河北蝗蟲分類、鑒定專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

李新江，史秋月，張振群，智永超

（河北大學(xué)a.生命科學(xué)學(xué)院，b.河北省動(dòng)物系統(tǒng)學(xué)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定071002）

蝗蟲隸屬直翅目（Orthoptera）蝗亞目（Caelifera），是農(nóng)、林、牧業(yè)的主要害蟲.河北省區(qū)域面積較大，地形復(fù)雜，蝗蟲種類較多，現(xiàn)有蝗蟲1總科8科42屬79種及亞種[1-3].蝗蟲分類學(xué)中標(biāo)本、資料和經(jīng)驗(yàn)對分類學(xué)工作者至關(guān)重要，對于一般蝗災(zāi)防治工作人員而言，蝗蟲形態(tài)特征不易把握，依靠傳統(tǒng)的書本檢索表查找費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且難于準(zhǔn)確鑒別.隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，將計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫技術(shù)應(yīng)用于蝗蟲分類，經(jīng)過需求分析，設(shè)計(jì)和開發(fā)蝗蟲分類的專家系統(tǒng)對于這門學(xué)科及生物多樣性的認(rèn)知有重要的理論和實(shí)踐意義.

專家系統(tǒng)技術(shù)作為人工智能的一個(gè)重要分支在昆蟲分類研究中已有應(yīng)用.如澳大利亞科工組織堪培拉昆蟲研究部（CSIROEntomology Division in Canberra）的DELTA，作為一種通用而功能強(qiáng)大的分類描述語言（Description Language for Taxonomy）可用于構(gòu)建昆蟲分類的檢索表[4]，Weeks等[5]開發(fā)的數(shù)字自動(dòng)鑒定系統(tǒng)（DAISY）被應(yīng)用于鱗翅目成蟲和幼蟲、雙翅目、膜翅目昆蟲以及蛛形綱節(jié)肢動(dòng)物，鑒定效果顯著.Gilchrist等[6]開發(fā)出一套運(yùn)行在MAC機(jī)上的昆蟲翅脈特征提取分析軟件Morphometrika，最終實(shí)現(xiàn)了昆士蘭果蠅野生種群和人工繁殖種群的鑒定.盧慧甍等[7]開發(fā)的中國蝗總科分類、鑒定及查詢系統(tǒng)（ESCA），主要以《蝗蟲分類學(xué)》為基礎(chǔ)，收入了中國分布的大部分蝗蟲的各種分類信息，掃描了常用鑒定特征圖片和一些常見蝗蟲的數(shù)碼整體照片，使經(jīng)典分類學(xué)升華為數(shù)字信息的形式.該系統(tǒng)的建立，為蝗蟲分類鑒定提供了一個(gè)方便的工具，但其所選用的特征多為示差特征，并且所列特征及對應(yīng)圖像缺乏系統(tǒng)性，對每一物種局部和整體形態(tài)特征的可視化、數(shù)字化存在明顯不足.

Visual foxpro 9.0是微軟公司推出的Visual foxpro系列中的最新版本.它所增加的新功能使設(shè)計(jì)出的數(shù)據(jù)庫既擁有交互式操作的便捷又可以遠(yuǎn)程訪問[8]，而且兼容性也好，Xp、vista、win7等操作系統(tǒng)下均可運(yùn)行.本研究立足河北省的蝗蟲學(xué)研究，以豐富、詳實(shí)的資料，基于Visual foxpro 9.0軟件設(shè)計(jì)開發(fā)出河北蝗蟲分類、鑒定專家系統(tǒng)，為蟲害防治提供便捷服務(wù)，也為今后昆蟲綱分類、鑒定專家系統(tǒng)的研發(fā)、推廣及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化提供參考，同時(shí)為河北省動(dòng)物志的編研工作提供了大量詳實(shí)的資料.

1 專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

1.1 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)包括一個(gè)數(shù)據(jù)庫，即河北蝗蟲分類鑒定數(shù)據(jù)庫.此數(shù)據(jù)庫主要設(shè)置了3種字段，即通用型字段、備注型字段、字符型字段，分別用來存儲(chǔ)形態(tài)特征照片、物種特征描記、分類地位等.對照標(biāo)本和資料[9-12]，將每一個(gè)物種的分類地位、對應(yīng)學(xué)名、分布范圍以及每個(gè)物種形態(tài)上與分類有關(guān)的特征進(jìn)行逐項(xiàng)描記，對形態(tài)特征進(jìn)行拍照.依據(jù)以上數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)矩陣，構(gòu)建完成數(shù)據(jù)庫.

1.2 功能模塊

河北省蝗蟲分類、鑒定專家系統(tǒng)由查詢子系統(tǒng)、鑒定子系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)3個(gè)主要模塊組成.查詢子系統(tǒng)具有精確查詢和模糊查詢2種選項(xiàng)，查詢內(nèi)容為數(shù)據(jù)庫中所有的特征，可根據(jù)關(guān)鍵詞的輸入完成查詢，并可對查詢結(jié)果完成輸出或打印.鑒定子系統(tǒng)采用傳統(tǒng)二項(xiàng)檢索的方式，使用者可以根據(jù)各形態(tài)特征的數(shù)碼照片和相應(yīng)描記，采用二叉方式，以鼠標(biāo)事件驅(qū)動(dòng)，逐級完成物種的鑒定.數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)可完成數(shù)據(jù)的維護(hù)、更新、輸出等.

2 專家系統(tǒng)組成和程序?qū)崿F(xiàn)

2.1 河北蝗蟲分類鑒定數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

依據(jù)河北大學(xué)蝗蟲研究室所藏標(biāo)本和資料，對河北省分布的蝗蟲種類，以物種為單位，分別記錄物種的中文名稱、拉丁學(xué)名、定名人、分類地位及對應(yīng)學(xué)名、分布范圍（具體到縣）、以及與分類相關(guān)的形態(tài)特征等共130個(gè)字段，對每一形態(tài)特征采用顯微攝影或數(shù)碼攝影的方式進(jìn)行圖像采集.依據(jù)這些數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)矩陣，構(gòu)建完成河北省蝗蟲分類鑒定數(shù)據(jù)庫.

2.2 專家系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.2.1 主界面

打開軟件，輸入賬號和密碼后進(jìn)入主界面.主界面可進(jìn)行各種查詢、鑒定、修改密碼、打印以及數(shù)據(jù)更新等操作.如點(diǎn)擊數(shù)據(jù)瀏覽按鈕時(shí)就會(huì)進(jìn)入數(shù)據(jù)瀏覽界面，如圖1所示，這個(gè)界面中顯示已統(tǒng)計(jì)的8科47種蝗蟲的相關(guān)信息.當(dāng)點(diǎn)擊左邊的槌角蝗科時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)下拉菜單，若選擇蟻蝗屬，就會(huì)在右邊的表格中顯示出系統(tǒng)中收集長須蟻蝗和寬須蟻蝗的全部特征，如圖2所示.

圖1 數(shù)據(jù)管理界面Fig.1 Interface of data management

圖2 查詢蟻蝗屬界面Fig.2 Interface of inquiry of genus Myrmeleotettix

2.2.2 查詢子系統(tǒng)

模糊查詢子系統(tǒng)可以支持用戶根據(jù)定名人、生活區(qū)域、蝗蟲種名、蝗蟲所屬科、蝗蟲所屬種等22個(gè)關(guān)鍵字范圍進(jìn)行模糊查詢.例如，范圍選擇“蝗蟲種名”，輸入“雛”，點(diǎn)擊查詢.表中就會(huì)顯示“北方雛蝗”等與“雛”字有關(guān)的種名.點(diǎn)擊恢復(fù)按鈕又回到最初狀態(tài).

2.2.3 鑒定子系統(tǒng)

鑒定系統(tǒng)采用二叉方式，以鼠標(biāo)事件驅(qū)動(dòng).當(dāng)進(jìn)入鑒定界面時(shí)，會(huì)出現(xiàn)2個(gè)相對的特征.選擇右面復(fù)選按鈕，就會(huì)進(jìn)入下一級鑒定頁面.窗口顯示所有分類特征的文字描記和對應(yīng)圖片，使鑒定人員能直觀地識別出特征.以鑒定短額負(fù)蝗為例：點(diǎn)擊開始鑒定按鈕，進(jìn)入鑒定界面1（圖3）.對照所需鑒定標(biāo)本，選擇對話框右面相應(yīng)的復(fù)選按鈕進(jìn)入如圖4所示界面.點(diǎn)擊圖4右下方的“錐頭蝗科”按鈕，進(jìn)入如圖5所示界面，目的種短額負(fù)蝗出現(xiàn)，點(diǎn)擊“短額負(fù)蝗”就會(huì)進(jìn)入如圖6所示界面，顯示短額負(fù)蝗的特征網(wǎng)頁.

重復(fù)以上類似步驟的操作最終到達(dá)要鑒定的種，每一種提供一個(gè)網(wǎng)頁超鏈接，網(wǎng)頁載有該種蝗蟲的詳細(xì)描記及各部分特征的高清圖片.

圖3 鑒定界面1Fig.3 Interface of identification 1

圖4 鑒定界面2Fig.4 Interface of identification 2

圖5 鑒定界面Fig.5 Interface of dentification

圖6 物種超級鏈接Fig.6 Hyperlink of species

2.2.4 數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)

修改與更新：進(jìn)入主界面，點(diǎn)擊修改密碼和數(shù)據(jù)更新按鈕就可以對本數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行修改密碼及添加、刪除、修改數(shù)據(jù)等操作.刪除操作不可以恢復(fù)，須謹(jǐn)慎.

信息打印功能：點(diǎn)擊主界面打印按鈕進(jìn)入打印界面，點(diǎn)擊打印信息按鈕，可對所選擇的信息進(jìn)行打印預(yù)覽或打印.

3 分析與討論

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫信息來自《中國動(dòng)物志》中全部4卷蝗蟲志[9-12]等專著，資料收集準(zhǔn)確；標(biāo)本取自河北大學(xué)蝗蟲研究室采集、保存的標(biāo)本，部分物種的鑒定得到印象初院士、張道川教授的核對，保證了系統(tǒng)的可靠性.系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)基于Visual foxpro 9.0，跨越平臺，具有可視化人機(jī)交互操作的優(yōu)點(diǎn).同時(shí)，界面簡單直觀，資料輸出方便.分類資料充分共享，環(huán)境架設(shè)要求低，一般廣泛使用的計(jì)算機(jī)都可安裝，聯(lián)機(jī)后網(wǎng)內(nèi)的用戶可隨時(shí)訪問、獲取相關(guān)資料.數(shù)據(jù)庫中所包含的全部物種都有共同的近130個(gè)特征的描記，并配有高清數(shù)碼照片，這是已有蝗蟲鑒定系統(tǒng)[7]所不具備的.檢索子系統(tǒng)可對蝗蟲屬、種信息進(jìn)行檢索，功能完備，使用簡單.分類鑒定子系統(tǒng)按蝗蟲科、屬、種層次分明地進(jìn)行，符合分類習(xí)慣.人機(jī)互動(dòng)，使用戶可對蝗蟲分類學(xué)和形態(tài)學(xué)進(jìn)行整體和系統(tǒng)的把握，并可獲得各個(gè)已知種的詳細(xì)分類信息.后臺數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)使系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性，最新的蝗蟲分類信息可非常方便地更新到系統(tǒng)中，分類資料的調(diào)整也可通過數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)來進(jìn)行.

本專家系統(tǒng)通過逐步修訂與改進(jìn)，可對河北省的蝗蟲種類進(jìn)行細(xì)致查詢，同時(shí)也可對部分未知標(biāo)本進(jìn)行鑒定，基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)計(jì)功能，取得了階段性成果.但還存在一些不足，需要在今后的工作中進(jìn)一步改進(jìn).如對于物種的鑒定，與傳統(tǒng)的鑒定相比雖然具有直觀、快捷、易于掌握和使用的特點(diǎn)，但距物種的自動(dòng)識別，特別是標(biāo)本圖片的自動(dòng)識別、鑒定還有很大的差距，這也是該系統(tǒng)今后需要改進(jìn)的方向.本系統(tǒng)建立的豐富的特征數(shù)據(jù)庫為今后的計(jì)算機(jī)自動(dòng)識別奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫目前僅采集了河北省蝗蟲全部屬級階元中的47個(gè)物種，今后還應(yīng)進(jìn)一步增加分類階元，甚至推廣到中國所分布的所有蝗總科種類中去，使其更有理論和實(shí)踐意義.

致謝：在標(biāo)本鑒定過程中得到印象初院士、張道川教授的指導(dǎo)，在數(shù)據(jù)庫制作過程中得到河北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2010級生物技術(shù)專業(yè)魏然、谷澤江、王大偉、鞏鵬飛等同學(xué)的幫助，在此一并表示感謝！

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