圖像識別技術在中藥資源研究中的應用與展望

陳梓賢 施明毅

【摘 要】 隨著圖像處理技術的發展應用，圖像識別技術已在中藥資源研究領域廣泛應用。通過文獻查閱，對圖像識別技術進行簡介，綜述圖像識別技術在中藥資源研究領域包括中藥資源調查、資源監測、適宜性區劃研究等方面的應用情況，并提出圖像識別技術在中藥資源領域應用的意義和展望，以期為中藥資源的現代化研究提供新的思路和方向，推進中藥事業現代化和可持續發展。

【關鍵詞】 圖像識別技術；中藥資源；應用；展望

【中圖分類號】R282.23 【文獻標志碼】 A 【文章編號】1007-8517（2018）14-0028-04

Abstract：With the development of image processing technology，image recognition technology has been widely applied to the field of traditional Chinese medicine resources research.By consulting literature， this paper introduces the technology of image recognition， and summarizes the application of image recognition technology in the research field of traditional Chinese medicine resources， including the investigation of traditional Chinese medicine resources， resource monitoring and suitable distribution areas， and puts forward the significance and Prospect of image recognition technology in the field of traditional Chinese medicine resources.In order to provide new ideas and directions for the modernization of traditional Chinese medicine resources and promote the modernization and sustainable development of traditional Chinese medicine.

Keywords：Image Processing Technology；Traditional Chinese Medicine Resources；Application；Prospect

隨著社會經濟的發展，生活方式的轉變，疾病譜的改變和對健康問題關注的提升，對健康服務業帶來了巨大的市場需求和發展機遇。中藥資源不僅是我國傳統的獨特的健康資源，同時也是健康服務業的發展的物質基礎。隨著中藥產業的快速發展和中藥現代化進程的推進，中藥資源的蘊藏量、需求量和主產區分布正在不斷改變，對于當前我國現存中藥資源普查、中藥適宜性區劃、中藥資源保護、開發和合理利用等研究工作的開展十分必要，而結合現代科學技術開展中藥資源的研究工作是目前的熱點。

圖像識別技術是計算機圖像處理和識別技術的簡稱，是以計算機對圖像進行處理、分析和理解為基礎，用于識別各種不同模式的目標和對像的技術，即利用現代信息處理與計算技術模擬和完成人類的認識和理解過程[1]。隨著計算機硬件設備的提升、計算機算法的優化、信息通信技術的革新以及圖像處理和分析技術的不斷發展，圖像識別技術愈發的智能化，特別是基于深度學習和計算機視覺的圖像識別技術得到了廣泛的應用。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、交通運輸、大氣與環境監測、醫學、軍事、航空航天、地理和農業等領域取得了巨大的進展和深入的應用。筆者就目前圖像識別技術在中藥資源方面的研究和應用情況進行簡單介紹，以期為中藥資源的現代研究提供參考，也為中藥現代化的發展提供新的方向和思路。

1 圖像識別技術簡介

圖像識別技術始于20世紀50年代，隨著圖像處理技術和分析算法的發展，其經歷了文字識別、數字化信息處理、不同物體識別等三個發展歷程[2]。盡管計算機圖像識別技術對于某些對象類別的識別仍存在明顯錯誤或無法執行任務，但其對于耗時長、海量信息的視覺識別任務具有明顯的優勢，具備對處理圖像靈活縮放，快速關聯等特點。

圖像識別的步驟包括圖像處理、特征選擇和提取等。圖像可依據色彩特征、紋理、形狀和空間關系等進行分類，通過圖像采集、圖像增強、圖像復原、圖像編碼與壓縮、圖像分割等圖像處理技術[3]，依靠計算機挖掘不同類型圖像的紋理、形狀及空間等特征信息進行分類和處理。特征選擇和提取是模式識別的關鍵環節，可分為監督識別方法和非監督識別方法，其中監督識別方法利用標記樣本訓練分類器，參數擬合后通過圖像比對進行分類；非監督識別方法提過無標記樣本間距判定模式，用于圖像分割和壓縮。圖像識別關注對象本身屬性，識別方法包括統計模式識別、仿生模式識別、結構模式識別、人工神經網絡模式識別、支持向量機和模糊模式識別[4]。特別是近年來人工神經網絡、模糊識別算法和非線性圖像降維處理技術的快速發展使得人工智能可視化、三維重建以及虛擬現實技術受到國內外各行各業的研究者的廣泛關注。

2 圖像識別技術在中藥資源研究中的應用

2.1 圖像識別技術在中藥資源調查的應用 中藥資源調查工作分為外業調查（野外實地調查）和內業整理（資源資料和數據整理），外業調查需要記錄資源個體種類信息，包括資源個體照片、藥用部位照片、標本照片以及部分藥材和種質資源照片等，內業整理將對調查記錄和照片準確、快速地統計匯總分類等[5]。傳統的調查方法費時、效率低、工作量大，不利于調查工作的開展。因此，結合圖像識別技術可極大的改善中藥資源調查的效率和準度。

2.1.1 圖像識別技術在外業調查中的應用 外業調查中對于中藥資源面積和蘊藏量的估算可借助遙感圖像和地面調查數據相結合的方法進行資源統計匯總，可提高表達中藥資源蘊藏量、生境分布情況的效率和準確度。根據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，利用遙感技術開展區域中藥資源調查研究，取得了一定進展。栽培中藥資源呈現地區集中分布和多記錄在案的特點，如陳士林等[6～7]利用遙感技術開展人參和三七的分布面積和產量調查研究，根據SPOT5（5m）影像與統計數據比較估算相對面積和相對產量；根據圖斑面積估算人參種植面積并結合人工抽樣法估算人參總產量。朱壽東等[8]借助多源遙感影像和空間抽樣技術，根據間接估算法構建地上部分與地下部分的定量關系估算栽培川續斷的蘊藏量。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，野生稀分散在少數植被群落中，可根據其散生性和半生狀況利用遙感圖像建立調查對象與生態因子的關系模型，結合野外實地調查數據開展中藥資源的蘊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藏量；孫宇章等[11]以野生稀有茅蒼術為調查對象篩選影響其生態因子，通過TM影像解譯反演，獲取茅蒼術生長密度地物類別進而估算茅蒼術蘊藏量等。

2.1.2 圖像識別技術在內業整理中的應用 中藥資源的內業整理工作需要實物與名稱的對應關系，有較高的統計分類的準確性和客觀性要求，同時為保證各類圖像信息匯總分類的效率，圖像識別技術具有非常明顯的優勢。中藥資源信息化建設可基于現有文獻資料掃描，結合文字識別技術，建立中藥資源名錄數據庫，從而保證同種同源中藥材名稱一致性和客觀性。同時對于中藥資源標本實物信息和個體照片輔助統計匯總工作，采用圖像識別技術建立分類識別模式系統，對超大量圖片進行分類和整理，進而減少工作量，提高分類時效和工作同步性。如目前基于開展全國第四次中藥資源普查工作而開發的“全國中藥資源普查信息管理系統”[12]，其包括統一采集和標記標本信息、快速統計匯總標本資源種類等方式進行標本信息的匯總分類；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行照片的統計匯總種類信息。

2.2 圖像識別技術在中藥資源監測中的應用 中藥資源在的分布、種類、蘊藏量、產量和需求量等并不是一成不變，其動態變化直接關系到中藥材生產、產量、質量和價格等，對于中藥資源的動態監測十分必要。結合遙感圖像的動態分析功能用于中藥資源的動態監測，可彌補傳統的資源調查方法靜態描述的不足，增強其時效性和科學性，并為政策法規落實和市場導向提供支撐數據。栽培中藥資源動態監測可采用遙感測量結合實地驗證進行分析實現資源動態監測，如史婷婷等[13]以吉林省撫松縣為研究區域，以資源三號（ZY3）衛星數據為數據源，探討基于規則集的面向對象方法的人參種植區提取方法，目前對于種植藥材的的長勢、病蟲害、生鏡的動態監測等是栽培中藥資源動態檢測的重點。野生廣布中藥資源的動態監測因其分布較廣，監測較為容易，特別是在植被群落中占絕對優勢的喬木和灌木類中藥資源的動態監測已比較成熟。如孫宇章等[14]利用RS和GIS聯合技術，以Landsat5 TM為數據源，對3期TM遙感圖像進行銀杏信息提取分析，并結合實地調查數據獲取邳州市銀杏空間分布及多年動態變化規律。對于林下資源或野生稀有資源的動態監測，可利用多光譜遙感監測物種生態環境中植被覆蓋情況，構建物種與生鏡之間的關系模型，結合人工調查數據可實現調查對象的資源動態監測。如張小波等[15]通過對比不同年月多倫縣TM遙感影像，基于多倫縣不同時期植被指數的變化情況并結合地面調查數據，實現不同時期多倫芍藥資源變化的監測。

2.3 圖像識別技術在中藥資源區劃研究中的應用 中藥的分布、產量和質量與生態環境緊密相關。中藥區劃對于藥材的引種和擴種，開發和保護瀕危物種，促進中藥資源可持續利用具有非常重要的意義[16]。中藥區劃主要是生態適宜性區劃，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律進行區劃。目前中藥適宜性區劃研究主要是定量的數值區劃以及定性和定量相結合的區劃。遙感圖像能顯著提高中藥區劃的效率、精確度，并排除人為因素干擾。如張優等[17]基于TM、ETM+影像和DEM數據，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栽培種植中藥材豬苓生長發育的關鍵生態因子，利用GIS技術對四川省豬苓的生態適宜性進行分析，結合野外實際調查數據表明豬苓資源實際的分布地區與實驗結果較符合。如尚雪等[18]以四川省為例，利用遙感和GIS技術，結合地形、氣候、土壤和植被等4個影響川牛膝生長的生態環境因子進行川牛膝適宜性分布研究，結果與野外實測情況基本吻合。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、植被等數據為信息源，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因子進行提取和疊加分析，結合野外驗證，確定四川省川西樟牙菜適宜性分布區。以上研究為遙感技術在中藥區劃研究中廣泛應用奠定了良好的基礎。

3 圖像識別技術在中藥資源研究中應用的展望

中藥資源普查、動態監測和區劃工作十分復雜，但又是中藥資源可持續發展和利用的前提。圖像識別技術應用于中藥資源研究，可提供科學的實時數據，提高對中藥資源的宏觀調控機制，為中藥資源可持續發展和利用的政策制定提供堅實的基礎。

圖像識別技術對于推進中藥現代化和促進中藥資源的可持續利用具有非常重要的現實意義。針對目前圖像識別技術在中藥資源研究中應用出現的問題，如對于外業調查的實物、個體照片和臘葉標本的識別能力較弱，多為基于圖片邏輯判斷的簡單分類，未有可靠穩定的平臺或數據庫可方便快速進行實物識別，可以探索借助移動互聯網技術和卷積神經網絡技術開發基于手機客戶端的植物識別APP，實現用戶隨時隨地利用手機APP識別藥用植物、藥材種類、名稱、來源、產地、藥用功效和標準圖片等信息。同時，還可以探索基于虛擬現實技術和人機交互模式開發藥材圖片三維展示的系統和設備，提高中藥教學、中藥資源調查、中藥鑒定和中藥標本館藏等工作的場景化和時效性。

在中藥資源研究中涉及的文字、遙感圖像、個體照片和臘葉標本等照片，可利用計算機技術和圖像識別技術相結合，實現資源數據的可視化，提高研究工作效率和準確性，為中藥現代化的發展產生積極的推動作用。

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（收稿日期：2018-05-18 編輯：程鵬飛）