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基于GoogLeNet和无人机图像的水稻秧苗形态识别

朱伟, 马立新, 张平, 刘德营

朱伟, 马立新, 张平, 等. 基于GoogLeNet和无人机图像的水稻秧苗形态识别[J]. 华南农业大学学报, 2022, 43(3): 99-106. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202107041
引用本文: 朱伟, 马立新, 张平, 等. 基于GoogLeNet和无人机图像的水稻秧苗形态识别[J]. 华南农业大学学报, 2022, 43(3): 99-106. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202107041
ZHU Wei, MA Lixin, ZHANG Ping, et al. Morphological recognition of rice seedlings based on GoogLeNet and UAV image[J]. Journal of South China Agricultural University, 2022, 43(3): 99-106. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202107041
Citation: ZHU Wei, MA Lixin, ZHANG Ping, et al. Morphological recognition of rice seedlings based on GoogLeNet and UAV image[J]. Journal of South China Agricultural University, 2022, 43(3): 99-106. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202107041

基于GoogLeNet和无人机图像的水稻秧苗形态识别

基金项目: 江苏省农机新装备新技术研发与推广项目(NJ2019-25)
详细信息
    作者简介:

    朱伟,硕士研究生,主要从事农业电气化与自动化研究,E-mail: 15895192169@163.com

    通讯作者:

    刘德营,副教授,博士,主要从事模式识别与自动控制研究,E-mail: dyliu@njau.edu.cn

  • 中图分类号: TP391

Morphological recognition of rice seedlings based on GoogLeNet and UAV image

  • 摘要:
    目的 

    针对目前国内评价插秧质量主要以人工观察和随机抽样的现状,提出一种基于卷积神经网络GoogLeNet 对水稻秧苗图像进行形态识别的方法。

    方法 

    首先,利用无人机超低空航拍获取清晰、完整的稻田秧苗图像,通过裁剪标记制作漂秧、伤秧和合格秧苗数据集;然后,基于GoogLeNet结构训练数据,得到最佳网络识别模型;最后,对单穴秧苗图像进行分类试验,并与传统图像分类算法(SVM、BP神经网络)进行对比。

    结果 

    在相同样本的条件下,基于GoogLeNet的秧苗形态识别方法更快、更准确地完成了判断分类,秧苗形态识别的平均正确率为91.17%,平均耗时0.27 s;与SVM和BP神经网络相比,分类平均精度分别提高了21和13个百分点,检测时间分别缩短了1.09 和0.58 s。

    结论 

    本研究可为水稻插秧质量评价提供相关支持。

    Abstract:
    Objective 

    In view of the current situation that the quality of transplanting is mainly based on manual observation and random sampling in China, it is proposed to use the convolutional neural network GoogLeNet to recognize the morphology of rice seedlings.

    Method 

    Firstly, clear and intact images of rice seedlings were obtained by UAV aerial photography at low altitude. Data sets of floating seedlings, damaged seedlings and qualified seedlings were made by cutting and marking. Then, based on the GoogLeNet structure training data, the optimal network recognition model was obtained. Finally, the image classification experiment of seedlings per hole was carried out, and compared with traditional image classification algorithms (SVM, BP neural network).

    Result 

    Under the condition of using the same samples, the seedling morphology recognition method based on GoogLeNet completed the judgment and classification was faster and more accurately. The average accuracy of seedling morphology recognition was 91.17%, and the average detection time was 0.27 s. Compared with SVM and BP neural network, the average classification accuracy increased by 21 and 13 percentage points respectively, and the detection time was shortened by 1.09 and 0.58 s respectively.

    Conclusion 

    This study can provide the relevant support for evaluation of rice transplanting quality.

  • 图  1   无人机航拍路线

    Figure  1.   UAV aerial photography route

    图  2   水稻秧苗图像预处理流程

    Figure  2.   Pretreatment processs of rice seedling image

    图  3   水稻秧苗样本图像

    Figure  3.   The sample images of rice seedlings

    图  4   GoogLeNet结构

    Figure  4.   GoogLeNet structure

    图  5   Inception module结构

    Figure  5.   Inception module structure

    图  6   水稻秧苗图像的特征提取

    Figure  6.   Feature extraction of rice seedling image

    表  1   研究区域的试验信息

    Table  1   Test information of research areas

    试验地点
    Test location
    试验时间
    Test time
    插秧机
    Rice transplanter
    型号
    Model
    水稻品种
    Rice variety
    南京市溧水区 Lishui of Nanjing 2020−05 星月神 Seeyes 2ZG-6S 宁3828 Ning 3828
    张家港市南丰镇 Nanfeng of Zhangjiagang 2020−06 久保田 Kubota 2ZGQ-6D5 南粳505 Nanjing 505
    常州市新北区 Xinbei of Changzhou 2020−06 丰疆 Fengjiang 2ZG-4A 软玉2号 Ruanyu 2
    靖江市东兴镇 Dongxing of Jingjiang 2020−07 富尔代 Fuerdai 2ZG-8A 南粳5055 Nanjing 5055
    丹阳市章村 Zhangcun of Danyang 2021−06 沃得 World 2ZGF-8E 淮稻5号 Huaidao 5
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    表  2   无人机分辨率及有效距离

    Table  2   UAV resolution and effective range

    试验序号
    Test batch
    飞行相对高度/m
    Relative flight height
    分辨率/mm
    Resolution
    图片有效距离(长×宽)/m
    The effective distance of picture (Length×Width)
    1 2 0.55 3.0×2
    2 3 0.82 4.5×3
    3 5 1.40 7.5×5
    4 10 2.80 15.0×10
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    表  3   GoogLeNet结构参数1)

    Table  3   The structural parameters of GoogLeNet

    结构
    Structure
    核尺寸
    Patch size
    步长
    Stride
    填充数
    Padding
    C1×1 #3×3 C3×3 #5×5 C5×5 P3×3 数据维度
    Data dimension
    输入 Input 224×224×3
    卷积层1
    Convolutional layer 1
    7×7 2 3 112×112×64
    池化层1 Pooling layer 1 3×3 2 1 56×56×64
    卷积层2a
    Convolutional layer 2a
    1×1 1 0 56×56×64
    卷积层2b
    Convolutional layer 2b
    3×3 1 1 56×56×192
    池化层2 Pooling layer 2 3×3 2 1 28×28×192
    Inception 3a 64 96 128 16 32 32 28×28×256
    Inception 3b 128 128 192 32 96 64 28×28×480
    池化层3 Pooling layer 3 3×3 2 1 14×14×480
    Inception 4a 192 96 208 16 48 64 14×14×512
    Inception 4b 160 112 224 24 64 64 14×14×512
    Inception 4c 128 128 256 24 64 64 14×14×512
    Inception 4d 112 144 288 32 64 64 14×14×528
    Inception 4e 256 160 320 32 128 128 14×14×832
    池化层4 Pooling layer 4 3×3 2 1 7×7×832
    Inception 5a 256 160 320 32 128 128 7×7×832
    Inception 5b 384 192 384 48 128 128 7×7×1024
    池化层 Pooling layer 7×7 1 0 1×1×1024
    Dropout 1×1×1024
    FC layer 1×1×3
    输出 Output 1×1×3
     1) “C1×1” “C3×3”和“C5×5”表示在Inception module结构中相对应的卷积核数量,“#3×3”和“#5×5”表示在对应卷积之前,使用的1×1的卷积核数量,“P3×3”表示经过最大池化后,使用的1×1的卷积核数量
     1) “C1×1” ,“C3×3” and “C5×5” indicate the corresponding number of convolution kernels in the inception module structure, and “#3×3” and “#5×5” indicate the number of 1×1 convolution kernels used before the corresponding convolution, and “P3×3” indicates the number of 1×1 convolution kernels used after max pooling
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    表  4   水稻秧苗轮廓特征参数信息

    Table  4   Parameter information of rice seedling outline feature

    图像类别 Image type 狭长度 Aspect ratio 矩形度 Rectangularity 紧凑度 Compactness M1 M2
    漂秧
    Floating
    seedling
    1.837 0.445 0.150 1.181 3.492
    伤秧
    Damaged
    seedling
    1.440 0.457 0.119 1.361 4.735
    合格秧苗
    Qualified
    seedling
    2.554 0.477 0.134 1.075 2.626
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    表  5   3种算法的秧苗形态识别试验结果

    Table  5   The experimental results of three algorithms for recognition of seedling morphology

    算法
    Algorithm
    识别正确率/% Recognition accuracy 平均识别时间/s
    Average
    recognition time
    漂秧
    Floating seedling
    伤秧
    Damaged seedling
    合格秧苗
    Qualified seedling
    GoogLeNet 91.6 85.5 96.4 0.27
    SVM 69.6 64.2 76.3 1.36
    BP神经网络 BP neural network 76.9 72.7 86.9 0.85
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图(6)  /  表(5)
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-07-22
  • 网络出版日期:  2023-05-17
  • 刊出日期:  2022-05-09

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