3. 基于迁移学习的作物叶片病害分类模型训练

任务定位与迁移学习策略

本案例在已清洗、类别平衡的作物叶片病害数据集基础上,构建一个可区分多种病害类别的分类模型。核心做法是:以 ImageNet 预训练的卷积网络为骨干,冻结特征提取层先训练分类头,再解冻顶层做小学习率微调,配合面向田间的数据增强,最后用验证集评估并输出模型。相比从零训练,迁移学习能在样本量有限的农业数据集上更快收敛并降低过拟合风险。

下面给出一个自洽、可运行的 PyTorch 实现。数据目录采用 ImageFolder 标准结构(每个病害类别一个子文件夹),示例类别为 健康/早疫病/晚疫病/叶斑病,实际使用时替换为你的类别名即可。

叶片图像数据集 已清洗·类别平衡 训练/验证 8:2 划分 4 类病害标签 训练期数据增强 随机裁剪 224×224 水平/垂直翻转 ±20° 旋转 色彩抖动(光照鲁棒) 预训练骨干 ResNet18 (ImageNet) 特征提取层 输出 512 维特征 分类头 Dropout(0.3) Linear 512→4 输出 4 类 logits 验证与输出 验证集准确率 / 混淆矩阵 保存 best_model.pth 类别索引映射 class_to_idx 两阶段训练策略 阶段一:冻结骨干,仅训练分类头  学习率 1e-3,约 5 个 epoch 阶段二:解冻 layer4 + 分类头微调  学习率 1e-4,约 10 个 epoch 增强后送入 冻结阶段快速适配新类别 → 微调阶段提升细粒度病害区分能力 → 验证集选最优权重 注:类别数与骨干可替换,流程与参数关系保持一致

关键实现代码

代码包含数据增强、两阶段训练、验证评估与模型保存,可直接运行。示例使用 CPU/GPU 自适应,类别数由数据目录自动推断。

import copy
import torch
import torch.nn as nn
from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision import datasets, transforms, models

DATA_DIR = "leaf_dataset"   # 结构: leaf_dataset/train/类别名/*.jpg, leaf_dataset/val/类别名/*.jpg
BATCH = 32
DEVICE = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")

# 1. 数据增强:训练集强增强,验证集仅缩放+归一化
train_tf = transforms.Compose([
    transforms.RandomResizedCrop(224, scale=(0.7, 1.0)),
    transforms.RandomHorizontalFlip(),
    transforms.RandomVerticalFlip(),
    transforms.RandomRotation(20),
    transforms.ColorJitter(brightness=0.3, contrast=0.3, saturation=0.2),
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225]),
])
val_tf = transforms.Compose([
    transforms.Resize(256),
    transforms.CenterCrop(224),
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225]),
])

train_ds = datasets.ImageFolder(f"{DATA_DIR}/train", transform=train_tf)
val_ds = datasets.ImageFolder(f"{DATA_DIR}/val", transform=val_tf)
train_loader = DataLoader(train_ds, batch_size=BATCH, shuffle=True, num_workers=2)
val_loader = DataLoader(val_ds, batch_size=BATCH, shuffle=False, num_workers=2)
num_classes = len(train_ds.classes)
print("类别:", train_ds.classes, "| 训练样本:", len(train_ds), "| 验证样本:", len(val_ds))

# 2. 构建迁移学习模型
model = models.resnet18(weights=models.ResNet18_Weights.IMAGENET1K_V1)
for p in model.parameters():
    p.requires_grad = False                      # 先冻结全部骨干
model.fc = nn.Sequential(nn.Dropout(0.3), nn.Linear(model.fc.in_features, num_classes))
model = model.to(DEVICE)

criterion = nn.CrossEntropyLoss()

def run_epoch(loader, train=True):
    model.train() if train else model.eval()
    total_loss, correct, total = 0.0, 0, 0
    with torch.set_grad_enabled(train):
        for x, y in loader:
            x, y = x.to(DEVICE), y.to(DEVICE)
            out = model(x)
            loss = criterion(out, y)
            if train:
                optimizer.zero_grad()
                loss.backward()
                optimizer.step()
            total_loss += loss.item() * x.size(0)
            correct += (out.argmax(1) == y).sum().item()
            total += x.size(0)
    return total_loss / total, correct / total

# 3. 阶段一:仅训练分类头
optimizer = torch.optim.Adam(filter(lambda p: p.requires_grad, model.parameters()), lr=1e-3)
best_acc, best_state = 0.0, None
for epoch in range(5):
    tr_loss, tr_acc = run_epoch(train_loader, True)
    va_loss, va_acc = run_epoch(val_loader, False)
    print(f"[阶段一] epoch {epoch+1}: train_acc={tr_acc:.3f} val_acc={va_acc:.3f}")
    if va_acc > best_acc:
        best_acc, best_state = va_acc, copy.deepcopy(model.state_dict())

# 4. 阶段二:解冻 layer4 与分类头,小学习率微调
for p in model.layer4.parameters():
    p.requires_grad = True
optimizer = torch.optim.Adam(filter(lambda p: p.requires_grad, model.parameters()), lr=1e-4)
for epoch in range(10):
    tr_loss, tr_acc = run_epoch(train_loader, True)
    va_loss, va_acc = run_epoch(val_loader, False)
    print(f"[阶段二] epoch {epoch+1}: train_acc={tr_acc:.3f} val_acc={va_acc:.3f}")
    if va_acc > best_acc:
        best_acc, best_state = va_acc, copy.deepcopy(model.state_dict())

# 5. 保存最优模型与类别映射
model.load_state_dict(best_state)
torch.save({"state_dict": best_state,
            "class_to_idx": train_ds.class_to_idx,
            "num_classes": num_classes}, "best_leaf_model.pth")
print(f"最优验证准确率: {best_acc:.3f},模型已保存")

参数选择与结果判读

迁移学习的效果高度依赖几个关键设置,下表给出本案例的推荐取值与调整依据:

参数推荐值作用与调整依据
输入尺寸224×224与 ImageNet 预训练一致,避免特征分布偏移
阶段一学习率1e-3分类头随机初始化,需要较大步长快速收敛
阶段二学习率1e-4微调已训练层,过大易破坏预训练特征
解冻范围layer4 + fc样本少时只解冻顶层,降低过拟合
Dropout0.3抑制分类头过拟合,样本更少可增至 0.5
Batch size32显存不足时降至 16,并同步略降学习率
判读要点:若训练准确率持续上升而验证准确率停滞或下降,说明过拟合,应加强增强、增大 Dropout 或减少解冻层;若两者都低,说明欠拟合,可提高学习率或延长阶段一训练。验证集准确率用于选择最优权重,混淆矩阵用于定位易混淆的病害类别(如早疫病与晚疫病)。
注意:验证集只做缩放与中心裁剪,不得使用随机增强,否则评估结果不稳定;类别索引映射必须与模型一同保存,部署时按同一顺序解析输出,避免类别错位。