基于特征重組網(wǎng)絡(luò)的小樣本農(nóng)作物病害葉片檢測(cè)

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2024.20.028

摘要：針對(duì)現(xiàn)有作物病害葉片檢測(cè)模型的性能過度依賴大量帶標(biāo)注數(shù)據(jù)集以及預(yù)訓(xùn)練模型的泛化性不強(qiáng)等問題，提出一種基于特征重組網(wǎng)絡(luò)的小樣本農(nóng)作物病害葉片檢測(cè)方法。首先，采用支持分支和查詢分支的雙分支網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將支持圖像和查詢圖像映射到深度特征空間，并在支持分支中采用特征增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)緩解映射特征與原始標(biāo)注不對(duì)齊的問題。其次，借助全局平均池化策略生成初始原型，利用該原型反向指導(dǎo)原始支持圖像中病害葉片的識(shí)別，并根據(jù)初始識(shí)別結(jié)果對(duì)原型進(jìn)行優(yōu)化。再次，通過比對(duì)識(shí)別區(qū)域與原始標(biāo)注之間的特征差異，構(gòu)造輔助原型與主域原型。最后，融合原始原型、輔助原型和主域原型，構(gòu)造多原型集，并利用度量方法計(jì)算原型集與查詢特征間的關(guān)聯(lián)，根據(jù)關(guān)聯(lián)值給出預(yù)測(cè)標(biāo)簽。在自建的橘子、番茄和蘋果等病害葉片數(shù)據(jù)集上進(jìn)行測(cè)試，所提出方法分別獲得了97.18%的精準(zhǔn)率、97.31%的召回率、96.90%的F1分?jǐn)?shù)和84.71%的FB-IoU，優(yōu)于主流的目標(biāo)檢測(cè)方法。

關(guān)鍵詞：作物病害葉片檢測(cè)；特征重組；全局平均池化；特征增強(qiáng)；原型集

中圖分類號(hào)：TP391.41；S126" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2024）20-0236-08

收稿日期：2024-06-30

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：62002330）。

作者簡(jiǎn)介：黨婉譽(yù)（1991—），女，河南駐馬店人，碩士，講師，主要從事農(nóng)業(yè)、林業(yè)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等研究。E-mail：wydan1991@163.com。

農(nóng)作物葉片的健康對(duì)于農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)至關(guān)重要，葉片不健康不僅會(huì)降低作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，還可能導(dǎo)致整個(gè)農(nóng)田的作物歉收，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。隨著全球氣候變暖，農(nóng)作物在生長(zhǎng)過程中，經(jīng)常受到各種病害的威脅，其中葉片病害尤為常見且破壞性極大［1-3］。因此，及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出農(nóng)作物病害葉片，有助于及時(shí)診斷農(nóng)作物病害，對(duì)于防控病害、保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。

傳統(tǒng)的農(nóng)作物葉片病害檢測(cè)主要依賴農(nóng)業(yè)專家和農(nóng)民的經(jīng)驗(yàn)，通過觀察葉片的外觀癥狀來判斷病害類型［4-5］。然而，該類方法需要大量的人力和時(shí)間，效率較低；其次，由于個(gè)體經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)水平的差異，人工檢測(cè)的準(zhǔn)確性往往難以保障，此外一些病害在早期階段癥狀不明顯，人工檢測(cè)難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)［6］。近年來，隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的快速發(fā)展，常利用深度學(xué)習(xí)相關(guān)算法緩解傳統(tǒng)農(nóng)作物病害葉片檢測(cè)性能不佳的問題。如左昊軒等基于YOLO v5s開發(fā)了一種黃化曲葉病的檢測(cè)方法，并在主干網(wǎng)絡(luò)中引入多層注意力機(jī)制來增強(qiáng)模型對(duì)于病害區(qū)域的定位能力［7］。陶兆勝等在YOLO v5s主干網(wǎng)絡(luò)中引入了一種通道和空間注意力機(jī)制，以此增強(qiáng)模型對(duì)病害區(qū)域的定位能力，同時(shí)抑制了無關(guān)噪聲背景信息的干擾，在番茄病害葉片數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)方法的優(yōu)越性［8］。惠巧娟等考慮到現(xiàn)有深度學(xué)習(xí)模型對(duì)有限標(biāo)注的玉米葉片病害數(shù)據(jù)信息利用不充分的問題，提出了一種多尺度特征度量的玉米病害葉片檢測(cè)方法，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Swin Transformer網(wǎng)絡(luò)分別獲取了輸入葉片的全局和局部特征，以此構(gòu)造了多尺度特征集［9］。類似地，劉敏等在傳統(tǒng)全局特征的基礎(chǔ)上，引入了局部編碼特征，并借助注意力機(jī)制融合了局部和全局特征，在開源的蘋果病害葉片數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)方法可以顯著提升病害區(qū)域的定位性能［10］。

雖然上述基于深度學(xué)習(xí)的作物病害葉片檢測(cè)方法在開源數(shù)據(jù)集和自建數(shù)據(jù)集上均取得了較好的效果，但該類方法的檢測(cè)性能過度依賴訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和對(duì)應(yīng)的標(biāo)注信息。隨著小樣本學(xué)習(xí)在目標(biāo)檢測(cè)、語義分割等領(lǐng)域的應(yīng)用，研究者嘗試?yán)眯颖緦W(xué)習(xí)來緩解模型性能過度依賴訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的問題。如邢鵬康等提出了一種基于小樣本學(xué)習(xí)的馬鈴薯葉片病害檢測(cè)方法，通過在支持分支中采用動(dòng)態(tài)卷積來增強(qiáng)模型對(duì)病害區(qū)域的捕獲能力，其次在特征提取階段引入卷積塊注意力，有效增強(qiáng)了特征的語義表達(dá)能力［11］。類似地，黃煒等在支持分支中采用多尺度融合策略來增強(qiáng)模型對(duì)蘋果病害區(qū)域的定位能力，其次借助蘋果病害葉片的文本標(biāo)注構(gòu)造了一種新的對(duì)比學(xué)習(xí)方法，在Plant Village數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果也驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)方法的優(yōu)越性［12］。

上述基于小樣本學(xué)習(xí)的作物病害葉片檢測(cè)模型主要通過挖掘支持分支的語義信息來指導(dǎo)查詢圖片中病害區(qū)域的定位，然而并非所有的支持信息對(duì)查詢分支均有用，不恰當(dāng)?shù)厥褂弥С址种畔⒎炊斐煽臻g中語義分布離散或語義歧義的問題。針對(duì)上述問題，提出一種基于特征重組網(wǎng)絡(luò)的小樣本農(nóng)作物病害葉片檢測(cè)方法，首先利用支持分支學(xué)習(xí)到的匹配規(guī)則指導(dǎo)查詢圖片中病害區(qū)域的定位；其次，利用查詢圖片的初始預(yù)測(cè)結(jié)果反向構(gòu)造指導(dǎo)信息，實(shí)現(xiàn)原始支持圖片中病害區(qū)域的定位，為查詢分支定制自適應(yīng)的原型集。

1" 作物病害葉片檢測(cè)模型

1.1" 雙分支網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)定義

基于雙分支網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的小樣本病害葉片檢測(cè)模型旨在利用少量標(biāo)注的支持圖片以及對(duì)應(yīng)的支持掩碼，來指導(dǎo)與之同類的查詢圖片中病害區(qū)域的分類。其中支持分支的輸入為支持圖片和對(duì)應(yīng)的支持掩碼，查詢分支的輸入為待測(cè)試的病害葉片，并且支持分支和查詢分支共享相同的語義類［13］。

當(dāng)前主流的小樣本病害葉片檢測(cè)模型采用元學(xué)習(xí)訓(xùn)練范式，即將總?cè)蝿?wù)劃分為多個(gè)子任務(wù)，在每個(gè)子任務(wù)中進(jìn)行訓(xùn)練與優(yōu)化［14］。本文模型仍然采用該訓(xùn)練方式，即將訓(xùn)練集劃分為Base集和Novel集，其中Base集用于訓(xùn)練，Novel集用于測(cè)試，并且Base集中語義類和Novel集中的語義類不相交。具體地，在Base集中包含多個(gè)支持集S={（xk，yk）Kk=1}，式中：x表示支持圖片；y表示對(duì)應(yīng)的支持標(biāo)注；k表示支持樣本數(shù)。類似地，查詢集可表示為Q={（xq，yq）}，式中：xq表示查詢圖片；yq表示真實(shí)的查詢標(biāo)簽，并且查詢標(biāo)簽僅用于訓(xùn)練階段。最后，通過計(jì)算預(yù)測(cè)xq對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽yq和真實(shí)標(biāo)簽yq之間的交叉熵?fù)p失，來優(yōu)化模型參數(shù)。

1.2" 模型結(jié)構(gòu)

基于特征重組網(wǎng)絡(luò)的小樣本農(nóng)作物病害葉片檢測(cè)模型主要包括特征提取、原型生成、原型修訂以及病害檢測(cè)4個(gè)部分。其中，在特征提取階段，考慮到映射特征和原始圖片尺度不對(duì)齊導(dǎo)致的信息丟失問題，設(shè)計(jì)了一種特征增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)來補(bǔ)充丟失信息。原型生成階段主要在支持特征集上采用掩碼平均池化，生成初始原型集。原型修訂是利用初始原型集反向建立原始支持圖片中病害區(qū)域?qū)?yīng)標(biāo)簽的預(yù)測(cè)，并根據(jù)初始預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)原始原型進(jìn)行優(yōu)化。病害檢測(cè)階段利用度量算法計(jì)算原型集和查詢特征集之間的關(guān)聯(lián)，并根據(jù)關(guān)聯(lián)值給出最終的預(yù)測(cè)結(jié)果。具體模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3" 特征提取

現(xiàn)有的病害葉片檢測(cè)方法主要借助預(yù)訓(xùn)練的主干網(wǎng)絡(luò)，如Vgg或ResNet等將輸入的支持圖片映射到深度特征空間，然后建立真實(shí)標(biāo)簽與映射特征之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系［15-16］。然而，經(jīng)過主干網(wǎng)絡(luò)下采樣后的特征僅保留了整張圖片的主體信息，忽略了邊緣、紋理等細(xì)節(jié)信息［17］。其次，下采樣后的特征尺度與原始支持圖片之間并非一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，這極易造成特征空間中語義分布離散、混亂等問題。

針對(duì)邊緣信息容易忽略以及語義分布離散的問題，在支持分支中設(shè)計(jì)了一種特征增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)，主要在特征映射之前進(jìn)行目標(biāo)前景和背景的分離，并利用分離特征強(qiáng)化原始映射的目標(biāo)前景特征和背景特征。這樣做的優(yōu)勢(shì)在于：一方面可以有效補(bǔ)償因主干網(wǎng)絡(luò)下采樣導(dǎo)致目標(biāo)細(xì)節(jié)信息丟失的問題，另一方面促進(jìn)了特征與對(duì)應(yīng)圖片間的對(duì)齊。所提出的特征增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

假設(shè)支持圖片和對(duì)應(yīng)的支持標(biāo)簽為（xs，ys），首先利用支持標(biāo)簽將原始支持圖片分離為目標(biāo)前景圖片fs和背景圖片bs；其次將fs、bs和原始支持圖片xs送入至主干網(wǎng)絡(luò)中，生成對(duì)應(yīng)的支持輔助前景特征Ff′、支持輔助背景特征Fb′和支持混合特征Ffb。具體計(jì)算如公式（1）和公式（2）所示。

fs=xsys

bs=xs-fs；（1）

Fs=cnn（fs，bs，xs）。（2）

式中：表示點(diǎn)乘運(yùn)算；cnn（·）表示主干網(wǎng)絡(luò)；Fs包含F(xiàn)f′、Fb′和Ffb。其次，利用支持圖片對(duì)應(yīng)的真實(shí)標(biāo)簽將支持混合特征Ffb分離為支持前景特征和支持背景特征，具體計(jì)算如公式（3）所示。

Ff=γ（ys，F(xiàn)fb）Ffb

Fb=Ffb-Ff。（3）

式中：Ff和Fb分別表示支持前景特征和支持背景特征；γ（ys，F(xiàn)fb）表示將ys的大小下采樣至與Ffb相同的維度。最后，將支持輔助前景特征Ff′和支持前景特征Ff以及支持輔助背景特征Fb′和支持背景特征Fb進(jìn)行拼接，來補(bǔ)充因下采樣操作導(dǎo)致的語義丟失。具體增強(qiáng)的目標(biāo)前景特征和背景特征可表示為公式（4）。

Frf=FfFf′

Frb=FbFb′。（4）

式中：Frf和Frb分別表示融合后的支持前景特征和背景特征。

1.4" 原型生成

原型是將特征經(jīng)過全局平均池化壓縮后的抽象特征表示［18］。此處，將融合后的支持前景特征Frf和支持背景特征Frb送入至全局平均池化模塊中，生成目標(biāo)前景和背景初始原型集，原型集可表示為公式（5）和公式（6）。

Pf=GAP［Frf，γ（ys，F(xiàn)rf）］=∑hwi=1Frf（i）γ［ys（i），F(xiàn)rf］∑hwi=1γ［ys（i），F(xiàn)rf］；（5）

Pb=GAP［Frb，γ（ys，F(xiàn)rb）］=∑hwi=1Frb（i）γ［ys（i），F(xiàn)rb］∑hwi=1γ［ys（i），F(xiàn)rb］。（6）

式中：Pf和Pb分別表示目標(biāo)前景原型和背景原型；GAP（·）表示全局平均池化；i表示空間位置；γ（ys，F(xiàn)rf） 表示將支持掩碼的大小下采樣至和Frf相同；h和w分別表示特征圖的長(zhǎng)和寬。

利用生成的目標(biāo)前景原型和背景原型構(gòu)造支持分支的初始原型集，即Pin={Pf，Pb}。然后，借助度量函數(shù)計(jì)算原型集和查詢特征之間的關(guān)聯(lián)，根據(jù)關(guān)聯(lián)值定位查詢圖片中病害區(qū)域及對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽。具體計(jì)算如公式（7）所示。

yqprein=convs［concat（Fq，Pin）］。（7）

式中：yqprein表示查詢分支的初始預(yù)測(cè)標(biāo)簽；convs由大小為3×3和1×1的卷積層組成；concat（·）用于特征間的關(guān)聯(lián)性計(jì)算。

1.5" 原型修訂

不同的支持圖像指導(dǎo)查詢圖片中病害區(qū)域的定位和預(yù)測(cè)能力不同，并且支持圖像中不同區(qū)域的貢獻(xiàn)程度也不相同。其次，傳統(tǒng)方法僅從支持分支中挖掘原型，忽略了查詢圖像自身信息的重要性。因此，本文利用預(yù)測(cè)的初始查詢標(biāo)簽和對(duì)應(yīng)的查詢特征構(gòu)造新的原型集，反向指導(dǎo)原始支持圖片中病害區(qū)域的定位和病害類型分類，為查詢分支構(gòu)造自適應(yīng)的原型集。自適應(yīng)原型集生成流程如圖3所示。

首先，將初始預(yù)測(cè)標(biāo)簽與查詢特征送入全局平均池化模塊中，生成查詢圖片病害區(qū)域?qū)?yīng)的偽原型Ppse。然后，利用生成的偽原型反向定位原始支持圖片中的病害區(qū)域，具體計(jì)算如公式（8）所示。

yqprein=convs［concat（Ffb，Ppse）］。（8）

式中：yqprein表示原始支持圖片對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)標(biāo)簽。接下來，借助原始支持圖片對(duì)應(yīng)的真實(shí)標(biāo)簽將支持原型劃分為主域原型集和輔助原型集，其中主域原型集表示真實(shí)預(yù)測(cè)的病害區(qū)域，輔助原型集為真實(shí)標(biāo)簽與預(yù)測(cè)標(biāo)簽之間的差值。具體計(jì)算如公式（9）所示。

Pmains=τ［ys=1］τ［yspre=1］

Pauxs=τ［ys=1］τ［yspre≠1］。（9）

式中：Pmains和Pauxs分別表示主域原型集和輔助原型集；τ［ys=1］表示真值函數(shù)；ys表示真實(shí)圖片對(duì)應(yīng)的支持標(biāo)簽。

最后，將主域原型集Pmains和輔助原型集Pauxs添加到初始原型集Pin={Pf，Pb}中，來增強(qiáng)初始原型集的魯棒性和泛化性，即更新后的原型集可表示為Pr={Pf，Pb，Pmains，Pauxs} 。

1.6" 病害檢測(cè)

利用更新后的原型集Pr={Pf，Pb，Pmains，Pauxs}來指導(dǎo)查詢分支中輸入圖片病害區(qū)域的定位與病害類型的分類。具體計(jì)算如公式（10）所示。

yqpre=convs［concat（Fq，Pr）］。（10）

式中：yqpre表示查詢圖片對(duì)應(yīng)病害區(qū)域的定位與分類結(jié)果；此處convs表示大小為1×1的卷積；concat（·）用于特征間的關(guān)聯(lián)性計(jì)算。最后，通過計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)標(biāo)注之間的損失，端到端優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)模型。

2" 試驗(yàn)

2.1" 試驗(yàn)數(shù)據(jù)集

本試驗(yàn)所有數(shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡(luò)圖片和真實(shí)場(chǎng)景拍攝圖片，其中真實(shí)場(chǎng)景圖片拍攝于河南省駐馬店市泌陽(yáng)縣的農(nóng)業(yè)基地，主要包括橘子、番茄和蘋果3類病害葉片圖像，拍攝時(shí)間主要集中在8月下旬。網(wǎng)絡(luò)圖片主要利用網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)獲得，實(shí)際拍攝圖片工具采用佳能EOS R10，圖片大小統(tǒng)一壓縮為512像素×512像素。數(shù)據(jù)集總共包括5 388張圖片，并按照8 ∶2的比例劃分為Base集和Novel集。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

2.2" 試驗(yàn)環(huán)境與評(píng)價(jià)指標(biāo)

模型在Windows平臺(tái)上開發(fā)，采用Python編程語言，Pytorch深度學(xué)習(xí)框架，編輯器采用Pycharm，搭載GeForce RTX 3090 Ti 24 GB顯卡。模型訓(xùn)練初始學(xué)習(xí)率設(shè)定為0.002 5，迭代次數(shù)設(shè)定為160次，選擇Adam優(yōu)化器。

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)模型的優(yōu)越性，選擇當(dāng)前主流的評(píng)價(jià)指標(biāo)：精準(zhǔn)率（precision，P）、召回率（recall，R）和F1分?jǐn)?shù)，具體計(jì)算如公式（11）所示［19］。此外，為了評(píng)估模型對(duì)病害區(qū)域的定位能力，選擇前景背景交并比FB-IoU（Intersection over Union）［20］。

P=TPTP+FP

R=TPTP+FN

F1分?jǐn)?shù)=2×P×RP+R。（11）

式中：TP為模型正確預(yù)測(cè)的樣本總數(shù)；FP為模型誤報(bào)的樣本總數(shù)；FN為模型漏報(bào)的樣本總數(shù)。

2.3" 結(jié)果與分析

2.3.1" 不同方法的整體檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)方法的整體識(shí)別性能，選擇當(dāng)前經(jīng)典的目標(biāo)檢測(cè)算法，并在精準(zhǔn)率、召回率、F1分?jǐn)?shù)和FB-IoU指標(biāo)上進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比方法包括YOLO v5、Faster R-CNN、Inception v4、MobileNet v3、DenseNet。對(duì)比結(jié)果如表2所示。由表中可以看出，在橘子病害葉片檢測(cè)任務(wù)上，所提出方法在精準(zhǔn)率、召回率、F1分?jǐn)?shù)和FB-IoU指標(biāo)上分別獲得了98.42%、98.09%、97.54%和86.37%的得分。在番茄病害葉片檢測(cè)任務(wù)上，所提出方法在精準(zhǔn)率、召回率、F1分?jǐn)?shù)和 FB-IoU 指標(biāo)上分別獲得了98.51%、98.11%、97.18%和86.15%的得分。在蘋果病害葉片檢測(cè)任務(wù)上，所提出方法在精準(zhǔn)率、召回率、F1分?jǐn)?shù)和FB-IoU指標(biāo)上分別獲得了98.42%、98.06%、97.12%和86.13%的得分。以上結(jié)果驗(yàn)證了所提出方法的優(yōu)越性，綜合性能優(yōu)于先前的目標(biāo)檢測(cè)算法。

此外，為了直觀展示本研究方法在具體任務(wù)上的檢測(cè)效果，圖4展示了本研究方法和當(dāng)前經(jīng)典的目標(biāo)檢測(cè)方法在3種病害葉片上的檢測(cè)結(jié)果。值得注意的是，圖中選擇置信度最大的2個(gè)檢測(cè)框作為最終的檢測(cè)結(jié)果?？梢钥闯?，本研究方法可以更全面地識(shí)別出病害區(qū)域，有效降低了漏報(bào)。

2.3.2" 不同場(chǎng)景下的測(cè)試結(jié)果對(duì)比

為了測(cè)試本研究方法在不同場(chǎng)景下的測(cè)試效果，根據(jù)圖片中病害區(qū)域的占比將測(cè)試集劃分為簡(jiǎn)單樣本和復(fù)雜樣本。其中，在簡(jiǎn)單樣本中，目標(biāo)前景占據(jù)整張圖片的比例較大，在復(fù)雜樣本中，目標(biāo)背景占據(jù)整張圖片的比例較大。具體測(cè)試結(jié)果如表3和表4所示。從表中可以看出，在簡(jiǎn)單樣本集中，相比所有對(duì)比方法，本研究方法的優(yōu)勢(shì)不明顯，并且在精準(zhǔn)率、指標(biāo)上差距更小。然而，在復(fù)雜場(chǎng)景數(shù)據(jù)中，所提出方法的優(yōu)勢(shì)較為明顯，在所有指標(biāo)下，相比所有對(duì)比方法均提升了約2.0百分點(diǎn)，提升效果顯著。究其原因是復(fù)雜場(chǎng)景下，目標(biāo)作物占整張圖片的比例較小，經(jīng)過主干網(wǎng)絡(luò)下采樣后，小目標(biāo)區(qū)域的信息極易丟失，這也是傳統(tǒng)方法在復(fù)雜場(chǎng)景下取得效果不佳的主要原因；然而，本研究方法采用了特征增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)，在主干網(wǎng)絡(luò)提取特征的基礎(chǔ)上，引入了原始特征集，有效緩解了小目標(biāo)特征丟失的問題。

為了直觀展示本研究模型在簡(jiǎn)單場(chǎng)景和復(fù)雜場(chǎng)景下，橘子、蘋果、番茄以及之外的背景原型的可區(qū)分性，利用t-SNE將高維特征進(jìn)行二維可視化，如圖5所示。由圖中可以看出，本研究方法在簡(jiǎn)單場(chǎng)景下區(qū)分性較好，能夠有效區(qū)分3種病害作物以及之外的背景區(qū)域。然而，在復(fù)雜背景中，所提出方法的區(qū)分性仍有待進(jìn)一步提升， 筆者所在課題組

認(rèn)為這是合理的，主要原因是背景區(qū)域占整張圖片的比例較大，經(jīng)過多倍率下采樣后模型極易丟失占據(jù)比例小的病害區(qū)域或?qū)⑵洚?dāng)作背景處理。

2.4" 消融結(jié)果與分析

基于特征重組網(wǎng)絡(luò)的小樣本農(nóng)作物病害葉片檢測(cè)模型主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括特征增強(qiáng)和原型修訂2個(gè)模塊，為了驗(yàn)證不同模塊對(duì)模型整體檢測(cè)性能的影響，設(shè)計(jì)了以下4組消融試驗(yàn)，具體試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

方法1的技術(shù)流程可描述為在特征提取階段，不添加任何特征增強(qiáng)策略，僅將主干網(wǎng)絡(luò)的輸出特征作為下游任務(wù)的特征表示；其次，初始原型集指導(dǎo)的查詢特征標(biāo)簽作為最終的預(yù)測(cè)結(jié)果。

方法2的技術(shù)流程可描述為在特征提取階段采用本研究設(shè)計(jì)的特征增強(qiáng)策略；其次，初始原型集指導(dǎo)的查詢特征標(biāo)簽作為最終的預(yù)測(cè)結(jié)果。

方法3的技術(shù)流程可描述為在特征提取階段，不添加任何特征增強(qiáng)策略，僅將主干網(wǎng)絡(luò)的輸出特征作為下游任務(wù)的特征表示；然后再查詢圖片中病害區(qū)域定位與病害類型分類階段，采用本研究設(shè)計(jì)的原型修訂方法。

方法4的技術(shù)流程可描述為在特征提取階段和原型修訂階段，同時(shí)采用本研究設(shè)計(jì)的增強(qiáng)策略。

從表5中可以看出，方法1提出的基線模型雖然可以實(shí)現(xiàn)部分病害區(qū)域的定位與病害類型的預(yù)測(cè)，但預(yù)測(cè)精度和模型的定位能力難以滿足實(shí)際應(yīng)用。其次，僅單一使用本研究設(shè)計(jì)的特征增強(qiáng)或原型修訂模塊可以顯著提升模型的預(yù)測(cè)性能，但綜合性能最佳的產(chǎn)生是同時(shí)使用特征增強(qiáng)和原型修訂模塊，并且使用原型修訂模塊可以顯著提升模型對(duì)病害區(qū)域的定位能力。

為了直觀展示不同模塊的效果，圖6提供了不同變體模型對(duì)相同病害區(qū)域的定位結(jié)果。由圖中可以看出，同時(shí)使用特征增強(qiáng)和原型修訂可以有效增強(qiáng)模型對(duì)病害區(qū)域的定位精度。

3" 結(jié)論

本研究提出了一種基于特征重組網(wǎng)絡(luò)的小樣本農(nóng)作物病害葉片檢測(cè)新方法， 主要緩解了傳統(tǒng)病害葉片檢測(cè)方法的性能過度依賴標(biāo)注數(shù)據(jù)的問題，以及特征提取階段丟失小目標(biāo)信息，造成復(fù)雜場(chǎng)景下病害葉片檢測(cè)性能不佳的問題。在番茄、蘋果和橘子3類病害葉片數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)方法的優(yōu)越性，結(jié)果與相關(guān)結(jié)論如下。

（1）所提出方法在簡(jiǎn)單場(chǎng)景和復(fù)雜場(chǎng)景下分別獲得了97.85%、94.36%的精準(zhǔn)率，97.94%、94.25%的召回率，97.90%、95.01%的F1分?jǐn)?shù)，以及87.28%、80.68%的FB-IoU；此外，在綜合數(shù)據(jù)集上獲得了97.18%的精準(zhǔn)率、97.31%的召回率、96.90%的F1分?jǐn)?shù)和84.71%的FB-IoU。

（2）在傳統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)提取特征的基礎(chǔ)上，引入事先分離的目標(biāo)前景和背景特征，可以顯著提升復(fù)雜場(chǎng)景下小目標(biāo)作物病害葉片的檢測(cè)性能。

（3）利用初始預(yù)測(cè)的查詢標(biāo)簽建立反向指導(dǎo)的原型，有助于提升原型集的魯棒性和泛化性，同時(shí)還可以增強(qiáng)模型的可解釋性。

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