黃世國姜明李小林洪銘淋林燕紅張飛萍

(1.福建農(nóng)林大學(xué)生態(tài)公益林重大有害生物防控福建省高校重點實驗室，福建福州 350002；2.福建農(nóng)林大學(xué)智慧農(nóng)林褔建省高校重點實驗室，福建福州 350002；3.威海市林業(yè)局，山東威海 264200)

松材線蟲病是一種重大的檢疫性森林病害，已在我國18個省份造成了大面積危害[1－2]。通過控制該病主要媒介昆蟲松墨天牛Monochamus alternatus，阻止疫病擴(kuò)散蔓延，一直是防控該病的重要策略[3－4]。已有研究和生產(chǎn)實踐表明，在林間科學(xué)布設(shè)松墨天牛誘捕器可以有效監(jiān)測和控制松墨天牛種群，在松材線蟲病的防控中發(fā)揮著重要作用[5－9]。

作業(yè)人員在野外的做法是，用手寫紙質(zhì)標(biāo)簽標(biāo)識誘捕器，管理松墨天牛誘捕器，手持GPS或者其它開源地理信息系統(tǒng)軟件定位誘捕器的地理位置，統(tǒng)計誘捕的害蟲數(shù)量，并手工記錄在紙質(zhì)材料上，然后室內(nèi)再次整理并形成紙質(zhì)材料保存。當(dāng)誘捕信息量大時，與紙質(zhì)標(biāo)簽相比，數(shù)字化標(biāo)簽是更好的標(biāo)識方法。隨著二維碼技術(shù)的迅速發(fā)展[10－12]，該技術(shù)已廣泛用于物品的標(biāo)識，如利用二維碼標(biāo)識農(nóng)產(chǎn)品構(gòu)建追溯系統(tǒng)等[13]。微信小程序的普及更進(jìn)一步拓寬了二維碼的應(yīng)用領(lǐng)域[14]。因此有必要探尋利用二維碼技術(shù)標(biāo)識誘捕器。但如何適應(yīng)野外調(diào)查不理想的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是必須解決的問題。同樣，利用定位設(shè)備[15－16]和開源定位軟件如GPS工具箱[17]是有效的誘捕器定位方法，但作業(yè)人員將其生成完整的誘捕器信息并上報林業(yè)基層管理部門耗時費力。由于目前將松材線蟲病控制的野外作業(yè)任務(wù)承包給社會經(jīng)濟(jì)實體已是各地常用的做法，上述管理方式顯然無法實現(xiàn)管理部門對該項措施的實施和效果的實時監(jiān)控。同時，由于數(shù)據(jù)量大，沒有好的數(shù)據(jù)管理技術(shù)，也難以實現(xiàn)誘捕數(shù)據(jù)的快速查找和分析。

隨著計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展[18－19]，基于移動終端的野外調(diào)查方式已開始在農(nóng)業(yè)蟲害調(diào)查中應(yīng)用。如俞佩仕等應(yīng)用移動終端調(diào)查稻田飛虱在田間危害情況[20]，將手機(jī)作為數(shù)據(jù)采集和實時傳輸工具，在服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)省時省力實時監(jiān)測。

筆者在分析傳統(tǒng)誘捕器管理方法的基礎(chǔ)上，引入數(shù)字化標(biāo)簽技術(shù)標(biāo)識誘捕器，利用ionoic框架研究誘捕器完整信息的自動生成和及時遠(yuǎn)程傳輸方法，利用Spring Boot、MyBatis框架研究大量數(shù)據(jù)的管理和統(tǒng)計分析，利用Element和Vue框架研究用戶和系統(tǒng)之間的友好交互方法。再通過技術(shù)集成開發(fā)松墨天牛誘捕器智能管理系統(tǒng)，以期為基層作業(yè)人員和林業(yè)管理部門提供一種省時省力采集和管理大量誘捕數(shù)據(jù)的新方法，實現(xiàn)實時監(jiān)控、管理和數(shù)據(jù)分析。

1 材料與方法

松墨天牛誘捕器的智能管理系統(tǒng)的基本思路是:作業(yè)人員通過手機(jī) APP掃描二維碼，待手機(jī)GPS自動獲取定位信息后，錄入害蟲的數(shù)量，并把數(shù)據(jù)提交上傳。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)暢通時，數(shù)據(jù)直接上傳到云服務(wù)器；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)不暢通時，則數(shù)據(jù)先存儲在手機(jī)上，待網(wǎng)絡(luò)暢通時再一次性將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器。用戶在瀏覽器端可以實時瀏覽上傳的誘捕情況數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計學(xué)分析，也可以查看各個誘捕器在地圖上的地理空間位置。

1.1 基于Android的手機(jī)APP 手機(jī)APP在Visual Studio Code環(huán)境下使用ionic框架和npm等工具進(jìn)行開發(fā)。利用QR Scanner插件快速、節(jié)能、精準(zhǔn)地掃描誘捕器上的二維碼；使用Cordova的Geolocation插件調(diào)用手機(jī)的GPS模塊獲取準(zhǔn)確的地理空間位置信息。當(dāng)用戶提交數(shù)據(jù)時，APP將采集到的數(shù)據(jù)使用Angular提供的HTTP請求(POST、GET)與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互即通過POST請求將數(shù)據(jù)提交到服務(wù)器，并通過GET請求從數(shù)據(jù)庫獲取歷史數(shù)據(jù)和相應(yīng)的配置選項。

1.2 服務(wù)器端和瀏覽器端 服務(wù)器端在IntelliJ IDEA環(huán)境下利用Spring Boot、MyBatis框架進(jìn)行開發(fā)。先通過HTTP協(xié)議獲取到APP端上傳的數(shù)據(jù)，然后使用Hikari數(shù)據(jù)庫連接池與MySQL進(jìn)行高速交互。使用MyBatis實現(xiàn)MySQL數(shù)據(jù)庫環(huán)境下數(shù)據(jù)的增、刪、改、查功能，從而有效管理誘捕器數(shù)據(jù)。同時，為了數(shù)據(jù)的安全，采用了JSON Web Token協(xié)議保證用戶和服務(wù)器之間安全可靠地傳遞信息。依據(jù)統(tǒng)計學(xué)方法原理編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析。

瀏覽器端在 Visual Studio Code環(huán)境下使用Element和Vue進(jìn)行開發(fā)。使用前端 HTTP框架Axios給后端提供數(shù)據(jù)，并以JSON數(shù)據(jù)格式進(jìn)行前后端交互。利用APP端上傳的信息調(diào)用百度地圖API并在地圖上自動標(biāo)注，實現(xiàn)對誘捕器空間分布的可視化展示。采用Apache ECharts對分析結(jié)果進(jìn)行基于圖表的可視化展示。使用EasyPoi插件實現(xiàn)表格和文件的上傳和下載。使用路由攔截技術(shù)實現(xiàn)登錄限制。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)字化標(biāo)識誘捕器 鑒于誘捕器主要以縣為單位實施應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)計了包含12個數(shù)字信息的二維碼，前6位數(shù)字為區(qū)域代碼，確定誘捕器所在的省、市、縣行政區(qū)域，后6位數(shù)字則表示該縣布設(shè)的誘捕器序號。系統(tǒng)提供給縣級管理人員生成和管理指定數(shù)量的二維碼(圖1)并以PDF文件形式下載打印的功能(圖2)。

圖1 二維碼管理Fig.1 QR codes management

針對縣級單位項目實施由不同實體完成的需求，縣級用戶可建立項目管理員角色，給管理員分配二維碼(圖3)。當(dāng)縣級單位未分發(fā)二維碼時，項目管理員也可自行打印自己管理的二維碼。將打印好的二維碼經(jīng)塑封后和誘捕器綁定完成誘捕器的標(biāo)識。

圖2 系統(tǒng)生成的二維碼Fig.2 QR codes generated by our system

圖3 項目管理員管理Fig.3 Management of project administrator

圖4 提交誘捕器位置信息Fig.4 Submitting information about trap position

2.2 獲取誘捕信息 手機(jī)GPS定位功能具有不同的設(shè)置模式。在野外僅使用GPS定位是較好的模式。開發(fā)的手機(jī)APP提供的模式設(shè)置功能供用戶選擇僅GPS定位模式；同時，針對獲取手機(jī)定位信息需保證一定的延時，APP具有控制延時時長的功能(圖4)。經(jīng)作業(yè)人員施工現(xiàn)場認(rèn)真對照，確認(rèn)在僅GPS定位模式下，APP顯示的經(jīng)緯度信息與實際地點的誤差在10 m以內(nèi)，而其它模式則偏差較大。APP也提供利用手機(jī)攝像頭掃描二維碼的功能。作業(yè)人員用手機(jī)掃碼后，APP顯示誘捕器所在位置的經(jīng)緯度、海拔等信息并進(jìn)行延時。延時完成后用戶點擊“提交信息”按鈕將位置信息存儲在手機(jī)中，然后APP跳轉(zhuǎn)到誘捕信息錄入頁面(圖5)供輸入害蟲數(shù)量以及其它相關(guān)信息。同時，該頁面具有拍照功能，供作業(yè)人員將現(xiàn)場工作的場景拍攝上傳，接受業(yè)主方監(jiān)督。

圖5 誘捕信息錄入Fig.5 Inputting trap information

2.3 遠(yuǎn)程傳輸野外誘捕調(diào)查數(shù)據(jù) 系統(tǒng)分網(wǎng)絡(luò)暢通與否自動處理野外誘捕調(diào)查數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸問題。作業(yè)人員點擊圖5頁面所示的“提交”按鈕時，APP提供自動檢測網(wǎng)絡(luò)的功能。如網(wǎng)絡(luò)暢通，則APP將數(shù)據(jù)直接遠(yuǎn)程傳輸?shù)皆品?wù)器，與微信小程序傳輸野外調(diào)查數(shù)據(jù)基本一致。林區(qū)一般位置較偏遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)信號弱甚至不通。此時，微信小程序無法滿足林業(yè)生產(chǎn)的需要。而我們開發(fā)的APP檢測到網(wǎng)絡(luò)不暢通時，自動提示誘捕信息提交失敗(圖6)，并將相關(guān)信息存儲在手機(jī)中。待網(wǎng)絡(luò)暢通時，由用戶重新

圖6 提交失敗Fig.6 Submitting failure

2.4 可視化展示誘捕器的空間分布 通過地圖直觀展示誘捕器的地理位置信息，對于管理部門管理誘捕器有重要意義，同時對作業(yè)人員野外操作誘捕器(如更換誘芯等)有重要輔助作用。在瀏覽器端，系統(tǒng)提供大量誘捕器的可視化展示功能。該功能通過調(diào)用百度地圖API把每個誘捕器的經(jīng)緯度從WGS84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成百度地圖坐標(biāo)，然后和編號一起登錄系統(tǒng)并單擊“提交”按鈕將手機(jī)中的記錄全部上傳到服務(wù)器(圖7)。同時，APP提供了作業(yè)人員只能上傳自己負(fù)責(zé)管理的誘捕器信息的功能，當(dāng)某個作業(yè)人員誤掃了其他人員管理的誘捕器并將信息上傳時，服務(wù)器端則拒絕接收。只有當(dāng)業(yè)主方進(jìn)一步確認(rèn)后，由其他作業(yè)人員在該手機(jī)的APP上輸入正確的賬號后才能完成遠(yuǎn)程傳輸。以標(biāo)注的形式在百度地圖上展示出來(圖8)。管理部門和業(yè)主方可以直接掌握自己管理的誘捕器的具體分布情況，并為誘捕器放置方案設(shè)計提供輔助作用。在APP端，也同樣調(diào)用百度地圖API完成上述功能。該功能為作業(yè)人員提供自己管理的誘捕器的位置信息，方便作業(yè)人員在野外查找誘捕器并完成相應(yīng)的工作。

圖7 緩存提交Fig.7 Submitting the information in cache

圖8 誘捕器空間分布Fig.8 Spatial distribution of traps

2.5 管理和分析誘捕情況數(shù)據(jù) 系統(tǒng)提供行政區(qū)劃自動解析功能，可以根據(jù)APP上傳的誘捕器經(jīng)緯度信息自動解析出其行政區(qū)域即省、市、縣和鄉(xiāng)鎮(zhèn)名稱。系統(tǒng)還提供給各級用戶管理誘捕數(shù)據(jù)的功能。用戶通過它查看每個誘捕器各個批次的詳細(xì)信息和匯總信息、所管轄行政區(qū)域內(nèi)所有誘捕器的匯總信息。具體來說:縣級用戶通過該模塊可以獲得各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)匯總的松墨天牛誘捕情況(圖9)。同時，單擊圖9中的“查看”按鈕即可查看各鄉(xiāng)鎮(zhèn)下每個誘捕器的詳細(xì)信息和匯總信息。依此類推，市級用戶和省級用戶通過該功能可以了解本市和本省誘捕器的匯總信息以及管轄區(qū)域內(nèi)匯總的誘捕信息。

圖9 誘捕情況匯總信息Fig.9 Summary of trapping information

為了進(jìn)一步滿足基層對數(shù)據(jù)分析的需要，系統(tǒng)開發(fā)了統(tǒng)計學(xué)分析模塊供各級用戶進(jìn)行誘捕情況數(shù)據(jù)分析。主要包括樣本的描述性分析、方差分析，同時，在總體方差顯著情況下分別采用了費希爾提出的最小顯著性差異方法和SCHEFFE的多重比較。

用戶可以獲得誘捕器總數(shù)、總誘蟲量、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值、最小值和置信區(qū)間等信息。同時，也可以進(jìn)行方差分析和多重比較等。分析結(jié)果可供用戶下載。

2.6 系統(tǒng)運行情況 2019年4月系統(tǒng)已部署在阿里云服務(wù)器上，并交由福建省和山東省的作業(yè)人員和管理人員廣泛使用。目前，系統(tǒng)運行正常。在應(yīng)用過程中，作業(yè)人員反映APP操作方便，能在幾分鐘內(nèi)即掌握使用方法。同時，數(shù)據(jù)在不同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下遠(yuǎn)程傳輸可靠。目前系統(tǒng)管理的誘捕器近4萬個，每個誘捕器涉及十余批次，共接收到近60萬條誘捕情況數(shù)據(jù)。管理部門和作業(yè)方反映利用該系統(tǒng)方便了大量誘捕器的管理，同時也滿足了基層單位對數(shù)據(jù)分析的要求。

3 結(jié)論與討論

如何實現(xiàn)有效管理野外設(shè)置的大量誘捕器，一直是森防管理部門的一項重要工作。傳統(tǒng)的誘捕器人工管理費時費力易混亂，難以滿足實踐需求。本研究開發(fā)的松墨天牛誘捕器的智能管理系統(tǒng)采用了數(shù)字化標(biāo)識的方法，開發(fā)的APP解決了野外誘捕數(shù)據(jù)采集和及時傳輸?shù)膯栴}，方便了作業(yè)人員在野外查找和管理誘捕器，開發(fā)的服務(wù)器端實現(xiàn)了大量誘捕數(shù)據(jù)的管理和統(tǒng)計分析功能，并通過開發(fā)的瀏覽器端用戶能夠方便地使用這些功能。本系統(tǒng)已正常運行一年，能夠滿足野外復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)人員的數(shù)據(jù)采集操作和遠(yuǎn)程傳輸要求，較好地滿足了傳統(tǒng)誘捕器管理和基層數(shù)據(jù)分析需求。系統(tǒng)的推廣應(yīng)用不僅能提高管理效率，還對推進(jìn)林業(yè)信息化建設(shè)具有重要意義。

系統(tǒng)收集的大量誘捕數(shù)據(jù)可以為松墨天牛種群動態(tài)提供數(shù)據(jù)支撐，特別是基于這些數(shù)據(jù)的地統(tǒng)計學(xué)分析[21－22]，可以進(jìn)一步分析松墨天牛種群與經(jīng)緯度、海拔之間的相關(guān)關(guān)系。松墨天牛種群和松枯死木數(shù)量之間具有密切的關(guān)系[23－24]。同時，防治松材線蟲病也必須考慮多種措施相互配合。因此，有必要將本系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展，使其能夠遠(yuǎn)程同步采集誘捕器、蛀干劑、航空防治、生物防治、松枯死木清理等技術(shù)措施的數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)[25]挖掘不同數(shù)據(jù)之間的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而開發(fā)出松材線蟲病智能防控工程管理和決策系統(tǒng)，為松材線蟲病的科學(xué)防治提供技術(shù)支撐。

志謝：福建泉州涌明生物科技有限公司吳仁興、蔣昌齡、余啟源，山東國偉林業(yè)防治有限公司代光偉，環(huán)翠區(qū)自然資源局郭志強、姜濱，劉公島林場劉曉，海濱林場喬仁發(fā)等參與了系統(tǒng)的運行測試，并對本系統(tǒng)的完善提出了大量寶貴意見，福建農(nóng)林大學(xué)軟件工程專業(yè)本科生鐘暉宏參與了軟件開發(fā)，特致感謝。