AN ONTOLOGY OF CROP COLOUR IMAGE CATEGORIES FOR TRAINING AND TESTING ARTIFICIAL NEURAL NETWORK MODELS WITH CONVOLUTIONAL LAYERS

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23649/JAE.2023.40.30
Issue: № 12 (40), 2023
Suggested:
02.12.2023
Accepted:
08.12.2023
Published:
19.12.2023
329
3
XML
PDF

Abstract

The relevance of the work is conditioned by the fact that intensification of agricultural production requires processing of significant amounts of information to solve the problems of increasing bioproductivity and implementation of import substitution policy. The development of artificial intelligence (AI) methods, deep machine learning and neural network technologies makes it possible to process operational and retrospective information from agricultural lands using digital technologies on the basis of high-performance capacities of modern computing complexes. The article describes the algorithm of collection, formation and classification of colour (RGB) images of crops, as well as aspects of computer implementation of relational database (DB) for their storage. The implemented database based on MySQL database management system in MySQL Workbench development environment is designed for training and testing deep machine learning models, including artificial neural networks with convolutional layers. The ontology of high-resolution image classes includes 4 categories: healthy vegetation ("healthy"), affected vegetation ("affected"), soil, unplanted field ("soil") and miscellaneous objects ("other").

1. Введение

Развитие технологий искусственного интеллекта, методов глубокого машинного обучения и нейросетевых технологий обуславливает возможность их широкого применения в различных отраслях народного хозяйства, в том числе сельском хозяйстве. В Российской Федерации реализуется целый ряд государственных программ для развития современного высокоэффективного сельского хозяйства, в частности, ключевой задачей является переход к цифровому сельскому хозяйству, точному земледелию, активному использованию интеллектуальных технологий в АПК

.  Актуальность работы обусловлена тем, что интенсификация сельскохозяйственного производства требует обработки значительных объемов информации для решения задач повышения биопродуктивности и реализации политики импортозамещения.

Промышленный характер сельскохозяйственного производства в регионах Российской Федерации требует создания новых методов его интенсификации, среди которых важное место занимают интеллектуальные методы мониторинга и анализа состояния посевов на значительных площадях с использованием средств дистанционного мониторинга. Различные вопросы применения искусственного интеллекта, компьютеризированных систем и нейросеветевых технологий рассмотрены в работах Бородычева В.В.

,
, Михайленко И. М.
, Трухачева В.И.
, Юрченко И.Ф.
и других отечественных и зарубежных авторов
,
,
,
.

2. Материалы и методы

Для формирования обучающей, тестовой и проверочной выборок использовались цветные изображения высокого разрешения, полученные с использованием камер 4К с использованием беспилотных летательных аппаратов типа DJI Mavic 3 Pro (Рисунок 1).
Типовые изображения, полученные в ходе аэрофотосъемки тестовых участков

Рисунок 1 - Типовые изображения, полученные в ходе аэрофотосъемки тестовых участков

Таблица хранения исходных цветных изображений, полученных в ходе экспериментов по аэрофотосъемке посевов сельхозкультур в различные периоды (Рисунок 2), включает в себя возможность хранения исходных и классифицированных (размеченных) изображения полей, пользовательского выбора групп сельскохозяйственных культур (зерновые, овощные, технические и т.д.), сезонности, а также формирования периодов вегетации для каждой из групп культур с учетом фаз роста и их развития.
Фрагмент наполнения таблицы классифицированных сегментов изображений

Рисунок 2 - Фрагмент наполнения таблицы классифицированных сегментов изображений

Таблица цветных изображений предусматривает возможность хранения классифицированных снимков высокого разрешения по 4 классам: здоровая растительность («healthy»), пораженная растительность («affected»), почва, незасеянное поле («soil») и прочие объекты («other»).

3. Основные результаты и обсуждение

Реализованная база данных для хранения исходных и размеченных цветных изображений высокого разрешения базируется на реляционной модели данных, EER- диаграмма которой представлена на рисунке 3 и состоит из 5 таблиц:

- таблица хранения исходного цветного изображения поля с посевами, содержащая следующие патрибуты: id - индивидуальный номер изображения в БД; directory - путь до хранимого изображения; culture_group_id - ключ-значение индивидуального номера соответствующей изображению сельскохозяйственной культуры; season_id – ключ-значение индивидуального номера соответствующего изображению сезона фотографирования культуры; day_period_id – ключ-значение индивидуального номера соответствующего изображению временного периода роста культуры;

- таблица хранения сегментов исходного цветного изображения поля с экспертной разметкой (классификацией), содержащая следующие атрибуты: id – индивидуальный номер сегмента изображения в БД; directory - путь до хранимого сегмента изображения; field_image_id – ключ-значение индивидуального номера соответствующего сегменту оригинального изображения, is_good - значение типа «Да/Нет» (1/0 соответственно), отражающие наличие в сегменте класса «здоровая растительность», is_bad – значение типа «Да/Нет» (1/0 соответственно), отражающие наличие в сегменте класса «пораженная растительность», is_soil – значение типа «Да/Нет» (1/0 соответственно), отражающие наличие в сегменте класса «почва, незасеянное поле», is_other – значение типа «Да/Нет» (1/0 соответственно), отражающие наличие в сегменте класса «прочие объекты»;

- таблица сезонов аэрофотосъемки полей с посевами, содержащая следующие поля: id – индивидуальный номер сезона аэрофотосъемки в БД, season_name - наименование сезона аэрофотосъемки;

- таблица выращиваемой на поле культуры, содержащая следующие поля: id – идентифицирующий номер возделываемой сельскохозяйственной культуры в БД, culture_name – наименование сельскохозяйственной культуры;

- таблица временного (ретроспективного) периода выращиваемой на поле культуры, содержащая следующие поля: id – индивидуальный номер временного (ретроспективного) периода роста сельхозкультуры в БД, period – наименование периода роста и развития (фазы вегетации).
EER диаграмма базы данных хранения цветных изображений

Рисунок 3 - EER диаграмма базы данных хранения цветных изображений

Созданная реляционная база данных для  хранения исходных и размеченных изображений посевов агрокультур позволила сформировать обучающую и тестовую выборки, включающие 34993 изображения, с их разметкой по  четырем классам, что позволило осуществить программную реализацию  (на языке программирования Python с использованием графической библиотеки tKinter) искусственной нейронной сети глубокого обучения со сверточными слоями для мультиклассового распознавания состояния посевов сельскохозяйственных
.
Базовый алгоритм работы программы

Рисунок 4 - Базовый алгоритм работы программы

Алгоритм работы программы, базирующейся на обученной модели архитектуры ResNext50 представлен на рисунке 4.
Скрипт создания схемы данных реляционной БД

Рисунок 5 - Скрипт создания схемы данных реляционной БД

Фрагмент исходного кода скрипта создания схемы реляционной БД представлен на рисунке 5.

4. Заключение

В ходе проводимого исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда и администрации Волгоградской области (№ 22-21-20041) осуществлен сбор аэрофотоснимков посевов сельскохозяйственных культур на экспериментальных участках полей УНПЦ Горная поляна с использованием средств дистанционного мониторинга, что позволило сформировать базу данных цветных изображений высокого разрешения. Онтология классов цветных изображений, хранимых в БД, включает в себя 4 категории: здоровая растительность («healthy»), пораженная растительность («affected»), почва, незасеянное поле («soil») и прочие объекты («other»). Реализованная БД на базе системы управления базами данных MySQL в среде разработки MySQL Workbench, использовалась для обучения и тестирования моделей глубокого машинного обучения, в том числе, созданной и обученной, в ходе реализации проекта, рекуррентной нейронной сети со сверточными слоями.

Article metrics

Views:329
Downloads:3
Views
Total:
Views:329