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Advancing precision agriculture with computer vision: A comparative study of YOLO models for weed and crop recognition
Crop Protection ( IF 2.5 ) Pub Date : 2024-12-06 , DOI: 10.1016/j.cropro.2024.107076 Tomáš Zoubek, Roman Bumbálek, Jean de Dieu Marcel Ufitikirezi, Miroslav Strob, Martin Filip, František Špalek, Aleš Heřmánek, Petr Bartoš
Crop Protection ( IF 2.5 ) Pub Date : 2024-12-06 , DOI: 10.1016/j.cropro.2024.107076 Tomáš Zoubek, Roman Bumbálek, Jean de Dieu Marcel Ufitikirezi, Miroslav Strob, Martin Filip, František Špalek, Aleš Heřmánek, Petr Bartoš
In this study, we investigated the application of three convolutional neural network models YOLOv5, YOLOR, and YOLOv7 for precisely detecting individual radish plants, radish rows, and weeds. A comprehensive dataset was created, capturing diverse conditions and annotated for three target classes: radish, radish-line, and weed. Through extensive experimentation involving 39 combinations of model types, batch sizes (2, 4, 8), and learning rates (0.1, 0.01, 0.001), we determined that the YOLOv5-x model with a batch size of 4 and a learning rate of 0.01 offers superior performance. This configuration achieved a remarkable 99% accuracy for the radish class, 98% for radish-line, and 91% for weed, as confirmed by confusion matrices. Further analysis using the F1-score, Precision-Recall (PR) curves, and training progress plots underscored the model's robustness, particularly its high mAP_0.5:0.95 score. Despite the Weed class posing greater detection challenges, likely due to its lower representation in the dataset, the YOLOv5-x outperformed YOLOR-D6 and YOLOv7-D6 in critical metrics after 300 epochs. This research not only highlights the efficacy of YOLOv5-x in agricultural applications but also suggests potential enhancements in data annotation and model training strategies to further improve weed detection. Our findings provide significant insights for developing automated, high-precision plant-weed detection systems, contributing to more efficient and sustainable agricultural practices.
中文翻译:
利用计算机视觉推进精准农业:用于杂草和作物识别的 YOLO 模型的比较研究
在本研究中,我们研究了三种卷积神经网络模型 YOLOv5 、 YOLOR 和 YOLOv7 在精确检测单个萝卜植株、萝卜行和杂草中的应用。创建了一个全面的数据集,捕捉了不同的条件,并针对三个目标类别进行了注释:萝卜、萝卜线和杂草。通过涉及模型类型、批量大小(2、4、8)和学习率(0.1、0.01、0.001)的 39 种组合的广泛实验,我们确定批量大小为 4 且学习率为 0.01 的 YOLOv5-x 模型提供了卓越的性能。这种配置对萝卜类实现了 99% 的准确率,对萝卜线的准确率达到了 98%,对杂草的准确率达到了 91%,混淆矩阵证实了这一点。使用 F1 分数、精度-召回率 (PR) 曲线和训练进度图的进一步分析强调了该模型的稳健性,尤其是其较高的 mAP_0.5:0.95 分数。尽管 Weed 类带来了更大的检测挑战,可能是因为它在数据集中的代表性较低,但在 300 个 epoch 后,YOLOv5-x 在关键指标上的表现优于 YOLOR-D6 和 YOLOv7-D6。这项研究不仅强调了 YOLOv5-x 在农业应用中的功效,还提出了数据注释和模型训练策略的潜在增强功能,以进一步改进杂草检测。我们的研究结果为开发自动化、高精度的植物杂草检测系统提供了重要的见解,有助于更高效和可持续的农业实践。
更新日期:2024-12-06
中文翻译:
利用计算机视觉推进精准农业:用于杂草和作物识别的 YOLO 模型的比较研究
在本研究中,我们研究了三种卷积神经网络模型 YOLOv5 、 YOLOR 和 YOLOv7 在精确检测单个萝卜植株、萝卜行和杂草中的应用。创建了一个全面的数据集,捕捉了不同的条件,并针对三个目标类别进行了注释:萝卜、萝卜线和杂草。通过涉及模型类型、批量大小(2、4、8)和学习率(0.1、0.01、0.001)的 39 种组合的广泛实验,我们确定批量大小为 4 且学习率为 0.01 的 YOLOv5-x 模型提供了卓越的性能。这种配置对萝卜类实现了 99% 的准确率,对萝卜线的准确率达到了 98%,对杂草的准确率达到了 91%,混淆矩阵证实了这一点。使用 F1 分数、精度-召回率 (PR) 曲线和训练进度图的进一步分析强调了该模型的稳健性,尤其是其较高的 mAP_0.5:0.95 分数。尽管 Weed 类带来了更大的检测挑战,可能是因为它在数据集中的代表性较低,但在 300 个 epoch 后,YOLOv5-x 在关键指标上的表现优于 YOLOR-D6 和 YOLOv7-D6。这项研究不仅强调了 YOLOv5-x 在农业应用中的功效,还提出了数据注释和模型训练策略的潜在增强功能,以进一步改进杂草检测。我们的研究结果为开发自动化、高精度的植物杂草检测系统提供了重要的见解,有助于更高效和可持续的农业实践。