Détection automatique de plantes au sein d’images aériennes de champs par apprentissage non supervisé et approche multi-agents
Revue Ouverte d'Intelligence Artificielle, Volume 2 (2021) no. 1, pp. 123-156.

Cet article a pour objet la détection de plantes à partir d’images aériennes capturées par drones. Une méthode efficace de détection bénéficierait autant aux agriculteurs qui souhaitent connaître l’état de leurs cultures et en prédire le rendement qu’aux agronomes pour faciliter l’acquisition de données expérimentales et en réduire le coût.

Nous proposons une méthode en deux étapes avec, d’abord, un apprentissage non supervisé, puis la mise en œuvre d’un système multi-agent faiblement paramétré. Dans un premier temps, un clustering estime la position des rangs et des plantes en s’appuyant sur des contraintes géométriques connues a priori, à savoir que les rangs de cultures sont globalement équidistants entre eux et qu’il en est de même pour les plantes au sein d’un rang. Dans un second temps, le système multi-agent raffine l’estimation fournie par l’étape de clustering et isole chaque plante.

Nous démontrons les performances de la méthode sur des tâches de comptage de plants de tournesols. Les résultats obtenus sont comparables à ceux de l’état de l’art sur les problèmes faciles et nettement supérieurs sur les problèmes difficiles. Nous présentons ensuite des résultats sur l’identification de gradients de densité dans un champ en fonction de la répartition des plantes qui ont levées.

Une contribution importante de ce travail concerne également la mise au point d’un outil de génération de champs virtuels avec le moteur de jeu Unity. Il devient ainsi possible de générer facilement des jeux de données réalistes correspondant à des situations diverses ce qui permet de contourner la difficulté d’obtenir des jeux de données étiquetés.

This paper focuses on the detection of plants from aerial images captured by drones. An efficient detection method would benefit both farmers who wish to know the state of their crops and predict their yield and agronomists to facilitate the acquisition of experimental data and reduce the cost.

We propose a two-step method with, first, an unsupervised learning, then the implementation of a weakly parameterized multi-agent system. In the first step, a clustering system estimates the position of rows and plants based on a priori known geometric constraints, namely that crop rows are globally equidistant from each other and that the same is true for plants within a row. In a second step, the multi-agent system refines the estimation provided by the clustering step and isolates each plant.

We demonstrate the performance of the method on sunflower plant counting tasks. The results obtained are comparable to those of the state of the art on easy problems and significantly better on hard problems. We then present results on the identification of density gradients in a field based on the distribution of emerged plants.

An important contribution of this work also concerns the development of a tool for generating virtual fields with the game engine Unity. It is thus possible to easily generate realistic datasets corresponding to various situations, thus overcoming the difficulty of obtaining labelled datasets.

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DOI : 10.5802/roia.12
Mot clés : Apprentissage non supervisé, système multi-agents, analyse d’images à partir de drones.
Keywords: Unsupervised learning, multi-agent system, analysis of images from UAVs.
Eliott Jacopin 1 ; Antoine Cornuéjols 1 ; Christine Martin 1 ; Farzaneh Kazemipour 2 ; Christophe Sausse 2

1 UMR MIA-Paris, AgroParisTech, INRAE, Université Paris-Saclay, 75005 Paris, France
2 Terres Inovia, Thiverval-Grignon, France
Licence : CC-BY 4.0
Droits d'auteur : Les auteurs conservent leurs droits
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[1] Blender Online Community Blender - a 3D modelling and rendering package (2018) http://www.blender.org | DOI

[2] Frederic Boudon; Christophe Pradal; Thomas Cokelaer; Przemyslaw Prusinkiewicz; Christophe Godin L-Py : An L-System Simulation Framework for Modeling Plant Architecture Development Based on a Dynamic Language, Frontiers in Plant Science, Volume 3 (2012), 76, 20 pages https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2012.00076/full | DOI

[3] Marshall Burke; David B. Lobell Satellite-based assessment of yield variation and its determinants in smallholder African systems, Proceedings of the National Academy of Sciences, Volume 114 (2017) no. 9, pp. 2189-2194 | DOI

[4] Héctor García-Martínez; Héctor Flores-Magdaleno; Abdul Khalil-Gardezi; Roberto Ascencio-Hernández; Leonardo Tijerina-Chávez; Mario A Vázquez-Peña; Oscar R Mancilla-Villa Digital Count of Corn Plants Using Images Taken by Unmanned Aerial Vehicles and Cross Correlation of Templates, Agronomy, Volume 10 (2020) no. 4, 469, 16 pages | DOI

[5] Friederike Gnädinger; Urs Schmidhalter Digital counts of maize plants by unmanned aerial vehicles (UAVs), Remote sensing, Volume 9 (2017) no. 6, 544, 15 pages | DOI

[6] José Miguel Guerrero; Gonzalo Pajares; Martín Montalvo; Juan Romeo; María Guijarro Support vector machines for crop/weeds identification in maize fields, Expert Systems with Applications, Volume 39 (2012) no. 12, pp. 11149-11155 | DOI

[7] Marıa Guijarro; Gonzalo Pajares; Isabel Riomoros; PJ Herrera; XP Burgos-Artizzu; Angela Ribeiro Automatic segmentation of relevant textures in agricultural images, Computers and Electronics in Agriculture, Volume 75 (2011) no. 1, 76, pp. 75-83 | DOI

[8] S. Han; Q. Zhang; B Ni; J. F. Reid A guidance directrix approach to vision-based vehicle guidance systems, Computers and Electronics in Agriculture, Volume 43 (2004) no. 3, pp. 179-195 https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0168169904000286 | DOI

[9] Stefan Hinterstoisser; Olivier Pauly; Hauke Heibel; Martina Marek; Martin Bokeloh An Annotation Saved is an Annotation Earned : Using Fully Synthetic Training for Object Instance Detection (2019) (http://arxiv.org/abs/1902.09967) | DOI

[10] Peter Hofmann Multi-agent Systems in Remote Sensing Image Analysis, Proceedings of the 11th International Conference on Agents and Artificial Intelligence - Volume 1 : ICAART 2019 (2019), pp. 178-185 | DOI

[11] Eliott Jacopin; Naomie Berda; Léa Courteille; William Grison; Lucas Mathieu; Antoine Cornuéjols; Christine Martin Using Agents and Unsupervised Learning for Counting Objects in Images with Spatial Organization :, Proceedings of the 13th International Conference on Agents and Artificial Intelligence (2021), 544, pp. 688-697 https://www.scitepress.org/DigitalLibrary/Link.aspx?doi=10.5220/0010228706880697 | DOI

[12] You-Cyuan Jhang; Adam Palmar; Bowen Li; Saurav Dhakad; Sanjay Kumar Vishwakarma; Jonathan Hogins; Adam Crespi; Chris Kerr; Sharmila Chockalingam; Cesar Romero; Alex Thaman; Sujoy Ganguly Training a performant object detection ML model on synthetic data using Unity Perception tools, https://blogs.unity3d.com/2020/09/17/training-a-performant-object-detection-ml-model-on-synthetic-data-using-unity-computer-vision-tools/, 2020, 931

[13] Zhenong Jin; George Azzari; Marshall Burke; Stephen Aston; David B. Lobell Mapping smallholder yield heterogeneity at multiple scales in Eastern Africa, Remote Sensing, Volume 9 (2017) no. 9, 931, 15 pages

[14] Arthur Juliani; Vincent-Pierre Berges; Ervin Teng; Andrew Cohen; Jonathan Harper; Chris Elion; Chris Goy; Yuan Gao; Hunter Henry; Marwan Mattar; Danny Lange Unity : A General Platform for Intelligent Agents (2020) (http://arxiv.org/abs/1809.02627)

[15] Niko Leopold Algorithmic Botany via Lindenmayer Systems in Blender, Bachelor Thesis, TU Wien, Faculty of Computer Science (2017)

[16] Aristid Lindenmayer; Przemyslaw Prusinkiewicz Algorithmic Beauty of Plants, Springer New York, New York, 1990 http://public.ebookcentral.proquest.com/choice/publicfullrecord.aspx?p=3078014 (OCLC : 958528770) | DOI

[17] David B Lobell; George Azzari; Marshall Burke; Sydney Gourlay; Zhenong Jin; Talip Kilic; Siobhan Murray Eyes in the Sky, Boots on the Ground : Assessing Satellite-and Ground-Based Approaches to Crop Yield Measurement and Analysis, American Journal of Agricultural Economics, Volume 102 (2020) no. 1, pp. 202-219 | DOI

[18] Sergey I. Nikolenko Synthetic Data for Deep Learning (2019) (http://arxiv.org/abs/1909.11512)

[19] J. Olszewska Designing Transparent and Autonomous Intelligent Vision Systems, Proceedings of the 11th International Conference on Agents and Artificial Intelligence - Volume 2 : ICAART 2019 (2019), pp. 850-856 | DOI

[20] Nobuyuki Otsu A Threshold Selection Method from Gray-Level Histograms, IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Volume 9 (1979) no. 1, pp. 62-66 (Conference Name : IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics) | DOI

[21] María Pérez-Ortiz; José Manuel Peña; Pedro Antonio Gutiérrez; Jorge Torres-Sánchez; César Hervás-Martínez; Francisca López-Granados Selecting patterns and features for between-and within-crop-row weed mapping using UAV-imagery, Expert Systems with Applications, Volume 47 (2016), pp. 85-94 | DOI

[22] Ken Perlin An image synthesizer, ACM SIGGRAPH Computer Graphics, Volume 19 (1985) no. 3, pp. 287-296 | DOI

[23] Armando de la Re; Francisco Abad; Emilio Camahort; M. C. Juan Tools for Procedural Generation of Plants in Virtual Scenes, Computational Science - ICCS 2009 (Lecture Notes in Computer Science) (2009), pp. 801-810 | DOI

[24] Javier Ribera; Yuhao Chen; Christopher Boomsma; Edward J Delp Counting plants using deep learning, 2017 IEEE global conference on signal and information processing (GlobalSIP) (2017), 469, pp. 1344-1348 | DOI

[25] Fereshteh Sadeghi; Sergey Levine CAD2RL : Real Single-Image Flight without a Single Real Image (2017) (http://arxiv.org/abs/1611.04201)

[26] Antonius GT Schut; Pierre C Sibiry Traore; Xavier Blaes; A Rolf Assessing yield and fertilizer response in heterogeneous smallholder fields with UAVs and satellites, Field Crops Research, Volume 221 (2018), pp. 98-107 | DOI

[27] Josh Tobin; Rachel Fong; Alex Ray; Jonas Schneider; Wojciech Zaremba; Pieter Abbeel Domain Randomization for Transferring Deep Neural Networks from Simulation to the Real World (2017) (http://arxiv.org/abs/1703.06907)

[28] Unity Technologies Unity 2019.4.15, 2020 (https://unity.com/)

[29] Unity Technologies Unity Perception Package, https://github.com/Unity-Technologies/com.unity.perception, 2020

[30] Zhengxia Zou; Zhenwei Shi; Yuhong Guo; Jieping Ye Object Detection in 20 Years : A Survey (2019) (http://arxiv.org/abs/1905.05055) | DOI

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