Полет обнаружения насекомых и классификации с недорогих датчиков
15 октября 2014 г.
Мы предложили систему, которая использует недорогие, неинвазивные псевдо-акустическая оптические датчики для автоматического и точного обнаружения, соперника, классифицировать летающих насекомых, основанные на их летающей звука.
Общая цель этой процедуры заключается в обнаружении и идентификации летающих насекомых на основе звука взмаха их крыльев. Это достигается путем использования псевдоакустического датчика для непрерывной записи звука в экспериментальной камере. Вторым шагом является автоматическое обнаружение звуков полета насекомых из исходной записи.
Заключительным этапом является автоматическая классификация обнаруженных звуков полета для идентификации вида и пола насекомых. В конечном счете, рисунки и таблицы используются для демонстрации точности классификации. Основное преимущество этой технической технологии заключается в том, что она проста, недорога и может быть так же распространена, как современные методы, такие как липкие поездки и заступнические поездки, но с цифровыми преимуществами, такими как более высокая точность и мониторинг в режиме реального времени.
Для начала эксперимента выращивайте личинок комаров в эмалированных кастрюлях в стандартных лабораторных условиях. Кормите их смесью измельченного грызуна и пивных дрожжей в соотношении три к одному. Далее соберите детенышей комара в 200-миллилитровые стаканчики или соберите взрослых комаров и поместите их в экспериментальные камеры.
Убедитесь, что в каждой экспериментальной камере содержится от 20 до 40 особей одного вида и пола. Ешьте взрослых комаров, 10%-ную смесь сахарозы и воды, и заменяйте корм один раз в неделю, влажные и хлопчатобумажные полотенца два раза в неделю, и положите их поверх экспериментальных камер для поддержания влажности. Кроме того, всегда держите в камере чашку водопроводной воды объемом 200 миллилитров.
Поддерживайте в экспериментальных камерах 16-8-часовой цикл от света к темноте при температуре от 20,5 до 22 градусов Цельсия и влажности от 30 до 50% на протяжении всего эксперимента. Подключите экспериментальную камеру к источнику питания и включите питание. Выровняйте лазерные лучи по фотомассиву, регулируя магниты так, чтобы лазер был центрирован на всех отдельных фотодиодах.
Затем выполните две проверки работоспособности, сначала убедившись, что система включена и лазер направлен на фотомассив. Во-вторых, подключите колонку к аудиоразъему, чтобы проверить, способны ли выравнивания лазера и фотоматрицы улавливать звук. Погрузите руку в клетку рядом с концом лазерного источника и выньте ее из нее.
Убедитесь, что свет лазера находится на руке, и прислушайтесь, не изменится ли звук. По мере того, как рука входит и выходит, прикрепите веревку к электронной зубной щетке и включите зубную щетку. Убедитесь, что свет лазера горит.
Затем переместите струну в плоскость лазера и прислушайтесь, изменится ли звук. После того, как система будет правильно настроена, добавьте в клетку насекомых и закройте крышкой. Чтобы начать сбор данных, включите диктофон и сделайте голосовую аннотацию, содержащую следующую информацию, и приостановите запись.
Далее подключите регистратор к системе и возобновите запись в течение трех дней. Загрузите данные с регистратора в новую папку и очистите регистратор, удалив данные. Повторяйте процесс записи до тех пор, пока оставшиеся насекомые не погибнут и в клетке не останется в живых не более пяти насекомых.
Чтобы обработать данные, запустите программное обеспечение для определения циркадных WBF для каждой папки, содержащей данные из сеанса записи, откройте MATLAB и введите в командном окне изменение рабочего каталога MATLAB на каталог кода и запустите код циркадного WBF. Затем нажмите Enter, чтобы начать. После завершения работы алгоритма, проверки результатов обнаружения, которые алгоритм выводит в новую папку, классификатор достигает точности более 96% при классификации не более пяти видов насекомых, как показано в таблице, которая отображает точность классификации, полученную при увеличении числа классов.
Когда количество классов увеличивается до 10, точность никогда не опускается ниже 79%Этот дубильный препарат может помочь в борьбе с такими заболеваниями, как материал, производя реальную информацию, которая может быть использована для эффективного планирования программы разделения. Это также может помочь фермерам ограничить распространение случайных повреждений на свои посевы путем мониторинга вредителей на поле.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном исследовании представлена система, использующая недорогие неинвазивные псевдоакустические оптические датчики для обнаружения, классификации и подсчета летающих насекомых на основе звуков взмахов их крыльев. Данный метод представляет собой цифровую альтернативу традиционным методам мониторинга насекомых, обеспечивая более высокую точность и получение данных в режиме реального времени.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Мониторинг насекомых
- Технология акустического зондирования
- Классификация видов
Теоретические основы
- Традиционные методы мониторинга насекомых включают использование липких ловушек и перехватывающих ловушек.
- Эти методы могут иметь ограничения в точности и возможности сбора данных в режиме реального времени.
- Достижения в области технологий акустического зондирования открывают новые возможности для обнаружения насекомых.
- Изучение популяций насекомых имеет решающее значение для экологических исследований и борьбы с вредителями.
Цель исследования
- Разработать систему автоматического детектирования звуков летающих насекомых.
- Классифицировать детектированные звуки для определения вида и пола насекомых.
- Продемонстрировать преимущества данного метода по сравнению с традиционными методами мониторинга.
Используемые методы
- Непрерывная запись звука с использованием псевдоакустических датчиков в экспериментальной камере.
- Автоматическое обнаружение звуков полета насекомых на основе необработанных аудиозаписей.
- Классификация обнаруженных звуков для определения вида и пола.
- Использование рисунков и таблиц для представления результатов точности классификации.
Основные результаты
- Система успешно обнаружила и классифицировала различные виды летающих насекомых.
- Результаты показали более высокую точность по сравнению с традиционными методами.
- Были продемонстрированы возможности мониторинга в режиме реального времени.
- Метод является экономически эффективным и простым в реализации.
Выводы
- Данное исследование представляет собой жизнеспособную альтернативу для мониторинга насекомых.
- Предложенная система повышает точность и эффективность обнаружения летающих насекомых.
- Будущее применение данной системы может привести к совершенствованию стратегий экологического мониторинга и борьбы с вредителями.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для промышленности
В данной работе представлена недорогая неинвазивная сенсорная система для обнаружения и классификации летающих насекомых на основе звуков взмахов крыльев, которая является масштабируемой альтернативой традиционным методам энтомологического мониторинга. Данный подход обеспечивает получение высокоточных данных в режиме реального времени, которые могут быть использованы в программах эпидемиологического надзора за переносчиками и борьбы с вредителями в сельскохозяйственной и медицинской энтомологии. Обеспечивая непрерывный мониторинг при минимальной инфраструктуре, система повышает прогностическую достоверность при валидации целей на ранних стадиях для проведения мероприятий, направленных на снижение передачи заболеваний или потерь урожая.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет исследовать поведенческие фенотипы насекомых посредством непрерывного неинвазивного мониторинга паттернов взмахов крыльев.
- Операционная ценность: способствует проверке гипотез в исследованиях по контролю переносчиков заболеваний, предоставляя количественные данные об активности с разбивкой по видам и полу.
- Прогностическая ценность: повышает достоверность выбора целей за счет корреляции активности насекомых с переменными окружающей среды или факторами внешнего воздействия.
Скрининг и разработка методов анализа
- Научная ценность: Позволяет получать устойчивые, воспроизводимые акустические сигнатуры, которые служат фенотипическими показателями для классификации насекомых.
- Практическая ценность: Стандартизирует сбор данных в различных экспериментальных камерах, снижая вариативность в лонгитюдных исследованиях.
- Масштабируемость: Обеспечивает возможность высокопроизводительного мониторинга больших когорт насекомых в течение длительного времени, что подтверждается многодневными записями.
Трансляционные и доклинические исследования
- Трансляционная непрерывность: обеспечивает связь между лабораторными исследованиями поведения насекомых и практическими инструментами мониторинга в полевых условиях для моделей трансмиссивных заболеваний.
- Механистическое снижение рисков: позволяет в реальном времени оценивать влияние мер вмешательства на популяции насекомых, что помогает в принятии решений о продолжении или прекращении доклинических разработок.
- Система, релевантная для изучения заболеваний: предоставляет платформу для оценки векторной компетенции и поведения по поиску хозяина в контролируемых условиях.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Данный метод вписывается в континуум исследований — от ранней биологии переносчиков до доклинической оценки стратегий контроля, особенно в тех случаях, когда мониторинг в режиме реального времени с разграничением по видам позволяет углубить понимание механизмов процесса и оценить эффективность вмешательства.
- Открывающая биология: облегчает проведение исследований полетного поведения насекомых, циркадной активности и реакций на стимулы на основе выдвинутых гипотез.
- Скрининг: обеспечивает получение количественных данных, готовых для анализа (частота взмахов крыльев, амплитудная модуляция), которые подходят для фенотипического скрининга с высоким разрешением.
- Аналитика: позволяет проводить статистическое сравнение популяций насекомых в различных условиях, используя в качестве ключевых показателей точность классификации и частоту обнаружения.
- Трансляционные исследования: обеспечивает преемственность между лабораторными и полевыми условиями путем валидации инструментов мониторинга, которые могут быть развернуты в эндемичных средах.
- Корпоративное повторное использование: представляет собой многоразовую сенсорную платформу, адаптируемую к различным видам насекомых и условиям окружающей среды.
Операционное и корпоративное влияние
- Научная ценность: Повышает прогностическую достоверность валидации мишеней за счет снижения неопределенности при фенотипировании насекомых и анализе поведенческих реакций.
- Операционная ценность: Обеспечивает стандартизированный мониторинг в режиме реального времени с минимальным расходом расходных материалов, что снижает операционную нагрузку по сравнению с использованием клеевых ловушек или ловушек-перехватчиков.
- Стратегическая ценность: Повышает эффективность использования капитала, обеспечивая возможность быстрой итерации в кампаниях по скринингу средств борьбы с переносчиками благодаря мгновенной обратной связи об эффектах воздействия.
- Влияние на портфель: Поддерживает приоритизацию кандидатов для борьбы с переносчиками с учетом рисков, предоставляя ранние измеримые биомаркеры подавления популяции.
Особенности реализации
- Требуются экспертные знания в области биоакустики, обработки сигналов и разработки энтомологических анализов.
- Зависит от стабильности оптического и аудиооборудования, включая лазерно-фотодиодные матрицы и системы контроля окружающей среды.
- Необходима межкомандная стандартизация аннотирования данных, верификации видов и обучения моделей классификации.
- Адаптация для различных модельных систем может потребовать перекалибровки чувствительности датчиков и параметров извлечения признаков.
- Практические ограничения включают чувствительность к окружающему шуму и вибрациям среды, что может повлиять на точность детектирования в полевых условиях.
