儲糧昆蟲兩項式檢索表的數(shù)字化方法研究與應(yīng)用

閻磊 馬宏琳 王殿軒 王艷艷

摘 要：儲糧害蟲防治的基礎(chǔ)是害蟲的鑒定和識別。對于儲糧昆蟲的鑒定識別，目前主要依據(jù)是檢索表。常用的檢索表是兩項式檢索表。本文通過對兩項式檢索表進(jìn)行抽象分析，以儲糧象蟲檢索表為例，建立了對應(yīng)的二叉樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分享了數(shù)字化應(yīng)用構(gòu)建過程。通過建構(gòu)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計，討論了儲糧昆蟲數(shù)據(jù)庫存儲的昆蟲編碼，給出了數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。同時，還在上述方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了軟件系統(tǒng)的開發(fā)和實現(xiàn)，以鞘翅目象蟲科檢索表為例子進(jìn)行了使用驗證，通過二叉樹的遍歷快速完成檢索表的檢索，精確地進(jìn)行檢索表的任意關(guān)鍵詞查詢，更符合儲糧象蟲檢索表的使用習(xí)慣，并在全國儲糧昆蟲調(diào)查后期數(shù)據(jù)處理中得到了應(yīng)用，效果良好。

關(guān)鍵詞：儲糧昆蟲;檢索表;數(shù)字化;昆蟲編碼

中圖分類號：S379.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）04-0018-06

Abstract： Identification and identification of stored grain pests are the basis of pest control. For the identification the main basis is the identification keys. A commonly used search keys is a dichotomous classification identification keys. In this paper， through the abstract analysis of the dichotomous classification and retrieval keys， the corresponding two-dimensional keys was established by taking the storage grain worm identification keys as an example. The construction process of the binary tree was analyzed， and the binary tree data structure suitable for computer processing was obtained. The database design was carried out by constructing the binary tree data structure. The insect coding stored in the grain storage insect database was discussed and the database structure was given. At the same time， on the basis of the above methods， the development and implementation of the software system were carried out. The key table of Coleoptera family was used as an example for verification. Through the traversal of binary tree， the search of the key table can be completed quickly， and any key words of the key table could be queried accurately， which was more in line with the use habit of the key table of stored grain weevil. It has been applied in the data processing of the later stage of the national grain storage insect survey， and the effect is good.

Keywords： stored grain insects;key list;digitization;insect coding

在糧食儲藏過程中，糧食損失受多種因素影響，其中儲糧蟲害是重要因素之一。儲糧害蟲中，象蟲科是世界性分布的儲糧害蟲，其中的玉米象是第一位的儲糧害蟲[1]。第七次全國儲糧蟲螨調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，玉米象分布非常廣泛[2-3]。儲糧害蟲防治的基礎(chǔ)是害蟲的鑒定和識別，目前主要依據(jù)檢索表對儲糧昆蟲進(jìn)行鑒定識別。

檢索表是以區(qū)分儲糧害蟲為目的編制的表，主要有包孕式、連續(xù)式、兩項式三種，其中兩項式檢索表是目前的通用形式，優(yōu)點是每對性狀互相靠近，便于比較，循著號碼檢索，非常便利，且節(jié)省篇幅[4]。這種檢索表把同一類別的儲糧昆蟲，根據(jù)一對或幾對相對性狀的區(qū)別，分成相對應(yīng)的兩個分支。接著，再根據(jù)另一對或幾對相對性狀，把上面的每個分支再分成相對應(yīng)的兩個分支，好像二歧式分枝一樣，如此，逐級排列下去，直到編制出包括全部儲糧昆蟲的分類檢索表。

儲糧昆蟲檢索表是進(jìn)行儲糧昆蟲鑒定的基本依據(jù)[5]，一直以來，其表現(xiàn)形式主要以專著、學(xué)術(shù)論文等形式體現(xiàn)，尚缺乏數(shù)字化的表達(dá)方法，特別是應(yīng)用現(xiàn)代計算機技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分析和處理。二歧分類法的思想是將特征不同的一群生物，用一分為二的方法，逐步對比排列，其本質(zhì)上可以抽象為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里的二叉樹結(jié)構(gòu)。因此，要采用現(xiàn)代計算機科學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)思想，對儲糧昆蟲兩項式檢索表進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分析，抽象其本質(zhì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，建立數(shù)字化的表達(dá)方法。

儲糧昆蟲兩項式檢索表經(jīng)過抽象化和數(shù)字化后，可以進(jìn)行儲糧昆蟲的數(shù)字化管理和使用，有效地支持糧食信息化建設(shè)，特別是對于當(dāng)前儲糧害蟲“蟲情檢測管理”等技術(shù)問題具有現(xiàn)實意義[6]，并有助于建立數(shù)據(jù)挖掘模型，從而支持糧食大數(shù)據(jù)“蟲害預(yù)警”的數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)挖掘等應(yīng)用[7]，促進(jìn)糧食儲備管理與監(jiān)測預(yù)警逐步向智能化、精細(xì)化、全面化、預(yù)測性的預(yù)警系統(tǒng)轉(zhuǎn)變[8]。

1 儲糧象蟲檢索表

儲糧昆蟲兩項式檢索表分為目檢索表、科檢索表、種檢索表等，內(nèi)容較多，本文選擇儲糧昆蟲鞘翅目象蟲科檢索表為對象開展研究。以我國最主要的儲糧害蟲玉米象（Sitophilus zeamais）為例，其是節(jié)肢動物門、有顎亞門、六足總綱、昆蟲綱、有翅亞綱、鞘翅目、象甲科的1種。在象甲科的檢索表中，玉米象檢索表如圖1[1]。

依據(jù)檢索表進(jìn)行昆蟲檢索鑒定時，由第一項開始，首先判斷昆蟲是否具有“喙粗短，背緣向上拱隆”等特征信息，如符合這些特征，則直接確定為闊鼻谷象，否則進(jìn)入第2項，第2項判斷“觸角著生處與復(fù)眼”等特征信息，可據(jù)此確定為羅望子象或進(jìn)入第3項，在第3項中判斷“前胸背板刻點”等特征信息，可據(jù)此確定為谷象或進(jìn)入第4項，第4項依據(jù)雄蟲和雌蟲特點確定為米象或玉米象。

2 儲糧象蟲檢索表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析

2.1 檢索表的二維結(jié)構(gòu)

對檢索表結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察可以看出，檢索表由多條檢索表項構(gòu)成，其中，每一條檢索表項包括三個部分，分別是表項編號、特征描述、具體表項，每一表項有1個表項編號，有2個特征描述，根據(jù)2個特征描述對應(yīng)2個具體表項，具體表項可為蟲種名稱或表項編號，其中表項編號具有唯一性，是確定某一具體表項內(nèi)容的唯一標(biāo)示符。

對于上述檢索表的第1表項而言，其表項編號為“1”，特征描述1為“喙粗短，背緣向上拱隆……”，特征描述2為“喙圓筒狀，背緣直……”，特征描述1對應(yīng)的具體表項是蟲種名稱，即“闊鼻谷象”，特征描述2對應(yīng)的是表項編號，即“2”。

根據(jù)上述分析，對于象甲科中玉米象的檢索表，可以得到結(jié)構(gòu)化的二維表，如表1所示。

觀察表1可以看出，檢索表本質(zhì)上是[n（n≥1）]個有限表項的集合[T]，該集合有且只有一個起始表項（如表1中，編號為1的表項），除起始表項外的檢索表可看作是[m（m≥1）]個互不干涉的有限集合[T1，T2，…，Tm]，其中每一個有限集合同樣是[n（n≥1）]個有限表項的集合。以此類推，直至包括檢索表的所有具體表項（蟲種）。檢索表按照一分為二的方法構(gòu)建，因此其所對應(yīng)的有限表項集合中每一表項所對應(yīng)的具體表項依賴于特征描述的不同可分為[k]個具體表項，其中，[k]=2。基于此二維表表示結(jié)構(gòu)和分析，可以得到檢索表的計算機數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示方法。

2.2 檢索表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析

通過對儲糧象蟲檢索表的二維化結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，檢索表可抽象為非線性的一組有限集合。根據(jù)其特性，在計算機處理中，特別適合用樹形結(jié)構(gòu)進(jìn)行表示。樹形結(jié)構(gòu)是一種重要的計算機數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，樹是由[n（n≥1）]個有限節(jié)點組成一個具有層次關(guān)系的分支結(jié)構(gòu)集合[9]，其中最高層次的特定節(jié)點稱為根，每個節(jié)點的分支本身同樣可以構(gòu)成樹，稱為子樹，以此類推直至所有節(jié)點。

將儲糧象蟲檢索表以樹形結(jié)構(gòu)表示，表項編號為“1”的表項是檢索表的入口，層次最高，即為樹的根節(jié)點，每個表項一分為二的2個特征描述所對應(yīng)的具體表項可以看作是樹的子樹，而每個子樹本身又可以獨立為一個有根節(jié)點和子樹的樹形結(jié)構(gòu)。儲糧象蟲檢索表因其一分為二的特性，可以表示為一類特殊的樹形結(jié)構(gòu)，即二叉樹。二叉樹是一類特殊的樹，每一個節(jié)點的分支子樹不大于2，即表示儲糧象蟲檢索表的每一個具體表項。對應(yīng)的樹形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3 二叉樹方法對檢索表分析

通過分析儲糧象蟲檢索表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可構(gòu)造出二叉樹圖，如圖3所示。

對所構(gòu)造的二叉樹進(jìn)行遍歷操作，可得到儲糧象蟲檢索表的二叉樹數(shù)字化表達(dá)序列：序列“A，B，D，F(xiàn)，H”表示米象;序列“A，B，D，F(xiàn)，I”表示玉米象;序列“A，B，D，G”表示谷象;序列“A，B，E”表示羅望子象;序列“A，C”表示闊鼻谷象。

注：A表示檢索表起點，B表示檢索表第1項所述“喙圓筒狀，背緣直……”，C表示檢索表第1項所述“喙粗短，背緣向上拱隆……”，即“闊鼻谷象”，因此C為葉子結(jié)點。D表示檢索表第2項所述“觸角著生處與復(fù)眼前方幾乎相接……”，E表示檢索表第2項所述“觸角著生處與復(fù)眼……”，即“羅望子象”，因此E為葉子結(jié)點。F表示檢索表第3項所述“前胸背板刻點圓形，排列較密……”，G表示檢索表第3項所述“前胸背板刻點長卵圓形……”，即“谷象”，因此G為葉子結(jié)點。H表示檢索表第4項所述“雄蟲陽莖背面均勻隆起，無縱凹溝……”，即“米象”，I表示檢索表第4項所述“雄蟲陽莖背面扁平，有2條平行的縱凹溝……”，即“玉米象”，因此H、I均為葉子結(jié)點。

3 檢索表的數(shù)字化實現(xiàn)方法

3.1 儲糧昆蟲信息分類的編碼表示

3.1.1 檢索表項具體蟲種編碼。玉米象屬于儲藏物昆蟲。儲藏物昆蟲的分類階元主要包括目、科、種三個主要單元，其中種是分類的基本單元，種以下分類包括亞種、變種、型、生態(tài)宗等。雖然種不是生物進(jìn)化的最終分支，但實際的儲藏物昆蟲分類檢索中，一般以種為最終單元[10]。

要進(jìn)行儲糧昆蟲檢索表的計算機存儲，需要對每一個蟲種進(jìn)行唯一編碼，以區(qū)分不同的儲糧昆蟲蟲種。原國家糧食局于2018年1月8日發(fā)布了《糧食信息分類與編碼 儲糧病蟲害分類與代碼》（LS/T 1709—2018），定義了常見病蟲害的分類和代碼，將儲糧害蟲分為危險性害蟲、蛀食性害蟲、其他重要害蟲三類，儲糧蟲種編碼79種，玉米象定義為蛀食性害蟲，編碼為“21211”[11]。該編碼沒有包含目、科、種分類階元信息，編碼長度不足。基于此，本文建立昆蟲編碼表示。

本文的編碼采用層次碼結(jié)構(gòu)，共分為三個層次，各層次分別表示儲糧昆蟲的目、科、種。編碼采用7位阿拉伯?dāng)?shù)字表示，第一層次、第二層次用兩位阿拉伯?dāng)?shù)字表示，第三層次用三位阿拉伯?dāng)?shù)字表示。第一層次代碼為01～99，第二層次代碼為01～99，第三層次代碼為001～999，采用順序碼。玉米象屬于鞘翅目、象蟲科，則其編碼中第一層次“鞘翅目”用“12”表示，第二層次“象蟲科”用“02”表示，第三層次“玉米象”用“005”表示，則玉米象對應(yīng)的編碼為“1202005”。

3.1.2 檢索表表項編號編碼。在檢索表中，表項編號也需要建立對應(yīng)的唯一編碼，以進(jìn)行對應(yīng)的存儲管理。如表1所示的結(jié)構(gòu)化二維表中，表項編號為“1”的特征描述2對應(yīng)的是表項編號，即表項編號“2”。考慮到目、科、種的不同檢索表，本文建立統(tǒng)一的表項編號編碼。編碼采用層次碼結(jié)構(gòu)，共4位，分為三個層次，各層次分別表示儲糧昆蟲的分類階元、表項編號、特征描述號。第一層次用英文字母表示，第二層次用兩位阿拉伯?dāng)?shù)字表示，第三層次用一位英文字母表示。第一層次代碼采用目（Order）、科（Family）、種（Species）的英文首字母表示，取值為“O”或“F”或“S”;第二層次代碼為01～99，采用順序碼;第三層次代碼為特征描述號，用英文字母“A”或“B”表示。例如，“S01A”表示象蟲科蟲種（Species）檢索表中表項編號為“1”的特征描述“1”對應(yīng)的檢索表項。

3.2 檢索表二叉樹的數(shù)據(jù)庫表示

應(yīng)用計算機系統(tǒng)對檢索表二叉樹分析的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和管理，通常采用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行。通過前述分析，可以以表1所示的結(jié)構(gòu)化二維表為基礎(chǔ)建立數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。為了便于計算機處理，需要增加昆蟲編碼、二叉樹父節(jié)點編碼、二叉樹葉子節(jié)點編碼、終端節(jié)點標(biāo)記等字段。其中，昆蟲編碼字段指向具體蟲種的檢索表項，其字段內(nèi)容為實際的7位數(shù)字昆蟲編碼;對于指向表項編號的檢索表項，其字段內(nèi)容為4位檢索表項編號編碼;父節(jié)點編碼字段指向當(dāng)前檢索表項描述內(nèi)容對應(yīng)的表項編號，在儲糧象蟲檢索表中，玉米象對應(yīng)的父節(jié)點編碼字段內(nèi)容為“3”，即該二叉樹葉子節(jié)點的父節(jié)點;葉子節(jié)點編碼字段內(nèi)容為當(dāng)前檢索表項描述內(nèi)容所指向的檢索表項的表項編號，如某描述為具體蟲種，則葉子節(jié)點編碼字段內(nèi)容為“0”，不同的葉子節(jié)點編碼對應(yīng)二叉樹的左子樹和右子樹節(jié)點;終端節(jié)點標(biāo)記字段內(nèi)容為布爾（Boolear）類型，如當(dāng)前檢索表項指向具體蟲種，則該字段為True，否則為False。獲得的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如表2所示。

除了針對象蟲科分蟲種檢索表二叉樹的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表外，還存在類似結(jié)構(gòu)的科檢索表和目檢索表，因為其都可以采用二叉樹進(jìn)行表示，所有建立的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)表格式類似，如鞘翅目分科檢索表的數(shù)據(jù)信息如表3所示，儲糧昆蟲分目檢索表的數(shù)據(jù)信息如表4所示。

本文還結(jié)合實際應(yīng)用建立了儲糧昆蟲基本信息表，以昆蟲編碼為關(guān)聯(lián)外鍵，內(nèi)容包括了形態(tài)特性、生物學(xué)特性、經(jīng)濟意義、分布以及昆蟲圖片等字段，儲糧昆蟲基本信息如表5所示。

通過建立數(shù)據(jù)庫，可使儲糧昆蟲檢索表的二叉樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化存儲，其目的是進(jìn)行二歧分類檢索和關(guān)鍵詞查找檢索，通過關(guān)鍵特征快速確定儲糧昆蟲的種類名稱，給出其生活特性、生物學(xué)特性、經(jīng)濟意義、分布及昆蟲圖片等信息，從而指導(dǎo)糧食儲藏和害蟲防治工作，同時為儲藏物昆蟲科學(xué)研究提供先進(jìn)的技術(shù)手段。

3.3 兩項式檢索表的數(shù)字化應(yīng)用

基于前述建立的檢索表二叉樹結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，本文建立了儲糧象蟲查詢檢索軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)主要功能包括二歧分類檢索、關(guān)鍵詞查詢、昆蟲信息顯示等。二歧分類檢索功能是以儲糧昆蟲檢索表為基礎(chǔ)，從初始表項開始，顯示完整的檢索表內(nèi)容，可以按照不同的特征描述分支，進(jìn)行二歧分類選擇，自構(gòu)建的二叉樹父節(jié)點始，逐級到達(dá)對應(yīng)的終端表項，指向某一葉子節(jié)點，從而得到具體蟲種。關(guān)鍵詞查詢功能是指在軟件系統(tǒng)中輸入某蟲種檢索表特征關(guān)鍵詞，通過數(shù)據(jù)庫檢索，快速獲得所有相關(guān)檢索表描述內(nèi)容，給出相關(guān)檢索表項，從而得到具體蟲種。昆蟲信息顯示功能則是用于顯示獲得的葉子節(jié)點對應(yīng)蟲種的信息，顯示內(nèi)容包括其形態(tài)特性、生活習(xí)性、經(jīng)濟意義、分布及昆蟲圖片等[10]，方便使用者了解蟲種特征和相關(guān)信息。軟件系統(tǒng)界面如圖4所示。

4 結(jié)語

通過對儲糧昆蟲兩項式檢索表進(jìn)行分析，可以建立對應(yīng)的二維表，并得到適用于計算機處理的二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而通過二叉樹的遍歷快速完成檢索表的檢索。此外，二叉樹結(jié)構(gòu)的檢索表便于進(jìn)行數(shù)據(jù)庫存儲，通過數(shù)據(jù)庫存儲和管理后，能更精確地進(jìn)行檢索表的任意關(guān)鍵詞查詢，更符合儲糧象蟲檢索表的使用習(xí)慣。在我國“糧食云”云計算系統(tǒng)構(gòu)建中，可以提供開放的儲備管理業(yè)務(wù)子域支持，從而推動“軟件定義糧食”[12]的實現(xiàn)。

本文通過建立數(shù)字化的兩項式檢索表，可以通過昆蟲形態(tài)關(guān)鍵詞進(jìn)行切入，以顯而易見的直觀的方式，按照綱、目、科、屬、種的層次關(guān)系，快速判別鑒定儲糧害蟲。同時，可以通過儲糧昆蟲特征詞和關(guān)鍵詞快速提取蟲種鑒定信息，還可以通過反向逆查方式由蟲種追溯其屬、科、目、綱信息。本文在上述方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了軟件系統(tǒng)的開發(fā)和實現(xiàn)，以鞘翅目象蟲科檢索表為例進(jìn)行了使用驗證，并在全國儲糧昆蟲調(diào)查后期數(shù)據(jù)處理中得到了應(yīng)用，效果良好。

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