Entomological Lidar : Target Characterization and Field Applications

Abstract

This thesis treats entomological lidar from various angles: laboratory reference work on insects of interest, methodological development of lidar- and data processing methods, as well as field implementations of lidar techniques for entomological research. Insects are crucial components of ecosystems and are currently in a global decline. In this thesis, insects are mainly studied in their roles as disease vectors and food sources for vertebrates. However, several other feasible application avenues of entomological lidar exist and are touched upon briefly. Entomological lidar is an optical remote sensing technique in which the light scattered by insects is recorded by a sensor and the distance to each insect is derived. In classical lidar, ranging is achieved through time-of-flight detection. In this thesis the Scheimpflug- and passive lidar methods have been used, in which ranging is achieved through triangulation and geometrical optics.

In the laboratory reference work, the light-scattering properties of insects were investigated. Considerable effort has been put into the study of ex-vivo and in-vivo malaria mosquitoes in search of optical properties that may enable remote species classification. These species otherwise require capture and microscope analysis by an expert to distinguish. Dragonflies have the narrowest spectral bands so far observed in nature. In this PhD work, their scattering properties were investigated and give hints regarding possible uses of these narrow bands.

Methodological development has been pursued for improvement and optimization of instrumentation through simulation and laboratory reference measurements. Hyperspectral images of insects were used to motivate laser wavelength selection based on signal strength, information yield and laser availability. Raytracing was used to devise a passive lidar scheme and to optimise the geometry of Scheimpflug lidars. Data processing techniques for robust and accurate calibration of sizes, wing-beat frequencies with associated modulation spectra, flight headings and dispersal of insects in lidar data were developed.

Entomological lidar techniques were applied in a number of field settings around the world. In Sweden, insect swarms at the nacelle of a wind farm were observed post sunset in weather conditions associated with high bat mortality through collision with wind farms. In China, increased insect activity was observed at the onset of heavy rain. The main crepuscular activity peak of insects was observed in the short time window with decreased predation pressure around sunset, when neither birds nor bats were active. In Africa, an extra activity peak was observed at noon among mosquitoes and other crepuscular insects during a solar eclipse. Male mosquito mating swarms were observed with consistent timing and location each day, and a highly directional dispersal of mosquitoes into a village was observed every evening.

In this thesis work, peak numbers of more than a thousand insects per minute have been observed, resolved temporally and spatially at μs and cm scales, respectively, which is inconceivable with conventional entomological methods. Laboratory reference work and methodological development allow the quantification and classification of insect signals in-situ. Thereby, questions of significant ecological importance could be answered.

Abstract (Swedish)

Sin ringa storlek till trots har insekter enorm inverkan på vårt samhälle och våra liv. Bin, som är centrala för att vårt jordbruk ska fungera, har minskat drastiskt i antal de senaste åren. En utbredd bidöd skulle i bästa fall tvinga oss lägga om vår kosthållning markant, och i värsta fall leda till svält. Utöver detta skulle växter som är beroende av bin för sin fortplantning och djur som äter bin löpa stor risk att dö ut. Skadedjur har stor ekonomisk inverkan på jord- och skogsbruk. En stor del av skörden förloras varje år, och majoriteten av alla träd som dör gör det på grund av skadedjur. Insekter sprider även en mängd sjukdomar, i vissa fall med dödligt utfall. Myggan är det mest mordiska djuret på vår planet, och ligger bakom uppemot en miljon dödsfall per år. Fattiga barn på landsbygden i Afrika är den mest utsatta gruppen. Konventionella metoder för att studera insekter inbegriper i många fall att de fångas in med hjälp av olika typer av fällor. Sådana metoder kan ge väldigt bra information om de infångade insekterna, men är arbetskrävande och fångar ett relativt lågt antal insekter. De kan även ge snedvridna resultat på grund av så kallad bias, vilket innebär att den erhållna informationen är inte nödvändigtvis representativ för de insekter som ej fångats in, eller för populationen som helhet. Utöver detta kan metoderna inte mäta exempelvis flygaktivitet, flygriktning och spridning av insekter.

Optiska metoder har under flera decennier tillämpats inom medicin, i fältet biofotonik. Molekyler i biologisk vävnad, såsom melanin och vatten, har olika optiska egenskaper, vilka i stor utsträckning är kända. Optisk fjärranalys är, liksom biofotonik, ett väl etablerat forskningsområde inom vilket gaser och partiklar i atmosfären studeras med hjälp av laserljus. I detta avhandlingsarbete kombineras biofotonik och optisk fjärranalys, och teori och metoder från båda fälten används för att studera insekter på avstånd.

Aktiva metoder (med laserljus) och passiva metoder (med solljus) har utvecklats för att detektera insekter i realtid på flera hundra meters avstånd. För varje observerad insekt beräknas storheter som vingslagsfrekvens med modulationsspektrum, storlek, flyghastighet och flygriktning. Dessa parametrar har sedan använts för att klassificera insekter. När två laserstrålar med olika våglängd används kan vatten- och melaninhalten i en insekt beräknas, och när två laserstrålar med olika polarisation används kan mikrostrukturer undersökas. Utöver dessa fältmetoder har ett flertal laboratoriesystem konstruerats för att undersöka specifika arters optiska egenskaper under kontrollerade former. Dessa referensmätningar kan sedan användas för att identifiera de undersökta arterna i fält, så att deras beteende kan studeras. Jämfört med konventionella metoder kan långt fler insekter observeras, mätt i tusental per minut. Utöver detta har de utvecklade metoderna avsevärt högre rums- och tidsupplösning, och möjliggör studier av insekters aktivitet och rörelsemönster på helt ny detaljnivå.

Inom ramen för min forskarutbildning har jag använt dessa metoder för att studera insekter i olika sammanhang. Jag har studerat ett flertal insekter i laboratorium, både för att förstå deras optiska egenskaper från ett fysikaliskt perspektiv och för att ta fram referensinformation till fältstudier. Jag har utvecklat mätmetoder och signalbehandlingsmetoder för att klassificera och kartlägga insekter i det fria. Jag har studerat insekter som föda till större djur, såsom fåglar och fladdermöss, för att förstå dynamiken och interaktionen som ligger bakom deras beteende. Slutligen har jag studerat malariamyggor i laboratorium och fält, och kartlagt deras rörelsemönster flera dagar i sträck. Därmed framkom att hanmyggor svärmar på specifika platser vid exakt samma tidpunkt varje kväll, och att honmyggor konsekvent flyger in till befolkade områden i jakt på blod i samband med solnedgången.

Mät- och analysmetoderna har nu nått en brytpunkt där de kan appliceras på faktiska biologiska frågeställningar. I samband med att tekniken och kompetensen sprids, och att förståelsen för insekters optiska egenskaper ökar, finns det möjligheter att rädda människoliv genom kartläggning av smittobärande insekter, att bekämpa skadedjur mer effektivt för att reducera användandet av pesticider, och att förbättra förståelsen för ekosystemen runt omkring oss och deras växelverkan med vårt samhälle.

• author: Jansson, Samuel
• supervisor: Mikkel Brydegaard Sorensen; Joakim Bood
• opponent: Ass. Prof. Thomas, Benjamin P., New Jersey Institute of Technology, USA.
• organization: Combustion Physics
• alternative title: Entomologisk Lidar
• publishing date: 2020-01-21
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Other Physics Topics
• keywords: Lidar, Laser radar, Scheimpflug lidar, Entomological lidar
• pages: 297 pages
• defense location: Lecture hall Rydbergssalen, Fysicum, Professorsgatan 1, Faculty of Engineering LTH, Lund University, Lund.
• defense date: 2020-02-14 09:15:00
• ISBN: 978-91-7895-418-6
• ISBN: 978-91-7895-419-3
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 0a1b0d54-552d-4a3f-805a-c848932d1de2
• date added to LUP: 2020-01-20 11:25:27
• date last changed: 2023-05-05 11:26:29