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摘要:菊方翅網(wǎng)蝽主要為害菊科植物,是特種經(jīng)濟(jì)作物菊芋的潛在性害蟲,對(duì)此害蟲的形態(tài)識(shí)別和種群動(dòng)態(tài)預(yù)測非常重要。昆蟲幾何形態(tài)特征的提取和分析是進(jìn)行其自動(dòng)識(shí)別、遠(yuǎn)程鑒定、種群監(jiān)測和預(yù)測預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)。本文利用圖像采集與處理技術(shù),通過BugShape軟件對(duì)其外部幾何形態(tài)特征進(jìn)行了自動(dòng)和手動(dòng)獲取與分析。結(jié)果表明,菊方翅網(wǎng)蝽周長和緊湊度兩個(gè)參數(shù)在不同分辨率下差異顯著,雌蟲球狀性在不同分辨率下也差異顯著。雌雄之間周長、長軸長度和短軸長度差異不顯著,而偏心率、緊湊度、球狀性、葉狀性和圓形度差異均達(dá)到顯著水平。雌雄個(gè)體的原始判別正確率為92%~93%,交叉判別正確率為91%~93%。使用所有10個(gè)參數(shù)進(jìn)行判別分析時(shí),判別的正確率與分辨率呈正相關(guān)關(guān)系。手動(dòng)測量結(jié)果表明,菊方翅網(wǎng)蝽雌雄成蟲體長分別為(1.86±0.07)mm和(1.80±0.07)mm,中胸寬度分別為(0.73±0.02)mm和(0.69±0.03)mm,腹部寬度分別為(1.04±0.05)mm和(0.84±0.07)mm。利用手動(dòng)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行雌雄個(gè)體判別分析的正確率達(dá)到98%~99%。
關(guān)鍵詞:菊方翅網(wǎng)蝽;形態(tài)特征;圖像處理;雌雄鑒定;自動(dòng)識(shí)別
菊方翅網(wǎng)蝽犆狅狉狔狋犺狌犮犺犪犿犪狉犿狅狉犪狋犪(Uhler)屬于半翅目Hemiptera網(wǎng)蝽科Tingidae昆蟲,主要為害菊科植物[1],是一種入侵害蟲[2],2012年在我國首次被記述[3]。本文作者在河南信陽栽培的菊芋犎犲犾犻犪狀狋犺狌狊狋狌犫犲狉狅狊狌狊L.上發(fā)現(xiàn)該害蟲,菊芋被其為害后,初期葉片失綠,后期葉片干枯,失去光合作用,生長受到嚴(yán)重影響。之前的報(bào)道認(rèn)為菊芋抗逆性強(qiáng),幾乎不用防治病蟲害[4],國內(nèi)也未見在菊芋上防治菊方翅網(wǎng)蝽的報(bào)道。近幾年,隨著菊芋作為一種多用途特種經(jīng)濟(jì)作物被開發(fā)利用[56],其種植面積不斷擴(kuò)大。根據(jù)菊方翅網(wǎng)蝽的為害特點(diǎn),作者認(rèn)為該害蟲極有可能成為菊芋產(chǎn)區(qū)的潛在危險(xiǎn)性害蟲。如果對(duì)該害蟲的形態(tài)識(shí)別、預(yù)測預(yù)報(bào)和防治方法等研究不加以重視,一旦大面積發(fā)生,勢(shì)必會(huì)影響到菊芋產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。農(nóng)業(yè)害蟲種類的正確識(shí)別和監(jiān)測是害蟲防控的關(guān)鍵,此技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)來自于一手?jǐn)?shù)據(jù)的采集[78]。而利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)可以獲取昆蟲的外部形態(tài)特征,并可以作為昆蟲種類鑒定的依據(jù)[910],這為害蟲種類的正確識(shí)別和精準(zhǔn)監(jiān)測提供了基礎(chǔ)。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,通過計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)某些昆蟲雌雄個(gè)體的識(shí)別,比如可以實(shí)現(xiàn)蠶蛹雌雄的識(shí)別等[11],但對(duì)網(wǎng)蝽類害蟲雌雄個(gè)體的自動(dòng)鑒別還未見報(bào)道。本文擬在國內(nèi)已有技術(shù)的基礎(chǔ)上,對(duì)該害蟲的外部幾何形態(tài)特征進(jìn)行提取,探討獲取該害蟲相關(guān)參數(shù)的技術(shù)指標(biāo),初步明確哪些參數(shù)可用于區(qū)分菊方翅網(wǎng)蝽雌雄個(gè)體,以及利用該技術(shù)對(duì)其雌雄個(gè)體的識(shí)別正確率高低等問題。
1材料與方法
1.1昆蟲來源菊方翅網(wǎng)蝽采集于信陽農(nóng)林學(xué)院實(shí)驗(yàn)農(nóng)場菊芋植株上,采集到的帶蟲葉片帶回室內(nèi)用乙酸乙酯薰蒸致死后,在解剖鏡下鑒定雌雄。
1.2圖像和參數(shù)獲取利用愛普生(EpsonPerfectionV370Photo)掃描儀透掃功能,獲取菊方翅網(wǎng)蝽背面輪廓特征。標(biāo)本處理時(shí),從采集到的標(biāo)本中隨機(jī)挑選雌雄各50頭。由于該害蟲蟲體較小,本試驗(yàn)采用較高的分辨率進(jìn)行處理。分辨率分別設(shè)置為1200、2400dpi和4800dpi,同時(shí)在不同分辨率下掃描標(biāo)準(zhǔn)直尺,以便獲得該蟲相關(guān)參數(shù)的實(shí)際尺寸。本文利用的昆蟲特征提取軟件為中國農(nóng)業(yè)大學(xué)IPMist實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)的BugShapev1.0,該軟件可以自動(dòng)探測昆蟲目標(biāo)區(qū)域,并自動(dòng)計(jì)算其面積、周長、長軸長度、短軸長度、等效圓半徑、偏心率、緊湊度、球狀性、葉狀性和圓形度等特征[12]。此外,該軟件還有內(nèi)建的水平和垂直標(biāo)尺,可以通過掃描的直尺矯正被測圖像的實(shí)際大小,軟件自帶測量直線長度的工具可以手動(dòng)測量圖片中任意目標(biāo)的長度。
1.3數(shù)據(jù)處理本試驗(yàn)得到的相關(guān)數(shù)據(jù)在MSExcel中進(jìn)行初步整理后,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)(Levenestatistic),并通過獨(dú)立樣本狋檢驗(yàn)和單因素方差分析(OnewayANOVA)對(duì)不同分辨率下各參數(shù)在雌雄個(gè)體中的差異、雌雄個(gè)體間的差異等進(jìn)行比較,單因素方差分析后的多重比較為LSD方法。通過判別分析(discriminantanalysis)對(duì)自動(dòng)測量參數(shù)和手動(dòng)測量參數(shù)進(jìn)行雌雄個(gè)體的歸類判別,初步研究了該技術(shù)在菊方翅網(wǎng)蝽雌雄識(shí)別中的應(yīng)用,所有統(tǒng)計(jì)分析均在SPSS22.0中進(jìn)行。在制作圖1時(shí),由于10個(gè)參數(shù)值不在同一數(shù)量級(jí)上,因此,通過MSExcel設(shè)置坐標(biāo)軸格式對(duì)話框,勾選了縱坐標(biāo)軸選項(xiàng)中的“對(duì)數(shù)刻度”,基值為10,使所有參數(shù)在處理間對(duì)比更加明顯。
2結(jié)果與分析
2.1采用不同分辨率獲取的同一性別各參數(shù)的差異性單因素方差分析結(jié)果表明,不同分辨率圖片獲取到的雌性菊方翅網(wǎng)蝽周長(犉=3.093,犱犳=2,147;犘=0.048)、緊湊度(犉=5.453,犱犳=2,147;犘=0.005)和球狀性(犉=3.159,犱犳=2,147;犘=0.045)差異達(dá)到顯著水平,而其他參數(shù)差異不顯著。不同分辨率獲取的雄性菊方翅網(wǎng)蝽周長(犉=7.162,犱犳=2,147;犘=0.001)和緊湊度(犉=4.324,犱犳=2,147;犘=0.015)差異達(dá)到顯著水平,其他參數(shù)差異則不顯著(圖1)。不同分辨率的掃描圖片在兩個(gè)性別菊方翅網(wǎng)蝽參數(shù)比較中周長和緊湊度均出現(xiàn)顯著差異,說明在不同分辨率下,菊方翅網(wǎng)蝽某些細(xì)節(jié)的獲取方面存在一定差異。如頭兜、側(cè)背板和前翅邊緣的刺列等會(huì)影響到參數(shù)周長的差異。
2.2不同分辨率下雌雄差異顯著性獨(dú)立樣本狋檢驗(yàn)結(jié)果表明,在不同分辨率下,菊方翅網(wǎng)蝽雌雄個(gè)體輪廓的周長、長軸長度和短軸長度差異不顯著。而偏心率、緊湊度、球狀性、葉狀性和圓形度差異達(dá)到顯著水平。在1200dpi的分辨率下,雌雄個(gè)體的面積和等效圓半徑差異達(dá)到顯著水平,但在2400dpi和4800dpi下,這兩個(gè)參數(shù)在雌雄個(gè)體間差異不顯著(表1)。
2.3不同參數(shù)對(duì)雌雄判別準(zhǔn)確性的影響根據(jù)不同分辨率下菊方翅網(wǎng)蝽各參數(shù)的差異性,分別進(jìn)行了判別分析(discriminantanalysis)。結(jié)果表明,當(dāng)使用具有差異顯著性的參數(shù)進(jìn)行雌雄個(gè)體判別時(shí),在分辨率為1200dpi和4800dpi時(shí),原始判別和交叉驗(yàn)證判別的正確率均為93%,而分辨率為2400dpi時(shí)稍偏低(分別為92%和91%)。當(dāng)使用該軟件提取到的所有參數(shù)進(jìn)行判別分析時(shí),原始判別和交叉驗(yàn)證判別的正確率隨著分辨率的提高而提高(表2)
2.4手動(dòng)測量數(shù)據(jù)分析結(jié)果由于BugShape軟件在獲取長軸長度和短軸長度等參數(shù)時(shí),只能代表菊方翅網(wǎng)蝽整體圖片被截取后的圖片長和寬,而不是蟲體實(shí)際的長度和寬度。因此,本研究利用該軟件自帶測量工具對(duì)蟲體長度和寬度(中胸寬度、腹部寬度)等參數(shù)進(jìn)行了手動(dòng)測量,并進(jìn)行了雌雄個(gè)體間的比較。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,菊方翅網(wǎng)蝽在不同分辨率下,雌雄個(gè)體在體長、中胸寬度、腹部寬度以及其參數(shù)間的比值方面的差異均達(dá)到顯著水平(表3)。判別分析結(jié)果表明,不同分辨率下被測個(gè)體原始判別的正確率達(dá)到99%,僅有一頭雌性被誤判為雄性。交叉驗(yàn)證判別的正確率在2400dpi時(shí)達(dá)到99%(一頭雌性被誤判),而1200dpi(一雌一雄被誤判)和4800dpi時(shí)為98%(兩頭雌性被誤判)(表4)
3結(jié)論與討論
菊方翅網(wǎng)蝽雌雄個(gè)體周長和緊湊度在不同分辨率下均出現(xiàn)顯著差異,雌性個(gè)體球狀性差異也顯著,而雄性個(gè)體球狀性差異不顯著。說明使用不同分辨率進(jìn)行圖像獲取時(shí),該害蟲的周長隨著分辨率的提高有顯著變化。主要原因是此類害蟲邊緣結(jié)構(gòu),尤其是頭兜、側(cè)背板以及前翅邊緣上的刺列清晰度存在差異,而周長的計(jì)算與昆蟲圖像邊界點(diǎn)的數(shù)量多少有關(guān)[12]。此外,緊湊度是與周長和面積相關(guān)的參數(shù)[12],周長的差異導(dǎo)致了緊湊度產(chǎn)生了顯著差異。而球狀性主要與圖像重心到邊界最短距離和重心到邊界最大距離相關(guān),此參數(shù)只在雌性菊方翅網(wǎng)蝽個(gè)體中產(chǎn)生了差異,且隨著分辨率的提高呈直線變化,說明此參數(shù)很可能受分辨率影響較大。在不同分辨率下,菊方翅網(wǎng)蝽雌雄個(gè)體間周長、長軸長度和短軸長度差異不顯著,初步認(rèn)為這三個(gè)參數(shù)在試驗(yàn)所設(shè)置的分辨率下不能單獨(dú)作為雌雄鑒別的依據(jù)。而偏心率、緊湊度、球狀性、葉狀性和圓形度在雌雄性之間差異均達(dá)到顯著水平,可以作為兩性判別依據(jù)。偏心率是昆蟲圖像寬度與長度的比值,緊湊度是與周長和面積相關(guān)的函數(shù)[12]。說明一些參數(shù)通過比值轉(zhuǎn)換或函數(shù)轉(zhuǎn)換后,也可能作為判別雌雄性的指標(biāo)。通常情況下,由于昆蟲的個(gè)體發(fā)育會(huì)受到溫度、食料等多種因素的影響,其個(gè)體大小會(huì)存在一定的差異[13]。僅僅比較體長、體寬等絕對(duì)值往往會(huì)出現(xiàn)同種同性別個(gè)體間差異顯著[14],而把此類參數(shù)進(jìn)行比值、函數(shù)轉(zhuǎn)換后,可以作為昆蟲數(shù)值分類的重要依據(jù)[1517]。判別分析表明,使用具有差異顯著性的5個(gè)參數(shù)(偏心率、緊湊度、球狀性、葉狀性和圓形度)進(jìn)行雌雄個(gè)體判別時(shí),3個(gè)分辨率(1200、2400dpi和4800dpi)的原始判別正確率為92%~93%,交叉判別正確率為91%~93%。而使用軟件提取的10個(gè)參數(shù)進(jìn)行判別時(shí),原始判別的正確率為93%~97%,交叉判別正確率為91%~93%。本結(jié)果表明,利用此技術(shù)對(duì)菊方翅網(wǎng)蝽雌雄個(gè)體進(jìn)行判別時(shí),10個(gè)參數(shù)的判別正確率與分辨率高低有一定的關(guān)系,圖像獲取時(shí)分辨率越高,雌雄個(gè)體判別的正確率越高。通過人為剔除一些參數(shù)后,1200dpi和4800dpi分辨率的判別結(jié)果無差異,正確率均為93%,而2400dpi下判別正確率略有下降,具體原因還有待做進(jìn)一步的研究。手動(dòng)測量數(shù)據(jù)的結(jié)果顯示,在不同分辨率下,菊方翅網(wǎng)蝽雌雄個(gè)體間體長(♀1.86±0.07mm,♂1.80±0.07mm)、中胸寬度(♀0.73±0.02mm,♂0.69±0.03mm)、腹部寬度(♀1.04±0.05mm,♂0.84±0.07mm)以及其參數(shù)間的比例均達(dá)到顯著水平。雌雄個(gè)體原始判別的正確率均為99%,只有一頭雌蟲被誤判為雄蟲,交叉判別的正確率為98%~99%,有1~2頭雌蟲或雄蟲被誤判。與使用此技術(shù)對(duì)其他昆蟲種類的判別相比[18],本研究對(duì)菊方翅網(wǎng)蝽雌雄個(gè)體的判別正確率較高,絕大多數(shù)個(gè)體都能夠被正確識(shí)別。通過對(duì)菊方翅網(wǎng)蝽成蟲外部幾何形態(tài)特征的提取與分析初步研究,結(jié)果表明,圖像處理技術(shù)可以區(qū)分其雌雄個(gè)體,這有利于將來對(duì)該害蟲進(jìn)行遠(yuǎn)程鑒定,或?qū)ζ浞N群發(fā)生趨勢(shì)進(jìn)行很好的預(yù)測。
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作者:潘鵬亮,張方梅,尹健,劉紅敏,周順玉,智亞楠 單位:信陽農(nóng)林學(xué)院