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基于优化卷积神经网络的玉米螟虫害图像识别

李静, 陈桂芬, 安宇

李静, 陈桂芬, 安宇. 基于优化卷积神经网络的玉米螟虫害图像识别[J]. 华南农业大学学报, 2020, 41(3): 110-116. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.201907017
引用本文: 李静, 陈桂芬, 安宇. 基于优化卷积神经网络的玉米螟虫害图像识别[J]. 华南农业大学学报, 2020, 41(3): 110-116. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.201907017
LI Jing, CHEN Guifen, AN Yu. Image recognition of Pyrausta nubilalis based on optimized convolutional neural network[J]. Journal of South China Agricultural University, 2020, 41(3): 110-116. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.201907017
Citation: LI Jing, CHEN Guifen, AN Yu. Image recognition of Pyrausta nubilalis based on optimized convolutional neural network[J]. Journal of South China Agricultural University, 2020, 41(3): 110-116. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.201907017

基于优化卷积神经网络的玉米螟虫害图像识别

基金项目: 国家星火计划项目(2015GA660004);吉林省重点科技研发项目(20180201073SF)
详细信息
    作者简介:

    李静(1995—),女,硕士研究生,E-mail: 1242664396@qq.com

    通讯作者:

    陈桂芬(1956—),女,教授,博士,E-mail: guifchen@163.com

  • 中图分类号: S126

Image recognition of Pyrausta nubilalis based on optimized convolutional neural network

  • 摘要:
    目的 

    随着人工智能和大数据技术的不断发展,针对常规玉米虫害识别方法存在的准确率和效率低等问题,本文提出了一种基于改进GoogLeNet卷积神经网络模型的玉米螟虫害图像识别方法。

    方法 

    首先通过迁移学习将GoogLeNet的Inception-v4网络结构知识转移到玉米螟Pyrausta nubilalis虫害识别的任务上,构建模型的训练方式;然后通过数据增强技术对玉米螟虫图像进行样本扩充,得到神经网络训练模型的数据集;同时利用Inception模块拥有多尺度卷积核提取多尺度玉米螟虫害分布特征的能力构建网络模型,并在试验过程中对激活函数、梯度下降算法等模型参数进行优化;最后引入批标准化(BN)操作加速优化模型网络训练,并将该模型运用到玉米螟虫害识别中。

    结果 

    基于TensorFlow框架下的试验结果表明,优化后的神经网络算法对玉米螟虫害图像平均识别准确率达到了96.44%。

    结论 

    基于优化的卷积神经网络识别模型具有更强的鲁棒性和适用性,可为玉米等农作物虫害识别、智能诊断提供参考。

    Abstract:
    Objective 

    With the continuous development of artificial intelligence and big data technology, aiming at solving the problems of low accuracy and low efficiency in conventional identification methods of corn pest, we proposed a corn borer image identification method based on the improved GoogLeNet convolution-neural network model.

    Method 

    Firstly, through migration learning, the structural knowledge of the Inception-v4 network of GoogLeNet was transferred to the task of corn borer (Pyrausta nubilalis) identification, and the training mode of model construction was established. The data set of neural network training model was obtained by expanding the sample of corn borer image through data enhancement technique. At the same time, the Inception module was used to construct the network model with the ability of multi-scale convolution kernel extraction of the distribution characteristics of multi-scale corn borer, and the activation function, gradient descent algorithm and other model parameters were optimized in the experimental process. Finally, batch normalization (BN) operation was performed to accelerate optimizating model network training, and the model was applied in corn borer identification.

    Result 

    Experimental results of TensorFlow framework showed that the average recognition accuracy of the optimized neural network algorithm for corn borer image was 96.44%.

    Conclusion 

    The convolutional neural network recognition model based on optimization has higher robustness and feasibility, which can provide a reference for identification and intelligent diagnosis of plant pests on corn and other crops.

  • 图  1   数据采集试验田网格图

    Figure  1.   Grid map of field for data collection and experiment

    图  2   玉米螟虫原图(a)和经过数据增强和预处理的图像(b、c、d)

    Figure  2.   Original image (a) and images after data enhancement and preprocessing (b,c,d) of corn borers

    图  3   Inception-v4的整体结构

    Figure  3.   Overall structure of Inception-v4

    图  4   Stem部分结构示意图

    Figure  4.   Structural diagram of Stem part

    图  5   训练迭代次数对识别准确率和损失函数的影响

    Figure  5.   Effects of iteration number in training on recognition accuracy and loss function

    图  6   数据增强前后训练迭代次数对识别准确率的影响

    Figure  6.   Effects of iteration number in training on recognition accuracy before and after data enhancement

    图  7   模型识别性能评估曲线

    Figure  7.   Evaluation curve of model identification performance

    表  1   改进前后模型各项参数及识别准确率

    Table  1   Various parameters and recognition accuracy of the model before and after improvement

    模型
    Model
    模型参数 Model parameter
    卷积核大小
    Convolution kernel size
    激活函数
    Activation function
    数据量
    Data amount
    平均识别准确率/%
    Average recognition accuracy
    平均单张图片耗时/s
    Average time processing a picture
    改进前
    Before improvement
    3×3、5×5 ReLu 921 89.17 0.47
    改进后
    After improvement
    1×1、1×3、1×3 Sigmoid 2 478 96.44 0.39
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图(7)  /  表(1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-09
  • 网络出版日期:  2023-05-17
  • 刊出日期:  2020-05-09

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