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基于可见光谱与轻量级卷积神经网络的冬小麦分蘖数估算

文献类型： 中文期刊

作者： 李云霞 1 ; 马浚诚 2 ; 刘红杰 3 ; 张领先 1 ;

作者机构： 1.中国农业大学信息与电气工程学院

2.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所

3.商丘市农林科学院

关键词： 可见光谱;冬小麦;分蘖数估算;轻量级卷积神经网络

期刊名称： 光谱学与光谱分析

ISSN： 1000-0593

年卷期： 2023 年 43 卷 001 期

页码： 273-279

收录情况： EI ; SCI ; 北大核心 ; CSCD

摘要： 分蘖数是表征冬小麦生长的关键性参数,对于冬小麦苗情监测、产量预估具有重要意义.针对目前冬小麦分蘖数估算方法存在的数据获取繁复和估算模型体量大的问题,提出一种基于可见光图像和轻量级卷积神经网络的冬小麦分蘖数估算方法,以期实现冬小麦分蘖数无损快速估算,并且可嵌入移动终端设备.可见光图像具有获取便捷,处理简单的特点,利用数码相机连续采集2017年—2018年和2018年—2019年两个生长季的冬小麦冠层可见光图像.利用该数据图像,分别构建基于轻量级卷积神经网络MobileNetV2,SqueezeNett,ShuffleNet的冬小麦分蘖数估算模型进行比较试验,并与基于非轻量级卷积神经网络AlexNet和ResNet系列构建的估算模型进行对比试验.开展冬小麦分蘖数估算模型针对不同植株密度数据的鲁棒性以及针对不同生长季数据的泛化能力的验证试验.结果表明,基于MobileNetV2构建的冬小麦分蘖数估算模型的决定系数(R2)为0.7,归一化均方根误差(NRMSE)为0.2,在三个轻量级卷积神经网络中具有最优表现;基于非轻量级卷积神经网络构建的冬小麦分蘖数估算模型体积是基于MobileNetV2构建的冬小麦分蘖数估算模型的2.3~16.1倍.与非轻量级卷积神经网络相比较,基于MobileNetV2构建的估算模型在具有较好R2的同时有较小的体量,适宜嵌入移动终端设备;针对120,270和420株·m-2三个不同植株密度的可见光图像数据集,基于MobileNetV2构建的冬小麦分蘖数估算模型的R2分别为0.8,0.8和0.7,表现鲁棒;针对两个生长季的可见光图像,基于MobileNetV2构建的冬小麦分蘖数估算模型通过迁移学习将R2提升了2倍,NRMSE下降了7.6%,表现出对数据季节性差异较好的适应性,体现了模型的泛化能力.利用可见光图像,基于MobileNetV2构建的估算模型能够满足冬小麦分蘖数估算需求,为冬小麦生长观测以及田间农艺措施管理决策提供了一个准确、鲁棒、可嵌入移动终端设备的工具.

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