【摘 要】农业作为立国之本，农业经济发展水平高低将直接影响到社会进步和发展。宝鸡市经济发展相对落后，在苹果种植产业发展中，病虫害预测防治等方面科术含量偏低，尤其是当前苹果种植面积的进一步扩大，病虫害防治工作成效将直接影响到苹果产量和品质，对果农利益影响深远，所以提高苹果病虫害防治水平和运用科技水平建立苹果病虫害管理信息系统十分必要。本文就苹果病虫害管理工作展开深刻剖析，设计了一套基于GIS系统和Internet技术的苹果病虫害管理信息系统，系统包括苹果病虫害基础数据处理子系统、苹果虫害预测预报子系统和苹果病虫害网络发布子系统。利用ArcIMS作为地理信息的网络发布平台，系统地提出了平台搭建的步骤与Web应用程序的开发步骤。系统提供的算法可以较好地预测苹果病害的发生程度，系统作为一种工具软件可以为果树病虫害管理、田间数据分析与精细农业研究提供技术支持。
【关键词】病虫害预测;病虫害防治;地理信息系统
中图分类号： TP311.52 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）06-0069-003
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.06.024
【Abstract】As the foundation of the nation， the level of agricultural economic development will directly affect social progress and development. The economic development of Baoji city was backward. In the development of apple planting industry， the scientific and technological content of disease and insect pest prediction and prevention is relatively low，especially with the further expansion of apple planting area at present， the results of pest control work will directly affect the yield and quality of apples， and have a far-reaching impact on farmers" planting interests. Therefore， it is necessary to improve the pest control level of apples and establish an apple pest management information system with the application of science and technology. In this paper， with the deep analysis of the apple pest management work， it designed a set of apple pest management information system based on GIS system and Internet technology to practice， in order to improve the level of social production. This system includes apple pest data processing subsystem， apple pest forecasting subsystem and apple pest network publishing subsystem.Using ArcIMS as the geographic information network publishing platform， the system puts forward the steps of platform construction and Web application development steps. The algorithm provided by the system can better predict the occurrence degree of apple disease. As a tool software， the system can provide support for fruit tree pest management， field data analysis and fine agriculture research.
【Key words】Pest and disease prediction; Pest control; Geographic information system
0 引言
我國农业是国民经济发展的基础，但是我国经济发展水平相对偏低，我国在农业方面的科技含量较低，宝鸡市农业发展也更为落后，对于农作物病虫害预测和防治水平也偏低，所以我国的苹果生产业存在着严重的病虫害现状，病虫害存在的种类繁多并且会在果园中随机高频率发生，发生的地域广泛，苹果生产方面会造成严重的经济损失。由于我国地域辽阔，不同的苹果产区在品种结构、气候特点、土壤类型和栽培管理等各个方面上也各不相同，所以不同地域的病虫害在种类和发生程度上也各有不同。通过查阅相关资料，在全国范围内调查了解到当前的苹果病害种类大概有51种，可以发现发生频率高的主要苹果病害大概有16种，分别是斑点落叶病、白粉病、轮纹病、煤污病、霉心病、粗皮病、炭疽病、褐腐病、锈病、千腐病、褐斑病、黑星病、花叶病毒病、套袋果实黑点病、锈果病;其中各省市分布较广的严重病害有腐烂病、斑点落叶病、轮纹病，对苹果产业造成了很大影响，对其健康发展构成了极大的威胁。此次的调查结果比起以往的相关资料记载多出了两种新病害，分别是丝核菌叶枯病和炭疽菌叶枯病。经过调查研究，丝核菌叶枯是2010年在河南濮阳发现，其症状是菌丝可在枝叶上蔓延扩散，会引起树枝病死和叶片枯死;炭疽菌叶枯病是近两年在江苏丰县、河南商丘、安徽的砀山及山东青岛等地发现，大多数症状是从叶尖侵染，从叶片边缘扩散，形成大小不同的枯死斑，病斑周围的健康组织随后变黄，病重叶片很快脱落。根据本次的调查我们共收录到78种害虫，与之前调查的相关资料数据相比，增加了两种新害虫，其中主要害虫有桃小食心虫、苹果绵蚜、二斑叶螨、苹果小卷叶蛾、山楂叶螨、绣线菊蚜等21种，其中分布较广、会造成严重危害的害虫是叶螨类和蚜虫类。在鳞翅目的害虫中，苹果蠹蛾为主要害虫，其余大多属于次要害虫，但是由于温度气候、土壤类型等不确定的条件，一些次要害虫也可能会造成严重危害，广大的苹果种植户对这些害虫也不能放松警惕，尽量减少虫害的侵袭。
目前我国对于苹果的病虫害防治方法技术有三种，分别是预防性的套袋技术、杀虫灯技术和生物防治技术。根据我们的调查显示目前最主要的生物防虫技术是预防性的套袋技术，对果实进行套袋防治这种方法既可以避免苹果遭受污染，又可以消除害虫对苹果的伤害。套袋技术是在果实即将成熟之前使用特别制作的纸袋子完全包住苹果，防止害虫的侵入和啃噬，对苹果的品质有大量的提高，当然这个技术有一定的缺点就是十分消耗人力，但是它也有一定的好处就是基本不会残留农药，并且在一定程度上还节省了成本，是一种经济又环保的防虫技術，所以使用范围也特别广泛。杀虫灯技术是一种具有针对性的虫害防治技术，这种技术具体来说就是利用一种防虫灯，这种灯主要防治对象是在夜里觅食并且能够飞行的小型昆虫。将这种防虫灯放置在果园中，通过声波或者光源来吸引植物周围的小昆虫，目标一进入灯中之后就会自动产生高压，瞬间杀死或者损伤害虫，并且死伤之后的害虫会掉入已经提前准备好的纸袋内，方便于后面的清理。生物防治技术实际上就是利用一些激素来吸引昆虫，然后再采用一些手段或者方法来消灭或损伤害虫，从而减少昆虫的数量，例如人们可以使用人工激素来吸引昆虫到事先设定的地方，进而统一清除掉昆虫，或者也可以使用性激素将雌性昆虫汇集到一起，影响它们的繁殖，达到消灭害虫的效果，从而提高杀虫的效率。
1 系统设计
1.1 系统开发基础
根据我国病虫害和上面几种苹果病虫害防治技术的现状描述，可以发现构建一个苹果病虫害的管理信息系统是十分必要的，因此我们将构建一个基于GIS系统、Internet技术和人工神经网络技术的电子信息系统。GIS （Geographic Information Systems， 地理信息系统）是聚集了多门学科的技术结果，以整个地球空间为基础，在计算机硬、软件系统支持下，对需要研究的地理空间中的各种地理信息数据采用地理模型分析方法进行采集、存储、编辑、管理、分析、输出的技术系统，这种计算机技术系统可以为地球地理空间地理数据的查询、研究和处理进行服务。其基本功能是将来自数据库的矢量化数据或栅格型数据在地图影像转换为数理状物显示，然后对显示结果进行浏览、操作编辑和分析输出。其显示范围极其广阔，大到整个地理空间，小到详细的树木，现实对象包括省级行政区、经济情况、运输线路、输水量、农产品产量等内容。
采用通用高级编程语言结合地理信息系统组件就是集成二次开发方式，这种开发方式在进行地理信息系统开发之中是比较好的，可以计算处理出落入每一个栅格中的采样点数据的平均值、最大值和最小值三种方法，也就是系统所提供的IDW插值方法。它测试出相关系数为0.9987，结果表明这一方法的运算结果与ArcInfo软件中的IDW插值方法结果十分接近，可以满足系统的要求。人工神经网络可以用作建模处理，它的基本功能有非线性函数动态处理能力，同时也具有自组织、自适应和自学习的功能，对于苹果病虫害的监测有很大帮助作用。采用BP网络模型分析方法对苹果病虫害的发生量进行检测预报，相对于现有的分辨方法更具快捷性、通用性、准确性。对苹果病虫害的预测运用MATLAB神经网络工具箱更高效的建立BP网络模型，它的优点在于不需要进行繁琐的编程，使用更方便。完成对Matlab的调用需要同时利用高级编程语言程序（Vb）设计出人机交互界面，这对农业生产的指导具有极高的应用价值。同时，神经网络模型的建立提供了一种新的通用的实用性方法，不同条件下的预测预报都可以应用到。
1.2 系统配置方案
要构建一个苹果病虫害管理信息系统，采用先进的GIS技术和空间数据库管理技术会提供非常大的帮助，以计算机网络、人工网络和空间数据为基础，以地理数据库为核心，建立一个高效、全面、规范、通用、实用的苹果病虫害管理信息系统。这个信息系统对空间信息管理进行苹果产业资源信息采集、生长动态监测、现状管理分析、最终结果决策与公布，GIS技术在其中可以充分发挥优势，将各种农业资源在空间的分布状况、它们的生长变化趋势、遭受病虫害的现状等直观、动态、全面地显示出来。此次宝鸡市病虫害管理信息系统项目建设以基础应用系统开发为主，利用计算机网络进行开发。
1.3 系统功能结构
苹果病虫害管理信息系统包括苹果病虫害基础数据处理子系统、苹果病虫害监测预报子系统和苹果病虫害网络发布子系统。它们之间运用同一个数据库，基础数据处理子系统可以得到苹果的实时生长状况，病虫害监测预报子系统会监测出果树是否被病虫侵害，数据库可以将两个系统的结果保存在其中，然后再通过网络发布子系统将处理结果发布出去，接着苹果病虫害的各种信息和苹果的质量就可以通过IE浏览器被需要的客户端查询。这三种子系统的不同之处是运用不同的结构模式进行开发的。
1.3.1 基础数据处理子系统
苹果病虫害基础数据处理子系统的基本功能有获取苹果生长实时数据、空间信息编辑、属性查询和分析、数据统计分析、窗口分析、网络分析、缓冲区分析、插值分析、数字高程模型分析和将处理后的图层数据以新的数据模式导出。在系统中可以共同使用矢量化数据结构和栅格型数据结构，两个数据结构相互配合可以使系统操作识图起来更方便，在实际操作的过程中可以根据不同需求条件选择更适合的数据结构。一般以栅格数据结构表示空间信息，图层中每个单元格上的属性值表示所属对象的属性特征。栅格数据编码结构有完全栅格数据结构、游程数据编码结构、四叉树数据结构、二维行程编码结构、链码结构、影像金字塔结构、块码结构，在一般情况下，采用完全栅格数据结构对数据进行处理和操作更为简便。
1.3.2 苹果病虫害监测预报子系统
病虫害信息整理、病虫害统计分析、病虫害监测预报功能主要是在苹果病虫害监测预报子系统中体现。系统结合运用GIS技术和人工神经网络技术，将病虫害受灾情况用不同的标记符号标记出来，使结果更加的清晰明了、形象直观。并且系统还提供了1-8周的短期预测功能。
病虫害监测预报功能由BP （Back Propagation） 网络模型在人工神经网络系统中进行开发。由大量简单的神经单元充分连接形成的人工网络，它能够体现出采集数据信息之间的非线性关系，充分的人工网络具有强组织、联想能力，可以模拟大脑处理不同的信息，灵活处理已知和未知参数对其进行建模。
1.3.3 苹果病虫害网络发布子系统
苹果病虫害网络发布子系统的功能有查询苹果病虫害信息、数据发展趋势图查询、监测预报结果查询等。客户端根据自己的需求通过网络技术查询苹果病虫害受灾情况、防治病虫害的方法、种植苹果的用量情况和监测预报结果，这种方法使客户端种植苹果十分便捷。在系统数据库的查询过程大致可分为3类：（1）直接查找出数据库中人们需要查询的的数据及所含信息;（2）通过分析运算查询出人们需要查询具有一定约束条件的信息;（3）根据已知实体数据模型，模拟分析出虚拟数据模型，来监测预报人们需要查询数据信息结果。综合上述查询过程的分析，我们可以得出一个结论就是在预测苹果病虫害的系统中，第三种查询过程更适用于用户。
2 地理数据库的建立
2.1 数据库概念设计
地理数据模型是对现实世界地理实体的抽象表达，用计算机处理数据，可以描述地理数据库中数据信息组织和为建立地理数据库提供新的板块模式，为数据管理提供全新思路与路径。地理数据模型的选取和建立是地理信息数据库数据表达的基础，在苹果病虫害管理信息系统中影响数据的定义、采集、存储、分析和决策。
数据库是将具有一定特征属性的大量数据组织和描述，将其按一种数据结构模型存储在计算机内。其中的数据可以单独调用，也可以结合分析的，可以被各种用户端分享使用。苹果病虫害管理信息系统也有同样的特点，对数据信息进行采集管理，以直观图形或者图像数据为搜索引擎，满足客户对病虫害的了解、查询和防治，具有多元化、可视化的功能特点。
2.2 空间数据库设计
空间数据库是存储在计算机内的地理信息与处理后的相关地理信息数据的集合。在空间数据库中客户端可以直接查找获得要使用的空间数据，使用完成并生成新的数据再以符合工业技术标准的RDBMS数据类型存储。每种数据几何类型都应遵循OGC等国际标准，以保证数据库之间的正常运行。用这种数据类型可以使数据完整和统一，使日常事务处理更完善，分布完成不同数据的存储与数据库操作。
2.3 属性数据库设计
属性数据库独立于空间数据，它的内容包括苹果正常情况下参照数据、农田基本情况、农户检查数据等，根据用户所需数据可自行添加，作为参照对比分析苹果的基本情况，检查苹果是否有病虫害现象。
3 结论与讨论
在以上分析设计中，我们可以了解到宝鸡市苹果病虫害和其防治系统的现状，学习到数据库和病虫害管理信息系统构建的依据、设计和运行。总体设计来看，宝鸡市苹果病虫害管理信息系统的构建是刻不容缓的，它和以往的病虫害防治系统相比高效性、全面性、准确性都得到了保障。具体来讲，在GIS系统、Internet技术和人工神经网络技术的支持下建立的苹果病虫害管理信息系统能够将宝鸡市苹果的信息完整的呈现在系统中并且能准确及时的预测病虫害发生的时间、方位和类型，然后将其迅速发布出来。点取查询、条件查询、空间查询可以满足基本的属性数据查询和空间数据的查询要求，查询操作方式简洁方便，查询结果形象直观。
【参考文献】
[1]赵增峰.苹果病虫害种类、地域分布及主要病虫害发生趋势研究[D].河北：河北农业大学.2012
[2]汤国安，刘学军，闾国年，盛业华，王春，张婷.地理信息系统[M].北京：高等教育出版社.2017
[3]王锐.无公害苹果种植的病虫害防治技术[J].《山西农经》杂志社.2018-11-05
[4]赵朋.基于GIS的苹果病虫害管理信息系统的研究与开发[D].北京.中国农业大学.2005
[5]赵朋，刘刚，李民赞，李道亮.基于GIS的苹果病虫害管理信息系统[J].农业工程学报.2006
[6]王艳春，王承明，田明英，迟胜起.烟台市苹果病虫害监测预警系统的研发与应用[J].河南农业科学.2012
[7]司丽丽，闫峰，李春强，姚树然，安冬.河北省苹果主要病虫害预警系统研制[J].河北農业大学学报.2011
[8]胡守仁等.神经网络导论[M].国防科技大学出版社.1993
[9]蔡昆争.人工神经网络在农业中的应用[J].农业系统科学与综合研究.2001.
[10]熊范纶.农业专家系统及开发工具[M].清华大学出版社.1999.
[11]蔡航.基于神经网络的医疗诊断专家系统[J].数理医药学杂志.2002.