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A deep convolutional neural network-based wavelength selection method for spectral characteristics of rice blast disease

卷积神经网络 残余物 高光谱成像 选择(遗传算法) 支持向量机 人工神经网络 随机森林 人工智能 计算机科学 卷积(计算机科学) 模式识别(心理学) 波长 数学 算法 光学 物理
作者
Shuai Feng,Dongxue Zhao,Qiang Guan,Jinpeng Li,Ziyang Liu,Zhongyu Jin,Guangming Li,Tongyu Xu
出处
期刊:Computers and Electronics in Agriculture [Elsevier BV]
卷期号:199: 107199-107199 被引量:40
标识
DOI:10.1016/j.compag.2022.107199
摘要

Characteristic wavelength selection is a research hotspot in hyperspectral data processing and a key to improving the accuracy of identifying the degree of rice blast infection. This study combines deep learning and visualization techniques to create a wavelength selection method for spectral features of rice blast. A deep convolutional neural (DCNN) structure was designed by combining the convolutional block attention module (CBAM) with residual network (ResNet) to learn different classes of disease features. And the guided grade-weighted heatmap (Guided-GradHM) of the last layer of convolution was obtained using the guided gradient-weighted class activation mapping (Guided-GradCAM) method. Then the spectral characteristic wavelengths were selected based on the average Guided-GradHM of different disease levels. Finally, statistical analysis (JM distance, within-class scatter) and comparative modeling analysis were used to verify the method's validity in this study. The results show that the characteristic wavelengths selected by the Guided-GradCAM method based on the ResNet-CBAM network structure have good inter-class separability and intra-class aggregation, with JM distance greater than 1.9 and within-class scatter less than 0.4. Meanwhile, the random forest (RF) and support vector machine (SVM) models constructed from the spectral characteristic wavelengths selected by the Guided-GradCAM method achieved the best disease level classification accuracy, with overall accuracy (OA) and Kappa of 97.21% and 96.55%, 96.51%, and 95.69%, respectively. Overall, this research method can more accurately select the spectral characteristic wavelengths of different disease levels of rice blast and can provide a more effective method for accurate identification and timely control of the disease.
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