李國強，趙巧麗，臧賀藏，趙 晴，張 杰，宋 慧，王 猛

（1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與信息研究所，河南 鄭州 450002；2.河南省智慧農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心,河南 鄭州 450002；3.河南省智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟,河南 鄭州 450002）

作物育種研究是一項煩瑣的工作，涉及育種目標(biāo)的確定、試驗設(shè)計、數(shù)據(jù)采集、室內(nèi)考種、試驗結(jié)果整理與分析等多個環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)采集是育種研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但是數(shù)據(jù)采集方式一直采用紙質(zhì)記錄，之后在室內(nèi)再進(jìn)行數(shù)據(jù)電子化，需要耗費大量的時間和精力?；诖耍嚓P(guān)科研院所積極探索并研發(fā)了多種農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，譚會君等[1]以嵌入式技術(shù)為核心，設(shè)計了一個農(nóng)田信息采集系統(tǒng)，用于農(nóng)田氣象、土壤和作物信息的采集分析；張士敏[2]對物聯(lián)網(wǎng)在水稻區(qū)域試驗信息采集中的應(yīng)用進(jìn)行了研究；吳滄海等[3]設(shè)計開發(fā)了基于Android智能手機的油菜病害識別系統(tǒng)。目前，關(guān)于氣象、環(huán)境、作物信息和病蟲害等方面的信息采集研究較多[1-14]，而關(guān)于育種信息采集的研究相對較少。目前育種信息采集，一是通過無人機低空遙感獲取[15-17]，其次是采用移動采集設(shè)備。關(guān)于手持移動采集設(shè)備國內(nèi)外都有一些研究，國外有Phenobook[18]、Fieldbook[19]等，國內(nèi)有農(nóng)博士育種采集軟件[20-21]以及臧賀藏等[22-23]、趙巧麗等[24]研發(fā)的云端模式下作物表型性狀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。目前，國內(nèi)現(xiàn)有采集系統(tǒng)均需在網(wǎng)絡(luò)支持下接收云端的試驗任務(wù)才可以使用。對于一些小型試驗或者設(shè)計簡單的試驗，基于云端模式的采集系統(tǒng)使用成本較高。由于試驗過程中數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)任務(wù)繁重、時限短，通常會邀請一些臨時工作人員幫忙采集，這涉及操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí)問題，如果系統(tǒng)過于復(fù)雜，反而不便于推廣應(yīng)用。基于此，將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與云端剝離，構(gòu)建了基于Android的可定制作物育種數(shù)據(jù)采集單機版系統(tǒng)，使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輕簡化，功能更專一，應(yīng)用更方便。

1 基于Android的可定制作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

1.1 Android簡介

Android平臺是針對移動設(shè)備的操作系統(tǒng)，包括應(yīng)用程序?qū)?、?yīng)用程序框架層、系統(tǒng)運行庫和Linux核心層4層。Linux核心層為上層提供攝像頭驅(qū)動、WIFI驅(qū)動和內(nèi)存管理等服務(wù)。在Linux核心層上增加虛擬機，并在虛擬機上搭建應(yīng)用程序框架。Android平臺系統(tǒng)庫包括SQLite、界面管理、媒體庫和Webkit等程序庫，可被Android的各個組件使用；通過應(yīng)用程序框架向用戶提供服務(wù)。

1.2 作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的架構(gòu)

作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以單機版形式開發(fā)，其開發(fā)架構(gòu)包括基礎(chǔ)層、業(yè)務(wù)邏輯層和移動端界面UI，其架構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture structure of crop breeding data acquisition system

基礎(chǔ)層包括SQLite數(shù)據(jù)庫、媒體庫等程序庫，支持?jǐn)?shù)據(jù)存儲、音頻、圖像等功能的實現(xiàn)；業(yè)務(wù)邏輯層是系統(tǒng)架構(gòu)中的核心部分，在基礎(chǔ)層和移動端界面UI中承擔(dān)數(shù)據(jù)交換的作用，提供與系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求實現(xiàn)相關(guān)的邏輯處理；移動端界面UI提供接受用戶操作的人機交互界面。

APP適用于不同作物對象，不同作物數(shù)據(jù)采集過程的差異主要在于性狀指標(biāo)的差異。系統(tǒng)開發(fā)時將不同作物的性狀指標(biāo)作為屬性數(shù)據(jù)保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，具體性狀指標(biāo)內(nèi)容參考農(nóng)藝性狀調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)庫設(shè)計與臧賀藏等[23]研發(fā)的云端模式采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計相同，便于單機版采集數(shù)據(jù)與云端模式采集數(shù)據(jù)匯集和分析。數(shù)據(jù)庫選用系統(tǒng)自帶的SQLite數(shù)據(jù)庫。研究中將數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)信息提煉為試驗項目和采集性狀指標(biāo)兩部分，兩部分相互獨立，便于試驗項目和模板的組合定制。用戶在試驗項目和模板組合基礎(chǔ)上完成數(shù)據(jù)采集管理。數(shù)據(jù)的采集、查詢、存儲和導(dǎo)出以試驗項目和定制模板名稱為索引。

2 基于Android的可定制作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯，將作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)劃分為試驗、模板、數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)和圖片5個功能模塊，具體如圖2所示。用戶在進(jìn)入系統(tǒng)前先選擇作物類別。系統(tǒng)模板模塊根據(jù)用戶選擇作物類別提供該作物所有的性狀指標(biāo)，性狀指標(biāo)種類多，分主要性狀、物候期、抗逆性、病害調(diào)查、產(chǎn)量性狀和田間采集性狀六大類顯示，便于用戶查詢和選擇。除數(shù)據(jù)采集外，系統(tǒng)提供圖片采集，圖片拍攝與數(shù)據(jù)采集分開進(jìn)行，圖片拍攝時可以備注信息，支持語音錄入。

圖2 作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)Fig.2 Function structure of crop breeding data acquisition system

APP開發(fā)環(huán)境在MS Windows操作系統(tǒng)下由Android Studio和Android SDK搭建，采用JAVA編程語言。Android Studio便于開發(fā)人員調(diào)整在不同尺寸屏幕和分辨率的Android設(shè)備上應(yīng)用。Android SDK是Android專屬的軟件開發(fā)工具包，適用于Android 4.0以上系統(tǒng)。

2.2 作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要功能的實現(xiàn)

2.2.1 試驗項目創(chuàng)建 數(shù)據(jù)標(biāo)識信息主要包括試驗項目、性狀指標(biāo)和小區(qū)編號等。試驗項目信息則主要包括試驗名稱、品種數(shù)/處理水平、重復(fù)數(shù)以及參試品種名稱等。按照操作習(xí)慣，將試驗項目信息制成Excel模板，以保證試驗項目基礎(chǔ)信息順利導(dǎo)入。為了防止試驗項目重復(fù)造成數(shù)據(jù)采集管理混亂，在模板中添加試驗代碼作為區(qū)分試驗項目的唯一標(biāo)識碼，見圖3所示。試驗項目基礎(chǔ)信息確定后，在作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中導(dǎo)入模板，出現(xiàn)試驗項目圖標(biāo)標(biāo)志試驗項目創(chuàng)建成功。圖4a為“安陽谷子”試驗項目創(chuàng)建成功后的圖標(biāo)，因為谷子種質(zhì)資源較多，Excel模板展示了部分谷子種質(zhì)資源名稱。試驗項目基礎(chǔ)信息的Excel模板文件可以在電腦端完成，也可以在移動終端上完成。

圖3 試驗項目基礎(chǔ)信息導(dǎo)入模板Fig.3 Import template of foundation information for test program

2.2.2 模板定制 性狀指標(biāo)分主要性狀、物候期、抗逆性、病害調(diào)查、產(chǎn)量性狀和田間采集性狀6類保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，數(shù)量較多，數(shù)據(jù)采集時若全部展示，操作十分不便。作物生長是個動態(tài)的過程，不同時期采集的性狀指標(biāo)也不盡相同，為滿足不同的采集需求，增加了模板定制的模塊。在模板模塊下任一用戶可以勾選需要采集的性狀指標(biāo)定制模板并保存，如圖4b所示，保存的模板可以共享，任一用戶都可以選擇使用。定制模板上性狀指標(biāo)的順序可以調(diào)整。用戶在數(shù)據(jù)采集時根據(jù)選擇的模板提供作物性狀指標(biāo)。

圖4 作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用界面Fig.4 Application interface of crop breeding data acquisition system

2.2.3 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)采集因作物性狀指標(biāo)種類多、試驗小區(qū)數(shù)量多、試驗?zāi)康母鞑幌嗤?、作物發(fā)育進(jìn)程差異等原因，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集過程復(fù)雜多變。試驗項目在作物試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中建立后，系統(tǒng)根據(jù)試驗品種數(shù)/處理水平、重復(fù)數(shù)生成采集小區(qū)編號總數(shù)。為滿足采集形式多樣化要求，數(shù)據(jù)錄入提供掃碼錄入、數(shù)據(jù)錄入和手動定位3種數(shù)據(jù)采集方式，同時提供圖片采集功能。掃碼錄入在試驗小區(qū)采用條碼標(biāo)識的情況下使用；數(shù)據(jù)錄入默認(rèn)按照自然序列依次采集；手動定位可以任意選擇小區(qū)開始數(shù)據(jù)采集。在數(shù)據(jù)錄入模塊中，除圖片采集外，其他3種錄入方式一旦開始，必須新建一個試驗數(shù)據(jù)文件，若中途中斷，需要從數(shù)據(jù)模塊中選擇試驗數(shù)據(jù)文件繼續(xù)錄入數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)錄入過程中，性狀指標(biāo)除數(shù)量性狀外，其他指標(biāo)提供該指標(biāo)可能出現(xiàn)的所有可選項，比如物候期提供當(dāng)天日期（缼省值）、病蟲害提供等級等，能迅速完成數(shù)據(jù)錄入，顯著提高數(shù)據(jù)采集效率。在數(shù)據(jù)采集過程中，有一些性狀差別難以區(qū)分或者易受人為因素的影響，比如性狀指標(biāo)的顏色、長勢等，可以采集圖片，方便以后室內(nèi)進(jìn)行對比分析。

3 基于Android的可定制作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)試驗

3.1 作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測試

作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在使用過程中，采用人工采集與系統(tǒng)采集方式，以谷子為例，數(shù)據(jù)采集前，向測試人員介紹系統(tǒng)的操作步驟和系統(tǒng)功能，安排5人采用人工采集數(shù)據(jù)，而同一批人使用系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比測試。測試人員分別對5個小區(qū)的分枝數(shù)、穗姿和成熟期進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時記錄每組5個人耗時的平均值，測試結(jié)果如表1所示。使用系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)耗時比人工采集數(shù)據(jù)節(jié)約65.18%。僅數(shù)據(jù)采集過程而言，系統(tǒng)采集耗時稍短于人工采集，但是人工采集耗時最多的是二次錄入過程，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)可直接以Excel格式導(dǎo)出，省略了人工采集數(shù)據(jù)電子化的過程。在數(shù)據(jù)采集量足夠大的情況下，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的優(yōu)勢會更為突出。

表1 人工采集與系統(tǒng)采集測試平均耗時比較Tab.1 Comparison of average test time between manual acquisition and system acquisition s

3.2 作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用

作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)經(jīng)測試完善后，在安陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院谷子核心種質(zhì)資源調(diào)查上進(jìn)行初步應(yīng)用。在系統(tǒng)APP試驗?zāi)K下，導(dǎo)入試驗項目信息模板，如圖3所示，建立“安陽谷子”試驗，見圖4a。在模板模塊中，選擇成熟期需要調(diào)查的性狀指標(biāo)，定制采集模板，如圖4b；在數(shù)據(jù)錄入模塊，從試驗名稱中選擇“安陽谷子”，然后系統(tǒng)根據(jù)性狀指標(biāo)類型提供數(shù)據(jù)錄入或者提供所有文本選項，如圖4c界面，點選完成錄入。在試驗?zāi)K中，“安陽谷子”圖標(biāo)下，可以查看數(shù)據(jù)采集情況，如圖4d為其中1位試驗人員的數(shù)據(jù)采集結(jié)果。測試人員使用結(jié)果表明，系統(tǒng)具有操作簡單、使用靈活、支持多人同時采集等特點。

4 結(jié)論與討論

本研究從生產(chǎn)實際需求出發(fā)，提出并設(shè)計了基于Android平臺的可定制作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。單機版采集系統(tǒng)以Excel模板的形式完成試驗項目的創(chuàng)建，簡化了云端模式下的試驗項目管理過程，使系統(tǒng)的功能重點集中在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)上，提高了系統(tǒng)的實用性。數(shù)據(jù)采集全程可在離線情況下進(jìn)行，不因網(wǎng)絡(luò)問題而中斷，保證了系統(tǒng)采集的穩(wěn)定性，增強了數(shù)據(jù)的安全性。系統(tǒng)中模板的定制和性狀指標(biāo)屬性的設(shè)置，使得數(shù)據(jù)采集時不用考慮性狀指標(biāo)名稱和量綱的輸入，節(jié)省大量時間，這點優(yōu)于國外的Phenobook[18]和Fieldbook[19]采集軟件。國內(nèi)知名的農(nóng)博士育種采集軟件[20-21]主要針對育種試驗流程的數(shù)據(jù)采集要求而研發(fā)，對育種以外的數(shù)據(jù)采集要求難以匹配。作物育種數(shù)據(jù)采集APP忽略試驗性質(zhì)的差異，所有功能設(shè)置圍繞數(shù)據(jù)采集這一目的展開，使數(shù)據(jù)采集功能設(shè)置足夠靈活，以滿足不同作物、不同試驗數(shù)據(jù)采集的要求。

作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)適用于不同作物的數(shù)據(jù)采集。通過在安陽谷子核心種質(zhì)資源調(diào)查上的應(yīng)用，結(jié)果表明，與人工采集相比，系統(tǒng)采集可減少錯誤數(shù)據(jù)錄入，省略了人工采集數(shù)據(jù)電子化過程，可使谷子試驗數(shù)據(jù)采集耗時降低65.18%。系統(tǒng)的應(yīng)用有利于采集數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化，便于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理和數(shù)據(jù)挖掘。系統(tǒng)功能設(shè)計合理，運行穩(wěn)定，操作簡單，攜帶方便，有著廣闊的推廣和應(yīng)用前景。