程海超

(1.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255000；2.山東石油化工學(xué)院，山東 東營 257000)

番茄是一種常見的蔬菜，同時(shí)也是人們飯桌上常見的食材，同時(shí)，番茄還富含多種營養(yǎng)物質(zhì)，是一種對(duì)人體有益處的健康食品。但在實(shí)際的番茄種植中，番茄植株容易受到病蟲害的影響，不僅會(huì)影響番茄種植效果，還容易造成番茄減產(chǎn)，嚴(yán)重影響番茄的種植?；诖耍疚膶?duì)基于YOLO的番茄病蟲害識(shí)別算法進(jìn)行研究，對(duì)番茄病蟲害進(jìn)行簡單分析，對(duì)基于YOLO的識(shí)別算法進(jìn)行簡單研究，確?；赮OLO的識(shí)別算法能實(shí)現(xiàn)在番茄病蟲害識(shí)別中的應(yīng)用，旨在為番茄種植提供幫助，最終推動(dòng)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化信息發(fā)展。

1 番茄病蟲害研究

作為一種常見蔬菜，在我國番茄有著多年的種植歷史，也正是因?yàn)槎嗄甑姆N植歷史，使得番茄具有更多種植病蟲害，對(duì)番茄的影響相對(duì)較多，現(xiàn)結(jié)合番茄的基本情況，對(duì)番茄的病蟲害進(jìn)行簡單研究。

1.1 真菌性病害

真菌性病害是番茄常見的病害，包括晚疫病、早疫病、炭疽病、灰霉病等。其中，晚疫病可以在番茄的幼苗期和成株期危害，會(huì)給番茄的根、莖、葉，甚至是果實(shí)造成影響，嚴(yán)重影響番茄的正常生長和結(jié)實(shí)。而成株期則多以葉和青果受到影響。早疫病同樣是一種幼苗和成株期都能感染的疫病，受到該病的影響，番茄在幼苗期莖基部會(huì)出現(xiàn)暗褐色病斑，稍有凹陷，有輪紋；成株期，葉片發(fā)病，主要呈現(xiàn)水浸狀綠色病斑；同時(shí)，病斑還會(huì)向上延伸，直至葉片脫落，嚴(yán)重影響番茄的健康成長。炭疽病則是一種作用于將近成熟和成熟果實(shí)的疫病，受到該病的影響，果實(shí)會(huì)出現(xiàn)初生水漬狀小斑點(diǎn)，小斑點(diǎn)逐漸擴(kuò)大，直至變成為黑褐色凹陷具有同心輪紋的病斑；同時(shí)，如果番茄處于潮濕狀況，斑面會(huì)有密生針頭大小的朱紅色液質(zhì)小點(diǎn)，造成番茄果實(shí)腐爛，最后造成果實(shí)脫落，嚴(yán)重影響番茄的種植效果?；颐共⊥瑯邮欠殉Ｒ姷囊卟?，受到該病的影響，番茄會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的水腐狀，同時(shí)，果實(shí)、根莖葉都可發(fā)病，嚴(yán)重影響番茄整株植株的健康，不利于番茄的健康。

1.2 細(xì)菌性病害

青枯病是一種常見的細(xì)菌性病害，受到青枯病的影響，番茄會(huì)出現(xiàn)中午枯萎，傍晚恢復(fù)的情況，并易在2～3d后枯死；番茄發(fā)病后植株仍舊為青色，但是維管會(huì)變?yōu)楹稚?，并出現(xiàn)腐爛跡象。一般情況下，高溫高濕的環(huán)境容易造成細(xì)菌性病害的發(fā)生。

1.3 病毒性病害

病毒性病害同樣是番茄常見的病害，主要以病毒病為主，這類病害對(duì)番茄的影響相對(duì)較大，不利于番茄的種植，所以，為了保證番茄種植效果，需要做好番茄病毒病的防治。這類病害會(huì)造成番茄出現(xiàn)花葉型、厥葉型、條斑型等幾種情況，其中，該病會(huì)通過摩擦、打杈、綁架、蚜蟲、機(jī)械等方式，實(shí)現(xiàn)病害的傳播，嚴(yán)重影響番茄的種植效果。

1.4 蟲害

番茄蟲害包括棉鈴蟲和白粉虱2種，這2種病害是番茄最常見的蟲害，同時(shí)也是對(duì)番茄影響最大的2種蟲害。其中，棉鈴蟲主要對(duì)果實(shí)影響較大，棉鈴蟲屬于雜食性蟲類，會(huì)啃食植物果實(shí)，并以幼蟲蛀果為主，同時(shí)也會(huì)給花蕾、花，甚至是葉片嫩芽等帶來損害，并且，幼蟲蛀入果實(shí)內(nèi)，會(huì)給果實(shí)帶來嚴(yán)重影響，并在造成蛀孔后，轉(zhuǎn)移到其他果實(shí)中，繼續(xù)進(jìn)行啃食，嚴(yán)重影響番茄的種植效果，造成番茄的減產(chǎn)。白粉虱主要是以成蟲和幼蟲密集在葉片背面實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片汁液的吸食，造成葉片出現(xiàn)枯黃，甚至是枯死，嚴(yán)重影響番茄種植質(zhì)量。

2 基于YOLO番茄病蟲害識(shí)別算法研究

結(jié)合番茄病蟲害的基本情況，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)番茄病害的有效處理，需要采取有效的病蟲害識(shí)別措施，在病蟲害發(fā)生時(shí)，將病蟲害扼殺在搖籃中，從而有效降低病蟲害給番茄帶來的影響，保證番茄的產(chǎn)量，確保番茄種植的經(jīng)濟(jì)效益，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

2.1 YOLO的簡單分析

YOLO是一種將物體檢測(cè)作為回歸問題求解的算法，實(shí)際的應(yīng)用中，使用這種算法，能夠?qū)崿F(xiàn)基于一個(gè)end-to-end網(wǎng)絡(luò)，完成從原始圖像輸入到物體位置和類別輸出。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)上，YOLO的訓(xùn)練和檢測(cè)都是在一個(gè)單獨(dú)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行，同時(shí)，其還將檢測(cè)物作為一個(gè)回歸問題進(jìn)行求解。

2.2 基于YOLO的病蟲害檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

與深度學(xué)習(xí)圖像分類相比，目標(biāo)檢測(cè)可以對(duì)圖片中的目標(biāo)類別進(jìn)行識(shí)別，并對(duì)目標(biāo)的具體位置坐標(biāo)進(jìn)行展示，從而有效提高病蟲害的控制效果，通過基于YOLO的病蟲害檢測(cè)系統(tǒng)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)病蟲害位置，便于種植人員采取相應(yīng)防治措施，以確保番茄種植效果。為進(jìn)一步對(duì)基于YOLO的病蟲害識(shí)別算法進(jìn)行研究，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)進(jìn)行研究，從而得到具體的架構(gòu)情況，如圖1所示。

圖1 基于YOLO的病蟲害檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)情況

以上述架構(gòu)為基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)基于YOLO的病蟲害檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建，架構(gòu)中主干網(wǎng)絡(luò)是由Darknet-53構(gòu)成，而其還包含53個(gè)卷積層，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)梯度爆炸幾率的控制，確保病蟲害檢測(cè)的精度和可靠性，降低環(huán)境因素給施工帶來的影響，有效提升系統(tǒng)的可靠性，從而滿足番茄種植的基本需求。另外，該系統(tǒng)能夠在病蟲害的識(shí)別中獲取較好的識(shí)別效果?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)大小差異的病斑和蟲害識(shí)別。在獲取相應(yīng)識(shí)別信息后，種植管理人員采取有效的病蟲害防治措施，實(shí)現(xiàn)病蟲害有效防治，降低病蟲害造成的損失，全面提升經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2.3 基于YOLO的病蟲害檢驗(yàn)算法研究

為了滿足基于YOLO的病蟲害檢測(cè)系統(tǒng)的基本需求，需要在實(shí)際的病蟲害檢測(cè)中，合理對(duì)各種算法進(jìn)行利用。所以，需要結(jié)合實(shí)際情況，合理對(duì)YOLO的病蟲害識(shí)別算法進(jìn)行研究，從而使得識(shí)別算法能夠得到合理運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)病蟲害的快速發(fā)現(xiàn)，從而提高病蟲害的識(shí)別能力，降低病蟲害給番茄種植帶來的負(fù)面影響，全面降低病蟲害帶來的負(fù)面作用。

實(shí)際的病蟲害識(shí)別中，需要對(duì)病蟲害特征進(jìn)行提取，對(duì)采集到的特征圖進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)病蟲害區(qū)域中心坐標(biāo)所在的網(wǎng)格進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，網(wǎng)格進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)的邊框數(shù)量是一定的，所以，不同邊框的尺寸是有差異的，所以，僅選擇實(shí)際邊框的IOU值最大邊框，輸出特征圖會(huì)包括2種維度，其中一個(gè)是特征圖，另外一種是深度，也就是說，B×(5+C)，其中B為網(wǎng)格進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)的邊框數(shù)量，而C則為病蟲害的數(shù)量情況，5是病蟲害目標(biāo)的4個(gè)位置，與1個(gè)置信度，置信度公式：

(1)

(2)

結(jié)合公式(2)可以發(fā)現(xiàn)，(Lx,Ly)是網(wǎng)格坐標(biāo)偏移量；而prew和preh則分別描述邊框的邊長，最終獲取的邊框坐標(biāo)值可以用desx、desy、desy、desh描述；同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的目標(biāo)可以用Ix、Iy、Iw、Ih描述。

結(jié)合上述內(nèi)容的相應(yīng)研究，得到在預(yù)測(cè)過程中需要以病蟲害的預(yù)測(cè)為基礎(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)病蟲害目標(biāo)的合理預(yù)測(cè)，從而保證目標(biāo)預(yù)測(cè)值的合理計(jì)算，進(jìn)而滿足相應(yīng)工作的基本要求，促使預(yù)測(cè)值可以為病蟲害的預(yù)測(cè)提供幫助。

在上述公式邊框預(yù)測(cè)情況為基礎(chǔ)前提下，對(duì)損失函數(shù)進(jìn)行研究，從而得到有無目標(biāo)的IUO分類的誤差平方和，公式：

Loss=Losscoord+Lossobj+Lossclass

(3)

通過公式(3)可以發(fā)現(xiàn)，Loss是用于描述坐標(biāo)的預(yù)測(cè)，進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行研究，能夠得到中心點(diǎn)坐標(biāo)的(x，y)，且邊框的高度h和寬度w進(jìn)一步分析可以得到如下算法：

(4)

由公式(4)進(jìn)一步分析可以得到，包含或不包含病蟲害對(duì)象的邊框置信度預(yù)測(cè)情況，可以用以下公式進(jìn)行描述：

(5)

在此基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行變化，可以得到：

(6)

按照上述模型，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)病蟲害的識(shí)別算法研究，通過算法的合理運(yùn)用，就可以滿足番茄病蟲害識(shí)別的基本需求，同時(shí)，通過識(shí)別試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，通過上述模型、上述系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)番茄病蟲害的合理識(shí)別，并且能夠在病蟲害的早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)，便于種植番茄的相關(guān)人員及時(shí)采取相應(yīng)的防治措施，降低病蟲害給番茄帶來的影響，從而提升番茄種植效果，確保番茄產(chǎn)量提升，保證種植番茄的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)束語

本文對(duì)基于YOLO番茄病蟲害識(shí)別算法的研究，對(duì)番茄病蟲害的相應(yīng)內(nèi)容進(jìn)行研究，每種病蟲害展開分析，了解番茄病蟲害的基本情況，在此基礎(chǔ)上對(duì)基于YOLO的番茄病蟲害識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行闡述，闡述系統(tǒng)的架構(gòu)后，對(duì)基于YOLO番茄病蟲害識(shí)別算法進(jìn)行研究，旨在明確番茄病蟲害的合理識(shí)別，確保番茄病蟲害可以得到合理的控制，降低病蟲害給番茄種植帶來的影響，確保番茄種植的經(jīng)濟(jì)效益。