昆蟲吊飛飛行可視化技術(shù)及其應(yīng)用

崔建新,房靜,侯金萍,王香麗,姚國(guó)飛,張遂平,吳勝耀,馬建敏,左現(xiàn)剛,王建勇

（1.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003；2.新鄉(xiāng)市園林綠化管理局,河南新鄉(xiāng)453000；3.新鄉(xiāng)市鐵西公園,河南新鄉(xiāng)453000；4.綠建景觀設(shè)計(jì)工程有限公司,河南鄭州453000；5.長(zhǎng)垣縣園林綠化管理局,河南長(zhǎng)垣453400；6.河南亞衛(wèi)動(dòng)物藥業(yè)有限公司,河南鄭州450008；7.河南省鄭州種畜場(chǎng),河南鄭州450008；8.新鄉(xiāng)市疾病預(yù)防與控制中心,河南新鄉(xiāng)453003）

昆蟲吊飛飛行可視化技術(shù)及其應(yīng)用

崔建新1,房靜2,侯金萍3,王香麗4,姚國(guó)飛5,張遂平6,吳勝耀7,馬建敏8,左現(xiàn)剛1,王建勇4

（1.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003；2.新鄉(xiāng)市園林綠化管理局,河南新鄉(xiāng)453000；3.新鄉(xiāng)市鐵西公園,河南新鄉(xiāng)453000；4.綠建景觀設(shè)計(jì)工程有限公司,河南鄭州453000；5.長(zhǎng)垣縣園林綠化管理局,河南長(zhǎng)垣453400；6.河南亞衛(wèi)動(dòng)物藥業(yè)有限公司,河南鄭州450008；7.河南省鄭州種畜場(chǎng),河南鄭州450008；8.新鄉(xiāng)市疾病預(yù)防與控制中心,河南新鄉(xiāng)453003）

昆蟲飛行磨是現(xiàn)代昆蟲學(xué)實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)科研設(shè)備,利用改進(jìn)的昆蟲飛行磨獲得新型的飛行數(shù)據(jù),在Matlab軟件平臺(tái)上開發(fā)新的計(jì)算機(jī)分析程序,可以利用圖像描述昆蟲的飛行過(guò)程.飛行數(shù)據(jù)分析結(jié)果以“時(shí)間-飛行圈數(shù)”圖和“速度-飛行圈數(shù)”圖顯示被測(cè)試?yán)ハx不同個(gè)體的飛行過(guò)程.對(duì)這種昆蟲飛行可視化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行介紹,并以華螳蝎蝽的飛行過(guò)程為例闡述了飛行可視化技術(shù)在昆蟲飛行行為學(xué)研究中的應(yīng)用價(jià)值.

飛行磨；飛行可視化；飛行數(shù)據(jù)；飛行行為；昆蟲

傳統(tǒng)的飛行磨采集昆蟲的吊飛飛行數(shù)據(jù),一般是利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄飛行磨系統(tǒng)上傳的間斷的脈沖信號(hào),由此得出昆蟲在飛行磨上的飛行圈數(shù),再結(jié)合人工輸入的起始時(shí)間和終止時(shí)間計(jì)算出累計(jì)飛行距離、累計(jì)飛行時(shí)間、平均飛行速度等飛行參數(shù)[1-3].河南科技學(xué)院最新研發(fā)的改進(jìn)型飛行磨數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)飛行數(shù)據(jù)采集方式進(jìn)行了改進(jìn),利用改進(jìn)的單片機(jī)Arduino控制板可以采集30路飛行磨的昆蟲吊飛飛行數(shù)據(jù).飛行數(shù)據(jù)以“txt”文本格式保存,每個(gè)數(shù)據(jù)是飛行磨遮光片掃過(guò)槽型光耦的時(shí)間.

筆者基于Matlab平臺(tái)開發(fā)了名為“fxfx”的飛行分析程序,對(duì)所有飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析轉(zhuǎn)換,運(yùn)算后可以得到8個(gè)飛行參數(shù),分別是累計(jì)飛行時(shí)間、累計(jì)飛行距離、平均飛行速度、最大飛行速度、單次最遠(yuǎn)飛行距離、單次最久飛行時(shí)間、單次最遠(yuǎn)飛行平均速度、累計(jì)停頓次數(shù),以上飛行參數(shù)的定義參見文獻(xiàn)[4-6].同時(shí)自動(dòng)形成2個(gè)橫坐標(biāo)為飛行圈數(shù)、縱坐標(biāo)為飛行速度和飛行時(shí)間的飛行過(guò)程模擬圖.基于“Matlab”軟件平臺(tái),可以完成所有飛行圈次的數(shù)據(jù)調(diào)用和分析,進(jìn)而精確地反映昆蟲在飛行磨上飛行各圈的運(yùn)動(dòng)參數(shù),實(shí)現(xiàn)昆蟲飛行過(guò)程全程的可視化.

1 吊飛分析程序編制

利用Matlab設(shè)計(jì)平臺(tái),開發(fā)fxfx吊飛數(shù)據(jù)分析程序（程序代碼略）.

2 吊飛分析程序的使用方法

吊飛分析是把飛行磨信號(hào)采集系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,按照規(guī)定的格式命名,在Matlab平臺(tái)上運(yùn)行名稱為“fxfx”的程序,然后按照程序提示輸入相關(guān)飛行信息,最終獲得吊飛飛行數(shù)據(jù)的8個(gè)飛行參數(shù)及可視化的飛行圖像的過(guò)程.

2.1 飛行數(shù)據(jù)的處理和導(dǎo)入

對(duì)采集到的飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行命名時(shí),用1個(gè)或2個(gè)大寫字母表示試驗(yàn)的月份英文首字母,后接4個(gè)數(shù)字,其中,前2個(gè)為試驗(yàn)日期,后2個(gè)為飛行磨信號(hào)通道路數(shù).如“J2418”,表示6月24日18路飛行磨信號(hào)通道的飛行數(shù)據(jù).文件保存格式為“txt”格式.數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Matlab系統(tǒng)軟件中后,命名為同名數(shù)據(jù)“dat”文件.

2.2 程序運(yùn)行

（1）輸入“fxfx（J2418）”至命令窗口,然后回車.

（2）按照界面提示,輸入昆蟲學(xué)名,如Cletus rusticus（見圖1）.

圖1 蟲名輸入界面Fig.1 Input interface of insect name

（3）輸入數(shù)據(jù)名稱（特指飛行數(shù)據(jù)編號(hào)名稱）,然后回車（見圖2）.

圖2 數(shù)據(jù)名稱輸入界面Fig.2 Input interface of the serial number of flight data

（4）自動(dòng)彈出可視化飛行過(guò)程顯示圖片,對(duì)該圖片進(jìn)行全景放大,選中特定位置引導(dǎo)飛行參數(shù)標(biāo)注,調(diào)節(jié)參數(shù)行數(shù)至滿意（見圖3）.

圖3 飛行參數(shù)標(biāo)注的調(diào)整Fig.3 Adjustment of the label layout of flight parameters

（5）可視化飛行過(guò)程圖片保存為tiff、jpg或fig格式（見圖4）.

圖4 定型飛行行為過(guò)程圖片示例Fig.4 Output example of flight process visualization

3 吊飛飛行過(guò)程可視化圖像的分析和利用

3.1 昆蟲吊飛飛行過(guò)程可視化圖像的利用

定型的昆蟲吊飛飛行過(guò)程可視化圖像界面分2個(gè)部分,左側(cè)為“時(shí)間-飛行圈數(shù)”圖,右側(cè)為“速度-飛行圈數(shù)”圖.左圖縱坐標(biāo)為飛行時(shí)間,單位為s.右圖縱坐標(biāo)為飛行速度,單位為m/s.兩圖橫坐標(biāo)均為飛行圈數(shù).當(dāng)飛行過(guò)程中發(fā)生停頓過(guò)程時(shí),左圖表現(xiàn)為圈數(shù)停止變化,而時(shí)間連續(xù)變化,同時(shí)右圖表現(xiàn)為速度為0.如連續(xù)60 s沒(méi)有任何飛行數(shù)據(jù),即認(rèn)為發(fā)生了1次停頓.

3.2 昆蟲吊飛飛行過(guò)程細(xì)節(jié)的展示途徑

定型的昆蟲吊飛飛行過(guò)程可視化圖像保存格式必須為“fig”格式才能進(jìn)行圖像分析.具體方法參考Matlab通用教材圖像處理部分.

4 應(yīng)用實(shí)例分析

對(duì)采自北京的華螳蝎蝽Ranatra chinensis進(jìn)行吊飛,研究方法參考文獻(xiàn)[7].對(duì)飛行數(shù)據(jù)處理后,獲得的飛行曲線如圖5所示.

圖5中,左圖為“時(shí)間-飛行圈數(shù)”圖,右側(cè)為“速度-飛行圈數(shù)”圖.圖中顯示了該頭華螳蝎蝽累計(jì)飛行了4 739.4 m,扣除停頓時(shí)間以后的累計(jì)飛行時(shí)間為3 299.0 s.整個(gè)飛行過(guò)程的平均飛行速度達(dá)到1.44 m/s,最大飛行速度達(dá)到1.81 m/s.整個(gè)飛行過(guò)程中單次最遠(yuǎn)飛行距離為1 873.0 m,該單次起飛過(guò)程的平均速度為1.59 m/s.整個(gè)飛行過(guò)程中單次最久飛行時(shí)間為1 178.8 s,并且累計(jì)形成10次停頓.由“時(shí)間-飛行圈數(shù)”圖可以明顯看出有4次持續(xù)飛行過(guò)程,這4次持續(xù)飛行完成的飛行距離占整個(gè)飛行的95%以上,由橫坐標(biāo)可以看到每次持續(xù)飛行的大概圈數(shù).由“速度-飛行圈數(shù)”圖可見前述對(duì)應(yīng)的4次持續(xù)飛行過(guò)程.其中第1次持續(xù)飛行在起飛瞬間速度最大,隨后略微下降,在1.5～1.6 m/s之間徘徊,整個(gè)飛行過(guò)程中速度多次急速下墜至0.8 m/s附近.第2次持續(xù)飛行過(guò)程的起飛和前期與第1次飛行過(guò)程大致相似,中期以后飛行速度緩慢下降至1.2 m/s,發(fā)生第2次停頓,飛行距離較第1次持續(xù)飛行略短.第3次持續(xù)飛行過(guò)程和第2次大致相同,但飛行距離顯著變短.第4次持續(xù)飛行和第3次之間有多次短暫的起飛行為,顯示出明顯的疲勞特征,同時(shí)整個(gè)持續(xù)過(guò)程較第3次更短.

圖5 一頭華螳蝎蝽Ranatra chinensis的吊飛飛行曲線Fig.5 Flight curves of one individual of Ranatra chinensis in tethered

[1]程登發(fā),田喆,李紅梅,等.溫度和濕度對(duì)麥長(zhǎng)管蚜飛行能力的影響[J].昆蟲學(xué)報(bào),2002,45（1）：80-85.

[2]羅禮智,李光博,曹雅忠,等.粘蟲幼蟲密度對(duì)成蟲飛行與生殖的影響[J].昆蟲學(xué)報(bào),1995,38（1）：38-45.

[3]翟保平,陳瑞鹿.亞洲玉米螟飛翔能力的初步研究[J].吉林農(nóng)業(yè)科學(xué),1989,14（1）：40-46.

[4]CUI J X,CAI W Z.Flight patterns of Cletus rusticus（Stl）（Hemiptera：Coreidae）[C]//Burgin M,Chowdhury M H,Ham C H,et al. Proceedings of the 2009 WRI World Congress on Computer Science and Information Engineering.Los Angeles：Institute of Electrical and Electronics Engineers,2009：617-621.

[5]崔建新,馮玉潔.茶翅蝽（半翅目：蝽科）吊飛飛行行為[M]//原國(guó)輝,郭線茹,王高平,等.華中昆蟲研究：第七卷.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社,2011：8-13.

[6]劉吉起,崔建新,張玉勤,等.不同性別家蠅吊飛行為研究[J].中國(guó)媒介生物學(xué)及控制雜志,2011,22（3）：212-214,222.

[7]CUI J X,CAI W Z.Diversity of flight performance of tethered Cletus rusticus Sl（Hemiptera：Coreidae）[C]//SHENG X C, ZHANG R Z,REN Y D.Classification and Distribution of Insect in China.Beijing：China Agricultural and Technical Press,2008：539-551.

（責(zé)任編輯：鄧天福）

Flight visualizating technique of tethered insect with it’s application in related studies

CUI Jianxin1,FANG Jing2,HOU Jinping3,WANG Xiangli4,YAO Guofei5,ZHANG Suiping6, WU Shengyao7,MA Jianmin8,ZUO Xiangang1,WANG Jianyong4
（1.Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China；2.Xinxiang Municipal Bureau of Gardening and Greening Management,Xinxiang 453000,China；3.Tiexi Park of Xinxiang,Xinxiang 453000,China；4.Lüjian Landscape Design and Engineering Company,LTD,Zhengzhou 453000,China；5.Changyuan Municipal Bureau of Gardening and Greening Management,Changyuan 453400,China；6.Yawei Animal Medicine Corporation Company,LTD,Zhengzhou 450008,China；7.Zhengou Livestock Breeding Station,Zhegnzhou 450008,China；8.Xinxiang Disease Control and Prevention Center, Xinxiang 453003,China）

Flight-mill is a basic equipment in modern insect labrotories.New flight data analysis program establishing with Matlab software was used in modified insect flight mill system with new kind of original flight data. The flight process of insect in tethered was shown with two maps,“time-revolution curve”and“flight speedrevolution curve”.This new technique in flight visualization for insect science was introduced in this paper.The detailed explanation on the flight curves of a nepid bug,Ranatra chinensis,was as a model to show the implication of this new technique for insect science,especially on flight behaviours.

flight mill；flight visualization；flight data；flight behaviour；insect

TP391.76

A

1008-7516（2016）04-0027-05

10.3969/j.issn.1008-7516.2016.04.006

2016-03-18

崔建新（1971―）,男,河南新鄉(xiāng)人,博士,副教授.主要從事昆蟲分類學(xué)和昆蟲行為學(xué)研究.