陳梓賢 施明毅

【摘 要】 隨著圖像處理技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，圖像識別技術(shù)已在中藥資源研究領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。通過文獻(xiàn)查閱，對圖像識別技術(shù)進(jìn)行簡介，綜述圖像識別技術(shù)在中藥資源研究領(lǐng)域包括中藥資源調(diào)查、資源監(jiān)測、適宜性區(qū)劃研究等方面的應(yīng)用情況，并提出圖像識別技術(shù)在中藥資源領(lǐng)域應(yīng)用的意義和展望，以期為中藥資源的現(xiàn)代化研究提供新的思路和方向，推進(jìn)中藥事業(yè)現(xiàn)代化和可持續(xù)發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】 圖像識別技術(shù)；中藥資源；應(yīng)用；展望

【中圖分類號】R282.23 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】 A 【文章編號】1007-8517（2018）14-0028-04

Abstract：With the development of image processing technology，image recognition technology has been widely applied to the field of traditional Chinese medicine resources research.By consulting literature， this paper introduces the technology of image recognition， and summarizes the application of image recognition technology in the research field of traditional Chinese medicine resources， including the investigation of traditional Chinese medicine resources， resource monitoring and suitable distribution areas， and puts forward the significance and Prospect of image recognition technology in the field of traditional Chinese medicine resources.In order to provide new ideas and directions for the modernization of traditional Chinese medicine resources and promote the modernization and sustainable development of traditional Chinese medicine.

Keywords：Image Processing Technology；Traditional Chinese Medicine Resources；Application；Prospect

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生活方式的轉(zhuǎn)變，疾病譜的改變和對健康問題關(guān)注的提升，對健康服務(wù)業(yè)帶來了巨大的市場需求和發(fā)展機(jī)遇。中藥資源不僅是我國傳統(tǒng)的獨(dú)特的健康資源，同時(shí)也是健康服務(wù)業(yè)的發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著中藥產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和中藥現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，中藥資源的蘊(yùn)藏量、需求量和主產(chǎn)區(qū)分布正在不斷改變，對于當(dāng)前我國現(xiàn)存中藥資源普查、中藥適宜性區(qū)劃、中藥資源保護(hù)、開發(fā)和合理利用等研究工作的開展十分必要，而結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)開展中藥資源的研究工作是目前的熱點(diǎn)。

圖像識別技術(shù)是計(jì)算機(jī)圖像處理和識別技術(shù)的簡稱，是以計(jì)算機(jī)對圖像進(jìn)行處理、分析和理解為基礎(chǔ)，用于識別各種不同模式的目標(biāo)和對像的技術(shù)，即利用現(xiàn)代信息處理與計(jì)算技術(shù)模擬和完成人類的認(rèn)識和理解過程[1]。隨著計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備的提升、計(jì)算機(jī)算法的優(yōu)化、信息通信技術(shù)的革新以及圖像處理和分析技術(shù)的不斷發(fā)展，圖像識別技術(shù)愈發(fā)的智能化，特別是基于深度學(xué)習(xí)和計(jì)算機(jī)視覺的圖像識別技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。如人體識別、圖文識別、動(dòng)植物識別、指紋識別和人臉識別等，在信息通信、交通運(yùn)輸、大氣與環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)、軍事、航空航天、地理和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域取得了巨大的進(jìn)展和深入的應(yīng)用。筆者就目前圖像識別技術(shù)在中藥資源方面的研究和應(yīng)用情況進(jìn)行簡單介紹，以期為中藥資源的現(xiàn)代研究提供參考，也為中藥現(xiàn)代化的發(fā)展提供新的方向和思路。

1 圖像識別技術(shù)簡介

圖像識別技術(shù)始于20世紀(jì)50年代，隨著圖像處理技術(shù)和分析算法的發(fā)展，其經(jīng)歷了文字識別、數(shù)字化信息處理、不同物體識別等三個(gè)發(fā)展歷程[2]。盡管計(jì)算機(jī)圖像識別技術(shù)對于某些對象類別的識別仍存在明顯錯(cuò)誤或無法執(zhí)行任務(wù)，但其對于耗時(shí)長、海量信息的視覺識別任務(wù)具有明顯的優(yōu)勢，具備對處理圖像靈活縮放，快速關(guān)聯(lián)等特點(diǎn)。

圖像識別的步驟包括圖像處理、特征選擇和提取等。圖像可依據(jù)色彩特征、紋理、形狀和空間關(guān)系等進(jìn)行分類，通過圖像采集、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像編碼與壓縮、圖像分割等圖像處理技術(shù)[3]，依靠計(jì)算機(jī)挖掘不同類型圖像的紋理、形狀及空間等特征信息進(jìn)行分類和處理。特征選擇和提取是模式識別的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可分為監(jiān)督識別方法和非監(jiān)督識別方法，其中監(jiān)督識別方法利用標(biāo)記樣本訓(xùn)練分類器，參數(shù)擬合后通過圖像比對進(jìn)行分類；非監(jiān)督識別方法提過無標(biāo)記樣本間距判定模式，用于圖像分割和壓縮。圖像識別關(guān)注對象本身屬性，識別方法包括統(tǒng)計(jì)模式識別、仿生模式識別、結(jié)構(gòu)模式識別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別、支持向量機(jī)和模糊模式識別[4]。特別是近年來人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊識別算法和非線性圖像降維處理技術(shù)的快速發(fā)展使得人工智能可視化、三維重建以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)受到國內(nèi)外各行各業(yè)的研究者的廣泛關(guān)注。

2 圖像識別技術(shù)在中藥資源研究中的應(yīng)用

2.1 圖像識別技術(shù)在中藥資源調(diào)查的應(yīng)用 中藥資源調(diào)查工作分為外業(yè)調(diào)查（野外實(shí)地調(diào)查）和內(nèi)業(yè)整理（資源資料和數(shù)據(jù)整理），外業(yè)調(diào)查需要記錄資源個(gè)體種類信息，包括資源個(gè)體照片、藥用部位照片、標(biāo)本照片以及部分藥材和種質(zhì)資源照片等，內(nèi)業(yè)整理將對調(diào)查記錄和照片準(zhǔn)確、快速地統(tǒng)計(jì)匯總分類等[5]。傳統(tǒng)的調(diào)查方法費(fèi)時(shí)、效率低、工作量大，不利于調(diào)查工作的開展。因此，結(jié)合圖像識別技術(shù)可極大的改善中藥資源調(diào)查的效率和準(zhǔn)度。

2.1.1 圖像識別技術(shù)在外業(yè)調(diào)查中的應(yīng)用 外業(yè)調(diào)查中對于中藥資源面積和蘊(yùn)藏量的估算可借助遙感圖像和地面調(diào)查數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法進(jìn)行資源統(tǒng)計(jì)匯總，可提高表達(dá)中藥資源蘊(yùn)藏量、生境分布情況的效率和準(zhǔn)確度。根據(jù)中藥資源的地域性和散生性，以及不同藥用植物的光譜特征，利用遙感技術(shù)開展區(qū)域中藥資源調(diào)查研究，取得了一定進(jìn)展。栽培中藥資源呈現(xiàn)地區(qū)集中分布和多記錄在案的特點(diǎn)，如陳士林等[6～7]利用遙感技術(shù)開展人參和三七的分布面積和產(chǎn)量調(diào)查研究，根據(jù)SPOT5（5m）影像與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)比較估算相對面積和相對產(chǎn)量；根據(jù)圖斑面積估算人參種植面積并結(jié)合人工抽樣法估算人參總產(chǎn)量。朱壽東等[8]借助多源遙感影像和空間抽樣技術(shù)，根據(jù)間接估算法構(gòu)建地上部分與地下部分的定量關(guān)系估算栽培川續(xù)斷的蘊(yùn)藏量。孫志群等[9]基于Worldview-2影像采用目視解譯方法提取伊犁貝母信息能有效估算伊犁貝母蘊(yùn)藏量和分布面積。野生中藥資源分為野生廣布種和野生稀有種，野生廣布種往往分散在不同植被群落，野生稀分散在少數(shù)植被群落中，可根據(jù)其散生性和半生狀況利用遙感圖像建立調(diào)查對象與生態(tài)因子的關(guān)系模型，結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)開展中藥資源的蘊(yùn)藏量和分布面積估算研究，如張本剛等[10]利用中等分辨率遙感EMT影像估算野生廣布種甘草的分布面積和蘊(yùn)藏量；孫宇章等[11]以野生稀有茅蒼術(shù)為調(diào)查對象篩選影響其生態(tài)因子，通過TM影像解譯反演，獲取茅蒼術(shù)生長密度地物類別進(jìn)而估算茅蒼術(shù)蘊(yùn)藏量等。

2.1.2 圖像識別技術(shù)在內(nèi)業(yè)整理中的應(yīng)用 中藥資源的內(nèi)業(yè)整理工作需要實(shí)物與名稱的對應(yīng)關(guān)系，有較高的統(tǒng)計(jì)分類的準(zhǔn)確性和客觀性要求，同時(shí)為保證各類圖像信息匯總分類的效率，圖像識別技術(shù)具有非常明顯的優(yōu)勢。中藥資源信息化建設(shè)可基于現(xiàn)有文獻(xiàn)資料掃描，結(jié)合文字識別技術(shù)，建立中藥資源名錄數(shù)據(jù)庫，從而保證同種同源中藥材名稱一致性和客觀性。同時(shí)對于中藥資源標(biāo)本實(shí)物信息和個(gè)體照片輔助統(tǒng)計(jì)匯總工作，采用圖像識別技術(shù)建立分類識別模式系統(tǒng)，對超大量圖片進(jìn)行分類和整理，進(jìn)而減少工作量，提高分類時(shí)效和工作同步性。如目前基于開展全國第四次中藥資源普查工作而開發(fā)的“全國中藥資源普查信息管理系統(tǒng)”[12]，其包括統(tǒng)一采集和標(biāo)記標(biāo)本信息、快速統(tǒng)計(jì)匯總標(biāo)本資源種類等方式進(jìn)行標(biāo)本信息的匯總分類；以“種”為基本單元篩選同種資源“相似度較低”圖片進(jìn)行種源分類，以及以大量圖片為整體基于聚類分析輔助人工分類等方式進(jìn)行照片的統(tǒng)計(jì)匯總種類信息。

2.2 圖像識別技術(shù)在中藥資源監(jiān)測中的應(yīng)用 中藥資源在的分布、種類、蘊(yùn)藏量、產(chǎn)量和需求量等并不是一成不變，其動(dòng)態(tài)變化直接關(guān)系到中藥材生產(chǎn)、產(chǎn)量、質(zhì)量和價(jià)格等，對于中藥資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)測十分必要。結(jié)合遙感圖像的動(dòng)態(tài)分析功能用于中藥資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)的資源調(diào)查方法靜態(tài)描述的不足，增強(qiáng)其時(shí)效性和科學(xué)性，并為政策法規(guī)落實(shí)和市場導(dǎo)向提供支撐數(shù)據(jù)。栽培中藥資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測可采用遙感測量結(jié)合實(shí)地驗(yàn)證進(jìn)行分析實(shí)現(xiàn)資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測，如史婷婷等[13]以吉林省撫松縣為研究區(qū)域，以資源三號（ZY3）衛(wèi)星數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，探討基于規(guī)則集的面向?qū)ο蠓椒ǖ娜藚⒎N植區(qū)提取方法，目前對于種植藥材的的長勢、病蟲害、生鏡的動(dòng)態(tài)監(jiān)測等是栽培中藥資源動(dòng)態(tài)檢測的重點(diǎn)。野生廣布中藥資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)測因其分布較廣，監(jiān)測較為容易，特別是在植被群落中占絕對優(yōu)勢的喬木和灌木類中藥資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)測已比較成熟。如孫宇章等[14]利用RS和GIS聯(lián)合技術(shù)，以Landsat5 TM為數(shù)據(jù)源，對3期TM遙感圖像進(jìn)行銀杏信息提取分析，并結(jié)合實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)獲取邳州市銀杏空間分布及多年動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。對于林下資源或野生稀有資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，可利用多光譜遙感監(jiān)測物種生態(tài)環(huán)境中植被覆蓋情況，構(gòu)建物種與生鏡之間的關(guān)系模型，結(jié)合人工調(diào)查數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)調(diào)查對象的資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測。如張小波等[15]通過對比不同年月多倫縣TM遙感影像，基于多倫縣不同時(shí)期植被指數(shù)的變化情況并結(jié)合地面調(diào)查數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)期多倫芍藥資源變化的監(jiān)測。

2.3 圖像識別技術(shù)在中藥資源區(qū)劃研究中的應(yīng)用 中藥的分布、產(chǎn)量和質(zhì)量與生態(tài)環(huán)境緊密相關(guān)。中藥區(qū)劃對于藥材的引種和擴(kuò)種，開發(fā)和保護(hù)瀕危物種，促進(jìn)中藥資源可持續(xù)利用具有非常重要的意義[16]。中藥區(qū)劃主要是生態(tài)適宜性區(qū)劃，通過研究對象所在地的氣候、土壤、地形等自然條件的分布異變規(guī)律進(jìn)行區(qū)劃。目前中藥適宜性區(qū)劃研究主要是定量的數(shù)值區(qū)劃以及定性和定量相結(jié)合的區(qū)劃。遙感圖像能顯著提高中藥區(qū)劃的效率、精確度，并排除人為因素干擾。如張優(yōu)等[17]基于TM、ETM+影像和DEM數(shù)據(jù)，提取林地、海拔高程、坡度、坡向、氣溫、降水、土壤等影響四川地區(qū)栽培種植中藥材豬苓生長發(fā)育的關(guān)鍵生態(tài)因子，利用GIS技術(shù)對四川省豬苓的生態(tài)適宜性進(jìn)行分析，結(jié)合野外實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)表明豬苓資源實(shí)際的分布地區(qū)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較符合。如尚雪等[18]以四川省為例，利用遙感和GIS技術(shù)，結(jié)合地形、氣候、土壤和植被等4個(gè)影響川牛膝生長的生態(tài)環(huán)境因子進(jìn)行川牛膝適宜性分布研究，結(jié)果與野外實(shí)測情況基本吻合。如董永波等[19]以四川省為例，以遙感影像、DEM、年均溫、年均降水、土壤、植被等數(shù)據(jù)為信息源，基于Arc-GIS10.3軟件的空間分析功能，對川西璋牙菜適宜性生態(tài)因子進(jìn)行提取和疊加分析，結(jié)合野外驗(yàn)證，確定四川省川西樟牙菜適宜性分布區(qū)。以上研究為遙感技術(shù)在中藥區(qū)劃研究中廣泛應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

3 圖像識別技術(shù)在中藥資源研究中應(yīng)用的展望

中藥資源普查、動(dòng)態(tài)監(jiān)測和區(qū)劃工作十分復(fù)雜，但又是中藥資源可持續(xù)發(fā)展和利用的前提。圖像識別技術(shù)應(yīng)用于中藥資源研究，可提供科學(xué)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，提高對中藥資源的宏觀調(diào)控機(jī)制，為中藥資源可持續(xù)發(fā)展和利用的政策制定提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖像識別技術(shù)對于推進(jìn)中藥現(xiàn)代化和促進(jìn)中藥資源的可持續(xù)利用具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。針對目前圖像識別技術(shù)在中藥資源研究中應(yīng)用出現(xiàn)的問題，如對于外業(yè)調(diào)查的實(shí)物、個(gè)體照片和臘葉標(biāo)本的識別能力較弱，多為基于圖片邏輯判斷的簡單分類，未有可靠穩(wěn)定的平臺或數(shù)據(jù)庫可方便快速進(jìn)行實(shí)物識別，可以探索借助移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)基于手機(jī)客戶端的植物識別APP，實(shí)現(xiàn)用戶隨時(shí)隨地利用手機(jī)APP識別藥用植物、藥材種類、名稱、來源、產(chǎn)地、藥用功效和標(biāo)準(zhǔn)圖片等信息。同時(shí)，還可以探索基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和人機(jī)交互模式開發(fā)藥材圖片三維展示的系統(tǒng)和設(shè)備，提高中藥教學(xué)、中藥資源調(diào)查、中藥鑒定和中藥標(biāo)本館藏等工作的場景化和時(shí)效性。

在中藥資源研究中涉及的文字、遙感圖像、個(gè)體照片和臘葉標(biāo)本等照片，可利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像識別技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)資源數(shù)據(jù)的可視化，提高研究工作效率和準(zhǔn)確性，為中藥現(xiàn)代化的發(fā)展產(chǎn)生積極的推動(dòng)作用。

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（收稿日期：2018-05-18 編輯：程鵬飛）