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利用无人机捕获的RGB图像开发用于水稻植株计数和定位的轻量级模型
发布时间:
2025-05-10
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准确获取水稻植株的数量和位置在精准施肥和产量预测等农业应用中起着至关重要的作用。随着深度学习的快速发展,人们提出了许多植物计数模型。然而,很多模型包含大量参数,不适合在计算资源有限的农业环境中部署。为了应对这一挑战,我们提出了一种新的剪枝方法--余弦规范融合(CNF)和一种轻量级特征融合技术--深度注意融合模块(DAFM)。在这些创新的基础上,我们修改了现有的P2PNet网络,创建了P2P-CNF,一个轻量级的水稻植株计数模型。该过程首先使用CNF对训练好的网络进行剪枝,然后集成我们的轻量级特征融合模块DAFM。为了验证我们方法的有效性,我们使用水稻数据集进行了实验,其中包括由无人机捕获的RSC-UAV数据集。结果表明,我们的方法仅使用了33%的原始网络参数就实现了3.12的MAE和4.12的RMSE。我们还在其他植物计数数据集上对我们的方法进行了评估,结果表明,我们的方法在保持轻量级架构的同时,实现了较高的计数精度。
图1 (a)数据收集地点(b)收集设备和相应的捕获图像
图2 不同日期收集的水稻样本
图3 训练和测试数据集的分布
图4 P2P-CNF的整体架构
图5 网络瘦身程序流程图
图6 在余弦范数融合(CNF)所使用的剪枝过程中,从批归一化(BN)层中得到缩放因子(γ),并在训练过程中对这些因子进行正则化。当认为不太重要的通道变得稀疏时,计算修剪和保留通道之间的余弦相似度以促进它们的融合
图7 深度关注融合模块(DAFM)的详细流程
表1 实验软件、硬件配置
表2 不同模型在RSC-UAV数据集上的结果
表3 RSC-UAV数据集定位实验结果
图8 展示了RSC-UAV数据集上不同模型的可视化,其中(a)显示了地面实况。“实际计数”是指实际的点数;(b–h)显示不同模型预测的结果,其中“predcount”表示每个模型预测的点数
表4 RSC-UAV数据集不同比例参数剪枝结果
图9 显示了RSC-UAV数据集上的可视化效果,地面实况显示在(a)上,然后是具有从(b-f)逐渐修剪参数比率的主干网络模型,原始模型显示在(g)上。可视化效果包括检测结果及其相应的热图表示形式
表5 在RSC-UAV数据集上进行的消融实验中,CNF是指本文提出的修剪方法。“尺度稀疏率”表示稀疏因子,表示CNF从主干网络修剪的参数的百分比。DAFM表示本文介绍的特征融合方法
图10 RSC-UAV数据集上的消融实验图如下:(a)显示地面实况;(b)为使用CNF对60%的参数进行剪枝后的结果;(c)展示了仅使用CNF剪枝的P2PNet模型;(d)展示了完整的P2P-CNF方法,该方法结合了DAFM来增强特征融合
表6不同模型在URC数据集上的结果
图11在URC数据集的可视化中,(a)表示真实值。P2PNet、P2P-CNF(修剪60%)和P2P-CNF(修剪70%)的计数结果分别如(b-d)所示
图12在URC数据集的热图可视化中,(a)为原始图像。(b-d)的后续列显示P2PNet的热图结果,其次是P2P-CNF(修剪60%)和P2P-CNF(修剪70%)
表7 不同模型在WED数据集上的结果
图13 WED数据集(a)的可视化结果。(b)显示的是P2PNet的计数结果及其热图可视化,而(c)显示的是P2P-CNF的可视化结果(剪枝60%)
表8 不同模型在MTC数据集上的结果
图14 MTC数据集的可视化包括(a)的地面实况。从(b-f)开始,后续图像显示了具有不同列比参数的P2P-CNF的计数效应图,最终以基线模型P2PNet在(g)上的计数效应图结束
表9 不同尺度解析速率下的实验结果
SunH, TanS,LuoZ,etal.DevelopmentofaLightweightModelforRicePlantCountingandLocalizationUsingUAV-CapturedRGBImagery.Agriculture,2025,15(2):122.
编辑
王三三
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