【摘 要】
：
在世界上,许多农业问题都是由作物害虫引起的。害虫防治不当是农产品抗虫性增加和农药残留过多的主要原因。农作物害虫在世界各地造成了严重的农业经济损失,害虫的准确识别是害虫防治的关键,也是农业领域的一个重大挑战。随着深度学习模型在图像识别方面显示出的巨大前景,该领域引起了许多农业专家的关注。然而,由于害虫图像数据集的缺乏和深度学习模型的不可解释性,阻碍了智能害虫识别领域的发展。因此本文通过构建害虫图像数
论文部分内容阅读
在世界上,许多农业问题都是由作物害虫引起的。害虫防治不当是农产品抗虫性增加和农药残留过多的主要原因。农作物害虫在世界各地造成了严重的农业经济损失,害虫的准确识别是害虫防治的关键,也是农业领域的一个重大挑战。随着深度学习模型在图像识别方面显示出的巨大前景,该领域引起了许多农业专家的关注。然而,由于害虫图像数据集的缺乏和深度学习模型的不可解释性,阻碍了智能害虫识别领域的发展。因此本文通过构建害虫图像数据集,利用迁移学习加微调训练深度学习模型,提高模型识别精度;提出了一种负样本检验方法回收用上传的害虫图像数据,扩充害虫图像数据库;对模型进行可视化分析,探究深度学习模型可解释性。本文研究结果如下:（1）构建了一个有效的害虫图像数据集,用于农业害虫图像识别研究。该数据集被命名为IP67,包含67类农业害虫,67,953张原始农业害虫图像数据。（2）本文选取了在图像识别领域取得显著成绩的Inception-V3、Res Net-50-V2、Mobile Net-V2和Xception四个模型。应用迁移学习加微调训练相结合的方法,分别基于构建的害虫图像数据IP67和目前已知公开的包含害虫种类数最多的数据集IP102进行了深度学习模型训练,验证了深度学习模型在害虫图像数据集上的效果。通过对比IP67和IP102的识别结果可以发现,新建数据集是更为有效的。（3）为了达到扩充害虫图像数据库的目的,本文提出了一种负样本检验方法。通过阈值设置使模型具有正负样本鉴别能力,并筛选出最适合作为收集用户上传的害虫图像数据的模型。实验结果表明四种深度学习模型中,Xception是最适合进行负样本筛选的模型,并得出了最优阈值0.55,该阈值可以达到83.13%的正样本保留率,和81.17%的负样本排除率。（4）本文以深度学习模型Inception-V3为例,结合特征分析、模型检查、显著表征和激活映射等方法可视化了其内部隐藏层、决策层。实验结果表明:（1）卷积层由浅及深,卷积神经网络从害虫图像中学到的概念类型也从低级逐渐变得高级。浅层神经网络学习简单的纹理、颜色、边缘等通用特征,这些特征是神经网络很容易从各类图片中学习得到的。（2）深层神经网络则是学习视觉语义特征,即图像与正确标签匹配特征。这类特征需要针对具体任务具体训练学习。（3）对深度学习模型的识别决策给出了合理的视觉解释。通过对模型决策层可视化结合模型识别结果得出的混淆矩阵图发现,模型在进行害虫图像识别时,更关注害虫的局部特征,是从局部到整体的识别过程。综上所述,本文构建了一个新的农业害虫图像数据集,供智能害虫识别研究。并在此数据集上训练了四种典型深度学习模型,创新性的提出了负样本检验方法,得出了在四种深度学习模型中Inception-V3识别效果最好,而Xception是最适合进行负样本筛选的模型。鉴于目前最重要的是进行数据收集,训练出能指导用户科学防治害虫的智能模型。因此推荐Xception作为嵌入移动端模型,而Inception-V3作为深度学习模型可解释性研究的基础模型。本文在前人研究的基础上,进一步扩充害虫图像数据,训练、研究深度学习模型,这些结果将有助于今后在农业智能害虫识别领域的研究。
其他文献
秸秆富含作物生长所需的碳、氮、磷、钾等元素,还田后可以增加养分含量及作物产量,改善土壤结构,还能有效缓解土壤有机碳的负平衡现象,提高土壤的固碳能力。在化肥减量的大背景下,秸秆还田已成为培肥改土、增产减排的重要农业措施。还田模式对还田效果影响较大,科学合理的还田模式不仅可以促进当地农业生产,还能避免秸秆资源的浪费和环境污染。本研究在秸秆还田为主要循环利用方式的前提下,利用田间原位监测、尼龙网袋法、计
土地利用/覆被变化（Land Use/Cover Change,LUCC）是人类活动和自然因素共同作用的结果,可以说是人类与自然相互影响最为显著的表现。水库蓄水作为人类土地利用行为之一,对陆地水循环系统具有深远的影响。近几十年来,为缓解水资源短缺及能源需求,我国范围内修建了近100000座各类型水库。水库的建设和运行在带来巨大的社会效益的同时,也可能影响库区小气候,进而影响土地利用和生态环境。然而
生态空间识别是有效维护生态环境和减缓生态服务功能退化的有效方法之一。实现生态空间主导功能识别,在未来城市化建设快速发展所导致区域环境问题加剧的背景下,无疑对优化国土空间开发保护新格局、加强地区生态保护具有重要意义。本文以邛崃市为例,运用Arc GIS、IDRISI、地理探测器等软件,对区域生态系统服务功能重要性和生态环境敏感性进行评价,以此识别稳定不变或变化幅度小的生态空间并探究生态系统服务功能重
镉（Cadmium,Cd）是土壤中重金属主要污染物,易于引起氧化胁迫效应,对植物的生长产生抑制作用,并通过食物链危害人类的身体健康。不同形态氮素对镉在植物中吸收、积累以及毒害效应具有差异性影响。阿魏酸（Ferulic acid,FA）作为酚酸类物质,既存在于单子叶植物细胞壁中,在谷物籽粒中含量也较高,结构上能与自由基结合,终止自由基链式反应,发挥抗氧化作用。但是FA与不同形态氮素的相互作用对镉污染
在开启全面建设社会主义现代化国家新征程、向第二个百年奋斗目标进军的历史新起点上,把握农村居民点空间布局特征,实现乡村空间重构发展,是乡村振兴研究的重要课题。本文以西藏自治区林芝市工布江达县为研究区域,选取高海拔农牧区农村居民点作为研究对象,基于GIS空间分析手段,运用平均最邻近指数法、核密度估计法、高/低聚类分析、空间热点探测分析、景观格局指数分析对农村居民点空间分布特征进行研究。从节约集约用地的
近年来,我国关于生物有机肥的研发与产业化工作进展迅猛,产业链也逐步形成,通过系统评价生物有机肥在改善农产品品质以及提升耕地质量中的作用,对实现我国农业可持续发展和绿色农产品生产有着重要意义。本试验采用盆栽试验,研究不同类型肥料和不同施肥量对樱桃番茄（Cherry tomatoes）的生长发育、养分吸收利用、果实品质、产量、土壤养分含量以及土壤微生物等的影响。试验肥料为新型生物有机肥,与传统生物有机
我国国土辽阔,海岸线绵长。沿海地区的钢筋混凝土结构会受到氯盐等的侵蚀,随着结构服役龄期不断增长,RC框架结构的结构性能不断衰减。因此,对多龄期钢筋混凝土框架结构进行抗震性能评价,以保证近海环境下的结构抗震可靠性具有重要意义。本文以近海环境条件下多个不同层高、不同设防烈度的钢筋混凝土框架结构作为研究对象,考虑不同服役龄期、设防烈度、层高和轴压比等参数的影响,以真实的海域地震动作为输入地震动,以地震动
血橙[Citrus sinensis（L.）Osbeck]是一种具有独特的血红色和玫瑰香的甜橙。血橙果实营养丰富、口感香甜,可直接食用,也可进一步深加工,因而在市场中占有特殊地位。但经长期种植的血橙果实品质严重退化,主要表现为果实糖度降低,口感偏酸,花青素减少,果肉较软,皮薄不易剥离,果实品质严重落后于其他甜橙。因此,寻求一种简单便捷的方式改善血橙果实品质,是提高经济价值的关键所在。一氧化氮（Ni
青藏高原是世界上海拔最高的高寒草甸分布区域,也是我国三大重点牧区之一,高寒草甸生态系统是当地畜牧业发展的重要生产资料。然而,近50年来,该区域受气候干暖化和草地资源过渡利用及不合理管理方式的影响,草甸出现了大面积退化。磷作为高寒草甸生产力的关键养分因子,草甸退化降低了磷的输入和有效性,制约了草甸生产能力和生态功能,影响了牧业经济的可持续发展。可见青藏高原区的生态健康和经济发展还有赖于厘清不同退化程
温室效应带来的气候变化正威胁着人类，减少碳排放成为研究热点。从国内外碳排放现状和我国双碳目标出发，阐述了发展二氧化碳移除技术的意义。通过对现阶段常用的二氧化碳捕集技术深冷法、吸收法、吸附法和膜分离法的简述，分析了各种技术方式的应用条件和优缺点，提出未来采用多技术集成拓展二氧化碳捕集应用领域，是提高二氧化碳捕集技术经济性和实现双碳目标的有效途径，并对二氧化碳捕集工艺设计和捕集方法选用提出参考建议。