安価なセンサで昆虫の検出と分類をフライング

サマリー

安価で非侵襲的な擬似音響光学センサーを用いて、飛んでいる昆虫を飛んでいる音から自動的かつ正確に検出し、カウントし、分類するシステムを提案しました。

要約

正確に飛翔昆虫を分類できた安価な、非侵襲的なシステムは、昆虫学の研究にとって重要な意味を持っており、両方の医療や農業昆虫学のためのベクトルと害虫駆除の多くの有用なアプリケーションの開発を可能にするであろう。この与えられた、最後の60年は、このタスクを対象とした数多くの研究努力を見てきました。しかし、今日まで、本研究のいずれも、持続的な影響を与えなかった。本研究では、擬似的な音響光学センサは、優れたデータを生成できることを示している。昆虫の飛行動作に内因性および外因性の両方その追加機能には、昆虫分類を改善するために利用することができます。ことは、ベイジアン分類アプローチは、効率的にオーバーフィッティングに非常に堅牢である分類モデルを学習することができ、そして一般的な分類の枠組みを簡単に特徴の任意の数を組み込むことができます。私たちは、以前のすべての作品のコンビを矮小大規模実験での知見を実証昆虫の数と見なさ種の数によって測定されるように、定義さ。

概要

自動的に飛行の付帯音を使って昆虫を分類する考え方は、最も初期のコンピュータの時代と市販のオーディオ録音機器¹にさかのぼる。しかし、ほとんど進展は、介在十年でこの問題について説明した。この追求の進展の欠如は、いくつかの関連する要因に起因することができます。

まず、有効なセンサの欠如は、データ収集が困難になった。データを収集するためのほとんどの努力は、音響マイクロフォン^2-5を使用している。このようなデバイスは、非常にまばらな、低品質のデータで、その結果、環境中のノイズや周囲の騒音を巻くことは非常に敏感である。

第二に、これらのデータ品質の問題を配合することは、多くの研究者が非常に複雑な分類モデル、特にニューラルネットワーク^6-8を学習することを試みてきたという事実である。例の単なる十で、複雑な分類モデルを学習しようとすると、オーバーフィッティングのためのレシピです。

第三に、データ取得の困難は、多くの研究者は300のインスタンス⁹以下のように少数のように、非常に限られたデータに分類モデルを構築することを試みていることを意味している。しかし、正確な分類モデルを構築するために、より多くのデータが^10-13優れていることが知られている。

プロトコル

1昆虫コロニー、飼育

1. モスキートコロニー、子育て
   1. 野生に由来リアイエカ足根骨の、ネッタイイエカ、アカイエカstigmatosoma、とラボコロニーからネッタイシマカ大人、個人を捉えました。
   2. リア標準実験室条件下でエナメルパンにおける蚊の幼虫（27℃、16：8時間明：1時間夕暮れ/夜明け期間が濃い[LD]サイクル）、および接地げっ歯類飼料およびビール酵母の混合物を自由摂取彼らを養う（3：1、V：V）。
   3. 200ミリリットルカップに蚊蛹を集め、実験室に配置します。代わりに、出現の1週間以内に実験室に大人の蚊を吸引除去する。各実験室は同じ種/性別の20から40の個人が含まれていることを確認します。
   4. 10％のスクロースおよび水の混合物を餌大人の蚊不断 。食料を毎週交換してください。
   5. plの週2回綿のタオルを湿らせケージ内の湿度を維持するために、実験室の上にそれらをエース。また、全体的な湿度レベルを維持するために常時チャンバ内で水道水200mlのカップを置く。
   6. 実験期間中、暗所[LD]サイクル、20.5から22℃、30〜50％RH：8時間明：16についての実験室を維持します。
2. イエバエとフルーツフライコロニー、子育て
   1. 野生から派生ラボコロニーからのリアイエバエは 、個人を捉え....

結果

ここでは2つの実験を紹介します。どちらの実験でも、使用されたデータは、100,000を超えるオブジェクトを含むデータセットからランダムにサンプリングされました。

最初の実験は、提案された分類器が昆虫の異なる種/性別を正確に分類する能力を示しています。分類精度は分類する昆虫に依存するため、分類精度の単一の絶対値では、読者はシステムのパフォーマンスについて適切な直感を得ることができません。代わりに、分類器の精度を固定された昆虫のセットで報告するのではなく、分類器は種の数が徐々に増加するデータセットに適用され、したがって分類の難易度が増加しました。

データセットは2種類の昆虫から始まりましたが、各ステップでさらに1つの種(または性的に二形性の種の1つの性別)が追加され、増加した種数(新しいデータセット)を分類するために分類器が使用されました。合計10のクラスの昆虫(同じ種の異なる性別は異なるクラスとしてカウントされます)が考慮され、各クラスには5,000の模範がいます。

ディスカッション

ここで説明するセンサー/分類フレームワークにより、飛んでいる昆虫の安価でスケーラブルな分類が可能になります。このシステムによって達成可能な精度は、商用製品の開発を可能にするのに十分であり、昆虫学研究において有用なツールとなる可能性があります。

安価で非侵襲的なセンサーを使用して飛んでいる昆虫を正確かつ自動的に分類できる機能は、昆虫学研究に重大な影響を与えるでしょう。たとえば、昆虫媒介生物をカウントおよび分類するためにシステムを現場に導入することで、システムは対象種のリアルタイムカウントを提供し、マラリアと闘うための介入/抑制プログラムの計画に使用できるリアルタイムの情報を生成できます。さらに、このシステムは昆虫を性別によって自動的に分離できるため、無菌昆虫技術¹⁵ に取り組んでいる昆虫学者を、昆虫の性別を手動で性別を決定するという退屈で時間のかかる作業から解放するために使用できます。

このシステムを使用する上で最も重要なステップは、データ収集用にセンサーを適切にセットアップすることです。レーザーとフォトア.......

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
オーディオレコーダー:ICD-PX312	Sony	4-267-065-11(2)	With a 8 GB microSD extra memory
Insectary	Lee's Aquarium &ペット用品。	20088 HerpHaven®、大きな長方形	14 1/2 "長さ×8 3/4"幅×9 3/4"高さ。昆虫を飼うように改造。
レーザーラインジェネレーター、650 nm (赤)	Apinex (www.apinex.com)	LN60-650	5 mW.これは、教師のレーザーポインター
ダイオードアレイ	VISHAY SEMICONDUCTOR に似た低出力レーザーです。TEFD4300 ピンフォトダイオード、650NM、20°、T1	TEFD4300	これらのフォトダイオードのうち15個を並列に配線したカスタムアレイを作成しました。
アナログからデジタルへの変換器集積回路	私たちの研究室		このアイテムは自分で作りましたが、簡単に入手できる商用製品であるGino PCF8591 AD/DA Converterでも同じ機能を提供しています。