昆虫吊飞飞行可视化技术及其应用

崔建新,房静,侯金萍,王香丽,姚国飞,张遂平,吴胜耀,马建敏,左现刚,王建勇

（1.河南科技学院,河南新乡453003；2.新乡市园林绿化管理局,河南新乡453000；3.新乡市铁西公园,河南新乡453000；4.绿建景观设计工程有限公司,河南郑州453000；5.长垣县园林绿化管理局,河南长垣453400；6.河南亚卫动物药业有限公司,河南郑州450008；7.河南省郑州种畜场,河南郑州450008；8.新乡市疾病预防与控制中心,河南新乡453003）

昆虫吊飞飞行可视化技术及其应用

崔建新1,房静2,侯金萍3,王香丽4,姚国飞5,张遂平6,吴胜耀7,马建敏8,左现刚1,王建勇4

（1.河南科技学院,河南新乡453003；2.新乡市园林绿化管理局,河南新乡453000；3.新乡市铁西公园,河南新乡453000；4.绿建景观设计工程有限公司,河南郑州453000；5.长垣县园林绿化管理局,河南长垣453400；6.河南亚卫动物药业有限公司,河南郑州450008；7.河南省郑州种畜场,河南郑州450008；8.新乡市疾病预防与控制中心,河南新乡453003）

昆虫飞行磨是现代昆虫学实验室的基础科研设备,利用改进的昆虫飞行磨获得新型的飞行数据,在Matlab软件平台上开发新的计算机分析程序,可以利用图像描述昆虫的飞行过程.飞行数据分析结果以“时间-飞行圈数”图和“速度-飞行圈数”图显示被测试昆虫不同个体的飞行过程.对这种昆虫飞行可视化技术的实现过程进行介绍,并以华螳蝎蝽的飞行过程为例阐述了飞行可视化技术在昆虫飞行行为学研究中的应用价值.

飞行磨；飞行可视化；飞行数据；飞行行为；昆虫

传统的飞行磨采集昆虫的吊飞飞行数据,一般是利用计算机自动记录飞行磨系统上传的间断的脉冲信号,由此得出昆虫在飞行磨上的飞行圈数,再结合人工输入的起始时间和终止时间计算出累计飞行距离、累计飞行时间、平均飞行速度等飞行参数[1-3].河南科技学院最新研发的改进型飞行磨数据采集系统对飞行数据采集方式进行了改进,利用改进的单片机Arduino控制板可以采集30路飞行磨的昆虫吊飞飞行数据.飞行数据以“txt”文本格式保存,每个数据是飞行磨遮光片扫过槽型光耦的时间.

笔者基于Matlab平台开发了名为“fxfx”的飞行分析程序,对所有飞行数据进行分析转换,运算后可以得到8个飞行参数,分别是累计飞行时间、累计飞行距离、平均飞行速度、最大飞行速度、单次最远飞行距离、单次最久飞行时间、单次最远飞行平均速度、累计停顿次数,以上飞行参数的定义参见文献[4-6].同时自动形成2个横坐标为飞行圈数、纵坐标为飞行速度和飞行时间的飞行过程模拟图.基于“Matlab”软件平台,可以完成所有飞行圈次的数据调用和分析,进而精确地反映昆虫在飞行磨上飞行各圈的运动参数,实现昆虫飞行过程全程的可视化.

1 吊飞分析程序编制

利用Matlab设计平台,开发fxfx吊飞数据分析程序（程序代码略）.

2 吊飞分析程序的使用方法

吊飞分析是把飞行磨信号采集系统采集的原始数据进行转换,按照规定的格式命名,在Matlab平台上运行名称为“fxfx”的程序,然后按照程序提示输入相关飞行信息,最终获得吊飞飞行数据的8个飞行参数及可视化的飞行图像的过程.

2.1 飞行数据的处理和导入

对采集到的飞行数据进行命名时,用1个或2个大写字母表示试验的月份英文首字母,后接4个数字,其中,前2个为试验日期,后2个为飞行磨信号通道路数.如“J2418”,表示6月24日18路飞行磨信号通道的飞行数据.文件保存格式为“txt”格式.数据导入到Matlab系统软件中后,命名为同名数据“dat”文件.

2.2 程序运行

（1）输入“fxfx（J2418）”至命令窗口,然后回车.

（2）按照界面提示,输入昆虫学名,如Cletus rusticus（见图1）.

图1 虫名输入界面Fig.1 Input interface of insect name

（3）输入数据名称（特指飞行数据编号名称）,然后回车（见图2）.

图2 数据名称输入界面Fig.2 Input interface of the serial number of flight data

（4）自动弹出可视化飞行过程显示图片,对该图片进行全景放大,选中特定位置引导飞行参数标注,调节参数行数至满意（见图3）.

图3 飞行参数标注的调整Fig.3 Adjustment of the label layout of flight parameters

（5）可视化飞行过程图片保存为tiff、jpg或fig格式（见图4）.

图4 定型飞行行为过程图片示例Fig.4 Output example of flight process visualization

3 吊飞飞行过程可视化图像的分析和利用

3.1 昆虫吊飞飞行过程可视化图像的利用

定型的昆虫吊飞飞行过程可视化图像界面分2个部分,左侧为“时间-飞行圈数”图,右侧为“速度-飞行圈数”图.左图纵坐标为飞行时间,单位为s.右图纵坐标为飞行速度,单位为m/s.两图横坐标均为飞行圈数.当飞行过程中发生停顿过程时,左图表现为圈数停止变化,而时间连续变化,同时右图表现为速度为0.如连续60 s没有任何飞行数据,即认为发生了1次停顿.

3.2 昆虫吊飞飞行过程细节的展示途径

定型的昆虫吊飞飞行过程可视化图像保存格式必须为“fig”格式才能进行图像分析.具体方法参考Matlab通用教材图像处理部分.

4 应用实例分析

对采自北京的华螳蝎蝽Ranatra chinensis进行吊飞,研究方法参考文献[7].对飞行数据处理后,获得的飞行曲线如图5所示.

图5中,左图为“时间-飞行圈数”图,右侧为“速度-飞行圈数”图.图中显示了该头华螳蝎蝽累计飞行了4 739.4 m,扣除停顿时间以后的累计飞行时间为3 299.0 s.整个飞行过程的平均飞行速度达到1.44 m/s,最大飞行速度达到1.81 m/s.整个飞行过程中单次最远飞行距离为1 873.0 m,该单次起飞过程的平均速度为1.59 m/s.整个飞行过程中单次最久飞行时间为1 178.8 s,并且累计形成10次停顿.由“时间-飞行圈数”图可以明显看出有4次持续飞行过程,这4次持续飞行完成的飞行距离占整个飞行的95%以上,由横坐标可以看到每次持续飞行的大概圈数.由“速度-飞行圈数”图可见前述对应的4次持续飞行过程.其中第1次持续飞行在起飞瞬间速度最大,随后略微下降,在1.5～1.6 m/s之间徘徊,整个飞行过程中速度多次急速下坠至0.8 m/s附近.第2次持续飞行过程的起飞和前期与第1次飞行过程大致相似,中期以后飞行速度缓慢下降至1.2 m/s,发生第2次停顿,飞行距离较第1次持续飞行略短.第3次持续飞行过程和第2次大致相同,但飞行距离显著变短.第4次持续飞行和第3次之间有多次短暂的起飞行为,显示出明显的疲劳特征,同时整个持续过程较第3次更短.

图5 一头华螳蝎蝽Ranatra chinensis的吊飞飞行曲线Fig.5 Flight curves of one individual of Ranatra chinensis in tethered

[1]程登发,田喆,李红梅,等.温度和湿度对麦长管蚜飞行能力的影响[J].昆虫学报,2002,45（1）：80-85.

[2]罗礼智,李光博,曹雅忠,等.粘虫幼虫密度对成虫飞行与生殖的影响[J].昆虫学报,1995,38（1）：38-45.

[3]翟保平,陈瑞鹿.亚洲玉米螟飞翔能力的初步研究[J].吉林农业科学,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,冯玉洁.茶翅蝽（半翅目：蝽科）吊飞飞行行为[M]//原国辉,郭线茹,王高平,等.华中昆虫研究：第七卷.北京：中国农业科学技术出版社,2011：8-13.

[6]刘吉起,崔建新,张玉勤,等.不同性别家蝇吊飞行为研究[J].中国媒介生物学及控制杂志,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.

（责任编辑：邓天福）

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,河南新乡人,博士,副教授.主要从事昆虫分类学和昆虫行为学研究.