三维运动轨迹跟踪系统

三维运动轨迹跟踪系统昆虫研究

昆虫对农业发展具有重大的影响力,仅在美国,昆虫授粉媒介每年就为农业收入贡献300亿美元[1] 。害虫和农药等因素会影响蜜蜂的行为和生存,可能会对农业经济发展产生重大影响。 

从野生鸟类(如啄木鸟)到哺乳动物(如刺猬和蝙蝠),再到大多数爬行动物和两栖动物,许多野生生物靠捕食昆虫为生。

全世界每年大约有100万人被疟疾杀死[2],一群蝗虫一天之内吃掉的食物相当于与1500万人一天的食物重量 [3], 白蚁释放出20-40 Tg 每年向大气中排放高强度温室气体的甲烷[4]。

因此,昆虫行为学研究的重要性不言而喻。

测量飞行轨迹

与手动记录行为相比,视频跟踪具有明显的优势。 视频跟踪可提供有关行为的准确信息,例如飞行速度以及动物在某个区域内的持续时间。

视频轨迹跟踪可以对观察对象进行客观且无偏差的观察,并且可以长时间进行不间断的观察。然而对于飞行,游泳或爬行的动物,解释视频跟踪的分析结果存在一定的困难。

传统的视频跟踪仅以二维方式测量飞行路径,因此,当动物在三维空间上移动时,信息就会丢失。例如,如果蚊子直接飞向高架摄像机,则视频跟踪软件无法测量该运动。

 如果您想研究蚊子如何利用气味来寻找人类,或者信息素对有害的蝴蝶幼虫(例如右侧的甘蓝白蝴蝶)的影响,那么研究昆虫的 飞行路径是否与异味羽流有关是一个重要的指标。

同样,如果您想研究植物如何吸引授粉昆虫,或控制生物害虫的寄生性黄蜂如何寻找宿主,那么就需要从三个维度上测量其飞行路径。

使用三维运动轨迹跟踪系统

三维运动轨迹跟踪系统(Track3D)是一种自动跟踪,可视化和分析昆虫在三维空间运动轨迹的解决方案,它利用多视频录制软件和动物运动轨迹跟踪系统(EthoVision XT)的强大功能以及特殊的软件工具,创建三维可视化昆虫飞行路径,并对数据进行统计分析。

在实验过程中,三维运动轨迹跟踪系统(Track3D)可以通过两个不同角度放置的摄像机将昆虫在风洞中的飞行轨迹记录到视频文件中。该系统还支持在黑暗中用红外线进行视频跟踪。 

系统使用批量处理采集功能在动物运动轨迹跟踪系统中自动处理视频文件。然后,将处理结果导入三维轨迹跟踪系统中,创建三维(x,y,z坐标系)跟踪文件,对昆虫飞行轨迹进行可视化和分析。

风洞中的蚊子飞行轨迹(圆柱代表气味羽流)。

详细信息

在此视频中,您可以看到蚊子在气味羽流中的飞行路径。

观看视频,详细了解三维轨迹跟踪系统。

数据输出

数据可视化

您可以在三维运动轨迹跟踪系统(Track3D)中可视化查看运动轨迹,对运动轨迹进行旋转,平移和缩放。系统可以将昆虫的运动轨迹作为动画播放,您可以将动画导出为视频文件,也可以进行打印。在下图中,红色的轨迹是蚊子的飞行轨迹,而圆锥表示风洞中气味羽流的位置[5]

数据分析

三维轨迹跟踪系统可以计算大量参数,包括:

  • 活动参数,例如总飞行距离和飞行速度。
  • 搜索行为,可以用曲折度(三维空间内)和许多其他路径形状参数(包括角速度,相对于空气速度和方向表示的飞行方向,和三维空间内由于空气流动造成的飘移)。
  • 与气味羽流有关的活动(包括在羽流周围定义缓冲区)。
  • 三维区域(圆锥体,长方体和圆柱体)内相关的基于位置的行为。

用于昆虫飞行研究的风洞系统

风洞是研究与视觉和气味刺激有关的昆虫定向和飞行的合适环境。我们可以为您提供高质量和灵活的风洞系统研究的完整解决方案,并针对三维运动轨迹跟踪系统(Track3D)进行优化。 我们的风洞系统由跟踪室和气流产生系统组成。

观察箱

观察箱由具有透明顶壁的聚碳酸酯制成。 黑色的红外吸收墙与红外LED照明灯相结合,非常适合在黑暗中追踪昆虫(前提是昆虫的身体或翅膀反射红外线)。当然,您也可以在白天跟踪昆虫的运动轨迹。我们的标准风洞系统中,观察箱尺寸为160 x 60 x 60 cm(长 x 宽 x 高),同时我们也可以为您提供其他尺寸的观察箱。

气流产生系统

气流产生系统由风扇和空气层压膜片组成。您可以设置不同的风速,最大约40厘米/秒(气流约450立方米/小时)。多层空气层压隔膜可确保整个跟踪室内的空气速度和方向均匀。

系统整合

风洞系统与其它三维运动轨迹跟踪系统(Track3D)组件可以轻松进行整合,包括红外LED照明器,摄像机和三维轨迹跟踪系统软件。

The wind tunnel is integrated with other Track3D components.

参考文献

[1] Calderone NW (2012) Insect Pollinated Crops, Insect Pollinators and US Agriculture: Trend Analysis of Aggregate Data for the Period 1992–2009. PLoS ONE 7(5): e37235. doi:10.1371/journal.pone.0037235

[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Malaria

[3] Smithsonian Blog

[4] Lenard Milich (1999), The role of methane in global warming: where might mitigation strategies be focused?, Global Environmental Change, 9, 179-201

[5] Spitzen, J., Spoor, C.W., Grieco, F., ter Braak, C., Beeuwkes, J., et al. (2013). A 3D Analysis of Flight Behavior of Anopheles gambiae sensu stricto Malaria Mosquitoes in Response to Human Odor and Heat. PLoS ONE, 8(5), e62995. doi:10.1371/journal.pone.0062995

Spitzen, J.; Ponzio, C.; Koenraadt, C.J.M.; Pates Jamet, H.V.; Takken. W. (2014). Absence of close-range excitorepellent effects in malaria moquitoes exposed to deltamethrin-treated bed nets. The American Society of Tropical Medicine and Hygiene90(6), 1124-1132.

 

特别鸣谢

三维运动轨迹跟踪系统(Track3D)由诺达思公司与荷兰瓦赫宁根大学昆虫实验室的Willem Takken教授以及实验动物学小组的Johan van Leeuwen教授合作开发。