基于Web的昆蟲(chóng)分類(lèi)與檢索系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

李鴻強(qiáng)，盧海博

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北張家口 075024;2.河北北方學(xué)院農(nóng)林科技學(xué)院，河北張家口 075000)

昆蟲(chóng)是動(dòng)物界中最大的一個(gè)類(lèi)群，個(gè)體數(shù)量、生物數(shù)量、種類(lèi)與基因數(shù)，在生物多樣性中都占有十分重要的地位。昆蟲(chóng)與人類(lèi)的關(guān)系復(fù)雜而密切，既可以作為自然資源供人類(lèi)利用，也可能給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)極大的損失。開(kāi)展對(duì)昆蟲(chóng)的分類(lèi)研究有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

由于昆蟲(chóng)數(shù)目龐大，文獻(xiàn)分散及各種類(lèi)群的術(shù)語(yǔ)又不統(tǒng)一，除了專(zhuān)門(mén)從事該類(lèi)群的昆蟲(chóng)分類(lèi)專(zhuān)家，一般人很難正確地將其鑒定到種。對(duì)于任何一種昆蟲(chóng)而言，要準(zhǔn)確地將其識(shí)別出來(lái)或者要確定其是否為一個(gè)新種，都需要經(jīng)過(guò)查閱大量的昆蟲(chóng)分類(lèi)文獻(xiàn)，由所屬類(lèi)群權(quán)威的昆蟲(chóng)分類(lèi)專(zhuān)家最終確定才能達(dá)到目的。

充分利用昆蟲(chóng)分類(lèi)專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)，如何設(shè)計(jì)一種能夠快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行昆蟲(chóng)鑒定的軟件，成為昆蟲(chóng)分類(lèi)學(xué)家所面臨的一個(gè)難題。對(duì)于不懂或?qū)ハx(chóng)學(xué)分類(lèi)知識(shí)所知很少的用戶而言，能夠有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的昆蟲(chóng)分類(lèi)鑒定軟件供其使用，對(duì)其工作將有極大的幫助。

加快農(nóng)林業(yè)昆蟲(chóng)信息化建設(shè)、昆蟲(chóng)分類(lèi)檢索計(jì)算機(jī)化和網(wǎng)絡(luò)化已是必然。過(guò)去的十多年中，我國(guó)昆蟲(chóng)學(xué)家已開(kāi)發(fā)了許多昆蟲(chóng)輔助鑒定專(zhuān)家系統(tǒng)，如:“農(nóng)林害蟲(chóng)輔助鑒定多媒體專(zhuān)家系統(tǒng)”，“中國(guó)蝗總科分類(lèi)、查詢及鑒定專(zhuān)家系統(tǒng)”，“基于二叉分類(lèi)推理的昆蟲(chóng)分類(lèi)輔助鑒定多媒體專(zhuān)家系統(tǒng)通用平臺(tái)”等都是單機(jī)版，不能同時(shí)為更多的用戶進(jìn)行服務(wù)，而且只覆蓋到昆蟲(chóng)種類(lèi)的一部分，雖然也有一些基于Web的分類(lèi)查詢系統(tǒng)，一些省市林業(yè)局開(kāi)發(fā)的基于本地區(qū)昆蟲(chóng)資源的查詢網(wǎng)站，它們也只覆蓋某個(gè)科或某個(gè)區(qū)域，查詢機(jī)制方面沒(méi)有做的很好，對(duì)于新手來(lái)說(shuō)很難檢索到有用的信息(高靈旺等，2003;盧慧甍等，2003;徐曉國(guó)等，2004;張小斌等，2006)。

1 技術(shù)特點(diǎn)

軟件采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)思想，基于Java Web+Tomcat+MSSQL Server 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。Java Web 是用Java 技術(shù)來(lái)解決相關(guān)Web 互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的技術(shù)總和。

Web 包括:Web 服務(wù)器和Web 客戶端兩部分。Java 在服務(wù)器端的應(yīng)用非常的豐富，比如Servlet，JSP 和第三方框架等。Java 技術(shù)對(duì)Web 領(lǐng)域的發(fā)展注入了強(qiáng)大的動(dòng)力，綜合各種利弊，系統(tǒng)采用MVC的設(shè)計(jì)模式，即為Model、View、Controller。Model 是指Java Bean 對(duì)象，在里面封裝了對(duì)于每一層次昆蟲(chóng)以及檢索表的Bean。View 應(yīng)用JSP 做顯示，將每個(gè)Servlet 帶回的每一個(gè)會(huì)話進(jìn)行顯示。Controller 指用Servlet 進(jìn)行控制，用于進(jìn)行各個(gè)界面的跳轉(zhuǎn)交互，數(shù)據(jù)傳遞，以及對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)的增加、刪除、修改、查詢等操作。(李鴻強(qiáng)等，2011)

Tomcat 是Apache Software Foundation的Jakarta項(xiàng)目中的一個(gè)核心項(xiàng)目，由Apache、Sun 和其他一些公司及個(gè)人共同開(kāi)發(fā)而成。由于有了Sun的參與和支持，最新的Servlet 和JSP 規(guī)范總是能在Tomcat 中得到體現(xiàn)。同時(shí)，Tomcat 服務(wù)器是一個(gè)免費(fèi)的開(kāi)放源代碼的Web 應(yīng)用服務(wù)器，屬于輕量級(jí)應(yīng)用服務(wù)器，在中小型系統(tǒng)和并發(fā)訪問(wèn)用戶不是很多的場(chǎng)合下被普遍使用。

SQL (Structured Query Language)結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言，是數(shù)據(jù)庫(kù)查詢和程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，用于存取數(shù)據(jù)及查詢、更新和管理關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。SQLServer 除了同時(shí)具有擴(kuò)展性以及可靠性之外，還具有可迅速開(kāi)發(fā)更新的因特網(wǎng)的系統(tǒng)的功能。特別是它能夠直接存儲(chǔ)XML 數(shù)據(jù)，并且可以將搜索出來(lái)的結(jié)果以XML的格式傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。這有利于構(gòu)建異構(gòu)系統(tǒng)的相互的操作性，并奠定了面向網(wǎng)絡(luò)的企業(yè)級(jí)應(yīng)用和服務(wù)的基礎(chǔ) (李鴻強(qiáng)等，2007)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

2.1.1 概念設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)階段主要是將需求分析階段得到的用戶需求抽象為信息結(jié)構(gòu)(概念模型)的過(guò)程，它是整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)需求給出該系統(tǒng)的E-R 圖:

圖1 目-科E-R 關(guān)系模型Fig.2 The E-R relation model of order andfamily

圖2 科-屬E-R 關(guān)系模型Fig.2 The E-R relation model of order and genus

圖3 屬-種E-R 關(guān)系模型Fig.3 The E-R relation model of genus and specie

2.1.2 邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述概念設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)如下數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu):

表1 目表結(jié)構(gòu)Table 1 Table structure of order

表2 科表結(jié)構(gòu)Table 2 Table structure of family

表3 屬表結(jié)構(gòu)Table 3 Table structure of genus

表4 種表結(jié)構(gòu)Table 4 Table structure of speciesz

2.2 檢索設(shè)計(jì)

2.2.1 理論依據(jù)

(1)昆蟲(chóng)二項(xiàng)式檢索表

昆蟲(chóng)檢索有分目檢索、分科檢索、分屬檢索、分種檢索，檢索過(guò)程都依賴于事先確定好的檢索表。昆蟲(chóng)檢索表有單項(xiàng)式、包含式、雙向式三種基本形式。其中雙項(xiàng)式含義為:同一內(nèi)容的兩項(xiàng)相對(duì)特征，在一條內(nèi)并列為二行描述，其中一行必與待查昆蟲(chóng)特征相符，末尾的數(shù)字表示下一步應(yīng)查的一條。以廣翅目古北界和東洋界屬檢索表為例:

1.前翅1A3支……………………………………2

前翅1A2支……………………………………3

2.翅前緣域透明或具褐色條紋;雄蛉第9 腹板端緣平截或凹缺…………………………星齒蛉屬

翅前緣域黑色，基部和中部幾個(gè)前緣室乳白色;雄蛉第9 腹板端緣向后強(qiáng)烈隆突……黑齒蛉屬

3.頭頂具1 對(duì)發(fā)達(dá)的齒狀突;上顎明顯雌雄異型;前翅前緣橫脈網(wǎng)狀……………………巨齒蛉屬

頭頂無(wú)齒狀突;雌雄上顎形狀相同;前翅前緣

橫脈相互平行而非網(wǎng)狀………………………4

4.雄蛉第9 腹板長(zhǎng)于第9 背板……………齒蛉屬

雄蛉第9 腹板短于第9 背板…………脈齒蛉屬

(2)二叉樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

二叉樹(shù)是一種非線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它具有以下兩個(gè)特點(diǎn):

1)非空二叉樹(shù)只有一個(gè)根結(jié)點(diǎn);

2)每一個(gè)結(jié)點(diǎn)最多有兩棵子樹(shù)，且分別稱為該結(jié)點(diǎn)的左子樹(shù)與右子樹(shù)，二叉樹(shù)的子樹(shù)有左右之分，其次序不能任意顛倒。

聯(lián)系昆蟲(chóng)檢索表和二叉樹(shù)這一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可知，昆蟲(chóng)檢索表可用二叉樹(shù)這一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示，并有如下特點(diǎn):

除檢索起點(diǎn)(根結(jié)點(diǎn))外，每一個(gè)結(jié)點(diǎn)都有一個(gè)父結(jié)點(diǎn)(少數(shù)一個(gè)以上，稱異常結(jié)點(diǎn));

每個(gè)結(jié)點(diǎn)最多只有兩個(gè)子結(jié)點(diǎn)。如果結(jié)點(diǎn)是昆蟲(chóng)的科、屬、種，則以其名稱命名該結(jié)點(diǎn);

每個(gè)結(jié)點(diǎn)可以只有一個(gè)子結(jié)點(diǎn);

如果結(jié)點(diǎn)為昆蟲(chóng)種，則該結(jié)點(diǎn)沒(méi)有子結(jié)點(diǎn)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

昆蟲(chóng)分類(lèi)檢索系統(tǒng)分為前臺(tái)應(yīng)用和后臺(tái)應(yīng)用兩部分，前臺(tái)部分主要包括昆蟲(chóng)的引導(dǎo)式檢索，精確查詢，昆蟲(chóng)信息樹(shù)結(jié)構(gòu)展示。后臺(tái)主要是綱，目，科，屬，種的信息管理，檢索表信息管理和系統(tǒng)綜合管理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 System structure

3.1 昆蟲(chóng)信息樹(shù)形展示功能實(shí)現(xiàn)

圖5 是普通用戶進(jìn)入此網(wǎng)站首先會(huì)看見(jiàn)的界面，昆蟲(chóng)層次結(jié)構(gòu)樹(shù)是在數(shù)據(jù)庫(kù)中動(dòng)態(tài)取到的數(shù)據(jù)，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)做的修改在這都能顯示，可以幫助大家了解到昆蟲(chóng)的分類(lèi)。左上角有查看按鈕，當(dāng)點(diǎn)中樹(shù)中的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)，再點(diǎn)擊查看按鈕，右側(cè)窗口就會(huì)出現(xiàn)此節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)信息。

3.2 昆蟲(chóng)檢索和精確查詢功能實(shí)現(xiàn)

此功能模塊是昆蟲(chóng)檢索系統(tǒng)的主體所在，完全可以滿足沒(méi)有任何昆蟲(chóng)知識(shí)的人群準(zhǔn)確檢索到對(duì)應(yīng)的昆蟲(chóng)，打開(kāi)此界面剛開(kāi)始會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)相對(duì)立的昆蟲(chóng)特征，網(wǎng)民可以根據(jù)手中的昆蟲(chóng)特征做出選擇，之后重復(fù)同樣的操作，直到檢索到相應(yīng)的種，點(diǎn)擊此種便可以在右側(cè)窗口顯示此昆蟲(chóng)的詳細(xì)信息。

如果此昆蟲(chóng)所屬的目，或者科，或者屬已知的話，可以直接定位到此檢索層次，這在一定程度上也大大減少了昆蟲(chóng)檢索的復(fù)雜度。如圖6所示。

如果已知昆蟲(chóng)的名稱，想查看昆蟲(chóng)的詳細(xì)信息，可在左上角的精確查詢框里輸入昆蟲(chóng)的名字，將昆蟲(chóng)的詳細(xì)信息顯示在右側(cè)。如圖7 所示。

圖5 昆蟲(chóng)信息展示界面Fig.5 The display interview of insect information

圖6 昆蟲(chóng)檢索界面Fig.6 The interview of insect search

圖7 昆蟲(chóng)精確檢索界面Fig.7 The interview of insect precise search

3.3 后臺(tái)數(shù)據(jù)管理功能實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)管理模塊主要實(shí)現(xiàn)昆蟲(chóng)各類(lèi)信息的增加、刪除、修改、查詢工作，主要是分為目、科、屬、種、檢索等各個(gè)表的管理。其中父節(jié)Id 是非顯示字段，是通過(guò)計(jì)算自動(dòng)添加的。每一類(lèi)的昆蟲(chóng)的添加所屬是不能隨意填寫(xiě)的，必須通過(guò)下拉列表框進(jìn)行選擇，Id 是自增的，無(wú)需管理員自行添加。操作過(guò)程見(jiàn)圖8-10。

圖8 數(shù)據(jù)管理界面Fig.8 The interview of insect data management

圖9 數(shù)據(jù)添加界面Fig.9 The interview of insect data adding

圖10 數(shù)據(jù)編輯界面Fig.10 The interview of insect data edition

4 結(jié)束語(yǔ)

昆蟲(chóng)分類(lèi)檢索技術(shù)，對(duì)于昆蟲(chóng)學(xué)研究有重大作用。目前，檢索多只局限在形態(tài)學(xué)的手工檢索上，對(duì)于一般農(nóng)業(yè)昆蟲(chóng)學(xué)工作者來(lái)說(shuō)，如果想要進(jìn)行多分類(lèi)單元的鑒定，需要花費(fèi)大量時(shí)間掌握檢索資料進(jìn)行檢索分類(lèi)。我們對(duì)應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行昆蟲(chóng)分類(lèi)檢索進(jìn)行研究，利用動(dòng)態(tài)交互式網(wǎng)頁(yè)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)建立昆蟲(chóng)分類(lèi)檢索網(wǎng)，充分發(fā)揮Internet的遠(yuǎn)程訪問(wèn)和交換的特點(diǎn)，使用戶可以非常方便地進(jìn)行檢索、查詢，并在權(quán)限許可下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、修改和刪除等操作。《中國(guó)動(dòng)物志·昆蟲(chóng)綱》信息量大，本系統(tǒng)將陸續(xù)涵蓋所有信息，并在IE 6.0 和Firefox 9.0 瀏覽器上測(cè)試，運(yùn)行穩(wěn)定。

References)

Gao LW，Shen ZR，Liu ZQ.Design and development of Taxokeys，a dichotomous-reasoning-based multimedia expert system assisting insect identification and taxonomic study ［J］.Acta Entomologica Sinica，2003，46 (5):644-648.［高靈旺，沈佐銳，劉志琦.基于二叉分類(lèi)推理的昆蟲(chóng)分類(lèi)輔助鑒定多媒體專(zhuān)家系統(tǒng)通用平臺(tái)TaxoKeys的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)［J］.昆蟲(chóng)學(xué)報(bào)，2003，46(5):644-648］

Lu HM，Huang Y.The design and complementation of expert system for classification retrieval and diagnosis for China acridoidea (ESCA)［J］.Acta Zootaxonomica Sinica，2003，28 (3):428-433.［盧慧甍，黃原.中國(guó)蝗總科分類(lèi)，查詢及鑒定專(zhuān)家系統(tǒng)(ESCA)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.動(dòng)物分類(lèi)學(xué)報(bào)，2003，28 (3):428-433］

Li HQ，Li YM，Zeng LH，et al.Dairy cattle field information management system base on JDBC ［J］.Journal of Agriculture Mechanization Research，2007，(5):127-128.［李鴻強(qiáng)，李亞敏，曾立華，等.基于JDBC 技術(shù)的奶牛場(chǎng)信息管理系統(tǒng)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2007，(5):127-128］

Li HQ，Li YM，Lu HB，et al.Web-based management information system for dairy farm ［J］.Journal of Agriculture Mechanization Research，2011，33 (5):171-174.［李鴻強(qiáng)，李亞敏，盧海博，等.基于Web的奶牛場(chǎng)管理信息系統(tǒng)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2011，33 (4):171-174］

Xu XG，Mo JC，Cheng JA.Design and development of Web system for isoptera taxonomy ［J］.Entomotaxonomia，2004，26 (2):86-90.［徐曉國(guó)，莫建初，程家安.基于web的等翅目昆蟲(chóng)分類(lèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)［J］.昆蟲(chóng)分類(lèi)學(xué)報(bào)，2004，26 (2):86-90］

Zhang XB，Chen XX，Cheng JA.Design and development of insect ID，a web system for insect taxonomy at family level in China ［J］.Entomotaxonomia，2006，28 (1):63-68.［張小斌，陳學(xué)新，程家安.基于Web的中國(guó)昆蟲(chóng)科級(jí)鑒別分類(lèi)系統(tǒng)Insect ID的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)［J］.昆蟲(chóng)分類(lèi)學(xué)報(bào)，2006，28 (1):63-68］