Αυτόματος Ακουστικός Εντοπισμός και Αντιμετώπιση του Κάνθαρου

Transcript

1 Αυτόματος Ακουστικός Εντοπισμός και Αντιμετώπιση του Κάνθαρου των Φοινικοειδών Εισαγωγή Το έντομο Rhynchophorus ferrugineus γνωστό και ως κόκκινος ρυγχωτός κάνθαρος των φοινικοειδών ή κόκκινο σκαθάρι, θεωρείται ο μεγαλύτερος εχθρός των φοινικοειδών παγκοσμίως. Την τελευταία δεκαετία, εισέβαλε στις χώρες της Μεσογείου προσβάλλοντας φυτείες χουρμαδιάς και καλλωπιστικούς φοίνικες. του Κυριάκου Αγγελακόπουλου theophrasti,(φοίνικα του Θεοφράστου) τα μεγαλύτερα αθροίσματα, του οποίου βρίσκονται στο βορειοανατολικό άκρο του νομού (Κάβο Σίδερο, Βάι) (Αγγελακόπουλος et al. 2009) στο δάσος στο Βάι που θεωρείται μοναδικό παγκοσμίως. Πρόσφατες έρευνες στο Μπενάκειο Φυτοπαθολογικό Ινστιτούτο έδειξαν ότι ο κόκκινος ρυγχωτός κάνθαρος μπορεί να προσβάλει τον φοίνικα του Θεοφράστου. Το ακμαίο του R. ferrugineus έχει χρώμα κοκκινωπό-καφέ, μήκος περίπου 35mm, πλάτος 12mm και φέρει μακρύ ευδιάκριτο ρύγχος. (Εικ. 1). Εικόνα 1: Το έντομο Rhynchophorus ferrugineus γνωστό και ως κόκκινος ρυγχωτός κάνθαρος των φοινικοειδών. Εντοπίστηκε για πρώτη φορά στην Κρήτη (Χερσόνησος, Ν. Ηρακλείου) το Νοέμβριο του 2005 (Kontodimas et al. 2006, Αγγελακόπουλος κ.α. 2007). Εν συνεχεία, εξαπλώθηκε σε γειτονικούς Δήμους (Γουβών, Μαλίων, Ηρακλείου κ.α.) προκαλώντας την καταστροφή εκατοντάδων φοινικοειδών. To φθινόπωρο του 2008 παρατηρήθηκαν προσβολές (~60 κατεστραμμένα φοινικοειδή Phoenix canariensis) και στο Νομό Λασιθίου (στο Σίσι και στη Μίλατο). Το γεγονός προκαλεί ιδιαίτερη ανησυχία ως προς την υφιστάμενη απειλή για τον ιθαγενή κρητικό φοίνικα Phoenix Όλα τα στάδια του R. ferrugineus (ωό, προνύμφη, νύμφη, ακμαίο) εξελίσσονται στο εσωτερικό του φοίνικα. Τα θήλεα γεννούν περίπου 300 ωά (μήκος 2.6mm, πλάτος 1.1 mm) σε ξεχωριστές οπές ή πληγές του φοίνικα στην κορυφή (στεφάνη), στη βάση των νεαρών φύλλων ή στον κορμό του δένδρου. Συνήθως η ζημιά που προκα- 48 Στο άρθρο συνέβαλαν επίσης και οι

2 λείται από τις προνύμφες είναι ορατή μόνο πολύ μετά την προσβολή, όταν η κατάσταση είναι πλέον μη αναστρέψιμη. (Εικ. 6-7). Είναι προφανής η σπουδαιότητα του έγκαιρου εντοπισμού της προσβολής, όταν ακόμη δεν υπάρχουν ορατά αποτελέσματα στο δένδρο. Στην παρούσα εργασία, παρουσιάζουμε ένα πρότυπο σύστημα αυτόματης ακουστικής ταυτοποίησης του R. ferrugineus. Ο στόχος του συστήματος είναι η αυτόματη αναγνώριση του είδους μόνο από το ακουστικό σήμα που παράγεται κατά την κίνηση και το μεταβολισμό του R. Ferrugineus μέσα στο δέντρο. Παρουσιάζονται επίσης στοιχεία σχετικά με την έκταση της προσβολής στο νομό Λασιθίου. των προσβεβλημένων φοινικοειδών, όπως και η σχετική λίστα των εγκεκριμένων εντομοκτόνων σκευασμάτων που εκδόθηκε από το Υπουργείο Αγροτικής Ανάπτυξης και Τροφίμων, με συγκεκριμένη περίοδο ισχύος, στις Τέλος, στάλθηκαν δείγματα του εντόμου από τις παγίδες στο ΕΘ.Ι.ΑΓ.Ε. Ηρακλείου για την ταυτοποίηση του εντόμου, όπως προβλέπει ο Ευρωπαϊκός κανονισμός. Παρακολούθηση (monitoring) και αντιμετώπιση των προσβολών στο νομό Λασιθίου Στο πλαίσιο σχετικού ερευνητικού προγράμματος, που ανέλαβε το ΤΕΙ Κρήτης και χρηματοδοτήθηκε από τη Νομαρχιακή Αυτοδιοίκηση Λασιθίου, έγινε ανάπτυξη δικτύου παγίδευσης πέριξ των σημείων όπου σημειώθηκαν προσβολές. Συνολικά τοποθετήθηκαν (στις 10 Μαρτίου 2009) 44 φερομονικές παγίδες (πέντε τύπων) (Εικόνα 2), οι οποίες ελέγχονταν ανά δεκαπενθήμερο (Εικόνα 3). Επίσης τοποθετήθηκαν (στις 24 Νοεμβρίου 2009) 18 παγίδες στις περιοχές Βουλισμένη, Λατσίδα, Νεάπολη και Νικηθιανό (Εικόνα 3) και μέχρι το τέλος του προγράμματος θα έχουν τοποθετηθεί ακόμα 60 παγίδες. Επιπλέον, σε αρκετούς ιδιοκτήτες προσβεβλημένων φοινίκων δόθηκαν εντομοπαθογόνοι νηματώδεις του είδους Steinernema carpocapsae. Επίσης, από τη σχετική υπηρεσία της Νομαρχιακής Αυτοδιοίκησης Λασιθίου δόθηκαν σε όλους τους ιδιοκτήτες προσβεβλημένων φοινίκων οι κατάλληλες οδηγίες για την ορθή απομάκρυνση Εικόνα 2: Οι πέντε (5) τύποι παγίδων Εικόνα 3: Σημεία τοποθέτησης παγίδων σε Σίσι και Μίλατο. Η διακύμανση του πληθυσμού, για δειγματοληψίες που έγιναν μέχρι και στις , φαίνεται στην Εικόνα 3. Συνολικά παγιδεύτηκαν 4377 ακμαία, εκ των οποίων 3312 θηλυκά και 969 αρσενικά με αναλογία 1 αρσενικό/3,42 θηλυκά. Παρατηρείται κ α ι ν ο τ ο µ ί α 49

3 Εικόνα 4: Η διακύμανση του πληθυσμού των ακμαίων εντόμου από 25/3/2009 έως 17/2/2010. σημαντική αύξηση των συλλήψεων μετά τον Ιούλιο-Αύγουστο, αλλά και προς τα τέλη Δεκεμβρίου, οπότε πρέπει να σημειωθεί ότι οι θερμοκρασίες ήταν σε σχετικά υψηλά επίπεδα για την εποχή. Επιπλέον, όπως φαίνεται και στην Εικόνα 4 ο αριθμός συλλήψεων είναι αρκετά μεγαλύτερος στο Σίσι απ ό,τι στη Μίλατο (Σίσι: 2585 και Μίλατος: Όσον αφορά τη χρήση παγίδων, σε αυτήν την πυκνότητα, ο σκοπός τους ήταν η παρακολούθηση (monitoring) της διακύμανσης του πληθυσμού των ακμαίων ατόμων του εντόμου. Ωστόσο, ο μεγάλος αριθμός θηλυκών εντόμων που συλλαμβάνονται είναι αρκετά σημαντικός και από πλευράς καταπολέμησης, γιατί ένα θηλυκό μπορεί να γεννήσει περίπου 300 αυγά. Καθώς επίσης αξίζει να αναφερθεί ότι, σύμφωνα με υπολογισμούς, από ένα μόνο ζεύγος ρυγχοφόρων θεωρητικά θα μπορούσαν να προκύψουν πάνω από 53 εκατομμύρια απόγονοι σε τέσσερεις γενιές, απουσία βεβαίως περιοριστικών παραγόντων (π.χ. φυτοπροστατευτικά προϊόντα, θνησιμότητα λόγω άλλων παραγόντων κ.α.) (Πηγή: EPPO, 2008). Κατά τη διάρκεια του 2008, στη Μίλατο και στο Σίσι ο αριθμός των προσβεβλημένων φοινίκων που καταγράφηκαν ήταν περίπου 60, ενώ κατά τη διάρκεια του 2009 ήταν περίπου 150. Εικόνα 6: Προσβεβλημένος φοίνικας του είδους Phoenix canariensis από το έντομο στην περιοχή της Μιλάτου. Aνάπτυξη λογισμικού συστήματος για τον αυτόματο ακουστικό εντοπισμό εντομολογικών εχθρών. Στα πλαίσια της πρότασης αναπτύχθηκε ένα πρότυπο σύστημα αυτόματης ακουστικής ταυτοποίησης του R. ferrugineus. Ο στόχος του συστήματος είναι η αυτόματη αναγνώριση του είδους μόνο από το ακουστικό σήμα που παράγεται κατά την κίνηση και το μεταβολισμό του R. Ferrugineus μέσα στο δέντρο, με χρήση κατάλληλων πιεζοη- 50

4 Εικόνα 7: Φαγώματα στα φύλλα σε φοίνικα του είδους Phoenix canariensis από το έντομο στο Άνω Σίσι. λεκτρικών αισθητήρων που εισάγονται στον κορμό του δέντρου και εκπαιδευόμενων αλγόριθμων αναγνώρισης προτύπων. Κάνοντας χρήση της υπάρχουσας τεχνογνωσίας στην ώριμη πλέον θεματική περιοχή της αυτόματης αναγνώρισης ομιλίας και ομιλητή, διερευνήθηκε η εφαρμογή αυτών των τεχνικών στον εντοπισμό του R. ferrugineus. Συγκεκριμένα, η ταυτοποίηση βασίζεται στη σύγκριση (με χρήση στατιστικών μεθόδων) των φασματικών χαρακτηριστικών της ηχογράφησης του άγνωστου δέντρου με τα φασματικά πρότυπα που έχουν εξαχθεί από ηχογραφημένα R. Ferrugineus μέσα σε κορμούς. Το τελικό σύστημα παράγει ένα αρχείο με το αναγνωρισμένο είδος και το μέτρο της ασάφειας της αναγνώρισης. Η μεθοδολογία που ακολουθήσαμε για να εξάγουμε τις ακουστικές παραμέτρους που συγκεντρώνουν τις ακουστικές ιδιότητες που διακρίνουν το R. ferrugineus είναι η πιο διαδεδομένη ακουστική παραμετροποίηση στο χώρο της αυτόματης αναγνώρισης ομιλίας και ομιλητή. Λόγω του ότι οι ακουστικές εκπομπές, είναι χρονικά μεταβαλλόμενες, μας ενδιαφέρει το περιεχόμενο συχνοτήτων του σήματος και επιλέγουμε τους μετασχηματισμούς Fourier διαδοχικών χρονικά επικαλυπτόμενων πλαισίων σήματος (Short-time Fourier Transform). Οι φασματικοί συντελεστές για κάθε πλαίσιο περνούν μέσα από μια κλίμακα (κλίμακα Mel) που συναθροίζει τους φασματικούς συντελεστές γραμμικά μέχρι το 1 khz, και λογαριθμικά για τις μεγαλύτερες συχνότητες. Στις εξαχθείσες παραμέτρους εφαρμόζεται ο λογάριθμος ο οποίος συμπιέζει το μεγάλο εύρος του πλάτους των συχνοτήτων. Το τελευταίο στάδιο περιλαμβάνει την επιβολή του διακριτού μετασχηματισμού συνημιτόνου (discrete cosine transform) ο στόχος του οποίου είναι η αποσυσχέτιση των παραμέτρων, ώστε το σύστημα αναγνώρισης προτύπων να χρειάζεται λιγότερα δεδομένα για να εκπαιδευτεί. Κάθε βιολογικό είδος που εκπέμπει ακουστικά σήματα έχει δικό του χαρακτηριστικό ακουστικό γνώρισμα, πράγμα το οποίο σημαίνει πως το R. ferrugineus παράγει ακουστικές παραμέτρους που ακολουθούν μια συγκεκριμένη κατανομή πιθανοτήτων για το είδος. Στη στατιστική και στην αναγνώριση προτύπων, το πρόβλημα της προσέγγισης μιας άγνωστης κατανομής μέσω ενός παραμετρικού μοντέλου ονομάζεται εκτίμηση κατανομής πιθανότητας και στην πρόταση η άγνωστη κατανομή του κάθε είδους προσεγγίζεται από μίγμα πολυδιάστατων Γκαουσσιανών κατανομών πιθανότητας (multivariate Gaussian mixture model - GMM). Οι άγνωκ α ι ν ο τ ο µ ί α 51

5 στοι παράμετροί τους (βάρος κάθε Γκαουσσιανής, μέσος όρος και συνδιασπορές) ρυθμίζονται από τα ακουστικά πρότυπα της ηχογραφημένης βάσης R. ferrugineus των οποίων η ύπαρξη είναι οπτικά πιστοποιημένη από επιμολυσμένα δέντρα. Το GMM εκπαιδεύεται με τον αλγόριθμο μεγιστοποίησης προσδοκίας - (Expectation Maximization - EM) για να μεγιστοποιήσει την πιθανοφάνεια (likelihood) των ακουστικών παραμέτρων της ηχογραφημένης βάσης εκπαίδευσης. Υπάρχουν δύο λόγοι για τη χρησιμοποίηση ενός GMM ως αντιπροσώπου της κατανομής των φασματικών παραμέτρων του R. ferrugineus. Ο πρώτος είναι ότι κάθε Γκαουσσιανή κατανομή από το μίγμα που συγκροτεί ένα GMM, προσαρμόζεται ώστε να αντιπροσωπεύει κάποιο μέρος του φάσματος που αντιπροσωπεύει ένα ακουστικό χαρακτηριστικό (ηχηρό, άηχο, μετάβαση). Ο δεύτερος είναι, ότι ένα GMM είναι ικανό να προσεγγίζει μια οποιαδήποτε πιθανοτική κατανομή όταν υπάρχουν ακουστικά δεδομένα για να το εκπαιδεύσουν. Κατά τη διαδικασία της ταυτοποίησης του δέντρου ως επιμολυσμένου ή όχι, δοκιμάζουμε τις ακουστικές παραμέτρους, με ποια πιθανότητα παράγονται από το κάθε GMM. Υπάρχει ένα GMM που αντιπροσωπεύει το R. ferrugineus και ένα που αντιπροσωπεύει τους θορύβους μέσα στα υγιή δέντρα (background noise model). Το κάθε GMM έχοντας ως είσοδο τις ακουστικές παραμέτρους του άγνωστου δέντρου παράγει μια πιθανότητα να τις έχει δημιουργήσει. Όσο πιο πολύ ταιριάζουν οι ακουστικές παράμετροι του αγνώστου είδους με τις ακουστικές παραμέτρους με τις οποίες έχει εκπαιδευτεί κάθε GMM, τόσο μεγαλύτερη είναι η πιθανότητα που παράγει το συγκεκριμένο GMM. Το πρότυπο που παράγει τη μέγιστη πιθανότητα προσδίδει την ταυτότητα υγιές ή επιμολυσμένο στο άγνωστο δέντρο. Τονίζεται το γεγονός της διεθνούς αποδοχής της καινοτομίας αυτής όπως δημοσιεύτηκε σε διεθνές συνέδριο με κριτές και σε έγκριτο περιοδικό με κριτές και κάτω από το σύστημα των impact factors: (Potamitis I. et al ). Περισσότερες πληροφορίες στην ελληνική και στην αγγλική γλώσσα στον ιστοχώρο Στον ιστοχώρο παρουσιάζεται το πρόγραμμα αυτόματης ακουστικής ταυτοποίησης, οι οδηγίες για την ορθή εγκατάστασή του και οι οδηγίες χρήσης του προγράμματος. Βιβλιογραφία Αγγελακόπουλος Κ., Α. Καραταράκη και Δ.Χ. Κοντοδήμας (2009). Ανάπτυξη δικτύου παγίδων στα ανατολικά όρια της επέκτασης του Rhynchophorus ferrugineus (Coleoptera: Curculionidae) στο νομό Λασιθίου. Πρακτικά του 13ου Πανελληνίου Εντομολογικού Συνεδρίου, 3-6 Νοεμβρίου 2009, Αλεξανδρούπολη, σελ (Poster). EPPO (European and Mediterranean Plant Protection Organization) (2008). Bulletin OEPP/EPPO (38): I. Potamitis, T. Ganchev, N. Fakotakis, Automatic bioacoustic detection of Rhynchophorus Ferrugineus, EUSIPCO, 16th European Signal Processing Conference, August 25-29, Laussane, Switzerland, Ι. Potamitis, T. Ganchev, D. Kododimas, On automatic bioacoustic detection of pests: the cases of Rhynchophorus Ferrugineus and Sitophilus Oryzae, Journal of Economic Entomology, Volume 102, Number 4, pp (10), August