Numerical Modeling and Design of Machine Learning Based Paddy Leaf Disease Detection System for Agricultural Applications

In order to satisfy the insatiable need for ever more bountiful harvests on the global market, the majority of countries deploy cutting-edge technologies to increase agricultural output. Only the most cutting-edge technologies can ensure an appropriate pace of food production. Abiotic stress factors that can affect plants at any stage of development include insects, diseases, drought, nutrient deficiencies, and weeds. On the amount and quality of agricultural production, this has a minimal effect. Identification of plant diseases is therefore essential but challenging and complicated. Paddy leaves must thus be closely watched in order to assess their health and look for disease symptoms. The productivity and production of the post-harvest period are significantly impacted by these illnesses. To gauge the severity of plant disease in the past, only visual examination (bare eye observation) methods have been employed. The skill of the analyst doing this analysis is essential to the caliber of the outcomes. Due to the large growing area and need for ongoing human monitoring, visual crop inspection takes a long time. Therefore, a system is required to replace human inspection. In order to identify the kind and severity of plant disease, image processing techniques are used in agriculture. This dissertation goes into great length regarding the many ailments that may be detected in rice fields using image processing. Identification and classification of the four rice plant diseases bacterial blight, sheath rot, blast, and brown spot are important to enhance yield. The other communicable diseases, such as stem rot, leaf scald, red stripe, and false smut, are not discussed in this paper. Despite the increased accuracy they offer, the categorization and optimization strategies utilized in this work lead it to take longer than typical to finish. It was evident that employing SVM techniques enabled superior performance results, but at a cost of substantial effort. K-means clustering is used in this paper segmentation process, which makes figuring out the cluster size, or K-value, more challenging. This clustering method operates best when used with images that are comparable in size and brightness. However, when the images have complicated sizes and intensity values, clustering is not particularly effective

A review of neural networks in plant disease detection using hyperspectral data

© 2018 China Agricultural University This paper reviews advanced Neural Network (NN) techniques available to process hyperspectral data, with a special emphasis on plant disease detection. Firstly, we provide a review on NN mechanism, types, models, and classifiers that use different algorithms to process hyperspectral data. Then we highlight the current state of imaging and non-imaging hyperspectral data for early disease detection. The hybridization of NN-hyperspectral approach has emerged as a powerful tool for disease detection and diagnosis. Spectral Disease Index (SDI) is the ratio of different spectral bands of pure disease spectra. Subsequently, we introduce NN techniques for rapid development of SDI. We also highlight current challenges and future trends of hyperspectral data

Automatic plant recognition using convolutional neural network on malaysian medicinal herbs: the value of data augmentation

Herbs are an important nutritional source for humans since they provide a variety of nutrients. Indigenous people have employed herbs, in particular, as traditional medicines since ancient times. Malaysia has hundreds of plant species; herb detection may be difficult due to the variety of herb species and their shape and color similarities. Furthermore, there is a scarcity of support datasets for detecting these plants. The main objective of this paper is to investigate the performance of convolutional neural network (CNN) on Malaysian medicinal herbs datasets, real data and augmented data. Malaysian medical herbs data were obtained from Taman Herba Pulau Pinang, Malaysia, and ten kinds of native herbs were chosen. Both datasets were evaluated using the CNN model developed throughout the research. Overall, herbs real data obtained an average accuracy of 75%, whereas herbs augmented data achieved an average accuracy of 88%. Based on these findings, herbs augmented data surpassed herbs actual data in terms of accuracy after undergoing the augmentation technique

A PCA-SMO Based Hybrid Classification Model for Predictions in Precision Agriculture

The human population is growing at an extremely rapid rate, the demand of food supplies for the survival and sustainability of life is a gleaming challenge. Each living being in the planet gets bestowed with the healthy food to remain active and healthy. Agriculture is a domain which is extremely important as it provides the fundamental resources for survival in terms of supplying food and thus the economy of the entire world is highly dependent on agricultural production. The agricultural production is often affected by various environmental and geographical factors which are difficult to avoid being part of nature. Thus, it requires proactive mitigation plans to reduce any detrimental effect caused by the imbalance of these factors. Precision agriculture is an approach that incorporates information technology in agriculture management, the needs of crops and farming fields are fulfilled to optimized crop health and resultant crop production. The proposed study involves an ambient intelligence-based implementation using machine learning to classify diseases in tomato plants based on the images of its leaf dataset. To analytically evaluate the performance of the framework, a publicly available plant-village dataset is used which is transformed to appropriate form using one-hot encoding technique to meet the needs of the machine learning algorithm. The transformed data is dimensionally reduced by Principal Component Analysis (PCA) technique and further the optimal parameters are selected using Spider Monkey Optimization (SMO) approach. The most relevant features as selected using the Hybrid PCA-SMO technique fed into a Deep Neural Networks (DNN) model to classify the tomato diseases. The optimal performance of the DNN model after implementing dimensionality reduction by Hybrid PCA-SMO technique reached at 99% accuracy was achieved in training and 94% accuracy was achieved after testing the model for 20 epochs. The proposed model is evaluated based on accuracy and loss rate metrics; it justifies the superiority of the approach

Integrating the key approaches of neural networks

The thesis is written in chapter form. Chapter 1 describes some of the history of neural networks and its place in the field of artificial intelligence. It indicates the biological basis from which neural network approximation are made. Chapter 2 describes the properties of neural networks and their uses. It introduces the concepts of training and learning. Chapters 3, 4, 5 and 6 show the perceptron and adaline in feedforward and recurrent networks particular reference is made to regression substitution by "group method data handling. Networks are chosen that explain the application of neural networks in classification, association, optimization and self organization. Chapter 7 addresses the subject of practical inputs to neural networks. Chapter 8 reviews some interesting recent developments. Chapter 9 reviews some ideas on the future technology for neural networks. Chapter 10 gives a listing of some neural network types and their uses. Appendix A gives some of the ideas used in portfolio selection for the Johannesburg Stock Exchange.ComputingM. Sc. (Operations Research

Deep Learning Detected Nutrient Deficiency in Chili Plant

Chili is a staple commodity that also affects the Indonesian economy due to high market demand. Proven in June 2019, chili is a contributor to Indonesia's inflation of 0.20% from 0.55%. One factor is crop failure due to malnutrition. In this study, the aim is to explore Deep Learning Technology in agriculture to help farmers be able to diagnose their plants, so that their plants are not malnourished. Using the RCNN algorithm as the architecture of this system. Use 270 datasets in 4 categories. The dataset used is primary data with chili samples in Boyolali Regency, Indonesia. The chili we use are curly chili. The results of this study are computers that can recognize nutrient deficiencies in chili plants based on image input received with the greatest testing accuracy of 82.61% and has the best mAP value of 15.57%

Radial Basis Function Neural Network in Identifying The Types of Mangoes

Mango (Mangifera Indica L) is part of a fruit plant species that have different color and texture characteristics to indicate its type. The identification of the types of mangoes uses the manual method through direct visual observation of mangoes to be classified. At the same time, the more subjective way humans work causes differences in their determination. Therefore in the use of information technology, it is possible to classify mangoes based on their texture using a computerized system. In its completion, the acquisition process is using the camera as an image processing instrument of the recorded images. To determine the pattern of mango data taken from several samples of texture features using Gabor filters from various types of mangoes and the value of the feature extraction results through artificial neural networks (ANN). Using the Radial Base Function method, which produces weight values, is then used as a process for classifying types of mangoes. The accuracy of the test results obtained from the use of extraction methods and existing learning methods is 100%

Deep Learning in Medical Image Analysis

The accelerating power of deep learning in diagnosing diseases will empower physicians and speed up decision making in clinical environments. Applications of modern medical instruments and digitalization of medical care have generated enormous amounts of medical images in recent years. In this big data arena, new deep learning methods and computational models for efficient data processing, analysis, and modeling of the generated data are crucially important for clinical applications and understanding the underlying biological process. This book presents and highlights novel algorithms, architectures, techniques, and applications of deep learning for medical image analysis

Improvement of ms based e-nose performances by incorporation of chromatographic retention time as a new data dimension

Mejora del rendimiento de la nariz electrónica basada en espectrometría de masas mediante la incorporación del tiempo de retención cromatografico como una nueva dimensión de datosLa importancia del sentido de olor en la naturaleza y en la sociedad humana queda latente con el gran interés que se muestra en el análisis del olor y el gusto en la industria alimentaria. Aunque las aéreas mas interesadas son las de la alimentación y bebida, también se ha mostrado la necesitad para esta tecnología en otros campos como en el de la cosmética. Lamentablemente, el uso de los paneles sensoriales humanos o paneles caninos son costosos, propensos al cansancio, subjetivos, poco fiables e inadecuados para cuantificar, mientras que el análisis de laboratorio, a pesar de la precisión, imparcialidad y capacidad cuantitativa, necesita una labor intensa, con personal especializado y requiere de mucho tiempo. Debido a estos inconvenientes el concepto de olfato artificial generó un gran interés en entornos industriales.El término "nariz electrónica" se asocia con una serie de sensores de gases químicos, con una amplia superposición de selectividad para las mediciones de compuestos volátiles en combinación con los instrumentos informáticos de análisis de datos. La nariz electrónica se utiliza para proporcionar una información comparativa en vez de una cualitativa en un análisis, y porque la interpretación puede ser automatizada, el dispositivo es adecuado para el control de calidad y análisis. A pesar de algunos logros prometedores, los sensores de estado sólido de gas no han cumplido con sus expectativas. La baja sensibilidad y selectividad, la corta vida del sensor, la calibración difícil y los problemas de deriva han demostrado serias limitaciones. En un esfuerzo para mejorar los inconvenientes de los sensores de estado sólido, se han adoptado nuevos enfoques, utilizando diferentes sensores para la nariz electrónica. Sistemas de sensores ópticos, la espectrometría de movilidad iónica y la espectrometría infrarroja son ejemplos de técnicas que han sido probadas.Las narices electrónicas basadas en la espectrometría de masas (MS) aparecieron por primera vez en 1998 [B. Dittmann, S. y G. Nitz Horner. Adv. Food Sci. 20 (1998), p. 115], y representan un salto importante en la sensibilidad, retando a la nariz electrónica basada en sensores químicos. Este nuevo enfoque del concepto de una nariz electrónica usa sensores virtuales en forma de proporciones m/z. Una huella digital compleja y muy reproducible se obtiene en forma de un espectro de masas, que se procesa mediante algoritmos de reconocimiento de patrones para la clasificación y cuantificación. A pesar de que la nariz electrónica basada en la espectrometría de masas supera a la nariz electrónica clásica de sensores de estado sólido en muchos aspectos, su uso se limita actualmente a la instrumentación de laboratorio de escritorio. La falta de portabilidad no representará necesariamente un problema en el futuro, dado que espectrómetros de masas en miniatura se han fabricado ya en una fase de prototipado.Un inconveniente más crítico de la nariz electrónica basada en MS consiste en la manera en la que se analizan las muestras. La fragmentación simultánea de mezclas complejas de isómeros pueden producir resultados muy similares a raíz de este enfoque. Una nariz electrónica mejor sería la que combina la sensibilidad y el poder de identificación del detector de masas con la capacidad de separación de la cromatografía de gases. El principal inconveniente de este enfoque es de nuevo el coste y la falta de portabilidad de los equipos. Además de los problemas anteriores con la espectrometría de masas, el análisis de cromatografía de gases requiere mucho tiempo de medida.Para abordar estas cuestiones, se han reportado miniaturizaciones en cromatografía capilar de gases (GC) que hacen posible el GC-en-un-chip, CG-rápido y CG-flash que hacen uso de columnas cortas, reduciendo el tiempo de análisis a los tiempos de elución como segundos y, en algunos casos, se han comercializado. La miniaturización de la espectrometría de masas y cromatografía de gases tiene un gran potencial para mejorar el rendimiento, la utilidad y la accesibilidad de la nueva generación de narices electrónicas.Esta tesis se dedica al estudio y a la evaluación del enfoque del GC-MS para la nariz electrónica como un paso anterior al desarrollo de las tecnologías mencionadas anteriormente. El objetivo principal de la tesis es de estudiar si el tiempo de retención de una separación de cromatografía puede mejorar el rendimiento de la nariz electrónica basada en MS, mostrando que la adición de una tercera dimensión trae más información, ayudando a la clasificación de las pruebas. Esto se puede hacer de dos maneras: · comparando el análisis de datos de dos vías de espectrometría de masas con análisis de datos de dos vías de matrices desplegadas y concatenadas para los datos de tres vías y · comparando el análisis de datos de dos vías del espectrometría de masas con el análisis de datos de tres vías para el conjunto de datos tridimensionales.Desde el punto de vista de cromatografía, la meta será la de optimizar el método cromatográfico con el fin de reducir el tiempo de análisis a un mínimo sin dejar de tener resultados aceptables.Un paso importante en el análisis de datos multivariados de vías múltiples es el preprocesamiento de datos. Debido a este objetivo, el último objetivo será el de determinar qué técnicas de preprocesamiento son las mejores para y el análisis de dos y tres vías de datos.Con el fin de alcanzar los objetivos propuestos se crearon dos grupos de datos. El primero consiste en las mezclas de nueve isómeros de dimetilfenol y etilfenol. La razón de esta elección fue la similitud de los espectros de masas entre sí. De esta manera la nariz electrónica basada en espectrometría de masas sería retada por el conjunto de datos. También teniendo en cuenta el tiempo de retención de los nueve isómeros solos, las soluciones se hicieron, como si el conjunto de datos demostraría el reto si se usaría sólo el tiempo de retención. Por tanto, este conjunto de datos "artificiales" sostiene nuestras esperanzas en mostrar las mejoras de la utilización de ambas dimensiones, la MS (espectros de masas) y la GC (tiempo de retención).Veinte clases, representando las soluciones de los nueve isómeros se midieron en diez repeticiones cada una, por tres métodos cromatográficos, dando un total de 600 mediciones. Los métodos cromatográficos fueron diseñados para dar un cromatograma resuelto por completo, un pico coeluido y una situación intermediaria con un cromatograma resuelto parcialmente. Los datos fueron registrados en una matriz de tres dimensiones con las siguientes direcciones: (muestras medidas) x (proporción m/z) x (tiempo de retención). Por "colapsar" los ejes X e Y del tiempo de retención cromatográfica y los fragmentos m/z, respectivamente, se obtuvieron dos matrices que representan los espectros de masa regular y el cromatograma de iones totales, respectivamente. Estos enfoques sueltan la información traída por la tercera dimensión y el despliegue por lo que la matriz original 3D y la concatenación de las TIC y el espectro de masa media se han tenido en consideración como una forma de preservar la información adicional de la tercera dimensión en una matriz de dos dimensiones.Los datos fueron tratados mediante la alineación de picos, con una media de centrado y la normalización por la altura máxima y el área del pico, los instrumentos de pre-procesamiento que también fueron evaluados por sus logros.Para el análisis de datos de dos vías fueron utilizados el PCA, PLS-DA y fuzzyARTMAP. La agrupación de PCA y PARAFAC fueron evaluados por la relación intervariedad - intravariedad, mientras que los resultados mediante fuzzy ARTMAP fueron dados como el éxito de la las tasas de clasificación en porcentajes.Cuando PCA y PARAFAC se utilizaron, como era de esperar, el método de cromatografía resuelto (método 1) dio los mejores resultados globales, donde los algoritmos 2D funcionan mejor, mientras que en un caso más complicado (picos más coeluidos del método 3) pierden eficacia frente a métodos 3D.En el caso de PLS-DA y n-PLS, aunque los resultados no son tan concluyentes como los resultados del PCA y PARAFAC, tratándose de las diferencias mínimas, el modelo de vías múltiples PLS-DA ofrece un porcentaje de éxito en la predicción de ambos conjuntos de datos. También se recomienda el n-PLS en vez de utilizar datos desplegados y concatenados, ya que construye un modelo más parsimonioso.Para el análisis fuzzyARTMAP, la estrategia de votación empleada ha demostrado que al usar los espectros de masa media y la información del cromatograma de iones totales juntos se obtienen resultados más consistentes.En el segundo conjunto de datos se aborda el problema de la adulteración del aceite de oliva extra virgen con aceite de avellana, que debido a las similitudes entre los dos aceites es una de las más difíciles de detectar. Cuatro aceites extra virgen de oliva y dos aceites de avellana se midieron puros y en mezclas de 30%, 10%, 5% y 2% con los mismos objetivos mostrando que la adición de la extra dimensión mejora los resultados. Se han hechos cinco repeticiones para cada preparación, dando un total de 190 muestras: 4 aceites puros de oliva, 2 aceites puros de avellana y 32 adulteraciones de aceite de avellana en aceite de oliva, dando un total de 38 clases. Dos métodos cromatográficos fueron utilizados. El primero estaba dirigido a una completa separación de los componentes del aceite de oliva y empleó una separación con temperatura programable, mientras que el objetivo del segundo método fue un pico coeluido, por lo tanto fue contratada una temperatura constante de separación. Los datos fueron analizados por medio de la PCA, PARAFAC, PLS-DA y PLS-n.Como en el conjunto "artificial" de datos, el PCA y PARAFAC se analizaron por medio de la capacidad de clusterización, que mostró que los mejores resultados se obtienen con los datos desplegados seguido por los datos 3D tratados con el PARAFAC.Desde el punto de vista de optimización de la columna, los logros obtenidos por la columna corta está por debajo del enfoque de la columna larga, pero este caso demuestra una vez más que la adición de los incrementos de tercera dimensión mejoran la nariz electrónica basada en MS.Para el PLS-DA y n-PLS se evaluaron las tasas de éxito comparativamente, tanto para las corridas cromatográficas largas como para las cortas. Mientras que para la columna larga el mejor rendimiento es para los datos del cromatograma de iones totales (TIC), la columna corta muestra mejor rendimiento para los datos concatenados de los espectros de masa media y TIC. Además, la predicción de las tasas de éxito son las mismas para los datos TIC de columna larga como para los datos concatenados de la columna corta. Este caso es muy interesante porque demuestra que el enfoque PLS de la tercera dimensión mejora los resultados y, por otra parte, mediante el uso de la columna corta el tiempo de análisis se acorta considerablemente.Se esperan ciertos logros de la nariz electrónica. Por el momento, ninguno de esos enfoques se acercó lo suficiente para producir una respuesta positiva en los mercados. Los sensores de estado sólido tienen inconvenientes casi imposibles de superar. La nariz electrónica basada en espectrometría de masas tiene una falta de portabilidad y a veces sus logros son insuficientes, y el aparato del cromatógrafo de gases-espectrómetro de masas sufre problemas de portabilidad igual que espectrómetro de masas y toma mucho tiempo. El desarrollo de potentes algoritmos matemáticos durante los últimos años, junto con los avances en la miniaturización, tanto para MS y GC y mostrar cromatografía rápida cierta esperanza de una nariz electrónica mucho mejor.A través de este trabajo podemos afirmar que la adición del tiempo de retención cromatográfica como una dimensión extra aporta una ventaja sobre las actuales tecnologías de la nariz electrónica. Mientras que para los cromatogramas totalmente resueltos no se logran mejoras o la ganancia es mínima, sobre todo en la predicción, para una columna corta la información adicional mejora los resultados, en algunos casos, hacerlos tan bien como cuando una larga columna se utiliza. Esto es muy importante ya que las mediciones en un cromatógrafo de gases - espectrometro de masas se pueden optimizar para tramos muy cortos, una característica muy importante para una nariz electrónica. Esto permitiría el diseño de un instrumento de mayor rendimiento, adecuado para el control de calidad en líneas de productos