检疫性果实蝇属重要种类分类检索专家系统

黄振 邱荣洲 虞赟 郭琼霞

摘要 ［目的］为实现果实蝇重要种类微形态特征分种检索。［方法］基于显微技术，对果实蝇属重要种类的头、胸、足、腹的显微形态特征进行筛选、比对、提取与特征图像的叠加拍摄，采用同一部位，不同特征对应描述与显微特征图片相结合的方法，编制分类检索表。基于计算机技术，通过传统二叉式检索、多特征对应等鉴别途径，将知识搜索树结构分枝结点的搜索过程表现为从根节点到某个叶节点的一次交互式的路径探寻，将果实蝇的各物种显微形态的关键特征与通信设备手机Android平台（应用程序）相结合。［结果］开发了果实蝇成虫显微特征和图像知识库，建立了以产生式规则为推理机原理的果实蝇属重要种类检索分类系统，实现对果实蝇重要种类微形态特征分种检索与查询。［结论］该系统操作过程简单易用，通过手机索引，减少了查询专业资料的环节，使对果实蝇重要种类分种检索鉴定提供了更直观、更快捷途经和鉴定依据。

关键词 果实蝇；知识库；检索系统；显微特征

中图分类号 S-058  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2023）10-0197-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.10.044

Abstract ［Objective］To realize the species search micromorphological characteristics of important species of Bactrocera Macquart.［Method］We screened，compared and extracted the microscopic morphological characteristics of the head，thorax and podostoma of the important species of Bactrocera Macquart，as well as the overlay shooting of feature image.The classified search table was carried out using the same part by the method of combining correspondence description with microscopic feature pictures.Based on computer technology，the search process of branch nodes of knowledge search tree structure is presented as an interactive path search from root node to a certain leaf node through traditional binary search multifeature correspondence and other identification methods.The key characteristics of the microscopic morphology of each species of Bactrocera Macquart were combined with the Android platform （application program） of mobile phone.［Result］The micromorphological characteristics and image knowledge base of Bactrocera Macquart adults were developed，and the retrieval and classification system of important species of Bactrocera Macquart was established based on the principle of production rule inference machine，which realized the species retrieval and query of micromorphological characteristics of important species of Bactrocera Macquart.［Conclusion］The operation process of the system was simple and easy to use.By using mobile phone index，the link of searching professional data was reduced，and the identification of important species of fruit flies by species was provided with a more intuitive，faster route and identification basis.

Key words Bactrocera Macquart;Knowledge base;Retrieval system;Microscopic features

果實蝇属Bactrocera Macquart隶属于双翅目（Diptera）实蝇科（Tephritidae）寡鬃实蝇亚科（Dacinae），种类多、危害大，鉴定困难，是具有重大经济意义的昆虫。随着国境果蔬贸易的增加，实蝇传入的风险加大［1-2］，实蝇种类多，加上新种的不断出现［3-9］，给检疫鉴定工作和有效防治带来了极大的困难，也给实蝇鉴定、整理、资料查找、实蝇分类检索等带来许多不便。检索系统技术作为人工智能的一个重要组成部分，目前在昆虫的研究方面已有人应用，在有些领域应用广泛，张慧等［10］以遵义地区蠓科昆虫种类为基础，基于PHP语言作为程序脚本运行语言，采用My SQL数据库建成系统知识库，形成标准的浏览器/服务器（B/S）结构，实现蠓科昆虫的网络检索鉴定。邢震等［11］收录了28 科 64 属 208 种西藏野生园林植物资源信息构建的西藏园林植物资源数据库，可供用户快速查询17项信息；在果实蝇研究方面，汪露等［12］采用图像输入、预处理、标记和特征提取、分类器等6个模块，研究设计开发了“果实蝇属5种实蝇的昆虫图像识别系统” ，平均识别准确率达到92.9%；娄丽霞［13］开发了可供移动设备上使用的果蝇识别应用软件，实现了基于Android系统的人机共同管理的果蝇识别系统和基于Android系统的果蝇识别系统。彭莹琼等［14］发表了基于Android平台的果实蝇离线快速辨识系统； 应新新［15］研究设计出基于Android系统的果实蝇视觉识别系统。综上，近几年在利用计算机技术对果实蝇的识别研究多集中于采取特征提取、自动识别的技术方面［16-17］，为以后在移动终端通过图像自动鉴定昆虫种类的研究起到了一定的铺垫作用。为了更方便植物检疫一线鉴定人员对实蝇的识别与鉴定，前人在果实蝇研究方面做了许多的研究，但在应用计算机技术快速鉴定果实蝇方面，主要集中在自动识别方面，同时种类有限。所以，开发一个专门用于实蝇分类检索鉴定的系统意义重大。

检索系统技术作为人工智能的一个重要组成部分，用于网络和单机的昆虫检索系统，能为植保、植检提供重要的帮助。构建基于计算机的分类检索系统需以分类检索表为基础，甚至包括制作图表等，这是鉴定资料的整合，可以直接编制检索表，操作比较方便，但如何将昆虫检索表转化为计算机昆虫检索系统仍是一个难题［18］；如何将计算机的分类检索技术应用在手机上进行分类检索鉴定，也是开展实蝇鉴定的迫切需要，尤其适用于现场专业技术人员使用。鉴于此，笔者基于显微和计算机技术，根据果实蝇的形态特征特点，将果实蝇显微形态的关键特征与通信设备手机的应用相结合，开发实现以产生式规则为推理机原理的果实蝇属重要种类检索系统，通过对果实蝇重要种类微形态特征描述、显微拍摄图片编制文图特征对应的二叉式分类检索表，利用计算机的二叉树结构的搜索技术，构建拥有实蝇数据的知识库的检索系统，为实蝇的分类鉴定提供一个快速准确的查询平台，为实蝇鉴定提供便捷。

1 供试实蝇种类与系统开发环境

1.1 供试实蝇种类的选择

选定近年来发现的新种、新纪录种以及其近似种，且有重要经济意义的实蝇作为研究的对象进行分类鉴定，其中包括果实蝇属Bactrocera Maquart和镞果实蝇亚属Zeugodacus Hendel 2个重要亚属［19-27］，为区别果实蝇，采用寡鬃实蝇属 Dacus Fabricius的瓜棍腹实蝇Dacus（Callantra） longicornis （Wiedemann）等28种重要种类，经实蝇专家鉴定复核，作为果实蝇属重要种类开展研究［28-29］。

1.2 系统开发环境 系统开发环境为JDK（ Java development kit）+Eclipse +Android SDK（Software  development kit）+ADT（Android development tools），利用 Microsoft SQL Server 2008构建系统数据库。系统测试环境为服务器IBM System x3650，操作系统Windows Server 2008，数据库系统Microsoft SQL Server 2008。客户端智能手机采用小米MI9（Android 10 OS，硬件配置为高通骁龙855 2.84 GHz 八核CPU，8 GB ROM，128 GB RAM，6.39英寸主屏）。

2 方法

2.1 检索辅助鉴定系统的总体架构

果实蝇属重要种类检索系统采用C/S网络结构，主要由诊断推理和知识查看两大功能模块组成。实现在查询检索时应用诊断推理模块通过WCF将所需的诊断信息发送给输入（服务）端，服务端将接收到的要检索的特征信息通过服务器端的推理机识别，推理结果与用户选择的症状进行比对，根据用户所需的特征选择决定下一步选用什么样的规则与用户交互。在图1中，所有客户端与服务端之间的交互通信，以及服务端与服务端之间的交互通信都通过Windows Communication Foundation（WCF）来实现。

2.2 特征提取与检索表编制

基于计算机分类检索技术的需求，采用实蝇稳定的特征部位，提取确定便于计算机分类检索所需的显微形态特征，并将同一部位不同特征进行对应归类，采用同一部位形態不同特征描述与特征图片对应编排的方法，编制计算机分类检索所需的果实蝇属重要种类分种检索表。为了建立计算机不同属窗口和体现果实蝇的特有特征，该系统还选用寡鬃实蝇属的瓜棍腹实蝇，作为编制果实蝇属主要部位与寡鬃实蝇属主要不同特征检索系统的引子，编制显微形态鉴定特征描述与特征图片相结合并与计算机分类检索需求相对应的检索表。

2.3 知识库设计

将上述害虫分类检索表以数据库形式表示成知识库成为该研究所要解决的主要问题。目前最通用的检索表形式有定距式（次级式）检索表和平行式检索表共2种方式，该系统根据“二叉式检索表”实体模型，利用计算机数据结构和二叉树结构来表示定距式2项检索知识库，主要包括实蝇的显微形态特征描述、特征图片等的资料收集、比对、整理和规范，设计由诊断推理和知识查看两大功能模块组成二叉式分类检索功能。建立多个部位典型特征逐一、二叉检索组合鉴别的二叉式检索表系统知识构建如表1所示［30-33］。

3 结果与分析

3.1 分类检索鉴定知识库

该系统根据检索辅助鉴定系统的总体架构模型，编制果实蝇属重要种类特征与图片相结合分种检索表，基于计算机技术，将提取的特征与特征图片对应，按照计算机需求，将上述害虫分类检索表以数据库形式表示成知识库的结构（表2）。诊断过程见图 1。

3.2 计算机分类检索系统

建立了特征资料知识库，采用“二叉式检索”的实体模型进行数据库逻辑结构设计，结合显微鉴别特征相关图像，创建果实蝇属重要种类微形态特征分种检索及果实蝇重要种类的形态特征查询的专家分类检索系统。将检索系统中产生式规则推理树与计算机数据结构中的树相结合，将知识搜索树结构分枝结点的搜索过程表现为从根节点到某个叶节点的一次交互式的路径探寻。通过逐步与用户交互，即向用户提问，获得信息，再决定下一步选用的规则。通过某一特定的特征就可直接进行二叉式检索查询，筛选出有影响物种鉴定的特征作为各个种某一个部位的特征与各近缘种比对，用同一个部位的特征比对，作为鉴别物种的依据。如果发现匹配的规则与当前特征不符合时，可返回上1步或N步的结果进行回溯重新选择（图2）。

4 小结与讨论

4.1 知识库的构建是开发检索系统的关建 知识库是检索系统的核心部分，知识库的质量直接影响到检索系统质量及可信度。检索表是物种分类鉴定分析的工具，在农业昆虫分类研究中，一般都是由专家根据害虫的形态特征编制成害虫分类检索表。在田间害虫识别诊断过程中，根据所获取样本的特点来对照检索表进行识别诊断。检索系统的构建与开发是将识别诊断检索的资料、特征图片，根据鉴定实蝇的特征与知识搜索树结构的特点、需求相结合进行整理编制，所以开发检索系统知识库的构建是关键。

4.2 开发了果实蝇重要种类分类检索系统，使鉴定更便捷

为了实现果实蝇属重要种类显微形态特征分种检索系统的开发与应用，根据编制的果实蝇属重要种类分类检索表，应用计算机技术，采用每一部位特征描述与特征图片相对应的方法，构建以果实蝇的微形态特征与计算机分类检索的二叉树结构相符匹配的方法，将知识搜索树结构分枝结点的搜索过程表现为从根节点到某个叶节点的一次交互式的路径探寻，并结合过程的相关图像，通过匹配、选优、回溯、结论4个步骤逐步查询，获得鉴定特征信息。实现了以已知显微形态特征的信息来查找与计算机中相匹配的形态特征，开发研制了基于Andriod手机平台果实蝇分类检索辅助鉴定系统，建立了检索系统中以产生式规则为推理机原理树与计算机数据结构树相结合的果实蝇属重要种类显微形态特征的分类检索系统，为识别果实蝇等有害生物提供便捷的技术支撑。

4.3 为实蝇鉴定提供便捷的应用方法，使查询更便捷

该研究应用计算机技术，基于Andriod手机平台，采用二叉式检索的实体模型进行数据库逻辑结构设计，结合显微鉴别特征的相关图像，通过整个诊断与推理的方法，建立了显微形态特征快速鉴定方法与计算机专家分类检索系统，开发了实蝇种类分类识别检索系统，改变了一般都是由专家根据害虫的形态特征编制成害虫的分类检索表，进行逐一比对检索的分类鉴定方法，节省了翻阅资料查询检索烦琐过程，化繁为简，方便鉴定操作。此外，该研究寻求并实现了利用手机平台识别鉴定果实蝇的应用的方式方法，建立了比文字检索更为直接、便捷的实蝇快速检索系统，方便了实蝇物种的查询鉴定，解决了通过手机平台快速查询、识别鉴定果实蝇的有效途径。

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