基于双注意力语义分割网络的田间苗期玉米识别与分割

为实现复杂田间场景中幼苗期玉米和杂草的准确识别与区域划分,该研究提出改进的双注意力语义分割方法,通过获取形态边界实现玉米幼苗的识别与精细分割,在此基础上采用形态学处理方法识别图像中除玉米外的全部杂草区域。首先对6种当前最高性能的语义分割网络进行对比,确定模型原始架构;建立幼苗期玉米语义分割模型,包括改进深层主干网络增强特征,引入双注意力机制构建特征的场景语义依赖关系,以编码器-解码器结构组建模型并增加辅助网络优化底层特征,改进损失函数协调模型整体表现,制定改进的迁移学习策略;提出图像形态学处理方法,基于玉米像素分割结果,生成杂草分割图。测试结果表明,模型的平均交并比、平均像素识别准确率分别为94.16%和95.68%,相比于原网络分别提高1.47%和1.08%,识别分割速度可达15.9帧/s。该研究方法能够对复杂田间场景中的玉米和杂草进行准确识别与精细分割,在仅识别玉米的前提下识别杂草,有效减少图像标注量,避免田间杂草种类的多样性对识别精度的影响,解决玉米与杂草目标交叠在形态边界上难以分割的问题,研究结果可为智能除草装备提供参考。     

基于改进YOLOv8模型的轻量化板栗果实识别方法

为实现自然环境下的板栗果实目标快速识别，该研究以湖北省种植板栗为研究对象，提出了一种基于改进YOLOv8模型的栗果识别方法YOLOv8-PBi。首先，将部分卷积（partial convolution，PConv）引入C2f模块中，缩减卷积过程中的浮点数和计算量；其次，引入加权双向特征金字塔网络（bidirectional feature pyramid network，BiFPN），增强多尺度特征融合性能，最后，更改边界框损失函数为动态非单调聚焦机制WIoU（wise intersection over union，WIoU），提高模型收敛速度，进一步提升模型检测性能。试验结果表明，改进YOLOv8-PBi模型准确率、召回率和平均精度分别为89.4%、74.9%、84.2%；相比原始基础网络YOLOv8s，模型权重减小46.22%，准确率、召回率和平均精度分别提升1.3、1.5、1.8个百分点。部署模型至边缘嵌入式设备上，经过TensorRT加速后，检测帧率达到43 帧/s。该方法可为板栗智能化收获过程中的栗果识别提供技术基础。     

基于图像处理技术的红火蚁检测识别

对红火蚁（Solenopsis invicta Buren）进行准确检测是红火蚁巡检无人化首要解决的关键问题。该研究提出了一种基于图像处理技术的红火蚁检测识别方法。首先,将草坪环境下红火蚁蚁巢明度分量图像的背景区域进行压缩,并将压缩后的明度与色调差值图像与超绿模型分割提取的背景区域做差值融合,将其结果作为红火蚁蚁巢的检测识别模型。其次,在YOLOv5s算法的主干网络添加注意力机制,构建红火蚁昆虫图像的检测识别模型。最后,将采集到的红火蚁蚁巢图像与红火蚁昆虫图像分别在检测识别模型上进行对比测试。试验结果表明,草坪环境下采集的红火蚁蚁巢图像样本识别的IoU（Intersection over Union）最高可达96.87%,且IoU高于80%的样本占比81.67%;对红火蚁昆虫图像样本进行识别的平均检测速度可达48.53帧/s,精确率（Precision）可达91.50%,召回率（Recall）为89.28%,平均精度值（Average Precision）为95.40%,F1综合评价指标为90.38%,与原YOLOv5s算法相比有较大的提高。该技术方法对草坪环境红火蚁的智能化检测具有一定的可行性。     

基于注意力机制及多尺度特征融合的番茄叶片缺素图像分类方法

针对番茄早期缺素性状不明显及各生长期特征差异较大所导致的特征区域尺寸不一致、难提取、难辩别等问题，提出了一种基于注意力机制及多尺度特征融合卷积神经网络的番茄叶片缺素图像分类方法（Multi-Scale Feature Fusion Convolutional Neural Networks Based On Atte ntion Mechanism，MSFF-AM-CNNs）。首先根据番茄叶片缺素特点提出了多尺度特征融合结构（Multi-Scale Feature Fusion Module，MSFF Module）；其次在DenseNet基础上，结合浅层网络主要提取纹理、细节特征，深层网络主要提取轮廓、形状特征的特点分别提出具有针对性的特征提取方法，通过不同形式引入注意力机制及多尺度特征融合结构，使全局多尺度信息融合多个特征通道、选择性地强调信息特征并达到对特征精准定位的功能；同时引入Focal Loss函数以减少易分类样本的权重。试验结果表明，MSFF-AM-CNNs的平均召回率、平均F1得分、平均准确率较原模型DenseNet-121均大幅提升，其中缺氮和缺钾叶片的准确率分别提高了8.06和6.14个百分点，召回率分别提高了6.31和5.00个百分点，F1得分分别提高了7.25和5.55个百分点，平均识别准确率可达95.92%，具有较高的识别准确率及广泛的适用性，能够满足番茄叶片缺素图像的高精度分类需求，可为植物叶片缺素识别提供参考。     

基于支持向量机的玉米根茬行图像分割

玉米根茬行的准确识别是实现玉麦轮作机器视觉式小麦自动对行免耕播种技术的前提。针对华北一年两熟区联合收获机玉米留茬收获后根茬行较难准确分割的问题，该研究以直立玉米根茬为研究对象，提出一种基于支持向量机（Support Vector Machine，SVM）的玉米根茬行分割方法。首先，利用主成分分析（Principal Components Analysis，PCA）对提取的目标（直立根茬）与背景（行间秸秆及裸露地表）的颜色和纹理特征进行分析，优选出21个特征，构成特征向量作为训练直立根茬SVM识别模型的输入；然后，根据图像坐标设置图像中间包含完整玉米根茬行的矩形区域为感兴趣区域（Region of Interest，ROI）；最后，使用训练好的直立根茬SVM识别模型以25×25（像素）的窗口在ROI内滑动检测，采用阈值法分割根茬行并通过形态学处理优化得到最终的玉米根茬行二值图像。利用在农业农村部河北北部耕地保育农业科学观测实验站采集的100幅玉米根茬行图像进行试验，结果表明，本文方法对于不同行间秸秆覆盖量和不同光照条件下的根茬行分割表现出较好的准确性和鲁棒性，直立根茬平均识别准确率、平均分割准确率、平均召回率、平均分割准确率和平均召回率的加权调和平均值（F1avr值）分别为93.8%、93.72%、92.35%和93.03%，每幅图像的平均分割时间为0.06 s，具有较好的实时性。基于SVM的分割方法可实现联合收获机玉米留茬收获后根茬行图像的分割，为下一步检测玉米根茬行直线并将其作为导航基准线进行视觉导航的研究提供良好基础。     

基于深度学习与融合地形特征的黄土陷穴面向对象提取方法

黄土陷穴作为黄土高原地区一种特殊的地貌类型及地质灾害,其研究对指导黄土地区水土保持与工程建设工作具有重要意义。现阶段对陷穴的研究多基于传统野外调查,该方式成本高、效率低。为此,该研究开展面向对象与卷积神经网络（Convolutional Neural Networks,CNN）相结合的黄土陷穴自动化提取方法研究,并讨论融合地形特征对CNN模型提取精度的影响。研究选取黄土陷穴发育的典型区域,基于WorldView3遥感数据与ALOS高程数据,通过莫兰指数与灰度共生矩阵熵值确定影像的分割尺度,以面向对象的方式提取黄土陷穴的光谱、形状、纹理以及地形特征,制作融合地形特征与未融合地形特征的两类训练样本,进而训练两种CNN模型对同一区域内黄土陷穴进行提取,根据精确率、召回率以及F1分数评价模型的提取精度、分析对比两种CNN模型的提取结果,并建立支持向量机（Support Vector Machine,SVM）模型与CNN模型进行比较。研究结果表明,融合地形特征进行训练的CNN模型精确率达94.62%,召回率达86.27%、F1分数达90.26%,综合提取性能最好,相较于未融合地形特征训练的CNN模型,黄土陷穴的错分量大大减少,精确率提升18.10个百分点,F1分数提升9.15个百分点;两种CNN模型F1分数均达80%以上,比SVM模型分别高出6.94个百分点,16.09个百分点,提取结果均优于SVM模型;综上,融合地形特征的CNN模型可快速、精确地提取黄土陷穴,从而为黄土地区陷穴防治工作提供支持。     

基于有限样点和大尺度模型的区域土壤呼吸模型研究

预测森林土壤呼吸对研究陆地生态系统的碳循环和气候变化有重要意义,而不同尺度（全球、国家和区域）的预测模型作用不同。由于样点数量有限,区域尺度的土壤呼吸模型研究较少。本文提出一种区域建模的新思路:基于有限样点建立线性模型实现对大尺度森林土壤呼吸模型的预测值进行修正。结果表明,直接应用全球、全国尺度模型于广西和广东省,其精度相比原模型精度分别下降40%和53%。而基于两广内32个实测样点值,通过选取不同分区参数（森林类型、温度和降水）分别建立线性模型实现对两个大尺度模型的预测值进行修正,其中,降水分区参数得到的线性模型效果最好,使修正后的精度分别提高11% ~ 38%。因此,本文的建模方法可以解决区域内样点数量不足以建模的问题,较好的实现大尺度模型的区域化应用和优化,同时线性模型参数简单易于移植到其他的地区。     

改进Faster-RCNN自然环境下识别刺梨果实

为了实现自然环境下刺梨果实的快速准确识别,根据刺梨果实的特点,该文提出了一种基于改进的Faster RCNN刺梨果实识别方法。该文卷积神经网络采用双线性插值方法,选用FasterRCNN的交替优化训练方式(alternating optimization),将卷积神经网络中的感兴趣区域池化(ROI pooling)改进为感兴趣区域校准(ROI align)的区域特征聚集方式,使得检测结果中的目标矩形框更加精确。通过比较Faster RCNN框架下的VGG16、VGG_CNN_M1024以及ZF 3种网络模型训练的精度-召回率,最终选择VGG16网络模型,该网络模型对11类刺梨果实的识别精度分别为94.00%、90.85%、83.74%、98.55%、96.42%、98.43%、89.18%、90.61%、100.00%、88.47%和90.91%,平均识别精度为92.01%。通过对300幅自然环境下随机拍摄的未参与识别模型训练的刺梨果实图像进行检测,并选择以召回率、准确率以及F1值作为识别模型性能评价的3个指标。检测结果表明:改进算法训练出来的识别模型对刺梨果实的11种形态的召回率最低为81.40%,最高达96.93%;准确率最低为85.63%,最高达95.53%;F1值最低为87.50%,最高达94.99%。检测的平均速度能够达到0.2 s/幅。该文算法对自然条件下刺梨果实的识别具有较高的正确率和实时性。     

复杂环境下柿子和苹果绿色果实的优化SOLO分割算法

为了实现果园复杂环境下柿子和苹果绿色果实的精准分割,该研究提出了一种基于SOLO的绿色果实优化分割算法。首先,利用分离注意力网络（ResNeSt）设计SOLO算法的主干网络,用于提取绿色果实特征;其次,为更好地应对绿色果实特征的多尺度问题,引入特征金字塔网络（Feature Pyramid Networks,FPN）,构造ResNeSt+FPN组合结构;最后,将SOLO算法分为类别预测和掩码生成2个分支,类别预测分支在预测语义类别的同时,掩码生成分支实现了对绿色果实的实例分割。试验结果表明,优化SOLO分割算法的平均召回率和精确率分别达到94.84%和96.16%,平均每张绿色果实图像在图形处理器（Graphics Processing Unit,GPU）上的分割时间为0.14 s。通过对比试验可知,优化SOLO分割算法的召回率分别比优化掩膜区域卷积神经网络算法（Optimized Mask Region Convolutional Neural Network,Optimized Mask R-CNN）、SOLO算法、掩膜区域卷积神经网络算法（Mask Region Convolutional Neural Network,Mask R-CNN）和全卷积实例感知语义分割算法（Fully Convolutional Instance-aware Semantic Segmentation,FCIS）提高了1.63、1.74、2.23和6.52个百分点,精确率分别提高了1.10、1.47、2.61和6.75个百分点,分割时间缩短了0.06、0.04、0.11和0.13 s。该研究算法可为其他果蔬的果实分割提供理论借鉴,扩展果园测产和机器采摘的应用范围。     

利用边缘辅助分割网络提取稻虾共作养殖田

为确保稻虾共作的安全生产、社会供应以及政府政策的有效制定，须准确获取稻虾共作种植面积、空间分布及变化信息。现有稻虾养殖田提取方法以中分辨率时序影像为数据源，提取结果存在边界粗糙且噪声较多等问题。为获取精度高、边界规整的稻虾养殖田提取结果，该研究以高分辨率影像为数据源，提出一种基于边缘辅助任务的深度学习语义分割模型——edge assisted segmentation network（EASNet）。该模型首先将稻虾养殖田特有的边缘“虾沟”作为一种辅助信息在设计的边缘辅助模块单独分割，然后将该模块的输出与主任务分割模块输出进行融合，使主任务既增强了稻虾养殖田边界结构信息，又能学习到稻虾养殖田特有的空间及语义信息。试验结果表明，在边缘辅助模块的增强下，稻虾养殖田分割结果更完整，边界更清晰，其语义精度的交并比和边界精度的F1分数分别提升了1.5%、5.8%。整体语义精度的召回率、交并比、F1分数分别达到0.970、0.964、0.930，边界精度的召回率、F1分数达到0.864、0.859，松弛边界精度的召回率、F1分数达到0.876、0.913。将训练好的EASNet模型应用到盱眙县全域，得到2020年盱眙县稻虾养殖田空间分布图，在与传统的水体季相差异法、随机森林方法提取的稻虾养殖田结果的对比中，该方法取得了总体精确度为96.71%及Kappa系数为0.934的最优结果，为基于深度学习的稻虾养殖田提取方面的应用提供参考。     

基于改进YOLOv7的苹果生长状态及姿态识别

针对目前苹果在复杂环境下难以进行生长状态分类识别、姿态信息同步获取等问题,该研究提出了一种基于改进YOLOv7的苹果生长状态分类和果实姿态融合识别方法。首先改进多尺度特征融合网络,在骨干网络中增加160×160的特征尺度层,用于增强模型对微小局部特征的识别敏感度;其次引入注意力机制CBAM(convolutional block attention module),改善网络对输入图片的感兴趣目标区域的关注度;最后采用Soft-NMS算法,能够有效避免高密度重叠目标被一次抑制从而发生漏检现象。此外,结合UNet分割网络和最小外接圆及矩形特征获取未遮挡苹果姿态。试验结果表明,改进YOLOv7的识别精确率、召回率和平均识别精度分别为86.9%、80.5%和87.1%,相比原始YOLOv7模型分别提高了4.2、2.2和3.7个百分点,另外苹果姿态检测方法的准确率为94%。该文模型能够实现苹果生长状态分类及果实姿态识别,可为末端执行器提供了抓取方向,以期为苹果无损高效的采摘奠定基础。     

基于通道特征金字塔的田间葡萄实时语义分割方法

复杂环境下葡萄的快速检测识别是智能采摘的关键步骤,为解决目前葡萄识别精度低和实时性差的问题,该研究提出一种轻量级葡萄实时语义分割模型（Grape Real-time Semantic Segmentation Model,GRSM）。首先,利用通道特征金字塔（Channel-wise Feature Pyramid,CFP）模块进行特征提取,该模块通过1?3和3?1空洞卷积的跳跃连接,在减少模型参数量的同时提取葡萄图像的多尺度特征和上下文信息;然后,采用池化卷积融合结构完成下采样,增加可训练参数以减少信息损失;最后,利用跳跃连接融合多种特征恢复图像细节。试验结果表明：该研究所提出的模型在田间葡萄测试集上达到了78.8%的平均交并比,平均像素准确率为90.3%,处理速度达到68.56帧/s,网络结构大小仅为4.88MB。该模型具有较高分割识别精度和较好实时性,能满足葡萄采摘机器人对视觉识别系统的要求,为葡萄的智能化采摘提供了理论基础。     

田间道路改进UNet分割方法

为了保证自动驾驶农机的安全行驶,需要对农田间道路进行高精度识别。该研究以北京市大兴区榆垡镇为研究地点,构建了农田间道路图像数据集,使用开源标注工具Labelme软件进行图像标注,以UNet为基本网络结构,针对分割过程中存在的道路边缘和远处道路分割效果较差等现象,提出了3个改进方向:在编码器网络中添加残差连接,增加网络复杂度;使用池化卷积融合结构完成下采样,增加可训练参数以减少信息损失。试验结果表明,使用ACBlock(Asymmetric Convolution Block,ACBlock)和DACBlock(Dilated Asymmetric Convolution Block, DACBlock)替换UNet中的卷积核,增加了卷积核"骨架"结构的权重和卷积核的感受野,提高了远处道路及道路边缘的分割效果,农田间道路分割的交并比值为85.03%,相较于原UNet提高了6.52个百分点,且高于ResUNet、UNet3+等网络。农机行驶速度在20 km/h左右,该研究网络对于1280×720像素大小的图片平均推理时间为163 ms,符合农机自动驾驶时间复杂度要求。该研究提高了自动驾驶农机对农田间道路的感知能力,为安全行驶提供了信息支持。     

基于改进BlendMask模型的苹果识别与定位方法

针对实际自然环境中果实被遮挡、环境光线变化等干扰因素以及传统视觉方法难以准确分割出农作物轮廓等问题,该研究以苹果为试验对象,提出一种基于改进BlendMask模型的实例分割与定位方法。该研究通过引入高分辨率网络HRNet（High-Resolution Net）,缓解了特征图在深层网络中分辨率下降的问题,同时,在融合掩码层中引入卷积注意力机制CBAM（convolutional block attention module）,提高了实例掩码的质量,进而提升实例分割质量。该研究设计了一个高效抽取实例表面点云的算法,将实例掩码与深度图匹配以获取苹果目标实例的三维表面点云,并通过均匀下采样与统计滤波算法去除点云中的切向与离群噪声,再运用球体方程线性化形式的最小二乘法估计苹果在三维空间中的中心坐标,实现了苹果的中心定位。试验结果表明改进BlendMask的平均分割精度为96.65%,检测速度34.51帧/s,相较于原始BlendMask模型,准确率、召回率与平均精度分别提升5.48、1.25与6.59个百分点;相较于分割模型SparseInst、FastInst与PatchDCT,该模型的平均精度小幅落后,检测速度分别提升6.11、3.84与20.08帧/s,该研究为苹果采摘机器人的视觉系统提供技术参考。     

基于RGB和深度双模态的温室番茄图像语义分割模型

图像语义分割作为计算机视觉领域的重要技术，已经被广泛用于设施环境下的植物表型检测、机器人采摘、设施场景解析等领域。由于温室环境下未成熟番茄果实与其茎叶之间具有相似颜色，会导致图像分割精度不高等问题。本研究提出一种基于混合Transformer编码器的“RGB+深度”（RGBD）双模态语义分割模型DFST（depth-fusion semantic transformer），试验在真实温室光照情况下获得深度图像，对深度图像做HHA编码并结合彩色图像输入模型进行训练，经过HHA编码的深度图像可以作为一种辅助模态与RGB图像进行融合并进行特征提取，利用轻量化的多层感知机解码器对特征图进行解码，最终实现图像分割。试验结果表明，DFST模型在测试集的平均交并比可达96.99%，对比不引入深度图像的模型，其平均交并比提高了1.37个百分点；对比使用卷积神经网络作为特征提取主干网络的RGBD语义分割模型，其平均交并比提高了2.43个百分点。结果证明，深度信息有助于提高彩色图像的语义分割精度，可以明显提高复杂场景语义分割的准确性和鲁棒性，同时也证明了Transformer结构作为特征提取网络在图像语义分割中也表现出了良好的性能，可为温室环境下的番茄图像语义分割任务提供解决方案和技术支持。     

基于改进HRNet的遥感影像冬小麦语义分割方法

冬小麦在影像中呈现田块碎小且分布零散等空间特征,同时影像包含的复杂地物对冬小麦识别造成干扰,易出现识别精度低且边界分割模糊等问题。为及时准确获取大范围冬小麦空间分布信息,该研究以高分二号卫星影像作为数据源,提出一种CAHRNet(change attention high-resolution Net)语义分割模型。采用HRNet(high-resolution Net)替换ResNet作为模型的主干网络,网络的并行交互方式易获取高分辨率的特征信息;联合OCR(object-contextual representations)模块聚合上下文信息,以增强像素点与目标对象区域的关联性;3）引入坐标注意力（coordinate attention）机制,使网络模型充分利用有效的空间位置信息,以保留分割区域的边缘细节,提高对分布零散、形状多变的冬小麦田块的特征提取能力。试验结果表明,在自制的高分辨率遥感数据集上,CAHRNet模型的平均交并比（mean intersection over union,MIoU）和像素准确率（pixel accuracy, PA）分别达到81.72%和97.0...     

基于RCH-UNet的新疆密植棉花图像快速分割及产量预测

针对复杂棉田环境下传统图像分割技术存在分割精度低、实时性弱和鲁棒性差等问题,该研究以脱叶期新疆密植棉花为对象,结合低空无人机遥感平台,提出一种RCH-UNet（resnet coordinate hardswish UNet）棉花产量快速预测模型。将UNet中传统的CBR（convolution batch normalization ReLU）下采样模块替换为ResNet50,同时将CA（coordinateattention）注意力机制和hardswish激活函数引入UNet,以提高图像特征的提取能力,增强图像分割效果。基于无人机采集的棉花图像数据集评估RCH-UNet模型性能。试验结果表明,在本文构建的棉花图像数据集上,RCH-UNet模型的棉花分割交并比达到92.79%,像素准确率达到96.22%,精确率为96.30%,与原始U-Net、PSPNet和DeepLabv3相比,像素准确率分别提高了9.85、17.67、6.31个百分点。通过RCH-UNet提取棉花像素比和灰度共生矩阵提取纹理特征,结合岭回归分析构建多因素棉花产量预测模型,模型的R²为0.92,预测产量与实际产量平均绝对百分比误差为9.254%。研究结果可为新疆密植棉花产量预测提供技术支持。     

基于自生成标签的玉米苗期图像实例分割

在植物图像实例分割任务中，由于植物种类与形态的多样性，采用全监督学习时人们很难获得足量、有效且低成本的训练样本。为解决这一问题，该研究提出一种基于自生成标签的玉米苗期图像实例分割网络（automatic labelling based instance segmentation network，AutoLNet），在弱监督实例分割模型的基础上加入标签自生成模块，利用颜色空间转换、轮廓跟踪和最小外接矩形在玉米苗期图像（俯视图）中生成目标边界框（弱标签），利用弱标签代替人工标签参与网络训练，在无人工标签条件下实现玉米苗期图像实例分割。试验结果表明，自生成标签与人工标签的距离交并比和余弦相似度分别达到95.23%和94.10%，标签质量可以满足弱监督训练要求；AutoLNet输出预测框和掩膜的平均精度分别达到68.69%和35.07%，与人工标签质量相比，预测框与掩膜的平均精度分别提高了10.83和3.42个百分点，与弱监督模型（DiscoBox和Box2Mask）相比，预测框平均精度分别提高了11.28和8.79个百分点，掩膜平均精度分别提高了12.75和10.72个百分点；与全监督模型（CondInst和Mask R-CNN）相比，AutoLNet的预测框平均精度和掩膜平均精度可以达到CondInst模型的94.32%和83.14%，比Mask R-CNN模型的预测框和掩膜平均精度分别高7.54和3.28个百分点。AutoLNet可以利用标签自生成模块自动获得图像中玉米植株标签，在无人工标签的前提下实现玉米苗期图像的实例分割，可为大田环境下的玉米苗期图像实例分割任务提供解决方案和技术支持。     

基于多尺度串联空洞卷积的轻量化UNet香蕉图像分割

针对香蕉果串识别系统中传统的UNet网络存在实时性差、参数量多、下采样后丢失空间信息等问题,该研究提出基于UNet模型的轻量化分割网络,构造一个轻量级的主干特征提取模块,在降低模型参数量和计算量的同时增强网络提取特征的能力,使用膨胀率为[2,1,2]锯齿波形的多尺度串联空洞卷积组合在增大感受野的同时保持对细节的敏感度。该研究算法在自建香蕉果串数据集上的试验结果表明,网络参数量为0.45 M时,香蕉果串识别分割速度可达41.0帧/s,平均像素分类准确率为97.32%、交并比为92.57%。相比于其他模型具有准确率高、参数量小等优点,能够较好地实现精度和速度的均衡。该算法对自然种植环境下的香蕉果串具有良好的识别效果,可为智能化香蕉采摘等应用提供视觉识别技术支持。