《羊肚菌病害人工智能識別與綠色防控技術(shù)規(guī)程》編制說明

———廣西食用菌協(xié)會團體標準《羊肚菌病害人工智能識別與綠色防控技術(shù)規(guī)程》編制說明（征求意見）項目來源根據(jù)廣西食用菌協(xié)會關(guān)于《廣西食用菌協(xié)會關(guān)于下達2023年第二批團體標準項目計劃》的文件精神，本標準由貴州大學提出，貴州大學、廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學院微生物研究所、西藏大學共同起草。項目背景及目的意義1.項目背景近年來，羊肚菌這一綠色農(nóng)業(yè)倍受國家和地方政府的重視和支持，其作為貴州、廣西重點發(fā)展的特色珍稀食用菌品種之一，已被列入貴州省食用菌產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃。推進羊肚菌產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，有助于為鄉(xiāng)村振興、當?shù)卮迕裰赂辉鍪仗峁┚G色動力，并促進現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與資源環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。羊肚菌是羊肚菌屬各物種真菌統(tǒng)稱，因表面呈不規(guī)則凹陷且多褶皺狀似羊肚而得名。羊肚菌不僅口感脆嫩，營養(yǎng)價值高，同時富含維生素、氨基酸、蛋白質(zhì)、糖類等，有“素中之葷”的美譽。還具有“甘寒無毒，益腸胃，化痰利氣，補腦提神”作用，所含活性成分有調(diào)節(jié)機體免疫力、抗疲勞、抗氧化、抗病毒、抗腫瘤、降血脂和保肝、護肝等功效。其菌絲提取物有降低草莓果實灰霉病病原菌侵染的作用。羊肚菌喜冷涼，發(fā)生期易受年度氣候影響，與發(fā)生區(qū)氣溫、降雨量和時間密切相關(guān)。子實體生長發(fā)育階段，微弱的散射光即可滿足羊肚菌生長的需要，保證氧氣新鮮充足是其生長發(fā)育必要條件。羊肚菌作為世界性分布物種在除南北極外的五大洲均有分布。中國得益于多樣化氣候環(huán)境與大跨度地理環(huán)境優(yōu)勢，是最早培育和利用食用菌的國家之一。羊肚菌在中國分布涵蓋28個省、市、自治區(qū)。而貴州省和廣西省因具有典型而獨特的喀斯特山地環(huán)境更適宜羊肚菌栽培與種植。貴州食用菌主要有22個科72個屬268種，野生食用菌種類占全國的80%以上，羊肚菌的仿野生栽培和重點撫育主要分布于銅仁市、遵義市、黔南州。羊肚菌病害會造成產(chǎn)量嚴重下降。每年全國有20%以上培養(yǎng)料和子實體因此損失，直接經(jīng)濟損失達40億元以上。已報道的羊肚菌栽培中最常見的病害就是菌柄腐爛病和霉菌性枯萎病，其中羊肚菌白腐病發(fā)生在子實體整個生長時期乃至儲藏期，感染部位長白色菌絲。隨我國羊肚菌種植面積的不斷增加，羊肚菌栽培中發(fā)生的病害種類和數(shù)量也在日益增加，栽培技術(shù)不再是限制其產(chǎn)量提高的主要因素，如何有效識別和對病害進行綠色防控已成為目前主要待攻克難題。人工智能（ArtificialIntelligence，簡稱AI）作為一項前沿的科技領域，正在深刻地改變著我們的生活方式和工作方式。在農(nóng)業(yè)領域，AI的應用正在逐漸發(fā)展壯大，并為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了一系列的創(chuàng)新。其中，針對羊肚菌病害的識別和治理問題，人工智能技術(shù)正發(fā)揮著越來越重要的作用。傳統(tǒng)的羊肚菌病害識別方法通常需要依靠專業(yè)人員的經(jīng)驗和觀察，耗時耗力且容易受到主觀因素的影響。而利用人工智能技術(shù)對羊肚菌病害進行準確識別，則成為了解決這一問題的新途徑?；谌斯ぶ悄艿难蚨蔷『ψR別憑借其高效準確的特點，正逐漸引起農(nóng)業(yè)科研人員和生產(chǎn)者的廣泛關(guān)注。人工智能技術(shù)結(jié)合圖像識別、機器學習和深度學習等多項先進技術(shù)手段，能夠自動識別出羊肚菌植株受到的病害類型，并且能夠?qū)Σ煌愋偷牟『M行分類和評估。通過在大量病害圖像樣本上的訓練和學習，人工智能系統(tǒng)能夠快速準確地識別和定位病害癥狀，提供及時的病害診斷結(jié)果。2.目的和意義羊肚菌具有良好的經(jīng)濟價值和發(fā)展前景。隨著人工栽培的面積擴大，羊肚菌的病害開始出現(xiàn)并影響羊肚菌的產(chǎn)量和質(zhì)量，喀斯特山地環(huán)境中對病害在羊肚菌上的發(fā)生情況相關(guān)調(diào)查和防控研究較少。通過制定團體標準《羊肚菌病害人工智能識別與綠色防控技術(shù)規(guī)程》，確定羊肚菌病害代表性病原菌的分類地位，通過人工智能系統(tǒng)準確識別和定位及時提供病害情況，并為羊肚菌生產(chǎn)中病害的綠色防治提供理論依據(jù)。用科技力量推動羊肚菌特色食用菌產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，構(gòu)建穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，推進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，助力鄉(xiāng)村振興。標準編制過程，包括標準制修訂項目工作組的建立和開展的相關(guān)工作。由貴州大學研究和起草了《羊肚菌病害人工智能識別與綠色防控技術(shù)規(guī)程》標準草案，于2023年6月25日由廣西食用菌協(xié)會立項。通過立項后，本單位迅速落實人員組成了《羊肚菌病害人工智能識別與綠色防控技術(shù)規(guī)程》團體標準起草小組，起草小組根據(jù)近年來相關(guān)的我國羊肚菌產(chǎn)業(yè)相關(guān)標準的變化和修訂情況，結(jié)合本單位對羊肚菌病害等相關(guān)研究成果以及羊肚菌產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)實情況，進一步修訂和完善了《羊肚菌病害人工智能識別與綠色防控技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)內(nèi)容，形成了標準征求意見稿。標準主要章節(jié)內(nèi)容及確定依據(jù)（修訂標準時，應說明新、舊標準的對比）。1.羊肚菌病害圖像采集與預處理為實現(xiàn)羊肚菌病害的智能識別，本團隊前往貴州、廣西多處羊肚菌種植基地采集了大量羊肚菌病害圖像。其中包含羊肚菌的多種病害，其部分樣例如圖1所示。一共采集了大約8921張病害圖像作為羊肚菌病害識別數(shù)據(jù)集，然后按7：1：2的比率將數(shù)據(jù)分為訓練集、驗證集以及測試集。其中，訓練集用于模型的訓練，驗證集用于模型的參數(shù)調(diào)優(yōu)，測試集用于測試模型的最終性能。此外，在模型訓練之前，需要將病害圖像進行歸一化、像素裁剪為224×224等操作以適應模型的輸入。圖1羊肚菌病害樣例2.MENet模型的構(gòu)建本團隊提出MENet模型以實現(xiàn)羊肚菌病害的精準識別，模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。MENet由兩個關(guān)鍵的部分模塊組成，即混合尺度殘差模塊和協(xié)調(diào)注意力模塊構(gòu)成?；旌铣叨葰埐钅K由殘差模塊改進而來，既可以挖掘羊肚菌病害中更關(guān)鍵的病害特征，同時也能減少因網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)深度過深導致的網(wǎng)絡退化問題。協(xié)調(diào)注意力模塊沿著空間的兩個方向進行特征的聚合，可以有效的減少復雜背景等冗余信息的影響。MENet實現(xiàn)羊肚菌病害具體的流程如下:首先，在送入網(wǎng)絡之前將圖像的尺寸裁剪為224×224，同時進行歸一化處理以適應模型的輸入。然后，通過分層混合尺度殘差模塊進行關(guān)鍵病害特征提取，同時利用協(xié)調(diào)注意力模塊減少復雜背景的影響。接著，采用全局平均池化將特征進行整合。最后，將得到的高維病害特征送入分類器進行分類。圖2MENet模型的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)分層混合尺度殘差模塊的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示.它主要是通過在殘差模塊的捷徑分支引入分層混合尺度單元，從而既能凸顯羊肚菌病害的關(guān)鍵特征也能實現(xiàn)殘差學習。圖3分層混合尺度殘差模塊分層混合尺度單元模塊的具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。它由分組迭代和通道調(diào)制兩部分組成。對于分組迭代的部分，假設輸入特征圖為。首先，采用1×1的卷積層增加輸入特征的通道數(shù)量，然后沿著通道方向?qū)⑵浞譃镚組。然后，再采用卷積將第一組分為三組特征集。其中，第一組特征集被用于與下一組的集進行特征交互，另外兩組特征集用于通道調(diào)制。例如：假設將通道分為組，特征圖和特征圖先進行級聯(lián)操作，然后再對特征進行卷積和拆分，最后將特征圖分為三個特征集。對于通道調(diào)制的部分，特征集通過一系列的非線性變換后，會得到特征調(diào)制向量。然后，這個特征向量在對特征集進行加權(quán)。最后，可以得到分層混合尺度單元的輸出表達式：圖4分層混合尺度單元模塊注意力機制可以抑制復雜背景信息，凸顯羊肚菌病害特征，從而提高識別精度。坐標注意力模塊沿著兩個空間方向分別聚合特征，沿一個空間方向捕捉遠程病害特征信息之間的依賴性，沿另一個空間方向保留病害特征信息精確的位置信息，兩個空間方向得到的特征圖相輔相成，以減少田間復雜背景對羊肚菌病害特征提取帶來的影響。坐標注意力模塊的結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5坐標注意力模塊結(jié)構(gòu)3.實驗條件與評價指標3.1.實驗條件所有的實驗均在Windows11系統(tǒng)的主機完成，實驗環(huán)境如下：顯卡為NVIDIAGeForceRTX3090，24G顯存；處理器為Intel(R)Xeon(R)W-2235，32G；軟件環(huán)境為Python3.8.8和PyTorch1.6.0框架。超參數(shù)設置如下:所有的模型均采用Adam優(yōu)化器進行訓練，初始學習率設置為0.0001。訓練的批次設置為32，一共迭代100輪。損失函數(shù)采用交叉熵損失函數(shù)。3.2.評價指標采用準確率(Accuracy)用于模型性能的評估，計算公式如下：式中，TP(TurePositive)表示真正例,即實際中為正樣本且被正確地分為了正樣本。TN(TureNegative)表示真反例，即實際中為負樣本且被正確地分為了負樣本。FP(FalsePositive)表示假正例，即實際中為負樣本且被錯誤地分為了正樣本。FN(FalseNegative)表示假反例，即實際中為正樣本且被錯誤地分為了負樣本。此外，模型的參數(shù)數(shù)量(Param)也被用于評估模型的性能，其值越低，代表性所占內(nèi)存就越小。4.模型驗證表1顯示了9個模型在羊肚菌病害測試集上的識別結(jié)果。與重量級網(wǎng)絡Vgg16、ResNet34和EfficientNetV2Small相比，所提出的MENet實現(xiàn)了最佳識別精度（與Vgg16相比提高了8.1%，與ResNet34相比提高了7.3%，與EfficientNetV2Small相比提高了3.57%）。而且，MENet模型的參數(shù)數(shù)量比它們少了幾十到幾百倍。與輕量級網(wǎng)絡GoogLeNet、DenseNet121、MobileNetV2、MobileNetV3Large和ShuffleNetV21.0×相比，MENet模型不僅準確率有大幅提升F1分數(shù)也得到了顯著增高。盡管MENet模型的參數(shù)數(shù)量略高于MobileNetV2和ShuffleNetV21.0×，但MENet模型的準確率分別比它們高出了8.17%和7%?？偟膩碚f，MENet模型在羊肚菌病害識別任務中的綜合性能較好，可以為人工智能技術(shù)在羊肚菌病害識別任務中提供一定參考。表1不同模型在測試集的實驗結(jié)果ModelAccuracyF1-scoreParam(M)Vgg160.88210.8864134.29GoogLeNet0.87210.88495.98ResNet340.89010.898721.29DenseNet1210.88470.88346.96MobileNetV20.88140.88462.23MobileNetV3Large0.90470.89784.21ShuffleNetV21.0×0.89310.89351.26EfficientNetV2Small0.92740.921120.19MENet0.96310.96123.575.喀斯特山地環(huán)境下羊肚菌病害采集和調(diào)查貴州和廣西境內(nèi)的喀斯特山地環(huán)境尤為明顯。對貴州省內(nèi)的犁倭鎮(zhèn)柿花園村、藍田鎮(zhèn)鳳鳴村、麥坪鄉(xiāng)汪莊村和廣西壯族自治區(qū)內(nèi)的永歲鎮(zhèn)樂家灣村、羅富鎮(zhèn)灣村和大河鄉(xiāng)中村共6個羊肚菌種植基地進行感病羊肚菌樣品的采集及分析（表2）。表2不同地區(qū)羊肚菌樣品采集采樣地經(jīng)緯度貴州省清鎮(zhèn)市柿犁倭鎮(zhèn)柿花園村貴州省黔東南苗族侗族自治州天柱縣藍田鎮(zhèn)鳳鳴村貴州省貴陽市花溪區(qū)麥坪鄉(xiāng)汪莊村廣西壯族自治區(qū)桂林市全州縣永歲鎮(zhèn)樂家灣村廣西壯族自治區(qū)河池市南丹縣灣村廣西壯族自治區(qū)桂林市疊彩區(qū)大河鄉(xiāng)中村26.64°N，106.31°E26.91°N，109.21°E26.48°N，106.53°E26°N，111.14°E25.17°N，107.34°E25.31°N，110.35°E6.喀斯特生境下羊肚菌白腐病主要病原菌篩選取感病羊肚菌子實體樣品進行病原菌分離操作。用滅菌消毒后的接種刀在樣品病健交接處取適量大小組織塊，置于75%酒精溶液中消毒30秒，再置于NaClO溶液中消毒1分鐘，用無菌水漂洗3次之后用無菌濾紙上吸干表面水分，接種于PDA培養(yǎng)皿中央，用封口膜將培養(yǎng)皿密封，標注日期后放入27℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)觀察，待長出清晰菌絲后，用接種刀取最外緣菌絲轉(zhuǎn)接于新的PDA培養(yǎng)皿中培養(yǎng)，至少重復3次，即得到病原菌的純菌株菌落。之后提取DNA進行PCR擴增測序，所得序列在NCBI數(shù)據(jù)庫中比對。通過分離純化六個采樣點，得到266株真菌分離物，包括76個種，31個屬（圖6、7）。通過分析的真菌分離物可得，在種分類水平上，只有一種真菌Clonostachysrosea（粉紅螺旋聚孢霉）在黔、桂兩地均有分布，在屬分類水平上，各地皆分到Fusarium鐮刀菌屬和Clonostachys螺旋聚孢霉屬。貴州省和廣西壯族自治區(qū)內(nèi)引發(fā)羊肚菌子實體發(fā)生白腐病的主要病原菌均為Clonostachysrosea。圖6貴州省采樣點分得菌株（種分類水平）圖7廣西壯族自治區(qū)采樣點分得菌株（種分類水平）7.致病性測定依據(jù)科赫氏法則對貴州、廣西兩地分離得到的病原菌菌株進行致病性測定。將分離得到的該菌株培養(yǎng)7天，用消毒后的5mm打孔器沿培養(yǎng)皿外緣取菌餅，分別接種到經(jīng)表面消毒的健康羊肚菌子實體上，觀察菌株在羊肚菌子實體上的發(fā)病情況（圖8）。取發(fā)病后組織的病健交界處菌絲進行分離培養(yǎng)，得到的真菌經(jīng)純化后，提取DNA進行PCR擴增測序，所得序列在NCBI數(shù)據(jù)庫中比對后與所接真菌一致，則確定引起喀斯特山地環(huán)境中羊肚菌子實體發(fā)生白腐病的主要病原菌為粉紅螺旋聚孢霉。圖8羊肚菌白腐病主要病原菌致病性實驗8.病原菌生物學特性探究8.1.不同pH對病原菌菌絲生長影響用1mol/L鹽酸溶液和1mol/L氫氧化鈉溶液將培養(yǎng)基溶液分別調(diào)節(jié)至不同pH，滅菌后倒入培養(yǎng)皿，打孔器獲得5mm菌餅于培養(yǎng)基板，培養(yǎng)10天后，十字交叉測菌絲生長直徑，計算菌絲生長速率。粉紅螺旋聚孢霉在不同PH下菌絲生長情無顯著性差異（表3）。表3不同pH對菌絲生長影響pH菌落狀況菌落平均值(cm)菌絲平均生長速率(cm/d)56789+++++3.873.944.004.014.060.39±0.02a0.39±0.00a0.40±0.03a0.40±0.01a0.41±0.02a注：供試菌餅直徑5mm；菌落狀況中，菌絲長勢最好以“++++”表達；較好以“+++”表達；較差以“++”表達；最差以“+”表達；不生長以“—”表達（p<0.05）。8.2.不同碳源對菌絲生長的影響以察式培養(yǎng)基作為基礎培養(yǎng)基，選取果糖、麥芽糖、乳糖、淀粉、山梨醇、羧甲基纖維素鈉作為唯一碳源，選取尿素、牛肉膏、蛋白胨、精氨酸、酵母粉、氯化鈉銨作為唯一氮源，配制不同培養(yǎng)基，滅菌后倒入培養(yǎng)皿，打孔器獲得5mm菌餅于培養(yǎng)基板，培養(yǎng)箱培養(yǎng)10天，十字交叉測菌絲生長直徑，計算菌絲生長速率。粉紅螺旋聚孢霉菌株在上述不同碳氮源中皆可生存（表4）。在以淀粉為碳源時，病原菌生長的最快，以山梨醇為碳源是生長的最慢。表4不同碳源對菌絲生長影響處理菌落狀況菌落平均值(cm)菌絲平均生長速率(cm/d)果糖麥芽糖淀粉山梨醇羧甲基纖維素鈉+++++++++++++4.754.995.174.234.500.48±0.00ab0.50±0.01a0.52±0.02a0.42±0.04c0.45±0.01bc8.3.不同氮源對菌絲生長的影響以察式培養(yǎng)基作為基礎培養(yǎng)基，選取尿素、牛肉膏、蛋白胨、精氨酸、酵母粉、氯化鈉銨作為唯一氮源，配制不同培養(yǎng)基，滅菌后倒入培養(yǎng)皿，打孔器獲得5mm菌餅于培養(yǎng)基板，培養(yǎng)箱培養(yǎng)10天，十字交叉測菌絲生長直徑，計算菌絲生長速率。粉紅螺旋聚孢霉菌株在上述不同碳氮源中皆可生存（表5）。在以牛肉膏，蛋白胨作為氮源時病原菌生長的最快，在以氯化銨作為氮源時，病原菌的生長明顯受到抑制。表5不同氮源對菌絲生長影響處理菌落狀況菌落平均值(cm)菌絲平均生長速率(cm/d)牛肉膏蛋白胨精氨酸酵母粉氯化銨++++++++++++4.914.864.594.722.010.49±0.01a0.49±0.01a0.46±0.01a0.47±0.02a0.20±0.01b9.病原菌藥敏性測定采用菌絲生長速率法測定不同殺菌劑對病原菌和羊肚菌的抑制活性（表6）。10天后采用十字交叉法測定菌落直徑并計算抑制率、毒力回歸方程、EC50值。表6不同藥劑對菌絲生長影響藥劑劑型生產(chǎn)公司430g/L代森錳鋅1.5%苦參?蛇床素40%百菌清80%乙蒜素5%香芹酚25%咪鮮胺50%咪鮮胺錳鹽40%二氯異氰尿酸鈉3%中生菌素懸浮劑水劑懸浮劑乳油可溶液劑乳油可濕性粉劑可濕性粉劑可濕性粉劑利民化學有限責任公司山西德威本草生物科技有限公司日本史迪士生物科學株式社會開封大地農(nóng)化生物科技有限公司山西德威本草生物科技有限公司江蘇輝豐生物農(nóng)業(yè)股份有限公司蘇州富美實植物保護劑有限公司古田縣科達生物化工有限公司深圳諾普信農(nóng)化股份有限公司結(jié)果如表7、8所示，能高效防治粉紅螺旋聚孢霉，同時對羊肚菌的抑制效果弱的藥劑是50%咪鮮胺錳鹽可濕性粉劑。因此在防治這種病害時推薦使用50%咪鮮胺錳鹽，在較低濃度下它也能有效抑制病原菌生長。表7不同藥劑對病原菌影響藥劑名毒力回歸方程EC50(mg/L)相關(guān)系數(shù)R25%咪鮮胺y=0.8882x+6.42730.02470.976580%乙蒜素y=0.9099x+5.14550.69190.974550%咪鮮胺錳鹽y=0.9147x+5.