圖像識別技術(shù)在中藥資源研究中的應(yīng)用與展望

成都中醫(yī)藥大學(xué)，四川 成都 611137

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生活方式的轉(zhuǎn)變，疾病譜的改變和對健康問題關(guān)注的提升，對健康服務(wù)業(yè)帶來了巨大的市場需求和發(fā)展機(jī)遇。中藥資源不僅是我國傳統(tǒng)的獨(dú)特的健康資源，同時(shí)也是健康服務(wù)業(yè)的發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著中藥產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和中藥現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，中藥資源的蘊(yùn)藏量、需求量和主產(chǎn)區(qū)分布正在不斷改變，對于當(dāng)前我國現(xiàn)存中藥資源普查、中藥適宜性區(qū)劃、中藥資源保護(hù)、開發(fā)和合理利用等研究工作的開展十分必要，而結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)開展中藥資源的研究工作是目前的熱點(diǎn)。

圖像識別技術(shù)是計(jì)算機(jī)圖像處理和識別技術(shù)的簡稱，是以計(jì)算機(jī)對圖像進(jìn)行處理、分析和理解為基礎(chǔ)，用于識別各種不同模式的目標(biāo)和對像的技術(shù)，即利用現(xiàn)代信息處理與計(jì)算技術(shù)模擬和完成人類的認(rèn)識和理解過程[1]。隨著計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備的提升、計(jì)算機(jī)算法的優(yōu)化、信息通信技術(shù)的革新以及圖像處理和分析技術(shù)的不斷發(fā)展，圖像識別技術(shù)愈發(fā)的智能化，特別是基于深度學(xué)習(xí)和計(jì)算機(jī)視覺的圖像識別技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。如人體識別、圖文識別、動植物識別、指紋識別和人臉識別等，在信息通信、交通運(yùn)輸、大氣與環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)、軍事、航空航天、地理和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域取得了巨大的進(jìn)展和深入的應(yīng)用。筆者就目前圖像識別技術(shù)在中藥資源方面的研究和應(yīng)用情況進(jìn)行簡單介紹，以期為中藥資源的現(xiàn)代研究提供參考，也為中藥現(xiàn)代化的發(fā)展提供新的方向和思路。

1 圖像識別技術(shù)簡介

圖像識別技術(shù)始于20世紀(jì)50年代，隨著圖像處理技術(shù)和分析算法的發(fā)展，其經(jīng)歷了文字識別、數(shù)字化信息處理、不同物體識別等三個(gè)發(fā)展歷程[2]。盡管計(jì)算機(jī)圖像識別技術(shù)對于某些對象類別的識別仍存在明顯錯(cuò)誤或無法執(zhí)行任務(wù)，但其對于耗時(shí)長、海量信息的視覺識別任務(wù)具有明顯的優(yōu)勢，具備對處理圖像靈活縮放，快速關(guān)聯(lián)等特點(diǎn)。

圖像識別的步驟包括圖像處理、特征選擇和提取等。圖像可依據(jù)色彩特征、紋理、形狀和空間關(guān)系等進(jìn)行分類，通過圖像采集、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像編碼與壓縮、圖像分割等圖像處理技術(shù)[3]，依靠計(jì)算機(jī)挖掘不同類型圖像的紋理、形狀及空間等特征信息進(jìn)行分類和處理。特征選擇和提取是模式識別的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可分為監(jiān)督識別方法和非監(jiān)督識別方法，其中監(jiān)督識別方法利用標(biāo)記樣本訓(xùn)練分類器，參數(shù)擬合后通過圖像比對進(jìn)行分類；非監(jiān)督識別方法提過無標(biāo)記樣本間距判定模式，用于圖像分割和壓縮。圖像識別關(guān)注對象本身屬性，識別方法包括統(tǒng)計(jì)模式識別、仿生模式識別、結(jié)構(gòu)模式識別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別、支持向量機(jī)和模糊模式識別[4]。特別是近年來人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊識別算法和非線性圖像降維處理技術(shù)的快速發(fā)展使得人工智能可視化、三維重建以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)受到國內(nèi)外各行各業(yè)的研究者的廣泛關(guān)注。

2 圖像識別技術(shù)在中藥資源研究中的應(yīng)用

2.1 圖像識別技術(shù)在中藥資源調(diào)查的應(yīng)用 中藥資源調(diào)查工作分為外業(yè)調(diào)查(野外實(shí)地調(diào)查)和內(nèi)業(yè)整理(資源資料和數(shù)據(jù)整理)，外業(yè)調(diào)查需要記錄資源個(gè)體種類信息，包括資源個(gè)體照片、藥用部位照片、標(biāo)本照片以及部分藥材和種質(zhì)資源照片等，內(nèi)業(yè)整理將對調(diào)查記錄和照片準(zhǔn)確、快速地統(tǒng)計(jì)匯總分類等[5]。傳統(tǒng)的調(diào)查方法費(fèi)時(shí)、效率低、工作量大，不利于調(diào)查工作的開展。因此，結(jié)合圖像識別技術(shù)可極大的改善中藥資源調(diào)查的效率和準(zhǔn)度。

2.1.1 圖像識別技術(shù)在外業(yè)調(diào)查中的應(yīng)用 外業(yè)調(diào)查中對于中藥資源面積和蘊(yùn)藏量的估算可借助遙感圖像和地面調(diào)查數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法進(jìn)行資源統(tǒng)計(jì)匯總，可提高表達(dá)中藥資源蘊(yùn)藏量、生境分布情況的效率和準(zhǔn)確度。根據(jù)中藥資源的地域性和散生性，以及不同藥用植物的光譜特征，利用遙感技術(shù)開展區(qū)域中藥資源調(diào)查研究，取得了一定進(jìn)展。栽培中藥資源呈現(xiàn)地區(qū)集中分布和多記錄在案的特點(diǎn)，如陳士林等[6～7]利用遙感技術(shù)開展人參和三七的分布面積和產(chǎn)量調(diào)查研究，根據(jù)SPOT5(5m)影像與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)比較估算相對面積和相對產(chǎn)量；根據(jù)圖斑面積估算人參種植面積并結(jié)合人工抽樣法估算人參總產(chǎn)量。朱壽東等[8]借助多源遙感影像和空間抽樣技術(shù)，根據(jù)間接估算法構(gòu)建地上部分與地下部分的定量關(guān)系估算栽培川續(xù)斷的蘊(yùn)藏量。孫志群等[9]基于Worldview-2影像采用目視解譯方法提取伊犁貝母信息能有效估算伊犁貝母蘊(yùn)藏量和分布面積。野生中藥資源分為野生廣布種和野生稀有種，野生廣布種往往分散在不同植被群落，野生稀分散在少數(shù)植被群落中，可根據(jù)其散生性和半生狀況利用遙感圖像建立調(diào)查對象與生態(tài)因子的關(guān)系模型，結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)開展中藥資源的蘊(yùn)藏量和分布面積估算研究，如張本剛等[10]利用中等分辨率遙感EMT影像估算野生廣布種甘草的分布面積和蘊(yùn)藏量；孫宇章等[11]以野生稀有茅蒼術(shù)為調(diào)查對象篩選影響其生態(tài)因子，通過TM影像解譯反演，獲取茅蒼術(shù)生長密度地物類別進(jìn)而估算茅蒼術(shù)蘊(yùn)藏量等。

2.1.2 圖像識別技術(shù)在內(nèi)業(yè)整理中的應(yīng)用 中藥資源的內(nèi)業(yè)整理工作需要實(shí)物與名稱的對應(yīng)關(guān)系，有較高的統(tǒng)計(jì)分類的準(zhǔn)確性和客觀性要求，同時(shí)為保證各類圖像信息匯總分類的效率，圖像識別技術(shù)具有非常明顯的優(yōu)勢。中藥資源信息化建設(shè)可基于現(xiàn)有文獻(xiàn)資料掃描，結(jié)合文字識別技術(shù)，建立中藥資源名錄數(shù)據(jù)庫，從而保證同種同源中藥材名稱一致性和客觀性。同時(shí)對于中藥資源標(biāo)本實(shí)物信息和個(gè)體照片輔助統(tǒng)計(jì)匯總工作，采用圖像識別技術(shù)建立分類識別模式系統(tǒng)，對超大量圖片進(jìn)行分類和整理，進(jìn)而減少工作量，提高分類時(shí)效和工作同步性。如目前基于開展全國第四次中藥資源普查工作而開發(fā)的“全國中藥資源普查信息管理系統(tǒng)”[12]，其包括統(tǒng)一采集和標(biāo)記標(biāo)本信息、快速統(tǒng)計(jì)匯總標(biāo)本資源種類等方式進(jìn)行標(biāo)本信息的匯總分類；以“種”為基本單元篩選同種資源“相似度較低”圖片進(jìn)行種源分類，以及以大量圖片為整體基于聚類分析輔助人工分類等方式進(jìn)行照片的統(tǒng)計(jì)匯總種類信息。

2.2 圖像識別技術(shù)在中藥資源監(jiān)測中的應(yīng)用 中藥資源在的分布、種類、蘊(yùn)藏量、產(chǎn)量和需求量等并不是一成不變，其動態(tài)變化直接關(guān)系到中藥材生產(chǎn)、產(chǎn)量、質(zhì)量和價(jià)格等，對于中藥資源的動態(tài)監(jiān)測十分必要。結(jié)合遙感圖像的動態(tài)分析功能用于中藥資源的動態(tài)監(jiān)測，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)的資源調(diào)查方法靜態(tài)描述的不足，增強(qiáng)其時(shí)效性和科學(xué)性，并為政策法規(guī)落實(shí)和市場導(dǎo)向提供支撐數(shù)據(jù)。栽培中藥資源動態(tài)監(jiān)測可采用遙感測量結(jié)合實(shí)地驗(yàn)證進(jìn)行分析實(shí)現(xiàn)資源動態(tài)監(jiān)測，如史婷婷等[13]以吉林省撫松縣為研究區(qū)域，以資源三號(ZY3)衛(wèi)星數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，探討基于規(guī)則集的面向?qū)ο蠓椒ǖ娜藚⒎N植區(qū)提取方法，目前對于種植藥材的的長勢、病蟲害、生鏡的動態(tài)監(jiān)測等是栽培中藥資源動態(tài)檢測的重點(diǎn)。野生廣布中藥資源的動態(tài)監(jiān)測因其分布較廣，監(jiān)測較為容易，特別是在植被群落中占絕對優(yōu)勢的喬木和灌木類中藥資源的動態(tài)監(jiān)測已比較成熟。如孫宇章等[14]利用RS和GIS聯(lián)合技術(shù)，以Landsat5 TM為數(shù)據(jù)源，對3期TM遙感圖像進(jìn)行銀杏信息提取分析，并結(jié)合實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)獲取邳州市銀杏空間分布及多年動態(tài)變化規(guī)律。對于林下資源或野生稀有資源的動態(tài)監(jiān)測，可利用多光譜遙感監(jiān)測物種生態(tài)環(huán)境中植被覆蓋情況，構(gòu)建物種與生鏡之間的關(guān)系模型，結(jié)合人工調(diào)查數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)調(diào)查對象的資源動態(tài)監(jiān)測。如張小波等[15]通過對比不同年月多倫縣TM遙感影像，基于多倫縣不同時(shí)期植被指數(shù)的變化情況并結(jié)合地面調(diào)查數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)期多倫芍藥資源變化的監(jiān)測。

2.3 圖像識別技術(shù)在中藥資源區(qū)劃研究中的應(yīng)用 中藥的分布、產(chǎn)量和質(zhì)量與生態(tài)環(huán)境緊密相關(guān)。中藥區(qū)劃對于藥材的引種和擴(kuò)種，開發(fā)和保護(hù)瀕危物種，促進(jìn)中藥資源可持續(xù)利用具有非常重要的意義[16]。中藥區(qū)劃主要是生態(tài)適宜性區(qū)劃，通過研究對象所在地的氣候、土壤、地形等自然條件的分布異變規(guī)律進(jìn)行區(qū)劃。目前中藥適宜性區(qū)劃研究主要是定量的數(shù)值區(qū)劃以及定性和定量相結(jié)合的區(qū)劃。遙感圖像能顯著提高中藥區(qū)劃的效率、精確度，并排除人為因素干擾。如張優(yōu)等[17]基于TM、ETM+影像和DEM數(shù)據(jù)，提取林地、海拔高程、坡度、坡向、氣溫、降水、土壤等影響四川地區(qū)栽培種植中藥材豬苓生長發(fā)育的關(guān)鍵生態(tài)因子，利用GIS技術(shù)對四川省豬苓的生態(tài)適宜性進(jìn)行分析，結(jié)合野外實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)表明豬苓資源實(shí)際的分布地區(qū)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較符合。如尚雪等[18]以四川省為例，利用遙感和GIS技術(shù)，結(jié)合地形、氣候、土壤和植被等4個(gè)影響川牛膝生長的生態(tài)環(huán)境因子進(jìn)行川牛膝適宜性分布研究，結(jié)果與野外實(shí)測情況基本吻合。如董永波等[19]以四川省為例，以遙感影像、DEM、年均溫、年均降水、土壤、植被等數(shù)據(jù)為信息源，基于Arc-GIS10.3軟件的空間分析功能，對川西璋牙菜適宜性生態(tài)因子進(jìn)行提取和疊加分析，結(jié)合野外驗(yàn)證，確定四川省川西樟牙菜適宜性分布區(qū)。以上研究為遙感技術(shù)在中藥區(qū)劃研究中廣泛應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

3 圖像識別技術(shù)在中藥資源研究中應(yīng)用的展望

中藥資源普查、動態(tài)監(jiān)測和區(qū)劃工作十分復(fù)雜，但又是中藥資源可持續(xù)發(fā)展和利用的前提。圖像識別技術(shù)應(yīng)用于中藥資源研究，可提供科學(xué)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，提高對中藥資源的宏觀調(diào)控機(jī)制，為中藥資源可持續(xù)發(fā)展和利用的政策制定提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖像識別技術(shù)對于推進(jìn)中藥現(xiàn)代化和促進(jìn)中藥資源的可持續(xù)利用具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。針對目前圖像識別技術(shù)在中藥資源研究中應(yīng)用出現(xiàn)的問題，如對于外業(yè)調(diào)查的實(shí)物、個(gè)體照片和臘葉標(biāo)本的識別能力較弱，多為基于圖片邏輯判斷的簡單分類，未有可靠穩(wěn)定的平臺或數(shù)據(jù)庫可方便快速進(jìn)行實(shí)物識別，可以探索借助移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)基于手機(jī)客戶端的植物識別APP，實(shí)現(xiàn)用戶隨時(shí)隨地利用手機(jī)APP識別藥用植物、藥材種類、名稱、來源、產(chǎn)地、藥用功效和標(biāo)準(zhǔn)圖片等信息。同時(shí)，還可以探索基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和人機(jī)交互模式開發(fā)藥材圖片三維展示的系統(tǒng)和設(shè)備，提高中藥教學(xué)、中藥資源調(diào)查、中藥鑒定和中藥標(biāo)本館藏等工作的場景化和時(shí)效性。

在中藥資源研究中涉及的文字、遙感圖像、個(gè)體照片和臘葉標(biāo)本等照片，可利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像識別技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)資源數(shù)據(jù)的可視化，提高研究工作效率和準(zhǔn)確性，為中藥現(xiàn)代化的發(fā)展產(chǎn)生積極的推動作用。