抚顺地区树木分类信息查询技术及应用研究

邬昕彤

(抚顺市林业发展服务中心，辽宁 抚顺 113006)

1 项目背景

1.1 树木分类信息管理的可行性和必要性

长期以来，林业工作者开展林业野外调查工作，在识别树种时，只能通过翻查《树木志》等相关文献查询目标树种的相关属性，查询步骤繁琐、准确率不高，严重影响林业生产工作效率。随着抚顺林业的发展和科技创新，对林业工作软件的需求与日俱增，特别是对树种辨识有了更新、更迫切的需求，因此抚顺市林业发展服务中心依据《抚顺市树木志》等相关文献资料，结合我市实际情况，研究开发抚顺地区树木分类信息查询技术及应用软件。该系统以其方便、快捷、准确的特点取代工具书查询，主要用于野外调查工作中，对目标树木种类、属性及分布等信息的即时查询和记录，在野外调查中具有极高的可行性和实用性。该应用将提高林业工作者野外调查工作效率，加大珍贵树种保护力度，增加保护区内树种管护强度。与此同时，也将提升广大市民对林业科普知识的学习兴趣，扩大林业工作在全市的认知力和影响力。

1.2 树木分类信息管理设计依据

抚顺地区树木分类信息管理数据来源于《抚顺树木图鉴》，搜集有抚顺地区乡土树种及引种栽培成功树种，包括乔木、灌木和木质藤本共47科107属340种，另有23个变型和品种。在设计开发上遵循《数字林业应用系统开发集成规范》等标准，遵循关系型数据模型的特点，完成树木门科属等信息的数据建模，实体属性关系清晰，符合数据设计规范，并据此构建了树木分类信息数据库。

2 研究内容

2.1 PC端树木分类信息管理研究

(1)查询功能。按枝叶查询：可通过输入或选择枝叶的特点来查询到该树种信息；按树干查询：可通过树干、树皮等信息查询到该树种信息；按特点查询：通过录入特点关键字，查询该树种信息；按树种名查询：通过录入树种名查询该树种的信息。

(2)模糊查询。通过录入树种某个或某些器官的典型性状信息，通过SQL进行模糊查询树种，再通过树木、根、茎、枝叶比对功能来确定该树种，从而查询到该树种的详细信息。

(3)树种特征查阅功能。可下拉选择科、属、树种名称来查阅该科属的特征及对应图片。

(4)录入和删除功能。可增加树种，录入该树种的全部信息及图片。

(5)修改功能。可修改树种，录入该树种的全部信息及图片。

(6)数据导入及导出。可导入和导出数据库，形成需要格式的数据。

(7)打印功能。可打印指定格式的树木介绍及特点等图文混排内容，可以打印输出数据分析报告。

(8)统计和分析功能。通过对某树种和林业数据库(地形、地貌、林地分布)的信息，分析抚顺地区或某一区域树种变化量、树木的生长量、林地使用量、树种变化对环境的影响、某树种的最适宜栽种区等综合数据信息，形成分析报告。

(9)智能附图功能。根据统计和分析结果，智能将分布等信息落到抚顺地区的林业图上，并形成图表对比，更直观指导森林经营及营林护林。

(10)珍稀树种采集功能。按现有国家树种分类，收集国家二级以上珍贵树种位置，根据移动客户端使用时传回的智能定位信息，服务器端处理后，在PC客户端实现国家二级以上珍贵树种分布绘制，完善原有林业重点树种分布信息，并形成国家二级以上珍贵树种分布位置报告。

2.2 移动端树木分类信息查询及树木识别研究

(1)树木分类查询。按枝叶查询：通过输入或选择枝叶的特点来查询到该树种；按树干查询：通过树干、树皮等信息查询到该树种；按特点查询：通过录入特点关键字，查询该树种；按树种名查询：通过录入树种名查询该树种的信息

(2)树木模糊查询。通过录入或选择该树种的一些信息，模糊查询树种，再通过软件显示的图片来确定该树种，从而查询到该树种的详细信息。

(3)拍照图像采集及对比分析研究。通过手机拍摄、截图等多种方式，获取树木图片，对图片进行预处理，与服务器数据进行比对，确定该树木的名称，并显示该树木信息。

(4)树木智能定位分布研究。通过定位手机拍摄地点，传回服务器，经服务器处理后，可在移动客户端查看该手机或智能设备在哪拍过照片，都拍过哪些树种等相关信息。

2.3 服务器端功能研究

(1)基础端模型研究。根据基础模型功能需求，建立完善的数据库和图形库。

(2)数据传输功能研究。采用WebService和webSocket与服务器进行通信，完成数据的收发。

(3)运行状态查看功能。可在服务器端查看数据模型训练情况、准确率等，可以查看运行状态、访问量、成功量等，可以查看数据运行内存、占据硬盘数、数据增长量、负荷承载等。

通过上述问题的分析，对大数据时代的智慧城市建设与发展困局化解有了全新的认识和了解。智慧城市是在物联网和云计算等技术的基础上，实现数字世界和现实世界的有机结合。智慧城市的建设可以有效地构建一种高标准的城市环境，从而对实现政府的智能以及便捷民生有着积极的促进作用。但是当前大数据时代的智慧城市建设发展还依然面临着信息安全的发展困局、基础设施的发展困局以及行业标准的发展困局，因此，相关管理人员应积极采取加强和优化信息化程度、完善创新城市基础设施以及深化建立相关制度机制等措施，才能更好地解决智慧城市当前面临的难题，为智慧城市的长远发展奠定坚实的基础。

(4)软件维护功能。可通过人工对软件优化，发布新版本后，上传至服务器，由服务器分发。

(5)智能收集错误信息功能。可收集在PC客户端、移动客户端软件运行时的错误，并提出错误根据，统计重点修改区域和功能。

2.4 系统设计技术路线

基于移动采集端智能手机APP和PC端计算机实现的抚顺地区树木分类信息查询技术及应用，其技术路线主要分以下3个步骤(图1)：

图1 树木分类信息查询系统设计技术路线

第1步：树木样本数据采集及处理。树木样本图片采集。利用移动端树木查询APP对各类树种现场拍照，然后分类上传到服务器端图片中，完成树木样本数据的采集。

树木样本图片预处理。运行服务器端图片预处理程序，对采集到的图片进行图像的增强处理，生成树木识别样本数据集。

树木分类信息入库。将《抚顺树木图鉴》中树木分类信息进行整理，导入树木分类信息数据库中，同时关联树种分类图片。

第2步：分类模型训练及参数微调。树木分类模型训练。提取样本数据集，运行多分类器训练程序，进行模型计算，针对输出结果进行参数调整，如果达到预期目标输出模型结果，存储于服务器端。

第3步：树木分类识别及查询结果输出。PC端应用程序完成树木分类信息的添加、删除、修改和分类查询及分布统计。移动端实现树木现场拍照上传、树木分类识别和树木分类信息查询结果输出。

2.5 系统开发模式

抚顺地区树木分类信息查询技术及应用包括基于Web的树木查询信息管理系统和基于Android的树木查询APP软件两部分。其开发模式包括如下两部分：

(1)基于Web的树木分类信息管理系统采用MVC设计模式，使用C#语言集合ASP。NET实现系统全部功能。树木信息存储于SQLServer2008 R2关系型网络数据库中，便于树木查询系统和移动端对树木信息的调用。系统部署于Windows Server2008 R2网络操作系统上，Web服务器为IIS7。

(2)基于Android的树木查询APP软件，采用Android Studio开发平台，基于Java语言实现树木识别、查询、图片上传等全部功能。树木识别算法部署于Ubuntu服务器端的Python运算环境，采用Keras框架的深度学习算法来实现树木图形分类识别功能。数据传递基于Web Services技术实现。

2.6 系统主要创新功能

2.6.1 构建模型自适应的多分类器树种识别架构

依据树木照片采集部位的多样性，构建了模型自适应的多分类器树种识别架构，该架构基于树木图形的全景、树干、茎、叶、花、果6种类型进行多分类器的构建，对输入图片自适应地选择最佳分类器模型进行树种分类。

2.6.2 实现树木图片多视角的高精度识别

采用分类器分组提供自适应权值的多模型集成算法，实现树木图片多视角的高精度识别。通过前端组分类器对树木图片拍摄部位进行识别，获得6种类别权值，归一化后得到模型集成参数，从而实现自适应选择最优分类器模型，达到精确分类识别目标。

项目中使用的CNN由输入层、卷积层、激活层、池化层、全连接层以及输出层组成。网络层的深度可通过增加卷积层、池化层或者全连接层的个数来调节。通常情况下，卷积层和池化层可交替设计。

3 示范与推广情况

该项目研究成果已在抚顺市林业主管部门和林业爱好者中得到广泛应用。该系统以其方便、快捷、准确的特点取代工具书查询，主要用于野外调查工作中，对目标树木种类、属性及分布等信息的即时查询和记录。“抚顺地区树木分类信息查询技术及应用软件”研发成功后将在抚顺市范围内广泛应用，目前已经在新宾县、清原县、抚顺县等县区，市属科研院所，市直大伙房林场、大东沟管理局等林业单位广泛应用，同时面向广大市民已经免费开放，手机端软件安装次数2 000余次，近期数据反馈树木查询信息上传4万余条。

4 结 论

抚顺地区树木分类信息查询技术及应用系统是基于《抚顺树木图鉴》和《数字林业应用系统开发集成规范》等系统开发标准下采用Web开发技术、数据库技术、移动应用开发技术和基于深度学习的图像识别技术等先进技术，依托当前主流软硬件基础环境设计研发的。系统功能实用性强，操作简便明了，包括移动端APP和PC端两套系统，移动端具有外业树木数据采集识别功能，包含相机、拍照、识别、查询、照片上传、定位等功能，提高了调查精度；PC端具有树木分类信息的录入、删除、修改、查询和统计等功能；智能树木分类识别算法实现了手机拍照识别查询功能，系统计算速度快识别率高。通过抚顺地区树木分类信息查询技术及应用软件，可以帮助林业工作者科学、快捷完成对目标树木种类、属性及分布等信息的即时查询和记录，提高野外调查工作的效率和质量。