縫錘小蠹與美西部云杉小蠹的聲學特征與比較

潘 杰 ，劉 翔，邵沛澤，顏柳松，秦國勛，安榆林，溫俊寶

(1.連云港出入境檢驗檢疫局，江蘇連云港 222042;2.江蘇出入境檢驗檢驗局，南京 210001;3.北京林業大學林木有害生物防治北京市重點實驗室，北京 100083)

近年來我國木材進口量一直保持著高速增長的趨勢。進口原木地區涵蓋來自美洲、歐洲、亞洲、大洋洲、非洲在內的一百多個國家和地區，其來源十分廣泛。我國木材進境口岸多而分散，進口量逐年增加，攜帶疫情也非常復雜，這給我國植物檢疫工作帶來了前所未有的挑戰(安榆林等，2010)。而原木所攜帶的有害生物大多為蛀干害蟲，具有一定的隱蔽性，難以發現，給檢疫工作帶來了較大困難。一線口岸所使用的檢測方法主要采取目測、手檢等手段，對于有蟲害跡象的原木進行剝皮、斧鑿進而尋找蛀干害蟲，然后進行室內檢疫鑒定，不僅費時，而且費力，工作效率也較低。如何提升檢疫查驗技術也是以后木材檢疫查驗所面臨的新課題。

近年來，害蟲聲音探測技術，逐漸成為昆蟲聲學研究的一個熱點領域 (Webb et al.，1988;Hagastrum et al.，1996;趙麗穩等，2008;趙源吉等，2009)。目前美國已經利用害蟲聲音探測技術建立了水果害蟲和儲糧害蟲聲音信號微機探測系統，進行監測和鑒別儲糧中害蟲的數量和種類，實際應用于農產品的出口及存儲檢疫等方面(唐為民等，2000;徐昉等，2001)，這也為此技術應用于口岸原木檢疫提供了可行性;而隨著國外害蟲聲音探測技術的不斷發展，我國對此的研究也取得了較大的進步，研究對象也由水果類害蟲和倉儲類害蟲逐步擴大到林木蛀干害蟲，也為此技術應用于口岸原木檢疫提供了可靠性。羅茜等(2011)采用語音處理與識別技術，通過收集與分析華山松大小蠹Dendroctonus ponderosae、短毛切梢小蠹Tomicus brevipilosus (Eggers)、云南切梢小蠹Tomicus yunnanensis 和紅脂大小蠹Dendroctonus valens 4 種小蠹蟲雄蟲的脅迫聲進行鑒別;Soroker利用聲波探測裝置及相應軟件分析以識別不同齡期幼蟲的為害 (Soroker et al.，2004;Soroker et al.，2005)。本文主要對口岸經常截獲的有害生物縫錘小蠹Gnathotrichus materiarius 和美西部云杉小蠹Gnathotrichus sulcatus 進行了聲學特征的研究探討及對比分析，以期為進一步研究林木鉆蛀類害蟲聲音探測技術積累一些經驗，作一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 害蟲飼養

試驗中所用縫錘小蠹和美西部云杉小蠹均為對來自美國的花旗松檢疫截獲所得，均經連云港出入境檢驗檢驗局鑒定。用保鮮盒進行飼養，盒蓋上均勻打10個直徑4 mm的小氣孔，在盒內放入蘸水的濾紙，濕度約為70%，封閉飼養于生化培養箱內(溫度為24℃)，并進行一一編號，待其發育為成蟲后進行試驗。

1.1.2 儀器設備

生化培養箱(ZSP-A0270);AED2010 便攜式聲音監測儀:可存儲250個數據，前置放大器能提供20 dB的增益;R09 便攜錄音機:Wav 格式信號的采樣率也可達44.10/48.00 KHz，位深16或24 bits;Goldwave 處理軟件:過濾信號中的噪聲;MATLAB 信號處理工具箱進行聲音分析。

1.2 方法

1.2.1 信號采集

選擇具有較強隔音效果的實驗室進行錄制聲音，使用AED-2010 進行信號采集時，要避免SP-1 探針與其它物體接觸產生噪音。在室內溫度25℃、濕度60%條件下，將縫錘小蠹、美西部云杉小蠹分別放在劈開的花旗松上，觀察成蟲活動，在距離成蟲5 cm 處采集信號，并記錄成蟲活動狀況。每只成蟲采集5個重復，信號的采集長度設為10 s，采樣間隔為5 s，位深為24 bits。

1.2.2 信號分析

對所采集的聲信號進行適當的截取，用于統計分析信號脈沖持續時間等。然后利用Goldwave軟件對信號進行降噪。最后使用MATLAB 工具箱進行信號的時域、頻域分析。

2 結果與分析

2.1 兩種小蠹取食聲學特征分析

2.1.1 時域特征

試驗中分別采集縫錘小蠹、美西部云杉小蠹成蟲各8 頭的取食聲信號，每次錄制信號10 s，每頭成蟲5個重復。對采集到的聲音進行物理降噪，通過Goldwave 軟件來實現。再利用MATLAB 打開處理后的取食聲(圖1、圖2)，可知縫錘小蠹取食信號脈沖持續時間較短，美西部云杉小蠹成蟲取食聲音信號脈沖間隔不穩定。通過統計分析其取食聲信號的脈沖持續時間，可以看出縫錘小蠹主要分布于59.00-85.00 ms 區間;美西部云杉小蠹主要分布于80.00-130.25 ms 區間(表1)。

表1 縫錘小蠹、美西部云杉小蠹成蟲取食聲信號脈沖持續時間(ms)Table 1 Gnathotrichus materiarius and Gnathotrichus sulcatus adult feeding acoustic signal pulse duration

圖1 信號時域圖(A，縫錘小蠹;B，美西部云杉小蠹)Fig.1 The time domain graph of signal (A，Gnathotrichus materiarius;B，Gnathotrichus sulcatus)

圖2 信號單脈沖時域圖(A，縫錘小蠹;B，美西部云杉小蠹)Fig.2 The time domain graph of signal pulse (A，Gnathotrichus materiarius;B，Gnathotrichus sulcatus)

2.1.2 頻域特征

利用Goldwave 軟件對聲信號進行降噪，再利用MATLAB 打開處理后的取食聲(圖3、圖4)，通過表2 可以看出縫錘小蠹取食聲信號的主頻主要分布于189.50-375.00 Hz;美西部云杉小蠹取食聲信號頻率主要分布于490.00-640.20 Hz區間。

表2 縫錘小蠹、美西部云杉小蠹成蟲取食聲信號主頻(HZ)Table 2 Gnathotrichus materiarius and Gnathotrichus sulcatus adult feeding frequency sound signal

圖3 信號頻域圖(A，縫錘小蠹;B，美西部云杉小蠹)Fig.3 The signal of frequency-domain (A，Gnathotrichus materiarius;B，Gnathotrichus sulcatus)

圖4 信號時頻圖(A，縫錘小蠹;B，美西部云杉小蠹)Fig.4 The signal of frequency chart (A，Gnathotrichus materiarius;B，Gnathotrichus sulcatus)

2.2 兩種小蠹爬行聲學特征分析

2.2.1 時域特征

首先，對采集到的聲音進行物理降噪，通過Goldwave 軟件來實現，再利用MATLAB 打開處理后的取食聲(圖5、圖6)，從圖中可以看出兩種小蠹爬行聲信號脈沖持續時間較短，脈沖間隔也較短。表3 中可以看出縫錘小蠹爬行聲信號脈沖持續時間主要分布于50.60-67.00 ms 區間;美西部云杉小蠹主要分布于49.00-108.50 ms區間。

表3 縫錘小蠹、美西部云杉小蠹成蟲爬行聲信號脈沖持續時間(ms)Table 3 Gnathotrichus materiarius and Gnathotrichus sulcatus adult crawling acoustic signal pulse duration

圖5 信號時域圖(A，縫錘小蠹;B，美西部云杉小蠹)Fig.5 The time domain graph of signal (A，Gnathotrichus materiarius;B，Gnathotrichus sulcatus)

圖6 信號單脈沖時域圖(A，縫錘小蠹;B，美西部云杉小蠹)Fig.6 The time domain graph of signal pulse (A，Gnathotrichus materiarius;B，Gnathotrichus sulcatus)

2.2.2 頻域特征

利用Goldwave 軟件對聲信號進行降噪，再利用MATLAB 打開處理后的爬行聲(圖7)，通過表4 可以看出縫錘小蠹爬行聲信號的主頻主要分布于349.20-456.10 Hz;美西部云杉小蠹取爬行信號頻率主要分布于258.33-620.00 Hz 區間。

表4 縫錘小蠹、美西部云杉小蠹成蟲爬行聲信號主頻(Hz)Table 4 Gnathotrichus materiarius and Gnathotrichus sulcatus adult crawling frequency sound signal

圖7 信號頻域圖(A，縫錘小蠹;B，美西部云杉小蠹)Fig.7 The signal of frequency-domain (A，Gnathotrichus materiarius;B，Gnathotrichus sulcatus)

3 結論與討論

同種小蠹的取食和爬行聲信號差異明顯，而且縫錘小蠹、美西部云杉小蠹兩種小蠹間取食和爬行聲信號差異也較大，聲信號脈沖持續時間、主頻差異顯著，利用聲音探測系統對林木蛀干害蟲進行監測是可行的。縫錘小蠹成蟲取食聲信號脈沖持續時間主要分布于59.00-85.00 ms 區間，信號頻率主要分布于189.50-375.00 Hz 區間。而爬行聲信號脈沖持續時間主要分布于50.60-67.00 ms 區間，信號頻率主要分布于349.20-456.10 Hz 區間;美西部云杉小蠹成蟲取食聲信號脈沖持續時間主要分布于80.00-130.25 ms 區間，信號頻率主要分布于490.00-640.20 Hz 區間。而爬行聲信號脈沖持續時間主要分布于49.00-108.50 ms 區間，信號頻率主要分布于258.33-620.00 Hz 區間。婁定風等(2013)研究鱗毛粉蠹Minthea rugicollis、寬斑脊虎天牛Xylotrechus colonus Fabricius、黑雙棘長蠹Sinoxylon conigerum 得到其蛀食聲信號脈沖持續時間主要分布于7-14 ms 區間、7-13 ms 區間、10-50 ms 區間，信號頻率主要分布于1.50-6.20 KHz 區間、1.50-1.70 KHz區間、3.60-6.70 KHz 區間。可以看出縫錘小蠹、美西部云杉小蠹與其它幾種鉆蛀類害蟲幼蟲取食聲學特征有較大差別，可以實現不同鉆蛀類害蟲間有效聲識別。

不同科屬種的林木蛀干害蟲聲學特征有待下一步研究。不同科之間、同科不同屬之間、同屬不同種之間聲學特征是否有顯著性差異，還需要大范圍進行探討研究。而目前國內缺乏數據庫，通過口岸檢疫收集信號，建設數據庫是一個好途徑。通過搭建聲音探測系統進行長期監測，統計與昆蟲行為特性有關的聲音特性，建立林木蛀干害蟲聲學信息庫。由于不同種類害蟲的聲音特性具有較大差異，可以分辨出害蟲的種類。將新探測到的聲音與已建立的聲音庫進行比對分析，能夠分辨出原木被何種害蟲為害。另外，可綜合利用國內外研究成果，構建林木蛀干害蟲聲音探測技術平臺，從而推動我國原木檢疫事業的不斷發展，防止檢疫性有害生物傳入我國給農林及生態環境造成危害。

林木蛀干害蟲具有蛀食隱蔽性的特點，通過目測、手檢等手段發現蛀干害蟲的危害，不僅費時費力，而且困難較大。聲音探測技術在原木檢疫應用方面具有很大的優越性，所以可以預測林木蛀干害蟲聲音探測技術將會有良好的發展前景;但聲音探測技術上也有一定的困難，對做過熏蒸處理的原木進行檢測時，不能很好的探測到卵、蛹以及死蟲，具有一定的局限性;另外，同一批原木中可能有多種昆蟲，其個體和形態也有較大的差別，如何甄別多種昆蟲是此項技術亟待解決的問題。

References)

An YL，Qian L，Xu M，et al.Analysis and suggestions of intercepted exotic forest pests of China ［J］.Plant Quarantine，2010，24(3):45-48.［安榆林，錢路，徐梅，等.外來林木有害生物疫情截獲分析與建議［J］.植物檢疫，2010，24 (3):45-48］

Hagastrum DW，Flinn PW，Shuman D.Automated monitoring using acoustical sensors for insects in farm stored wheat ［J］.Econ.Entomol.，1996，89 (1):211-217 .

Lou DF，Xu XF，Li J，et al.Acoustic characteristics and their comparison of six boring insects ［J］.Plant Quarantine，2013，27(1):6-10.［婁定風，許小芳，李嘉，等.6 種木材鉆蛀性昆蟲的聲學特征與比較［J］.植物檢疫，2013，27 (1):6-10］

Luo Q，Wang HB，Zhang Z，et al.Automatic stridulation identification of bark beetles based on MFCC and BP Network ［J］.Journal of Beijing Forestry University，2011，33 (5):81-85.［羅茜，王鴻斌，張真，等.基于MFCC 與神經網絡的小蠹聲音種類自動鑒別［J］.北京林業大學學報，2011，33 (5):81-85］

Soroker V，Blumberg D，Haberman A.Current status of red weevil infestation in date palm plantations inisrael ［J］.Phytoparasitica，2005，33 (1):97-106.

Soroker V，Nakache Y，Landau U.Utilization of sounding methodology to detect infestation by Rhynchophorus ferrugineus on palm offshoots［J］.Phytoparasitica，2004，32 (1):6-8.

Tang WW，Zhang XJ，Wu YH，et al.New progress of grain pest control on domestic and abroad ［J］.Grain Storage，2000，68(4):36-38.［唐為民，張旭晶，巫幼華，等.國內外儲糧害蟲防治技術研究的新進展［J］.糧油儲藏，2000，68 (4):36-38］

Webb JC，Litzkow CA，Slaughter DC.A computerized acoustical larval detection system ［J］.Appl.Engineering in Agriculture，1988，81(3):268-274.

Xu F，Bai XG，Zhang CH，et al.Grain pests detection method on domestic and abroad ［J］.Grain Storage Technology Newsletter，2001，(5):41-43.［徐昉，白旭光，張成花，等.國內外儲糧害蟲檢測方法［J］.糧油倉儲科技通訊，2001，(5):41-43］

Zhao LW，Wang HB，Zhang Z，et al.Research advances in insect acoustic signals and their applications ［J］.Plant Protection，2008，34 (4):5-12.［趙麗穩，王鴻斌，張真，等.昆蟲聲音信號和應用研究進展［J］.植物保護，2008，34 (4):5-12］

Zhao YJ，Wei XQ，Wen JB，et al.Preliminary study on the acoustic detection of larvae Semanotus bifasciatus (Motschulsky)［J］.Ecological Science，2009，28 (3):242-246.［趙源吉，韋雪青，溫俊寶，等.雙條杉天牛幼蟲聲音探測技術初報［J］.生態科學，2009，28 (3):242-246］