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Generalization of rice growth estimation using UAV with the utilization of crop science knowledge and assistance of pseudo-labeling

Research Project

Project/Area Number 22KJ1240
Project/Area Number (Other) 22J13389 (2022)
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeMulti-year Fund (2023)
Single-year Grants (2022)
Section国内
Review Section Basic Section 39020:Crop production science-related
Research InstitutionTokyo University of Agriculture and Technology

Principal Investigator

山口 友亮  東京農工大学, 大学院連合農学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2023-03-08 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥1,700,000 (Direct Cost: ¥1,700,000)
Fiscal Year 2023: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2022: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Keywords水稲 / XAI / UAV / 生育推定 / バイオマス / 機械学習 / イネ / 生育予測 / リモートセンシング / 深層学習
Outline of Research at the Start

UAVは作物の生育診断を効率化してきたが、栽培条件による影響を大きく受けるため、汎用的な推定手法の開発が望まれてきた。これまで、イネのバイオマスおよび葉面積の推定において、品種による形態的な差異が大きな影響を及ぼすことを明らかにした。本研究では、その影響が生じる要因を解明し、得られた知見を活用してUAV空撮イネ画像から特徴量を抽出する。また、これまで利用されてこなかった実測値未知のUAV空撮イネ画像を疑似ラベリングで新たに活用する。これらを組み合わせ、品種による影響を低減した汎用性の高いモデルを構築する。さらに、開発したモデルは農家圃場で運用し、栽培管理の最適化への応用可能性も検証する。

Outline of Annual Research Achievements

UAV空撮画像による水稲の生育推定モデルの構築のためのデータセットについて、その構築に必要な実測値収集の効率化に関する研究を論文としてまとめた。具体的には、これまで当該研究分野における実測値収集は複数株の刈り取りに基づくものが主であったが、本研究では、より省力的に収集できる1株の刈り取りに基づくデータセットも単回帰モデルの構築および機械学習による回帰モデルの精度向上に活用できることが示された。本成果は査読ありの国際誌であるPlant Production Science誌に学術論文として出版された。本手法を活用して、実際にデータセットを構築し、多様な品種に対してより高い精度でバイオマスを推定できる独自のニューラルネットワークモデルの構築に取り組んだ。本モデルにおいては、作物学的な解釈性を付与することも狙いとした。具体的には、multi-output neural networkとregressor chainと呼ばれる構造を独自に融合したmulti-traits-output-chained neural networkを提案した。本構造によるモデルは、従来手法よりも高い精度で多様な形態を持つ24品種のバイオマスを推定した。さらに、各品種のバイオマス生産に影響する形質の重要度が異なるという解釈が本モデルから得られ、従来のモデルよりも高い解釈性を付与できた。本成果は日本作物学会第257回講演会で発表されたほか、査読ありの国際誌であるComputers and electronics in agriculture誌に学術論文として出版された。

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (8 results)

All 2024 2023 2022

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 3 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Journal Article] Improving efficiency of ground-truth data collection for UAV-based rice growth estimation models: investigating the effect of sampling size on model accuracy2024

    • Author(s)
      Yamaguchi Tomoaki、Sasano Kana、Katsura Keisuke
    • Journal Title

      Plant Production Science

      Volume: 27 Issue: 1 Pages: 1-13

    • DOI

      10.1080/1343943x.2023.2299641

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] A novel neural network model to achieve generality for diverse morphologies and crop science interpretability in rice biomass estimation2024

    • Author(s)
      Yamaguchi Tomoaki、Katsura Keisuke
    • Journal Title

      Computers and Electronics in Agriculture

      Volume: 218 Pages: 108653-108653

    • DOI

      10.1016/j.compag.2024.108653

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Estimation of Nutrient Index Values of ‘Kinumusume’, a Recommended Rice Cultivar in Okayama Prefecture, Using RGB Images2023

    • Author(s)
      山口友亮・尾澤陽・前田周平・妹尾知憲・桂圭佑
    • Journal Title

      Japanese Journal of Crop Science

      Volume: 92 Issue: 2 Pages: 129-139

    • DOI

      10.1626/jcs.92.129

    • ISSN
      0011-1848, 1349-0990
    • Year and Date
      2023-04-05
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 疑似群落データの再構成によるデータ拡張を活用したUAV空撮画像による生育推定の精度向上2024

    • Author(s)
      山内陽広
    • Organizer
      日本作物学会第257回講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 画像からのバイオマス推定について高精度と解釈性を両立した新しいニューラルネットワークモデルの提案2023

    • Author(s)
      山口友亮
    • Organizer
      日本作物学会第256回講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 擬似ラベリングを用いた省力的な学習データの追加が深層学習に基づくイネバイオマス推定モデルの汎用性に与える影響2023

    • Author(s)
      中嶌洸太
    • Organizer
      日本作物学会第256回講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Investigation of the Effect of the Number of Harvested Plants for Ground-Truth Data on the Development of a Growth Estimation Model in Rice with UAV Aerial Images2022

    • Author(s)
      Tomoaki Yamaguchi, Kana Sasano, Keisuke Katsura
    • Organizer
      The XX CIGR World Congress 2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] UAV空撮画像を用いたイネのバイオマス推定モデルの開発における刈り取り株数の影響2022

    • Author(s)
      山口友亮, 笹野果奈, 桂圭佑
    • Organizer
      第254回日本作物学会講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report

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Published: 2022-04-28   Modified: 2024-12-25  

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