利用低成本传感器进行飞行昆虫的检测与分类

摘要

我们提出了一种系统，该系统利用廉价、非侵入性的伪声学光学传感器，根据飞行昆虫的飞行声音，自动且准确地检测、计数并分类飞行昆虫。

摘要

一种低成本、非侵入式的系统，若能准确分类飞行昆虫，将对昆虫学研究具有重要意义，并可推动医学和农业昆虫学领域中病媒与害虫控制的多种实用应用。鉴于此，过去六十年间已有大量研究致力于实现这一目标。然而迄今为止，这些研究均未产生持久影响。在本研究中，我们证明伪声学光学传感器能够产生更优越的数据；昆虫飞行行为的内在和外在特征均可被利用以提升昆虫分类性能；贝叶斯分类方法能够高效地学习对过拟合具有很强鲁棒性的分类模型；通用的分类框架可轻松整合任意数量的特征。我们通过大规模实验验证了上述发现，就所考虑的昆虫数量和物种数量而言，本实验的规模远超以往所有研究的总和。

引言

利用昆虫飞行时产生的偶然声音自动对其进行分类的想法，可以追溯到计算机和商业音频录制设备出现的早期¹。然而，在此后的几十年中，这一问题的研究进展甚微。该领域进展缓慢可归因于若干相关因素。

首先，由于缺乏有效的传感器，数据采集一直十分困难。大多数数据采集工作都采用了声学麦克风^2-5。这类设备对风噪和环境中的背景噪声极为敏感，导致所获取的数据极为稀疏且质量低下。

其次，许多研究人员试图学习非常复杂的分类模型（尤其是神经网络^6-8），这进一步加剧了数据质量问题。仅凭几十个样本就试图学习复杂的分类模型，极易导致过拟合。

第三，由于获取数据的困难，许多研究者尝试在数据极为有限的情况下构建分类模型，样本量少至300个实例⁹甚至更少。然而，已知在构建准确的分类模型时，数据量越大效果越好^10-13。

本研究解决了上述全部三个问题。可以使用光学（而非声学）传感器从数米之外记录昆虫飞行的“声音”，且完全不受风噪和环境声音的干扰。这些传感器使我们能够记录数百万个带有标签的训练样本，数据量远超以往所有研究的总和，从而有助于避免此前研究中普遍存在的过拟合问题。下文展示了一种系统化的方法，可将额外信息整合到分类模型....

方案

1. 昆虫种群与饲养

1. 蚊虫种群的培养与饲养
   1. 从实验室种群中饲养源自野外捕获个体的成虫，包括三带喙库蚊（Culex tarsalis）、致倦库蚊（Culex quinquefasciatus）、点斑库蚊（Culex stigmatosoma）和埃及伊蚊（Aedes aegypti）。
   2. 在标准实验室条件下（27 °C，16:8 小时光暗周期 [LD]，含 1 小时黄昏/黎明过渡期），于搪瓷盘中饲养蚊虫幼虫，并以磨碎的啮齿类动物饲料与啤酒酵母按体积比 3:1 混合的食物自由喂养（ad libitum）。
   3. 将蚊蛹收集至 200 ml 的杯子中，并转移至实验饲养箱。或者，在羽化后一周内用吸管将成蚊转移至实验饲养箱。确保每个实验饲养箱内含有 20 至 40 只同种/同性别个体。
   4. 以 10% 蔗糖水溶液自由喂养成蚊（ad libitum），每周更换食物一次。
   5. 每周两次润湿棉布毛巾并覆盖于实验饲养箱顶部，以维持笼内湿度。此外，饲养箱内应始终放置一个盛有 200 ml 自来水的杯子，以帮助维持整体湿度水平。
   6. 实验期间，将实验饲养箱维持在 16:8 小时光暗周期 [LD]、20.5–22 °C 及 30–50% 相对湿度（RH）条件下。
   ....

结果

本文展示了两个实验。这两个实验所用的数据均从包含超过10万个对象的数据集中随机抽样获得。

第一个实验展示了所提出的分类器准确分类不同物种/性别的昆虫的能力。由于分类准确率取决于待分类的昆虫种类，因此单一的绝对准确率数值无法使读者对系统性能形成直观理解。因此，本研究并未报告分类器在固定昆虫集合上的准确率，而是将分类器应用于物种数量逐步增加的数据集，从而使得分类难度随之递增。

该数据集最初仅包含2种昆虫；随后在每一步中依次增加一个物种（或一个雌雄异形物种的单一性别），并使用分类器对不断增加的物种数量（即新的数据集）进行分类。共考虑了十类昆虫（同一物种的不同性别计为不同类别），每类包含5,000个样本。

分类器在分类过程中同时使用了昆虫声音（频率谱）和截获时间。 表1展示了每一步测得的分类准确率以及在该步骤中添加的相关类别。

根据

讨论

本文所述的传感器/分类框架可实现对飞行昆虫的低成本、可扩展分类。该系统能达到的准确度足以支持商业产品的开发，并可成为昆虫学研究中的有用工具。

利用低成本、非侵入式传感器准确且自动地对飞行昆虫进行分类，将对昆虫学研究产生重大影响。例如，通过在野外部署该系统以计数和分类昆虫媒介，系统可提供目标物种的实时数量，生成可用于规划干预或防控措施以对抗疟疾的实时信息。此外，该系统能够自动区分昆虫的性别，因此可用于帮助从事昆虫不育技术¹⁵研究的昆虫学家摆脱手动鉴定昆虫性别的繁琐且耗时的工作。

使用该系统时，最关键的步骤是正确设置传感器以进行数据采集。如果激光器与光电阵列未正确对准，所获得的数据将含有大量噪声。昆虫放入笼内后，应始终利用笼体外部的磁铁对光电阵列进行微调。请注意，闪烁的灯光、相机闪光灯以及笼体附近的振动都会引入噪声。因此，为获得清晰的数据，应将笼体置于暗室中，并在必要时于笼体下方放置干燥的毛巾，以降低振动水平。

本研究中提出的分类器仅使用了两个额外的特征.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
录音设备：ICD-PX312	索尼	4-267-065-11(2)	配备 8 GB microSD 额外存储卡
昆虫饲养室	Lee's Aquarium & Pet Products.	20088 HerpHaven®, 大号矩形	长 14 1/2" × 宽 8 3/4" × 高 9 3/4"。经改造用于饲养昆虫。
激光线发生器，650 nm（红色）	Apinex（www.apinex.com）	LN60-650	5 mW。此为低功率激光器，类似于教师用激光笔
光电二极管阵列	VISHAY SEMICONDUCTOR  TEFD4300  PIN PHOTODIODE, 650NM, 20DEG, T1	TEFD4300	我们自行制作了一个由 15 个此类光电二极管并联组成的定制阵列。
模数转换器集成电路	本实验室自制		该项目由我们自行制作，但市面上易得的商用产品 Gino PCF8591 AD/DA 转换器可提供相同功能。