基于人工智能技術(shù)的上海植物園科普服務(wù)研究

郭麗娟 王計(jì)平

摘要：指出了植物園作為植物科普的重要場所，在保護(hù)植物多樣性、提升公眾科學(xué)素養(yǎng)、促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)等方面具有重要意義。然而，國內(nèi)植物園科普方式大多仍在沿用傳統(tǒng)技術(shù)，人工智能技術(shù)的應(yīng)用有限，使得植物園整體科普的互動(dòng)性和效果不佳。以上海植物園為例，通過實(shí)地調(diào)研和問卷調(diào)查的方法，分析了游客對(duì)人工智能技術(shù)科普的需求。并在此基礎(chǔ)上，提出了基于語音交互、圖像識(shí)別、線路規(guī)劃、推薦列表等相應(yīng)的植物園科普服務(wù)的對(duì)策和措施，為構(gòu)建植物科普數(shù)據(jù)庫，優(yōu)化植物園科普服務(wù)，完善用戶體驗(yàn)提供了新方向。

關(guān)鍵詞：植物科普;人工智能;上海植物園

中圖分類號(hào)：TU986文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2019）15-0010-04

1引言

人工智能（Artificial Intelligence，簡稱“AI”）在語音交互、圖像識(shí)別、大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)等新技術(shù)和理論的驅(qū)動(dòng)下，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域并產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。人工智能具有高效、確定和即時(shí)性，將人工智能應(yīng)用于植物科普中能極大地提高效率，進(jìn)而促進(jìn)植物園數(shù)字和信息化建設(shè)。本文以上海植物園為例，通過實(shí)地調(diào)研和問卷調(diào)查的方法，分析游客對(duì)人工智能在植物科普中的需求，并在此基礎(chǔ)上，提出基于人工智能的上海植物園科普服務(wù)設(shè)計(jì)，旨在提升植物園科普的有效傳達(dá)和用戶體驗(yàn)，使植物資源得到深層次開發(fā)。

2植物園科普現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2.1植物園科普現(xiàn)狀

國際植物園保護(hù)聯(lián)盟（BGCI）將植物園定義為：“擁有活植物收集區(qū)，并對(duì)收集區(qū)內(nèi)的植物進(jìn)行記錄管理，使之可用于科學(xué)研究、保護(hù)、展示和教育的機(jī)構(gòu)”，我國現(xiàn)代植物園的科普工作起步于20世紀(jì)50、60年代，早期主要停留在向公眾普及植物和園藝的相關(guān)知識(shí)。直到20世紀(jì)80年代，植物園科普工作才形成初步規(guī)模，主要方式包括：科普講解、植物銘牌和相關(guān)的科普展覽活動(dòng)等。總的來說，基礎(chǔ)設(shè)施滯后、技術(shù)力量薄弱、教育內(nèi)容單一等是我國植物園科普存在的普遍問題。植物科普具有重要意義，不僅是進(jìn)行環(huán)境教育和樹立公眾保護(hù)生態(tài)意識(shí)的重要方式，也是我國實(shí)施“科教興國”戰(zhàn)略的具體措施之一。

從表1可看出，近年來，我國植物園的科普工作在傳統(tǒng)方式的基礎(chǔ)上有所拓展，但整體技術(shù)水平不高、宣傳力度不夠，還存在較大的提升空間。

2.2植物園科普與人工智能結(jié)合

目前，國內(nèi)多數(shù)植物園科普工作主要停留在傳統(tǒng)的模式下，在與人工智能技術(shù)結(jié)合方面相對(duì)薄弱。部分植物園對(duì)人工智能科普技術(shù)進(jìn)行了一定的探索和實(shí)踐，如中國科學(xué)院武漢植物園推出了基于NFC植物近場通信的自助解說系統(tǒng)。另外植物智能識(shí)別APP“花伴侶”、“形色”等，用戶只需對(duì)著要植物拍照即可獲得該物種的相關(guān)科普知識(shí)，是了解植物的便捷渠道。但“花伴侶”、“形色”等多限于植物識(shí)別，功能較為單一，用戶需要不斷切換軟件才能滿足植物園整體游覽需求。

3上海植物園科普需求分析

3.1現(xiàn)場調(diào)研

上海植物園位于上海市徐匯區(qū)西南部，占地81.86hm2.，設(shè)有植物進(jìn)化區(qū)、盆景園、蘭室、展覽溫室等15個(gè)專類園，主要功能是進(jìn)行植物的展示和科普。作為上海市中心唯一一家專題性植物園，其具有不可替代的區(qū)位優(yōu)勢，市民使用頻率高，且植物種類豐富，景觀小品精致，為科普知識(shí)的高效傳播提供了有利條件。

目前，上海植物園的科普仍以植物展示、圖文介紹、掃碼講解等傳統(tǒng)方式為主，與游客互動(dòng)不足、展示內(nèi)容較少，具有明顯的局限性。首先，游客游覽過程中接觸到的植物科普知識(shí)偏少，未能充分發(fā)揮植物園生態(tài)文化內(nèi)涵。其次，因缺乏交互數(shù)據(jù)和反饋渠道，導(dǎo)致游客分布不均衡，即不同時(shí)段不同園區(qū)的人數(shù)存在較大差異，通常各出入口和植物景觀小品處人流較密集，松柏園、盆景園等景點(diǎn)則較稀疏。園區(qū)路線展示以地圖和指示路牌為主，地圖上未發(fā)現(xiàn)完整且合理的科普游覽路線展示。

3.2問卷調(diào)研

為了明確公眾對(duì)上海植物園科普的需求及服務(wù)等，本文采用問卷調(diào)研方式于2019年4～5月在上海植物園做了關(guān)于人工智能技術(shù)科普功能的調(diào)查，共發(fā)放問卷150份，有效問卷143份，問卷有效率為95.3%。問卷共分為四類題型：第一類為樣本基本情況，含1～4題;第二類為參觀情況，含5～7題;第三類為人工智能服務(wù)情況，含8～13題;最后一類為開放性題目。在問卷調(diào)研過程中注重樣本多樣性，獲得的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)客觀且具有代表性。

調(diào)研樣本中，第一次游覽的人數(shù)為49人，占34.27%，意味著約1/3的游客對(duì)植物園的環(huán)境不夠熟悉，需要更多的引導(dǎo)和介紹。如圖1所示，樣本中有68人（占47.55%）是和朋友一同前來參觀的，其次是伴侶51人，占35.66%，另有有30人（占20.98%）是獨(dú)自游覽，陪同家人的也有占相當(dāng)比例。樣本中60.84%的人有著植物科普的需求，由此可見，公眾對(duì)植物園的科普需求旺盛。如圖2所示，71.33%的游客僅能辨識(shí)植物園中30種以下的植物，能辨識(shí)30～60種的占13.99%，60種以上僅為5.59%，還有9.09%表示基本不能識(shí)別植物園的植物，這表明上海植物園科普宣傳工作提升空間大。

植物科普作為植物園的主要功能，如圖3所示，55.94%的被調(diào)查者表示上海植物園現(xiàn)有的科普服務(wù)無法滿足他們對(duì)植物知識(shí)的需求。51.05%的游客在參觀植物園時(shí)受到過路線不清晰的困擾。數(shù)據(jù)分析顯示69.93%的游客希望了解特色植物信息，55.94%想要了解特色活動(dòng)或展覽，景點(diǎn)推薦和經(jīng)典路線也占到了46.85%和33.57%。55.24%的游客游園時(shí)間為2～3h，整體停留時(shí)間較長。87.41%的游客認(rèn)為有必要推出免費(fèi)的智能化科普和導(dǎo)覽服務(wù)系統(tǒng)。總體來看，公眾對(duì)上海植物園植物科普需求較大，人工智能技術(shù)的潛在用戶較多。

3.3調(diào)研小結(jié)

樣本年齡段主要集中在21～40歲之間，這部分人群對(duì)新事物的接受能力強(qiáng)，熟悉智能手機(jī)的操作使用。因此，今后上海植物園應(yīng)以用戶需求為出發(fā)點(diǎn)，立足于新科技，努力提升科普能力，開創(chuàng)智能化植物科普時(shí)代。應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化智能化科普服務(wù)系統(tǒng)，為用戶提供更好的科普體驗(yàn)服務(wù)，具體可包含精確定位、引流參觀、優(yōu)化路線、景點(diǎn)推薦以及園區(qū)人數(shù)可視化分布的智能地圖導(dǎo)航服務(wù)。

4上海植物園人工智能科普服務(wù)策略研究

人工智能是充分利用植物園的資源優(yōu)勢，探索創(chuàng)新植物園游覽以及促進(jìn)其科學(xué)發(fā)展的重要手段。結(jié)合上海植物園的特征和調(diào)研結(jié)果，將人工智能在上海植物園的科普服務(wù)歸納為：語音交互、圖像識(shí)別、大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)等。以此來促進(jìn)植物園對(duì)游客信息收集、科普完善、路線規(guī)劃和信息推送等功能，提升植物園的整體服務(wù)水平和用戶體驗(yàn)。

4.1基于語音交互的植物科普服務(wù)

上海植物園作為國內(nèi)規(guī)模較大的綜合性植物園，肩負(fù)著向大眾普及植物科學(xué)知識(shí)的重任。但其現(xiàn)有的植物科普方式較為傳統(tǒng)，無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L的科普需求。因此，構(gòu)建基于智能語音交互的植物科普系統(tǒng)顯得尤為迫切。

隨著智能語音識(shí)別技術(shù)反饋速度和準(zhǔn)確率的提升，與人溝通日趨自然，用戶體驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。基于語音交互的植物科普系統(tǒng)是以上海植物園為主體和對(duì)話情境，通過機(jī)器“自主學(xué)習(xí)”對(duì)游客所提出的問題進(jìn)行“分析”和“回答”。用人類最基本的對(duì)話方式，拉近與游客的距離、調(diào)動(dòng)其參與性。智能語音交互開啟了植物園互動(dòng)的新時(shí)代，在滿足用戶探索大自然的好奇心的同時(shí)，提升科普信息傳播效率。游客以聊天方式與科普系統(tǒng)進(jìn)行交流，針對(duì)性的選擇自己感興趣的植物進(jìn)行了解，沉浸于植物園的環(huán)境中潛移默化地吸收知識(shí)，有助于提升植物園科普服務(wù)的精準(zhǔn)化水平和用戶的科學(xué)文化素養(yǎng)。

如果用戶對(duì)語音導(dǎo)覽的內(nèi)容有疑惑或是想了解更多相關(guān)植物知識(shí)，可以直接提問，系統(tǒng)會(huì)對(duì)用戶提出的問題進(jìn)行及時(shí)解答并記錄，用于完善導(dǎo)覽數(shù)據(jù)庫。語音交互作為重要的獲取數(shù)據(jù)輸入手段，通過對(duì)其產(chǎn)生的終端數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析，掌握用戶的群體特征和所關(guān)注的植物知識(shí)，完善系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，提升科普功能和用戶體驗(yàn)。智能語音交互系統(tǒng)除了支持普通話和英語，還可以加入上海話等一些周邊地區(qū)的方言，擴(kuò)大科普系統(tǒng)的用戶群體。

4.2基于圖像識(shí)別的植物科普服務(wù)

上海植物園目前建有15個(gè)專類園區(qū)，已引種栽培植物6000多種，面對(duì)種類繁多的植物展示，大部分游客卻只能辨識(shí)出30種以下的植物。當(dāng)游客面對(duì)一無所知的植物品種時(shí)，基于圖像識(shí)別技術(shù)的科普方式顯得尤為有效，通過拍照搜索的方式，幫助其迅速識(shí)別植物。

隨著帶有照相功能的智能手機(jī)的普及，圖像識(shí)別和檢索技術(shù)也不斷提升，這也使得運(yùn)用圖像識(shí)別技術(shù)在智能手機(jī)上精準(zhǔn)識(shí)別植物的科普服務(wù)成為可能。在參觀植物園的過程中用戶將手機(jī)拍攝的植物照片上傳到上海植物園小程序數(shù)據(jù)庫中，系統(tǒng)根據(jù)輸入照片的特點(diǎn)，采用智能算法將數(shù)據(jù)庫中的信息與其進(jìn)行對(duì)比和識(shí)別，實(shí)時(shí)匹配相應(yīng)的科普知識(shí)并輸出。即使用戶參觀結(jié)束后想了解更多植物信息，也可以運(yùn)用智能化系統(tǒng)進(jìn)行圖片搜索。

4.3基于大數(shù)據(jù)的路線規(guī)劃

上海植物園專類園眾多，總體上多采用曲線為主的道路布局，多數(shù)游客會(huì)受到路線不清和客流量大的困擾。針對(duì)不同季節(jié)植物的花期為游客推薦個(gè)性化的賞花路線，這些均可基于大數(shù)據(jù)的路線規(guī)劃來解決。

基于大數(shù)據(jù)的路線規(guī)劃是一種數(shù)據(jù)輸出方式，通過專業(yè)化處理實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)價(jià)值。依托云計(jì)算對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式挖掘有價(jià)值的信息，為植物園游客推薦個(gè)性化路線。實(shí)時(shí)監(jiān)測各個(gè)區(qū)域游客數(shù)量和具體位置，運(yùn)用GPS定位游客當(dāng)前位置，綜合人流、時(shí)間等進(jìn)行推薦算法優(yōu)化，智能規(guī)劃和定制路線。用戶隨時(shí)隨地打開小程序路線界面即可查看自己的位置和路線。充分利用大數(shù)據(jù)價(jià)值有助于逐步優(yōu)化路線推薦，配合線下的植物園路牌引導(dǎo)等，為用戶提供優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)覽體驗(yàn)。

依據(jù)用戶填寫的個(gè)人資料等基本信息對(duì)用戶的需求進(jìn)行分析和推測，結(jié)合用戶的交互記錄建立個(gè)性化用戶模型。運(yùn)用大數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)營銷，幫助用戶制定專屬游覽路線。針對(duì)上海植物園客流量大的困擾，大數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測園區(qū)人數(shù)空間分布并分析趨勢，在規(guī)劃路線時(shí)注意分流和路線優(yōu)化，將人流空間分布進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)，如：紅色代表擁擠、黃色表示正常、綠色則是稀疏，用戶可以直觀從地圖上看到這些信息。充分利用大數(shù)據(jù)價(jià)值，有助于提高植物園服務(wù)的品質(zhì)和滿意度。

4.4基于深度學(xué)習(xí)的推薦列表服務(wù)

上海植物園會(huì)定期舉辦各類科普活動(dòng)，如“家庭園藝DIY”、“暗訪夜精靈”、“播種春天”等，調(diào)研中55.94%游客表示希望了解更多的特色活動(dòng)或展覽，而對(duì)于游客來說，很多科普活動(dòng)無從了解或預(yù)約參加?；谏疃葘W(xué)習(xí)的推薦列表則可以根據(jù)用戶的興趣愛好及時(shí)推送相關(guān)的科普活動(dòng)和展覽信息給用戶，拉近植物科普與公眾的距離。

源于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究的深度學(xué)習(xí)，將底層特征組合形成更加抽象的高層表示，挖掘數(shù)據(jù)的分布式特征。深度學(xué)習(xí)具有差異化、因人而異的特點(diǎn)，通過分析游客的不同需求推薦相應(yīng)的植物科普和園區(qū)活動(dòng)內(nèi)容，為其提供智能化服務(wù)。在小程序中將植物詳情的列表、園區(qū)活動(dòng)等內(nèi)容根據(jù)用戶的喜好進(jìn)行排序，匹配最優(yōu)結(jié)果。基于深度學(xué)習(xí)的推薦算法系統(tǒng)有助于提高效率，滿足用戶多層次需求，推動(dòng)著植物園向智能化方向發(fā)展，為游客提供更高質(zhì)量的科普服務(wù)。

5結(jié)語

在當(dāng)前將人工智能技術(shù)融入到植物園科普服務(wù)中，為植物園科普提供了新的方法和思路，有良好的應(yīng)用前景?；谌斯ぶ悄芗夹g(shù)的植物園科普服務(wù)系統(tǒng)注重用戶在使用過程中的感受，充分發(fā)揮植物園特色多樣的植物展示、深厚的科學(xué)內(nèi)涵與豐富的科普資源，使游客獲得良好的科普體驗(yàn)。并且，移動(dòng)端不受使用空間和時(shí)間的制約，用戶可以隨時(shí)隨地使用小程序獲取更多植物科普知識(shí)，為植物科普的可持續(xù)發(fā)展提供了有效途徑。