撫順地區(qū)樹木分類信息查詢技術(shù)及應(yīng)用研究

鄔昕彤

(撫順市林業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，遼寧 撫順 113006)

1 項(xiàng)目背景

1.1 樹木分類信息管理的可行性和必要性

長期以來，林業(yè)工作者開展林業(yè)野外調(diào)查工作，在識(shí)別樹種時(shí)，只能通過翻查《樹木志》等相關(guān)文獻(xiàn)查詢目標(biāo)樹種的相關(guān)屬性，查詢步驟繁瑣、準(zhǔn)確率不高，嚴(yán)重影響林業(yè)生產(chǎn)工作效率。隨著撫順林業(yè)的發(fā)展和科技創(chuàng)新，對林業(yè)工作軟件的需求與日俱增，特別是對樹種辨識(shí)有了更新、更迫切的需求，因此撫順市林業(yè)發(fā)展服務(wù)中心依據(jù)《撫順市樹木志》等相關(guān)文獻(xiàn)資料，結(jié)合我市實(shí)際情況，研究開發(fā)撫順地區(qū)樹木分類信息查詢技術(shù)及應(yīng)用軟件。該系統(tǒng)以其方便、快捷、準(zhǔn)確的特點(diǎn)取代工具書查詢，主要用于野外調(diào)查工作中，對目標(biāo)樹木種類、屬性及分布等信息的即時(shí)查詢和記錄，在野外調(diào)查中具有極高的可行性和實(shí)用性。該應(yīng)用將提高林業(yè)工作者野外調(diào)查工作效率，加大珍貴樹種保護(hù)力度，增加保護(hù)區(qū)內(nèi)樹種管護(hù)強(qiáng)度。與此同時(shí)，也將提升廣大市民對林業(yè)科普知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣，擴(kuò)大林業(yè)工作在全市的認(rèn)知力和影響力。

1.2 樹木分類信息管理設(shè)計(jì)依據(jù)

撫順地區(qū)樹木分類信息管理數(shù)據(jù)來源于《撫順樹木圖鑒》，搜集有撫順地區(qū)鄉(xiāng)土樹種及引種栽培成功樹種，包括喬木、灌木和木質(zhì)藤本共47科107屬340種，另有23個(gè)變型和品種。在設(shè)計(jì)開發(fā)上遵循《數(shù)字林業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)集成規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)，遵循關(guān)系型數(shù)據(jù)模型的特點(diǎn)，完成樹木門科屬等信息的數(shù)據(jù)建模，實(shí)體屬性關(guān)系清晰，符合數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，并據(jù)此構(gòu)建了樹木分類信息數(shù)據(jù)庫。

2 研究內(nèi)容

2.1 PC端樹木分類信息管理研究

(1)查詢功能。按枝葉查詢：可通過輸入或選擇枝葉的特點(diǎn)來查詢到該樹種信息；按樹干查詢：可通過樹干、樹皮等信息查詢到該樹種信息；按特點(diǎn)查詢：通過錄入特點(diǎn)關(guān)鍵字，查詢該樹種信息；按樹種名查詢：通過錄入樹種名查詢該樹種的信息。

(2)模糊查詢。通過錄入樹種某個(gè)或某些器官的典型性狀信息，通過SQL進(jìn)行模糊查詢樹種，再通過樹木、根、莖、枝葉比對功能來確定該樹種，從而查詢到該樹種的詳細(xì)信息。

(3)樹種特征查閱功能?？上吕x擇科、屬、樹種名稱來查閱該科屬的特征及對應(yīng)圖片。

(4)錄入和刪除功能。可增加樹種，錄入該樹種的全部信息及圖片。

(5)修改功能?？尚薷臉浞N，錄入該樹種的全部信息及圖片。

(6)數(shù)據(jù)導(dǎo)入及導(dǎo)出?？蓪?dǎo)入和導(dǎo)出數(shù)據(jù)庫，形成需要格式的數(shù)據(jù)。

(7)打印功能?？纱蛴≈付ǜ袷降臉淠窘榻B及特點(diǎn)等圖文混排內(nèi)容，可以打印輸出數(shù)據(jù)分析報(bào)告。

(8)統(tǒng)計(jì)和分析功能。通過對某樹種和林業(yè)數(shù)據(jù)庫(地形、地貌、林地分布)的信息，分析撫順地區(qū)或某一區(qū)域樹種變化量、樹木的生長量、林地使用量、樹種變化對環(huán)境的影響、某樹種的最適宜栽種區(qū)等綜合數(shù)據(jù)信息，形成分析報(bào)告。

(9)智能附圖功能。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析結(jié)果，智能將分布等信息落到撫順地區(qū)的林業(yè)圖上，并形成圖表對比，更直觀指導(dǎo)森林經(jīng)營及營林護(hù)林。

(10)珍稀樹種采集功能。按現(xiàn)有國家樹種分類，收集國家二級以上珍貴樹種位置，根據(jù)移動(dòng)客戶端使用時(shí)傳回的智能定位信息，服務(wù)器端處理后，在PC客戶端實(shí)現(xiàn)國家二級以上珍貴樹種分布繪制，完善原有林業(yè)重點(diǎn)樹種分布信息，并形成國家二級以上珍貴樹種分布位置報(bào)告。

2.2 移動(dòng)端樹木分類信息查詢及樹木識(shí)別研究

(1)樹木分類查詢。按枝葉查詢：通過輸入或選擇枝葉的特點(diǎn)來查詢到該樹種；按樹干查詢：通過樹干、樹皮等信息查詢到該樹種；按特點(diǎn)查詢：通過錄入特點(diǎn)關(guān)鍵字，查詢該樹種；按樹種名查詢：通過錄入樹種名查詢該樹種的信息

(2)樹木模糊查詢。通過錄入或選擇該樹種的一些信息，模糊查詢樹種，再通過軟件顯示的圖片來確定該樹種，從而查詢到該樹種的詳細(xì)信息。

(3)拍照圖像采集及對比分析研究。通過手機(jī)拍攝、截圖等多種方式，獲取樹木圖片，對圖片進(jìn)行預(yù)處理，與服務(wù)器數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，確定該樹木的名稱，并顯示該樹木信息。

(4)樹木智能定位分布研究。通過定位手機(jī)拍攝地點(diǎn)，傳回服務(wù)器，經(jīng)服務(wù)器處理后，可在移動(dòng)客戶端查看該手機(jī)或智能設(shè)備在哪拍過照片，都拍過哪些樹種等相關(guān)信息。

2.3 服務(wù)器端功能研究

(1)基礎(chǔ)端模型研究。根據(jù)基礎(chǔ)模型功能需求，建立完善的數(shù)據(jù)庫和圖形庫。

(2)數(shù)據(jù)傳輸功能研究。采用WebService和webSocket與服務(wù)器進(jìn)行通信，完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。

(3)運(yùn)行狀態(tài)查看功能。可在服務(wù)器端查看數(shù)據(jù)模型訓(xùn)練情況、準(zhǔn)確率等，可以查看運(yùn)行狀態(tài)、訪問量、成功量等，可以查看數(shù)據(jù)運(yùn)行內(nèi)存、占據(jù)硬盤數(shù)、數(shù)據(jù)增長量、負(fù)荷承載等。

通過上述問題的分析，對大數(shù)據(jù)時(shí)代的智慧城市建設(shè)與發(fā)展困局化解有了全新的認(rèn)識(shí)和了解。智慧城市是在物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)字世界和現(xiàn)實(shí)世界的有機(jī)結(jié)合。智慧城市的建設(shè)可以有效地構(gòu)建一種高標(biāo)準(zhǔn)的城市環(huán)境，從而對實(shí)現(xiàn)政府的智能以及便捷民生有著積極的促進(jìn)作用。但是當(dāng)前大數(shù)據(jù)時(shí)代的智慧城市建設(shè)發(fā)展還依然面臨著信息安全的發(fā)展困局、基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展困局以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展困局，因此，相關(guān)管理人員應(yīng)積極采取加強(qiáng)和優(yōu)化信息化程度、完善創(chuàng)新城市基礎(chǔ)設(shè)施以及深化建立相關(guān)制度機(jī)制等措施，才能更好地解決智慧城市當(dāng)前面臨的難題，為智慧城市的長遠(yuǎn)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(4)軟件維護(hù)功能?？赏ㄟ^人工對軟件優(yōu)化，發(fā)布新版本后，上傳至服務(wù)器，由服務(wù)器分發(fā)。

(5)智能收集錯(cuò)誤信息功能?？墒占赑C客戶端、移動(dòng)客戶端軟件運(yùn)行時(shí)的錯(cuò)誤，并提出錯(cuò)誤根據(jù)，統(tǒng)計(jì)重點(diǎn)修改區(qū)域和功能。

2.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)路線

基于移動(dòng)采集端智能手機(jī)APP和PC端計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的撫順地區(qū)樹木分類信息查詢技術(shù)及應(yīng)用，其技術(shù)路線主要分以下3個(gè)步驟(圖1)：

圖1 樹木分類信息查詢系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)路線

第1步：樹木樣本數(shù)據(jù)采集及處理。樹木樣本圖片采集。利用移動(dòng)端樹木查詢APP對各類樹種現(xiàn)場拍照，然后分類上傳到服務(wù)器端圖片中，完成樹木樣本數(shù)據(jù)的采集。

樹木樣本圖片預(yù)處理。運(yùn)行服務(wù)器端圖片預(yù)處理程序，對采集到的圖片進(jìn)行圖像的增強(qiáng)處理，生成樹木識(shí)別樣本數(shù)據(jù)集。

樹木分類信息入庫。將《撫順樹木圖鑒》中樹木分類信息進(jìn)行整理，導(dǎo)入樹木分類信息數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)關(guān)聯(lián)樹種分類圖片。

第2步：分類模型訓(xùn)練及參數(shù)微調(diào)。樹木分類模型訓(xùn)練。提取樣本數(shù)據(jù)集，運(yùn)行多分類器訓(xùn)練程序，進(jìn)行模型計(jì)算，針對輸出結(jié)果進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，如果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)輸出模型結(jié)果，存儲(chǔ)于服務(wù)器端。

第3步：樹木分類識(shí)別及查詢結(jié)果輸出。PC端應(yīng)用程序完成樹木分類信息的添加、刪除、修改和分類查詢及分布統(tǒng)計(jì)。移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)樹木現(xiàn)場拍照上傳、樹木分類識(shí)別和樹木分類信息查詢結(jié)果輸出。

2.5 系統(tǒng)開發(fā)模式

撫順地區(qū)樹木分類信息查詢技術(shù)及應(yīng)用包括基于Web的樹木查詢信息管理系統(tǒng)和基于Android的樹木查詢APP軟件兩部分。其開發(fā)模式包括如下兩部分：

(1)基于Web的樹木分類信息管理系統(tǒng)采用MVC設(shè)計(jì)模式，使用C#語言集合ASP。NET實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全部功能。樹木信息存儲(chǔ)于SQLServer2008 R2關(guān)系型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中，便于樹木查詢系統(tǒng)和移動(dòng)端對樹木信息的調(diào)用。系統(tǒng)部署于Windows Server2008 R2網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)上，Web服務(wù)器為IIS7。

(2)基于Android的樹木查詢APP軟件，采用Android Studio開發(fā)平臺(tái)，基于Java語言實(shí)現(xiàn)樹木識(shí)別、查詢、圖片上傳等全部功能。樹木識(shí)別算法部署于Ubuntu服務(wù)器端的Python運(yùn)算環(huán)境，采用Keras框架的深度學(xué)習(xí)算法來實(shí)現(xiàn)樹木圖形分類識(shí)別功能。數(shù)據(jù)傳遞基于Web Services技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

2.6 系統(tǒng)主要?jiǎng)?chuàng)新功能

2.6.1 構(gòu)建模型自適應(yīng)的多分類器樹種識(shí)別架構(gòu)

依據(jù)樹木照片采集部位的多樣性，構(gòu)建了模型自適應(yīng)的多分類器樹種識(shí)別架構(gòu)，該架構(gòu)基于樹木圖形的全景、樹干、莖、葉、花、果6種類型進(jìn)行多分類器的構(gòu)建，對輸入圖片自適應(yīng)地選擇最佳分類器模型進(jìn)行樹種分類。

2.6.2 實(shí)現(xiàn)樹木圖片多視角的高精度識(shí)別

采用分類器分組提供自適應(yīng)權(quán)值的多模型集成算法，實(shí)現(xiàn)樹木圖片多視角的高精度識(shí)別。通過前端組分類器對樹木圖片拍攝部位進(jìn)行識(shí)別，獲得6種類別權(quán)值，歸一化后得到模型集成參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)選擇最優(yōu)分類器模型，達(dá)到精確分類識(shí)別目標(biāo)。

項(xiàng)目中使用的CNN由輸入層、卷積層、激活層、池化層、全連接層以及輸出層組成。網(wǎng)絡(luò)層的深度可通過增加卷積層、池化層或者全連接層的個(gè)數(shù)來調(diào)節(jié)。通常情況下，卷積層和池化層可交替設(shè)計(jì)。

3 示范與推廣情況

該項(xiàng)目研究成果已在撫順市林業(yè)主管部門和林業(yè)愛好者中得到廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)以其方便、快捷、準(zhǔn)確的特點(diǎn)取代工具書查詢，主要用于野外調(diào)查工作中，對目標(biāo)樹木種類、屬性及分布等信息的即時(shí)查詢和記錄?！皳犴樀貐^(qū)樹木分類信息查詢技術(shù)及應(yīng)用軟件”研發(fā)成功后將在撫順市范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用，目前已經(jīng)在新賓縣、清原縣、撫順縣等縣區(qū)，市屬科研院所，市直大伙房林場、大東溝管理局等林業(yè)單位廣泛應(yīng)用，同時(shí)面向廣大市民已經(jīng)免費(fèi)開放，手機(jī)端軟件安裝次數(shù)2 000余次，近期數(shù)據(jù)反饋樹木查詢信息上傳4萬余條。

4 結(jié) 論

撫順地區(qū)樹木分類信息查詢技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)是基于《撫順樹木圖鑒》和《數(shù)字林業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)集成規(guī)范》等系統(tǒng)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)下采用Web開發(fā)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)技術(shù)和基于深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，依托當(dāng)前主流軟硬件基礎(chǔ)環(huán)境設(shè)計(jì)研發(fā)的。系統(tǒng)功能實(shí)用性強(qiáng)，操作簡便明了，包括移動(dòng)端APP和PC端兩套系統(tǒng)，移動(dòng)端具有外業(yè)樹木數(shù)據(jù)采集識(shí)別功能，包含相機(jī)、拍照、識(shí)別、查詢、照片上傳、定位等功能，提高了調(diào)查精度；PC端具有樹木分類信息的錄入、刪除、修改、查詢和統(tǒng)計(jì)等功能；智能樹木分類識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)了手機(jī)拍照識(shí)別查詢功能，系統(tǒng)計(jì)算速度快識(shí)別率高。通過撫順地區(qū)樹木分類信息查詢技術(shù)及應(yīng)用軟件，可以幫助林業(yè)工作者科學(xué)、快捷完成對目標(biāo)樹木種類、屬性及分布等信息的即時(shí)查詢和記錄，提高野外調(diào)查工作的效率和質(zhì)量。