經(jīng)濟(jì)作物健康狀況評(píng)估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u7922經(jīng)濟(jì)作物健康狀況評(píng)估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)案例 1177911.1系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境 1114801.2系統(tǒng)框架與功能模塊設(shè)計(jì) 2314221.2.1軟件功能需求分析 216481.2.2系統(tǒng)框架設(shè)計(jì) 3162841.2.3功能模塊設(shè)計(jì) 425601.3系統(tǒng)測(cè)試與運(yùn)行 7268921.3.1系統(tǒng)功能測(cè)試 7290341.3.2系統(tǒng)性能測(cè)試 818541.3.3系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果 8為了使本文上述的研究?jī)?nèi)容具有良好的實(shí)際應(yīng)用能力，本文在整合上述的研究方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，為智能移動(dòng)設(shè)備開(kāi)發(fā)了一套完整的經(jīng)濟(jì)作物健康狀況評(píng)估系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，用戶可以通過(guò)隨時(shí)隨地上傳所拍攝的作物葉部病害圖像，并獲取相對(duì)應(yīng)的病害信息和治療方法建議，提高用戶在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的智能化水平。1.1系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境在做系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作之前，首先要確定的就是系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，這其中包括了硬件環(huán)境和軟件環(huán)境。由于本系統(tǒng)需要面向的盡可能多的智能移動(dòng)設(shè)備，且在開(kāi)發(fā)過(guò)程中涉及到了眾多功能模塊開(kāi)發(fā)，因此所采用的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境和編程語(yǔ)言有些許不同。但總的來(lái)說(shuō)，本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境需要滿足表1.1及表1.2的要求。表1.1系統(tǒng)硬件環(huán)境要求信息說(shuō)明參數(shù)要求中央處理器Intel(R)Core(TM)i5-8250UCPU@1.6GHz1.8GHz及以上內(nèi)存8GB及以上硬盤(pán)500GB及以上顯示器分辨率1080720及以上網(wǎng)絡(luò)環(huán)境具備以太兼容網(wǎng)卡，需支持TCP/IP協(xié)議表1.2系統(tǒng)軟件環(huán)境要求信息說(shuō)明參數(shù)要求操作系統(tǒng)Windows7及以上版本的Windows64位操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)版本MicrosoftSQLServer2012程序編譯環(huán)境MyEclipse2015、VisualStudio2019、PyCharm2019編程語(yǔ)言支持java、C++、Python、OpenCV、SQL、HTML1.2系統(tǒng)框架與功能模塊設(shè)計(jì)針對(duì)經(jīng)濟(jì)作物健康狀況評(píng)估系統(tǒng)目標(biāo)用戶的覆蓋特點(diǎn)與對(duì)該系統(tǒng)的功能模塊具體要求，本文所設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)作物健康狀況評(píng)估系統(tǒng)可以移植至多種智能移動(dòng)設(shè)備中，方便用戶通過(guò)所上傳的具體作物葉部病害圖像獲得該作物可能所患有的病害信息，提高作物種植效率。1.2.1軟件功能需求分析在當(dāng)前時(shí)代下，常見(jiàn)的經(jīng)濟(jì)作物病害檢測(cè)方法主要還是依靠人工檢查來(lái)發(fā)現(xiàn)，這種依靠人眼觀察的方法通常會(huì)導(dǎo)致病害檢測(cè)效率低下，且可靠性較為不穩(wěn)定。而且由于負(fù)責(zé)作物生產(chǎn)的工作人員大部分都缺乏相應(yīng)的專業(yè)知識(shí)，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)專家往往無(wú)法及時(shí)對(duì)患病地區(qū)進(jìn)行診斷，從而導(dǎo)致種植人員錯(cuò)過(guò)最佳治療階段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的普及，越來(lái)越多的種植人員希望通過(guò)自己手中的智能移動(dòng)設(shè)備來(lái)進(jìn)行作物病害的診斷。因此本文所開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)作物健康狀況評(píng)估系統(tǒng)可以很好的滿足多數(shù)種植人員的需求，順應(yīng)了時(shí)代發(fā)展。本文的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一款可以在大多數(shù)智能移動(dòng)設(shè)備上所運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)作物健康狀況評(píng)估系統(tǒng)，該系統(tǒng)除了應(yīng)包括基本數(shù)字圖像的獲取和處理結(jié)果的突出顯示外，還應(yīng)有工作首頁(yè)以顯示當(dāng)前用戶的狀態(tài)和必要信息的推送以及數(shù)據(jù)管理以滿足用戶對(duì)過(guò)往診斷數(shù)據(jù)的回顧需求。因此，結(jié)合本課題的研究?jī)?nèi)容和實(shí)際應(yīng)用程序的要求，本文對(duì)經(jīng)濟(jì)作物健康狀況評(píng)估系統(tǒng)軟件提出以下功能需求：（1）數(shù)字圖像的獲取與上傳首先在用戶使用圖像進(jìn)行評(píng)估之前，系統(tǒng)軟件應(yīng)能在較快速度下成功調(diào)用智能移動(dòng)設(shè)備的攝像頭，使用戶可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)拍攝的角度和距離，拍攝作物葉部圖像上傳至系統(tǒng)。除此之外，系統(tǒng)還應(yīng)使用戶可以通過(guò)訪問(wèn)智能移動(dòng)設(shè)備的本地相冊(cè)，等待用戶選擇好作物葉部病害圖像并確認(rèn)后，將其上傳至服務(wù)器中；（2）作物葉部病害識(shí)別在用戶成功上傳作物葉部病害圖像至服務(wù)器中后，系統(tǒng)應(yīng)能夠根據(jù)用戶所上傳的圖像，對(duì)該圖像進(jìn)行必要的前期處理工作，例如判斷該圖像的亮度信息是否在可使用范圍以及對(duì)圖像進(jìn)行背景分割處理等，之后通過(guò)調(diào)用識(shí)別模型對(duì)處理后的圖像進(jìn)行計(jì)算，并得出識(shí)別結(jié)果；（3）重要信息展示除了向用戶展示系統(tǒng)對(duì)用戶上傳圖像的處理結(jié)果和種植指導(dǎo)建議外，為了提升用戶使用體驗(yàn)，系統(tǒng)還應(yīng)包括工作首頁(yè)和數(shù)據(jù)管理等界面，方便用戶進(jìn)行個(gè)人信息的管理。除了上述的功能需求外，對(duì)系統(tǒng)的性能而言也要大致滿足以下幾點(diǎn)需求：（1）可靠性需求用戶在使用經(jīng)濟(jì)作物健康狀況評(píng)估系統(tǒng)時(shí)，該系統(tǒng)要在應(yīng)對(duì)不同的作物品種和各個(gè)品種的種植環(huán)境，以及用戶使用習(xí)慣所導(dǎo)致的不同拍照角度和距離等情況下，應(yīng)用較為優(yōu)秀的識(shí)別準(zhǔn)確率；（2）實(shí)時(shí)性需求在具備較高的識(shí)別準(zhǔn)確度的前提下，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)狀況良好的環(huán)境中，系統(tǒng)應(yīng)該盡量縮短對(duì)每張圖像的計(jì)算時(shí)長(zhǎng)，以減少用戶的等待時(shí)間，提升用戶的使用體驗(yàn)。1.2.2系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)在智能移動(dòng)設(shè)備上部署應(yīng)用程序，其主要的開(kāi)發(fā)模式包括了原生狀態(tài)開(kāi)發(fā)和基于網(wǎng)站形式的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。其中原生狀態(tài)開(kāi)發(fā)作為如今主流應(yīng)用的主要開(kāi)發(fā)模式，它的結(jié)構(gòu)包含了數(shù)據(jù)服務(wù)端和應(yīng)用客戶端兩個(gè)部分。由原生狀態(tài)所開(kāi)發(fā)出來(lái)的應(yīng)用程序，其因?yàn)閷?yīng)用所有的界面元素、恒定數(shù)據(jù)內(nèi)容與邏輯框架均安裝在本身的應(yīng)用程序中，而具有良好的穩(wěn)定性且在無(wú)網(wǎng)絡(luò)連接的狀態(tài)下也可以打開(kāi)應(yīng)用程式并顯示正常用戶交互界面。但也是上述原因，導(dǎo)致了原生狀態(tài)開(kāi)發(fā)模式具有不易移植性、高開(kāi)發(fā)成本和后續(xù)維護(hù)與升級(jí)復(fù)雜等缺點(diǎn)。與原生狀態(tài)的開(kāi)發(fā)模式不同，基于網(wǎng)站形式的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)模式所開(kāi)發(fā)出的客戶端只包含了基礎(chǔ)應(yīng)用框架部分，而關(guān)于應(yīng)用程序運(yùn)行的所有界面元素、數(shù)據(jù)內(nèi)容等內(nèi)容均需要從云端讀取數(shù)據(jù)。因此，基于網(wǎng)站形式的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)模式具有跨平臺(tái)、開(kāi)發(fā)周期短和易于安裝和維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，但也由于由基于網(wǎng)站形式所開(kāi)發(fā)出的應(yīng)用程序在智能移動(dòng)設(shè)備本地并沒(méi)有存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)，因此在網(wǎng)絡(luò)連接不太順暢的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)無(wú)法打開(kāi)應(yīng)用程序的狀況，致使其調(diào)用和推送信息能力弱于前種開(kāi)發(fā)模式?？紤]到在降低開(kāi)發(fā)與適配的工作量的同時(shí)，盡可能多的適配不同的智能移動(dòng)設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用開(kāi)發(fā)需求，本文采用了基于網(wǎng)站形式的應(yīng)用開(kāi)發(fā)模式。在該模式下，使得應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)與傳統(tǒng)網(wǎng)站的開(kāi)發(fā)大致相似，因此在本文中，也采用了在網(wǎng)站開(kāi)發(fā)中常見(jiàn)的B（瀏覽器）/S（服務(wù)器）架構(gòu)。本文所設(shè)計(jì)的常見(jiàn)經(jīng)濟(jì)作物健康評(píng)估系統(tǒng)的核心功能實(shí)現(xiàn)部分將被集中至云端服務(wù)器硬件中，其主要功能邏輯事務(wù)也在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)，如作物圖像的處理等。相反經(jīng)濟(jì)作物健康評(píng)估系統(tǒng)的客戶端只承擔(dān)了瀏覽功能，因此無(wú)需做任何維護(hù)，從而有效提升了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率。圖1.1展示了本文所開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)作物健康狀況評(píng)估系統(tǒng)的主要框架圖，由該圖可以看出，用戶端和服務(wù)端作為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)通信接口和數(shù)據(jù)緩存區(qū)域來(lái)進(jìn)行必要的信息通信。同時(shí)由圖1.1可知，在用戶通過(guò)用戶端選擇并上傳圖像后，該圖像數(shù)據(jù)和與其匹配的作物名稱被傳送至服務(wù)端的數(shù)據(jù)緩存區(qū)域，之后經(jīng)過(guò)必要的圖像處理和計(jì)算后，將評(píng)估結(jié)果與建議重新返回至用戶端進(jìn)行顯示。為了滿足用戶對(duì)數(shù)據(jù)管理的需要，在系統(tǒng)的框架中本文還設(shè)置了與數(shù)據(jù)庫(kù)的通信方式，如圖1.1所示，數(shù)據(jù)在通過(guò)服務(wù)端的數(shù)據(jù)緩存區(qū)時(shí)，會(huì)由數(shù)據(jù)控制模塊來(lái)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入至數(shù)據(jù)庫(kù)中保存。同樣在用戶通過(guò)用戶端的數(shù)據(jù)管理模塊調(diào)用和修改需要的數(shù)據(jù)時(shí)，控制模塊也可對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行必要的讀取與修改。圖1.1系統(tǒng)框架示意圖在B/S的開(kāi)發(fā)框架下，服務(wù)器端的架構(gòu)就顯得尤為重要，本文采用了網(wǎng)站開(kāi)發(fā)中常用的SSH2開(kāi)發(fā)框架作為服務(wù)器開(kāi)發(fā)的架構(gòu)。該開(kāi)發(fā)框架通過(guò)將Struts2、Spring和Hibernate框架進(jìn)行整理合并，實(shí)現(xiàn)了架構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)層與數(shù)據(jù)層的高效通信，并使用輕量級(jí)封裝簡(jiǎn)化了框架中的數(shù)據(jù)持久層代碼，提升了開(kāi)發(fā)效率，具有良好的擴(kuò)展性和可靠性。1.2.3功能模塊設(shè)計(jì)根據(jù)上幾章節(jié)中的對(duì)軟件功能需求分析，在系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架下，本文對(duì)經(jīng)濟(jì)作物健康狀況評(píng)估系統(tǒng)的功能模塊分為工作首頁(yè)模塊、健康評(píng)估模塊和數(shù)據(jù)管理模塊三大部分，其結(jié)構(gòu)圖如圖1.2所示。（1）工作首頁(yè)模塊工作首頁(yè)模塊作為用戶進(jìn)入應(yīng)用程序后默認(rèn)的展示界面，其包括了用戶的個(gè)人信息，如頭像、名字、單位以及最近一次的登錄時(shí)間等。在初次登陸時(shí)，用戶還可以在此界面申請(qǐng)賬號(hào)等基本信息，在申請(qǐng)賬號(hào)并被系統(tǒng)后臺(tái)管理進(jìn)行審核后，用戶方可使用新的賬號(hào)登陸系統(tǒng)。另外，對(duì)于一些系統(tǒng)所推送的重要信息，用戶也可以在此界面進(jìn)行查看。圖1.2系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)圖（2）健康評(píng)估模塊健康評(píng)估模塊是本文系統(tǒng)的核心模塊部分，其功能包括了集成本文所提的作物病害識(shí)別方法，并提供相應(yīng)的結(jié)果展示與給予種植指導(dǎo)建議。該模塊的具體功能包括圖像數(shù)據(jù)采集、作物種類選擇、圖像處理、調(diào)用模型進(jìn)行預(yù)測(cè)和結(jié)果展示五個(gè)部分。在圖像數(shù)據(jù)采集中，用戶可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)拍照的形式上傳圖像，也可以通過(guò)訪問(wèn)設(shè)備中的本地相冊(cè)進(jìn)行圖像選擇。由于本文根據(jù)不同作物類型訓(xùn)練了多種識(shí)別模型，因此在選擇完圖像后，用戶還需要告知系統(tǒng)其需要對(duì)何種作物進(jìn)行健康評(píng)估。在該功能下，本文為用戶提供了蘋(píng)果、玉米、葡萄、番茄和煙草這五種常見(jiàn)經(jīng)濟(jì)作物選項(xiàng)。在選擇好圖像數(shù)據(jù)和作物種類信息并上傳至服務(wù)端后，健康評(píng)估模塊便可通過(guò)調(diào)用后端功能程序完成識(shí)別評(píng)估操作，模塊的圖像處理及模型預(yù)測(cè)的具體工作流程如圖1.3所示。從圖1.3中可以看出，服務(wù)器在讀取到上傳作物圖像后，會(huì)先對(duì)該圖像進(jìn)行必要的降噪和銳化處理以提升圖像整體的質(zhì)量。之后為了保證用戶所上傳的圖像的亮度信息符合常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)該圖像的亮度信息進(jìn)行判斷。如若該圖像為低光照環(huán)境下拍攝的圖像，系統(tǒng)便會(huì)調(diào)用MSRCP算法對(duì)圖像進(jìn)行亮度增強(qiáng)，以使作物葉部病害圖像的整體亮度得到提升的同時(shí)，其圖像本身所包含的作物葉部病害重要圖像特征信息不會(huì)丟失。圖1.3健康評(píng)估模塊工作流程圖在根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整完圖像的亮度信息后，由圖1.3可以看出，模塊會(huì)調(diào)用本文所提的AISA自動(dòng)分割算法來(lái)對(duì)用戶所上傳的野外環(huán)境作物葉部病害圖像進(jìn)行分割。經(jīng)過(guò)這一步后，作物葉部病害的復(fù)雜背景信息會(huì)被很好剔除，有效提升了后續(xù)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的識(shí)別精確度。經(jīng)過(guò)處理后的圖像會(huì)由與之匹配的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，在得出計(jì)算結(jié)果后，系統(tǒng)會(huì)將患有該病害的概率超過(guò)5%的結(jié)果挑選出來(lái)。隨后系統(tǒng)會(huì)根據(jù)這些評(píng)估結(jié)果，匹配與之對(duì)應(yīng)的種植指導(dǎo)意見(jiàn)，在附隨相應(yīng)信息鏈接后返送至用戶端的界面中已于顯示，并將相應(yīng)的信息保存至數(shù)據(jù)庫(kù)中。（3）數(shù)據(jù)管理模塊數(shù)據(jù)管理模塊作為用戶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理的重要接入口，其主要包括了查看歷史數(shù)據(jù)和修改歷史數(shù)據(jù)兩個(gè)部分的功能。通過(guò)該模塊，用戶可以在相應(yīng)界面中查看到根據(jù)作物健康狀況評(píng)估時(shí)間排序的歷史評(píng)估記錄，并可以根據(jù)相應(yīng)需求針對(duì)某一條記錄進(jìn)行修改，或者在某一條記錄中重新選擇圖像進(jìn)行上傳評(píng)估。1.3系統(tǒng)測(cè)試與運(yùn)行在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完畢后，為了評(píng)估該系統(tǒng)的有效性與穩(wěn)定性，需要對(duì)系統(tǒng)中的各項(xiàng)功能進(jìn)行必要的測(cè)試。針對(duì)本文所開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)作物健康狀況評(píng)估系統(tǒng)，該測(cè)試包括了諸如圖像的采集上傳、計(jì)算評(píng)估以及結(jié)果輸出等系統(tǒng)重要功能。除了對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性進(jìn)行測(cè)試評(píng)估外，還要對(duì)該系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，包括該系統(tǒng)每種作物的分類識(shí)別準(zhǔn)確度等，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的分析。1.3.1系統(tǒng)功能測(cè)試為保證本文所開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)作物健康狀況評(píng)估系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性以及功能完整性，本節(jié)對(duì)該系統(tǒng)的核心功能進(jìn)行了必要測(cè)試，例如圖像的拍攝與上傳、健康狀況評(píng)估結(jié)果的展示等，該系統(tǒng)的具體功能測(cè)試情況如表1.3所示。表1.3系統(tǒng)功能測(cè)試結(jié)果信息測(cè)試功能基本要求測(cè)試情況是否通過(guò)圖像采集能夠調(diào)用設(shè)備攝像裝置，并上傳拍攝的作物圖像圖像拍攝及上傳功能正常是圖像上傳能夠打開(kāi)設(shè)備本地相冊(cè)，并可選擇作物圖像上傳圖像選擇及上傳功能正常是信息選擇能夠選擇作物品種信息下拉框選擇待評(píng)估作物的品種信息正常是圖像評(píng)估能夠?qū)D像中所包含的作物是否患有病害進(jìn)行評(píng)估系統(tǒng)輸出該作物可能患有的病害和其概率值，以及種植指導(dǎo)建議正常是信息接收用戶端能夠接收來(lái)自服務(wù)端的重要信息推送接收信息推送功能正常是數(shù)據(jù)管理能夠?qū)υu(píng)估記錄進(jìn)行相應(yīng)的查詢及修改或者刪除系統(tǒng)查詢及修改或者刪除評(píng)估記錄正常是由表1.3可以看到，系統(tǒng)功能的測(cè)試內(nèi)容具體包括了圖像采集與上傳、信息選擇、圖像評(píng)估、信息接收以及數(shù)據(jù)管理等功能是否達(dá)到系統(tǒng)的要求。由表1.3的測(cè)試結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)的核心功能模塊均工作正常。1.3.2系統(tǒng)性能測(cè)試為了模擬用戶在實(shí)際使用情況下本文所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)的性能表現(xiàn)，本節(jié)使用了全程未參與模型訓(xùn)練與驗(yàn)證的測(cè)試集作為測(cè)試樣本圖像，來(lái)評(píng)估模型在不同環(huán)境輸入圖像下的分類正確率性能表現(xiàn)，具體的測(cè)試結(jié)果如表1.4所示。表1.4系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果信息作物種類識(shí)別病害種數(shù)基本要求識(shí)別正確率是否通過(guò)蘋(píng)果4識(shí)別正確率不得低于0.800.84是玉米4識(shí)別正確率不得低于0.800.85是葡萄4識(shí)別正確率不得低于0.800.87是番茄10識(shí)別正確率不得低于0.800.89是煙草5識(shí)別正確率不得低于0.800.84是由表1.4可以看出，在該測(cè)試集下，系統(tǒng)對(duì)上述五種作物的平均正確率達(dá)到了0.85左右，其中在番茄作物的十種病害預(yù)測(cè)中，系統(tǒng)的正確率達(dá)到了0.89。除此之外，系統(tǒng)的最低識(shí)別率達(dá)到了0.84，基本符合了實(shí)際應(yīng)用的需要1.3.3系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果圖1.4顯示了經(jīng)濟(jì)作物健康狀況評(píng)估系統(tǒng)的健康評(píng)估功能的運(yùn)行界面，其中圖1.4（a）為評(píng)估前的選擇信息界面，圖1.4（b）為系統(tǒng)經(jīng)過(guò)計(jì)算后返回結(jié)果的界面。由圖1.4（a）可以看出，在系統(tǒng)的健康評(píng)估功能模塊中，其為用戶提供了作