INFORMATIZATION AND MANAGEMENT

Creation of hybrid systems for analyzing hyperspectral data and RGB images for early diagnosis of grain crops

Authors

  • Vasily Yu. Durmanov Russian State Agrarian University – Timiryazev Agricultural Academy of Agriculture, 49 Timiryazevskaya st., Moscow, 127434, Russia
  • Ekaterina L. Chepurina Russian State Agrarian University – Timiryazev Agricultural Academy of Agriculture, 49 Timiryazevskaya st., Moscow, 127434, Russia

How to cite

GOST Durmanov V. Y., Chepurina E. L. Creation of hybrid systems for analyzing hyperspectral data and RGB images for early diagnosis of grain crops // Bakery of Russia. 2025. Vol. 69. No. 1-2. P. 47-57.
APA Durmanov, V. Y. & Chepurina, E. L. (2025). Creation of hybrid systems for analyzing hyperspectral data and RGB images for early diagnosis of grain crops. Bakery of Russia, 69(1-2), 47-57.

Abstract

The article is devoted to the development and validation of a hybrid system for early diagnostics of stress conditions in cereal crops based on the fusion of hyperspectral data and RGB images. The aim was to quantitatively assess the contribution of each modality and to demonstrate that their integration improves the accuracy and robustness of detecting pre-visual stress symptoms. Materials and methods: field experiments conducted in 2023-2024 on winter wheat (Triticum aestivum L., variety Moskovskaya 40 ) under three treatments – nitrogen deficiency, septoria (Septoria tritici), and combined stress – using remote sensing with a DJI Matrice 300 RTK UAV. Data collection included a Headwall Nano-Hyperspec push-broom sensor (400-1000 nm, 2.2 nm, ~270 bands, ~5 cm/pixel) and a Zenmuse P1 RGB camera (45 MP, ~1.5 cm/pixel); radiometric/atmospheric correction of HSI, color calibration of RGB, and orthotransformation were performed. Vegetation indices (NDVI, PRI, ChlI, etc.) were extracted, and PCA/MNF were applied for dimensionality reduction; color (HSV, Lab) and texture (GLCM) features were derived from RGB. SVM (RBF), Random Forest, and 3D-CNN were compared; early (feature-level) and late (decision-level) fusion approaches were investigated. Results: individual HSI indices outperformed RGB features at early stages; ChlI achieved 84.11% accuracy versus ≤70% for the best RGB features. For unimodal models, HSI-3D-CNN reached 92.46%, outperforming SVM/RF but at a higher computational cost; RGB models lagged by 16-18 pp. The hybrid architecture with early feature fusion and CNN achieved 96.33% overall accuracy and F1=0.959, exceeding the best HSI model by 3.87 pp and the RGB model by 20.52 pp. Validation against ground-based biochemical measurements revealed strong correlations: r=0.917 (nitrogen deficiency), r=0.884 (septoria), r=0.945 (control), confirming the physiological relevance of the predictions.

Keywords

hyperspectral imaging RGB images early stress diagnostics data fusion precision agriculture

References

Абу З.Х. Система сбора гиперспектральных данных с полей сельскохозяйственных культур // Цифровизация агропромышленного комплекса: сб. науч. ст. В 3-х т. Тамбов, 2024. С. 83-84.

Азизов Б.М., Мехтиев Д.С., Кулиева С.Г. Возможности использования гиперспектрального анализа для оценки посевов сельскохозяйственных культур // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: мат. XVI Всерос. открыт. конф. М.: Институт космических исследований Российской академии наук, 2018. С. 384.

Ананьев Н.С., Ананьев С.Н., Куренков Н.И. Об одном подходе к экспресс-анализу гиперспектральных изображений // Интернет-журнал Науковедение. 2010. № 3(4). С. 5.

Баула Г.Г., Брычихин М.Н., Истомина М.И., Кротков А.Ю., Сжёнов Е.Ю., Ризванов А.А., Третьяков В.Н. Формирование базы данных гиперспектральных оптических характеристик сельскохозяйственных культур в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях спектра // Космонавтика и ракетостроение. 2013. № 4(73). С. 178-184.

Березина В.Ю., Гурова Т.А., Денисюк С.Г., Павлов Е.И. Информационно-диагностическая экспертная система патоген // Датчики и преобразователи информации систем измерения: мат. Х Юбил. науч.-техн. конф. с участ. заруб. спец. В 2-х томах. Под ред. В.Н. Азарова. 1998. С. 338-340.

Денисюк С.Г. Автоматизированный метод визуальной диагностики болезней, сорняков и вредителей зерновых культур // Развитие агропромышленного комплекса в зонах рискованного земледелия: мат. VI науч.-прак. конф. Под ред. Г.Н. Калюк, В.Ф. Резникова. 1999. С. 5.

Денисюк С.Г. Структура программно-аппаратного обеспечения автоматизированной визуальной диагностики болезней, сорняков и вредителей в посевах зерновых культур с использованием видеоинформации // Проблемы стабилизации и развития сельскохозяйственного производства Сибири, Монголии и Казахстана в XXI веке: мат. Межд. науч.-прак. конф. 1999. С. 44-48.

Евтюшкин А.В., Рычкова Н.В. Мониторинг развития зерновых культур по данным полевых и космических наблюдений // Мат. IX Регион. конф. по математике (МАК-2006). Барнаул: Алтайский государственный университет, 2006. С. 56-58.

Еремеев В.А., Макаренков А.А. Нейросетевая идентификация объектов Земли на основе данных от систем гиперспектральной съёмки и знаний об их видеоинформационном тракте // Цифровая обработка сигналов. 2024. № 1. С. 49-54.

Информационные системы диагностики, мониторинга и прогноза важнейших сорных растений, вредителей и болезней сельскохозяйственных культур // Мат. Межд. конф. 2008.

Кравцов П.А., Емельянова М.А., Рыжова В.А. Разработка гиперспектральных аналитических систем с применением нейросетей // Альманах научных работ молодых ученых университета ИТМО: мат. 53-й (LIII) науч. и учеб.-метод. конф. СПб., 2024. С. 220-223.

Максимов Л.В., Гурова Т.А., Елкин О.В. Разработка программно-аппаратного комплекса для фенотипирования стресса зерновых культур по гиперспектральным изображениям // Обработка пространственных данных в задачах мониторинга природных и антропогенных процессов (SDM-2023): мат. Всерос. конф. с межд. участ. Новосибирск, 2023. С. 289-293.

Романенко А.Ю. Формализация и алгоритмы обработки информации для экспертной системы технического диагностирования гибридных объектов: дис. ... канд. техн. наук. Серпухов: Институт инженерной физики, 2010. 230с.

Руденко А.М. Разработка системы автоматической предобработки и хранения гиперспектральных изображений // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: тезисы докладов Тридцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. М., 2024. С. 238.

Хотилин М.И. Технология интеллектуального автоматизированного отбора информативных признаков натурных гиперспектральных изображений // Математические методы распознавания образов: мат. 21-й Всерос. конф. с межд. учас. М., 2023. С. 218-220.

Issue

Section

INFORMATIZATION AND MANAGEMENT

Metrics

226 views
0 downloads
Want to publish with us?
Submit an article

Machine-readable metadata