洱海濕地昆蟲智能識別與實時監(jiān)測系統(tǒng)

羅桂蘭，楊自忠，張 梅，吳仕龍，張 倩，安 東

（1.大理大學數(shù)學與計算機學院，云南大理 671003；大理大學昆蟲生物醫(yī)藥開發(fā)研究院，云南大理 671003）

有效的誘捕器和誘餌是昆蟲監(jiān)測和調(diào)查最廣泛的方法〔1〕。而基于計算機的色彩、聲音、形態(tài)、空域紋理和頻譜紋理等多特征研究是目前昆蟲識別的關(guān)鍵技術(shù)〔2〕。對于野外活體昆蟲的實時監(jiān)測和動態(tài)識別需要昆蟲監(jiān)測與識別的有效動態(tài)結(jié)合。

在昆蟲監(jiān)測方面，根據(jù)昆蟲的趨性原理市場上已有各種誘捕器。例如利用趨光性設(shè)計的燈光誘捕器，通過頻振殺蟲燈就可高效地誘殺棉鈴蟲；利用趨色性設(shè)計的粘蟲色板誘集，通過銀灰色塑料薄膜可誘殺對銀灰色敏感的蚜蟲；利用趨化性設(shè)計的嗅覺誘捕器，通過跟蹤信息素可誘殺白蟻。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，誘捕器的精準性、高效性、快捷性、綜合性等指標已成為蟲情監(jiān)測新要求。美國農(nóng)業(yè)部利用紅外傳感器技術(shù)研制出一種谷類害蟲探測計數(shù)系統(tǒng)，能實時監(jiān)測倉儲害蟲，計數(shù)精確度達95%以上〔3〕?？梢姸喙δ?、智能化、自動化、專業(yè)化的誘捕器是蟲情監(jiān)測發(fā)展的必然趨勢。利用雷達、計算機視覺、微電子、預測決策和網(wǎng)絡(luò)信息等高新科技技術(shù)開發(fā)新型誘捕器勢在必行。

在昆蟲識別方面，國內(nèi)西安電子科技大學基于ELM理論設(shè)計了一種昆蟲分類器〔4〕，昆蟲識別正確率達到97%。文獻〔5〕采用基于電流變化感應(yīng)和矩陣按鍵識別技術(shù)實現(xiàn)了昆蟲自動計數(shù)。CN 101546094A公開了一種基于CMOS圖像傳感器的發(fā)明專利，其以數(shù)字化形式實現(xiàn)了0.1 mm～2 cm大小的爬行動物如螞蟻、蜘蛛的足跡監(jiān)測與跟蹤等〔6〕。現(xiàn)有這些識別技術(shù)都采用了計算機的軟件、硬件和相關(guān)算法等，特別適合昆蟲標本的研究，但對于活體昆蟲識別有待改進。

研究發(fā)現(xiàn)，鱗翅目、鞘翅目、直翅目等昆蟲是濕地的優(yōu)勢群體。這類昆蟲隱蔽性強，傳統(tǒng)監(jiān)測難度大〔7-10〕。從系統(tǒng)的成本、效率、便捷等方面考慮，本文借助物聯(lián)網(wǎng)、現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)，為實現(xiàn)昆蟲的網(wǎng)絡(luò)實時觀測和生命特征參數(shù)統(tǒng)計，設(shè)計了一種基于多特征昆蟲識別算法的活體昆蟲智能識別與監(jiān)測系統(tǒng)。

1 智能識別與實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能架構(gòu) 根據(jù)洱海濕地生態(tài)環(huán)境的差異性將濕地劃分為若干個監(jiān)測區(qū)域，每個監(jiān)測區(qū)域根據(jù)硬件監(jiān)測范圍大小和地形確定監(jiān)測點數(shù)量（2～10個）及部署方式（隨機、網(wǎng)格、圓形等形式）。監(jiān)測點之間相互獨立，所有監(jiān)測點數(shù)據(jù)最終都上傳到同一個云服務(wù)器。

以一個監(jiān)測點為例，在整個監(jiān)測過程中，各類傳感器實現(xiàn)昆蟲特征數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)首先利用紅外傳感器模塊監(jiān)測進行昆蟲計數(shù)，其次利用超聲波傳感器監(jiān)測是否有活體昆蟲，再次利用聲音、顏色圖像傳感器識別昆蟲種類。中央處理器完成傳感器數(shù)據(jù)融合處理，并通過4G或WIFI通信方式將特征信息傳送到云服務(wù)器，再由云服務(wù)器進行數(shù)據(jù)存儲、計算和統(tǒng)計分析等。而終端設(shè)備（個人電腦、平板、手機等）可通過APP或瀏覽器實現(xiàn)昆蟲數(shù)據(jù)動態(tài)實時觀察。

監(jiān)測系統(tǒng)功能模塊架構(gòu)見圖1。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)功能模塊架構(gòu)

系統(tǒng)運行中利用LED燈產(chǎn)生的紫光進行誘蟲，與此同時開啟360°網(wǎng)絡(luò)攝像頭進行昆蟲行為監(jiān)測，并將視頻傳送到云服務(wù)器進行實時監(jiān)測。硬件模塊架構(gòu)見圖2。

圖2 硬件模塊架構(gòu)

1.2 監(jiān)測節(jié)點硬件模塊設(shè)計 一個監(jiān)測點主要由LED誘蟲燈、昆蟲生命監(jiān)測、昆蟲特征識別、動態(tài)行為監(jiān)測和中央處理器等模塊構(gòu)成。

1.2.1 昆蟲生命監(jiān)測模塊 該模塊在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)首先采用紅外對射計數(shù)傳感器實現(xiàn)昆蟲計數(shù)，再次利用超聲波傳感器監(jiān)測是否有活體昆蟲。從而判斷出昆蟲的生命特征。

1.2.2 特征識別模塊 本模塊采用聲音傳感器、顏色傳感器和CMOS圖像傳感器進行昆蟲色彩、聲音、形態(tài)和紋理等多特征數(shù)據(jù)采集，并將特征信息傳輸至云服務(wù)器，由云服務(wù)器通過多特征昆蟲識別算法判定昆蟲種類特征等。

1.2.3 中央處理器模塊 可選用嵌入式芯片或單片機。在成本允許情況下，優(yōu)先選用嵌入式芯片。采用單片機為控制芯片時成本較低，但數(shù)據(jù)處理能力和精確度有限。

1.2.4 LED誘蟲燈模塊 昆蟲的趨光性可以刺激其視覺神經(jīng)激發(fā)昆蟲的可見光區(qū)主要在330～400 nm的紅外光波，尤其是鱗翅目和鞘翅目昆蟲對紅外光特別敏感。針對濕地活體昆蟲研究趨光性燈光誘捕較為適合。該模塊可以由中央處理器控制LED發(fā)出的紫光實現(xiàn)，也可以采用多個獨立的LED誘蟲燈。

1.2.5 動態(tài)行為監(jiān)測模塊 該模塊獨立于中央處理器。選用360°網(wǎng)絡(luò)攝像頭，通過4G或WIFI直接與云服務(wù)器相連接。

2 多特征昆蟲識別算法

2.1 生命特征識別原理

2.1.1 昆蟲計數(shù)方法 通過紅外對射計數(shù)傳感器進行昆蟲計數(shù)。當有昆蟲通過時光被遮擋住，接收模塊通過輸出的高電平脈沖進行昆蟲計數(shù)統(tǒng)計。為提高紅外監(jiān)測范圍和精確度，在每個監(jiān)測區(qū)域可采用多紅外對射計數(shù)傳感器進行部署監(jiān)測，部署方式根據(jù)傳感器監(jiān)測范圍和監(jiān)測區(qū)域的地形等決定。2.1.2 昆蟲活體監(jiān)測方法 超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，在碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。目前超聲波傳感器廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。超聲波傳感器特別適合“空氣”介質(zhì)工作，更適合精確監(jiān)測相對較小的物體。

本文在每個監(jiān)測區(qū)域都部署了超聲波傳感器。將發(fā)送器和接收器布置在昆蟲監(jiān)測范圍的中心，反射板置于監(jiān)測范圍的邊緣，并以無昆蟲遮擋時的反射波衰減值作為基準值，當反射波衰減值比基準值小時，說明監(jiān)測范圍內(nèi)有昆蟲通過，從而實現(xiàn)昆蟲活體監(jiān)測。

2.2 聲音特征識別原理 聲音識別采用了人類語音識別領(lǐng)域的技術(shù)〔11〕，并在這個基礎(chǔ)上提出一種新穎的、簡單可行的昆蟲聲音自動鑒別方法，用聲音參數(shù)作為昆蟲聲紋識別設(shè)計了一種簡單易行的識別算法。

聲音信號首先經(jīng)過預處理、分段得到一系列的聲音樣本，然后從聲音樣本中提取Mel倒譜系數(shù)（Mel Frequency Cepstrum Coefficient，MFCC），并用LBG（Linde-Buzo-Gray）算法對提取的MFCC進行矢量量化（VQ），所得碼字作為聲音樣本的特征模型。聲音識別流程見圖3。

圖3 基于VQ的昆蟲聲音識別流程圖

本文中采用LBG算法形成代表聲紋特征的VQ碼本，LBG算法是由Linde Y、Buzo A和Gray RM三人提出的。此算法按最近鄰準則用初始碼本中的各個碼字對訓練序列進行劃分，從而形成J個子集，每一子集為一類，J為碼本容量〔12〕。

2.3 顏色特征識別原理 顏色作為物種的固有特征，是進行物種鑒定的重要依據(jù)之一。本文采用RGB圖像顏色分布直方圖的方法，首先將H分量量化16級，將S分量和V分量分別量化為4級，然后將3個顏色分量合成為一維特征向量：

其中，QS、QV分別是S和V的量化級數(shù)，L取值范圍［0，255］，最后計算L的直方圖分布，根據(jù)圖像RGB值判斷識別對象的顏色。L計算方法如下：顏色特征識別算法流程見圖4。

2.4 算法實現(xiàn)步驟 第一，先利用硬件平臺上的紅外識別模塊和超聲波模塊來識別周圍有無生命跡象，模塊正面感應(yīng)范圍為5～7 m，感應(yīng)角度＜100°，最外圍感應(yīng)距離為3～4 m。若能在此范圍內(nèi)識別到有生命跡象則昆蟲計數(shù)，并執(zhí)行下一步算法，即聲音識別算法，若監(jiān)測不到周圍3～5 m范圍內(nèi)有生命跡象，則結(jié)束算法。

圖4 顏色特征識別算法流程圖

第二，完成上一步紅外識別算法之后執(zhí)行基于Mel倒普系數(shù)和VQ的聲音識別算法，本次聲音監(jiān)測算法的頻率范圍在3～8 KHz，如果被識別對象的聲音頻率在此范圍內(nèi)，則執(zhí)行下一步算法，即顏色識別算法，若被識別對象的聲音頻率不在此頻率范圍之內(nèi)，則結(jié)束算法。

第三，完成上一步聲音識別算法之后執(zhí)行基于RGB彩色圖像直方圖的方法來監(jiān)測識別對象的顏色，通過定義R、G、B3個數(shù)值的范圍，R取值范圍是0～255，G取值范圍是0～255，B取值范圍是0～255，根據(jù)RGB三原色的3個數(shù)值來判斷識別對象的顏色。

2.5 算法程序設(shè)計 根據(jù)上節(jié)算法實現(xiàn)步驟，算法程序設(shè)計流程見圖5。

圖5 程序設(shè)計流程圖

圖7 原始聲音信號圖和FFT后的波形圖

3 系統(tǒng)仿真與性能分析

3.1 昆蟲聲音識別仿真分析 蟈蟈屬于直翅目螽斯科，其翅短，鳴聲清脆響亮。體色分綠色和褐色兩種，身形碩大。本文選用蟈蟈作為實驗對象，對其聲音和顏色進行實驗識別測試。

利用Matlab進行聲音識別仿真設(shè)計與性能分析，實驗結(jié)果見圖6～7。

圖6 昆蟲聲音識別算法仿真GUI界面

從圖7可見：原始語音信號經(jīng)過傅里葉變換信號比較平穩(wěn)。語音波形是時間的連續(xù)函數(shù)，因而音到音之間有逐漸過渡。

3.2 昆蟲顏色識別仿真分析 利用Matlab進行聲音識別仿真設(shè)計與性能分析，實驗結(jié)果見圖8～10。

圖8 昆蟲顏色識別算法仿真GUI界面

圖9 蟈蟈彩色圖像的H、S、V分量圖

由圖9可見：首先將H分量量化16級，將S分量和V分量分別量化為4級，然后將3個顏色分量合成為一維特征向量L，得出H、S、V的分量圖，然后通過H、S、V的分量圖畫出色彩量化后的RGB圖像。

RGB_image=cat（3，PR，PG，PB）；%將 PR、PG、PB 3個矩陣在第3個維度上進行級聯(lián)，進行圖像合成

PR=RGB_image（：，：，1）；%提取紅色分量PG=RGB_image（：，：，2）；%提取綠色分量PB=RGB_image（：，：，3）；%提取藍色分量

從圖10仿真結(jié)果可得：仿真圖的橫坐標表示的是圖像中各個像素點的灰度級，而縱坐標表示的是各個灰度級上各個像素點出現(xiàn)的次數(shù)。在［0～100］這一灰度級上，B值出現(xiàn)的次數(shù)比R和G都多，即藍色值點數(shù)多。在［100～255］這156個灰度級上，G值出現(xiàn)的次數(shù)明顯高于R和B，說明綠色值點數(shù)多。由此表明識別的彩色圖像偏于綠色。

3.3 算法性能分析 昆蟲識別算法可以根據(jù)目標識別處理的層次進行區(qū)分。監(jiān)測、分類和識別是目標識別性能的前3個層次。

目標監(jiān)測：從傳感器數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)潛在目標是否存在的處理過程。

目標分類：區(qū)分目標類型的處理，即區(qū)分識別對象的類別，例如昆蟲是屬于哪一目哪一科。

圖10 蟈蟈彩色圖像的R、G、B值

目標識別：在更高層次的給定目標類型中辨認出目標。就是在某一科或者某一種昆蟲中識別出具體是哪一種昆蟲。

已有的昆蟲圖像分割技術(shù)，都是根據(jù)昆蟲的圖像進行特征的提取，再通過分類算法、ID3決策樹方法、邊緣監(jiān)測算子、相關(guān)反饋方法等算法進行昆蟲的識別和分類〔13-14〕。故本文對相關(guān)反饋方法、圖像邊緣監(jiān)測算法以及本文智能昆蟲識別算法3種昆蟲識別算法進行時間復雜度和空間復雜度比較分析，以發(fā)現(xiàn)算法在時間和空間上的效率。

3.3.1 時間復雜度 算法的時間復雜度即一個算法執(zhí)行所消耗的時間，一個算法花費的時間與算法中語句的執(zhí)行次數(shù)是成正比的，一個算法中的語句執(zhí)行次數(shù)稱為時間頻度或語句頻度。所謂時間復雜度就是執(zhí)行本次算法所需要的計算工作量。時間復雜度用O表示為

根據(jù)3種算法的運行時間，以頻度n作為自變量，時間t作為因變量，得出算法時間復雜度比較，見圖11。

圖11 算法時間復雜度比較

由圖11可見：智能昆蟲識別算法的時間復雜度是最小的。在時間上驗證了智能昆蟲識別算法的優(yōu)越性。

3.3.2 空間復雜度 與時間復雜度類似，空間復雜度是指算法在計算機內(nèi)執(zhí)行時所需存儲空間的度量。算法執(zhí)行期間所需要的存儲空間包括3個部分：算法程序所占的空間、輸入的初始數(shù)據(jù)所占的存儲空間、算法執(zhí)行過程中所需要的額外空間。算法的空間復雜度用O′來表示為

根據(jù)3種算法的程序占用空間即使用的資源，以頻度n作為自變量，使用資源作為因變量，得出算法空間復雜度比較，見圖12。

圖12 算法空間復雜度比較

由圖12可見：智能昆蟲識別算法的空間復雜度是最小的，即程序占用存儲空間是最少的。在空間上驗證了智能昆蟲識別算法的優(yōu)越性。

4 結(jié)論

本文基于單片機和無線傳感器，將傳感器模塊嵌入單片機，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)成本低廉、部署方便以及靈活的特點，根據(jù)昆蟲的紅外、聲音、顏色等特征設(shè)計了基于多特征昆蟲智能識別與監(jiān)測系統(tǒng)，通過時間復雜度和空間復雜度驗證了算法的可行性和智能化。

該昆蟲智能識別與實時監(jiān)測系統(tǒng)目前已應(yīng)用于國家自然科學基金“洱海濕地昆蟲群落普適生境網(wǎng)絡(luò)生態(tài)行為研究”項目昆蟲智能采集中。實驗基地分別設(shè)在洱海月濕地公園、羅時江濕地、洱源東湖濕地3個濕地，可識別出典型的直翅目、革翅目、鞘翅目等昆蟲種群。但昆蟲識別準確率還有待大量應(yīng)用測試與統(tǒng)計分析。

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