Aprendizado profundo para classificação e quantificação de doenças e pragas em imagens de folhas de café

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Esgario, Jose Guilherme Mota
Data de Publicação: 2019
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes)
Texto Completo: http://repositorio.ufes.br/handle/10/13831
Resumo: Biotic stress consists of damage to plants through other living organisms. Efficient control of biotic agents such as pests and pathogens (viruses, fungi, bacteria, etc.) is closely related to the concept of agricultural sustainability. Agricultural sustainability promotes the development of new technologies that allows the reduction of environmental impacts, greater accessibility to farmers and, consequently, increase on productivity. The use of computer vision with deep learning methods allows the identification of the stress-causing agent. So, corrective measures can be applied as soon as possible to mitigate the problem. Among the most commonly used approaches, convolutional neural networks present good results and high success rates. The goal of this work is to design an effective and practical system capable of identifying and estimating the stress severity caused by biotic agents on coffee leaves. In this work two approaches based on convolutional neural networks were investigated. The first approach consists of a one-step system trained to classify the leaf dataset with labels of biotic stress and severity. The second approach is formed by a two-step system, the semantic segmentation step, trained with the segmentation masks dataset, and the classification step, trained with the symptom dataset. The approaches were compared by highlighting their strengths and weaknesses. In addition, the use of multi-task learning and data augmentation techniques have been investigated in order to improve robustness and accuracy. The experimental results obtained an overall accuracy of 93% for biotic stress classification and 85% for severity estimation using the leaf dataset. Furthermore, it was found that by classifying only the symptoms, the accuracy was superior to 97%. The calculated severity using the segmentation masks showed a determination coefficient of around 0.98, suggesting that the model can obtain severity values very close to the real ones. The obtained results indicate that the proposed system might be a suitable tool to assist both experts and farmers in the identification and quantification of biotic stresses in coffee plantations
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spelling Krohling, Renato Antoniohttps://orcid.org/0000-0001-8861-4274http://lattes.cnpq.br/5300435085221378Esgario, Jose Guilherme Motahttps://orcid.org/0000-0002-0056-6392http://lattes.cnpq.br/0690110000322273Cavalieri, Daniel Cruzhttps://orcid.org/http://lattes.cnpq.br/9583314331960942Santos, Thiago Oliveira doshttps://orcid.org/0000-0002-4916-1863http://lattes.cnpq.br/51173394950642542024-05-30T00:48:40Z2024-05-30T00:48:40Z2019-09-27Biotic stress consists of damage to plants through other living organisms. Efficient control of biotic agents such as pests and pathogens (viruses, fungi, bacteria, etc.) is closely related to the concept of agricultural sustainability. Agricultural sustainability promotes the development of new technologies that allows the reduction of environmental impacts, greater accessibility to farmers and, consequently, increase on productivity. The use of computer vision with deep learning methods allows the identification of the stress-causing agent. So, corrective measures can be applied as soon as possible to mitigate the problem. Among the most commonly used approaches, convolutional neural networks present good results and high success rates. The goal of this work is to design an effective and practical system capable of identifying and estimating the stress severity caused by biotic agents on coffee leaves. In this work two approaches based on convolutional neural networks were investigated. The first approach consists of a one-step system trained to classify the leaf dataset with labels of biotic stress and severity. The second approach is formed by a two-step system, the semantic segmentation step, trained with the segmentation masks dataset, and the classification step, trained with the symptom dataset. The approaches were compared by highlighting their strengths and weaknesses. In addition, the use of multi-task learning and data augmentation techniques have been investigated in order to improve robustness and accuracy. The experimental results obtained an overall accuracy of 93% for biotic stress classification and 85% for severity estimation using the leaf dataset. Furthermore, it was found that by classifying only the symptoms, the accuracy was superior to 97%. The calculated severity using the segmentation masks showed a determination coefficient of around 0.98, suggesting that the model can obtain severity values very close to the real ones. The obtained results indicate that the proposed system might be a suitable tool to assist both experts and farmers in the identification and quantification of biotic stresses in coffee plantationsO estresse biótico consiste em danos causados a plantas por meio de outros seres vivos. O controle eficiente de agentes bióticos, tais como pragas e patógenos (vírus, fungos, bactérias, etc), está intimamente relacionado ao conceito de sustentabilidade agrícola. A sustentabilidade agrícola promove o desenvolvimento de novas tecnologias que pos sibilitam a redução de impactos ambientais, maior acessibilidade ao produtor rural e, consequentemente, o aumento da produtividade. O uso de visão computacional com méto dos de aprendizado profundo permite a identificação do agente causador do estresse. Dessa forma, medidas corretivas podem ser aplicadas o quanto antes para mitigar o problema. Dentre as abordagens mais comumente utilizadas, as redes neurais convolucionais têm se destacado, mostrando resultados superiores e com altas taxas de acertos. O objetivo deste trabalho é projetar um sistema efetivo e prático capaz de classificar e estimar a severidade do estresse causado por agentes bióticos em folhas do cafeeiro. Neste trabalho, duas abordagens baseadas em redes neurais convolucionais foram investigadas. A primeira abordagem consiste em um sistema de etapa única treinado para classificar a base de imagens de folhas com os rótulos de estresse biótico e severidade. Já a segunda abordagem é formada por um sistema de duas etapas, a etapa de segmentação semântica, treinada com a base de máscaras de segmentação, e a etapa de classificação, treinada com a base de imagens de sintomas. As abordagens foram comparadas destacando-se os pontos positivos e negativos de cada uma. Além disso, foi explorado o uso do aprendizado multi-tarefa e de técnicas de data augmentation para tornar o sistema mais robusto e acurado. Os resultados experimentais obtiveram uma acurácia acima de 95% para a identificação do estresse e de 86% para a estimação da severidade usando a base de folhas. Ademais, verificou-se que, ao se classificar apenas os sintomas, os resultados foram superiores a 97%. A severidade calculada através das máscaras de segmentação mostraram um coeficiente de determinação de aproximadamente 0.98, sugerindo que o modelo consegue obter valores de severidade bem próximos dos valores reais. Os resultados obtidos indicam que o sistema proposto pode se tornar uma ferramenta viável para auxiliar tanto especialistas quanto agricultores na identificação e quantificação de estresses bióticos em plantações de caféFundação Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Texthttp://repositorio.ufes.br/handle/10/13831porUniversidade Federal do Espírito SantoMestrado em InformáticaPrograma de Pós-Graduação em InformáticaUFESBRCentro Tecnológicosubject.br-rjbnCiência da ComputaçãoRedes neurais (Computação)Redes neurais convolucionaisReconhecimento de padrõesSegmentação semânticaEstresse bióticoSeveridadeDoenças e pragas em folhas de caféConvolutional neural networksPattern recognitionSemantic segmentationBiotic stressSeverityCoffee diseases and pestsAprendizado profundo para classificação e quantificação de doenças e pragas em imagens de folhas de cafétitle.alternativeinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes)instname:Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)instacron:UFESORIGINALtese_14052_Dissertacao - Jose Guilherme Mota Esgario.pdfapplication/pdf4258965http://repositorio.ufes.br/bitstreams/5bf024b0-a772-4c3f-8ad8-049e13421ab9/downloada92efb0f5083d9abcb1cfc1d245c95b1MD5110/138312024-09-25 21:10:58.315oai:repositorio.ufes.br:10/13831http://repositorio.ufes.brRepositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.ufes.br/oai/requestopendoar:21082024-10-15T17:51:53.544795Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes) - Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)false
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description Biotic stress consists of damage to plants through other living organisms. Efficient control of biotic agents such as pests and pathogens (viruses, fungi, bacteria, etc.) is closely related to the concept of agricultural sustainability. Agricultural sustainability promotes the development of new technologies that allows the reduction of environmental impacts, greater accessibility to farmers and, consequently, increase on productivity. The use of computer vision with deep learning methods allows the identification of the stress-causing agent. So, corrective measures can be applied as soon as possible to mitigate the problem. Among the most commonly used approaches, convolutional neural networks present good results and high success rates. The goal of this work is to design an effective and practical system capable of identifying and estimating the stress severity caused by biotic agents on coffee leaves. In this work two approaches based on convolutional neural networks were investigated. The first approach consists of a one-step system trained to classify the leaf dataset with labels of biotic stress and severity. The second approach is formed by a two-step system, the semantic segmentation step, trained with the segmentation masks dataset, and the classification step, trained with the symptom dataset. The approaches were compared by highlighting their strengths and weaknesses. In addition, the use of multi-task learning and data augmentation techniques have been investigated in order to improve robustness and accuracy. The experimental results obtained an overall accuracy of 93% for biotic stress classification and 85% for severity estimation using the leaf dataset. Furthermore, it was found that by classifying only the symptoms, the accuracy was superior to 97%. The calculated severity using the segmentation masks showed a determination coefficient of around 0.98, suggesting that the model can obtain severity values very close to the real ones. The obtained results indicate that the proposed system might be a suitable tool to assist both experts and farmers in the identification and quantification of biotic stresses in coffee plantations
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