تحلق كشف وتصنيف الحشرات مع مجسات رخيصة
أكتوبر 15, 2014
اقترحنا نظام يستخدم غير مكلفة، موسع أجهزة الاستشعار البصرية الزائفة الصوتية تلقائيا وبدقة لكشف والعد، وتصنيف الحشرات الطائرة على أساس الصوت سفرهم.
الهدف العام من هذا الإجراء هو اكتشاف الحشرات الطائرة وتحديدها بناء على صوت دقات جناحها. يتم تحقيق ذلك أولا باستخدام مستشعر صوتي زائف لتسجيل الصوت باستمرار في غرفة التجربة. الخطوة الثانية هي الكشف تلقائيا عن أصوات تطاير الحشرات من التسجيل الخام.
الخطوة الأخيرة هي تصنيف أصوات الطيران المكتشفة تلقائيا لتحديد أنواع الحشرات والجنس. في النهاية ، يتم استخدام الأشكال والجداول لإظهار دقة التصنيف. الميزة الرئيسية لهذه التقنية هي أنها بسيطة وغير مكلفة ويمكن جعلها في كل مكان مثل الطرق الحالية مثل الرحلات اللاصقة ورحلات الشفاعة ، ولكن مع مزايا رقمية مثل الدقة العالية والمراقبة في الوقت الفعلي.
لبدء التجربة ، قم بتربية يرقات البعوض في أحواض المينا في ظل ظروف معملية قياسية. أطعمهم مزيجا من طعام القوارض المطحونة وخميرة البيرة بنسبة ثلاثة إلى واحد. بعد ذلك ، اجمع البعوض في 200 ملليلتر أو اجمع البعوض البالغ ووضعه في غرف تجريبية.
تأكد من أن كل غرفة تجريبية تحتوي على 20 إلى 40 فردا من نفس النوع والجنس. تناول البعوض البالغ ، خليط السكروز والماء بنسبة 10٪ ، واستبدل الطعام مرة واحدة في الأسبوع ، والمناشف الرطبة والقطنية مرتين في الأسبوع ، وضعها فوق الغرف التجريبية للحفاظ على الرطوبة. بالإضافة إلى ذلك ، احتفظ بكوب 200 مل من ماء الصنبور في الغرفة في جميع الأوقات.
حافظ على الغرف التجريبية في دورة من 16 إلى ثماني ساعات من الضوء إلى الظلام عند 20.5 إلى 22 درجة مئوية ورطوبة 30 إلى 50٪ طوال مدة التجربة. قم بتوصيل الغرفة التجريبية بمصدر طاقة وقم بتشغيل الطاقة. قم بمحاذاة مصابيح الليزر مع مصفوفة الصور عن طريق ضبط المغناطيس حتى يتمركز الليزر على جميع الثنائيات الفردية للصور.
بعد ذلك ، قم بإجراء فحصين للعقل عن طريق التأكد أولا من أن النظام يعمل وأن الليزر يشير إلى مصفوفة الصور. ثانيا ، قم بتوصيل السماعة بمقبس الصوت للتحقق مما إذا كانت محاذاة الليزر ومصفوفة الصور قادرة على التقاط الصوت. اغمر يدك داخل وخارج القفص بالقرب من نهاية مصدر الليزر.
تأكد من أن ضوء الليزر في متناول اليد واستمع لمعرفة ما إذا كان الصوت يتغير. عندما تدخل اليد وتخرج ، قم بتوصيل خيط بفرشاة أسنان إلكترونية وقم بتشغيل فرشاة الأسنان. تأكد من تشغيل ضوء الليزر.
ثم حرك الخيط إلى مستوى الليزر واستمع لمعرفة ما إذا كان الصوت يتغير. بعد إعداد النظام بشكل صحيح ، أضف الحشرات إلى القفص وأغلق الغطاء. لبدء جمع البيانات ، قم بتشغيل المسجل وقم بعمل تعليق توضيحي صوتي يتضمن المعلومات التالية وقم بإيقاف التسجيل مؤقتا.
بعد ذلك ، قم بتوصيل المسجل بالنظام واستأنف التسجيل لمدة ثلاثة أيام. قم بتنزيل البيانات من المسجل إلى مجلد جديد وأفرغ المسجل عن طريق حذف البيانات. كرر عملية التسجيل حتى تموت الحشرات المتبقية ولا يتبقى أكثر من خمس حشرات على قيد الحياة في القفص.
لمعالجة البيانات ، قم بتشغيل برنامج الكشف عن WBF اليومي لكل مجلد يحتوي على بيانات من جلسة تسجيل ، وافتح MATLAB واكتب في نافذة الأوامر لتغيير دليل عمل MATLAB إلى دليل التعليمات البرمجية وتشغيل الكود سيركاديان WBF. ثم اضغط على Enter للبدء. بمجرد انتهاء الخوارزمية ، تحقق من نتائج الكشف التي تخرجها الخوارزمية في مجلد جديد ، يحقق المصنف دقة تزيد عن 96٪ عند تصنيف ما لا يزيد عن خمسة أنواع من الحشرات كما هو موضح في الجدول ، والذي يعرض دقة التصنيف التي تم الحصول عليها مع أعداد متزايدة من الفئات.
عندما يزداد عدد الفئات إلى 10 ، فإن الدقة لا تقل أبدا عن 79٪ يمكن أن يساعد هذا التانيك في مكافحة الأمراض الملوثة مثل المواد من خلال إنتاج معلومات حقيقية يمكن استخدامها لتخطيط برنامج الفصل بشكل فعال. يمكن أن يساعد المزارعين أيضا على الحد من انتشار الأضرار الناجمة عن الحوادث على محاصيلهم من خلال مراقبة الآفات في الحقل.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة نظاماً يستخدم مستشعرات بصرية صوتية زائفة منخفضة التكلفة وغير بضعية للكشف عن الحشرات الطائرة وتصنيفها وعدّها بناءً على أصوات خفقان أجنحتها. وتوفر هذه الطريقة بديلاً رقمياً لتقنيات مراقبة الحشرات التقليدية، مما يمنح دقة أعلى وبيانات في الوقت الفعلي.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلوم
- مراقبة الحشرات
- تقنية الاستشعار الصوتي
- تصنيف الأنواع
خلفية علمية
- تشمل الطرق التقليدية لمراقبة الحشرات المصائد اللاصقة ومصائد الاعتراض.
- قد تكون هذه الطرق محدودة من حيث الدقة وجمع البيانات في الوقت الفعلي.
- توفر التطورات في تقنية الاستشعار الصوتي فرصاً جديدة للكشف عن الحشرات.
- يعد فهم مجموعات الحشرات أمراً بالغ الأهمية للدراسات البيئية وإدارة الآفات.
الغرض من الدراسة
- تطوير نظام للكشف التلقائي عن أصوات الحشرات الطائرة.
- تصنيف الأصوات المكتشفة لتحديد أنواع الحشرات وجنسها.
- إثبات مزايا هذه الطريقة مقارنة بتقنيات الرصد التقليدية.
الطرق المستخدمة
- تسجيل مستمر للصوت باستخدام مستشعرات صوتية زائفة في غرفة تجريبية.
- الكشف التلقائي عن أصوات طيران الحشرات من التسجيلات الصوتية الخام.
- تصنيف الأصوات المكتشفة لتحديد النوع والجنس.
- استخدام الأشكال والجداول لعرض نتائج دقة التصنيف.
النتائج الرئيسية
- تمكن النظام بنجاح من رصد وتصنيف أنواع مختلفة من الحشرات الطائرة.
- أشارت النتائج إلى دقة أعلى مقارنة بالطرق التقليدية.
- تم استعراض قدرات المراقبة في الوقت الفعلي.
- تتميز هذه الطريقة بكونها منخفضة التكلفة وسهلة التنفيذ.
الاستنتاجات
- تقدم هذه الدراسة بديلاً فعالاً لمراقبة الحشرات.
- يعزز النظام المقترح الدقة والكفاءة في الكشف عن الحشرات الطائرة.
- يمكن أن تؤدي التطبيقات المستقبلية إلى تحسين استراتيجيات الرصد البيئي ومكافحة الآفات.
الأسئلة الشائعة
الأهمية الصناعية التنفيذية
يوضح هذا العمل نظام استشعار غير باضع ومنخفض التكلفة للكشف عن الحشرات الطائرة وتصنيفها بناءً على أصوات خفقان الأجنحة، مما يوفر بديلاً قابلاً للتوسع لطرق الرصد الحشري التقليدية. يوفر هذا النهج بيانات دقيقة للغاية في الوقت الفعلي يمكنها دعم برامج مراقبة النواقل وإدارة الآفات في مجالي الحشرات الزراعية والطبية. ومن خلال تمكين المراقبة المستمرة بأقل قدر من البنية التحتية، يعزز النظام الثقة التنبؤية في التحقق من الأهداف في المراحل المبكرة للتدخلات الرامية إلى الحد من انتقال الأمراض أو فقدان المحاصيل.
التطبيقات الاستراتيجية في البحث والتطوير في مجال الأدوية الحيوية
الاكتشاف المبكر والتحقق من الهدف
- القيمة العلمية: تتيح استقصاء الأنماط الظاهرية السلوكية للحشرات من خلال المراقبة المستمرة وغير الغازية لأنماط خفقان الأجنحة.
- القيمة التشغيلية: تدعم اختبار الفرضيات في أبحاث مكافحة النواقل من خلال توفير بيانات كمية عن النشاط خاصة بكل نوع وجنس.
- القيمة التنبؤية: تعزز الثقة في اختيار الأهداف من خلال ربط نشاط الحشرات بمتغيرات بيئية أو تدخلات محددة.
الفحص وتطوير المقايسة
- القيمة العلمية: توليد بصمات صوتية قوية وقابلة للتكرار تعمل كمؤشرات نمطية لتصنيف الحشرات.
- القيمة التشغيلية: توحيد عملية جمع البيانات عبر الغرف التجريبية، مما يقلل من التباين في الدراسات الطولية.
- القابلية للتوسع: تتيح المراقبة عالية الإنتاجية لمجموعات كبيرة من الحشرات على فترات ممتدة، كما ظهر في التسجيلات التي استمرت لعدة أيام.
الأبحاث الانتقالية وما قبل السريرية
- الاستمرارية الانتقالية: يربط دراسات سلوك الحشرات المخبرية بأدوات المراقبة القابلة للتطبيق ميدانياً لنماذج الأمراض المنقولة بالنواقل.
- تقليل المخاطر الميكانيكية: يتيح التقييم الفوري لتأثيرات التدخلات على مجموعات الحشرات، مما يدعم قرارات المضي قدماً أو التوقف في مرحلة التطوير قبل السريري.
- نظام ذو صلة بالمرض: يوفر منصة لتقييم كفاءة النواقل وسلوكيات البحث عن المضيف تحت ظروف مضبوطة.
تكامل خطوط المعالجة وسير العمل
تندرج هذه الطريقة ضمن سلسلة الاكتشافات الممتدة من بيولوجيا النواقل المبكرة وصولاً إلى التقييم قبل السريري لاستراتيجيات المكافحة، لاسيما عندما يساهم الرصد الفوري والمحدد للأنواع في تعزيز الفهم الآلي وفعالية التدخل.
- بيولوجيا الاكتشاف: تسهل الدراسات القائمة على الفرضيات لسلوك طيران الحشرات، والنشاط اليوماوي، والاستجابة للمؤثرات.
- الفحص: توفر مخرجات كمية جاهزة للمقايسة (تردد ضربات الأجنحة، وتعديل السعة) مناسبة للفحص المظهري عالي الدقة.
- التحليلات: تتيح المقارنة الإحصائية لمجتمعات الحشرات عبر ظروف مختلفة باستخدام دقة التصنيف ومعدلات الكشف كمقاييس رئيسية.
- الأبحاث الانتقالية: تدعم الاستمرارية من المختبر إلى الميدان من خلال التحقق من صحة أدوات المراقبة التي يمكن نشرها في البيئات المتوطنة.
- إعادة الاستخدام المؤسسي: تمثل منصة استشعار قابلة لإعادة الاستخدام ويمكن تكييفها مع أنواع متعددة من الحشرات وسياقات بيئية متنوعة.
التأثير التشغيلي والمؤسسي
- القيمة العلمية: تزيد من الثقة التنبؤية في التحقق من الهدف من خلال تقليل الغموض في التنميط الظاهري للحشرات والاستجابات السلوكية.
- القيمة التشغيلية: توفر مراقبة معيارية في الوقت الفعلي مع حد أدنى من المواد الاستهلاكية، مما يقلل العبء التشغيلي مقارنة بالمصائد اللاصقة أو مصائد الاعتراض.
- القيمة الاستراتيجية: تحسن كفاءة رأس المال من خلال تمكين التكرار السريع في حملات فحص مكافحة النواقل عبر الحصول على تعذية راجعة فورية حول آثار التدخل.
- التأثير على المحفظة: تدعم تحديد الأولويات المعدلة حسب المخاطر للمرشحين لمكافحة النواقل من خلال توفير مؤشرات حيوية مبكرة وقابلة للقياس لقمع المجموعات السكانية.
اعتبارات التنفيذ
- يتطلب خبرة في علم الصوتيات الحيوية، ومعالجة الإشارات، وتصميم المقايسات الحشرية.
- يعتمد على أجهزة بصرية وصوتية مستقرة، بما في ذلك مصفوفات الليزر-الفوتودايود وأنظمة التحكم البيئية.
- يستلزم توحيد المعايير بين الفرق فيما يخص تعليق البيانات، والتحقق من الأنواع، وتدريب نماذج التصنيف.
- قد يتطلب التكيف عبر الأنظمة النموذجية المختلفة إعادة معايرة حساسية المستشعرات ومعايير استخراج الميزات.
- تشمل القيود العملية الحساسية تجاه الضوضاء المحيطة والاهتزازات البيئية، مما قد يؤثر على دقة الكشف في البيئات الميدانية.
