Investigadors de Penn State van idear un sistema de visió artificial capaç de localitzar i identificar les flors del rei de la poma dins de grups de flors dels arbres dels horts, un pas inicial crític en el desenvolupament d'un sistema de pol·linització robòtica, en un primer estudi d'aquest tipus. .
Les flors de poma creixen en grups de quatre a sis flors unides a les branques, i la flor central es coneix com la flor rei. Aquesta flor s'obre primer en el raïm i sol créixer el fruit més gran. Per tant, és l'objectiu clau d'un sistema de pol·linització robòtica, segons l'investigador Long He, professor ajudant d'agricultura i enginyeria biològica.
Tradicionalment s'ha confiat en la pol·linització d'insectes per a la productivitat de la poma. No obstant això, l'evidència suggereix que els serveis de pol·linització, tant d'abelles domesticades com de pol·linitzadors salvatges, no compleixen les demandes creixents, va assenyalar. Degut a trastorn de col·lapse de colònies, les abelles de tot el món estan morint a un ritme alarmant. Com a resultat, els productors necessiten mètodes alternatius de pol·linització.
Aquest estudi és l'últim dut a terme pel grup de recerca d'He a la Facultat de Ciències Agràries, que es dedica a desenvolupar sistemes robòtics per dur a terme tasques agrícoles intensives en mà d'obra, com ara la recollida de bolets, la poda de pomeres i l'aprimament de fruites verdes. L'objectiu principal d'aquest projecte, va explicar, era desenvolupar un sistema de visió basat en l'aprenentatge profund que pogués identificar i localitzar amb precisió les flors reials a les copes dels arbres.
"Creiem que aquest resultat proporcionarà informació de referència per a un sistema de pol·linització robòtica, que conduiria a una pol·linització eficient i reproduïble de pomes per maximitzar el rendiment de fruites d'alta qualitat", va dir. "A Pennsilvània, encara podem confiar en les abelles per pol·linitzar els cultius de poma, però en altres regions on les morts d'abelles han estat més greus, els productors poden necessitar aquesta tecnologia més aviat que tard".
Xinyang Mu, estudiant de doctorat al Departament d'Enginyeria Biològica Agrícola, va encapçalar l'estudi de la flor del rei. Mu va utilitzar Mask R-CNN, un popular programa informàtic d'aprenentatge profund que realitza una segmentació a nivell de píxels per detectar objectes parcialment enfosquits per altres objectes, per identificar i localitzar les flors reials en un sistema de visió artificial.
Per construir el model de detecció basat en Mask R-CNN, va capturar centenars de fotos de cúmuls de flors de poma. Llavors va desenvolupar un algorisme de segmentació de la flor del rei per identificar i localitzar les flors del rei a partir d'aquest conjunt de dades en brut d'imatges de flors de poma. La investigació es va dur a terme al Centre de Recerca i Extensió de Fruits de Penn State, Biglerville.
Gala i Honeycrisp apple es van seleccionar varietats per a les proves. Els arbres de prova es van plantar l'any 2014 amb una distància entre arbres d'uns 5 peus (Gala) i 6 1/2 peus (Honeycrisp). Aquests arbres van ser entrenats en l'arquitectura de dosel de fus alt, amb una alçada mitjana d'uns 13 peus. El sistema d'adquisició d'imatges amb càmera es va muntar en un vehicle utilitari maniobrat entre les files d'arbres.
Entrenar el sistema de visió artificial per localitzar les flors reials va ser un repte, va assenyalar Mu, perquè tenen la mateixa mida, color i forma que les flors laterals en grups, i les flors reials solen estar enfosquides per les flors circumdants a causa de la seva posició central.
Per complir els requisits d'aprenentatge de transferència per a l'entrenament del model Mask R-CNN, les imatges en brut es van etiquetar en dues classes predefinides: flors individuals i flors ocluses. Per millorar la precisió, el conjunt de dades d'entrenament es va ampliar quatre vegades mitjançant enfocaments d'augment de dades, va explicar Mu.
"Per distingir les flors reials de les flors laterals, la flor més central dins de cada cúmul de flors es va orientar o es va localitzar", va dir. "El sistema de visió va localitzar automàticament els grups de flors per separat basant-se en un enfocament de mapeig de densitat de flors bidimensional. Dins de cada cúmul de flors detectat, la flor, o la màscara, a la posició més centrada es va determinar com la flor rei objectiu".
En les troballes publicades recentment a Tecnologia Agrícola Intel·ligent, els investigadors van informar d'un alt nivell de precisió de detecció de flors rei resultat de l'algorisme de Mu. En comparació amb les mesures preses manualment pels investigadors que identifiquen les flors del rei a l'ull (anomenades mesures de la veritat terrestre pels investigadors), la precisió de detecció de les flors del rei de visió artificial va variar del 98.7% al 65.6%.