专利名称：物种移动鉴别系统、终端、服务器及方法
技术领域：
本发明涉及物种鉴定技术，尤其涉及一种物种移动鉴别系统、终端、服务器及方法。
背景技术：
传统的物种鉴定技术采用形态学的方法鉴定物种，生物分类学家通过生物的外观形态来区分各种生物，但是地球生物物种繁多，据统计地球生物种类超过1000万种，当前已鉴定的物种约170万种，依靠生物分类学家，通过形态学鉴定物种是一项非常艰巨的任 务。同时，相邻的物种往往具有非常相似的形态特征，即使是熟练的分类专家也很难通过形态特征对物种进行快速，准确的鉴定。另外，同一物种在不同的发育时期其形态也是不同的，在某些发育时期可能不具备其用来做物种鉴定的特征，例如，对于种子样品，就无法根据根，茎和叶的形态来做物种鉴定。DNA条形码是近年来发展起来的一项新技术，已经在学术界进行了广泛的研究。DNA条形码指的是生物体DNA序列中一段标准DNA片段，这个片段的序列对研究的物种具有特异性。换句话说，根据DNA序列，就可以确定相应样品的物种来源。在建立DNA条形码数据库的基础上，通过比对待测生物DNA条形码与DNA条形码数据库中的DNA条形码，就可以快速、准确地鉴定物种。在现在已知的基于DNA条形码数据库的物种鉴定系统中，DNA条形码数据库中保存的是已经确定的物种的条形码，在鉴定时，需从待鉴定生物中提取DNA条形码序列，使用序列比对算法在DNA条形码数据库中通过序列匹配找到与待鉴定生物DNA条形码最相似的条形码，如果数据库中最佳匹配的条形码与待鉴定生物条形码的近似度高于给定阈值，则判断待鉴定生物就属于数据库中与之匹配的条形码代表的物种。上述物种鉴定系统采用B/S模式(浏览器/服务器模式)，用户通过网页浏览器打开鉴定系统的主页，在鉴定功能栏目中利用专用扫描设备扫描输入待鉴定生物的DNA条形码，发送鉴定请求，服务器接收请求，对该DNA条形码进行鉴定，最后将鉴定结果反馈给客户端。该已知物种鉴定系统尚存在以下缺陷(I)缺乏标准的DNA条形码数据库，在DNA条形码数据库中还存在大量非标准的原始数据或待处理数据，影响鉴别的准确度；(2)缺乏简单，快速，高容量的DNA条形码表达方式；现在的DNA条形码仍然用DNA序列来表示，DNA序列是一段200-600个碱基长的字符串，打印出来占的面积较大，不能直接用来标记相应的样品；(3)缺乏简便的DNA条形码采集和识别方式，当前的DNA条形码用字符串来表示，只能用能够识别字符串的仪器来扫描，识别，速度慢，错误率高；(4)缺乏快速和准确的序列比对方法，当前的方法主要包括常用的基于BLAST的序列相似性比对算法，该算法首先找出被检测序列与标准序列相似的部分，然后再根据这些相似部分中的不相似部分进行比对。这种方法忽视了被测部分与标准序列中不相似的部分，从而降低了鉴定效率。
发明内容
本发明的目的是提出一种物种移动鉴别系统、终端、服务器及方法，能够实现以移动方式进行物种信息的采集和识别，使得物种鉴别更为方便快速。为实现上述目的，本发明提供了一种物种移动鉴别系统，包括通信终端，用于通过摄像/扫描功能采集被鉴定对象的二维码图像，并向网络侧发送物种鉴定请求，所述物种鉴定请求中携带所述二维码图像；物种鉴定服务器，包括物种数据库，用于接收所述通信终端发送的所述物种鉴定请求，并对所述物种鉴定请求中携带的二维码图像进行解码，获得对应的碱基序列，然后根据获得的碱基序列在所述物种数据库进行匹配，并根据匹配物种的信息组装鉴定结论，将·所述鉴定结论反馈给所述通信终端。为实现上述目的，本发明提供了一种物种鉴定服务器，设于网络侧，包括鉴定请求接收模块，用于接收通信终端发送的物种鉴定请求，所述物种鉴定请求中携带有所述通信终端通过摄像/扫描功能采集到的被鉴定对象的二维码图像；二维码图像解码模块，用于对所述二维码图像进行解码，获得对应的碱基序列；物种数据库，用于保存各个物种的参考碱基序列；碱基序列匹配模块，用于根据获得的碱基序列在所述物种数据库进行匹配；鉴定结论组装模块，用于根据匹配物种的信息组装鉴定结论；鉴定结论反馈模块，用于将所述鉴定结论反馈给所述通信终端。为实现上述目的，本发明提供了一种物种移动鉴别方法，包括网络侧的物种鉴定服务器接收通信终端发送的物种鉴定请求，所述物种鉴定请求中携带有所述通信终端通过摄像/扫描功能采集到的被鉴定对象的二维码图像；所述物种鉴定服务器对所述二维码图像进行解码，获得对应的碱基序列；所述物种鉴定服务器根据获得的碱基序列在物种数据库进行匹配，并根据匹配物种的信息组装鉴定结论；所述物种鉴定服务器将所述鉴定结论反馈给所述通信终端。为实现上述目的，本发明提供了一种物种移动鉴别终端，包括二维码采集模块，用于通过摄像/扫描功能采集被鉴定对象的二维码图像；物种数据库，用于保存各个物种的参考碱基序列；二维码图像解码模块，用于对所述二维码图像进行解码，获得对应的碱基序列；碱基序列匹配模块，用于根据获得的碱基序列在所述物种数据库进行匹配；鉴定结论组装模块，用于根据匹配物种的信息组装鉴定结论；鉴定结论展示模块，用于通过展示功能展示所述鉴定结论。为实现上述目的，本发明还提供了一种物种移动鉴别方法，包括物种移动鉴别终端通过摄像/扫描功能采集到的被鉴定对象的二维码图像；所述物种移动鉴别终端对所述二维码图像进行解码，获得对应的碱基序列；所述物种移动鉴别终端根据获得的碱基序列在物种数据库进行匹配，并根据匹配物种的信息组装鉴定结论；所述物种移动鉴别终端通过展示功能展示所述鉴定结论。基于上述技术方案，本发明通过具备摄像/扫描功能的终端采集被鉴定对象的二维码图像，并在本地或利用网络侧的物种鉴定服务器来进行物种鉴定，整个过程无需手动输入请求参数，因此操作简便，鉴别过程时间短且高效。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中图I为本发明物种移动鉴别系统的一实施例的结构示意图。图2为本发明物种移动鉴别方法的一实施例的流程示意图。
图3为本发明物种移动鉴别方法的另一实施例中物种数据库的建立流程的示意图。图4为本发明物种移动鉴别方法的又一实施例中二维码图像的编码过程的示意图。图5为本发明物种鉴定服务器的一实施例的结构示意图。图6为本发明物种移动鉴别终端的一实施例的结构示意图。图7为本发明物种移动鉴别方法的再一实施例的流程示意图。
具体实施例方式下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。针对于现有技术中采用DNA序列的表达方式的缺点，本发明利用了二维码所具有的易产生、易采集、可靠性高、信息容量大、尺寸大小可调的特点，将二维码作为DNA的信息载体，并利用日益普及的携带摄像/扫描功能的通信终端、带宽不断提高以及覆盖面积不断扩大的无线网络使得待鉴定对象的信息采集与传输都变得更加简单方便。优选的，利用了哈夫曼编码方法的最优特性和QR 二维码的特性，将两者结合起来生成动态的QR 二维码(也称DDQR)作为DNA条形码序列的信息载体。如图I所示，为本发明物种移动鉴别系统的一实施例的结构示意图。在本实施例中，物种移动鉴别系统主要包括通信终端I和物种鉴定服务器2。通信终端I可以是传统通信终端或智能通信终端，要求具备摄像/扫描功能和无线通信能力，能够与网络侧的鉴定设备进行信息的交互。在需要对某个对象进行物种鉴定时，通信终端I通过摄像/扫描功能采集被鉴定对象的二维码图像，并向网络侧发送物种鉴定请求，所述物种鉴定请求中携带所述二维码图像。二维码图像可以被印刷、粘贴或镶嵌在该物种的标牌等记录信息的载体上。物种鉴定服务器2处于网络侧，通过无线网络与通信终端I进行信息交互，物种鉴定服务器2包括物种数据库3 (也包括物种数据库外接的情形)，物种鉴定服务器2负责接收通信终端I发送的物种鉴定请求，并对物种鉴定请求中携带的二维码图像进行解码，获得对应的碱基序列，然后根据获得的碱基序列在物种数据库3进行匹配，并根据匹配物种的信息组装鉴定结论，将鉴定结论反馈给通信终端I。
在本实施例中，二维码由于其自身特点，相比于传统的DNA序列(约200-600个碱基长的字符串)，其信息容量更大，且尺寸可调，适合于直接标记样品，作为DNA条形码表达方式效果要好于DNA序列。同时也能充分的利用通信终端的摄像/扫描功能和无线通信功能，使得二维码的采集和远程鉴别更加易于操作和便捷。基于该物种移动鉴别系统，本发明还提供了一系列物种移动鉴别方法的实施例。如图2所示，为本发明物种移动鉴别方法的一实施例的流程示意图。在本实施例中，物种移动鉴别流程具体包括步骤101、网络侧的物种鉴定服务器接收通信终端发送的物种鉴定请求，所述物种鉴定请求中携带有所述通信终端通过摄像/扫描功能采集到的被鉴定对象的二维码图像；步骤102、所述物种鉴定服务器对所述二维码图像进行解码，获得对应的碱基序 列；步骤103、所述物种鉴定服务器根据获得的碱基序列在物种数据库进行匹配；步骤104、所述物种鉴定服务器根据匹配物种的信息组装鉴定结论；步骤105、所述物种鉴定服务器将所述鉴定结论反馈给所述通信终端。在本实施例中，如果步骤102中对二维码图像解码不成功，则物种鉴定服务器可以向通信终端返回解码失败的反馈信息；如果解码成功，但在步骤103中未找到匹配的碱基序列，此时可以向通信终端返回匹配失败的反馈信息。下面通过图3来说明一下本发明物种移动鉴别方法的另一实施例中的物种数据库的建立流程。该流程包括步骤201、导入公共数据库的碱基序列文件；步骤202、解析所述碱基序列文件,得到所有的COI、rbcL, matk, ITS2, psbA-trnH基因的序列，这些序列在下文中简称为DNA条形码序列；步骤203、对所述DNA条形码的序列进行预处理，并将预处理后得到的序列存入物种数据库；步骤204、按照预设物种对已存入所述物种数据库中的序列进行分类；步骤205、分别对每个物种进行判断，判断该物种是否只对应一条序列，是则执行步骤206，否则执行步骤207 ；步骤206、将该序列设为该物种的参考碱基序列，并执行步骤211 ；步骤207、采用Phrap软件将该物种对应的多条碱基序列组装成一条一致序列(consensus sequence)；步骤208、判断组装后的碱基序列中是否只包括一个一致序列，是则执行步骤209，否则执行步骤210 ；步骤209、将该一致序列设为该物种的参考碱基序列，并执行步骤211 ；步骤210、将所述组装后的碱基序列所包括的多个一致序列中的每个一致序列均作为该物种的参考碱基序列；步骤211、在所述物种数据库中保存每个物种的参考碱基序列。在本实施例中，步骤203中的预处理操作包括删除低质量的、短的或者有注释的侧翼序列，具体来说，即去除所述DNA条形码的序列两端的非核心序列，将属于同一物种的不同个体的DNA条形码的序列进行拼接，生成表示该物种DNA条形码序列的一致序列。
一致序列是由属于同一物种的不同个体的相同位的出现频率最高的碱基组成。DNA条形码序列如上所述，包括以上5类基因的核心序列。Phrap是一款用于基因组序列组装的软件，该软件包由华盛顿大学分子生物技术学院的Phil Green和Brent Ewing开发，主要用于学术科研活动。Phrap最早被用于人类基因组测序的组装。通过建立标准的数据处理过程，可以形成标准的DNA条形码标准序列数据库，以备后续的物种鉴别操作。在上一实施例中，步骤102中的解码的具体步骤包括物种鉴定服务器采用标准的QR算法对二维码图像进行解码，得到对应的十进制数字串；进而判断所述十进制数字串采用的编码方式，如果是定长编码方式，则采用定长解码方式对所述十进制数字串进行解码，得到对应的碱基序列；如果是哈夫曼编码方式，则采用哈夫曼解码方式对所述十进制数字串进行解码，得到对应的碱基序列。对应着，二维码图像的编码过程可参见图4，在图4中二维码图像的编码过程具体包括步骤301、扫描输入的待编码DNA序列，并统计碱基A、C、G和T的出现频率； 步骤302、分别计算采用定长编码方式和哈夫曼编码方式对所述待编码DNA序列编码时所需占用的平均位数；步骤303、比较两种编码方式对应的所需占用的平均位数，并选择占用较少位数的编码方式进行编码，得到编码后的十进制数字串；步骤304、采用标准QR code算法对所述十进制数字串进行编码，得到对应的二维码图像。在本实施例中涉及的QR code算法所得出的二维码图像属于一种广泛使用的二维码，其基本编码过程如下(I)根据QR code编码(简称QR码)原则，将信息编码成比特(bit)流；(2)对bit流每8位为一个数据码字，对数据码字进行分块，分别计算每一块的纠错码字，将纠错码字加到每一块的尾部，并调整码字序列；(3)将码字按bit位填入到表示二维码的矩阵中；(4)对矩阵进行掩模，提高QR码阅读的可靠性；(5)填入格式信息和版本信息；(6)生成QR码。本发明为了解决标准QR code的编码容量有限的问题，还增加了步骤301-303中的动态编码方法，从而大大增加了标准条形码的编码容量。下面对动态编码方法进行详细说明。这种动态编码方法可以提高QR码存储DNA序列的信息量，根据信息论的熵压缩理论，可以实现对DNA序列的压缩编码。当碱基A、C、G、T出现的频率差别较大时，使用哈夫曼编码对A、C、G、T进行编码。当A、C、G、T出现的频率差别不大时，四个字母可以用两个bit进行标识,例如00_A, 01_C, 10_G, 11-T,再将编码后的bit串用QR的编码模式进行编码。这种使每个碱基用更少的bit数表示，再对编码内容进行QR码预处理的方式，可以实现QR码编码的碱基数量最多。具体编码方案例如以下预先设计比特(bit)串格式，下表中以及后续说明中涉及的实例仅为方便说明，并不表示限制于所举实例，本领域的技术人员可以根据需要参考该实例来选择其它可行实例。
权利要求
1.一种物种移动鉴别系统，包括 通信終端，用于通过摄像/扫描功能采集被鉴定对象的ニ维码图像，并向网络侧发送物种鉴定请求，所述物种鉴定请求中携帯所述ニ维码图像； 物种鉴定服务器，包括物种数据库，用于接收所述通信终端发送的所述物种鉴定请求，并对所述物种鉴定请求中携帯的ニ维码图像进行解码，获得对应的碱基序列，然后根据获得的碱基序列在所述物种数据库进行匹配，并根据匹配物种的信息组装鉴定结论，将所述鉴定结论反馈给所述通信終端。
2.—种物种鉴定服务器，设于网络侧，包括 鉴定请求接收模块，用于接收通信终端发送的物种鉴定请求，所述物种鉴定请求中携带有所述通信終端通过摄像/扫描功能采集到的被鉴定对象的ニ维码图像； ニ维码图像解码模块，用于对所述ニ维码图像进行解码，获得对应的碱基序列； 物种数据库，用于保存各个物种的參考碱基序列； 碱基序列匹配模块，用于根据获得的碱基序列在所述物种数据库进行匹配； 鉴定结论组装模块，用于根据匹配物种的信息组装鉴定结论； 鉴定结论反馈模块，用于将所述鉴定结论反馈给所述通信終端。
3.根据权利要求2所述的物种鉴定服务器，其中所述ニ维码图像解码模块具体包括 Qrcode解码单元，用于采用标准Qrcode算法对所述ニ维码图像进行解码，得到对应的十进制数字串； 动态解码单元，用于判断所述十进制数字串采用的编码方式，如果是定长编码方式，则采用定长解码方式对所述十进制数字串进行解码，得到对应的碱基序列；如果是哈夫曼编码方式，则采用哈夫曼解码方式对所述十进制数字串进行解码，得到对应的碱基序列。
4.一种物种移动鉴别方法，包括 网络侧的物种鉴定服务器接收通信终端发送的物种鉴定请求，所述物种鉴定请求中携带有所述通信終端通过摄像/扫描功能采集到的被鉴定对象的ニ维码图像； 所述物种鉴定服务器对所述ニ维码图像进行解码，获得对应的碱基序列； 所述物种鉴定服务器根据获得的碱基序列在物种数据库进行匹配，并根据匹配物种的信息组装鉴定结论； 所述物种鉴定服务器将所述鉴定结论反馈给所述通信終端。
5.根据权利要求4所述的物种移动鉴别方法，其中还包括所述物种数据库的建立流程，具体包括 导入公共数据库中的碱基序列文件； 解析所述碱基序列文件，得到所有的DNA条形码的序列； 对所述DNA条形码的序列进行预处理，并将预处理后得到的序列存入物种数据库； 按照预设物种对已存入所述物种数据库中的序列进行分类； 分别对每个物种进行判断，判断该物种是否只对应一条序列，是则将该序列设为该物种的參考碱基序列，否则采用Phrap方法将该物种对应的多条碱基序列组装成一条一致序列； 判断组装后的碱基序列中是否只包括ー个一致序列，是则将该一致序列设为该物种的參考碱基序列，否则将所述组装后的碱基序列所包括的多个一致序列中的每个一致序列均作为该物种的參考碱基序列； 在所述物种数据库中保存每个物种的參考碱基序列。
6.根据权利要求5所述的物种移动鉴别方法，其中所述对DNA条形码的序列进行预处理的操作具体为 去除所述DNA条形码的序列两端的非核心序列，将属于同一物种的不同个体的DNA条形码的序列进行拼接，生成表示该物种DNA条形码序列的一致序列。
7.根据权利要求4所述的物种移动鉴别方法，其中所述物种鉴定服务器对所述ニ维码图像进行解码，获得对应的碱基序列的操作具体为 所述物种鉴定服务器采用标准QR code算法对所述ニ维码图像进行解码，得到对应的十进制数字串； 判断所述十进制数字串采用的编码方式，如果是定长编码方式，则采用定长解码方式对所述十进制数字串进行解码，得到对应的碱基序列；如果是哈夫曼编码方式，则采用哈夫曼解码方式对所述十进制数字串进行解码，得到对应的碱基序列。
8.根据权利要求7所述的物种移动鉴别方法，其中还包括ニ维码图像的编码过程，具体为 扫描输入的待编码DNA序列，并统计碱基A、C、G和T的出现频率； 分别计算采用定长编码方式和哈夫曼编码方式对所述待编码DNA序列编码时所需占用的平均位数； 比较两种编码方式对应的所需占用的平均位数，并选择占用较少位数的编码方式进行编码，得到编码后的十进制数字串； 采用标准QR code算法对所述十进制数字串进行编码，得到对应的ニ维码图像。
9.根据权利要求4所述的物种移动鉴别方法，其中所述根据匹配物种的信息组装的鉴定结论包括匹配的碱基序列信息、匹配的碱基序列信息所对应的物种信息和鉴别所需时间。
10.一种物种移动鉴别终端，包括 ニ维码采集模块，用于通过摄像/扫描功能采集被鉴定对象的ニ维码图像； 物种数据库，用于保存各个物种的參考碱基序列； ニ维码图像解码模块，用于对所述ニ维码图像进行解码，获得对应的碱基序列； 碱基序列匹配模块，用于根据获得的碱基序列在所述物种数据库进行匹配； 鉴定结论组装模块，用于根据匹配物种的信息组装鉴定结论； 鉴定结论展示模块，用于通过展示功能展示所述鉴定结论。
11.根据权利要求10所述的物种移动鉴别终端，其中所述ニ维码图像解码模块具体包括 QR code解码单元，用于采用标准QR code算法对所述ニ维码图像进行解码，得到对应的十进制数字串； 动态解码单元，用于判断所述十进制数字串采用的编码方式，如果是定长编码方式，则采用定长解码方式对所述十进制数字串进行解码，得到对应的碱基序列；如果是哈夫曼编码方式，则采用哈夫曼解码方式对所述十进制数字串进行解码，得到对应的碱基序列。
12.—种物种移动鉴别方法，包括物种移动鉴别终端通过摄像/扫描功能采集到的被鉴定对象的ニ维码图像； 所述物种移动鉴别終端对所述ニ维码图像进行解码，获得对应的碱基序列； 所述物种移动鉴别終端根据获得的碱基序列在物种数据库进行匹配，并根据匹配物种的信息组装鉴定结论； 所述物种移动鉴别終端通过展示功能展示所述鉴定结论。
13.根据权利要求12所述的物种移动鉴别方法，其中还包括所述物种数据库的建立流程，具体包括 导入公共数据库中的碱基序列文件； 解析所述碱基序列文件，得到所有的DNA条形码的序列； 对所述DNA条形码的序列进行预处理，并将预处理后得到的序列存入物种数据库； 按照预设物种对已存入所述物种数据库中的序列进行分类； 分别对每个物种进行判断，判断该物种是否只对应一条序列，是则将该序列设为该物种的參考碱基序列，否则采用Phrap方法将该物种对应的多条碱基序列组装成一条一致碱基序列； 判断组装后的碱基序列中是否只包括ー个一致序列，是则将该一致序列设为该物种的參考碱基序列，否则将所述组装后的碱基序列所包括的多个一致序列中的每个一致序列均作为该物种的參考碱基序列； 在所述物种数据库中保存每个物种的參考碱基序列。
14.根据权利要求13所述的物种移动鉴别方法，其中所述对DNA条形码的序列进行预处理的操作具体为 去除所述DNA条形码的序列两端的非核心序列，将属于同一物种的不同个体的DNA条形码的序列进行拼接，生成表示该物种DNA条形码序列的一致序列。
15.根据权利要求12所述的物种移动鉴别方法，其中所述物种移动鉴定終端对所述ニ维码图像进行解码，获得对应的碱基序列的操作具体为 所述物种移动鉴定終端采用标准QR code算法对所述ニ维码图像进行解码，得到对应的十进制数字串； 判断所述十进制数字串采用的编码方式，如果是定长编码方式，则采用定长解码方式对所述十进制数字串进行解码，得到对应的碱基序列；如果是哈夫曼编码方式，则采用哈夫曼解码方式对所述十进制数字串进行解码，得到对应的碱基序列。
16.根据权利要求15所述的物种移动鉴别方法，其中还包括ニ维码图像的编码过程，具体为 扫描输入的待编码DNA序列，并统计碱基A、C、G和T的出现频率； 分别计算采用定长编码方式和哈夫曼编码方式对所述待编码DNA序列编码时所需占用的平均位数； 比较两种编码方式对应的所需占用的平均位数，并选择占用较少位数的编码方式进行编码，得到编码后的十进制数字串； 采用标准QR code算法对所述十进制数字串进行编码，得到对应的ニ维码图像。
17.根据权利要求12所述的物种移动鉴别方法，其中所述根据匹配物种的信息组装的鉴定结论包括匹配的碱基序列信息、匹配的碱基序列信息所对应的物种信息和鉴别所需时间。
全文摘要
本发明涉及一种物种移动鉴别系统，包括通信终端，用于采集被鉴定对象的二维码图像，并向网络侧发送物种鉴定请求，物种鉴定请求中携带二维码图像；物种鉴定服务器，包括物种数据库，用于接收通信终端发送的物种鉴定请求，并对物种鉴定请求中携带的二维码图像进行解码，获得对应的碱基序列，然后根据获得的碱基序列在物种数据库进行匹配，并根据匹配物种的信息组装鉴定结论，将鉴定结论反馈给通信终端。本发明还涉及一种物种鉴定服务器和物种移动鉴别方法。本发明通过具备摄像/扫描功能的通信终端采集被鉴定对象的二维码图像，并利用网络侧的物种鉴定服务器来进行物种鉴定，整个过程无需手动输入请求参数，因此操作简便，鉴别过程时间短且高效。
文档编号G06F19/18GK102799795SQ20111013606
公开日2012年11月28日 申请日期2011年5月25日 优先权日2011年5月25日
发明者刘昶, 李欢, 陈士林, 邢航, 梁栋 申请人:中国医学科学院药用植物研究所, 北京航空航天大学