河北蝗虫分类、鉴定专家系统的设计与开发

李新江，史秋月，张振群，智永超

（河北大学a.生命科学学院，b.河北省动物系统学与应用重点实验室，河北保定071002）

蝗虫隶属直翅目（Orthoptera）蝗亚目（Caelifera），是农、林、牧业的主要害虫.河北省区域面积较大，地形复杂，蝗虫种类较多，现有蝗虫1总科8科42属79种及亚种[1-3].蝗虫分类学中标本、资料和经验对分类学工作者至关重要，对于一般蝗灾防治工作人员而言，蝗虫形态特征不易把握，依靠传统的书本检索表查找费时费力，且难于准确鉴别.随着计算机和信息技术的快速发展，将计算机软件设计和计算机数据库技术应用于蝗虫分类，经过需求分析，设计和开发蝗虫分类的专家系统对于这门学科及生物多样性的认知有重要的理论和实践意义.

专家系统技术作为人工智能的一个重要分支在昆虫分类研究中已有应用.如澳大利亚科工组织堪培拉昆虫研究部（CSIROEntomology Division in Canberra）的DELTA，作为一种通用而功能强大的分类描述语言（Description Language for Taxonomy）可用于构建昆虫分类的检索表[4]，Weeks等[5]开发的数字自动鉴定系统（DAISY）被应用于鳞翅目成虫和幼虫、双翅目、膜翅目昆虫以及蛛形纲节肢动物，鉴定效果显著.Gilchrist等[6]开发出一套运行在MAC机上的昆虫翅脉特征提取分析软件Morphometrika，最终实现了昆士兰果蝇野生种群和人工繁殖种群的鉴定.卢慧甍等[7]开发的中国蝗总科分类、鉴定及查询系统（ESCA），主要以《蝗虫分类学》为基础，收入了中国分布的大部分蝗虫的各种分类信息，扫描了常用鉴定特征图片和一些常见蝗虫的数码整体照片，使经典分类学升华为数字信息的形式.该系统的建立，为蝗虫分类鉴定提供了一个方便的工具，但其所选用的特征多为示差特征，并且所列特征及对应图像缺乏系统性，对每一物种局部和整体形态特征的可视化、数字化存在明显不足.

Visual foxpro 9.0是微软公司推出的Visual foxpro系列中的最新版本.它所增加的新功能使设计出的数据库既拥有交互式操作的便捷又可以远程访问[8]，而且兼容性也好，Xp、vista、win7等操作系统下均可运行.本研究立足河北省的蝗虫学研究，以丰富、详实的资料，基于Visual foxpro 9.0软件设计开发出河北蝗虫分类、鉴定专家系统，为虫害防治提供便捷服务，也为今后昆虫纲分类、鉴定专家系统的研发、推广及系统的网络化提供参考，同时为河北省动物志的编研工作提供了大量详实的资料.

1 专家系统的设计思路

1.1 数据库结构

本系统包括一个数据库，即河北蝗虫分类鉴定数据库.此数据库主要设置了3种字段，即通用型字段、备注型字段、字符型字段，分别用来存储形态特征照片、物种特征描记、分类地位等.对照标本和资料[9-12]，将每一个物种的分类地位、对应学名、分布范围以及每个物种形态上与分类有关的特征进行逐项描记，对形态特征进行拍照.依据以上数据，建立数据矩阵，构建完成数据库.

1.2 功能模块

河北省蝗虫分类、鉴定专家系统由查询子系统、鉴定子系统以及数据库管理子系统3个主要模块组成.查询子系统具有精确查询和模糊查询2种选项，查询内容为数据库中所有的特征，可根据关键词的输入完成查询，并可对查询结果完成输出或打印.鉴定子系统采用传统二项检索的方式，使用者可以根据各形态特征的数码照片和相应描记，采用二叉方式，以鼠标事件驱动，逐级完成物种的鉴定.数据库管理系统可完成数据的维护、更新、输出等.

2 专家系统组成和程序实现

2.1 河北蝗虫分类鉴定数据库的构建

依据河北大学蝗虫研究室所藏标本和资料，对河北省分布的蝗虫种类，以物种为单位，分别记录物种的中文名称、拉丁学名、定名人、分类地位及对应学名、分布范围（具体到县）、以及与分类相关的形态特征等共130个字段，对每一形态特征采用显微摄影或数码摄影的方式进行图像采集.依据这些数据建立数据矩阵，构建完成河北省蝗虫分类鉴定数据库.

2.2 专家系统的实现

2.2.1 主界面

打开软件，输入账号和密码后进入主界面.主界面可进行各种查询、鉴定、修改密码、打印以及数据更新等操作.如点击数据浏览按钮时就会进入数据浏览界面，如图1所示，这个界面中显示已统计的8科47种蝗虫的相关信息.当点击左边的槌角蝗科时会出现一个下拉菜单，若选择蚁蝗属，就会在右边的表格中显示出系统中收集长须蚁蝗和宽须蚁蝗的全部特征，如图2所示.

图1 数据管理界面Fig.1 Interface of data management

图2 查询蚁蝗属界面Fig.2 Interface of inquiry of genus Myrmeleotettix

2.2.2 查询子系统

模糊查询子系统可以支持用户根据定名人、生活区域、蝗虫种名、蝗虫所属科、蝗虫所属种等22个关键字范围进行模糊查询.例如，范围选择“蝗虫种名”，输入“雏”，点击查询.表中就会显示“北方雏蝗”等与“雏”字有关的种名.点击恢复按钮又回到最初状态.

2.2.3 鉴定子系统

鉴定系统采用二叉方式，以鼠标事件驱动.当进入鉴定界面时，会出现2个相对的特征.选择右面复选按钮，就会进入下一级鉴定页面.窗口显示所有分类特征的文字描记和对应图片，使鉴定人员能直观地识别出特征.以鉴定短额负蝗为例：点击开始鉴定按钮，进入鉴定界面1（图3）.对照所需鉴定标本，选择对话框右面相应的复选按钮进入如图4所示界面.点击图4右下方的“锥头蝗科”按钮，进入如图5所示界面，目的种短额负蝗出现，点击“短额负蝗”就会进入如图6所示界面，显示短额负蝗的特征网页.

重复以上类似步骤的操作最终到达要鉴定的种，每一种提供一个网页超链接，网页载有该种蝗虫的详细描记及各部分特征的高清图片.

图3 鉴定界面1Fig.3 Interface of identification 1

图4 鉴定界面2Fig.4 Interface of identification 2

图5 鉴定界面Fig.5 Interface of dentification

图6 物种超级链接Fig.6 Hyperlink of species

2.2.4 数据库管理子系统

修改与更新：进入主界面，点击修改密码和数据更新按钮就可以对本数据库数据进行修改密码及添加、删除、修改数据等操作.删除操作不可以恢复，须谨慎.

信息打印功能：点击主界面打印按钮进入打印界面，点击打印信息按钮，可对所选择的信息进行打印预览或打印.

3 分析与讨论

本系统数据库信息来自《中国动物志》中全部4卷蝗虫志[9-12]等专著，资料收集准确；标本取自河北大学蝗虫研究室采集、保存的标本，部分物种的鉴定得到印象初院士、张道川教授的核对，保证了系统的可靠性.系统的程序设计基于Visual foxpro 9.0，跨越平台，具有可视化人机交互操作的优点.同时，界面简单直观，资料输出方便.分类资料充分共享，环境架设要求低，一般广泛使用的计算机都可安装，联机后网内的用户可随时访问、获取相关资料.数据库中所包含的全部物种都有共同的近130个特征的描记，并配有高清数码照片，这是已有蝗虫鉴定系统[7]所不具备的.检索子系统可对蝗虫属、种信息进行检索，功能完备，使用简单.分类鉴定子系统按蝗虫科、属、种层次分明地进行，符合分类习惯.人机互动，使用户可对蝗虫分类学和形态学进行整体和系统的把握，并可获得各个已知种的详细分类信息.后台数据库管理子系统使系统具有可扩展性，最新的蝗虫分类信息可非常方便地更新到系统中，分类资料的调整也可通过数据库管理子系统来进行.

本专家系统通过逐步修订与改进，可对河北省的蝗虫种类进行细致查询，同时也可对部分未知标本进行鉴定，基本实现了预计功能，取得了阶段性成果.但还存在一些不足，需要在今后的工作中进一步改进.如对于物种的鉴定，与传统的鉴定相比虽然具有直观、快捷、易于掌握和使用的特点，但距物种的自动识别，特别是标本图片的自动识别、鉴定还有很大的差距，这也是该系统今后需要改进的方向.本系统建立的丰富的特征数据库为今后的计算机自动识别奠定了坚实的基础.系统数据库目前仅采集了河北省蝗虫全部属级阶元中的47个物种，今后还应进一步增加分类阶元，甚至推广到中国所分布的所有蝗总科种类中去，使其更有理论和实践意义.

致谢：在标本鉴定过程中得到印象初院士、张道川教授的指导，在数据库制作过程中得到河北大学生命科学学院2010级生物技术专业魏然、谷泽江、王大伟、巩鹏飞等同学的帮助，在此一并表示感谢！

[1]李新江，张道川，张悦，等.河北蝗虫区系研究[J].河北大学学报：自然科学版，2003，23（2）：175-179.

[2]李新江，姜鸿达.河北省雏蝗属短翅亚属一新种（直翅目，蝗总科，网翅蝗科）[J].动物分类学报，2011，36（4）：861-864.

[3]张长荣.河北的蝗虫[M].石家庄：河北科学技术出版社，1991.

[4]DALLWITZ MJ，PAINE T A，ZURCHER E J.Interactive keys[C]//BRIDGP，JEFFRIESP，MORSEDR，et al.Information Technology，Plan Pathologyand Biodiversity.Wallingford：CAB International，1998.

[5]WEEKSPJD，O′NEILL MA，GASTON K J，et al.Automating insect identification：exploring the limitations of a prototype system[J].Appl Entomol，1999，123（1）：1-8.

[6]GILCHRIST A S，CRISAFULLIDCA.Using variation in wing shape to distinguish between wild-and mass-reared individuals of queensland fruitfly，Bactroceratryoni[J].Neth Entomol Soc，2006，119（2）：175-178.

[7]卢慧甍，黄原.中国蝗总科分类、查询及鉴定专家系统（ESCA）设计与实现[J].动物分类学报，2003，28（3）：428-433.

[8]何胜利.Visual FoxPro9.0数据库应用技术与程序设计[M].北京：清华大学出版社，2008.

[9]李鸿昌，夏凯龄.中国动物志昆虫纲第四十卷直翅目蝗总科：斑腿蝗科[M].北京：科学出版社，2006.

[10]郑哲民，夏凯龄.中国动物志昆虫纲第十卷直翅目蝗总科：斑翅蝗科网翅蝗科[M].北京：科学出版社，1998.

[11]夏凯龄.中国动物志昆虫纲第四卷直翅目蝗总科：癞蝗科瘤锥蝗科锥头蝗科[M].北京：科学出版社，1994.

[12]印象初，夏凯龄.中国动物志昆虫纲直翅目蝗总科：槌角蝗科剑角蝗科[M].北京：科学出版社，2003.