我國既是棉花生產(chǎn)大國又棉花消費大國,棉花產(chǎn)量關(guān)系著國計民生,而棉花整個生長周期受到多種病蟲害的侵襲,嚴(yán)重影響其產(chǎn)量,因此能快速準(zhǔn)確的識別出棉花病蟲害的種類并給予及時準(zhǔn)確防治對于避免病害進(jìn)一步擴(kuò)散進(jìn)而提高棉花產(chǎn)量至關(guān)重要。由于傳統(tǒng)的棉花病蟲害檢測依靠植物保護(hù)專家或者經(jīng)驗豐富的農(nóng)人,費時費力且對于人眼較難觀察的微小病變識別準(zhǔn)確率低,另外,傳統(tǒng)的檢測方法需要復(fù)雜的人工特征分割與提取,增加了人工成本,且計算復(fù)雜度高也造成識別效果不理想。鑒于此,本文將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolutional neural network,CNN)算法用于棉花葉部病蟲害圖像自動識別研究中。本文在CNN算法的基礎(chǔ)上,以棉花的枯萎病,黃萎病,棉鈴疫病,褐斑病,角斑病,棉葉螨為研究對象展開研究。針對棉花病蟲害圖像數(shù)據(jù)集較小容易產(chǎn)生過擬合的問題,引入了遷移學(xué)習(xí)算法輔以數(shù)據(jù)增強技術(shù)以解決該問題,最后開發(fā)了一款A(yù)PP用于棉花病蟲害自動檢測。主要研究內(nèi)容如下:(1)針對本研究搜集的數(shù)據(jù),設(shè)計了6種不同卷積深度的CNN模型以完成棉花病蟲害圖像特征的自動提取,并采用Softmax分類器實現(xiàn)病蟲害類型的識別,探究了適合本棉花病蟲害數(shù)據(jù)集的深度網(wǎng)絡(luò)模型。對比了傳統(tǒng)的支持向量機(jī)(support vector machine,SVM)方法和BP(back propagation,BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的實驗效果。(2)仿照AlexNet模型搭建了5個卷積層和2個全連接層和1個Softmax分類層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使用該模型對棉花葉部6種病蟲害進(jìn)行分類研究。本部分實驗分兩部分,第一部分利用PlantVillage大數(shù)據(jù)集在搭建的模型上學(xué)習(xí)來得到預(yù)訓(xùn)練模型作為特征提取器并保存模型,然后利用模型遷移、微調(diào)參數(shù)的遷移學(xué)習(xí)方式在原始棉花病害數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練我們的模型;第二部分使用數(shù)據(jù)增強技術(shù)對原始棉花病害數(shù)據(jù)集進(jìn)行擴(kuò)充得到的新的數(shù)據(jù)集,然后用新數(shù)據(jù)集代替原始數(shù)據(jù)集重復(fù)第一部分實驗,得到最終的模型。綜合對比了支持SVM和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法以及深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(VGG-19和Google Inception v2)的實驗效果。(3)本文將研究的最終模型遷移到Android設(shè)備上制作一款A(yù)PP,以實現(xiàn)棉花葉部病蟲害的識別。
【學(xué)位單位】：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：S435.621;TP391.41;TP18
【部分圖文】：

基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的棉花葉部病蟲害自動識別研究10圖2-1CNN卷積層局部連接Fig.2-1CNNvolumelayerlocalconnection卷積層的另一大特征是權(quán)值共享，對于CNN的同一個卷積層的所有神經(jīng)元共同使用同一個卷積核的權(quán)值（劉小明，2018），這種方式減少了參數(shù)數(shù)量，加快了網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練速度。比如一個3×3大小的卷積核，共9個參數(shù)，它會和輸入圖片的不同區(qū)域作卷積，來檢測相同的特征，而只有不同的卷積核才會對應(yīng)不同的權(quán)值參數(shù)，來檢測不同的特征。如圖2-2所示，通過權(quán)值共享和局部連接的方法，這里一共只有3個不同的權(quán)值，如果只用了局部連接的方法，共需要3*4=12個權(quán)值參數(shù)，權(quán)值共享進(jìn)一步減少了參數(shù)數(shù)量。圖2-2CNN卷積層權(quán)值共享Fig.2-2CNNvolumelayerweightsharing2.2卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)介紹常見的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般由輸入層、卷積層、激活層、池化層、全連接層組成，常見的CNN結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的低隱層是由卷積層和池化層交替組成（激活層緊跟在卷積層后面，一般不畫出），高層由全連接層（傳統(tǒng)多層感知器）的隱含層和邏輯回歸分類器（輸出層）組成（郭吉政，2015）。網(wǎng)絡(luò)模型采用梯度下降算法最小化代價函數(shù)對網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)重參數(shù)逐層反向調(diào)節(jié)，通過頻繁的迭代訓(xùn)練提高網(wǎng)絡(luò)的精度。

基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的棉花葉部病蟲害自動識別研究10圖2-1CNN卷積層局部連接Fig.2-1CNNvolumelayerlocalconnection卷積層的另一大特征是權(quán)值共享，對于CNN的同一個卷積層的所有神經(jīng)元共同使用同一個卷積核的權(quán)值（劉小明，2018），這種方式減少了參數(shù)數(shù)量，加快了網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練速度。比如一個3×3大小的卷積核，共9個參數(shù)，它會和輸入圖片的不同區(qū)域作卷積，來檢測相同的特征，而只有不同的卷積核才會對應(yīng)不同的權(quán)值參數(shù)，來檢測不同的特征。如圖2-2所示，通過權(quán)值共享和局部連接的方法，這里一共只有3個不同的權(quán)值，如果只用了局部連接的方法，共需要3*4=12個權(quán)值參數(shù)，權(quán)值共享進(jìn)一步減少了參數(shù)數(shù)量。圖2-2CNN卷積層權(quán)值共享Fig.2-2CNNvolumelayerweightsharing2.2卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)介紹常見的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般由輸入層、卷積層、激活層、池化層、全連接層組成，常見的CNN結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的低隱層是由卷積層和池化層交替組成（激活層緊跟在卷積層后面，一般不畫出），高層由全連接層（傳統(tǒng)多層感知器）的隱含層和邏輯回歸分類器（輸出層）組成（郭吉政，2015）。網(wǎng)絡(luò)模型采用梯度下降算法最小化代價函數(shù)對網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)重參數(shù)逐層反向調(diào)節(jié)，通過頻繁的迭代訓(xùn)練提高網(wǎng)絡(luò)的精度。

常見的CNN結(jié)構(gòu)
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本文編號：2875834