تعیین زمان برداشت میوه سیب با استفاده از تصاویر رنگی و یادگیری عمیق

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

گروه آب و خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه صنعتی شاهرود

چکیده

شناسایی مراحل رشد میوه پیش از برداشت عامل مهمی در بهبود کمیت و کیفیت میوه است. داشتن چنین اطلاعاتی به باغ‌دار کمک می‌کند که تیمار مناسب هر مرحله از رشد را اعمال نماید و باتوجه به شرایط متغیر آب‌و‌هوایی، به درک مناسبی از زمان برداشت میوه دست پیدا کند. با این هدف، در پژوهش حاضر از تصاویر رنگی برای شناسایی هفته‌های منتهی به زمان برداشت میوه سیب گلدن پاییزه استفاده شد. با استفاده از فناوری یادگیری عمیق و شبکه‌های عصبی پیچشی، مدل EfficientNetB1 برای طبقه‌بندی عکس‌های گرفته شده در هفته‌های مختلف رشدی میوه سیب استفاده‌شد. داده‌ها به‌صورت تصادفی به سه دسته آموزش (60%)، اعتبارسنجی (20%) و آزمون (20%) تقسیم شدند. همچنین، دو فرایند پیش‌پردازش یعنی نرمال‌سازی داده‌ها و نیز داده‌افزایی برای حصول نتایج بهتر منظور گردید و در مرحله توسعه مدل از بهینه ساز Nadam و تابع هزینه categorical_crossentropy استفاده شد. نتایج نشان‌داد که مدل توسعه داده‌شده قابلیت خوبی در طبقه‌بندی تصاویر ورودی خواهدداشت. مقدار ضریب همبستگی (R) برای داده‌های آموزش، اعتبارسنجی و آزمون به ترتیب 86/0، 88/0 و 87/0 به‌دست آمد. همچنین، توانایی مدل در طبقه‌بندی با استفاده از پارامترهای precision، recall و f1-score برای هر طبقه ارائه گردید که برطبق آن برخی از طبقه‌ها با دقت 100% از سایر طبقه‌ها متمایز شدند. با توجه به قابلیت‌های یادگیری عمیق در طبقه‌بندی عکس‌ها در شرایط کاملاً طبیعی، این قبیل مدل‌ها می‌توانند در توسعه ربات‌های برداشت و یا سامانه‌های عکس برداری هوایی و غیره استفاده شوند و اهداف مختلفی در کشاورزی دقیق، و به طور خاص، باغبانی دقیق را برآورده سازند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Determining apple fruit harvest time using color images and deep learning

نویسنده [English]

  • Seyed Iman Saedi
Department of Water and Soil , Faculty of Agricultural Engineering, Shahrood University of Technology
چکیده [English]

Identifying the growth stages of fruits in orchards is an important factor in improving the quantity and quality of the final product. Having such information helps the growers to apply the appropriate treatment for each growth stage and also to get a proper understanding of the fruit harvesting time, which may change due to changing weather conditions. Therefore, in the present study, color images of golden apples were used to estimate the weeks remaining to the harvest time. The EfficientNetB1 model was used to classify images taken from different weeks of apple fruit development using deep learning technology and convolutional neural networks. The data were divided into three categories: training (60%), validation (20%), and test (20%). Also, two pre-processing processes, i.e. data normalization and data augmentation, were used to obtain better results. Finally, Nadam optimizer and categorical_crossentropy cost function were considered in creating the model. The results showed that the developed model would have a good ability to classify input images. The value of the correlation coefficient (R) for training, validation, and test data was 0.86, 0.88, and 0.87 respectively. Also, the ability of the model to classify different classes was presented using precision, recall, and f1-score parameters for each class, according to which some classes achieved 100% accuracy. Consequently, the obtained results can be used as a platform for the development of harvesting robots, mobile apps, as well as aerial imagery systems using drones, etc. to fulfill various purposes in precision agriculture, and in particular, precision horticulture.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Precision horticulture
  • Deep learning
  • EfficientNetB1 network
  • Classification
  • Harvest time
  • Color images
  • Apple