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      1. 027-87860098

        利用卷積神經網絡從原位冠層圖像和光譜評估棉花黃萎病的嚴重程度

        2023/9/13
        黃萎?。╒W)是棉花常見的土傳病害。它主要發生在幼苗和棉鈴開放階段,嚴重影響棉花的產量和品質??焖?、準確地識別和評估病害嚴重程度(VWS)是田間棉花病害控制的基礎,對棉花生產具有重要意義。棉花的VWS值通常是經過現場觀測和實驗室測試來診斷測量的,這需要大量的時間和專業知識。及時、準確地評價棉花黃萎病,對棉花病害防治和快速育種具有重要意義。

        本研究于2019年和2021年在3個試驗點進行了原位調查,收集了361個棉花冠層的VWS值、原位圖像和光譜。為了估計棉花在冠層尺度上的VWS值,我們開發了兩種深度學習方法,分別使用原位圖像和光譜?;趫D像的方法,考慮到現場環境的復雜性較高,首先將棉花病害葉片識別任務轉換為棉田場景分類任務,然后構建了一個棉田場景(CFS)數據集,每個場景單元類型包含1000多幅圖像。我們使用CFS數據集進行了預訓練卷積神經網絡(CNN)訓練和驗證,然后使用訓練后的網絡對每個冠層的場景單元進行分類。結果表明,DarkNet-19模型在CFS分類和VWS值估計方面取得了令人滿意的效果(R2=0.91,均方根誤差(RMSE)=6.35%)?;诠庾V的方法,作者首先設計了一個具有4個卷積層的一維回歸網絡(1D CNN)。作者首先通過敏感波段選擇和主成分分析進行降維后,用不同數量的主成分(PCs)擬合了1D CNN。1D CNN模型在前20個PCs的回歸網絡表現最佳(R2=0.93, RMSE=5.77%)。這些深度學習驅動的方法提供了從空間和光譜角度評估作物病害嚴重程度的潛力。從空間和光譜兩個角度,我們提供了兩種實用且有效的方法。

        利用卷積神經網絡從原位冠層圖像和光譜評估棉花黃萎病的嚴重程度

        圖1 研究區域和采樣位置。(a)研究區在中國新疆的位置;(b)三個試驗地點;(c)地點1(S1)及其取樣點;(d)地點2(S2)及其取樣點;(e)地點3(S3)及其取樣點。


        利用卷積神經網絡從原位冠層圖像和光譜評估棉花黃萎病的嚴重程度
        圖2 本研究基于圖像和光譜方法的整體工作流程。

        利用卷積神經網絡從原位冠層圖像和光譜評估棉花黃萎病的嚴重程度
        圖3 基于圖像的模型在棉花VWS評估中的性能比較。(a)DarkNet-19;(b)VGG-16;(c)ResNet-50; (d)InceptionV3.; P<0.001.

        利用卷積神經網絡從原位冠層圖像和光譜評估棉花黃萎病的嚴重程度
        圖4 PCs在棉花VWS價值評估中的潛力分析。

        利用卷積神經網絡從原位冠層圖像和光譜評估棉花黃萎病的嚴重程度
        圖5 基于光譜的模型在棉花VWS值評估上的性能比較。(a)前5名;(b)前10名;(c)前15名;(d)前20名;(e)前25名;(f)前30PCs., P<0.001.

        利用卷積神經網絡從原位冠層圖像和光譜評估棉花黃萎病的嚴重程度
        圖6 (a)RLS和(b)TDS值源自DarkNet-19模型的性能。P<0.001.

        文獻來源:Kang, X.; Huang, C.; Zhang, L. et al. Assessing the severity of cotton Verticillium wilt disease from in situ canopy images and spectra using convolutional neural networks. The Crop Journal. Volume11, 2023. https://doi.org/10.1016/j.cj.2022.12.002.

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