基于改进CBAM-DeepLab V3+的苹果种植面积提取

为提高苹果种植区域的提取精度,提出了一种基于Sentinel-2和MODIS融合影像的CBAM-DeepLab V3+模型。影响苹果种植区域提取精度的主要因素包括遥感影像的质量以及语义分割模型的性能。从影像质量角度来看,采用基于时序的时空融合算法ESTARFM,通过融合Sentinel-2和MODIS的遥感影像数据,实现更高空间分辨率和时间分辨率数据的获取。与此同时,将训练样本从原始的800幅扩充至2 400幅,为后续语义分割模型提供更为充足的样本容量。在语义分割模型优化方面,为了进一步提高苹果种植面积的提取精度,以DeepLab V3+网络结构模型为基础,引入基于通道和空间的CBAM注意力机制,进而发展出CBAM-DeepLab V3+模型。与原始DeepLab V3+模型相比,加入CBAM注意力机制的CBAM-DeepLab V3+模型在拟合速度较慢、边缘目标分割不精确、大尺度目标分割内部不一致和存在孔洞等缺陷方面实现了突破,这些改进提高了模型的训练与预测性能。本研究采用原始Sentinel-2影像及时空融合后的影像数据集,结合烟台市牟平区王格庄镇的数据集和观水镇苹果数据集对U-N...     

基于改进DeepLab V3+的果园场景多类别分割方法

果园环境实时检测是保证果园喷雾机器人精准作业的重要前提。本文提出了一种基于改进DeepLab V3+语义分割模型的果园场景多类别分割方法。为了在果园喷雾机器人上部署,使用轻量化MobileNet V2网络替代原有的Xception网络以减少网络参数,并在空洞空间金字塔池化（Atrous spatial pyramid pooling,ASPP）模块中运用ReLU6激活函数减少部署在移动设备的精度损失,此外结合混合扩张卷积（Hybrid dilated convolution,HDC）,以混合扩张卷积替代原有网络中的空洞卷积,将ASPP中的扩张率设为互质以减少空洞卷积的网格效应。使用视觉传感器采集果园场景RGB图像,选取果树、人、天空等8类常见的目标制作了数据集,并在该数据集上基于Pytorch对改进前后的DeepLab V3+进行训练、验证和测试。结果表明,改进后DeepLab V3+模型的平均像素精度、平均交并比分别达到62.81%和56.64%,比改进前分别提升5.52、8.75个百分点。模型参数量较改进前压缩88.67%,单幅图像分割时间为0.08s,与原模型相比减少0.09s。尤其是对树的分割精度达到95.61%,比改进前提高1.31个百分点。该方法可为喷雾机器人精准施药和安全作业提供有效决策,具有实用性。     

基于卷积注意力的无人机多光谱遥感影像地膜农田识别

监测地膜覆盖农田的分布对准确评估由其导致的区域气候和生态环境变化有着重要作用,基于DeepLabv3+网络,通过学习面向地膜语义分割的通道注意力和空间注意力特征,提出一种适用于判断农田是否覆膜的改进深度语义分割模型,实现对无人机多光谱遥感影像中地膜农田的有效分割。以内蒙古自治区河套灌区西部解放闸灌区中沙壕渠灌域2018—2019年4块实验田的无人机多光谱遥感影像为研究数据,与可见光遥感影像的识别结果进行对比,同时考虑不同年份地膜农田表观的变化,设计了2组实验方案,分别用于验证模型的泛化性能和增强模型的分类精度。结果表明,改进的DeepLabv3+语义分割模型对多光谱遥感影像的识别效果比可见光高7.1个百分点。同时考虑地膜农田表观变化的深度语义分割模型具有更高的分类精度,其平均像素精度超出未考虑地膜农田表观变化时7.7个百分点,表明训练数据的多样性有助于提高地膜农田的识别精度。其次,改进的DeepLabv3+语义分割模型能够自适应学习地膜注意力,在2组实验中,分类精度均优于原始的DeepLabv3+模型,表明注意力机制能够增加深度语义分割模型的自适应性,从而提升分类精度。本文提出的方法能够从复杂的场景中精准识别地膜农田。     

基于点云语义分割的猪只体尺测量方法研究

生猪的体尺参数是生猪生长状态的重要评判标准,而人工测量体尺耗时耗力且容易造成猪只的应激反应,本文研究了无接触式猪只体尺参数测量方法,借鉴人工测量经验法,提出基于点云语义分割的猪只体尺测量方法。本文以大约克夏猪为研究对象,搭建无接触式猪只点云采集平台,采集3 510组猪只双侧点云数据;利用直通滤波器与随机采样一致性分割处理方法去除背景点云,基于统计滤波器去除离群点,采用体素下采样方法稀疏点云,完成猪只点云的预处理;基于PointNet网络,结合注意力模块构建语义分割模型,针对不同分割部位设计猪只体尺测量方法。试验结果表明,在自制数据集上,改进的语义分割模型准确率为86.3%,相较于PointNet、PointNet++和3D-RCNN分别高8、5.7、2.6个百分点;体尺的测量值与实测值最大绝对误差为6.8 cm,平均绝对误差均在5 cm以内,具有较高的估算准确性,此方法能够用于猪只体尺测量。本文将语义分割与体尺测量相结合,可为后续非接触测量提供思路。     

基于深度学习的无人机土地覆盖图像分割方法

编制土地覆盖图需要包含精准类别划分的土地覆盖数据,传统获取方法成本高、工程量大,且效果不佳。提出一种面向无人机航拍图像的语义分割方法,用于分割不同类型的土地区域并分类,从而获取土地覆盖数据。首先,按照最新国家标准,对包含多种土地利用类型的航拍图像进行像素级标注,建立无人机高分辨率复杂土地覆盖图像数据集。然后,在语义分割模型DeepLab V3+的基础上进行改进,主要包括:将原始主干网络Xception+替换为深度残差网络ResNet+;引入联合上采样模块,增强编码器的信息传递能力;调整扩张卷积空间金字塔池化模块的扩张率,并移除该模块的全局池化连接;改进解码器,使其融合更多浅层特征。最后在本文数据集上训练和测试模型。实验结果表明,本文提出的方法在测试集上像素准确率和平均交并比分别为95. 06%和81. 22%,相比原始模型分别提升了14. 55个百分点和25. 49个百分点,并且优于常用的语义分割模型FCN-8S和PSPNet模型。该方法能够得到精度更高的土地覆盖数据,满足编制精细土地覆盖图的需要。     

基于深度语义分割的无人机多光谱遥感作物分类方法

为精准获取农田作物种植分布信息以满足农业精细化管理需求,基于DeepLab V3+深度语义分割网络提出了一种面向无人机多光谱遥感影像的农田作物分类方法.通过修改输入层结构、融合多光谱信息和植被指数先验信息、并采用Swish激活函数优化模型,使网络在响应值为负时仍能反向传播.基于2018-2019年连续2年内蒙古自治区河...     

基于改进YOLO v4的自然环境苹果轻量级检测方法

针对苹果采摘机器人识别算法包含复杂的网络结构和庞大的参数体量,严重限制检测模型的响应速度问题,本文基于嵌入式平台,以YOLO v4作为基础框架提出一种轻量化苹果实时检测方法(YOLO v4-CA)。该方法使用MobileNet v3作为特征提取网络,并在特征融合网络中引入深度可分离卷积,降低网络计算复杂度;同时,为弥补模型简化带来的精度损失,在网络关键位置引入坐标注意力机制,强化目标关注以提高密集目标检测以及抗背景干扰能力。在此基础上,针对苹果数据集样本量小的问题,提出一种跨域迁移与域内迁移相结合的学习策略,提高模型泛化能力。试验结果表明,改进后模型的平均检测精度为92.23%,在嵌入式平台上的检测速度为15.11f/s,约为改进前模型的3倍。相较于SSD300与Faster R-CNN,平均检测精度分别提高0.91、2.02个百分点,在嵌入式平台上的检测速度分别约为SSD300和Faster R-CNN的1.75倍和12倍;相较于两种轻量级目标检测算法DY3TNet与YOLO v5s,平均检测精度分别提高7.33、7.73个百分点。因此,改进后的模型能够高效实时地对复杂果园环境中的苹果进行检测,适宜在嵌入式系统上部署,可以为苹果采摘机器人的识别系统提供解决思路。     

基于改进YOLOX的群养生猪轻量化目标检测方法

针对目前群养生猪智能化养殖中复杂环境下猪只目标检测精度低的问题,提出了一种基于改进YOLOX的群养生猪轻量化目标检测模型Ghost-YOLOX-BiFPN。该模型采用Ghost卷积替换普通卷积,在减少主干网络参数的情况下,提高了模型的特征提取能力。使用加入CBAM注意力机制的BiFPN作为模型的Neck部分,使得模型充分融合不同体型猪只的特征图,并使用Focal Loss损失函数解决猪圈环境下猪只与背景难以区分的问题,增强模型对正样本的学习。实验结果表明,改进后模型对群养生猪检测精度为95.80%,相比于原始YOLOX算法,检测精度提升2.84个百分点,参数量降低63%。最后将本文轻量化模型部署到Nvidia Jetson Nano移动端开发板,通过在开发板上实际运行表明,本文所提模型实现了对不同大小、不同品种猪只的准确识别,为后续智能化生猪养殖提供支持。     

基于改进YOLOv5s的麦穗检测算法研究

【目的】解决麦穗检测中麦穗之间相互遮挡、麦穗在图像中难以检测和不同环境造成目标模糊等情况导致麦穗检测精度低的问题。【方法】笔者提出一种基于改进YOLOv5s的算法,通过将数据集同时进行离线增强和在线增强,再将YOLOv5s的骨干网络进行改进,增添具有注意力机制的transformer模块,强化主干网络的全局特征信息提取能力,neck结构由原来的PAFPN改为具有双向加强融合的BiFPN特征融合网络,进行多尺度的特征融合。最后,在head部分使用EIoU-NMS来替代NMS,提高对遮挡麦穗的识别度。【结果】相比于其他改进单一结构的YOLOv5s模型,此综合性改进模型具有更好的检测效果,使mAP@0.5:0.95提高了1.4%,改进的算法比原始YOLOv5s算法的mAP@0.5提高了1.8%。【结论】使用离线增强和在线增强的方式可以使模型的精度有所提升;该模型的改进有效增强了麦穗识别过程中特征融合的效率,提高了麦穗检测的效果,能够为后续相关模型的改进升级提供参考。     

苹果采摘机器人目标识别与定位方法研究

【目的】在算力资源有限的嵌入式设备上对目标苹果进行快速、准确的识别与定位。【方法】研究小组对采摘机器人的目标识别与定位方法进行研究,以YOLOv4网络模型为基础,对YOLOv4进行轻量化改进,使用MobileNet V3作为特征提取的主干网络,减少模型的计算量,并结合ZED双目相机与定位算法在嵌入式平台上进行实验。【结果】实验表明：1）在目标识别方面,改进后模型的平均检测精度为87.32%,模型的大小为53.76 MB,较改进前降低了79%。2）采用ZED相机结合测距算法进行了苹果目标定位实验,ZED双目相机的测距误差可控制在0.02 m以内,同时改进的YOLOv4算法的平均检测速度在15FPS左右。【结论】改进后的YOLOv4网络模型更适合部署在算力有限的嵌入式设备中进行苹果采摘任务,且能够满足苹果采摘任务的实时性要求。因此,该方法可以为苹果采摘机器人的识别与定位提供技术参考。     

基于改进YOLOv5的草莓病害识别

为提高草莓的总产量,合理监控和防治草莓病害是有效的手段,提出一种基于改进YOLOv5的草莓病害识别算法。该检测算法以CSPDarknet作为主干特征提取网络,能够有效提高模型的性能和训练效率,并使用EIOU Loss损失函数与K-means聚类算法,来提高模型的收敛速度。同时,在模型中增加CBAM注意力机制来提高检测精度,最终构建基于改进YOLOv5的CBAM-YOLOv5l算法。试验结果表明,改进后的模型较之原始模型,在检测精度上有所提升且依然能保证高效的检测速度。另外,经过训练的CBAM-YOLOv5l目标检测算法在验证集下的总体平均精度达到96.52%,平均检测时间为27.52 ms,对比YOLOv4、YOLOv4-Tiny、Faster＿R-CNN等目标检测算法,该检测算法在精度上具有更大的优势,在实际的草莓果园环境中具有良好的鲁棒性与实时性,可以满足草莓病害识别精度的需求,能够可靠地提示草莓健康状态,从而及时地实现精准施药等保护措施。     

基于神经网络算法的果树需水预测研究

【目的】准确预测果树需水量。【方法】对采集地果园环境数据进行主成分分析,筛选出影响果树蒸腾量的关键因子。建立以长短时记忆(LSTM)神经网络为基础的预测模型来预测果树蒸腾量。为提高预测的精度,在LSTM神经网络的基础上加入了注意力(Attention)机制,形成Attention-LSTM预测模型。【结果】将改进的模型与其他模型的预测精度进行对比,仿真试验表明,该模型的预测精度最高,RMSE和MSE分别为0.487和0.062。【结论】该预测模型可以准确预测果树蒸腾量,从而实现果园精准灌溉并提高水果产量,具有一定的实际意义。     

基于改进Mask R-CNN的苹果园害虫识别方法

针对基础卷积神经网络识别苹果园害虫易受背景干扰及重要特征表达能力不强问题，提出一种基于改进Mask R-CNN的苹果园害虫识别方法。首先，基于Haar特征方法对多点采集得到的苹果园害虫图像进行迭代初分割，提取害虫单体图像样本，并对该样本进行多途径扩增，得到用于深度学习的扩增样本数据集。其次，对Mask R-CNN中的特征提取网络进行优化，采用嵌入注意力机制模块CBAM的ResNeXt网络作为改进模型的Backbone,增加模型对害虫空间及语义信息的提取，有效避免背景对模型性能的影响；同时引入Boundary损失函数，避免害虫掩膜边缘缺失及定位不准确问题。最后，以原始Mask R-CNN模型作为对照模型，平均精度均值作为评价指标进行试验。结果表明，改进Mask R-CNN模型平均精度均值达到96.52%,相比于原始Mask R-CNN模型，提高4.21个百分点，改进Mask R-CNN可精准有效识别苹果园害虫，为苹果园病虫害绿色防控提供技术支持。     

猪只饮水行为机器视觉自动识别

猪只饮水行为往往与猪舍环境的舒适度以及猪只的健康水平密切相关,实时地监控猪栏中猪只饮水状况对猪舍管理和提高养殖福利具有重要意义。目前,主要采用RFID和机器视觉两种技术自动识别饮水行为,RFID方式需要给猪只佩戴耳标,存在对猪身有侵入和不便操作的缺点,机器视觉方法能非接触式监测和提取猪只饮水行为,具有低成本易实施的优点。本文实现了基于机器视觉的猪只饮水行为自动识别,首先通过传统的阈值分割方法得到二值化图像来实现猪只从背景中的提取,接着引入图像占领指数对猪只饮水行为进行预判,最后利用深度学习方法构造猪只头部检测器,更精准地判定饮水行为的发生。试验表明,该方法在本文构建的饮水视频数据集中识别正确率为92.11%,且能识别饮水猪只的身份,可应用到实际的猪只生产过程中辅助管理决策。     

基于机器视觉的猪只饮水行为识别

猪只饮水行为往往与猪舍环境的舒适度以及猪只的健康水平密切相关,实时地监控猪栏中猪只饮水状况对猪舍管理和提高养殖福利具有重要意义。目前,主要采用RFID和机器视觉两种技术自动识别饮水行为,RFID方式需要给猪只佩戴耳标,存在对猪身有侵入和不便操作的缺点,机器视觉方法能非接触式监测和提取猪只饮水行为,拥有低成本易实施的优点。本文实现了基于机器视觉的猪只饮水行为自动识别,首先通过传统的阈值分割方法得到二值化图像来实现猪只从背景中的提取,接着引入图像占领指数对猪只饮水行为进行预判,最后探索了利用深度学习方法构造猪只头部检测器,更精准地判定饮水行为的发生。试验表明,该方法在本文构建的饮水视频数据集中识别准确率为92.11%,且能识别饮水猪只的身份,可应用到实际的猪只生产过程中辅助管理决策。     

基于YOLOv5的果园果树树干识别研究

水果是我国重要的经济作物之一,果业对于农民的增收和国家经济的发展都具有重要意义。为实现复杂自然环境下对果树树干的识别,提升当前果园生产水平,本文提出一种以YOLOv5模型为基线的果树树干识别检测模型（YOLOv5-SR）。在YOLOv5的backbone网络中以Rep VGG模块代替部分C3模块,利用Rep VGG模块结构重参数化特点实现提升网络模型的检测速度,满足实时性的要求;其次,在网络模型中引入Sim AM注意力机制模块,利用Sim AM注意力机制无参的特点在不影响模型速度的情况下加强对检测目标的提取能力,提升模型的检测精度。实验结果表明,改进后的模型相比较于YOLOv5,检测速度提升了10%,平均精度均值提升了6%,实现速度与精度上的提升。该研究满足在复杂环境下实时检测果树树干,有助于进一步推动智能化果园机器人的研发与应用。     

基于改进YOLO v5n的舍养绵羊行为识别方法

日常行为是家畜健康状况的重要体现,在传统的行为识别方法中,通常需要人工或者依赖工具对家畜进行观察。为解决以上问题,基于YOLO v5n模型,提出了一种高效的绵羊行为识别方法,利用目标识别算法从羊圈斜上方的视频序列中识别舍养绵羊的进食、躺卧以及站立行为。首先用摄像头采集养殖场中羊群的日常行为图像,构建绵羊行为数据集;其次在YOLO v5n的主干特征提取网络中引入SE注意力机制,增强全局信息交互能力和表达能力,提高检测性能;采用GIoU损失函数,减少训练模型时的计算开销并提升模型收敛速度;最后,在Backbone主干网络中引入GhostConv卷积,有效地减少了模型计算量和参数量。实验结果表明,本研究提出的GS-YOLO v5n目标检测方法参数量仅为1.52×106,相较于原始模型YOLO v5n减少15%;浮点运算量为3.3×109,相较于原始模型减少30%;且平均精度均值达到95.8%,相比于原始模型提高4.6个百分点。改进后模型与当前主流的YOLO系列目标检测模型相比,在大幅减少模型计算量和参数量的同时,检测精度均有较高提升。在边缘设备上进行部署,达到了实时检测要求,可准确快速地对绵羊进行定位并检测。     

基于多头自注意力机制的茶叶采摘点语义分割算法

茶叶采摘点定位是茶叶选择性采摘的关键技术之一，在茶树采摘场景中，存在采摘点尺度小、背景干扰大、光照情况复杂等问题，导致准确分割茶叶采摘点成为难题。本研究针对茶园场景下采摘点精确分割问题，构建了一种基于多头自注意力机制结合多尺度特征融合的语义分割算法——RMHSA-NeXt。首先使用ConvNeXt卷积神经网络提取图像特征；其次构造基于残差和多头自注意力机制的注意力模块，将模型注意力集中于分割目标，增强重要特征的表达；再次通过多尺度结构(Atrous spatial pyramid pooling, ASPP)将不同尺度的特征进行融合，在其中针对采摘点特性，在融合过程中使用条状池化(Strip pooling),减少无用特征的获取；最后通过卷积以及上采样等操作完成信息的解码，得出分割结果。试验表明，茶园环境下该模型可以对采摘点进行有效分割，模型的像素准确率达到75.20%,平均区域重合度为70.78%,运行速度达到8.97 f/s。基于相同测试集将本文模型与HRNet V2、EfficientUNet++、DeeplabV3+、BiSeNet V2模型进行对比，结果表明相比于其他模型同时...     

基于MHSA+DeepLab v3+的无人机遥感影像小麦倒伏检测

倒伏是影响小麦产量和质量的重要因素之一,及时准确获取倒伏信息有利于小麦良种选育中的倒伏损失鉴定。本文以小麦灌浆期和成熟期两个生长阶段的可见光无人机遥感影像为依据,构建多生长阶段小麦倒伏数据集,通过在DeepLab v3+模型中添加不同的注意力模块进行比较分析,提出一种基于多头自注意力（MHSA）的DeepLab v3+小麦倒伏检测模型。试验结果表明,提出的MHSA+DeepLab v3+模型的平均像素精度(Mean pixel accuracy, mPA)和均交并比(Mean intersection over union, mIoU),灌浆期分别为93.09%和87.54%,成熟期分别为93.36%和87.49%。与代表性的SegNet、PSPNet和DeepLab v3+模型相比,在灌浆期mPA提高了25.45、7.54、1.82个百分点和mIoU提高了36.15、11.37、2.49个百分点,在成熟期mPA提高了15.05、6.32、0.74个百分点,mIoU提高了23.36、9.82、0.95个百分点。其次,相比于CBAM和SimAM两种注意力模块,在灌浆期及成熟期基于多头自注意力的DeepLab v3+表现均为最优,在灌浆期其mPA和mIoU分别提高了1.6、2.07个百分点和1.7、2.45个百分点,成熟期提高了0.27、0.11个百分点和0.26、0.15个百分点。研究表明提出的改进的DeepLab v3+模型能够有效地捕获灌浆期和成熟期的无人机小麦遥感图像中的倒伏特征,准确识别不同生育期的倒伏区域,具有良好的适用性,为利用无人机遥感技术鉴定小麦倒伏灾害等级和良种选育等提供了参考。     

基于改进YOLO的自然环境下桃子成熟度快速检测模型

【目的】解决自然环境下不同成熟度桃子快速准确检测的问题,课题组提出一种基于改进YOLOv5s的目标检测算法YOLO-Faster。【方法】使用YOLOv5s网络模型作为基础网络,将主干特征提取网络替换为FasterNet,使模型轻量化,并在主干和颈部之间增加串联的CBAM卷积注意力模块和常规卷积块,增强对图像重要特征的捕捉与表达,同时引入SIoU损失函数缓解预测框与真实框之间方向的不匹配。【结果】改进后模型的m AP为88.6%,与YOLOv5s相比提升1个百分点,模型权重缩减39.4%,浮点运算量降低44.3%,在GPU、CPU上的单张图像平均检测时间分别减少12.6%和24%。此外,本研究将训练好的模型部署到嵌入式设备Jetson Nano上,模型在Jetson Nano上的检测时间比YOLOv5s减少30.4%。【结论】改进后的轻量级模型能够快速准确地检测自然环境下不同成熟度的桃子,可以为桃子采摘机器人的视觉识别系统提供技术支持。