基于改进Yolov5植物病害检测算法研究

苹果和番茄是日常生活非常常见的果蔬,准确地识别病害能够提升作物产量,减少经济损失。针对现有的植物病害检测方法不能准确且快速地检测植物叶片中病害区域的问题,设计一种基于改进Yolov5的深度学习方法,用于检测苹果、番茄叶片常见病害。通过数据增强和图像标注技术构建苹果、番茄叶片病害数据集,利用K-means算法对初始锚框进行调整,在此基础上使用复合主干网增强Yolov5主干网对病害特征的提取能力,使用Varifocal Loss函数提高对密集感染区域的识别精度。试验结果表明：改进后的Yolov5病害检测算法mAP达到95.7%,在原来Yolov5模型基础上mAP提升1.7%,平均检测一张图像耗时0.033 s,为苹果、番茄叶片病害检测提供一种高性能的解决方案,能够以较高的准确率对植物叶片病害进行分类与定位。     

基于迁移学习与卷积神经网络的玉米植株病害识别

大数据背景下产生了海量图像数据,传统的图像识别方法识别玉米植株病害准确率较低,已远远不能满足需求。卷积神经网络作为深度学习中的常用算法被广泛用于处理机器视觉问题,能自动识别和提取图像特征。因此,本研究提出一种基于数据增强与迁移学习相结合的卷积神经网络识别玉米植株病害模型。该算法首先通过数据增强方法增加数据,以提高模型的泛化性和准确率;再构建基于迁移学习的卷积神经网络模型,引入该模型的训练方式,提取病害图片特征,加速卷积神经网络的训练过程,降低网络的过拟合程度;最后将该模型运用到从农田采集的玉米病害图片,进行玉米病害的精确识别。识别试验结果表明：使用数据增强与迁移学习的卷积神经网络优化算法对玉米主要病害（玉米大斑病、小斑病、灰斑病、黑穗病及瘤黑粉病）的平均识别准确度达96.6%,和单一的卷积神经网络相比,精度提高了25.6%,处理每张图片时间为0.28s,比传统神经网络缩短了将近10倍。本算法的精确度和训练速度上比传统卷积神经网络有明显提高,为玉米等农作物植株病害的识别提供了新方法。     

基于GoogLeNet改进模型的苹果叶病诊断系统设计

针对苹果病害自动识别精度低、高延迟问题,以苹果锈病和斑点落叶病作为研究对象,基于卷积神经网络建立苹果病害诊断系统。采用旋转、锐化、模糊等数据增强方法扩展数据集,使用数据标准化方法优化模型的数据输入,在算法模型上,在GooLeNet模型的基础上减少inception模块上的数量,并优化模型前段的网络结构以捕获更多的特征信息,最后系统依据建立的算法模型和Tornado框架构建病害识别网络视图。试验结果表明:GoogLeNet改进模型的精准率提高2.1%,达到98.4%,模型参数仅为原模型的17.5%,实现苹果病害实时、便利的图像自动识别,为苹果病害防治防控提供可靠的参考依据。     

基于改进轻量级卷积神经网络MobileNetV3的番茄叶片病害识别

番茄病害的及时检测可有效提升番茄的质量和产量.为实现番茄病害的实时无损伤检测,本研究提出了一种基于改进MobileNetV3的番茄叶片病害分类识别方法.首先选择轻量级卷积神经网络Mobile?NetV3,在Image Net数据集上进行预训练,将预训练得到的共享参数迁移到对番茄叶片病害识别的模型上并做微调处理.采用相同...     

基于BIGRU的番茄病虫害问答系统问句分类研究

问句分类作为问答系统的关键模块,对系统检索效率具有决定性作用。为了对番茄病虫害智能问答系统用户问句进行高效分类,构建了基于word2vec和双向门控循环单元神经网络(Bi-directional gated recurrent unit,BIGRU)的番茄病虫害问句分类模型。针对问答系统对用户问句的语义信息有较高要求的特点,首先利用word2vec将句子中的词转换为具有语法、语义信息的词向量,利用训练得到的词向量和BIGRU神经网络进行问句分类模型的训练。实验选取了2 000个番茄病虫害相关的用户问句,主要分为番茄病害和番茄虫害两类。结果表明,采用BIGRU的番茄病虫害问句分类模型,其分类准确率、召回率和准确率与召回率的调和平均值F1分别高于卷积神经网络(CNN)、K最近邻等分类算法2~5个百分点。BIGRU模型结构简单,模型训练参数较少,模型训练速度快,符合问答系统对响应时间的要求。     

基于残差网络的自然环境中刺梨果实的识别

针对传统的目标检测方法依赖人工提取特征,存在检测效率低、鲁棒性差和实时性差等缺陷。本文根据刺梨果实在自然环境中的生长特点,采用带有残差模块的YOLO v3神经网络进行刺梨果实识别模型的训练,该网络通过提取不同卷积层的特征图,将深层特征图进行上采样后与浅层特征图进行多次融合,以提取图像的更深层次的特征信息。通过对该网络的相关参数进行优化和改进,并对未参与模型训练的70幅刺梨图像进行检测,实验表明,本文算法能够有效地对自然环境下的11类刺梨果实进行识别,各类识别平均准确率为88.5%,平均召回率为91.5%,F_1平均值为89.9%,识别速率约为20 f/s。本文算法在刺梨果实的识别上取得了理想的识别效果。     

基于注意力机制与EfficientNet的轻量化水稻病害识别方法

为实现水稻病害图像的快速、准确识别,提出一种基于注意力机制与EfficientNet的轻量化水稻病害识别方法。该方法首先引入轻量级卷积注意力模块(Convolutional Block Attention Module,CBAM)改进Efficientnet-B0中的主体模块轻量翻转瓶颈卷积核(Mobile Inverted Bottleneck Convolution,MBConv),然后利用Ghost模块优化网络中的卷积层,降低网络的参数量和计算量,最后使用Adam优化算法提高网络的收敛速度。在由572幅水稻白叶枯病、稻粒黑粉病、稻曲病、稻胡麻斑病和健康叶片5类水稻图像构成的测试集上,本文所提方法的识别准确率为95.63%,较EfficientNet-B0提高1.75%;分别比同类经典神经网络VGG16、Inception-V3、ResNet101和DenseNet201提高8.39%、4.72%、3.67%和1.05%。本文所提方法模型参数量为4.4 M,较EfficientNet-B0减少2.8 M;相比于对照网络,其参数量仅是这些网络模型参数量的9.05%、18.37%、9.81%和21.64%。试验结果表明：本文所提方法能够实现对不同水稻病害图像的准确、快速识别,而且识别模型轻量,具有较少的网络参数量。     

基于选择性注意力神经网络的木薯叶病害检测算法

为了实现在复杂非结构环境下对木薯叶4种主要病害的高精度检测,提出一种基于选择性注意力机制的木薯叶病害神经网络检测改进算法MAISNet (Multiattention IBN Squareplus neural network)。以V2-ResNet-101为基础网络,先使用多重注意力算法优化加权系数,调整特征通道的语义表达,在特征图中初步构建显著性特征;然后在残差单元之后采用实例批归一化方法来抑制特征表达中的协变量偏移,在特征图中构建出显著性语义特征,实现高质量语义特征表达;最后在残差分支中采用Squareplus激活函数替代ReLU激活函数,保持语义特征在负数域的数值分布,减少特征拟合过程中的截断误差。对比试验结果显示,经过上述改进后构建出的MAISNet-101神经网络,对4种常见木薯叶病害检测的平均准确率达到95.39%,明显优于目前主流算法EfficientNet-B5和RepVGG-B3g4等。网络提取特征的可视化分析结果表明,高质量木薯叶病害显著性语义特征,是提高木薯叶病害检测准确率的关键。所提出的MAISNet神经网络模型可以完成实际场景下木薯叶病害高精度检测。     

基于可变形全卷积神经网络的冬小麦自动解译研究

以高分二号遥感影像为研究对象进行冬小麦多元特征的提取,在U-Net模型基础上进行改进,将一种可变形全卷积神经网络(DFCNN)模型引入到遥感影像自动解译领域。为提高网络模型对几何变化特征的提取能力,引入可变形卷积的思想,将可训练的二维偏移量加入到网络中的每个卷积层前,使卷积产生形变,并获得对象级语义信息,从而增强了模型对不同尺寸及空间分布的冬小麦特征的表达。使用DFCNN模型对数据集进行训练及微调,得到最优的网络模型,其像素精度为98.1%,解译时间为0.630 s。采用FCNN模型、U-Net模型及RF算法得到的冬小麦自动解译像素精度分别为89.3%、93.9%、90.0%,说明基于DFCNN模型的冬小麦自动解译精度相对较高,且对复杂的几何变化特征有较好的表达,具有较好的泛化能力。     

基于改进YOLO v5的夜间温室番茄果实快速识别

为实现日光温室夜间环境下采摘机器人正常工作以及番茄快速识别,提出一种基于改进YOLO v5的夜间番茄果实的识别方法。采集夜间环境下番茄图像2 000幅作为训练样本,通过建立一种基于交并比的CIOU目标位置损失函数,对原损失函数进行改进,根据计算函数anchor生成自适应锚定框,确定最佳锚定框尺寸,构建改进型YOLO v5网络模型。试验结果表明,改进YOLO v5网络模型对夜间环境下番茄绿色果实识别精度、红色果实识别精度、综合平均识别精度分别为96.2%、97.6%和96.8%,对比CNN卷积网络模型及YOLO v5模型,提高了被遮挡特征物与暗光下特征物的识别精度,改善了模型鲁棒性。将改进YOLO v5网络模型通过编译将训练结果写入安卓系统制作快速检测应用软件,验证了模型对夜间环境下番茄果实识别的可靠性与准确性,可为番茄实时检测系统的相关研究提供参考。     

基于改进SOLO v2的番茄叶部病害检测方法

为实现对多种番茄叶部病害的精确检测,提出了一种基于改进SOLO v2的番茄叶部病害实例分割方法。该方法以SOLO v2模型为主体框架,将ResNet-101作为骨干网络融合特征金字塔网络（Feature pyramid networks,FPN）,引入可变形卷积对卷积结构进行优化,并将损失因子δ融入掩膜损失函数中,在语义分支与掩膜分支上对实例进行检测与分割。通过对模型的改进,实现了对形状复杂多变的番茄叶片的精确检测与分割,并提升了模型的泛化能力与鲁棒性。基于Plant Village数据集的试验结果表明,ResNet-101比ResNet-50在SOLO v2上的性能表现更好。在相同骨干网络下,SOLO v2模型的单幅图像处理时间比Mask R-CNN减少了72.0%,平均精度均值（Mean average precision,mAP）提升了3.2个百分点,改进后的模型在训练过程中收敛效果有所提升,受叶片形状多变的影响较小,最终的平均精度均值达到了42.3%,单幅图像处理时间仅需0.083s,在提升检测精度的同时保证了运行的实时性。该研究较好地解决了番茄病叶识别与分割难的问题,为农业自动化生产中番茄疾病情况与症状分析提供了参考。     

基于卷积神经网络的无人机遥感农作物分类

针对采用长时间序列卫星影像、结合物候特征进行农作物精细分类识别精度较低的问题,将深度学习用于无人机遥感农作物识别,提出一种基于卷积神经网络的农作物精细分类方法,利用卷积神经网络提取高分辨率遥感影像中的农作物特征,通过调整网络参数及样本光谱组合,进一步优化网络结构,得到农作物识别模型。研究结果表明：卷积神经网络能够有效地提取影像中的农作物信息,实现农作物精细分类。除地块边缘因农作物种植稀疏、混杂而产生少许错分现象外,其他区域均得到较好的分类效果。经训练优化后的模型对3种农作物总体分类精度可达97.75%,优于SVM、BP神经网络等分类算法。     

基于核相互子空间法的番茄叶部病害快速识别模型

近年来,基于叶片图像的番茄病害识别研究受到广泛关注。本研究利用番茄叶部病害图像中病斑的颜色和纹理的差异,通过提取番茄病害叶片图像的颜色矩（CM）、颜色聚合向量（CCV）和方向梯度直方图（HOG）等颜色纹理特征,引入核相互子空间法（KMSM）,建立了番茄叶部病害快速识别模型（CCHKMSM）。该模型首先通过高斯核函数,将从不同类别叶部病害图像数据中抽取的颜色及纹理特征映射到高维空间;然后对映射的高维空间进行主成分分析,建立非线性病害特征空间;最后基于非线性特征空间最小正则角对病害进行识别。本研究分别以公共农业病虫害数据集PlantVillage中的9种番茄病害类和1类健康番茄叶片图像,以及实际场景下采集的3种叶部病虫害图像数据集开展算法验证试验。基于PlantVillage的试验结果表明,当每类样本集数量为350张时,本研究所提出的CCHKMSM模型识别率达到100%,模型训练时间为0.1540 s,平均识别时间为0.013 s;同时,在样本数量150张到1000张的测试区间内,模型平均识别率为99.14%。该识别率高于其他典型的机器学习模型,与基于深度学习的识别方法相当。基于实际复杂场景下采集病害图像集的实验中,通过对原始图像切割分块后,对各病害的平均识别率为96.21%。试验结果表明,本研究提出的CCHKMSM模型识别准确率高且计算量小,其训练时间和测试时间都远低于深度学习等方法。该方法对系统要求低,具有在手持设备、边缘计算终端等低配置感知系统中的应用潜力。     

基于局部保留降维卷积神经网络的高光谱图像分类算法

为提高高光谱遥感图像的分类精度,通过局部保留判别式分析与深度卷积神经网络(DCNN)算法,提出了基于局部保留降维卷积神经网络的高光谱图像分类算法。首先,用局部保留判别式分析对高光谱数据降维,再用二维Gabor滤波器对降维后的高光谱数据进行滤波,生成空间隧道信息;其次,用卷积神经网络对原始高光谱数据进行特征提取,生成光谱隧道信息;再次,融合空间隧道信息与光谱隧道信息,形成空间-光谱特征信息,并将其输入到深度卷积神经网络,提取更加有效的特征;最后,采用双重优选分类器对最终提取的特征进行分类。将本文方法与CNN、PCA-SVM、CD-CNN和CNN-PPF等算法在Indian Pines、University of Pavia高光谱遥感数据库上进行性能比较。在Indian Pines、University of Pavia数据库上,本文算法识别的整体精度比传统CNN方法的整体精度分别高3. 81个百分点与6. 62个百分点。实验结果表明,本文算法无论在分类精度还是Kappa系数都优于另外4种算法。     

基于CNN-GRU的菇房多点温湿度预测方法研究

有效获取温室出菇房的温湿度空间分布对于优化食用菌环境胁迫、病害预警、出菇房预调控至关重要,但传统的单点预测不能很好地满足菇房整体环境性能评估的需求。针对出菇房内温湿度时序性、非线性、空间分布差异性的特点,提出一种基于卷积神经网络(CNN)与门控循环单元神经网络(GRU)相结合的菇房多点温湿度预测方法。将温室室外历史气象数据、温室室内历史小气候环境数据、多点环境分布特征、通风信息和加湿信息多特征数据按照时间序列构造二维矩阵作为输入,采用CNN挖掘数据中蕴含的有效信息,提取反映温室环境数据相互联系的高维特征,将提取的特征向量构造为时间序列输入GRU网络进行多点温湿度预测。将该预测方法应用于北京市农林科学院的日光温室出菇房内多点温湿度预测,实验结果表明,该预测方法对于出菇房内各点温度RMSE平均值为0.211℃,MAE平均值为0.140℃,误差控制在±0.5℃范围内的平均比例为97.57%;对于出菇房内各点相对湿度RMSE平均值为2.731%,MAE平均值为1.713%,误差控制在±5%范围内的平均比例为92.62%;相比传统的BP神经网络、长短期记忆神经网络(LSTM)和门控循环单元神经网络(GRU),该预测方法具有更高的预测精度。     

基于无人机遥感与卷积神经网络的草原物种分类方法

基于无人机高光谱成像遥感系统,在400～1 000 nm波段内采集低矮、混杂生长的荒漠草原退化指示物种的高光谱图像信息。分别在退化指示物种的开花期、结实期和黄枯期进行飞行实验,飞行高度30 m,高光谱图像地面分辨率2. 3 cm。采用特征波段提取与深度学习卷积神经网络相结合的方式,提出一种荒漠草原物种水平分类的方法,结合植物物候给出了中国内蒙古中部荒漠草原物种分类的推荐时相,总体分类精度和Kappa系数平均值分别达到94%和0. 91。研究结果表明,无人机高光谱成像遥感技术及深度卷积神经网络可以较好地实现荒漠草原退化指示物种的分类,与基于径向基核函数的支持向量机、基于主成分分析的深度卷积神经网络分类法相比,基于特征波段选择的深度卷积神经网络分类法效果最好,分类精度最高。无人机搭载高光谱成像仪低空遥感和卷积神经网络法提供了一种草原物种水平分类的途径。     

卷积神经网络在黄瓜病害识别中的应用

针对传统的图像处理方法对于黄瓜病害的识别存在依赖人工提取特征以及识别精度较低等问题。本研究将卷积神经网络(convolution neural network,CNN)应用于黄瓜叶部病害识别,利用卷积层对原始病害图像进行特征提取,使用池化层对卷积层输出特征图进行压缩,从而减少模型训练时间,SoftMax分类器对识别结果进行分类。利用本研究方法在黄瓜病害叶片数据集上进行识别验证,结果表明该方法具有较高的识别率,能够满足黄瓜病害程度自动识别系统的需求。     

基于深度残差网络的番茄叶片病害识别方法

传统深度学习模型在用于蔬菜病害图像识别时,存在由于网络梯度退化导致的识别性能下降问题。为此,本文研究了一种基于深度残差网络模型的番茄叶片病害识别方法。该方法首先利用贝叶斯优化算法自主学习网络中难以确定的超参数,降低了深度学习网络的训练难度。在此基础上,通过在传统深度神经网络中添加残差单元,解决了由于梯度爆炸/消失造成的过深层次病害识别网络模型性能下降的问题,能够实现番茄叶片图像的高维特征提取,根据该特征可进行有效病害鉴定。试验结果表明,本研究中基于超参数自学习构建的深度残差网络模型在番茄病害公开数据集上取得了良好的识别性能,对白粉病、早疫病、晚疫病和叶霉病等4种番茄叶片常见病害的识别准确率达到95%以上。本研究可为快速准确识别番茄叶片病害提供参考。     

基于改进SqueezeNet模型的多品种茶树叶片分类方法

为实现茶树叶片种类的准确、无损、快速分类,以复杂背景下6个品种的茶树叶片图像作为研究对象,通过卷积神经网络实现茶树叶片品种分类。选择经典轻量级卷积神经网络SqueezeNet,通过在Fire模块中增加批归一化处理,实现网络参数不显著增加的前提下大幅提升网络对多品种茶树叶片分类的准确率;通过将Fire模块中的3×3标准卷积核替换为深度可分离卷积,进一步缩小网络模型,降低网络对硬件资源的要求;通过在每个Fire模块中引入注意力机制,增强网络对重要特征信息的提取能力,提升模型分类性能。试验结果表明,原始SqueezeNet模型对多品种茶树叶片分类准确率为82.8%,增加批归一化处理后模型在测试集的准确率达到86.0%,参数量只有7.31×10⁵,相对于改进前参数量仅增加0.8%,运算量与改进前基本相同;将Fire模块中的3×3标准卷积核替换成深度可分离卷积后的模型在测试集的准确率为86.8%,准确率提高0.8个百分点,参数量下降至2.46×10⁵,模型参数量减小66.3%,运算量下降60.4%;引入注意力机制后的模型测试集分类准确率达到90.5%,...     

基于双节点-双边图神经网络的茶叶病害分类方法

传统茶叶病害分类主要依赖人工方法,此类方法费工费时,同时茶叶病害样本较少使得现有的机器学习方法的模型训练不充分,病害分类准确率不够高。针对茶炭疽病、茶黑煤病、茶饼病和茶白星病4类病害,提出一种基于双节点-双边图神经网络的茶叶病害分类方法。首先通过两分支卷积神经网络提取RGB茶叶病害特征和灰度茶叶病害特征,两分支均采用ResNet12作为骨干网络,参数独立不共享,两类特征作为图神经网络的两个子节点,以获得不同域样本所包含的病害信息;其次构建相对度量边和相似性边两类边,从而强化节点对相邻节点所含病害特征的聚合能力。最后,经过双节点特征和双边特征更新模块,实现双节点和双边交替更新,提高边特征对节点距离度量的准确性,从而实现训练样本较少条件下对茶叶病害的准确分类。本文方法和小样本学习方法进行了对比实验,结果表明,本文方法获得更高的准确率,在miniImageNet和PlantVillage数据集上5way-1shot的准确率分别达到69.30%和88.42%,5way-5shot准确率分别为82.48%和93.04%。同时在茶叶数据集TeaD-5上5way-1shot和5way-5shot准确...