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Insektenschädlinge am Geräusch erkennen
Eine unerwünschte Folge der Globalisierung ist die weltweit vermehrte Verschleppung von Schadorganismen (Insekten, Pilzen, Bakterien, Viren und Nematoden). Um den Pflanzenschutzdiensten in Zukunft die Begutachtung von pflanzlichem Material zu erleichtern, werden im Rahmen des Forschungsprojekts Q-Detect innovative Technologien zu Früherkennung von Schadorganismen erforscht.

Im 7. Forschungs-Rahmenprogramm der Europäischen Kommission (FP7) wird das Forschungsprojekt Q-Detect (Quarantine pest detection for use by national plant protection organizations (NPPO) and inspection services) gefördert. In diesem Projekt werden praktikable und einfache Früherkennungsmethoden für verschiedene Quarantäneschadorganismen entwickelt.

Im Zentrum der Untersuchungen stehen 16 verschiedene Spezies, darunter Insekten, Pilze, Nematoden, Viren und Bakterien. Es handelt sich dabei um die derzeit gefährlichsten Pflanzen-Schadpathogene in Europa. Neue Methoden aus unterschiedlichen Fachgebieten sollen weiterentwickelt, miteinander kombiniert und praxistauglich gemacht werden. Hierzu gehören Laser-Vibrometrie, DNA-Analyse, Remote-Imaging, VOC-Detektoren und auch bioakustische Mustererkennung.

Bioakustische Mustererkennung am Institut für Waldschutz

Das Institut für Waldschutz des BFW soll computergestützte bioakustische Früherkennungsmethoden entwickeln, mit Hilfe derer die Larven der Holzschädlinge Asiatischer Laubholzbockkäfer (Anoplophora glabripennis), Bäckerbock (Monochamus galloprovincialis) und Roter Palmenrüssler (Rhynchophorus ferrugineus, Abbildung 1) im Holz identifiziert und voneinander unterschieden werden können.


Abbildung 1: Roter Palmenrüssler (Rhynchophorus ferrugineus)

Im Zentrum steht die Forschung an hochkomplexen computerbasierten Verfahren zur Körperschall-Analyse und bioakustischen Spezies-Erkennung. Zur Entwicklung derartiger Verfahren bedarf es umfassender Audio-Bibliotheken mit streng normierten Aufzeichnungen von den Geräuschen im Holz lebender Käferlarven. Diese Aufzeichnungen müssen mit mathematisch-statistischen Verfahren ausgewertet werden. Hierbei werden bioakustische Mustererkennungstechnologien verwendet, die dadurch gekennzeichnet sind, dass der Computer physikalisch-akustische Parameter exakt misst und mit Hilfe logikbasierter Klassifikatorsysteme schrittweise auswertet. Es wird angestrebt, dass alle Aussagen, die der Computer über befallene Pflanzen und Hölzer trifft, für den Gutachter in der Praxis immer klar nachvollziehbar bleiben.

Bioakustische Mustererkennung ist für das BFW ein neues Betätigungsfeld und eine große Herausforderung. Das liegt zum einen daran, dass die zu untersuchenden Spezies z.Zt. vor allem im Ausland gefunden werden. Zum anderen ist die Anfertigung der digitalen Audio-Bibliotheken sehr aufwändig. Ein Beispiel mag dies erläutern: Für einen einzigen Entwicklungszyklus der Larven des Asiatischen Laubholzbockkäfers bedarf es mehrwöchiger kontinuierlicher Aufnahmen in hoher Qualität. Diese müssen mit einem Hard-Disk-Recording System und mit Spezialmikrofonen angefertigt werden, wobei sich die befallenen Hölzer in einer schallisolierten Box befinden, die eigens hierfür gebaut wurde. Allein die Bibliothek für diese eine Spezies erreicht schnell den Umfang von 100 Gigabyte auf der Festplatte.

Schallemissionen von Käferlarven

Von im Holz lebenden Larven der drei Spezies werden verschiedene Schall-Emissionen auf mechanischem Wege erzeugt. Der Schall breitet sich über das Holzsubstrat aus und ist zum Teil sogar mit dem bloßen Ohr zu hören. Wir unterscheiden:
  • Fraßgeräusche: Diese werden erzeugt, wenn Larven mit ihren Mandibeln Holzfasern durchbeißen.
  • Bewegungsgeräusche
  • Atmungsgeräusche
  • Rekurrente Geräuschmuster: Hierbei handelt es sich um sich wiederholende Geräuschmuster, in denen sich biologische Rhythmen, wie etwa Schlaf-Wachphasen widerspiegeln.
Grundlegend für die akustischen Eigenschaften von Lauten und Geräuschen bei Käferlarven sind die Größe, das Alter, die Morphologie der Mandibeln und das momentane Verhalten der Larven. Hinzu kommt das Substrat, in dem sich die Tiere aufhalten. In verschiedenen Holzarten lassen sich so bei ein und derselben Spezies ganz unterschiedliche Fraßgeräusche beobachten.

Ein weiterer wichtiger physikalischer Faktor ist die graduelle Dämpfung des Schalls, wenn dieser durch das Substrat hindurch geht. Die Dämpfung ist bei den verschiedenen Holzarten unterschiedlich stark ausgeprägt. Sie spielt vor allem dann eine bedeutende Rolle, wenn die Distanz zwischen Körperschallmikrofon und schallerzeugendem Tier groß ist. Die meisten heimischen Holzarten leiten den Schall aber so gut, dass bei Fraßgeräuschen eine Distanz von 2 m und mehr unproblematisch ist.

Identifizieren, Unterscheiden und Limits

Die laufende Studie beruht auf der Auswertung von empirischem Audiomaterial, das heißt von digitalen Aufzeichnungen der Schallemissionen von Käferlarven. Sie umfasst folgende Schritte:
  • Erstellung einer repräsentativen Audio-Bibliothek;
  • Bioakustische Mustererkennung mit Hilfe von Audiosignal-Klassifikatoren;
  • Evaluation der Ergebnisse.
Audiosignal-Klassifikatoren sind computerimplementierbare Automaten (Programme), die in der Lage sind, Audiosignale einer bestimmten vordefinierten Klasse zuzuordnen.

Audio-Bibliothek

Um die gewünschten Analysen durchführen zu können, müssen geeignete Audio-Aufnahmen in einer Bibliothek systematisiert werden. Ziel bei der Erstellung der Bibliothek ist, möglichst viele qualitativ hochwertige Aufnahmen der drei Spezies zu erhalten. Zu jeder Aufnahme werden genaue Daten über Spezies, Baumart, Herkunft, Uhrzeit und Mikrofontyp gespeichert. Zusätzlich werden die spezifischen akustischen Eigenschaften des Holzes festgehalten.

Bioakustische Mustererkennung

Die standardisierten und normierten Analyse-Teilmengen werden halbautomatisch ausgewertet. Ziel ist, die spezifischen Eigenschaften aller von den Larven verursachten Schall-Emissionen zu erfassen und zu vermessen. Die Anzahl der Emissionen ist dabei erheblich, denn ein einzelnes aktives Tier kann pro Stunde allein zirka 1200 Fraßgeräusche erzeugen.

Mit Hilfe von statistischen Verfahren kann in den Messdaten nach solchen Mustern gesucht werden, die für eine bestimmte Spezies charakteristisch sind. Im nächsten Schritt werden aus diesen charakteristischen Mustern Audiosignal -Klassifikatoren generiert, die in der Lage sind, automatisch in neuen Messdaten Spezies-spezifische Muster zu finden. Wird ein solches Muster gefunden, generiert der Klassifikator eine Klassifikationsentscheidung. Diese besagt, dass die dem Messdaten-Muster zugrunde liegende Schall-Emission mit großer Wahrscheinlichkeit von der Larve einer bestimmten Spezies verursacht wurde.

Wie man zwei Spezies anhand ihrer Fraßgeräusche unterscheiden kann, ist im folgenden Beispiel dargestellt.


Abbildung 2, Beispiel 1: Spektrogramme (vertikal 0-5 kHz, horizontal 0-800 ms) der Fraßgeräusche zweier verschiedener Spezies: (oben) Asiatischer Laubholzbockkäfer; (unten) Halsgrubenbock

Abbildung 2 zeigt Spektrogramme (vertikal 0¿5 kHz, horizontal 0¿800 ms) der Fraßgeräusche zweier verschiedener Spezies: (A) Asiatischer Laubholzbockkäfer; (B) Halsgrubenbock. Die einzelnen Schallimpulse werden durch das Reißen von Faserbündeln verursacht und erscheinen als rot-grüne Balken von 5¿20 ms Dauer. Sie sind bei beiden Arten in einer Sequenz angeordnet, bei (A) jedoch ist die durchschnittliche Pulswiederholungsrate wesentlich höher, d. h. die Impulse folgen schneller aufeinander.

Erste Ergebnisse

Die bis dato von uns durchgeführten Untersuchungen lassen folgende erste Aussagen zu:
  • Es konnte ein Klassifikator berechnet werden, der über 90 % der Fraßgeräusche in standardisierten Aufnahmen des Asiatischen Laubholzbockkäfers auffindet. Eine vollautomatische Detektion von Fraßgeräuschen per se ist mit den von uns verwendeten Verfahren in der Praxis sofort möglich. Allein dies kann schon eine wesentliche Entlastung bei  der Begutachtung von Holzsortimenten bedeuten.
  • Insbesondere bei den Fraßgeräuschen sind zwischen den drei Spezies auffallende Unterschiede zu messen.
  • Es werden voraussichtlich für alle in Frage stehenden Holzarten eigene Klassifikatoren benötigt werden, denn die akustischen Eigenschaften des Holzes haben sehr starke Auswirkungen auf die Eigenschaften der Schall-Emissionen der Larven.
Da die Anzahl der verfügbaren Aufnahmen in der Audio-Bibliothek mit der Zeit wächst, erwarten wir in Zukunft weitere interessante Ergebnisse. Auch ist geplant, die spezifischen Geräusche von zusätzlichen Spezies mit in die Bibliothek aufzunehmen.

Zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten

Bioakustische Früherkennungssysteme können mit Sicherheit schon in naher Zukunft die tägliche praktische Arbeit von Pflanzenschutzorganisationen unterstützen und Entscheidungen von Behörden bei der Erteilung von Einfuhrerlaubnissen erleichtern. Bioakustische Detektionssysteme sind aber nicht allein für phytosanitäre Kontrollen zu verwenden, sondern auch in vielen anderen Bereichen eine nützliche Hilfe: Nicht wenige durch Insekten hervorgerufene Krankheiten im Wald könnten rascher erkannt werden.

Auch Sachverständige und Baumpfleger im urbanen Bereich können schon bald vollautomatische bioakustische Verfahren zur Beurteilung von Bäumen heranziehen. Bioakustische Detektionsverfahren sind flexibel, mobil und sehr viel weniger kostenintensiv als andere Verfahren.

Linktipp

www.qdetect.org
Artikel im DerStandard über Rüsselkäfer bedroht Palme
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