林业科学

作者：刘璇昕1,4,孙钰1,2,崔剑2,蒋琦3,陈志泊1,4,*,骆有庆3

单位：1. 北京林业大学信息学院 北京 1000832. 北京航空航天大学网络空间安全学院 北京 1001913. 北京林业大学林学院 北京 1000834. 国家林业和草原局林业智能信息处理工程技术研究中心 北京 100083

关键词：蛀干害虫,取食声音,卷积神经网络,早期识别,抗噪性

基金：北京林业大学建设世界一流学科和特色发展引导专项资金(2019XKJS0310);北京市科技计划"北京生态公益林重大有害生物防控关键技术"(Z191100008519004);国家重点研发计划"人工林重大灾害防控关键技术研究"(2018YFD0600200)

目的: 以双条杉天牛为研究对象，设计基于卷积神经网络的识别模型识别其取食声，并对模型的抗噪性能进行测试，以期实现蛀干害虫的早期预警。方法: 使用SP-1 L探头连接NI 9215电压采集卡采集双条杉天牛咬食木段的声音和典型户外环境下的噪声并以音频格式保存。研究选取部分噪声作为加噪音频，以-3 dB至3 dB的信噪比向双条杉天牛取食声中混入环境噪声，生成训练数据和简单测试集，然后经过短时傅里叶变换、对数计算、平均池化3步操作计算音频的平均对数谱，分别设计并训练基于卷积神经网络的识别模型和传统高斯混合模型，提取音频特征判断音频是否为双条杉天牛取食声。为进一步测试模型的抗噪性能，利用独立划分的加噪音频以-7~3 dB的信噪比向双条杉天牛取食声中混入噪声生成抗噪测试集，对卷积神经网络和传统高斯混合模型的抗噪性能进行测试。结果: 在简单测试集上，基于卷积神经网络的识别模型的识别准确率为98.80%，较高斯混合模型有0.88%的下降。在抗噪测试集上，基于卷积神经网络的识别模型识别双条杉天牛取食声的整体准确率为97.37%，较高斯混合模型提高6.76%，其中，信噪比为-3 dB时，识别准确率为98.13%，较高斯混合模型提高9.80%，信噪比为-6 dB时，识别准确率为92.13%，较高斯混合模型提高5.67%。结论: 卷积神经网络能有效综合频谱特征，准确判断音频中有无双条杉天牛的取食声，同时，相比高斯混合模型，卷积神经网络具有良好的泛化能力，在低信噪比下仍能保证较高的识别准确率。基于卷积神经网络的取食声识别模型能够适应林木蛀干害虫的野外监测环境，可为隐蔽蛀干害虫的自动化监测和早期预警提供技术支撑。

来源：2021年第10期

《林业科学》期刊编辑部

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