How to cite: Yıldırım YC, Yeniad M. Usage of machine learning algorithms on precision agriculture applications. Akıllı Sistemler ve Uygulamaları Dergisi (Journal of Intelligent Systems with Applications) 2020; 3(2): 107-113.
Full Text: PDF, in English.
Total number of downloads: 567
Title: Usage of Machine Learning Algorithms on Precision Agriculture Applications
Abstract: Agricultural monitoring and analysis of data to be used in management decisions to increase the quality, profitability, sufficiency, continuity and efficiency of agricultural production is called Precision Agriculture.[1]Precision Agriculture technologies aim to help the farmers with the decision making process by providing them information and control over their land, crop status and environment using remote sensing systems. Remote sensing systems use multispectral cameras to gather information, which filter different wavelengths of light in separate bands. Vegetation indices derived from the spectral bands of the remote sensing systems carry useful information about crop characteristics such as nitrogen content, chlorophyll content and water stress which supports the farmers to plan irrigation and pesticide spraying processes without the need of manual examination, providing a cost and time-efficient solution. This study aims to explore three specific Precision Agriculture applications, such as crop segmentation, illness detection and yield prediction on olive trees in Manisa, Turkey by using machine learning algorithms. Using the spectral band information gathered from an Orange-Cyan-NIR (OCN) camera embedded UAV system, vegetation health index was calculated and the data was preprocessed by segmentating the tree pixels from background based on those values using MiniBatchKMeans algorithm. Optimal features were selected based on accuracy comparison for yield and disease predictions. A Decision Tree Regressor (DTR) model was trained for yield prediction while a Random Forest Classifier (RFC) model was trained for disease prediction. The results showed that crop segmentation had an accuracy rate of 0.85-0.95, while DTR and RFC models had an R2 score of 0.99 and accuracy rate of 0.98 respectively, which displayed the importance and usefulness of vegetation indices.
Keywords: Machine learning; artificial intelligence; precision agriculture; yield prediction; disease prediction; crop segmentation
Başlık: Hassas Tarım Uygulamaları Üzerinde Makine Öğrenmesi Teknikleri Kullanımı
Özet: Hassas Tarım, tarımsal üretimin devamlılığı, kalitesi, yeterliliği, karlılığı ve verimliliğini arttırmak adına verilen yönetimsel kararlarda tarımsal gözetim ve veri analizi teknikleri kullanılmasıdır. Bu teknolojiler, çiftçilere ürünleri, toprakları ve çevreleri hakkında uzaktan algılama sistemleri kullanıp kontrol ve bilgi olanağı sağlayarak karar verme süreçlerinde yardım etmeyi hedefler. Uzaktan algılama sistemleri bilgi toplamak için ışığın farklı dalga boylarını ayrı bantlarda filtreleyen multispektral kameralar kullanır. Spektral bantlardan elde edilen bitki örtüsü indeksleri, azot, klorofil ve su stresi gibi ürün özellikleri hakkında bilgi taşır ve bu bilgiler çiftçilerin, arazide herhangi bir ölçüme gerek kalmaksızın, sulama ve ilaçlama kararlarında yardımcı olacak niteliktedir. Bu çalışmada hassas tarım uygulamalarında makine öğrenmesi tekniklerinin kullanımının keşfi hedeflenmiş olup, Türkiye’nin Manisa ilçesindeki zeytin ağaçlarına yoğunlaşılmıştır. Bir İHA sistemine entegre edilmiş OCN kamerasının spektral verilerini kullanarak bitki örtüsü sağlık endeksi hesaplanmış ve veride bu endeksi baz alarak ağaç pikselleri diğerlerinden MinBatchKMeans algoritmasıyla ayrıştırılmıştır. Rekolte ve hastalık tahmini için en uygun öznitelikler doğruluk oranı karşılaştırmasına göre seçilmiştir. Rekolte verisi için Karar Ağacı Regresyon (KAR) modeli eğitilmiş, hastalık tahmini için Rastgele Orman Sınıflandırma (ROS) modeli eğitilmiştir. Ağaç piksel ayrıştırma sonucunun doğruluk oranı 0.85 ve 0.95 arasında belirlenmiş, KAR algoritmasının R2 puanı 0.99 ve ROS algoritmasının doğruluk oranı 0.98 olarak hesaplanmıştır, bu da bitki örtüsü indekslerinin önemi ve kullanışlılığını vurgulamaktadır.
Anahtar kelimeler: Makine öğrenmesi; yapay zeka; hassas tarım; rekolte tahmini; hastalık tahmini; bitki ayrıştırma