基于深度學(xué)習(xí)的地塊尺度蔗田缺苗信息自動獲取

DOI：10.3969/j.issn.2095-1191.2025.01.004

摘要：【目的】提高蔗田缺苗信息自動獲取的自動化程度及精準(zhǔn)度，為實現(xiàn)地塊單元的蔗田缺苗位置信息自動化獲取提供借鑒。【方法】通過無人機采集研究區(qū)蔗田影像并建立數(shù)據(jù)集，利用YOLOv8模型對蔗苗進行檢測識別，識別結(jié)果經(jīng)矢量化、旋轉(zhuǎn)變換及聚類處理，獲取精確的作物行數(shù)和株距信息，并通過制作田間無缺苗理想情形下的蔗苗分布圖和實際缺苗位置點矢量點分布圖，以評估蔗田的整體缺苗情況?！窘Y(jié)果】YOLOv8模型識別蔗苗的準(zhǔn)確率為98.84%，召回率為90.76%，平均精度為97.05%。即使在雜草分布較多的環(huán)境中，雜草遮擋會混淆蔗苗的視覺特征而增加檢測難度，YOLOv8模型也能較準(zhǔn)確地識別出蔗苗。將蔗苗識別結(jié)果進行矢量化，采用空間分析的后處理方法實現(xiàn)作物行自動旋轉(zhuǎn)至豎直方向，再通過聚類處理、交叉點計算、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等手段實現(xiàn)作物行數(shù)量、方向、行距及起點和終點的準(zhǔn)確獲取，有效解決了不同地塊間及同一地塊內(nèi)部的作物行狀況差異問題。在研究區(qū)的2個大面積地塊中隨機劃定形態(tài)、方位和面積各異的8個樣方（A～H），基于無缺苗情形的蔗苗標(biāo)準(zhǔn)分布模板分別計算8個樣方的缺苗率，結(jié)果顯示缺苗檢測模型的誤差分別為4.35%、2.98%、4.28%、2.91%、1.88%、0.51%、1.10%和1.51%。此外，根據(jù)缺苗檢測模型結(jié)果可獲取各樣方的缺苗位置坐標(biāo)?！窘Y(jié)論】基于YOLOv8模型的自動化蔗苗檢測與缺苗率計算方法可快速、高效地處理大量圖像數(shù)據(jù)，具有較高的自動化程度與精度，適用于大范圍的蔗田缺苗檢測，且能提供具體的缺苗坐標(biāo)。后續(xù)研究建議通過多尺度檢測提升模型召回率，采用滑動窗口裁剪圖像進行數(shù)據(jù)標(biāo)注而降低漏檢問題，并擴充數(shù)據(jù)集以提高模型的泛化能力和魯棒性，有效提升蔗田缺苗檢測結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：甘蔗；缺苗率；目標(biāo)檢測；作物行識別；YOLOv8模型

中圖分類號：S127文獻標(biāo)志碼：A文章編號：2095-1191（2025）01-0041-12

Deep learning based automatic acquisition of plot-scale seedling deficiency information in sugarcane fields

LINYu1，HUANG Qi-ting1，2*，F(xiàn)ENG Yue-hua2，HE Xin-jie2，MACan-da2，SU Qiu-qun2，LIN Yao-jun2

（1College of Agriculture，Guizhou University，Guiyang，Guizhou 550025，China；2Agriculture Science and TechnologyInformation Research Institute，Guangxi Academy of Agricultural Sciences，Nanning，Guangxi 530007，China）

Abstract：【Objective】To improve the degree of automatic acquisition and accuracy of sugarcane fields seedling defi-ciency information，which could provide reference for the realization of automated extraction of sugarcane field seedling deficiency location information in plot units.【Method】Images of sugarcane fields in the study area were collected by un-manned aerial vehicle（UAV）and a dataset was created to detect and recognize sugarcane seedlings using the YOLOv8 model.The recognition results were vectorised，rotated and clustered to accurately calculate the number of rows and spa-cing information.Finally，the vector point distribution maps of sugarcane seedlings in the ideal situation of no seedling de-ficiency in the field and the actual distribution maps of seedling deficiency locations were produced to assess the overall seedling deficiency situation in sugarcane field.【Result】The YOLOv8 model identified sugarcane seedlings with an accu-racy of 98.84%，a recall of 90.76%，and an average precision of 97.05%.Even in environments with high weed distribu-tion，where weed occlusion could confuse the visual features of sugarcane seedlings and increase the detection difficulty，the YOLOv8 model was able to identify sugarcane seedlings accurately.The results of sugarcane seedling identificationwere vectorized，and the post-processing method of spatial analysis was used to automatically rotate the crop rows to the vertical direction，and then the number，direction，row spacing，and start and endpoints of the crop rows were accurately obtained by means of clustering，intersection calculation and coordinate conversion，which effectively solved the problem of differences in crop row conditions between different plots and within the same plot.In 2 large plots in the study area，8 sample sample plots（A-H）with different morphology，orientation and area were randomly designated，and the seedling deficiency rates of the 8 sample plots were calculated based on the standard distribution template of sugarcane seedlings without seedling deficiency，and the results showed that the errors of the seedling deficiency detection model were 4.35%，2.98%，4.28%，2.91%，1.88%，0.51%，1.10%，1.51%and 1.51%respectively.In addition，based on the results of the seedling deficiency detection model，the coordinates of the location of the seedling deficiency in each sample plot could be obtained.【Suggestion】The automated sugarcane seedling detection and seedling deficiency rate calculation method based on the YOLOv8 model can process a large amount of image data quickly and efficiently，with a high degree of automation and precision，and is suitable for detecting seedling shortage in a wide range of sugarcane fields，and can provide specific seedling deficiency coordinates.The follow-up study suggests to improve the model recall rate by multi-scale detection，to reduce the problem of missed detection by using sliding window cropping image for data annotation，and to expand the dataset to improve the generalization ability and robustness of the model，so as to effectively improve the stability and accuracy of the sugarcane seedling shortage detection results.

Key words：sugarcane；seedling deficiency rate；target detection；crop row recognition；YOLOv8 model

Foundation items：Guangxi Major Science and Technology Project（Guike AA22117004）；Science and Technology Development Project of Guangxi Academy of Agricultural Sciences（Guinongke 2017ZX04，Guinongke 2021JM16）

0引言

【研究意義】甘蔗作為我國南方地區(qū)重要的糖料作物和能源作物（郭啟陽，2023；丘剛瑋，2023），苗全、苗齊和苗壯是確保其產(chǎn)量和產(chǎn)值的關(guān)鍵要素（徐軍杰，2020）。甘蔗苗期的缺苗斷壟會造成單產(chǎn)降低，最終影響蔗田的整體效益，而準(zhǔn)確獲取田間幼苗豐缺信息，并及時采取補苗等農(nóng)藝措施對于實現(xiàn)甘蔗的高產(chǎn)栽培具有重要意義（陳光宇，2020）。當(dāng)前，甘蔗缺苗監(jiān)測主要依賴于勞動密集型的人工排查，存在耗時耗力、人為誤差較大等缺陷，且難以精準(zhǔn)獲取甘蔗缺苗位置和缺苗率，因此，亟待研究智能化的缺苗信息提取技術(shù)以提高甘蔗缺苗監(jiān)測的效率和準(zhǔn)確性?！厩叭搜芯窟M展】近年來，隨著計算機視覺、圖像處理及人工智能等技術(shù)的迅速發(fā)展，智能化缺苗檢測在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已得到廣泛關(guān)注和推廣應(yīng)用（白怡，2022；高嘉欣，2023；唐偉萍等，2023）。王永維等（2018）利用Otsu閾值分割對灰度圖像進行二值化處理并去除噪聲后，能為穴盤苗空穴自動補苗提供精確的幼苗信息與穴孔位置。Wen等（2021）基于機器視覺對托盤中的蔬菜苗進行識別，實現(xiàn)了通過蔬菜苗面積特征判別空缺蔬菜苗的情況。曹丹丹等（2023）通過采集正常光照、較強光照、苗葉越界及蛭石泛青4種條件下的缺苗穴位特征，利用YOLOv4模型進行訓(xùn)練，結(jié)果顯示該檢測方法有效提高了缺苗穴位在復(fù)雜條件下的檢測適應(yīng)性及準(zhǔn)確率，為溫室穴盤育苗模式下的苗株生長管理及自動化作業(yè)提供了依據(jù)。伍維模等（2023）構(gòu)建了針對幼苗期棉田圖像進行分類的小型卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并證實該模型可有效區(qū)分幼苗期種植行上的地膜、缺苗穴及棉苗，展示了深度學(xué)習(xí)技術(shù)在精準(zhǔn)獲取棉花種植行缺苗信息方面的卓越性能。在復(fù)雜的環(huán)境中，作物的行列分布受播種技術(shù)影響，常出現(xiàn)偏離作物行的情況；此外，田間的雜草分布也會影響缺苗信息獲取準(zhǔn)確性。楊洋等（2018）基于機器視覺技術(shù)提取花生苗的中心坐標(biāo)位置并計算總體缺苗率，但該方法在雜草與作物的準(zhǔn)確分離及田間作業(yè)環(huán)境適應(yīng)性方面尚存在局限性?？梢?，在復(fù)雜環(huán)境中獲取作物分布的基本信息和規(guī)律是影響缺苗信息獲取的關(guān)鍵，而實現(xiàn)這一目標(biāo)就必須依靠高精度的作物識別技術(shù)。張宇等（2022）基于YOLOv4模型和雙重回歸算法解決了復(fù)雜環(huán)境下檀香樹植株缺苗檢測及定位的問題；Cui等（2023）利用低空無人機及深度學(xué)習(xí)模型對水稻田的秧苗空缺位置進行高精度識別和檢測，通過優(yōu)化算法實現(xiàn)對水稻田缺苗信息的自動化檢測，展示了無人機技術(shù)在農(nóng)情監(jiān)測中的應(yīng)用潛力；Wang等（2023）通過引入ASPP模塊強化YOLOv5模型對水稻幼苗的細(xì)節(jié)識別能力，有效提升了自然環(huán)境下的缺苗信息獲取精度；李尚平等（2024）構(gòu)建了以改進DBSCAN聚類算法和PCA擬合算法為核心的宿根蔗作物行識別方法，并證實該方法作物行中心線上的缺苗位置識別準(zhǔn)確率、召回率分別為91.9%和97.1%，可用于大尺寸復(fù)雜田間圖像上的宿根蔗智能缺苗定位；Zhao等（2024）在目標(biāo)檢測階段引入改進的YOLOv8n模型，提升了幼苗特征識別能力，并通過質(zhì)心檢測方法實現(xiàn)93.7%的缺苗檢測準(zhǔn)確率?！颈狙芯壳腥朦c】盡管已有不少研究利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)構(gòu)建了不同作物的缺苗信息獲取模型，甚至實現(xiàn)了缺苗點位的自動標(biāo)記（Wu et al.，2024），但現(xiàn)有的方法仍存在過度依賴先驗知識，以及需提前規(guī)劃無人機采集圖像路徑等問題，即作物缺苗信息獲取的自動化程度和精準(zhǔn)度還有待進一步提高。甘蔗生長環(huán)境復(fù)雜，種植范圍廣闊，但目前針對甘蔗缺苗信息自動獲取的研究鮮見報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以甘蔗為對象，通過引入不同目標(biāo)檢測模型對蔗苗數(shù)據(jù)集進行檢測，結(jié)合矢量化和旋轉(zhuǎn)變化處理，在研究區(qū)提取株距、作物行分布情況并計算缺苗率，為實現(xiàn)地塊單元的蔗田缺苗位置信息自動化獲取提供借鑒。

1數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)包括高分辨率無人機影像及地塊邊界矢量數(shù)據(jù)。研究區(qū)位于廣西崇左市扶綏縣渠黎鎮(zhèn)篤邦村的甘蔗種植示范區(qū)（22°31′34″N，107°46′33″E），面積約80 ha，種植品種桂糖42號。2023年3月9日13：00—17：00，利用大疆精靈4無人機對研究區(qū)進行航飛作業(yè)，飛行高度為25 m，航向重疊度和旁向重疊度分別為70%和80%，采用CGCS2000投影坐標(biāo)，航飛時段內(nèi)光照條件充足，采集圖像分辨率為5472×3648，蔗苗邊緣清晰，無大范圍運動模糊，能滿足后續(xù)的蔗苗信息提取要求。無人機圖像經(jīng)幾何校正及拼接后得到的正射影像如圖1所示。在高分辨率無人機影像的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS繪制研究區(qū)耕地的地塊邊界，獲得地塊邊界矢量數(shù)據(jù)，矢量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)投影參數(shù)與無人機影像保持一致。

1.2研究方法

研究方法主要分為影像采集與處理、數(shù)據(jù)標(biāo)注與增強、蔗苗檢測模型訓(xùn)練、作物行信息獲取、結(jié)合統(tǒng)計學(xué)策略的缺苗檢測及缺苗檢測算法精度驗證等6個部分。

1.2.1影像采集與處理首先，利用Pix4Dmapper將無人機采集圖像進行幾何校正及圖像拼接，并通過去噪和增強工具提高圖像質(zhì)量，獲取蔗田的正射影像。然后，對正射影像進行格網(wǎng)切片，將大尺寸的遙感影像切分為一系列512×512像素的影像圖片，用于后續(xù)數(shù)據(jù)集的制作與處理。

1.2.2數(shù)據(jù)標(biāo)注與增強從影像切片集中隨機選取20%切片圖像（約300張）作為樣本數(shù)據(jù)集，余下80%作為待檢測數(shù)據(jù)集。利用Labelimg 1.8.6對樣本數(shù)據(jù)集（切片圖像）中的蔗苗進行標(biāo)注，即標(biāo)注目標(biāo)蔗苗的像素坐標(biāo)及標(biāo)簽GZM；將80%的標(biāo)注文件劃分為訓(xùn)練集，10%劃分為驗證集，10%劃分為測試集，用于后續(xù)目標(biāo)檢測模型的訓(xùn)練及精度驗證。為避免目標(biāo)檢測模型因樣本數(shù)量、拍攝角度和色調(diào)等差異對模型精度的影響，引入銳化處理、仿射變換、亮度調(diào)整、色調(diào)調(diào)整及水平翻轉(zhuǎn)等一系列圖像增強方法對數(shù)據(jù)集進行增強擴充。

1.2.3蔗苗檢測模型訓(xùn)練及精度評價甘蔗識別是實現(xiàn)缺苗定位研究的前提，而實現(xiàn)這一前提需要利用深度學(xué)習(xí)模型進行特征分析及提取。單階段目標(biāo)檢測算法具有較高的處理效率，能快速獲取處理結(jié)果。因此，綜合考慮模型的運行效率及精度需求，選取單階段算法中具有代表性且較成熟的YOLOv8模型完成蔗苗識別定位。模型訓(xùn)練參照Varghese和Sambath（2024）的方法，并采用平均精度（Average precision，AP）評估檢測模型性能。計算公式如下：

式中，TP為模型成功且正確檢測出含有甘蔗的圖像數(shù)量，F(xiàn)P為模型錯誤將無甘蔗預(yù)測為含有甘蔗的圖像數(shù)量，F(xiàn)N為模型未能檢測出實際含有甘蔗的圖像數(shù)量，P為準(zhǔn)確率，R為召回率，AP為平均精度。

1.2.4作物行信息獲取

1.2.4.1檢測結(jié)果轉(zhuǎn)換與合并針對每張切片圖像的目標(biāo)檢測結(jié)果，將包含蔗苗檢測框的中心點像素坐標(biāo)視為對應(yīng)蔗苗的位置坐標(biāo)；根據(jù)整體影像—切片圖像—蔗苗位置三者間的像素坐標(biāo)，以及影像的地理變換參數(shù)和投影信息，將蔗苗的位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為包含地理坐標(biāo)的矢量點；將所有切片圖像的矢量點合并，生成整個研究區(qū)的矢量點，然后與研究區(qū)的地塊邊界矢量數(shù)據(jù)進行空間疊加和劃分，最終獲得每個地塊的蔗苗矢量點，為后續(xù)逐地塊的信息提取和計算提供支持。

1.2.4.2作物行方向與數(shù)量同一地塊內(nèi)作物行在田間的排布總體上沿著同一方向分布。當(dāng)某一地塊的矢量點以該地塊邊界的外接矩形左上角為坐標(biāo)軸原點進行旋轉(zhuǎn)時，矢量點在X軸方向上的分布頻度（密度）也相應(yīng)發(fā)生變化。當(dāng)旋轉(zhuǎn)至作物行垂直于X軸時，作物行上的矢量點在X軸上的分布頻度最大，而非作物行上的矢量點分布頻度最小，分布頻度曲線以作物行的位置和數(shù)量形成多個波峰，此時X軸上分布頻度的方差達最大值。因此，以矢量點分布頻度的方差為地塊是否旋轉(zhuǎn)至最佳角度（垂直于X軸）的判別指標(biāo)，當(dāng)分布頻度的方差達最大值時，通過旋轉(zhuǎn)角度及分布頻度曲線有效峰數(shù)的計算，即可獲取作物行方向和數(shù)量。為確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用科技人員在田間實際統(tǒng)計的作物行數(shù)為驗證依據(jù)，評估以分布頻度判斷作物行數(shù)量的有效性。

1.2.4.3作物行位置與行間距在作物行旋轉(zhuǎn)至垂直于X軸的基礎(chǔ)上，采用改進的K-Means算法對矢量點進行聚類分析，以獲取作物行的準(zhǔn)確位置和行間距信息。具體改進之處在于將傳統(tǒng)K-Means算法通過隨機生成聚類質(zhì)心的方式改為可預(yù)先指定初始的聚類質(zhì)心：將先前獲取的作物行數(shù)量設(shè)為聚類數(shù)量，分布頻度曲線各波峰對應(yīng)的X軸位置視為各作物行的初始中心線位置，并將其設(shè)為每一簇的初始質(zhì)心。通過統(tǒng)計聚類后各簇中矢量點的橫坐標(biāo)均值，獲得各作物行中心線在X軸上的準(zhǔn)確位置，并進一步計算獲取各作物行間的行間距。

1.2.4.4作物行始點與終點將獲取的作物行中心線坐標(biāo)進行逆向旋轉(zhuǎn)，恢復(fù)原始坐標(biāo)，通過求算作物行中心線與地塊矢量邊界的坐標(biāo)交點，即可獲得作物行的始點和終點。

1.2.5結(jié)合統(tǒng)計學(xué)策略缺苗檢測首先，隨機抽取田塊中80%的矢量點，計算其與最鄰近點的歐氏距離，將歐氏距離排名前10%和排名后10%的偏大或偏小極端值剔除，對剩余的80%歐氏距離進行高斯擬合，求取平均株距。然后，利用已知各作物行的位置、方向、行間距、始點、終點及株距等信息，制作無缺苗情形下的蔗苗標(biāo)準(zhǔn)分布模板。最后，將1.2.3中的蔗苗識別結(jié)果轉(zhuǎn)為矢量點后，與無缺苗情形下的蔗苗標(biāo)注分布模板進行匹配，確定標(biāo)準(zhǔn)分布模板中各蔗苗矢量點分布的閾值范圍；查找真實田塊中在該范圍內(nèi)的蔗苗，若該范圍內(nèi)不存在蔗苗，則記錄為缺苗點（圖2）；統(tǒng)計當(dāng)前田塊中標(biāo)記的缺苗點數(shù)量，計算缺苗點數(shù)量在標(biāo)準(zhǔn)模板下的比重，即獲得缺苗率，在此基礎(chǔ)上進一步獲取缺苗點的坐標(biāo)。缺苗率計算公式如下：

Q（%）=×100（4）

式中，Q表示甘蔗田缺苗率；B表示田塊中標(biāo)記的缺苗點總數(shù)，即實際田塊中未能正常生長或缺失蔗苗點的總數(shù)；A表示無缺苗情形下蔗苗標(biāo)準(zhǔn)分布模板中應(yīng)有蔗苗點的總數(shù)。

1.2.6缺苗檢測算法精度驗證在研究區(qū)選擇不同形態(tài)和大小的若干樣方為試驗對象，全面評估算法在不同地塊特征下的表現(xiàn)并使用相關(guān)系數(shù)（R2）及均方根誤差（RMSE）為評價指標(biāo)，對缺苗檢測算法的精度進行評價和驗證。

式中，mi表示第i個樣方中目視解譯的缺苗數(shù)，i表示第i個樣方中目視解譯的平均缺苗數(shù)，ci表示基于缺苗算法獲取第i個樣方中的缺苗數(shù)量，n為樣方數(shù)。

2地塊尺度蔗田缺苗信息自動獲取情況

2.1蔗苗識別

2.1.1 YOLOv8模型檢測結(jié)果利用1.2.2中經(jīng)數(shù)據(jù)增強的樣本進行訓(xùn)練，YOLOv8模型共成功識別出8120個幼苗位置，準(zhǔn)確率為98.84%，召回率為90.76%，AP為97.05%。圖3展示了2種不同雜草分布情形對蔗苗識別的影響。在幾乎不存在雜草的環(huán)境中，YOLOv8模型能輕松檢測到蔗苗的位置（圖3-A）；在雜草分布較多的環(huán)境中，雜草遮擋會混淆蔗苗的視覺特征而增加檢測難度，但YOLOv8模型仍能較準(zhǔn)確識別出蔗苗（圖3-B），為后續(xù)缺苗算法分析提供準(zhǔn)確的信息。

2.1.2不同目標(biāo)檢測網(wǎng)絡(luò)模型的性能比較為進一步驗證YOLOv8模型對田間蔗苗的識別性能，采用相同的樣本數(shù)據(jù)集在相同條件下對其他2種經(jīng)典的單階段目標(biāo)檢測算法（CenterNet和SSD）進行訓(xùn)練和測試，以AP和每秒處理幀數(shù)（Frames per se-cond，F(xiàn)PS）為評價指標(biāo)。其中，CenterNet算法通過預(yù)測每個目標(biāo)的中心點及寬和高的尺寸而實現(xiàn)目標(biāo)識別，是單階段算法中經(jīng)典的無錨框目標(biāo)識別算法（Duan etal.，2019）；SSD是一種高效的目標(biāo)檢測算法，可在單次網(wǎng)絡(luò)傳遞中同時實現(xiàn)目標(biāo)的快速識別和精確定位（Liu et al.，2016）。結(jié)果（表1）顯示，YOLOv8模型在蔗苗測試集上表現(xiàn)出色，具體表現(xiàn)為YOLOv8模型的AP為98.84%，明顯優(yōu)于Center-Net算法（AP為91.84%）和SSD算法（AP為81.96%），說明YOLOv8模型在目標(biāo)檢測任務(wù)中能更準(zhǔn)確地識別和定位蔗苗，展示出更優(yōu)越的識別能力；YOLOv8模型的FPS為77.26，略低于CenterNet算法的139.38和SSD算法的81.16。此外，YOLOv8模型在檢測框準(zhǔn)確性和置信度等方面均優(yōu)于CenterNet算法和SSD算法（圖4），進一步說明YOLOv8模型在存在雜草的田間環(huán)境下依然能有效識別蔗苗。

2.2作物行方向識別效果

將蔗苗矢量點以所屬田塊矢量邊界的外接矩形左下角為原點順時針進行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中矢量點在X軸上的分布頻度隨旋轉(zhuǎn)角度的變化而發(fā)生相應(yīng)變化。以圖5所在地塊為例，圖5-B和圖5-D分別為矢量點未經(jīng)旋轉(zhuǎn)處理及旋轉(zhuǎn)至任意角度時的分布頻度情況，無明顯規(guī)律；當(dāng)矢量點逆時針旋轉(zhuǎn)至41°時，矢量點在固定距離區(qū)間內(nèi)的分布頻度呈現(xiàn)明顯周期性（圖5-C）。此外，由圖5-A可看出，矢量點的分布頻度方差在41°時達最大值，此時旋轉(zhuǎn)角度為最優(yōu)角度，作物行方向與X軸處于垂直狀態(tài)，據(jù)此可進一步計算出作物行的方向。綜上所述，作物行信息提取方法能實現(xiàn)作物矢量點最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角度及作物行方向的自動獲取。

2.3作物行數(shù)量、行間距及端點提取效果

2.3.1作物行數(shù)量提取在矢量點旋轉(zhuǎn)至垂直于X軸時，首先通過設(shè)定適宜濾波去除行間的零散蔗苗，消除行外噪點對作物行中心線擬合的干擾，蔗苗數(shù)量在水平方向上的分布情況如圖6所示。通過計算峰值點數(shù)量可確定研究區(qū)的作物行數(shù)量為58行。經(jīng)檢驗，作物行識別數(shù)量與田間實際統(tǒng)計的作物行數(shù)量一致。

2.3.2作物行間距提取在獲取作物行數(shù)量后，利用改進的K-Means算法對矢量點進行聚類分析，將聚類的數(shù)量設(shè)為行數(shù)，即K=58，采用隨機選擇的初始質(zhì)心并多次運行聚類，以提高獲得全局最優(yōu)解的可能性。通過計算每個類別質(zhì)心的橫坐標(biāo)，能精準(zhǔn)確定各作物行中心線在X軸上的位置，并據(jù)此計算出各作物行間的行間距。聚類分析完成后的可視化效果如圖7所示，圖中紅色虛線代表各簇的中心，虛線垂直于X軸，圖中作物行分布整齊有序，說明改進的K-Means算法在分隔作物行方面具有良好效果。2.3.3作物行起點和終點的確定由于受田間栽培方式及環(huán)境因素的影響，同一作物行內(nèi)的蔗苗并未嚴(yán)格按照直線進行排布，因此常用其中心線來代表各作物行。在獲取各作物行中心線位置坐標(biāo)及行間距的基礎(chǔ)上，通過逆向旋轉(zhuǎn)恢復(fù)原始坐標(biāo)，并計算各作物行中心線與地塊邊界矢量的交點，即可獲得作物行的起點和終點。由圖8可知，通過明確作物行的起點和終點位置，即可精準(zhǔn)界定不同地塊中的作物行布局，從而了解作物行在形狀多樣、規(guī)模不一蔗田中的分布情況。同時，獲取精確作物行邊界信息是進行后續(xù)缺苗率指標(biāo)計算工作的基礎(chǔ)。

2.4作物株距統(tǒng)計學(xué)分析結(jié)果

將矢量點旋轉(zhuǎn)至作物行垂直于X軸后，對地塊內(nèi)所有蔗苗矢量點進行一定比例的隨機抽取、排序和剔除，歐氏距離數(shù)據(jù)在去除極端值后的穩(wěn)定性明顯增強，矢量點與其鄰近點間的歐氏距離變化較小。統(tǒng)計剩余矢量點與其歐氏距離最小點間在Y軸豎直方向上的距離，結(jié)果（圖9）顯示，蔗田中所有蔗苗與其相鄰近蔗苗間的垂直距離即平均株距（S（ˉ））為0.4 m，矢量點間最小歐氏距離的取值相對接近，且變化較平緩，說明相鄰矢量點間的歐氏距離基本一致，矢量點的整體分布較均勻。

2.5缺苗率計算及驗證結(jié)果

2.5.1缺苗檢測結(jié)果及缺苗坐標(biāo)可視化根據(jù)作物行的位置、方向、行間距、起點、終點及平均株距等信息，繪制無缺苗狀態(tài)下的蔗苗標(biāo)準(zhǔn)分布模板；然后與YOLOv8模型檢測的蔗苗實際分布結(jié)果進行比對，以獲取地塊的缺苗信息；根據(jù)公式（4）計算得出，2塊蔗田的整體缺苗率分別為26.37%和19.21%，與傳統(tǒng)的人工目視解譯相比，缺苗檢測模型在計算時間上明顯減少，處理速度上更具優(yōu)勢，檢測效率得到有效提升（表2）。將缺苗點的地理坐標(biāo)導(dǎo)入ArcGIS進行可視化，能快速識別問題區(qū)域（圖10），有助于管理者及時采取補苗措施，確保甘蔗產(chǎn)量。

2.5.2缺苗檢測算法誤差分析與驗證我國南方地區(qū)的耕地破碎，耕作制度復(fù)雜，不同地塊在邊界形態(tài)、方位及面積等方面存在明顯差異。由于研究區(qū)屬于規(guī)?；母收岱N植基地，地塊形狀規(guī)則且面積較大，為驗證蔗田缺苗檢測模型在具有不同邊界蔗田中的檢測效果，在研究區(qū)的2個大面積地塊中隨機劃定形態(tài)、方位和面積各異的8個樣方（A～H），以代表不同的地塊類型。利用蔗田缺苗檢測模型分別對8個樣方進行缺苗檢測，結(jié)果如圖11所示。

在遙感分類和識別研究中，通常以人工目視解譯結(jié)果為真值，通過對比模型檢測結(jié)果與人工目視解譯結(jié)果，獲得各類精度指標(biāo)，而對算法精度進行評估。將各樣方的缺苗檢測模型識別結(jié)果與人工目視解譯核實的缺苗株數(shù)進行對比，結(jié)果（表3）顯示，樣方E、樣方F和樣方G的缺苗檢測模型識別結(jié)果較人工目視解譯結(jié)果分別多出3、1和2株，其余樣方的缺苗檢測模型識別結(jié)果與人工目視解譯結(jié)果的誤差范圍在5～18株，且均高于人工目視解譯結(jié)果。

基于無缺苗情形的蔗苗標(biāo)準(zhǔn)分布模板分別計算8個樣方（A～H）的缺苗率，與人工目視解譯結(jié)果對比，缺苗檢測模型的誤差分別為4.35%、2.98%、4.28%、2.91%、1.88%、0.51%、1.10%和1.51%。進一步建立二者的回歸方程得知，R2=0.9931，RMSE=1.2046，表明模型檢測結(jié)果與實際測量值間存在顯著相關(guān)，具有較高的估測精度（圖12）。此外，根據(jù)缺苗檢測模型結(jié)果可獲取各樣方的缺苗位置坐標(biāo)，如圖11所示。

3討論

深度學(xué)習(xí)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用已成為數(shù)字農(nóng)業(yè)研究的熱點，其中基于無人機高分辨率影像的作物缺苗信息自動化/智能化提取是當(dāng)前數(shù)字農(nóng)業(yè)研究的重要方向。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，地塊的形態(tài)常因地理條件、歷史耕作方式及土地利用規(guī)劃等影響而呈現(xiàn)出不同的形狀和大小，如矩形、方形、長條形或狹長形等（趙馨等，2020），尤其是我國南方熱帶亞熱帶地區(qū)的耕地破碎，耕作制度復(fù)雜，不同地塊在面積和邊界形狀上存在明顯差異（孟慶巖等，2024）。地塊形態(tài)多樣性給大范圍的缺苗信息自動化提取帶來了巨大挑戰(zhàn)。以往的研究主要以單個地塊或作物分布模式相同區(qū)域為研究區(qū)，通常需要針對每個田塊單獨處理影像數(shù)據(jù)，但每個田塊可能需要不同的處理參數(shù)和算法，極大增加了數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性。對于大范圍應(yīng)用，逐塊處理的方式不僅費時費力，還可能導(dǎo)致整體監(jiān)測效率降低。為此，本研究通過無人機影像與地塊邊界矢量相結(jié)合、以地塊為單元的逐地塊計算方式，能較好地解決大范圍應(yīng)用中的地塊形態(tài)差異問題。

作物行數(shù)量、方向、長度和行間距等信息的準(zhǔn)確獲取是實現(xiàn)缺苗檢測的重要環(huán)節(jié)（趙弋秋，2022）。不同地塊的作物行狀況普遍存在差異，為解決作物行方向的差異問題，已有研究在數(shù)據(jù)獲取階段提前規(guī)劃好航飛路徑，以保證作物行方向與航飛方向平行，但這種方式在大面積的數(shù)據(jù)獲取中存在局限性（付靜，2019；趙靜等，2021；楊蜀秦等，2023）。此外，現(xiàn)有研究多以同一地塊的作物行長度相同為假設(shè)前提，很少關(guān)注地塊內(nèi)部作物行的長度差異，而導(dǎo)致在作物行兩端（地塊邊界附近）極易出現(xiàn)漏檢、錯檢現(xiàn)象（蘇偉等，2018；Huang et al.，2020；郭祥雨和薛新宇，2021）。本研究首先將蔗苗識別結(jié)果進行矢量化，采用空間分析的后處理方法實現(xiàn)了作物行自動旋轉(zhuǎn)至豎直方向，再通過聚類處理、交叉點計算、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等手段實現(xiàn)作物行數(shù)量、方向、行距及起點和終點的準(zhǔn)確獲取，有效解決了不同地塊間及同一地塊內(nèi)部的作物行狀況差異問題，同時無需前期飛行路線的人為規(guī)劃，降低了對田間調(diào)查等先驗知識的依賴程度，有效提高了大范圍信息提取的效率。

作物的準(zhǔn)確識別和定位是缺苗檢測的關(guān)鍵（Heet al.，2022），而田間雜草是最常見、最主要的干擾因素之一。已有研究采用圖像分割技術(shù)在像素層面進行作物幼苗的識別和定位，主要是利用幼苗葉片或冠層在圖像上表現(xiàn)為綠色，與土壤背景顏色有明顯對比的特點（胡煉等，2013；García-Santilán et al.，2018）。由于雜草和作物幼苗在顏色上相似，基于圖像分割進行識別定位的方法易出現(xiàn)誤判或多判的現(xiàn)象，限制了該方法在有雜草地塊上的應(yīng)用。此外，雜草干擾還會給基于Hough變換的作物行信息提取帶來計算量大、峰值檢測困難及誤差偏大等問題（王曉杰，2017；陳子文等，2019；王姍姍等，2020）。相對于直接以幼苗缺失位置為訓(xùn)練樣本及預(yù)測目標(biāo)的深度學(xué)習(xí)模型而言（張宇等，2022；Cui et al.，2023），雜草的存在極易導(dǎo)致漏檢、誤檢情況的發(fā)生，嚴(yán)重降低模型的缺苗識別和定位精度。本研究以蔗苗圖像為訓(xùn)練樣本和識別目標(biāo)，采用成熟的目標(biāo)檢測方法，在蔗苗識別的基礎(chǔ)上通過一系列后處理獲取蔗田的缺苗信息，最大程度上避免了將雜草信息帶入缺苗信息提取的計算鏈條，有效降低了雜草的干擾。

傳統(tǒng)的人工目視解譯需耗費大量人力和時間，且易受主觀因素和視覺疲勞的影響；與人工目視解譯相比，基于YOLOv8模型的自動化蔗苗檢測與缺苗率計算方法是通過對矢量化結(jié)果進行旋轉(zhuǎn)并結(jié)合聚類分析和統(tǒng)計學(xué)策略，可快速、高效地處理大量圖像數(shù)據(jù)，具有較高的自動化程度與精度，適用于大范圍的缺苗信息檢測，且能提供具體的缺苗坐標(biāo)，對于精細(xì)化農(nóng)田管理和決策制定具有重要意義。該方法在缺苗率及缺苗坐標(biāo)自動獲取方面已取得良好效果，但在實際應(yīng)用過程中仍存在需要改進的地方，如航飛時風(fēng)力造成的無人機抖動導(dǎo)致部分區(qū)域成像模糊，以及少量高大雜草對作物幼苗的遮擋，均給蔗苗的識別帶來困擾，進而影響缺苗率和缺苗坐標(biāo)的準(zhǔn)確獲取。因此，今后還需對檢測算法不斷進行優(yōu)化，提高其抗干擾性能，有效提升缺苗檢測結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

4結(jié)論

基于YOLOv8模型的自動化蔗苗檢測與缺苗率計算方法可快速、高效地處理大量圖像數(shù)據(jù)，具有較高的自動化程度與精度，適用于大范圍的蔗田缺苗檢測，且能提供具體的缺苗坐標(biāo)。后續(xù)研究建議通過多尺度檢測提升模型召回率，采用滑動窗口裁剪圖像進行數(shù)據(jù)標(biāo)注而降低漏檢問題，并擴充數(shù)據(jù)集以提高模型的泛化能力和魯棒性，有效提升蔗田缺苗檢測結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

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（責(zé)任編輯：蘭宗寶）