黃振 邱榮洲 虞赟 郭瓊霞

摘要 ［目的］為實(shí)現(xiàn)果實(shí)蠅重要種類(lèi)微形態(tài)特征分種檢索。［方法］基于顯微技術(shù)，對(duì)果實(shí)蠅屬重要種類(lèi)的頭、胸、足、腹的顯微形態(tài)特征進(jìn)行篩選、比對(duì)、提取與特征圖像的疊加拍攝，采用同一部位，不同特征對(duì)應(yīng)描述與顯微特征圖片相結(jié)合的方法，編制分類(lèi)檢索表?；谟?jì)算機(jī)技術(shù)，通過(guò)傳統(tǒng)二叉式檢索、多特征對(duì)應(yīng)等鑒別途徑，將知識(shí)搜索樹(shù)結(jié)構(gòu)分枝結(jié)點(diǎn)的搜索過(guò)程表現(xiàn)為從根節(jié)點(diǎn)到某個(gè)葉節(jié)點(diǎn)的一次交互式的路徑探尋，將果實(shí)蠅的各物種顯微形態(tài)的關(guān)鍵特征與通信設(shè)備手機(jī)Android平臺(tái)（應(yīng)用程序）相結(jié)合。［結(jié)果］開(kāi)發(fā)了果實(shí)蠅成蟲(chóng)顯微特征和圖像知識(shí)庫(kù)，建立了以產(chǎn)生式規(guī)則為推理機(jī)原理的果實(shí)蠅屬重要種類(lèi)檢索分類(lèi)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)蠅重要種類(lèi)微形態(tài)特征分種檢索與查詢(xún)。［結(jié)論］該系統(tǒng)操作過(guò)程簡(jiǎn)單易用，通過(guò)手機(jī)索引，減少了查詢(xún)專(zhuān)業(yè)資料的環(huán)節(jié)，使對(duì)果實(shí)蠅重要種類(lèi)分種檢索鑒定提供了更直觀(guān)、更快捷途經(jīng)和鑒定依據(jù)。

關(guān)鍵詞 果實(shí)蠅；知識(shí)庫(kù)；檢索系統(tǒng)；顯微特征

中圖分類(lèi)號(hào) S-058? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2023）10-0197-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.10.044

Abstract ［Objective］To realize the species search micromorphological characteristics of important species of Bactrocera Macquart.［Method］We screened，compared and extracted the microscopic morphological characteristics of the head，thorax and podostoma of the important species of Bactrocera Macquart，as well as the overlay shooting of feature image.The classified search table was carried out using the same part by the method of combining correspondence description with microscopic feature pictures.Based on computer technology，the search process of branch nodes of knowledge search tree structure is presented as an interactive path search from root node to a certain leaf node through traditional binary search multifeature correspondence and other identification methods.The key characteristics of the microscopic morphology of each species of Bactrocera Macquart were combined with the Android platform （application program） of mobile phone.［Result］The micromorphological characteristics and image knowledge base of Bactrocera Macquart adults were developed，and the retrieval and classification system of important species of Bactrocera Macquart was established based on the principle of production rule inference machine，which realized the species retrieval and query of micromorphological characteristics of important species of Bactrocera Macquart.［Conclusion］The operation process of the system was simple and easy to use.By using mobile phone index，the link of searching professional data was reduced，and the identification of important species of fruit flies by species was provided with a more intuitive，faster route and identification basis.

Key words Bactrocera Macquart;Knowledge base;Retrieval system;Microscopic features

果實(shí)蠅屬Bactrocera Macquart隸屬于雙翅目（Diptera）實(shí)蠅科（Tephritidae）寡鬃實(shí)蠅亞科（Dacinae），種類(lèi)多、危害大，鑒定困難，是具有重大經(jīng)濟(jì)意義的昆蟲(chóng)。隨著國(guó)境果蔬貿(mào)易的增加，實(shí)蠅傳入的風(fēng)險(xiǎn)加大［1-2］，實(shí)蠅種類(lèi)多，加上新種的不斷出現(xiàn)［3-9］，給檢疫鑒定工作和有效防治帶來(lái)了極大的困難，也給實(shí)蠅鑒定、整理、資料查找、實(shí)蠅分類(lèi)檢索等帶來(lái)許多不便。檢索系統(tǒng)技術(shù)作為人工智能的一個(gè)重要組成部分，目前在昆蟲(chóng)的研究方面已有人應(yīng)用，在有些領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，張慧等［10］以遵義地區(qū)蠓科昆蟲(chóng)種類(lèi)為基礎(chǔ)，基于PHP語(yǔ)言作為程序腳本運(yùn)行語(yǔ)言，采用My SQL數(shù)據(jù)庫(kù)建成系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)，形成標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器/服務(wù)器（B/S）結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)蠓科昆蟲(chóng)的網(wǎng)絡(luò)檢索鑒定。邢震等［11］收錄了28 科 64 屬 208 種西藏野生園林植物資源信息構(gòu)建的西藏園林植物資源數(shù)據(jù)庫(kù)，可供用戶(hù)快速查詢(xún)17項(xiàng)信息；在果實(shí)蠅研究方面，汪露等［12］采用圖像輸入、預(yù)處理、標(biāo)記和特征提取、分類(lèi)器等6個(gè)模塊，研究設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了“果實(shí)蠅屬5種實(shí)蠅的昆蟲(chóng)圖像識(shí)別系統(tǒng)” ，平均識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到92.9%；婁麗霞［13］開(kāi)發(fā)了可供移動(dòng)設(shè)備上使用的果蠅識(shí)別應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)了基于A(yíng)ndroid系統(tǒng)的人機(jī)共同管理的果蠅識(shí)別系統(tǒng)和基于A(yíng)ndroid系統(tǒng)的果蠅識(shí)別系統(tǒng)。彭瑩瓊等［14］發(fā)表了基于A(yíng)ndroid平臺(tái)的果實(shí)蠅離線(xiàn)快速辨識(shí)系統(tǒng)； 應(yīng)新新［15］研究設(shè)計(jì)出基于A(yíng)ndroid系統(tǒng)的果實(shí)蠅視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)。綜上，近幾年在利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)果實(shí)蠅的識(shí)別研究多集中于采取特征提取、自動(dòng)識(shí)別的技術(shù)方面［16-17］，為以后在移動(dòng)終端通過(guò)圖像自動(dòng)鑒定昆蟲(chóng)種類(lèi)的研究起到了一定的鋪墊作用。為了更方便植物檢疫一線(xiàn)鑒定人員對(duì)實(shí)蠅的識(shí)別與鑒定，前人在果實(shí)蠅研究方面做了許多的研究，但在應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)快速鑒定果實(shí)蠅方面，主要集中在自動(dòng)識(shí)別方面，同時(shí)種類(lèi)有限。所以，開(kāi)發(fā)一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于實(shí)蠅分類(lèi)檢索鑒定的系統(tǒng)意義重大。

檢索系統(tǒng)技術(shù)作為人工智能的一個(gè)重要組成部分，用于網(wǎng)絡(luò)和單機(jī)的昆蟲(chóng)檢索系統(tǒng)，能為植保、植檢提供重要的幫助。構(gòu)建基于計(jì)算機(jī)的分類(lèi)檢索系統(tǒng)需以分類(lèi)檢索表為基礎(chǔ)，甚至包括制作圖表等，這是鑒定資料的整合，可以直接編制檢索表，操作比較方便，但如何將昆蟲(chóng)檢索表轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)昆蟲(chóng)檢索系統(tǒng)仍是一個(gè)難題［18］；如何將計(jì)算機(jī)的分類(lèi)檢索技術(shù)應(yīng)用在手機(jī)上進(jìn)行分類(lèi)檢索鑒定，也是開(kāi)展實(shí)蠅鑒定的迫切需要，尤其適用于現(xiàn)場(chǎng)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員使用。鑒于此，筆者基于顯微和計(jì)算機(jī)技術(shù)，根據(jù)果實(shí)蠅的形態(tài)特征特點(diǎn)，將果實(shí)蠅顯微形態(tài)的關(guān)鍵特征與通信設(shè)備手機(jī)的應(yīng)用相結(jié)合，開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)以產(chǎn)生式規(guī)則為推理機(jī)原理的果實(shí)蠅屬重要種類(lèi)檢索系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)果實(shí)蠅重要種類(lèi)微形態(tài)特征描述、顯微拍攝圖片編制文圖特征對(duì)應(yīng)的二叉式分類(lèi)檢索表，利用計(jì)算機(jī)的二叉樹(shù)結(jié)構(gòu)的搜索技術(shù)，構(gòu)建擁有實(shí)蠅數(shù)據(jù)的知識(shí)庫(kù)的檢索系統(tǒng)，為實(shí)蠅的分類(lèi)鑒定提供一個(gè)快速準(zhǔn)確的查詢(xún)平臺(tái)，為實(shí)蠅鑒定提供便捷。

1 供試實(shí)蠅種類(lèi)與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境

1.1 供試實(shí)蠅種類(lèi)的選擇

選定近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的新種、新紀(jì)錄種以及其近似種，且有重要經(jīng)濟(jì)意義的實(shí)蠅作為研究的對(duì)象進(jìn)行分類(lèi)鑒定，其中包括果實(shí)蠅屬Bactrocera Maquart和鏃果實(shí)蠅亞屬Zeugodacus Hendel 2個(gè)重要亞屬［19-27］，為區(qū)別果實(shí)蠅，采用寡鬃實(shí)蠅屬 Dacus Fabricius的瓜棍腹實(shí)蠅Dacus（Callantra） longicornis （Wiedemann）等28種重要種類(lèi)，經(jīng)實(shí)蠅專(zhuān)家鑒定復(fù)核，作為果實(shí)蠅屬重要種類(lèi)開(kāi)展研究［28-29］。

1.2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境為JDK（ Java development kit）+Eclipse +Android SDK（Software? development kit）+ADT（Android development tools），利用 Microsoft SQL Server 2008構(gòu)建系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境為服務(wù)器IBM System x3650，操作系統(tǒng)Windows Server 2008，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)Microsoft SQL Server 2008?？蛻?hù)端智能手機(jī)采用小米MI9（Android 10 OS，硬件配置為高通驍龍855 2.84 GHz 八核CPU，8 GB ROM，128 GB RAM，6.39英寸主屏）。

2 方法

2.1 檢索輔助鑒定系統(tǒng)的總體架構(gòu)

果實(shí)蠅屬重要種類(lèi)檢索系統(tǒng)采用C/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要由診斷推理和知識(shí)查看兩大功能模塊組成。實(shí)現(xiàn)在查詢(xún)檢索時(shí)應(yīng)用診斷推理模塊通過(guò)WCF將所需的診斷信息發(fā)送給輸入（服務(wù)）端，服務(wù)端將接收到的要檢索的特征信息通過(guò)服務(wù)器端的推理機(jī)識(shí)別，推理結(jié)果與用戶(hù)選擇的癥狀進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)用戶(hù)所需的特征選擇決定下一步選用什么樣的規(guī)則與用戶(hù)交互。在圖1中，所有客戶(hù)端與服務(wù)端之間的交互通信，以及服務(wù)端與服務(wù)端之間的交互通信都通過(guò)Windows Communication Foundation（WCF）來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 特征提取與檢索表編制

基于計(jì)算機(jī)分類(lèi)檢索技術(shù)的需求，采用實(shí)蠅穩(wěn)定的特征部位，提取確定便于計(jì)算機(jī)分類(lèi)檢索所需的顯微形態(tài)特征，并將同一部位不同特征進(jìn)行對(duì)應(yīng)歸類(lèi)，采用同一部位形態(tài)不同特征描述與特征圖片對(duì)應(yīng)編排的方法，編制計(jì)算機(jī)分類(lèi)檢索所需的果實(shí)蠅屬重要種類(lèi)分種檢索表。為了建立計(jì)算機(jī)不同屬窗口和體現(xiàn)果實(shí)蠅的特有特征，該系統(tǒng)還選用寡鬃實(shí)蠅屬的瓜棍腹實(shí)蠅，作為編制果實(shí)蠅屬主要部位與寡鬃實(shí)蠅屬主要不同特征檢索系統(tǒng)的引子，編制顯微形態(tài)鑒定特征描述與特征圖片相結(jié)合并與計(jì)算機(jī)分類(lèi)檢索需求相對(duì)應(yīng)的檢索表。

2.3 知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)

將上述害蟲(chóng)分類(lèi)檢索表以數(shù)據(jù)庫(kù)形式表示成知識(shí)庫(kù)成為該研究所要解決的主要問(wèn)題。目前最通用的檢索表形式有定距式（次級(jí)式）檢索表和平行式檢索表共2種方式，該系統(tǒng)根據(jù)“二叉式檢索表”實(shí)體模型，利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和二叉樹(shù)結(jié)構(gòu)來(lái)表示定距式2項(xiàng)檢索知識(shí)庫(kù)，主要包括實(shí)蠅的顯微形態(tài)特征描述、特征圖片等的資料收集、比對(duì)、整理和規(guī)范，設(shè)計(jì)由診斷推理和知識(shí)查看兩大功能模塊組成二叉式分類(lèi)檢索功能。建立多個(gè)部位典型特征逐一、二叉檢索組合鑒別的二叉式檢索表系統(tǒng)知識(shí)構(gòu)建如表1所示［30-33］。

3 結(jié)果與分析

3.1 分類(lèi)檢索鑒定知識(shí)庫(kù)

該系統(tǒng)根據(jù)檢索輔助鑒定系統(tǒng)的總體架構(gòu)模型，編制果實(shí)蠅屬重要種類(lèi)特征與圖片相結(jié)合分種檢索表，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)，將提取的特征與特征圖片對(duì)應(yīng)，按照計(jì)算機(jī)需求，將上述害蟲(chóng)分類(lèi)檢索表以數(shù)據(jù)庫(kù)形式表示成知識(shí)庫(kù)的結(jié)構(gòu)（表2）。診斷過(guò)程見(jiàn)圖 1。

3.2 計(jì)算機(jī)分類(lèi)檢索系統(tǒng)

建立了特征資料知識(shí)庫(kù)，采用“二叉式檢索”的實(shí)體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合顯微鑒別特征相關(guān)圖像，創(chuàng)建果實(shí)蠅屬重要種類(lèi)微形態(tài)特征分種檢索及果實(shí)蠅重要種類(lèi)的形態(tài)特征查詢(xún)的專(zhuān)家分類(lèi)檢索系統(tǒng)。將檢索系統(tǒng)中產(chǎn)生式規(guī)則推理樹(shù)與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的樹(shù)相結(jié)合，將知識(shí)搜索樹(shù)結(jié)構(gòu)分枝結(jié)點(diǎn)的搜索過(guò)程表現(xiàn)為從根節(jié)點(diǎn)到某個(gè)葉節(jié)點(diǎn)的一次交互式的路徑探尋。通過(guò)逐步與用戶(hù)交互，即向用戶(hù)提問(wèn)，獲得信息，再?zèng)Q定下一步選用的規(guī)則。通過(guò)某一特定的特征就可直接進(jìn)行二叉式檢索查詢(xún)，篩選出有影響物種鑒定的特征作為各個(gè)種某一個(gè)部位的特征與各近緣種比對(duì)，用同一個(gè)部位的特征比對(duì)，作為鑒別物種的依據(jù)。如果發(fā)現(xiàn)匹配的規(guī)則與當(dāng)前特征不符合時(shí)，可返回上1步或N步的結(jié)果進(jìn)行回溯重新選擇（圖2）。

4 小結(jié)與討論

4.1 知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建是開(kāi)發(fā)檢索系統(tǒng)的關(guān)建 知識(shí)庫(kù)是檢索系統(tǒng)的核心部分，知識(shí)庫(kù)的質(zhì)量直接影響到檢索系統(tǒng)質(zhì)量及可信度。檢索表是物種分類(lèi)鑒定分析的工具，在農(nóng)業(yè)昆蟲(chóng)分類(lèi)研究中，一般都是由專(zhuān)家根據(jù)害蟲(chóng)的形態(tài)特征編制成害蟲(chóng)分類(lèi)檢索表。在田間害蟲(chóng)識(shí)別診斷過(guò)程中，根據(jù)所獲取樣本的特點(diǎn)來(lái)對(duì)照檢索表進(jìn)行識(shí)別診斷。檢索系統(tǒng)的構(gòu)建與開(kāi)發(fā)是將識(shí)別診斷檢索的資料、特征圖片，根據(jù)鑒定實(shí)蠅的特征與知識(shí)搜索樹(shù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、需求相結(jié)合進(jìn)行整理編制，所以開(kāi)發(fā)檢索系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建是關(guān)鍵。

4.2 開(kāi)發(fā)了果實(shí)蠅重要種類(lèi)分類(lèi)檢索系統(tǒng)，使鑒定更便捷

為了實(shí)現(xiàn)果實(shí)蠅屬重要種類(lèi)顯微形態(tài)特征分種檢索系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，根據(jù)編制的果實(shí)蠅屬重要種類(lèi)分類(lèi)檢索表，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用每一部位特征描述與特征圖片相對(duì)應(yīng)的方法，構(gòu)建以果實(shí)蠅的微形態(tài)特征與計(jì)算機(jī)分類(lèi)檢索的二叉樹(shù)結(jié)構(gòu)相符匹配的方法，將知識(shí)搜索樹(shù)結(jié)構(gòu)分枝結(jié)點(diǎn)的搜索過(guò)程表現(xiàn)為從根節(jié)點(diǎn)到某個(gè)葉節(jié)點(diǎn)的一次交互式的路徑探尋，并結(jié)合過(guò)程的相關(guān)圖像，通過(guò)匹配、選優(yōu)、回溯、結(jié)論4個(gè)步驟逐步查詢(xún)，獲得鑒定特征信息。實(shí)現(xiàn)了以已知顯微形態(tài)特征的信息來(lái)查找與計(jì)算機(jī)中相匹配的形態(tài)特征，開(kāi)發(fā)研制了基于A(yíng)ndriod手機(jī)平臺(tái)果實(shí)蠅分類(lèi)檢索輔助鑒定系統(tǒng)，建立了檢索系統(tǒng)中以產(chǎn)生式規(guī)則為推理機(jī)原理樹(shù)與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)樹(shù)相結(jié)合的果實(shí)蠅屬重要種類(lèi)顯微形態(tài)特征的分類(lèi)檢索系統(tǒng)，為識(shí)別果實(shí)蠅等有害生物提供便捷的技術(shù)支撐。

4.3 為實(shí)蠅鑒定提供便捷的應(yīng)用方法，使查詢(xún)更便捷

該研究應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，基于A(yíng)ndriod手機(jī)平臺(tái)，采用二叉式檢索的實(shí)體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合顯微鑒別特征的相關(guān)圖像，通過(guò)整個(gè)診斷與推理的方法，建立了顯微形態(tài)特征快速鑒定方法與計(jì)算機(jī)專(zhuān)家分類(lèi)檢索系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了實(shí)蠅種類(lèi)分類(lèi)識(shí)別檢索系統(tǒng)，改變了一般都是由專(zhuān)家根據(jù)害蟲(chóng)的形態(tài)特征編制成害蟲(chóng)的分類(lèi)檢索表，進(jìn)行逐一比對(duì)檢索的分類(lèi)鑒定方法，節(jié)省了翻閱資料查詢(xún)檢索煩瑣過(guò)程，化繁為簡(jiǎn)，方便鑒定操作。此外，該研究尋求并實(shí)現(xiàn)了利用手機(jī)平臺(tái)識(shí)別鑒定果實(shí)蠅的應(yīng)用的方式方法，建立了比文字檢索更為直接、便捷的實(shí)蠅快速檢索系統(tǒng)，方便了實(shí)蠅物種的查詢(xún)鑒定，解決了通過(guò)手機(jī)平臺(tái)快速查詢(xún)、識(shí)別鑒定果實(shí)蠅的有效途徑。

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