基于植物特征識(shí)別的APP設(shè)計(jì)初探

呂玫霞　李秀娟　劉詩怡　陳釗

【摘要】目前國內(nèi)外有關(guān)植物識(shí)別、植物檢索方面的技術(shù)尚未完善，文章通過總結(jié)國內(nèi)外有關(guān)植物檢索方面的優(yōu)缺點(diǎn)，運(yùn)用植物特征與植物檢索表相結(jié)合的方法，結(jié)合圖片信息的輔助，研發(fā)出基于植物模糊識(shí)別與名稱檢索的APP，有效實(shí)現(xiàn)植物學(xué)習(xí)，簡單檢索的功能；該APP可以為北京地區(qū)的廣大群眾提供簡便可行的植物檢索與識(shí)別服務(wù)，使得非植物學(xué)相關(guān)專業(yè)的人士以及游客能夠更方便、快捷、準(zhǔn)確的識(shí)別植物，更好的學(xué)習(xí)植物知識(shí)。

【關(guān)鍵詞】植物識(shí)別 圖片輔助模糊識(shí)別 關(guān)鍵字匹配 植物信息檢索APP

一、研究背景

1.1國內(nèi)外植物識(shí)別技術(shù)概述

植物識(shí)別是植物學(xué)研究基礎(chǔ)技術(shù)之一，在此前已有相關(guān)人士基于分形特征對(duì)植物進(jìn)行相關(guān)的識(shí)別。傳統(tǒng)的植物識(shí)別主要通過人工采樣和對(duì)比，需要耗費(fèi)大量的人力物力，效率低下，且無法在艱苦環(huán)境作業(yè)，也難以大面積實(shí)施。目前為止最主要的植物識(shí)別方法是基于計(jì)算機(jī)圖像的識(shí)別以及人工查閱植物檢索表根據(jù)特征進(jìn)行識(shí)別。

借助計(jì)算機(jī)的圖像處理技術(shù)可以完成植物的外觀特征的分析，通過提取大量數(shù)據(jù)特征進(jìn)行聚類分析獲得結(jié)果，在國內(nèi)，黃得雙開發(fā)了農(nóng)業(yè)生物特征識(shí)別系統(tǒng)一植物葉片識(shí)別系統(tǒng)（BSA-RSPL），他提出了一種基于圖像分析及數(shù)字形態(tài)特征的植物分類識(shí)別方法。同時(shí)，也有專業(yè)人士采用計(jì)算機(jī)模式識(shí)別方法，即在一定量度或觀測基礎(chǔ)上把待識(shí)模式劃分到各自的模式類中去，主要是利用計(jì)算機(jī)等裝置對(duì)物體、圖像、圖形、語音、字形等信息進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，即用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)人的模式識(shí)別能力。但通過圖片識(shí)別植物的方法受到葉片狀態(tài)，葉子新鮮程度，葉片受損程度等多方面因素影響，另外根據(jù)算法的不同，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行圖形研究的誤差，并不能可靠的識(shí)別植物種屬。

另外一種植物識(shí)別技術(shù)是通過手動(dòng)翻閱查詢植物檢索表等書籍來進(jìn)行植物識(shí)別，這也是最常見且使用最為廣泛的植物識(shí)別方式，檢索表的編制最早是根據(jù)法國人拉馬克（Lamarck，1744-1829）的二歧分類原則，將要編制的檢索表中需容納的所有植物，選用一對(duì)以上顯著不同的特征，分成兩類；然后又從每類中再找出相對(duì)的特征再區(qū)分為兩類；如此下去，直到所需要的分類單位（如科、屬、種等）出現(xiàn)。它一般是以花、果、葉等生殖器官特征為檢索依據(jù)，因其特征表現(xiàn)穩(wěn)定，檢索結(jié)果準(zhǔn)確可靠。該識(shí)別方式往往需要使用者積累一定的植物知識(shí)，有較高的植物識(shí)別認(rèn)知能力，對(duì)檢索表查詢方式足夠熟練才可使用，而對(duì)于普通植物愛好者而言，對(duì)植物檢索知識(shí)的欠缺和攜帶書籍的不便給植物識(shí)別帶來了較大的困難。

目前電子的植物檢索表以及相關(guān)電子植物識(shí)別資源處于起步階段，植物特征的繁雜以及多樣性為未知植物的檢索和識(shí)別產(chǎn)生了很大困難，目前基于植物特征識(shí)別的方法還停留在手動(dòng)書籍查閱識(shí)別，計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別，以及大數(shù)據(jù)庫分類識(shí)別等方面，植物識(shí)別方面迫切需要一個(gè)簡單便捷的識(shí)別工具來替代現(xiàn)有植物識(shí)別方法。

1、移動(dòng)平臺(tái)概述

采用安卓APP開發(fā)技術(shù)，以Eclipse為開發(fā)平臺(tái)，基于JAVA環(huán)境，開發(fā)出簡便易行，易于操作的植物模糊識(shí)別APP。安卓操作系統(tǒng)具有完全的開放性以及系統(tǒng)可移植性，安卓的JAVA程序運(yùn)行環(huán)境，它的可靠性和安全性都較好，它可以保證編譯器能夠發(fā)現(xiàn)方法并調(diào)用錯(cuò)誤、杜絕了內(nèi)存的非法訪問；在JRE之上運(yùn)行Eclipse，然后在Eclipse中安裝一個(gè)名為ADT的安卓開發(fā)工具插件，接著就可以使用SDK進(jìn)行安卓應(yīng)用開發(fā)了。

我們使用安卓自帶的SQlite數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，將植物劃分為大類，每類建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫表，每種植物對(duì)應(yīng)一

因此，臨床開展肝臟抗病毒感染，需重點(diǎn)視患者的年齡及病程的增加而可作為判斷患者肝臟炎癥水平的重要指標(biāo)。對(duì)臨床放棄行肝臟穿刺患者可將其ALT、年齡（P<0.05）作為抗病毒治療的依據(jù)，進(jìn)而判斷患者的炎癥與肝纖維化程度。條數(shù)據(jù)庫表的記錄，同時(shí)外鍵ID號(hào)關(guān)聯(lián)植物檢索信息表，提供各個(gè)部位的圖片，并用字母加數(shù)字來代表每個(gè)植物特征，當(dāng)人工選擇出該植物部分特征時(shí)，APP顯示與這些特征符合的整體或局部圖片，使用者通過視覺分析選擇出自己所看到的植物。該方法實(shí)現(xiàn)了部分緩存，減少了網(wǎng)絡(luò)的流通量，在整體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)布局中，將主要園林植物所有特征按照檢索表樹狀結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)在本地?cái)?shù)據(jù)庫中，將查詢后返回的結(jié)果記錄條目通過交互系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與網(wǎng)上在線數(shù)據(jù)庫或本地?cái)?shù)據(jù)信息進(jìn)行比對(duì)，返回記錄條目所代表的植物基本信息。使用的SQlite數(shù)據(jù)庫是一種嵌入式數(shù)據(jù)庫，嵌入式數(shù)據(jù)庫無須獨(dú)立運(yùn)行的數(shù)據(jù)庫引擎，它是由程序直接調(diào)用相應(yīng)的API去實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存取操作。

2、基于植物特征識(shí)別的APP客戶端開發(fā)的意義

經(jīng)人們研究發(fā)現(xiàn)，在任何時(shí)間，植物特征之間的差異性使植物成為更獨(dú)立的個(gè)體，這使得根據(jù)植物特征進(jìn)行植物的識(shí)別成為了可能，將植物特征字符串化優(yōu)勢(shì)在于可以有效克服信息的冗余性，數(shù)據(jù)庫應(yīng)用技術(shù)可以對(duì)植物特征進(jìn)行查詢和選擇，結(jié)合相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫查找和字符串匹配算法，進(jìn)行植物特征的查詢和分類，字符串匹配算法對(duì)性能要求較高，植物特征在小樣本情況下，通過不同字符進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)有序的字符串，采用精確，多模式字符串匹配進(jìn)行研究，使用通俗易懂的字符串來概括植物的特征，用計(jì)算機(jī)執(zhí)行字符串匹配功能來代替繁瑣的植物檢索表查詢，該方法在植物識(shí)別領(lǐng)域上做出了一個(gè)跨越式的進(jìn)步。同時(shí)將植物種類按照樹形結(jié)構(gòu)排列，運(yùn)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中樹的查找算法，并結(jié)合圖片輔助更直觀更清楚地觀察植物的器官和特征，從而完成對(duì)未知植物的識(shí)別。

二、北京市園林植物志APP項(xiàng)目概述

2.1 APP概述

本項(xiàng)目旨在開發(fā)一種通過選擇植物外在特征進(jìn)行植物識(shí)別的手機(jī)移動(dòng)應(yīng)用軟件，從而使非專業(yè)者能夠更加簡單的認(rèn)識(shí)身邊植物，最終通過APP呈現(xiàn)出來的、為本地植物建立系統(tǒng)的查詢網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)使用者想要獲取陌生植物的基本信息時(shí)，通過進(jìn)入該特征識(shí)別app界面，并選擇其植物特征，通過專業(yè)、非專業(yè)（植物分類）物種型態(tài)描述術(shù)語，來確定身邊的未知植物，對(duì)相應(yīng)植物有詳細(xì)介紹，如葉片形狀，齒紋等，通過多步驟選擇特征最終識(shí)別出該植物。使軟件篩選出符合要求的植物并顯示各自圖片，通過比較圖片，讓使用者得知自己看到的植物的基本信息。并設(shè)計(jì)易用友好的APP及其UI，使得該app兼容于各種類型移動(dòng)終端。建立本地植物的數(shù)據(jù)庫，鑒于植物具有地區(qū)性，我們將以北京地區(qū)植物為先例，日后進(jìn)一步擴(kuò)大到華北、華東，直至全國。

一方面，這個(gè)軟件可以為學(xué)習(xí)植物的廣大學(xué)生提供一個(gè)認(rèn)知身邊植物的良好平臺(tái)；另一方面，隨著構(gòu)建“美麗中國”的提出，國家更加重視園林建設(shè)，人民的生活與園林植物的距離也越來越小，對(duì)植物的認(rèn)知有一定的需求，此移動(dòng)軟件可以隨時(shí)隨地讓人們了解自己身邊的植物。

2.2研究對(duì)象

APP所選的植物，主要有常綠喬木，落葉喬木，常綠灌木，落葉灌木以及落葉藤本等五類。這是根據(jù)北京市主要園林植物識(shí)別手冊(cè)進(jìn)行篩選分類的，從其中篩選出較為常見和特征明顯的大致30種植物作為樣本，對(duì)花期，果期等進(jìn)行詳細(xì)總結(jié)。根據(jù)其在北京地區(qū)的常見程度及特征識(shí)別難易，我們選取了北京地區(qū)公園，校園，及開放空間等園林綠化最常用的植物，如：白皮松，銀杏，懸鈴木，國槐，榆葉梅，連翹，棣棠等。

2.3分類依據(jù)

APP所選的植物擁有2～3處明顯特征，便于檢索，使得檢索的正確性得到提高（這是植物檢索最基本的一步，其他較難分辨樹種，我們將在后期將其完善）。并根據(jù)從整體到局部，從大類到小類的方法進(jìn)行劃分。整理出樹冠，樹干樹皮，樹枝，葉，花，果實(shí)等方面的特征，再逐一細(xì)分；其中以葉片特征最為繁雜，葉片特征主要分為葉片著生方式、葉片形狀、葉脈、葉色、葉基、葉柄、氣孔帶和氣孔線、葉枕、葉厚，葉硬度、橫斷面、葉子長度、葉子粗細(xì)度、幾針幾束、葉緣、葉端、葉背、葉表、質(zhì)地等分類。將植物的特征詳細(xì)的分類并按照一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)填充到數(shù)據(jù)庫中，并對(duì)植物的特殊特征加以標(biāo)，注這些特征可以唯一確定一種植物，這使得數(shù)據(jù)庫冗余性大大降低。植物特征的整理是和實(shí)地的考察檢驗(yàn)相結(jié)合，通過對(duì)實(shí)地植物特征的拍照與觀察，查閱相關(guān)資料，根據(jù)表現(xiàn)穩(wěn)定，性狀明顯的特征進(jìn)行整理，有效提高了識(shí)別結(jié)果的可信度。

三、北京市園林植物志APP客戶端設(shè)計(jì)方案

3.1需求分析

APP主要面向園林，林學(xué)，植物學(xué)專業(yè)的同學(xué)以及其他對(duì)植物認(rèn)知有興趣的人群，滿足他們對(duì)植物認(rèn)知搜索識(shí)別方面的需求。

3.2信息架構(gòu)

APP的基本架構(gòu)是數(shù)據(jù)層，業(yè)務(wù)層以及表現(xiàn)層。數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)以SQLite錄入，匯集喬木，灌木，藤本表；同時(shí)錄入每種植物所對(duì)應(yīng)的特征和局部或整體圖片。業(yè)務(wù)層采用簡單SQL語句查詢每條植物記錄，并輸出。表現(xiàn)層顯示查詢出的植物部分或整體圖片，供使用者篩選。

APP的主要功能為植物檢索，植物識(shí)別，用戶管理這三個(gè)主要功能，植物檢索是根據(jù)植物中文名或拉丁文名檢索植物相關(guān)信息并顯示；植物識(shí)別依據(jù)用戶所選擇的特征與圖片觀察相結(jié)合方法辨識(shí)一種未知植物；用戶管理功能主要顯示用戶瀏覽記錄，所掌握的植物信息以及相關(guān)科普網(wǎng)站推薦。

2.最終效果演示

（圖6—10）

四、前景及發(fā)展

在信息化的潮流之下，快速便捷的識(shí)別植物已經(jīng)取代了過去傳統(tǒng)的手工識(shí)別。北京市園林植物志APP旨在為廣大群眾更好的學(xué)習(xí)植物知識(shí)，更方便快捷的識(shí)別植物提供了巨大的幫助。實(shí)現(xiàn)了由繁瑣的傳統(tǒng)植物檢索模式轉(zhuǎn)變?yōu)楹啽阊附莸闹参餀z索模式的巨大進(jìn)步。在同學(xué)們學(xué)習(xí)和生活中提供了很大的便捷，預(yù)計(jì)未來會(huì)更完善，更有效的促進(jìn)智能化識(shí)別的發(fā)展。