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Modelo para la reconstrucción hiperespectral a partir de imágenes RGB en agricultura de precisión

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2025-11-10

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Universidad Distrital Francisco José de Caldas

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Unigarro Diaz, Christian Jose (2025). Modelo para la reconstrucción hiperespectral a partir de imágenes RGB en agricultura de precisión. Universidad Distrital Francisco José de Caldas. https://hdl.handle.net/11349/101544

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Resumen

Near-infrared (NIR) imagery is essential for vegetation monitoring; however, capturing NIR typically requires specialized cameras, increasing costs in precision agriculture. This work presents a comparative analysis of five deep learning models for reconstructing the NIR band from RGB images: HSCNN-D, SR-UNet, SRAWAN, SRBFWU-Net, and a cGAN. All models were trained and evaluated on a common dataset of paired RGB-NIR agricultural images, with performance assessed using RMSE, MRAE, MAE, PSNR, and NDVI accuracy. Our results show that SRBFWU-Net achieved the best reconstruction fidelity, obtaining the lowest errors (MRAE 0.40092, RMSE 0.13157, MAE 0.10706) and highest PSNR (17.65 dB), along with NDVI consistency (NDVI MAE 0.17121; low Pearson R values across models indicate limited fine-grained correlation). HSCNN-D followed closely, demonstrating robust performance through its deep dense architecture. On the one hand, SR-UNet presented an appropriate balance between simplicity and effectiveness. On the other hand, SRAWAN and cGAN presented higher errors despite their complex designs. These results show that using deep learning to reconstruct near-infrared (NIR) data from RGB images is a viable method for producing accurate NDVI maps. This approach aims to facilitate low-cost crop monitoring using standard cameras. In addition, it provides recommendations for selecting models based on different factors such as accuracy, efficiency, and practical deployment considerations in precision agriculture.

Descripción

Las imágenes del infrarrojo cercano (NIR) son esenciales para el monitoreo de la vegetación; sin embargo, capturar NIR típicamente requiere cámaras especializadas, lo que incrementa los costos en la agricultura de precisión. Este trabajo presenta un análisis comparativo de cinco modelos de aprendizaje profundo para reconstruir la banda NIR a partir de imágenes RGB: HSCNN-D, SR-UNet, SRAWAN, SRBFWU-Net y una cGAN. Todos los modelos fueron entrenados y evaluados en un conjunto de datos común de imágenes agrícolas emparejadas en RGB-NIR, y el rendimiento se evaluó utilizando RMSE, MRAE, MAE, PSNR y la precisión del NDVI. Nuestros resultados muestran que SRBFWU-Net logró la mejor fidelidad de reconstrucción, obteniendo los errores más bajos (MRAE 0.40092, RMSE 0.13157, MAE 0.10706) y el PSNR más alto (17.65 dB), junto con una consistencia en el NDVI (NDVI MAE 0.17121; los bajos valores de R de Pearson en todos los modelos indican una correlación detallada limitada). HSCNN-D le siguió de cerca, demostrando un rendimiento sólido a través de su arquitectura densa y profunda. Por un lado, SR-UNet presentó un equilibrio adecuado entre simplicidad y efectividad. Por otro lado, SRAWAN y cGAN presentaron errores más altos a pesar de sus complejos diseños. Estos resultados demuestran que el uso de aprendizaje profundo para reconstruir datos de infrarrojo cercano (NIR) a partir de imágenes RGB es un método viable para producir mapas de NDVI precisos. Este enfoque tiene como objetivo facilitar el monitoreo de cultivos a bajo costo utilizando cámaras estándar. Además, proporciona recomendaciones para la selección de modelos basadas en diferentes factores como la precisión, la eficiencia y consideraciones prácticas de despliegue en la agricultura de precisión.

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