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基于无人机高光谱遥感的柑橘患病植株分类与特征波段提取

邓小玲, 曾国亮, 朱梓豪, 黄梓效, 杨佳诚, 童泽京, 殷献博, 王天伟, 兰玉彬

邓小玲, 曾国亮, 朱梓豪, 等. 基于无人机高光谱遥感的柑橘患病植株分类与特征波段提取[J]. 华南农业大学学报, 2020, 41(6): 100-108. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202006042
引用本文: 邓小玲, 曾国亮, 朱梓豪, 等. 基于无人机高光谱遥感的柑橘患病植株分类与特征波段提取[J]. 华南农业大学学报, 2020, 41(6): 100-108. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202006042
DENG Xiaoling, ZENG Guoliang, ZHU Zihao, et al. Classification and feature band extraction of diseased citrus plants based on UAV hyperspectral remote sensing[J]. Journal of South China Agricultural University, 2020, 41(6): 100-108. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202006042
Citation: DENG Xiaoling, ZENG Guoliang, ZHU Zihao, et al. Classification and feature band extraction of diseased citrus plants based on UAV hyperspectral remote sensing[J]. Journal of South China Agricultural University, 2020, 41(6): 100-108. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202006042

基于无人机高光谱遥感的柑橘患病植株分类与特征波段提取

基金项目: 国家自然科学基金(61675003);广东省重点领域研发计划(2019B020214003);广东高校重点领域(人工智能)专项(2019KZDZX1012);广东大学生科技创新培育专项(pdjh2019b007)
详细信息
    作者简介:

    邓小玲(1978—),女,副教授,博士,E-mail:dengxl@scau.edu.cn

    通讯作者:

    兰玉彬(1961—),男,教授,博士,E-mail: ylan@scau.edu.cn

  • 中图分类号: TP79; S436.66

Classification and feature band extraction of diseased citrus plants based on UAV hyperspectral remote sensing

  • 摘要:
    目的 

    结合传统与现代农业病虫害监测的优缺点,探索通过无人机高光谱遥感技术检测出患病的柑橘植株、通过人工田间调查方式判断其患病种类及患病程度的病虫害监测方法。

    方法 

    使用无人机获取原始高光谱图像,经过光谱预处理和特征工程后,采用连续投影算法提取对柑橘患病植株分类贡献值最大的特征波长组合,基于全波段使用BP神经网络和XgBoost算法、基于特征波段使用逻辑回归和支持向量机算法,建立分类模型。

    结果 

    基于全波段的BP神经网络和XgBoost算法的ROC曲线下面积(Area under curve,AUC)分别为0.883 0和0.912 0,分类准确率均超过95%;提取出698和762 nm的特征波长组合,基于特征波长使用逻辑回归和支持向量机算法建立的分类模型召回率分别达到了93.00%和96.00%。

    结论 

    基于特征波长建模在患病样本分类中表现出很高的准确率,证明了特征波长组合的有效性。本研究结果可为柑橘种植园的病虫害监测提供一定的数据和理论支撑。

    Abstract:
    Objective 

    Combined with the advantages and disadvantages of traditional and modern agricultural pest monitoring, the method of monitoring pest and disease were discussed, which detected the diseased citrus plants by UAV hyperspectral remote sensing technology and judged the disease species and disease degree by artificial field investigation.

    Method 

    The original hyperspectral images were obtained by UAV. After spectral preprocessing and feature engineering, continuous projection algorithm was used to extract the feature wavelength combination which contributed the most to the classification of citrus diseased plants. Finally, the BP neural network and XgBoost algorithm were used based on the full band, and the logistic regression and support vector machine algorithm were used to establish the classification model based on the characteristic band.

    Result 

    The AUC scores of BP neural network and XgBoost were 0.8830 and 0.9120 respectively, and the accuracy rates of both methods were over 95%. The feature wavelength combination of 698 and 762 nm was extracted. Based on this characteristic band, the recall rates of logistic regression and support vector machine algorithm were 93.00% and 96.00% respectively.

    Conclusion 

    The model based on characteristic band shows high accuracy in the classification of disease samples, which proves the effectiveness of characteristic wavelength combination. This result can provide some data and theoretical support for monitoring diseases and pests in citrus plantations.

  • 图  1   试验区域及样本标注

    粉、红、蓝、黄、白圆圈标记分别代表1、2、3、4级和患病未定级的黄龙病植株,三角形标记为缺素植株;没有标记的植株为完全健康植株

    Figure  1.   Experiment area and sample marking

    The pink, red, blue, yellow and white circle markers represented the plants with Huanglongbing disease of grades 1, 2, 3, 4 and indefinite respectively, and the triangular markers represented the plants lacking in nutrients; The plants without markers were the complete healthy plants.

    图  2   特征工程技术路线图

    Figure  2.   The technology roadmap of feature engineering

    图  3   不均衡数据样本处理流程

    Figure  3.   The flow diagram of processing unbalanced data samples

    图  4   均方根误差(RMSE)曲线图

    Figure  4.   The curve of root mean square error(RMSE)

    图  5   特征波段示意图

    Figure  5.   Schematic diagram of feature band

    表  1   BP神经网络结构

    Table  1   The structure of BP neural network

    层(类型)
    Layer (Type)
    输入节点数
    Number of input node
    输出节点数
    Number of ouput node
    激活函数
    Activation function
    输入层(全连接) Input layer(Full connect) 125 32 ReLu
    隐含层1(全连接) Hidden layer 1(Full connect) 32 32 ReLu
    隐含层2(全连接) Hidden layer 1(Full connect) 32 16 ReLu
    输出层(全连接) Output layer(Full connect) 16 2 Sigmoid
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    表  2   BP神经网络和XgBoost测试结果(混淆矩阵)

    Table  2   The test results of BP neural network and XgBoost (Confusion matrix)

    模型 Model 项目 Item 预测为患病 Predicted illness 预测为健康 Predicted healthy 总计 Total
    BP神经网络
    BP neural network
    真实为患病 True illness 78 22 100
    真实为健康 True healthy 7 493 500
    总计 Total 85 515 600
    XgBoost 真实为患病 True illness 85 15 100
    真实为健康 True healthy 13 487 500
    总计 Total 98 502 600
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    表  3   特征波长下LR和SVM分类结果(混淆矩阵)

    Table  3   The results of LR and SVM test bases of feature bands(Confusion matrix)

    模型 Model 项目 Item 预测为患病 Predicted illness 预测为健康 Predicted healthy 总计 Total
    LR 真实为患病 True illness 93 7 100
    真实为健康 True healthy 44 456 500
    总计 Total 137 463 600
    SVM 真实为患病 True illness 96 4 100
    真实为健康 True healthy 61 439 500
    总计 Total 157 443 600
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    表  4   4种模型评估得分

    Table  4   The evaluation scores of four models

    评价指标
    Evaluating
    indicator
    全波段 Full-wave band 特征波段 Feature band
    BP Net XgBoost LR SVM
    ACC 0.951 7 0.953 3 0.915 0 0.891 6
    Recall 0.780 0 0.850 0 0.930 0 0.960 0
    Precision 0.917 6 0.867 3 0.678 8 0.611 5
    F1-score 0.843 8 0.858 5 0.784 9 0.747 1
    AUC 0.883 0 0.912 0 0.921 0 0.919 0
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-06-18
  • 网络出版日期:  2023-05-17
  • 刊出日期:  2020-11-09

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