Entomological Lidar: Target Characterization and Field Applications

Forskningsoutput: AvhandlingDoktorsavhandling (sammanläggning)

Abstract

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.

Detaljer

Författare
Enheter & grupper
Forskningsområden

Ämnesklassifikation (UKÄ) – OBLIGATORISK

  • Annan fysik

Nyckelord

Originalspråkengelska
KvalifikationDoktor
Handledare/Biträdande handledare
Tilldelningsdatum2020 feb 14
UtgivningsortLund
Förlag
  • Department of Physics, Lund University
Tryckta ISBN978-91-7895-418-6
Elektroniska ISBN978-91-7895-419-3
StatusPublished - 2020 jan 21
PublikationskategoriForskning

Nedladdningar

Ingen tillgänglig data

Relaterad forskningsoutput

Mikkel Brydegaard Sorensen & Samuel Jansson, 2019 nov 28, The Journal of Engineering. Institution of Engineering and Technology

Forskningsoutput: Kapitel i bok/rapport/Conference proceedingKonferenspaper i proceeding

Samuel Jansson, Gebru, A., Ignell, R., Jessica Abbott & Mikkel Brydegaard, 2019 okt 7, Novel Biophotonics Techniques and Applications V. Amelink, A. & Nadkarni, S. K. (red.). SPIE, Vol. 11075. 8 s. 110750Q. (Progress in Biomedical Optics and Imaging - Proceedings of SPIE; vol. 20, nr. 60).

Forskningsoutput: Kapitel i bok/rapport/Conference proceedingKonferenspaper i proceeding

Samuel Jansson, Atkinson, P., Ignell, R. & Mikkel Brydegaard, 2019 jan, I : IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 25, 1, s. 1-8

Forskningsoutput: TidskriftsbidragArtikel i vetenskaplig tidskrift

Visa alla (10)