黑龍江省蝴蝶自動(dòng)識(shí)別APP系統(tǒng)研發(fā)與設(shè)計(jì)*

王建楠 周文靖 崔廣新 呂冬云，3** 羅志文，3**

（1 佳木斯大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 黑龍江佳木斯 154007 2 佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院 黑龍江佳木斯 154007 3 佳木斯大學(xué)應(yīng)用昆蟲研究所 黑龍江佳木斯 154007）

1 研究背景及現(xiàn)狀

昆蟲是世界上數(shù)量最多的動(dòng)物類群，幾乎遍布世界不同區(qū)域，對(duì)人類的生產(chǎn)生活有重大的影響［1］。龐大的昆蟲類群的鑒定分類是一項(xiàng)復(fù)雜而艱巨的任務(wù)。傳統(tǒng)鑒定昆蟲的方法，需要專業(yè)技能知識(shí)和豐富鑒定經(jīng)驗(yàn)。這種依靠人的鑒定方法不僅工作量繁重，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且及時(shí)性低。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)為圖像信息處理帶來解決方法，為昆蟲自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的成長起到重要作用。方便快捷的昆蟲識(shí)別程序，可以代替人類完成繁重費(fèi)時(shí)的鑒定任務(wù)，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值［2-4］。

黑龍江省位居中國的最東北部，省內(nèi)野生動(dòng)植物資源豐富，地形復(fù)雜，為蝶類繁衍生息提供了廣闊的空間，是我國研究北方生物多樣性的理想樣地。蝴蝶隸屬于昆蟲綱（Insecta），鱗翅目（Lepidoptera），錘角亞目（Rnopalocera），是昆蟲中數(shù)量龐大且分布廣的重要組成部分，對(duì)其分類和鑒別更是復(fù)雜困難。大多數(shù)蝴蝶幼蟲會(huì)對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生危害，對(duì)動(dòng)、植物及人類生活產(chǎn)生一定影響。因此，開發(fā)和研究一款蝴蝶自動(dòng)識(shí)別APP，不僅方便專業(yè)人員技術(shù)研究和對(duì)蝶類感興趣的市民進(jìn)行檢索查閱，而且對(duì)農(nóng)林蟲害預(yù)警、植物保護(hù)、邊境檢疫也起到技術(shù)支持作用。

2 設(shè)計(jì)思路

2.1 APP 概述 黑龍江省蝴蝶自動(dòng)識(shí)別APP 是一款基于Android 系統(tǒng)的手機(jī)移動(dòng)應(yīng)用軟件。用戶可對(duì)觀察到的蝴蝶的形態(tài)特征進(jìn)行分層次篩選，也可上傳蝶類靜態(tài)圖片，達(dá)到識(shí)別蝴蝶種類的目的。通過簡單的引導(dǎo)性操作，即使非專業(yè)人士，也可快速了解感興趣的蝶類。當(dāng)遇見未知蝴蝶時(shí)，進(jìn)入APP 頁面，通過選擇蝴蝶的形態(tài)特征、顏色、翅膀類型等，最終篩選出符合的目標(biāo)蝴蝶。如果有該未知蝴蝶的照片，上傳即可篩選出相同或者相似的蝴蝶。該APP 還可以輸入蝴蝶中文名稱，獲得該蝴蝶的詳細(xì)資料，包括其種名、學(xué)名、科屬、形態(tài)特征、生活史、分布及習(xí)性等，系統(tǒng)有效地獲取專業(yè)信息。收集到自己喜歡的蝴蝶圖片，還可以通過朋友圈進(jìn)行交流。由于昆蟲有一定的區(qū)域性，該APP 建立的是黑龍江省蝶類數(shù)據(jù)庫，推廣成功將擴(kuò)大至全國。

2.2 研究對(duì)象 該APP 數(shù)據(jù)庫針對(duì)黑龍江省常見蝶類，共7 科，213 種［5-6］，包括鳳蝶科（Papilioniae）、絹蝶科（Parnassiidae）、粉蝶科（Pieridae）、眼蝶科（Satyridae）、蛺蝶科（Nymphalidae）、灰蝶科（Lycaenidae）和弄蝶科（Hesperiidae）。編輯詳細(xì)的蝶類資料和清晰圖片，供使用者搜索查閱［7］。

2.3 分類依據(jù) 對(duì)于該APP 中的黑龍江省蝶類對(duì)象，提取2～3 個(gè)生物學(xué)特征，從整體到局部劃分，方便用戶檢索的同時(shí)也提高檢索的正確率。整體方面包括蝴蝶的顏色和大??；局部方面包括蝴蝶的胸腹部、翅膀形狀等。將以上信息存入數(shù)據(jù)庫中，通過區(qū)分形態(tài)特征，達(dá)到用戶最終尋找到目標(biāo)蝶類的目的。通過專業(yè)書籍的詳細(xì)資料和部分地區(qū)采樣拍照記錄，進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)庫的時(shí)時(shí)填充，不斷提高最終結(jié)果的準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)該APP 的可信性和可用性。

2.4 需求分析 傳統(tǒng)的蝶類鑒定中專業(yè)人員稀少，分類成本高，普及性低，耗時(shí)耗力并且環(huán)境較艱苦，鑒別難度大。使用黑龍江省蝴蝶自動(dòng)識(shí)別APP，無需專業(yè)鑒別基礎(chǔ)，即可簡單快捷識(shí)別蝶類，方便對(duì)蝶類感興趣的民眾。在蟲害防治方面也可通過快速鑒定預(yù)測(cè)預(yù)警，適用人群廣泛。

3 識(shí)別APP 設(shè)計(jì)流程

3.1 信息構(gòu)架 該APP 是在Eclipse 環(huán)境中運(yùn)行，由Android 客戶端和服務(wù)器端構(gòu)成。Android 客戶端包括保險(xiǎn)層和業(yè)務(wù)層，通過客戶端數(shù)據(jù)的SQLite輸入，再與服務(wù)器端數(shù)據(jù)交互，最終呈現(xiàn)在UI 界面上；服務(wù)器端包括數(shù)據(jù)庫層和業(yè)務(wù)邏輯層。建立分層數(shù)據(jù)庫可節(jié)省搜索時(shí)間，所以在創(chuàng)建蝴蝶樣本數(shù)據(jù)時(shí)，先對(duì)蝶類進(jìn)行科、屬的分類分層，會(huì)更快地找到目標(biāo)蝴蝶。數(shù)據(jù)庫層匯集了黑龍江省常見蝴蝶種類7 科213 種，包含整體、局部特征照片和蝴蝶詳細(xì)資料。業(yè)務(wù)邏輯層是通過Android 客戶端數(shù)據(jù)輸入請(qǐng)求，使用者可通過層層篩選局部特征圖片，進(jìn)行視覺分析，在SQLite 數(shù)據(jù)庫中連接查詢，通過客戶端呈現(xiàn)結(jié)果。還可以通過蝶類上傳照片的數(shù)字圖像預(yù)處理，對(duì)蝶類特征提取及優(yōu)化，進(jìn)行訓(xùn)練和識(shí)別后得出結(jié)果［8-9］（圖1）。

3.2 主要功能 用戶首先點(diǎn)擊黑龍江省蝴蝶自動(dòng)識(shí)別APP 標(biāo)識(shí)，進(jìn)入APP 首頁，首頁中包含“登錄”和“注冊(cè)”2 個(gè)按鈕。首次登錄的用戶，進(jìn)行用戶基本信息（包括用戶名、用戶密碼、手機(jī)號(hào)驗(yàn)證碼等）的注冊(cè)后即可登錄進(jìn)入用戶界面。登錄成功后，出現(xiàn)蝴蝶檢索、蝴蝶識(shí)別2 個(gè)主要功能的一級(jí)界面。點(diǎn)擊蝴蝶檢索按鈕，進(jìn)入檢索蝴蝶的二級(jí)界面，輸入蝴蝶名稱搜索目標(biāo)蝴蝶基本信息。點(diǎn)擊蝴蝶識(shí)別按鈕可以進(jìn)入選擇蝴蝶特征的二級(jí)界面，通過圖片或者一層層不同選擇，篩選出目標(biāo)蝶類信息（圖2）。

3.3 最終效果演示 見圖3～圖10。

4 蝴蝶識(shí)別APP 的應(yīng)用前景

黑龍江土地肥沃，昆蟲多樣性豐富。蝴蝶作為昆蟲中一個(gè)數(shù)量龐大的分支，其鑒定和識(shí)別面臨著艱巨而繁重的工作量。蝴蝶成蟲對(duì)自然界傳粉起到了重要作用，但一部分蝴蝶在幼蟲時(shí)危害農(nóng)作物，使人類在經(jīng)濟(jì)上受到損失。所以認(rèn)識(shí)和鑒別蝴蝶是十分有意義的?，F(xiàn)在，昆蟲種類的自動(dòng)鑒別已經(jīng)越來越被各國所重視，我國已經(jīng)將其列為863 計(jì)劃而不斷研究探索。黑龍江省蝴蝶自動(dòng)識(shí)別APP 可以方便快捷地認(rèn)識(shí)了解蝴蝶，同時(shí)也為廣大蝴蝶愛好者提供學(xué)習(xí)交流的平臺(tái)，將繁瑣的蝴蝶鑒定工作由繁化簡，提高蝶類認(rèn)識(shí)的普及性。在我國大力發(fā)展生態(tài)文明建設(shè)下，讓越來越重視身邊生活環(huán)境的民眾，輕松方便地了解感興趣的蝴蝶。

近幾年，架構(gòu)在手機(jī)微信中的小程序已經(jīng)進(jìn)入大家的視線。相比手機(jī)中必須下載才能使用的APP，小程序可以直接點(diǎn)擊使用并分享，無需安裝與卸載，既簡化了使用步驟，又不占用手機(jī)內(nèi)存，解決了手機(jī)內(nèi)存不足問題。預(yù)計(jì)開發(fā)黑龍江省蝴蝶識(shí)別APP 的微信小程序，它將使本研究更加普及和便捷。