、蟲害信息管理、統(tǒng)計報表、蟲情基本信息4個模塊。蟲情信息管理模塊,一是管理各監(jiān)測點用戶APP端上傳的包括地點、時間、作物、蟲名和蟲態(tài)、數(shù)量信息等在內(nèi)的蟲情數(shù)據(jù)庫;二是管理遠程性誘測報信息,通過后臺圖像識別程序分析遠程性誘測報裝置回傳的誘集圖像,統(tǒng)計并錄入蟲情數(shù)據(jù)庫(圖8)。
圖8 管理員用戶圖像處理界面
系統(tǒng)的遠程性誘測報裝置,于2018年在中國農(nóng)業(yè)科學院鄭州果樹研究所的靈寶縣寺河鄉(xiāng)果園基地得到實地試用。監(jiān)測目標害蟲為蘋小卷葉蛾(Adoxophyesorana),8月28日放置性誘芯和白底粘蟲板,每天采集誘集圖像,8月30日開始誘集到第1只蘋小卷葉蛾雄蛾,至9月6日誘集到9只蘋小卷葉蛾雄蛾,與普通的性誘誘集結(jié)果沒有明顯差異。采集監(jiān)測系統(tǒng)及遠程性誘測報裝置性能穩(wěn)定,監(jiān)測結(jié)果可靠(圖9)。
圖9 遠程性誘測報裝置應用及其對蘋小卷葉蛾誘集結(jié)果
本研究以APP端進行蟲情數(shù)據(jù)采集與遠程性誘測報裝置采集相結(jié)合的方式,構(gòu)建了采集監(jiān)測系統(tǒng),提高了田間調(diào)查工作的效率,提升了蟲情監(jiān)測的信息化水平。
得益于移動通信技術(shù)和智能手機的快速發(fā)展,開發(fā)專用的APP端進行相關(guān)信息的采集,已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中蟲害管理的趨勢,國內(nèi)已有學者開發(fā)了相關(guān)APP,實現(xiàn)了棉蚜發(fā)生信息、枸杞病蟲信息等的實時采集[15-16]。在害蟲信息自動采集方面,應用紅外線技術(shù)對誘集到的蟲體進行計數(shù)統(tǒng)計已經(jīng)得到實現(xiàn),該項技術(shù)對湖北、安徽兩地的蔬菜斜紋夜蛾及西安地區(qū)玉米害蟲的監(jiān)測驗證試驗中,害蟲發(fā)生動態(tài)的峰期與常規(guī)性誘監(jiān)測的峰期基本一致,但蟲量統(tǒng)計數(shù)值與實際誘集結(jié)果存在誤差[17-19]。
本系統(tǒng)應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提高了作物不同種類害蟲信息采集與分析的工作效率,同時改進了害蟲性誘測報的時效性,保存了性誘圖像的原始資料,方便進行人工校驗,保證了性誘測報數(shù)據(jù)的準確性,便于基層農(nóng)技人員精準掌握農(nóng)田蟲害實時動態(tài)并發(fā)出預警,有利于及時做好蟲害預防措施,促進植保工作的良性發(fā)展。