張玉國 申智輝 韋剛 關(guān)宇晟 廣西慧云信息技術(shù)有限公司

中國是全球第一柑橘生產(chǎn)大國，約占全球產(chǎn)量和消費(fèi)量近七成和近四分之一的出口量。柑橘行業(yè)正在快速發(fā)展，柑橘種植戶也越來越多，產(chǎn)地也越來越大。但是行業(yè)的一些問題比較明顯：1、柑橘病害專家少，無法能實(shí)際到各個(gè)農(nóng)戶的果園進(jìn)行考察病害診斷，導(dǎo)致柑橘出現(xiàn)病害不能及時(shí)確診用藥，造成農(nóng)戶損失。2、柑橘進(jìn)入關(guān)鍵物候期花期，無法進(jìn)行有效的施肥施藥，導(dǎo)致柑橘的關(guān)鍵物候期花期生長情況出現(xiàn)問題產(chǎn)量下降甚至出現(xiàn)病蟲害等。本文主要講解如何通過AI 進(jìn)行圖片識(shí)別，解決柑橘的病蟲害診斷，以及柑橘關(guān)鍵物候期花期判斷的方法。

一、柑橘病蟲害圖片識(shí)別

目前大部分柑橘農(nóng)戶的果園出現(xiàn)病蟲害，農(nóng)戶要不就是自己觀察病害確診，要不就是請(qǐng)專家進(jìn)行確診，然而專家數(shù)量少，預(yù)約專家到果園問診耗費(fèi)時(shí)間長，而且到達(dá)果園往往路途遙遠(yuǎn)，柑橘病蟲害無法高效快速的確認(rèn)。本文提供的柑橘病蟲害圖片識(shí)別方式，只需要用戶使用【耘眼】微信小程序或者App 的病蟲害識(shí)別功能點(diǎn)擊拍照對(duì)柑橘葉片的病害部位進(jìn)行拍照，確認(rèn)識(shí)別，不到一秒鐘之后，程序便會(huì)返回識(shí)別結(jié)果，當(dāng)前葉片出現(xiàn)的是什么病害，可信度達(dá)到的百分比，同時(shí)提供此病害病害描述，農(nóng)事防治方案，化學(xué)用藥防治方案等。農(nóng)戶可快速對(duì)病蟲害進(jìn)行判斷確認(rèn)，從而及時(shí)用藥進(jìn)行診治。通過柑橘病蟲害的圖片識(shí)別功能，柑橘種植戶不僅可快速的拍照片便可確診柑橘的病蟲害情況，又可獲取有效的防治方案，在效率上比傳統(tǒng)的需要聯(lián)系專家進(jìn)行考察確診快速了很多。同時(shí)如果柑橘種植戶對(duì)圖片識(shí)別的診斷結(jié)果有疑問也可以通過問答對(duì)【耘眼】進(jìn)行提問，【耘眼】有相關(guān)專家進(jìn)行詳細(xì)解答，進(jìn)一步有效的解決柑橘種植戶的柑橘病害診斷的問題。

二、柑橘物候期花期的圖片識(shí)別

柑橘農(nóng)戶種植過程中除了病蟲害是一大問題，如何確認(rèn)種植的柑橘進(jìn)入了哪一個(gè)物候期花期也是至關(guān)重要的一環(huán)。比如柑橘進(jìn)入現(xiàn)蕾期，此時(shí)期柑橘開始萌芽，類似蚜蟲、木虱、紅蜘蛛、瘡痂病、炭疽病、疫病等容易出現(xiàn)，如果無法確認(rèn)物候期花期則在對(duì)即將可能發(fā)生的病蟲害無法提前進(jìn)行有效的農(nóng)事任務(wù)進(jìn)行預(yù)防，則可能導(dǎo)致柑橘出現(xiàn)病害，損害農(nóng)戶利益，同時(shí)柑橘開花需要大量的營養(yǎng)，如沒有專業(yè)指導(dǎo)可能導(dǎo)致營養(yǎng)不足，花的質(zhì)量差，花期短暫，就會(huì)嚴(yán)重影響柑橘的坐果率。為此【耘眼】微信小程序的柑橘物候期花期的識(shí)別功能就可快速高效的解決這個(gè)問題，同樣的【耘眼】微信小程序或者APP 提供柑橘物候期花期的圖片識(shí)別功能，種植戶只需要簡(jiǎn)單的打開微信小程序，對(duì)柑橘進(jìn)行拍照，不到一秒鐘，程序便會(huì)返回判斷結(jié)果，當(dāng)前拍攝的照片處于哪一個(gè)物候期花期，并且顯示此物候期花期下重點(diǎn)防治病害，需要補(bǔ)充何種營養(yǎng)，應(yīng)注意什么農(nóng)事等等。程序判斷依據(jù)的根據(jù)識(shí)別出來的各個(gè)時(shí)期的識(shí)別結(jié)果進(jìn)行制定的綜合規(guī)則匹配判斷進(jìn)行得出的結(jié)果，簡(jiǎn)單舉例就是如果識(shí)別出來露白期花有9 朵，綻蕾期的有2朵則匹配出來的結(jié)果顯示認(rèn)為此照片處于露白期，并且告知露白期下須注意預(yù)防病害蟲害，露白期下是否需要重點(diǎn)補(bǔ)充營養(yǎng)，補(bǔ)充何種營養(yǎng)，是否需要進(jìn)行何種農(nóng)事任務(wù)。

三、識(shí)別模型訓(xùn)練設(shè)計(jì)

柑橘病蟲害以及柑橘物候期花期的模型訓(xùn)練步驟如下：

柑橘識(shí)別的模型通過采集多張柑橘的圖片，對(duì)柑橘圖片中的病蟲害和物候期花期特征進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

具體的，采集柑橘的各種病蟲害和物候期花期特征的照片作為樣本庫，每種病蟲害和物候期花期特征的圖片數(shù)量不少于1000張；利用labelme 標(biāo)注工具對(duì)圖片中的柑橘病蟲害和物候期花期特征進(jìn)行標(biāo)注，框出圖片中的病蟲害和物候期花期特征。

A1，對(duì)已框出特征的圖片進(jìn)行增強(qiáng)處理，對(duì)圖片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、圖片亮度、暗度進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)增強(qiáng)；使用caffe 的Scale layer 和BatchNorm layer 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)歸一化處理；增加樣本數(shù)量，以提高算法魯棒性。

A2，將增強(qiáng)后的柑橘病蟲害和物候期花期特征圖片按照80%為訓(xùn)練集，20%為測(cè)試集的比率進(jìn)行分配。

A3，將訓(xùn)練集輸入fasterrcnn 深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練以提取柑橘病蟲害和物候期花期特征信息，病蟲害特征信息，根據(jù)柑橘的病蟲害和物候期花期特征信息獲取柑橘病蟲害和物候期花期的位置，經(jīng)30 萬次迭代后生成fasterrcnn 深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

A4，利用測(cè)試集對(duì)訓(xùn)練出來的模型網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，通過訓(xùn)練出來的模型進(jìn)行識(shí)別的到的識(shí)別結(jié)果的位置以及識(shí)別信息與測(cè)試圖片在A1 框選出來的柑橘病蟲害和物候期花期信息進(jìn)行比較，最終通過平均精度map 和召回率recall 進(jìn)行評(píng)估，召回率recall 為將正類預(yù)測(cè)為正類數(shù)占將正類預(yù)測(cè)為正類數(shù)加將正類預(yù)測(cè)為負(fù)類數(shù)的比例，重復(fù)步驟A3 和A4 平均精度map 和召回率recall 達(dá)到需求，從而獲取最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的所述fasterrcnn 深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用該最優(yōu)的fasterrcnn 深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)該位置的柑橘病蟲害的特征信息識(shí)別病蟲害。

A5，基于A4 便可識(shí)別出圖片里病蟲害和物候期花期特征，并將特征在圖片的位置坐標(biāo)框選出來。病蟲害的識(shí)別于此便可展示結(jié)果。柑橘物候期花期則需要再進(jìn)行規(guī)則判斷物候期花期，判斷方式如下：

假設(shè)單張圖片里包含現(xiàn)蕾期的識(shí)別結(jié)果為X1 個(gè)，露白期的識(shí)別結(jié)果為X2 個(gè)，綻蕾期的識(shí)別結(jié)果為X3 個(gè)，謝花期的識(shí)別結(jié)果為X4 個(gè)。總識(shí)別數(shù)量為T=（X1+X2+X3+X4），則現(xiàn)蕾期占比為rate_x=X1/T，露白期占比為rate_l=X2/T，綻蕾期占比為rate_z=X3/T，謝花期占比為rate_xh=X4/T。根據(jù)各個(gè)時(shí)期占圖片總占比來判斷柑橘花期。

四、項(xiàng)目架構(gòu)

項(xiàng)目基于C#做應(yīng)用層開發(fā)，微軟.net Core 架構(gòu)API 接口，項(xiàng)目客戶端為IOS，安卓以及微信小程序?qū)咏涌?。其中微信小程序使用React 框架進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)。項(xiàng)目后臺(tái)維護(hù)頁面則使用html，javascript 等進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。識(shí)別服務(wù)使用Python 進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)庫使用sqlserver2012R2 進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，使用redis 進(jìn)行數(shù)據(jù)內(nèi)存管理。

項(xiàng)目架構(gòu)框架為客戶端，應(yīng)用服務(wù)，識(shí)別服務(wù)。項(xiàng)目架構(gòu)流程客戶端通過http 方式進(jìn)行請(qǐng)求識(shí)別，API 接口接收到http 請(qǐng)求對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行安全令牌校驗(yàn)，業(yè)務(wù)驗(yàn)證，然后進(jìn)行請(qǐng)求識(shí)別，識(shí)別服務(wù)接收到識(shí)別請(qǐng)求對(duì)請(qǐng)求的圖片進(jìn)行圖片加載然后進(jìn)行圖片識(shí)別，返回識(shí)別結(jié)果到應(yīng)用層，應(yīng)用層將識(shí)別服務(wù)返回的識(shí)別結(jié)果進(jìn)行解析處理，解析處理包含規(guī)則判斷，可信度判斷，以及整合相關(guān)屬性信息等。最后應(yīng)用層將結(jié)果數(shù)據(jù)返回到客戶端，客戶端對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理展示到頁面上。

項(xiàng)目部署于阿里云上，使用一臺(tái)Windows server 2012 服務(wù)器進(jìn)行應(yīng)用服務(wù)部署，一臺(tái)windows server 2012 服務(wù)器進(jìn)行部署數(shù)據(jù)庫Sqlserver 2012R2，一臺(tái)Linux 帶GPU 的服務(wù)器進(jìn)行部署識(shí)別服務(wù)部署。

五、結(jié)語

人工智能是當(dāng)今科技的發(fā)展潮流，目前人工智能已經(jīng)逐步走入了老百姓的日常生活中，基于柑橘的AI 圖片識(shí)別微信小程序【耘眼】也已經(jīng)正式面向了全國的柑橘種植戶，免費(fèi)供用戶使用。同時(shí)【耘眼】還提供“農(nóng)藥復(fù)配”，“咨詢問答”，用戶使用【耘眼】還可獲得積分，紅包等活動(dòng)。目前【耘眼】在全國服務(wù)的用戶已達(dá)15 萬之多。真正的做到了柑橘種植農(nóng)戶解決根本問題，為柑橘種植農(nóng)戶提供幫助。也獲得了老百姓的普遍贊美和一致好評(píng)。目前“耘眼”也是不斷的更新迭代，增加商城，天氣預(yù)警等在農(nóng)戶所關(guān)心的難點(diǎn)和痛點(diǎn)上下手，專門為農(nóng)戶解決問題。當(dāng)前【耘眼】也是不斷的進(jìn)行推廣宣傳，讓更多的農(nóng)戶認(rèn)識(shí)【耘眼】，讓【耘眼】為更多的用戶服務(wù)，給予他們幫助。目前【耘眼】是作用在手機(jī)上主要是靠手機(jī)拍照進(jìn)行對(duì)柑橘園區(qū)病沖害和物候期花期進(jìn)行判斷。需要農(nóng)戶主動(dòng)的去發(fā)起這個(gè)事件。未來我們可以將功能集成到相機(jī)，攝像頭，專門在柑橘園區(qū)安裝攝像頭設(shè)備，即可實(shí)時(shí)進(jìn)行無人監(jiān)測(cè)，即使沒有農(nóng)戶在園區(qū)，攝像頭也可每天對(duì)柑橘的生長狀態(tài)進(jìn)行全方面監(jiān)控，對(duì)病蟲害和物候期進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，將預(yù)警發(fā)送到種植戶手中，真正實(shí)現(xiàn)人工智能，未來可期。