图像识别技术在中药资源研究中的应用与展望

成都中医药大学，四川 成都 611137

随着社会经济的发展，生活方式的转变，疾病谱的改变和对健康问题关注的提升，对健康服务业带来了巨大的市场需求和发展机遇。中药资源不仅是我国传统的独特的健康资源，同时也是健康服务业的发展的物质基础。随着中药产业的快速发展和中药现代化进程的推进，中药资源的蕴藏量、需求量和主产区分布正在不断改变，对于当前我国现存中药资源普查、中药适宜性区划、中药资源保护、开发和合理利用等研究工作的开展十分必要，而结合现代科学技术开展中药资源的研究工作是目前的热点。

图像识别技术是计算机图像处理和识别技术的简称，是以计算机对图像进行处理、分析和理解为基础，用于识别各种不同模式的目标和对像的技术，即利用现代信息处理与计算技术模拟和完成人类的认识和理解过程[1]。随着计算机硬件设备的提升、计算机算法的优化、信息通信技术的革新以及图像处理和分析技术的不断发展，图像识别技术愈发的智能化，特别是基于深度学习和计算机视觉的图像识别技术得到了广泛的应用。如人体识别、图文识别、动植物识别、指纹识别和人脸识别等，在信息通信、交通运输、大气与环境监测、医学、军事、航空航天、地理和农业等领域取得了巨大的进展和深入的应用。笔者就目前图像识别技术在中药资源方面的研究和应用情况进行简单介绍，以期为中药资源的现代研究提供参考，也为中药现代化的发展提供新的方向和思路。

1 图像识别技术简介

图像识别技术始于20世纪50年代，随着图像处理技术和分析算法的发展，其经历了文字识别、数字化信息处理、不同物体识别等三个发展历程[2]。尽管计算机图像识别技术对于某些对象类别的识别仍存在明显错误或无法执行任务，但其对于耗时长、海量信息的视觉识别任务具有明显的优势，具备对处理图像灵活缩放，快速关联等特点。

图像识别的步骤包括图像处理、特征选择和提取等。图像可依据色彩特征、纹理、形状和空间关系等进行分类，通过图像采集、图像增强、图像复原、图像编码与压缩、图像分割等图像处理技术[3]，依靠计算机挖掘不同类型图像的纹理、形状及空间等特征信息进行分类和处理。特征选择和提取是模式识别的关键环节，可分为监督识别方法和非监督识别方法，其中监督识别方法利用标记样本训练分类器，参数拟合后通过图像比对进行分类；非监督识别方法提过无标记样本间距判定模式，用于图像分割和压缩。图像识别关注对象本身属性，识别方法包括统计模式识别、仿生模式识别、结构模式识别、人工神经网络模式识别、支持向量机和模糊模式识别[4]。特别是近年来人工神经网络、模糊识别算法和非线性图像降维处理技术的快速发展使得人工智能可视化、三维重建以及虚拟现实技术受到国内外各行各业的研究者的广泛关注。

2 图像识别技术在中药资源研究中的应用

2.1 图像识别技术在中药资源调查的应用 中药资源调查工作分为外业调查(野外实地调查)和内业整理(资源资料和数据整理)，外业调查需要记录资源个体种类信息，包括资源个体照片、药用部位照片、标本照片以及部分药材和种质资源照片等，内业整理将对调查记录和照片准确、快速地统计汇总分类等[5]。传统的调查方法费时、效率低、工作量大，不利于调查工作的开展。因此，结合图像识别技术可极大的改善中药资源调查的效率和准度。

2.1.1 图像识别技术在外业调查中的应用 外业调查中对于中药资源面积和蕴藏量的估算可借助遥感图像和地面调查数据相结合的方法进行资源统计汇总，可提高表达中药资源蕴藏量、生境分布情况的效率和准确度。根据中药资源的地域性和散生性，以及不同药用植物的光谱特征，利用遥感技术开展区域中药资源调查研究，取得了一定进展。栽培中药资源呈现地区集中分布和多记录在案的特点，如陈士林等[6～7]利用遥感技术开展人参和三七的分布面积和产量调查研究，根据SPOT5(5m)影像与统计数据比较估算相对面积和相对产量；根据图斑面积估算人参种植面积并结合人工抽样法估算人参总产量。朱寿东等[8]借助多源遥感影像和空间抽样技术，根据间接估算法构建地上部分与地下部分的定量关系估算栽培川续断的蕴藏量。孙志群等[9]基于Worldview-2影像采用目视解译方法提取伊犁贝母信息能有效估算伊犁贝母蕴藏量和分布面积。野生中药资源分为野生广布种和野生稀有种，野生广布种往往分散在不同植被群落，野生稀分散在少数植被群落中，可根据其散生性和半生状况利用遥感图像建立调查对象与生态因子的关系模型，结合野外实地调查数据开展中药资源的蕴藏量和分布面积估算研究，如张本刚等[10]利用中等分辨率遥感EMT影像估算野生广布种甘草的分布面积和蕴藏量；孙宇章等[11]以野生稀有茅苍术为调查对象筛选影响其生态因子，通过TM影像解译反演，获取茅苍术生长密度地物类别进而估算茅苍术蕴藏量等。

2.1.2 图像识别技术在内业整理中的应用 中药资源的内业整理工作需要实物与名称的对应关系，有较高的统计分类的准确性和客观性要求，同时为保证各类图像信息汇总分类的效率，图像识别技术具有非常明显的优势。中药资源信息化建设可基于现有文献资料扫描，结合文字识别技术，建立中药资源名录数据库，从而保证同种同源中药材名称一致性和客观性。同时对于中药资源标本实物信息和个体照片辅助统计汇总工作，采用图像识别技术建立分类识别模式系统，对超大量图片进行分类和整理，进而减少工作量，提高分类时效和工作同步性。如目前基于开展全国第四次中药资源普查工作而开发的“全国中药资源普查信息管理系统”[12]，其包括统一采集和标记标本信息、快速统计汇总标本资源种类等方式进行标本信息的汇总分类；以“种”为基本单元筛选同种资源“相似度较低”图片进行种源分类，以及以大量图片为整体基于聚类分析辅助人工分类等方式进行照片的统计汇总种类信息。

2.2 图像识别技术在中药资源监测中的应用 中药资源在的分布、种类、蕴藏量、产量和需求量等并不是一成不变，其动态变化直接关系到中药材生产、产量、质量和价格等，对于中药资源的动态监测十分必要。结合遥感图像的动态分析功能用于中药资源的动态监测，可弥补传统的资源调查方法静态描述的不足，增强其时效性和科学性，并为政策法规落实和市场导向提供支撑数据。栽培中药资源动态监测可采用遥感测量结合实地验证进行分析实现资源动态监测，如史婷婷等[13]以吉林省抚松县为研究区域，以资源三号(ZY3)卫星数据为数据源，探讨基于规则集的面向对象方法的人参种植区提取方法，目前对于种植药材的的长势、病虫害、生镜的动态监测等是栽培中药资源动态检测的重点。野生广布中药资源的动态监测因其分布较广，监测较为容易，特别是在植被群落中占绝对优势的乔木和灌木类中药资源的动态监测已比较成熟。如孙宇章等[14]利用RS和GIS联合技术，以Landsat5 TM为数据源，对3期TM遥感图像进行银杏信息提取分析，并结合实地调查数据获取邳州市银杏空间分布及多年动态变化规律。对于林下资源或野生稀有资源的动态监测，可利用多光谱遥感监测物种生态环境中植被覆盖情况，构建物种与生镜之间的关系模型，结合人工调查数据可实现调查对象的资源动态监测。如张小波等[15]通过对比不同年月多伦县TM遥感影像，基于多伦县不同时期植被指数的变化情况并结合地面调查数据，实现不同时期多伦芍药资源变化的监测。

2.3 图像识别技术在中药资源区划研究中的应用 中药的分布、产量和质量与生态环境紧密相关。中药区划对于药材的引种和扩种，开发和保护濒危物种，促进中药资源可持续利用具有非常重要的意义[16]。中药区划主要是生态适宜性区划，通过研究对象所在地的气候、土壤、地形等自然条件的分布异变规律进行区划。目前中药适宜性区划研究主要是定量的数值区划以及定性和定量相结合的区划。遥感图像能显著提高中药区划的效率、精确度，并排除人为因素干扰。如张优等[17]基于TM、ETM+影像和DEM数据，提取林地、海拔高程、坡度、坡向、气温、降水、土壤等影响四川地区栽培种植中药材猪苓生长发育的关键生态因子，利用GIS技术对四川省猪苓的生态适宜性进行分析，结合野外实际调查数据表明猪苓资源实际的分布地区与实验结果较符合。如尚雪等[18]以四川省为例，利用遥感和GIS技术，结合地形、气候、土壤和植被等4个影响川牛膝生长的生态环境因子进行川牛膝适宜性分布研究，结果与野外实测情况基本吻合。如董永波等[19]以四川省为例，以遥感影像、DEM、年均温、年均降水、土壤、植被等数据为信息源，基于Arc-GIS10.3软件的空间分析功能，对川西璋牙菜适宜性生态因子进行提取和叠加分析，结合野外验证，确定四川省川西樟牙菜适宜性分布区。以上研究为遥感技术在中药区划研究中广泛应用奠定了良好的基础。

3 图像识别技术在中药资源研究中应用的展望

中药资源普查、动态监测和区划工作十分复杂，但又是中药资源可持续发展和利用的前提。图像识别技术应用于中药资源研究，可提供科学的实时数据，提高对中药资源的宏观调控机制，为中药资源可持续发展和利用的政策制定提供坚实的基础。

图像识别技术对于推进中药现代化和促进中药资源的可持续利用具有非常重要的现实意义。针对目前图像识别技术在中药资源研究中应用出现的问题，如对于外业调查的实物、个体照片和腊叶标本的识别能力较弱，多为基于图片逻辑判断的简单分类，未有可靠稳定的平台或数据库可方便快速进行实物识别，可以探索借助移动互联网技术和卷积神经网络技术开发基于手机客户端的植物识别APP，实现用户随时随地利用手机APP识别药用植物、药材种类、名称、来源、产地、药用功效和标准图片等信息。同时，还可以探索基于虚拟现实技术和人机交互模式开发药材图片三维展示的系统和设备，提高中药教学、中药资源调查、中药鉴定和中药标本馆藏等工作的场景化和时效性。

在中药资源研究中涉及的文字、遥感图像、个体照片和腊叶标本等照片，可利用计算机技术和图像识别技术相结合，实现资源数据的可视化，提高研究工作效率和准确性，为中药现代化的发展产生积极的推动作用。