花生深度学习检测：精准识别病害，助力农业发展
一、花生病害检测的重要性
花生在我国农业生产中占据重要地位，它不仅是重要的油料作物，还具有较高的经济价值。我国已成为花生种植、生产和出口的大国，花生出口量一直居世界前列。
然而，病害对花生产量和品质有着严重的影响。花生田常见的病害如苗期的根腐病、中期的褐斑病、中后期的白绢病以及新病害黑腐病、锈病等，会导致花生植株生长不良、叶片变黄、枯萎甚至全株枯死。以花生褐斑病为例，发生在花生中期，是花生田非常普遍的一种病害，防治不及时一般可使花生减产 12%—30%。锈病轻则能造成 10% 左右的减产，如果发生较严重，能减产一半以上。此外，花生黑腐病一旦发病很难防治，发生严重能造成减产 50% 以上。
这些病害严重影响了花生的产量和品质，也给种植户带来了巨大的经济损失。因此，对花生病害进行准确、及时的检测至关重要。传统的病害检测方法往往依赖人工观察，效率低且准确性不高。而深度学习检测技术具有高效、准确的特点，可以快速识别花生病害，为及时采取防治措施提供依据。通过深度学习检测，可以在病害早期发现问题，防止病害扩散，从而提高花生产量和品质，保障农业生产的可持续发展。
二、深度学习在花生病害检测中的技术应用
（一）基于多模态的花生叶斑病病害等级检测
采用 Kmeans 方法构建数据集，首先对采集的花生叶斑病原始数据进行分组，为后续训练提供所需的数据集。接着对花生叶斑病的 RGB 图像和光谱数据进行预处理，将处理后的图像和光谱数据分别输入至花生叶斑病多模态检测模型的 Resnet101 网络和改进的 1DCNN 网络中进行特征提取。通过特征融合模块将提取的特征进行融合，最终输出花生叶斑病病害等级结果。为了评价结果的准确性，选择准确率、召回率、精确度和综合指标 F1_score 作为评价指标。其中，综合指标 F1_score 的计算公式为：，其中 为精确度， 为召回率。为了拟合真实值与预测值之间的差距，采用如下公式作为多模态特征融合的损失函数：，其中 为相应感染等级的真值， 为算法对相应感染等级的预测概率值， 为花生叶斑感染等级的总数， 为花生叶斑感染等级的取值。
（二）深度迁移学习在花生叶部病害图像识别中的应用
为降低图像采集难度，减少图像标注成本，提出了一种基于微调策略的 Inception-v3 花生叶部病害图像识别方法。首先迁移 Inception-v3 模型在茶叶叶部病害图像数据集上进行微调，然后将微调所得模型迁移至花生叶部病害图像数据集上继续训练。实验结果表明，Inception-v3、VGG19、ResNet50、卷积神经网络和微调卷积神经网络在测试集上的准确率分别为 94.1%、92.9%、93.2%、80.3% 和 87.0%，而本文提出的方法准确率为 95.3%。在花生叶部病害图像数量有限时，该方法识别准确率显著提高。
（三）基于深度学习的花生荚果品质分级系统
针对花生荚果人工分级效率低、机械分级不精确等问题，提出一种基于迁移学习的卷积神经网络花生荚果等级图像识别方法。通过引入数据平衡技术得到花生荚果等级图像数据集，对比分析了 GoogLeNet、ResNet18 和 AlexNet 等基本模型下花生荚果图像分级识别的性能。利用迁移学习及模型融合对花生荚果等级识别模型进行改进，用批归一化替换局部响应归一化且将激活函数置于批归一化层前后不同位置，对模型进行迁移学习对比试验和超参数学习率优化试验，研究了非饱和激活函数和改进的非饱和激活函数对模型性能的影响。初级改进的识别模型对花生荚果 4 个等级分类识别准确率达到 94%，通过进一步的改进可以获得更大的精度提高，为其他农产品精确分级提供参考。
（四）基于 UAV-RGB 图像和深度学习的花生生长监测
使用改进的目标检测算法 yolov5s_t，进行花生秧苗目标检测，结合 deepsort 算法以及 opencv 实现对花生秧苗的跟踪识别，得到秧苗计数结果，从而监测花生生长状况。具体步骤为：首先使用无人机拍摄视频获取花生秧苗数据，操纵无人机飞越花生大田，飞行高度设置为 3m - 3.5m，设置相机偏角使无人机摄像设备的镜面与地面平行，通过视频拍摄获取花生幼苗的生长信息。然后对花生秧苗数据进行预处理，得到图片数据集，每 n 帧获取一张视频截图，将实验数据集按 9:1 的比例随机分布，使用 labelimg 工具对花生幼苗和杂草对象进行标记，并将获取的 txt 文件以 yolo 数据存储格式存储，对图像及标记图像进行缩放和坐标变换，修改图像分辨率至统一像素。构建花生秧苗计数模型，包括花生秧苗检测器和花生秧苗跟踪器，花生秧苗检测器用于对图片数据集进行目标检测，得到带锚框的识别图片，花生秧苗跟踪器用于将带锚框的识别图片与花生秧苗数据中的花生秧苗进行跟踪匹配，得到跟踪预测结果，最后根据跟踪预测结果记录花生秧苗数量，得到计数结果。
三、花生常见病害的识别与防治
（一）花生白绢病
发生危害：花生白绢病是花生的主要病害之一，我国多数花生产区均有发生。一般年份病田率达 5% 以上，病株率 10% - 20%，严重地块特别是重茬或秸秆较多的地块病株率达 30% 以上，直接影响花生的产量与品质。
发病症状：多在花生成株期发生，病原菌主要从植株茎基部侵入，菌丝可沿茎杆向上、向下扩展，最终导致植株茎部、果针、根部和荚果均可受害。受害初期叶片萎蔫，近地面和茎基部覆盖有白色绢丝状菌丝，拔出后根部和荚果上也附着有白色菌丝；后期整株枯死，根茎部和荚果变褐腐烂，甚至种仁也会变色，呈湿腐状腐烂。后期菌丝开始聚集形成菌核，初期为白色小颗粒，后逐渐增大变成黄褐色，最后形成油菜籽状、黑褐色或茶褐色的坚硬菌核。
发病规律：花生白绢病菌主要以菌核在土壤中越冬，也可以菌丝存留于植株病残体上越冬；果壳和果仁也可带菌。翌年，在环境条件适宜时（高温、潮湿），菌核萌发长出菌丝，顺着土壤缝隙蔓延到地面或田间残留的秸秆上，然后从花生茎基部伤口或表皮直接侵入，引起病害发生。病株上的菌丝聚集在一起形成菌核，通过浇灌、雨水、耕种、昆虫或农事操作等进行传播，引起再侵染。夏秋季温度高、雨量大，则发病重；植株密度大，田间杂草多，发病重；秸秆较多的田块发病率高且发病重；春花生地块比夏花生地块发病重。
应急防控措施：经常到田间查看花生白绢病的发生情况，若发现有零星发生时，可清除病株及周围的落叶和土壤，并用生石灰进行撒施消毒。发病严重的地块适时采用化学药剂防治，可选用噻呋酰胺或噻呋・戊唑醇或噻呋・吡唑酯等杀菌剂，兑水后将药液均匀喷淋到花生植株茎基部、根部及周围土壤中，甚至要喷到有菌丝附着的残存秸秆上。此外，近期降雨量较大时，花生田里需要及时排水，降低湿度，减轻花生白绢病的发生。
（二）花生褐斑病和黑斑病
发生危害：花生褐斑病和黑斑病分别是由花生尾孢菌和落花生短胖孢菌引起的一种世界性真菌病害。发病严重时，两种叶斑病会在叶片上同时出现，且病斑汇合在一起，常使叶片枯死脱落，导致植株早衰，影响花生结果，一般可减产 10% - 20%，严重时可减产 40% 以上。
田间识别方法：
花生褐斑病：发病初期，在叶片上形成针头大小的黄褐色或铁锈色小斑点，随后逐渐扩大为直径 1 - 10 毫米的近圆形或不规则形病斑，病斑周围有明显的黄色晕圈；病斑正面呈茶褐色或暗褐色，背面颜色较浅，为淡褐色或褐色，在叶片正面病斑上产生不明显的散生小黑点。
花生黑斑病：病斑比褐斑病小，直径 1 - 5 毫米，病斑圆形或近圆形，颜色黑褐色、暗褐色，病斑在叶片正反面的颜色相近，且病斑周围无黄色晕圈。叶片背面常见黑色小点，呈同心轮纹状。
应急防治策略：在发病初期，即田间病叶率达 10% - 20% 时，要及时喷药防治。可选用苯甲・嘧菌酯或苯醚・丙环唑或唑醚・代森联或烯肟・戊唑醇等复配杀菌剂均匀喷雾。根据天气和田间花生长势情况，雨水多湿度大，每 10 - 15 天左右喷药 1 次，连喷 1 - 2 次。因花生褐斑病和黑斑病常从花生植株中下部叶片开始发病，故喷药一定要到位。为抢抓防治时机，可采用喷杆喷雾机或飞防进行喷药防治。
（三）花生茎腐病、根腐病和青枯病
花生茎腐病：
识别特征：幼苗期发病常使花生子叶发黑腐烂，造成缺苗，成株期发病部位一般在花生茎杆基部子叶节附近，病菌造成茎杆基部腐烂，用手拔病株，常从茎基部断裂，不能连根拔起，俗称 “卡脖病”。
发病规律：病原为半知菌亚门的棉色二孢菌，主要在种子和病残体上越冬，成为翌年发病的主要来源，田间借水流、大风或农事操作传播，从表皮或伤口侵入致病。花生出苗至成熟期均可发生茎腐病，发病越早对产量影响越大。成株感病后，约 10 - 30 天全株枯死。
防治方法：收获后及时清除病残体，土壤深翻；与水稻、小麦、玉米等禾本科作物进行 3 年以上轮作；选用无病种子，播种时用 “福达两拌” 种子包衣；化学防治可在发病初期用 “丰洽根保” 对根部喷淋，严重地块间隔 7 - 10 天，连喷 2 - 3 次。
花生根腐病：
识别特征：在地势低洼、土层浅薄、持续低温阴雨等条件下发生较重。侵染刚萌发的种子，造成烂种、烂芽；苗期受害主根变褐，植株枯萎；成株受害，主根根颈上出现长条形褐色斑，根端呈湿腐状，皮层腐烂，易脱落，无侧根或极少，形似鼠尾，患部表面有黄白色至淡红色霉层。
发病规律：由半知菌亚门的镰刀菌侵染所引起，在花生各生育期皆可发生，病菌在土壤、病残体和种子上越冬，成为翌年初侵染源。病菌主要借流水、施肥或农事操作而传播，从伤口或表皮直接侵入。
防治方法：与防治茎腐病类似，同时要注意避免地势低洼、持续低温阴雨等易发病条件。
花生青枯病：
识别特征：是一种典型的土传细菌性病害，在坡地发病较多，久旱骤雨或久雨骤晴时发生严重，病株在田块中呈点状分布。在发病初期，叶片出现萎蔫，叶色略变淡，但仍呈绿色，故称 “青枯”；剖开根茎部，可发现维管束变褐色，用手挤压，有乳白色菌液流出。
发病规律：由青枯假单胞杆菌细菌侵染所致，在花生整个生育期间均可发生，以初花期开始发病较为常见，植株一旦发病，基本很难控制，发病至枯死一般 7 - 15 天，严重时 2 - 3 天可全株枯死，对产量影响极大。主要通过带菌土壤、病残体、粪肥、田间流水传染，其次是通过人畜、农具及昆虫传染。
防治方法：选用抗病品种；有条件的地方应进行水旱轮作；在旱地作物中，要与病菌不易寄生的作物轮作，如玉米、高粱等；基肥中，选用高氮、高钾的复合肥，配施微生物有机复合肥；对于发病植株，可用辛菌胺 & 霜霉威对病株灌根，发病中后期，可用青甲霜灵 & 噁霉灵兑水喷施；也可用络氨铜水剂灌根，每隔 7 - 10 天 1 次，连灌 2 - 3 次；于开花前对酸性土壤的花生，每亩施石灰 35 - 50 公斤，降低酸度，减轻发病率。
（四）花生叶斑病综合防治
选用抗病品种：不同的花生品种对叶斑病的抗性有差异，宜淘汰感病品种，选用适宜当地种植的抗病或中抗病品种。
加强田间管理：种植的田块宜与红薯、玉米等作物轮作，减少连作重茬；根据当地气候合理安排播种期，合理密植；科学管理水肥，有条件的可增施有机肥作基肥，巧施苗肥，增施磷钾肥及补充钼、硼等微量元素，促进花生健壮生长，提高花生的抗病能力；在雨季注意开沟排水，降低田间湿度。
药剂防治：自花生始花期开始，用药防控，可选择多・锰锌、硫酸铜钙、代锰・戊唑醇、苯醚甲环唑、异菌脲、吡唑醚菌酯等高效、低毒药剂进行防治，注意轮换使用药剂，发生较重时可隔 10 天左右连续喷施 2 - 3 次，防效较好。
（五）花生土传病害防控
农业防治：合理轮作是一方面，最关键的是做好土壤的养护工作，注意使用腐熟的有机肥，配合使用活土君生物菌肥，以降低病原基数、改良土壤、提高植株的抗病能力。
化学防治：拌种是防治花生土传病害的最有效手段，播种前可用噻虫嗪、精甲霜灵、咯菌腈等药剂进行处理；花生齐苗、花前及下针期，可用苯甲丙环唑、苯甲嘧菌酯、噻呋酰胺防治。
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