基于信息識別的園林植物地理信息查詢系統(tǒng)

李 勛

（1.西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 教務(wù)處，陜西 西安 710077）

我國是一個植物種類極為豐富的國家，園林更是人們生產(chǎn)生活中不可或缺的景觀資源之一。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們對信息與資源的獲取更便捷，萬維網(wǎng)成為地理空間信息資源獲取的主要方式與載體，但相關(guān)信息數(shù)量也在急速增加，“信息爆炸”給信息的精準(zhǔn)搜尋帶來了巨大挑戰(zhàn)。如今，人工觀察、記錄并采用被動輸入的信息查詢方式已很難滿足難度日益增加的信息檢索需求。在大數(shù)據(jù)背景下，為深度挖掘并最大化開發(fā)利用園林植物資源，智能信息技術(shù)已儼然成為園林植物地理信息管理中亟待引進(jìn)的技術(shù)之一。園林植物景觀信息可反映現(xiàn)實(shí)世界中植物的存在方式及其生長狀態(tài)，信息識別是指接受者從既定位置出發(fā)，根據(jù)本身具有的知識和經(jīng)驗(yàn)對信息進(jìn)行相關(guān)識別。不考慮其他干擾條件，將園林植物信息識別技術(shù)與服務(wù)目標(biāo)相結(jié)合，可在分析植物信息有用性的同時(shí)，合理構(gòu)建宏觀園林信息環(huán)境，這是實(shí)現(xiàn)信息價(jià)值唯一的實(shí)踐前提[1-2]。

目前以WebGIS 技術(shù)為主的園林植物地理信息查詢系統(tǒng)，需要限定各類擺放景觀的實(shí)際位置，以被動化信息輸入為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在個體化區(qū)域環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)對植物地理信息的合理查詢；而實(shí)際應(yīng)用中，這種被動輸入信息的模式缺少主動識別過程，智能化程度較低，且易導(dǎo)致植物地理景觀所受保護(hù)能力不斷下降。為解決該問題，本文引入信息識別技術(shù)，在組件式GIS 開發(fā)平臺的支持下，設(shè)計(jì)了一種新型園林植物地理信息查詢系統(tǒng)，在完善現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫服務(wù)器架構(gòu)的同時(shí)，對地理信息參量進(jìn)行空間化建模處理，并通過構(gòu)建決策樹訓(xùn)練集合的主動信息識別方式促進(jìn)植物屬性特征查詢與空間地理特征查詢能力的不斷增強(qiáng)。

1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文按照空間化建模、基于決策樹訓(xùn)練的信息查詢、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器架構(gòu)鏈接的流程搭建系統(tǒng)的軟件執(zhí)行環(huán)境。

1.1 園林植物地理信息識別方法設(shè)計(jì)

空間化建模是園林植物地理信息管理系統(tǒng)在信息處理過程中最重要的景觀特征處理工具，也是地理信息查詢與決策成果展示的必要操作技術(shù)。人僅憑肉眼很難在一堆待選數(shù)據(jù)中分辨出某一固定區(qū)域內(nèi)的園林植物地理信息，且由于數(shù)據(jù)信息自身的可感知、可操控等特性，與屬性特征查詢模塊和地理特征查詢模塊所匹配的提取操作應(yīng)是一項(xiàng)極復(fù)雜的流程[3-4]。對于園林植物地理信息查詢系統(tǒng)來說，待識別信息的空間化建模涉及非空間數(shù)據(jù)等多項(xiàng)操作，其建模處理的關(guān)鍵是識別園林區(qū)域環(huán)境中的地理信息參量與非空間專題信息參量，在既定識別技術(shù)的支持下，將二者完全轉(zhuǎn)化為數(shù)字化表達(dá)形式，并借助組件式GIS 開發(fā)平臺進(jìn)行有機(jī)整合，從而實(shí)現(xiàn)對園林地理空間的空間化環(huán)境重構(gòu)[5]。通過空間化建模識別園林植物地理信息，即

式中，i0、in分別為園林空間環(huán)境中的最小、最大地理信息查詢條件；n為待識別地理信息的迭代執(zhí)行系數(shù)；q?為園林植物地理信息的分辨識別參量；yˉ為園林景觀數(shù)據(jù)的迭代均值；k?為特定園林植物景觀的地理信息特征值。

根據(jù)識別的園林植物地理信息，以決策樹訓(xùn)練的方式提取空間地理信息特征。決策樹訓(xùn)練是指收集園林植物地理信息訓(xùn)練樣本，提取空間地理特征，并利用這些信息樣本與特征生成具有分類能力樹狀決策機(jī)構(gòu)的過程。對提取的空間地理信息特征進(jìn)行加窗處理，構(gòu)建園林植物地理信息查詢控制函數(shù)，完成信息查詢。通常經(jīng)過訓(xùn)練的決策樹組織可直接應(yīng)用于地理信息管理系統(tǒng)的特征信息識別，其質(zhì)量水平將直接影響信息識別技術(shù)的應(yīng)用準(zhǔn)確率和系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效率。決策樹訓(xùn)練遵循自上而下的原則，除原有葉節(jié)點(diǎn)外，每個節(jié)點(diǎn)處均能生成兩個或兩個以上的信息事件，經(jīng)過多次累計(jì)，生成一棵二叉樹或多叉樹結(jié)構(gòu)體[6-8]。決策樹訓(xùn)練處理深度和廣度完全取決于園林植物地理信息特征集的大小和特征區(qū)分度條件，信息特征集區(qū)分度不高或特征值過大均會導(dǎo)致決策樹分類效率的持續(xù)降低。因此，在選取訓(xùn)練特征時(shí)應(yīng)注意不要一次性挑選過多的信息參量，這也是園林植物地理信息始終具備降維處理能力的主要原因。系統(tǒng)決策樹訓(xùn)練的空間地理信息特征提取結(jié)果可表示為：

式中，dn為第n個園林植物景觀的地理信息特征值；β、χ分別為兩個不同的地理信息數(shù)據(jù)識別條件。

對提取的空間地理信息特征進(jìn)行加窗處理，窗函數(shù)形式為：

式中，x?為特征提取的決策變量；N(t)為空間地理數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)語義特征分辨率。

根據(jù)處理結(jié)果，構(gòu)建園林植物地理信息查詢控制函數(shù)，即

式中，vt為園林植物地理信息查詢的速度；c1為園林植物地理信息查詢聚類的空間規(guī)劃系數(shù)；α1、α2為[0,1]之間的隨機(jī)數(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器架構(gòu)由服務(wù)器設(shè)置、數(shù)據(jù)庫架構(gòu)與備份要求兩部分組成，服務(wù)器設(shè)置是指系統(tǒng)所設(shè)立的中心數(shù)據(jù)服務(wù)器、Web 服務(wù)器和GIS 服務(wù)器；數(shù)據(jù)庫架構(gòu)與備份要求描述了園林植物地理信息與數(shù)據(jù)服務(wù)器之間的對應(yīng)服務(wù)關(guān)系。在既定識別環(huán)境下，GIS 服務(wù)器與Web服務(wù)器能夠借助數(shù)據(jù)庫主機(jī)建立共用鏈接模式，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器同時(shí)面對GIS 客戶端與C/S 客戶端提供識別信息所需的存儲數(shù)據(jù)與訪問管理指令，但前者的執(zhí)行能力與特殊的C/S 客戶端類似，可在面向Web服務(wù)主機(jī)的同時(shí)，為其他園林植物地理信息提供所需的應(yīng)用型任務(wù)。Web 服務(wù)器既能面向B/S 客戶端響應(yīng)系統(tǒng)客戶提出的請求，又能將這些信息指令直接上傳至GIS 服務(wù)器。與此同時(shí)，GIS 服務(wù)器會將園林植物地理信息的處理結(jié)果反饋至B/S 客戶端主機(jī)中，具體見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器架構(gòu)形式

園林植物地理信息查詢系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建需根據(jù)其設(shè)計(jì)背景與設(shè)計(jì)目的，合理規(guī)劃總體結(jié)構(gòu)，充分實(shí)現(xiàn)其存儲、查詢和基礎(chǔ)知識庫的功能。數(shù)據(jù)庫將信息分為兩類進(jìn)行存儲：①園林空間地理信息庫，包括基礎(chǔ)信息、數(shù)據(jù)信息、圖文信息；②園林植物屬性信息庫，包括花、葉、果形態(tài)以及植株整體形態(tài)、生態(tài)習(xí)性等。按照植物名稱及其相關(guān)屬性等查詢各種植被信息以及根據(jù)地理名稱、特征、方位查詢相關(guān)空間地理信息時(shí)，首先提取數(shù)據(jù)庫中滿足條件的信息表表名，然后在該信息表內(nèi)查詢滿足目標(biāo)信息的數(shù)據(jù)，這樣可迅速縮小查詢范圍，在一定程度上減少查詢時(shí)間，提高查詢效率。在上述信息識別技術(shù)的支持下，本文設(shè)計(jì)了新型園林植物地理信息查詢系統(tǒng)，能高效準(zhǔn)確地查詢相關(guān)信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)軟件執(zhí)行環(huán)境搭建的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)園林植物地理信息查詢系統(tǒng)的硬件。系統(tǒng)硬件執(zhí)行環(huán)境由組件式GIS 開發(fā)平臺、植物屬性特征查詢模塊、空間地理特征查詢模塊3 部分組成，兩相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)基于信息識別的園林植物地理信息查詢系統(tǒng)。

2.1 組件式GIS開發(fā)平臺

組件式GIS 開發(fā)平臺是系統(tǒng)搭建的硬件基礎(chǔ)執(zhí)行框架，由執(zhí)行連接層（圖2 中“1”）和附屬連接層（圖2 中“2”）組成，執(zhí)行連接層能夠感知網(wǎng)關(guān)設(shè)備元件的現(xiàn)有應(yīng)用狀態(tài)，并可在信息化網(wǎng)絡(luò)的作用下，對系統(tǒng)防火墻設(shè)備進(jìn)行直接控制，通常執(zhí)行連接層中的設(shè)備元件能對園林環(huán)境中植物景觀擺放位置進(jìn)行干擾，并可在確保系統(tǒng)信息查詢能力的基礎(chǔ)上，規(guī)劃相關(guān)應(yīng)用主機(jī)的實(shí)際連接位置[9-10]；附屬連接層負(fù)載數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、GIS 服務(wù)器的實(shí)際連接需求，能按照信息識別技術(shù)的作用權(quán)限，調(diào)動個別園林植物景觀所處的地理位置，并將上述數(shù)據(jù)文件整合為信息流的傳輸形式，反饋至相關(guān)系統(tǒng)執(zhí)行主機(jī)。

2.2 植物屬性特征查詢模塊

植物屬性特征查詢模塊可獨(dú)立完成園林地理信息管理工作，查看景觀環(huán)境的相關(guān)屬性信息，在圖像中顯示植物景觀所屬位置，瀏覽園林景觀的圖片資料，最終使植物的地圖信息與地理屬性數(shù)據(jù)形成一一對應(yīng)關(guān)系。植物屬性特征查詢主要根據(jù)園林景觀地理信息進(jìn)行[11-12]，系統(tǒng)用戶可通過園林植物的屬性特征檢索該地理景觀的地圖坐標(biāo)位置和其他屬性特征數(shù)據(jù)，標(biāo)記于定位地圖中；還可自主選擇與園林植物景觀匹配的地理數(shù)據(jù)，由于園林植物景觀的屬性要素種類較多，系統(tǒng)的特征查詢行為必須借助SQL數(shù)據(jù)庫才能實(shí)現(xiàn)[13]。通常，實(shí)際查詢結(jié)果能在植物屬性表中反映出來，用戶通過數(shù)據(jù)信息處理的方式找到最初確定的園林植物地理景觀位置，并將其定位到屬性地圖的固定位置。

2.3 空間地理特征查詢模塊

系統(tǒng)用戶可對屬性地圖進(jìn)行操作，包括拖動、縮小、放大等。首先將鼠標(biāo)定位于地圖上的某一固定區(qū)域，主機(jī)管理界面能顯示該區(qū)域內(nèi)所有園林植物地理景觀的名稱；然后在地圖中點(diǎn)擊任意景觀所在位置的圖標(biāo)文件，查詢該類型植物屬性特征信息；再對植物權(quán)屬、冠幅、高度、寬度、種類等信息進(jìn)行編號，使系統(tǒng)主控界面中顯示的文件不斷細(xì)化，最終生成完整的空間地理特征查詢文件[14-15]。在整個模塊單元（圖3）中，待輸入的識別信息始終作為中間過渡結(jié)構(gòu)，一方面為園林植物地理特征提供鏈接的查詢依據(jù)，另一方面可借助輸入信道，建立系統(tǒng)核心控制主機(jī)特征開發(fā)平臺軟件之間的應(yīng)用鏈接，直至最終生成的地圖與屬性數(shù)據(jù)能夠完全滿足特征查詢模塊的實(shí)際執(zhí)行需求。

圖3 空間地理特征查詢模塊結(jié)構(gòu)圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文通過對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基于信息識別的園林植物地理信息查詢系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。將實(shí)驗(yàn)組控制主機(jī)、對照組控制主機(jī)分別與電腦端設(shè)備相連，實(shí)驗(yàn)組主機(jī)搭載基于信息識別的園林植物地理信息查詢系統(tǒng)，對照組主機(jī)搭載多維語義型管理系統(tǒng)，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，分析相關(guān)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的具體變化趨勢，并測試園林植物地理信息的查詢精度。實(shí)驗(yàn)采用Python語言編程設(shè)計(jì)，將園林植物地理信息查詢劃分為12 個網(wǎng)格，每個分塊區(qū)域的數(shù)據(jù)片大小為24 kB，數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)分布大小為1 024，數(shù)據(jù)特征采樣的時(shí)間延遲為5 ms，將數(shù)據(jù)集劃分為訓(xùn)練數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)，根據(jù)上述參數(shù)設(shè)定進(jìn)行園林植物地理信息查詢，得到測試集樣本數(shù)據(jù)分布見圖4。

圖4 測試集樣本數(shù)據(jù)分布

以測試集樣本為測試對象，對實(shí)驗(yàn)組與對照組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，并分析實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的具體變化趨勢。已知TII、LII指標(biāo)均能反映系統(tǒng)主機(jī)對植物景觀在地理環(huán)境中實(shí)際擺放位置的限制影響強(qiáng)度，通常TII與LII指標(biāo)越大，系統(tǒng)主機(jī)的限制影響能力越強(qiáng)，反之則越弱。實(shí)驗(yàn)組與對照組TII指標(biāo)的實(shí)際變化情況見表1，可以看出，35 min 之前，對照組TII 一直呈上升趨勢，35～45 min出現(xiàn)小幅波動，45～50 min達(dá)到最大值73.56%；實(shí)驗(yàn)組TII先大幅增加，在40 min時(shí)達(dá)到最大值84.72%，之后呈小幅下降；與實(shí)驗(yàn)組相比，對照組的最大值下降了11.16%，說明應(yīng)用該方法后，TII得到了明顯的促進(jìn)影響，可在一定程度上加強(qiáng)系統(tǒng)主機(jī)對于植物景觀在地理環(huán)境中實(shí)際擺放位置的限制影響能力。

表1 TII、LII指標(biāo)對比表

隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增加，實(shí)驗(yàn)組LII 一直呈現(xiàn)小幅波動，在10 min 達(dá)到了最大值73.87%；對照組LII 一直呈下降趨勢，由60.48%降至50.51%；與實(shí)驗(yàn)組相比，對照組最大值下降了13.39%，說明應(yīng)用該方法后，LII 呈現(xiàn)不斷增大的變化趨勢，滿足促進(jìn)系統(tǒng)主機(jī)對于植物景觀在地理環(huán)境中實(shí)際擺放位置的限制影響能力的實(shí)際應(yīng)用需求。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文系統(tǒng)的有效性，以園林植物地理信息查詢精度為驗(yàn)證指標(biāo)，采用實(shí)驗(yàn)組和對照組測試園林植物地理信息的查詢精度，結(jié)果見圖5，可以看出，實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行園林植物地理信息查詢的精度最高可達(dá)98%，而對照組的精度最高只有80%，實(shí)驗(yàn)組的信息查詢精度較高、效果較好。

圖5 園林植物地理信息查詢精度對比

4 結(jié) 語

本文通過系統(tǒng)硬件和軟件兩部分設(shè)計(jì)了基于信息識別的園林植物地理信息查詢系統(tǒng)，從實(shí)用的觀點(diǎn)來看，TII與LII指標(biāo)的增大，能促進(jìn)系統(tǒng)主機(jī)對于植物景觀在地理環(huán)境中實(shí)際擺放位置的限制影響能力的不斷增強(qiáng)。在組件式GIS 開發(fā)平臺、植物屬性特征查詢模塊與空間地理特征查詢模塊的作用下，該系統(tǒng)能在實(shí)現(xiàn)園林植物地理信息空間化建模的同時(shí)，建立必要的決策樹訓(xùn)練組織，使園林景區(qū)中的植物地理景觀得到有效保護(hù)，提高園林植物地理信息查詢精度。