Automatic monitoring of insect fauna at global scales using wireless networks and opto-acoustic sensors
Authors: Ρηγάκης Ηρακλής 
Published: March 2023

Η παρούσα διατριβή εισάγει νέα τεχνολογικά εργαλεία στην εντομολογία και στην τεχνολογία της γεωπονίας που βοηθούν στην παρατήρηση, τον εντοπισμό και την αναγνώριση είδους των εντόμων. Προτείνονται νέες συσκευές και υλικό λογισμικού που ανιχνεύει και καταγράφει την παρουσία των εντόμων, τεχνικές επεξεργασίας δεδομένων και αλγόριθμους μηχανικής μάθησης που αναγνωρίζουν το είδος. Γιατί όμως υπάρχει η ανάγκη ώστε να εντοπιστούν και να ταξινομηθούν τα ταπεινά και μερικές φορές απαρατήρητα έντομα;Ορισμένα είδη εντόμων (τα λεπιδόπτερα για παράδειγμα) θεωρούνται κατάλληλοι δείκτες για τη βιοποικιλότητα που σήμερα μειώνεται παγκοσμίως με άγνωστο ρυθμό. Όλα τα έντομα διαδραματίζουν ζωτικό ρόλο καθώς αποτελούν διακριτούς κρίκους στη βιολογική εξάρτηση των ειδών και αποτελούν πηγές τροφής για τα σπονδυλωτά. Ως εκ τούτου, δεν είναι μόνο σημαντικά, αλλά και κρίσιμης σημασίας. Ωστόσο, πολλά από αυτά μπορούν να φτάσουν σε υψηλές, επιζήμιες πυκνότητες και να βλάψουν σοβαρά τις καλλιέργειες στην γεωργία (αρκετές μύγες όπως η μύγα της Μεσογείου, ο δάκος, η bactrocera dorsalis) και τα ξυλοφάγα έντομα. Κάποια άλλα, όπως τα κουνούπια και ορισμένες σκνίπες, αποτελούν σοβαρή απειλή για την υγιεινή, καθιστώντας τα κουνούπια το πιο θανατηφόρο ζώο στον πλανήτη. Ωστόσο, αν έπρεπε να δώσουμε ένα επιχείρημα για τη σημασία των εντόμων για τον άνθρωπο, θα περιγράφαμε αυτή την προτεραιότητα με μια μόνο φράση «επηρεάζουν την παραγωγή τροφίμων».Μια μεγάλη πρόκληση που αντιμετωπίζει ο 21ος αιώνας είναι η βιώσιμη παραγωγή τροφίμων για τον αυξανόμενο ανθρώπινο πληθυσμό. Ο παγκόσμιος πληθυσμός προβλέπεται να φτάσει τα 10,4 δισεκατομμύρια άτομα στη δεκαετία του 2080. Τα τεχνολογικά μέσα και η αυξανόμενη διαθεσιμότητα νέων αισθητήρων και ηλεκτρονικών συσκευών και η συλλογή «μεγάλων δεδομένων» στοχεύουν στη βελτίωση της βιωσιμότητας των συστημάτων παραγωγής τροφίμων. Υπάρχει επείγουσα ανάγκη να μετριαστούν οι απώλειες των καλλιεργειών λόγω των εντόμων, αποφεύγοντας παράλληλα περιττούς ψεκασμούς που έχει αποδειχθεί ότι επηρεάζουν αρνητικά την ανθρώπινη υγεία.Οι γεωπόνοι ανέκαθεν χρησιμοποιούσαν παγίδες (συνήθως μπουκάλια ή κουβάδες) για να παγιδεύουν και να μετρούν τα έντομα ως μέσο αξιολόγησης της κατάστασης προσβολής. Με τον καιρό είχαν αναπτύξει τα λεγόμενα «πρωτόκολλα απόφασης» που έπρεπε να ακολουθήσουν ως εμπειρικό κανόνα για το τι πρέπει να κάνουν παρουσία συγκεκριμένης πυκνότητας εντόμων σε αγροτικές περιοχές και δάση. Στην πράξη, οι αναφορές από παγίδες παρακολούθησης δεν γίνονται δεκτές στα τυφλά αλλά χρησιμεύουν ως υποστηρικτικά στοιχεία. Οι πιστοποιημένοι κρατικοί εντομολόγοι προσαρμόζουν τον κανόνα στις ιδιαιτερότητες διαφορετικών γεωγραφικών περιοχών της χώρας και ενσωματώνουν διαφορετικές πηγές πληροφοριών πριν χορηγήσουν άδεια για ψεκασμούς μεγάλης κλίμακας. Οι αναφορές που προέρχονται από την ανθρώπινη παρακολούθηση παγίδων γίνονται δεκτές με διαφορετικό βαθμό εμπιστοσύνης. Η κύρια δυσκολία αυτής της διαδικασίας είναι ότι ένας μεγάλος αριθμός παγίδων πρέπει να τοποθετηθεί στρατηγικά σε αγροκτήματα, μερικές φορές σε απομακρυσμένες τοποθεσίες και πολλοί άνθρωποι θα πρέπει να τοποθετούν, να συντηρούν και να επιθεωρούν τις παγίδες κάθε 5 ημέρες από το τέλος της Άνοιξης μέχρι το τέλος Φθινοπώρου. Οι επόπτες των καλλιεργειών πρέπει να διακρίνουν το το έντομο-στόχο του συλλεγόμενου πλήθους των νεκρών εντόμων και ακόμη να εξαγάγουν και να παραδώσουν έντομα (πχ δάκους) στις αρχές για επαλήθευση. Αυτή η διαδικασία είναι περίπλοκη, περιλαμβάνει μεγάλο αριθμό ανθρώπων που δεν έχουν πάντα τα προσόντα για να φέρουν εις πέρας την εργασία, αλλά το πιο σημαντικό, μπορούν εύκολα να παρακαμφθούν. Ως εκ τούτου, συχνά αναφέρεται μεγάλη οικονομική ζημία λόγω των εντόμων-προσβολέων και αυτό συνήθως αποδίδεται από τους ειδικούς εντομολόγους όχι στην αναποτελεσματικότητα του πρωτοκόλλου παρακολούθησης αλλά στην ευκαιριακή εφαρμογή του που συχνά οδηγεί σε μια εικασίαγια το πότε και από πού (χωρικές συντεταγμένες) να ξεκινήσει η διαδικασία αντιμετώπισης.Από διαχειριστική άποψη, υπάρχει επείγουσα ανάγκη να αυξηθεί η ροή πληροφοριών αναπτυγμένες σε μεγάλες περιοχές για μεγάλη χρονική διάρκεια από τις εντομολογικές παγίδες , κατευθείαν σε μια κεντρική υπηρεσία παρακολούθησης, καθώς και να οπτικοποιηθεί και να συνοψιστεί αυτή η ροή με στατιστικά αξιόπιστα αποτελέσματα. Για το σκοπό αυτό, η παρούσα διατριβή αναπτύσσει τεχνολογίες για τη βελτίωση, την επέκταση και την αυτοματοποίηση της παρακολούθησης σε μεγάλη κλίμακα των εντόμων οικονομικής και υγειονομικής σημασίας.Η ανάπτυξη αυτής της τεχνολογίας απαιτεί γνώσεις από διάφορους τομείς της επιστήμης όπως: ηλεκτρονικά χαμηλής κατανάλωσης, οπτο-ηλεκτρονική, επιστήμη δεδομένων, τεχνητή νοημοσύνη και εντομολογία. Αναπτύσσουμε νέους απλούς και πολυφασματικούς αισθητήρες (υλικό και λογισμικό μικροεπεξεργαστή) για να καταγράψουμε το φτερούγισμα των ιπτάμενων εντόμων. Η συχνότητα των φτερών και οι αρμονικές της συνδέονται με την ταυτότητα του είδους όπως η φωνή ενός ανθρώπου. Περιγράφουμε νέες τεχνικές οπτικής ανίχνευσης στις οποίες το φως που ανακλάται από τα φτερά ενός ιπτάμενου εντόμου και οι παραλλαγές της σκιάς του καταγράφονται από έναν αισθητήρα που εξάγει μια εγγραφή σε αρχείο ήχου. Κατασκευάζουμε νέους μετρητές μελισσών που είναι προσαρτημένοι σε κυψέλες και μετρούν την κίνηση των εισερχόμενων/εξερχομένων μελισσών.Στη συνέχεια, αναπτύξαμε έναν νέο τύπο αισθητήρα που τοποθετείται σε δέντρα και καταγράφει τα έντομα που μεταβολίζουν ή κινούνται μέσα στο δέντρο και στέλνει ασύρματα ηχογραφήσεις δόνησης (αρχεία ήχου .mp3) σε έναν απομακρυσμένο διακομιστή.Τέλος, εισάγουμε την ηλεκτρονική παγίδα funnel (e-funnel) αυτόματης παρακολούθησης για όλα τα είδη λεπιδόπτερων με γνωστή φερομόνη. Οι e-funnels φέρουν έναν οπτικό μετρητή που μετρά τις συλλήψεις λεπιδοπτέρων και σχηματίζουν δικό τους δίκτυο με χρήση της ασύρματης τεχνολογίας μεγάλης εμβέλειας LoRa. Το LoRa gateway συλλέγει και αναφέρει τα αποτελέσματα συλλογής μετρήσεων εντόμων, τοποθεσιών GPS, χρονικών σημάνσεων και θερμοκρασίας σε έναν διακομιστή νέφους.