基于本体的玉米精准施肥决策系统的研究与设计

张莹+++陈桂芬

摘 要：本体是人工智能领域近年来研究的热点之一，它对领域中的概念进行规范的形式化的明确的描述，有效地解决系统间的异构及互操作难的问题，实现知识的共享及重用。文章把本体引入到玉米生产领域中，对其在玉米生产领域中进行了探索及实践，构建了玉米精准施肥本体，开发了基于本体的玉米精准施肥决策系统，解决了玉米在精准施肥数据方面存在着的分散、不规范、不利于管理的问题，及语义互操作和机器理解问题，为玉米精准施肥提供了新的思路与方法，利于玉米智能系统的开发。

关键词：本体；玉米；精准施肥；决策

引言

近些年来，玉米不仅是我国三大粮食作物之一，而且是重要的饲料和工业原料，玉米作为饲料和工业原料其发展空间是很大的。玉米生产过程中，由于农民盲目施肥现象普遍存在，造成土壤养分失衡，地力下降，肥料利用率低，影响了玉米的产量和品质的提高。

本体作为一种知识表示是人工智能领域研究的热点之一。它能够有效地解决系统间的异构及互操作难的问题，实现知识的共享及重用。把本体技术引入到玉米精准施肥领域，进行基于本体的玉米精准施肥决策系统的研究，利用本体解决玉米在精准施肥数据方面存在着的分散、不规范、不利于管理的问题，其目的就是能够更加准确地指导农民施肥，提高玉米产量，同时减少不当施肥所产生的巨大的负作用。

1 本体理论

1.1 本体概念

本体源于哲学，是对世界上客观存在的事物的系统地描述。近年来，本体（ontology）被人工智能界赋予了新的内涵，即“ontology是共享概念模型的明确的形式化规范说明”。它体现出本体具有概念模型、明确、形式化和共享四层含义。其基本构成要素有类、关系、函数、公理及实例。

1.2 本体的构建与实现

大部分本体的构建都是采用手式方式进行，但由于本体构建涉及的领域不同、描述语言的不同、开发者的不同，其构建方法也不尽相同。较常见的方法为斯坦福大学开发的七步法，其过程为：

（1）确定所要构建的本体的领域及范畴。（2）考查复用现有本体的可能性，对现在本体进行复用，不仅可以降低开发难度及开发成本，还可以提高工作效率。（3）列举出领域本体中的重要术语。（4）定义类及类的层次结构。（5）定义类的属性。（6）定义属性的分面。（7）创建本体的实例。

Protégé是Stanford大学开发的、用Java编写的开源的本体编辑器。其优势在于采用图形化的界面，与Windows应用程序风格一致，便于用户学习与使用。它提供了类、属性、面、实例等框架，并且以树形的层次目录结构显示，通过点击相应的项目即可增加或编辑类、子类、属性、实例等，不需要去了解具体的本体描述语言。

2 基于本体的玉米精准施肥决策系统开发

肥料是重要的农业生产资料，施肥的目的不仅是为了营养作物，提高其产量和改善品质，而且还可以改良和培肥土壤。而缺素症是由于营养失调所引起的生理病害。一般情况下缺少微量营养元素和缺少大量元素的外部形态特征的差别会很明显的。玉米吸收的矿物质有多达20余种，其中氮、磷、钾三大元素在玉米营养中地位突出。

文章就是利用玉米植株在不同生长时期的不同表现，对玉米进行精准施肥，开发了基于本体的玉米精准施肥决策系统。

2.1 本体的构建与实现

借鉴已有的本体构建方法，结合玉米生产领域实际情况，以“七步法”为指导，构建玉米精准施肥本体。利用Protégé3.4.7建立玉米精准施肥本体，使用OWL语言对玉米精准施肥本体进行描述。

2.1.1 列举领域专业术语。经过对相关资料的进行分析、整理，并听取领域专家意见，总结出玉米品种、施肥方法、施肥时期、肥料种类、土壤类型、种植面积、目标产量、土壤肥力、株高、叶片颜色、症状、种植品种、苗期、穗期、粒期、玉米缺素、缺N症、缺P症、缺K症、缺Zn症、缺素原因、补救办法等玉米施肥领域专业术语，按自上而下、逐步细化的方法对其进行筛选，选择出必要术语来确立类及层次关系。

2.1.2 定义类（Classes）和层次。利用Protégé选择OWL Classes选项卡建立玉米品种、肥料种类、土壤类型、玉米缺素等类及相应子类，如图1所示。通过菜单Project-Configure，选择OWLVizTab，利用OWLViz查看各类间的关系。

图1 类定义图

2.1.3 定义属性（Properties）及约束（Restriction）。属性是对类进行定义的有效方法，分为对象属性，用于描述两个类之间的关系，及数值属性（Data properties），用于描述个体与数值之间的关系。

通过Protégé中Properties建立对象属性、数据属性及其子属性，同时对各属性进行进一步的约束和限制，如属性取值的类型、取值的个数、属性的定义域、值域等。本例中建立了若干的数据属性及对象属性，对象属性建立了如what_time_fertilizer（各种肥料何时施用），其domain（定义域）为fertilizer_category，range（值域）为fertilizer_time；数据属性建立了如lackfertilizer（缺素症状）、remedies（补救措施）其domain（定义域）均为lack_symtom，range（值域）均为string。并对属性进行了约束和限制。如图2所示。

图2 属性设置图

2.1.4 创建实例（Individuals）。整个本体构建过程中最为繁重和繁琐的部分是创建实例，在此定义了吉林省常用玉米品种（40余种）、玉米缺素（12种）等实例，同时设置其相关的属性，如缺素症状、防治措施等，如图3所示。本体建立完成后使用了Protégé中集成的推理机Pellet和FaCT++，对本体进行了逻辑一致性的检测，以保证本体结构的正确性。endprint

2.2 系统的功能与实现

在玉米精准施肥本体的基础上，进行基于本体的玉米精准施肥决策系统的研制。系统开发采用Jsp/Servlet技术，开发环境为Window XP，JDK1.5，开发工具为Eclipse及语义开发工具包Jena，Tomcat为Web服务器。

2.2.1 系统主界面。利用构建的玉米精准施肥本体作为知识库，进行系统的开发。该系统操作方便，界面友好，图文并茂，更好地指导了农户进行科学有效的施肥。

在系统主界面输入用户名及密码，进入基于本体的玉米精准施肥决策系统，实现对玉米施肥的决策。

2.2.2 缺素诊断模块。玉米由于营养失调会导致玉米的缺素症的产生，玉米缺素症对于玉米的产量及品质的影响也是很大的，故对于玉米缺素症状进行了诊断。

进入缺素诊断模块后，首先要进行缺素玉米的生长时期的选择，根据所选择的生长时期，对其各项特征进行相应选择，如：选择生长期时，要玉米的株高、症状部位、颜色、根系情况进行选择，然后进行诊断，会得到诊断结果及对应的缺素图片，还可以进行缺素防治，获得相应的防治措施；而在成熟期，则要通过株高、叶片颜色、果穗症状、籽粒症状等特征的选择，来进行玉米缺素诊断。如图4所示。

图4 缺素诊断界面图

2.2.3 追肥决策模块。通过缺素诊断模块的诊断后，可知玉米的缺素情况，并此模块中对其所缺少的元素进行追肥决策。利用养分平衡法，输入目标产量及种植面积，选择土壤肥力等级，经过追肥决策，计算得出需要追加的肥料数量。如图5所示。

图5 追肥决策界面图

3 结束语

以玉米精准施肥本体为知识库，开发的基于本体的玉米精准施肥决策系统，实现了对于玉米缺素症状的诊断及追肥决策，在吉林省，榆树市弓棚镇小范围地进行了应用，取得了一定的成效，有效地解决了玉米精准施肥数据存在的分散，不规范，不便于管理的情况。但此系统当前只针对于缺素症进行施肥决策，其功能还有许多可扩展之处，本体建立也还有许多因素考虑不全面，相信将来随着对本体、玉米精准施肥模型的不断深入研究，其功能实现将会进一步得到完善。

参考文献

[1]谢佳贵，王立春，尹彩侠.吉林省不同类型土壤玉米施肥效应研究[J].玉米科学，2008.

[2]于合龙，陈桂芬，毕春光.玉米精准施肥数据库建模研究[J].玉米科学，2008.

[3]苏亚萍.基于本体的领域知识建模研究[D].吉林大学.

[4]Protégé.http：//protege.stanford.edu[DB].2010.

[5]高岭巍.玉米缺素症的表现及防治[J].农业科技通讯，2011.

作者简介：张莹（1974-），女，河北迁安，讲师，硕士，研究方向：计算机农业应用。endprint

2.2 系统的功能与实现

在玉米精准施肥本体的基础上，进行基于本体的玉米精准施肥决策系统的研制。系统开发采用Jsp/Servlet技术，开发环境为Window XP，JDK1.5，开发工具为Eclipse及语义开发工具包Jena，Tomcat为Web服务器。

2.2.1 系统主界面。利用构建的玉米精准施肥本体作为知识库，进行系统的开发。该系统操作方便，界面友好，图文并茂，更好地指导了农户进行科学有效的施肥。

在系统主界面输入用户名及密码，进入基于本体的玉米精准施肥决策系统，实现对玉米施肥的决策。

2.2.2 缺素诊断模块。玉米由于营养失调会导致玉米的缺素症的产生，玉米缺素症对于玉米的产量及品质的影响也是很大的，故对于玉米缺素症状进行了诊断。

进入缺素诊断模块后，首先要进行缺素玉米的生长时期的选择，根据所选择的生长时期，对其各项特征进行相应选择，如：选择生长期时，要玉米的株高、症状部位、颜色、根系情况进行选择，然后进行诊断，会得到诊断结果及对应的缺素图片，还可以进行缺素防治，获得相应的防治措施；而在成熟期，则要通过株高、叶片颜色、果穗症状、籽粒症状等特征的选择，来进行玉米缺素诊断。如图4所示。

图4 缺素诊断界面图

2.2.3 追肥决策模块。通过缺素诊断模块的诊断后，可知玉米的缺素情况，并此模块中对其所缺少的元素进行追肥决策。利用养分平衡法，输入目标产量及种植面积，选择土壤肥力等级，经过追肥决策，计算得出需要追加的肥料数量。如图5所示。

图5 追肥决策界面图

3 结束语

以玉米精准施肥本体为知识库，开发的基于本体的玉米精准施肥决策系统，实现了对于玉米缺素症状的诊断及追肥决策，在吉林省，榆树市弓棚镇小范围地进行了应用，取得了一定的成效，有效地解决了玉米精准施肥数据存在的分散，不规范，不便于管理的情况。但此系统当前只针对于缺素症进行施肥决策，其功能还有许多可扩展之处，本体建立也还有许多因素考虑不全面，相信将来随着对本体、玉米精准施肥模型的不断深入研究，其功能实现将会进一步得到完善。

参考文献

[1]谢佳贵，王立春，尹彩侠.吉林省不同类型土壤玉米施肥效应研究[J].玉米科学，2008.

[2]于合龙，陈桂芬，毕春光.玉米精准施肥数据库建模研究[J].玉米科学，2008.

[3]苏亚萍.基于本体的领域知识建模研究[D].吉林大学.

[4]Protégé.http：//protege.stanford.edu[DB].2010.

[5]高岭巍.玉米缺素症的表现及防治[J].农业科技通讯，2011.

作者简介：张莹（1974-），女，河北迁安，讲师，硕士，研究方向：计算机农业应用。endprint

2.2 系统的功能与实现

在玉米精准施肥本体的基础上，进行基于本体的玉米精准施肥决策系统的研制。系统开发采用Jsp/Servlet技术，开发环境为Window XP，JDK1.5，开发工具为Eclipse及语义开发工具包Jena，Tomcat为Web服务器。

2.2.1 系统主界面。利用构建的玉米精准施肥本体作为知识库，进行系统的开发。该系统操作方便，界面友好，图文并茂，更好地指导了农户进行科学有效的施肥。

在系统主界面输入用户名及密码，进入基于本体的玉米精准施肥决策系统，实现对玉米施肥的决策。

2.2.2 缺素诊断模块。玉米由于营养失调会导致玉米的缺素症的产生，玉米缺素症对于玉米的产量及品质的影响也是很大的，故对于玉米缺素症状进行了诊断。

进入缺素诊断模块后，首先要进行缺素玉米的生长时期的选择，根据所选择的生长时期，对其各项特征进行相应选择，如：选择生长期时，要玉米的株高、症状部位、颜色、根系情况进行选择，然后进行诊断，会得到诊断结果及对应的缺素图片，还可以进行缺素防治，获得相应的防治措施；而在成熟期，则要通过株高、叶片颜色、果穗症状、籽粒症状等特征的选择，来进行玉米缺素诊断。如图4所示。

图4 缺素诊断界面图

2.2.3 追肥决策模块。通过缺素诊断模块的诊断后，可知玉米的缺素情况，并此模块中对其所缺少的元素进行追肥决策。利用养分平衡法，输入目标产量及种植面积，选择土壤肥力等级，经过追肥决策，计算得出需要追加的肥料数量。如图5所示。

图5 追肥决策界面图

3 结束语

以玉米精准施肥本体为知识库，开发的基于本体的玉米精准施肥决策系统，实现了对于玉米缺素症状的诊断及追肥决策，在吉林省，榆树市弓棚镇小范围地进行了应用，取得了一定的成效，有效地解决了玉米精准施肥数据存在的分散，不规范，不便于管理的情况。但此系统当前只针对于缺素症进行施肥决策，其功能还有许多可扩展之处，本体建立也还有许多因素考虑不全面，相信将来随着对本体、玉米精准施肥模型的不断深入研究，其功能实现将会进一步得到完善。

参考文献

[1]谢佳贵，王立春，尹彩侠.吉林省不同类型土壤玉米施肥效应研究[J].玉米科学，2008.

[2]于合龙，陈桂芬，毕春光.玉米精准施肥数据库建模研究[J].玉米科学，2008.

[3]苏亚萍.基于本体的领域知识建模研究[D].吉林大学.

[4]Protégé.http：//protege.stanford.edu[DB].2010.

[5]高岭巍.玉米缺素症的表现及防治[J].农业科技通讯，2011.

作者简介：张莹（1974-），女，河北迁安，讲师，硕士，研究方向：计算机农业应用。endprint