黃振 邱榮洲 虞赟 郭瓊霞

摘要 ［目的］為實現(xiàn)果實蠅重要種類微形態(tài)特征分種檢索。［方法］基于顯微技術(shù)，對果實蠅屬重要種類的頭、胸、足、腹的顯微形態(tài)特征進(jìn)行篩選、比對、提取與特征圖像的疊加拍攝，采用同一部位，不同特征對應(yīng)描述與顯微特征圖片相結(jié)合的方法，編制分類檢索表?；谟嬎銠C(jī)技術(shù)，通過傳統(tǒng)二叉式檢索、多特征對應(yīng)等鑒別途徑，將知識搜索樹結(jié)構(gòu)分枝結(jié)點的搜索過程表現(xiàn)為從根節(jié)點到某個葉節(jié)點的一次交互式的路徑探尋，將果實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（應(yīng)用程序）相結(jié)合。［結(jié)果］開發(fā)了果實蠅成蟲顯微特征和圖像知識庫，建立了以產(chǎn)生式規(guī)則為推理機(jī)原理的果實蠅屬重要種類檢索分類系統(tǒng)，實現(xiàn)對果實蠅重要種類微形態(tài)特征分種檢索與查詢。［結(jié)論］該系統(tǒng)操作過程簡單易用，通過手機(jī)索引，減少了查詢專業(yè)資料的環(huán)節(jié)，使對果實蠅重要種類分種檢索鑒定提供了更直觀、更快捷途經(jīng)和鑒定依據(jù)。

關(guān)鍵詞 果實蠅；知識庫；檢索系統(tǒng)；顯微特征

中圖分類號 S-058? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 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

果實蠅屬Bactrocera Macquart隸屬于雙翅目（Diptera）實蠅科（Tephritidae）寡鬃實蠅亞科（Dacinae），種類多、危害大，鑒定困難，是具有重大經(jīng)濟(jì)意義的昆蟲。隨著國境果蔬貿(mào)易的增加，實蠅傳入的風(fēng)險加大［1-2］，實蠅種類多，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了極大的困難，也給實蠅鑒定、整理、資料查找、實蠅分類檢索等帶來許多不便。檢索系統(tǒng)技術(shù)作為人工智能的一個重要組成部分，目前在昆蟲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)蠓科昆蟲種類為基礎(chǔ)，基于PHP語言作為程序腳本運行語言，采用My SQL數(shù)據(jù)庫建成系統(tǒng)知識庫，形成標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器/服務(wù)器（B/S）結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)蠓科昆蟲的網(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，可供用戶快速查詢17項信息；在果實蠅研究方面，汪露等［12］采用圖像輸入、預(yù)處理、標(biāo)記和特征提取、分類器等6個模塊，研究設(shè)計開發(fā)了“果實蠅屬5種實蠅的昆蟲圖像識別系統(tǒng)” ，平均識別準(zhǔn)確率達(dá)到92.9%；婁麗霞［13］開發(fā)了可供移動設(shè)備上使用的果蠅識別應(yīng)用軟件，實現(xiàn)了基于Android系統(tǒng)的人機(jī)共同管理的果蠅識別系統(tǒng)和基于Android系統(tǒng)的果蠅識別系統(tǒng)。彭瑩瓊等［14］發(fā)表了基于Android平臺的果實蠅離線快速辨識系統(tǒng)； 應(yīng)新新［15］研究設(shè)計出基于Android系統(tǒng)的果實蠅視覺識別系統(tǒng)。綜上，近幾年在利用計算機(jī)技術(shù)對果實蠅的識別研究多集中于采取特征提取、自動識別的技術(shù)方面［16-17］，為以后在移動終端通過圖像自動鑒定昆蟲種類的研究起到了一定的鋪墊作用。為了更方便植物檢疫一線鑒定人員對實蠅的識別與鑒定，前人在果實蠅研究方面做了許多的研究，但在應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)快速鑒定果實蠅方面，主要集中在自動識別方面，同時種類有限。所以，開發(fā)一個專門用于實蠅分類檢索鑒定的系統(tǒng)意義重大。

檢索系統(tǒng)技術(shù)作為人工智能的一個重要組成部分，用于網(wǎng)絡(luò)和單機(jī)的昆蟲檢索系統(tǒng)，能為植保、植檢提供重要的幫助。構(gòu)建基于計算機(jī)的分類檢索系統(tǒng)需以分類檢索表為基礎(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，但如何將昆蟲檢索表轉(zhuǎn)化為計算機(jī)昆蟲檢索系統(tǒng)仍是一個難題［18］；如何將計算機(jī)的分類檢索技術(shù)應(yīng)用在手機(jī)上進(jìn)行分類檢索鑒定，也是開展實蠅鑒定的迫切需要，尤其適用于現(xiàn)場專業(yè)技術(shù)人員使用。鑒于此，筆者基于顯微和計算機(jī)技術(shù)，根據(jù)果實蠅的形態(tài)特征特點，將果實蠅顯微形態(tài)的關(guān)鍵特征與通信設(shè)備手機(jī)的應(yīng)用相結(jié)合，開發(fā)實現(xiàn)以產(chǎn)生式規(guī)則為推理機(jī)原理的果實蠅屬重要種類檢索系統(tǒng)，通過對果實蠅重要種類微形態(tài)特征描述、顯微拍攝圖片編制文圖特征對應(yīng)的二叉式分類檢索表，利用計算機(jī)的二叉樹結(jié)構(gòu)的搜索技術(shù)，構(gòu)建擁有實蠅數(shù)據(jù)的知識庫的檢索系統(tǒng)，為實蠅的分類鑒定提供一個快速準(zhǔn)確的查詢平臺，為實蠅鑒定提供便捷。

1 供試實蠅種類與系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

1.1 供試實蠅種類的選擇

選定近年來發(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)意義的實蠅作為研究的對象進(jìn)行分類鑒定，其中包括果實蠅屬Bactrocera Maquart和鏃果實蠅亞屬Zeugodacus Hendel 2個重要亞屬［19-27］，為區(qū)別果實蠅，采用寡鬃實蠅屬 Dacus Fabricius的瓜棍腹實蠅Dacus（Callantra） longicornis （Wiedemann）等28種重要種類，經(jīng)實蠅專家鑒定復(fù)核，作為果實蠅屬重要種類開展研究［28-29］。

1.2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境 系統(tǒng)開發(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。系統(tǒng)測試環(huán)境為服務(wù)器IBM System x3650，操作系統(tǒng)Windows Server 2008，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)Microsoft SQL Server 2008。客戶端智能手機(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)

果實蠅屬重要種類檢索系統(tǒng)采用C/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要由診斷推理和知識查看兩大功能模塊組成。實現(xiàn)在查詢檢索時應(yīng)用診斷推理模塊通過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服務(wù)器端的推理機(jī)識別，推理結(jié)果與用戶選擇的癥狀進(jìn)行比對，根據(jù)用戶所需的特征選擇決定下一步選用什么樣的規(guī)則與用戶交互。在圖1中，所有客戶端與服務(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Windows Communication Foundation（WCF）來實現(xiàn)。

2.2 特征提取與檢索表編制

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

2.3 知識庫設(shè)計

將上述害蟲分類檢索表以數(shù)據(jù)庫形式表示成知識庫成為該研究所要解決的主要問題。目前最通用的檢索表形式有定距式（次級式）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”實體模型，利用計算機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和二叉樹結(jié)構(gòu)來表示定距式2項檢索知識庫，主要包括實蠅的顯微形態(tài)特征描述、特征圖片等的資料收集、比對、整理和規(guī)范，設(shè)計由診斷推理和知識查看兩大功能模塊組成二叉式分類檢索功能。建立多個部位典型特征逐一、二叉檢索組合鑒別的二叉式檢索表系統(tǒng)知識構(gòu)建如表1所示［30-33］。

3 結(jié)果與分析

3.1 分類檢索鑒定知識庫

該系統(tǒng)根據(jù)檢索輔助鑒定系統(tǒng)的總體架構(gòu)模型，編制果實蠅屬重要種類特征與圖片相結(jié)合分種檢索表，基于計算機(jī)技術(shù)，將提取的特征與特征圖片對應(yīng)，按照計算機(jī)需求，將上述害蟲分類檢索表以數(shù)據(jù)庫形式表示成知識庫的結(jié)構(gòu)（表2）。診斷過程見圖 1。

3.2 計算機(jī)分類檢索系統(tǒng)

建立了特征資料知識庫，采用“二叉式檢索”的實體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合顯微鑒別特征相關(guān)圖像，創(chuàng)建果實蠅屬重要種類微形態(tài)特征分種檢索及果實蠅重要種類的形態(tài)特征查詢的專家分類檢索系統(tǒng)。將檢索系統(tǒng)中產(chǎn)生式規(guī)則推理樹與計算機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的樹相結(jié)合，將知識搜索樹結(jié)構(gòu)分枝結(jié)點的搜索過程表現(xiàn)為從根節(jié)點到某個葉節(jié)點的一次交互式的路徑探尋。通過逐步與用戶交互，即向用戶提問，獲得信息，再決定下一步選用的規(guī)則。通過某一特定的特征就可直接進(jìn)行二叉式檢索查詢，篩選出有影響物種鑒定的特征作為各個種某一個部位的特征與各近緣種比對，用同一個部位的特征比對，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，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 知識庫的構(gòu)建是開發(fā)檢索系統(tǒng)的關(guān)建 知識庫是檢索系統(tǒng)的核心部分，知識庫的質(zhì)量直接影響到檢索系統(tǒng)質(zhì)量及可信度。檢索表是物種分類鑒定分析的工具，在農(nóng)業(yè)昆蟲分類研究中，一般都是由專家根據(jù)害蟲的形態(tài)特征編制成害蟲分類檢索表。在田間害蟲識別診斷過程中，根據(jù)所獲取樣本的特點來對照檢索表進(jìn)行識別診斷。檢索系統(tǒng)的構(gòu)建與開發(fā)是將識別診斷檢索的資料、特征圖片，根據(jù)鑒定實蠅的特征與知識搜索樹結(jié)構(gòu)的特點、需求相結(jié)合進(jìn)行整理編制，所以開發(fā)檢索系統(tǒng)知識庫的構(gòu)建是關(guān)鍵。

4.2 開發(fā)了果實蠅重要種類分類檢索系統(tǒng)，使鑒定更便捷

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

4.3 為實蠅鑒定提供便捷的應(yīng)用方法，使查詢更便捷

該研究應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)，基于Andriod手機(jī)平臺，采用二叉式檢索的實體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合顯微鑒別特征的相關(guān)圖像，通過整個診斷與推理的方法，建立了顯微形態(tài)特征快速鑒定方法與計算機(jī)專家分類檢索系統(tǒng)，開發(fā)了實蠅種類分類識別檢索系統(tǒng)，改變了一般都是由專家根據(jù)害蟲的形態(tài)特征編制成害蟲的分類檢索表，進(jìn)行逐一比對檢索的分類鑒定方法，節(jié)省了翻閱資料查詢檢索煩瑣過程，化繁為簡，方便鑒定操作。此外，該研究尋求并實現(xiàn)了利用手機(jī)平臺識別鑒定果實蠅的應(yīng)用的方式方法，建立了比文字檢索更為直接、便捷的實蠅快速檢索系統(tǒng)，方便了實蠅物種的查詢鑒定，解決了通過手機(jī)平臺快速查詢、識別鑒定果實蠅的有效途徑。

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