I nte rna t io na l J o urna l o f   I nfo rm a t ics a nd   Co m m un ica t io n T ec hn o lo g y   ( I J - I CT )   Vo l.  15 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 26 ,   p p .   1 3 6 4 ~ 1 3 7 5   I SS N:  2252 - 8 7 7 6 ,  DOI :  1 0 . 1 1 5 9 1 /iji ct . v15 i 3 . pp 1 3 6 4 - 1 3 7 5          1364       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij ict. ia esco r e. co m   Explain a ble AI - b a sed hy brid  G NN - M LP mo del  for s trawberry   fruit  disea se de tec tion usin g  hypers pectral ima g ing       Va rsh a   K ira n B ho s a le 1, 2 ,   Ch in - Sh iu h Shi e h 1   1 D e p a r t me n t   o f   El e c t r o n i c   E n g i n e e r i n g ,   N a t i o n a l   K a o h si u n g   U n i v e r si t y   o f   S c i e n c e   a n d   T e c h n o l o g y ,   K a o h si u n g   C i t y ,   Ta i w a n   2 D e p a r t me n t   o f   C o m p u t e r   S c i e n c e   a n d   E n g i n e e r i n g ,   D n y a n s h r e e   I n st i t u t e   o f   En g i n e e r i n g   a n d   Te c h n o l o g y ,   S a t a r a ,   I n d i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u l 1 6 ,   2 0 2 5   R ev is ed   Ma y   2 5 ,   2 0 2 6   Acc ep ted   J u l 5 ,   2 0 2 6       S traw b e rries   a re   se v e re ly   a ffe c t e d   b y   t h e   m a in   fu n g a l  d ise a se s  su c h   a s   a n th ra c n o se   fr u it   r o t,   g re y   m o u ld ,   a n d   p o wd e ry   m il d e w,  d irec tl y   re d u c in g   c o m m e rc ial  y ield   a n d   p o st - h a rv e st  q u a li t y .   In   th is  p a p e r,   we   p ro p o se   a n   e n h a n c e d   h y b ri d   d e e p - lea rn in g   m e th o d   b y   c o m b i n in g   g ra p h   n e u ra l   n e two r k s   (G NN s)  a n d   m u lt i - lay e r   p e rc e p tr o n s  ( M LP s)   fo r   e ffe c ti v e   stra wb e rry   d ise a s e  d e tec ti o n   in   re a l  e n v ir o n m e n ts   o f  fiel d s.  T h is  d a tas e t  c o n tai n s  ima g e s   a c q u ired   fr o m   b o t h   p u b li c   d o m a in   re p o sit o ries   a s  we ll   a s  fa rm   o p e ra ti o n a l   se tt in g s,  e n c o m p a ss in g   th re e   c l a ss e s  o f  d ise a se s  with   v a ry i n g   li g h ti n g   c o n d i ti o n s,  b a c k g ro u n d   n o ise ,   a n d   o c c l u sio n .   A  str u c tu re d   p re - p ro c e ss in g   wo rk fl o w  c o m p risi n g   c o n tras t   e n h a n c e m e n t,   d e n o isin g ,   a n d   sy n t h e ti c   h y p e rs p e c tral  sim u latio n   is  u se d   t o   e n h a n c e   su b tl e   les io n   fe a tu re s  a n d   sta b il ize   th e   su b se q u e n t  fe a tu re   e x trac ti o n .   T h e   h y b ri d   GN N – M L P   fra m e wo rk   p o ss e ss e s   th e   m e rit s  o f  sp a ti a ll y   l o c a l  les io n   to p o lo g y   a n d   two - p o i n t  c o n tex t u a l  i n fo rm a ti o n ,   wh ich   c a n   imp r o v e   d ise a se   c las sifica ti o n   c o m p a re d   with   c o m m o n   CNN - b a se d   stru c tu re s.   5 - f o ld   c ro ss - v a li d a ti o n   sh o ws   t h a t  t h e   m o d e l   h o l d s  9 3 . 5 9 %   a c c u ra c y   a n d   a   m a c r o   F 1 - sc o re   o f   9 0 . 3 9 % ,   s h o wi n g   g o o d   g e n e ra li z a ti o n   e v e n   wit h   h e tero g e n e o u s  i n p u t   re g ime s.  Tran sp a re n t   m o d e ls  u se   l o c a l  i n terp re tab le   m o d e l - a g n o stic   e x p lan a ti o n s  (LI M E)  a n d   g ra d ien t - we ig h ted   c las s  a c ti v a ti o n   m a p p i n g   (G ra d - CAM)  in   c o m b i n a ti o n ,   h ig h li g h ti n g   d ise a se - re lev a n t  a re a s  th a t  g iv e   a n   in terp re tab le   ra ti o n a le  fo r   e a c h   p re d ictio n .   To   c o n c lu d e ,   t h e   d e v e lo p e d   sy ste m   o ffe rs  a n   a c c u ra te  a n d   e x p lain a b le  so l u ti o n   th a t  h a s  a   c o m p u tati o n a ll y   e fficie n t   c o m m it m e n t  fo r   re a l - ti m e   m o n it o ri n g   o f   d ise a se   in   sm a rt  a g r icu lt u re   se tt i n g s,  p a rti c u larly   o n   l o w - c o st   h a r d wa re   a ss e ts.   K ey w o r d s :   Dee p   l ea r n in g   E x p lain ab le  AI   Gr ap h   n e u r al  n etwo r k   Hy p er s p ec tr al  im ag in g   I m ag e  class if icatio n   MLP   Sm ar t f ar m in g   Stra wb er r y   d is ea s es   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Var s h a  Kir an   B h o s ale   Dep ar tm en t o f   C o m p u ter   Scie n ce   an d   E n g in ee r in g ,   D n y an s h r ee   I n s titu te  o f   E n g in ee r i n g   an d   T ec h n o lo g y   A/P So n v ad i - Gajv ad i,  Sajjan g ad   R o ad ,   Satar a  4 1 5 0 1 3 ,   Satar a,   I n d ia   E m ail:  v k b h o s ale2 1 @ g m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N   Stra wb er r y   ( F r a g a r ia   ×  a n a n a s s a   L . )   is   am o n g   th e  m o s t  ec o n o m ically   im p o r tan t  h o r ticu l tu r al  cr o p s   b ec au s e  o f   its   h ig h   n u tr ien t   co n ten t,  attr ac tiv e   f lav o r ,   a n d   s tr o n g   g lo b al  m ar k et  d e m an d .   Nev e r th eless ,     f u n g al  p ath o g en s   s tr o n g ly   lim it  ab s cisi c  ac id   ( AB A)   p r o d u ctio n   a n d   B o tr ytis   cin erea     ( th e  ca u s al  ag en t  o f   g r e y   mo u ld )   ac co u n ts   f o r   u p   to   5 0 %  o f   p r e -   an d   p o s th ar v est  lo s s e s   wo r ld wid e  u n d er   f av o u r ab le   e n v ir o n m en tal  co n d itio n s   [ 1 ] .  T h is   lo s s   is   ec o n o m ically   d e v astatin g   f o r   f ar m er s ,     esp ec ially   s m allh o ld er s   wh o   d o   n o t   h av e   ad v an ce d   cr o p - m o n ito r in g   s y s tem s   in   p lace .   Acc o r d in g ly ,     s ca lab le ,   ea r ly - s tag e ,   a n d   ac cu r ate  d is ea s e  d etec tio n   m eth o d s   ar e   in c r ea s in g ly   im p er ativ e   in   m o d e r n   p r ec is io n   ag r icu ltu r e.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J I n f   &   C o m m u n   T ec h n o l     I SS N:   2252 - 8 7 7 6       E xp la in a b le  A I - b a s ed   h yb r id   GN N - ML P   mo d el  fo r   s tr a w b err y  fr u it  d is ea s e   … ( V a r s h a   K i r a n   B h o s a le )   1365   C o m b in in g   h y p er s p ec tr al  im a g in g   with   m ac h i n e  lear n in g   ap p r o ac h es o f f e r s   a  n o v el   m eth o d   f o r   ea r ly   d etec tio n   o f   s tr awb er r y   d is ea s es  b y   id en tify in g   s p ec tr al  alter atio n s   o cc u r r in g   b ef o r e  v is ib le  s y m p to m s   [ 2 ] .  Dee p   co n v o lu tio n al  n eu r al  n et wo r k s   ( C NNs)  h av e  also   b ee n   ap p lied   to   m u ltip le  p lan t - d is e ase  clas s es  an d   can   ac h iev e   s tate - of - th e - ar t r esu lts   with   co n v en tio n al  im ag e - b ase d   d iag n o s is   [ 3 ] .   As a  r esu lt,  ar tific ial  in tellig en ce   ( AI )   an d ,   r elate d ly ,   d ee p   lea r n in g   ar e   b ei n g   u s ed   m o r e   wid ely   f o r   cr o p - h ea lth   m o n ito r i n g   a n d   co n tr ib u tin g   to   ag r icu ltu r al   d ec is io n - s u p p o r t   s y s tem s .   Fer en tin o s   [ 4 ]   illu s tr ated   th at  d ee p   lear n in g   ca n   b e  ex tr em ely   u s ef u l   i n   id en tify in g   p lan t  d is ea s es  f o r   m an y   d if f e r en t  cr o p s   wh ile  s h o win g   th e  lim itatio n s   a n d   ad v an tag es  o f   tr ad itio n al  tech n iq u es u s ed   in   p lan t - d is ea s e  id en tific atio n .   AI   h as  also   b ee n   in teg r ated   in to   au to m ated   p lan t - d is ea s e  d etec tio n   p ip elin es  [ 5 ]   an d   d ep lo y ed   in   r ea l - tim e  m o b ile  s y s tem s   to   m o n ito r   s tr awb er r y   d is ea s es  in   o p en - f ield   co n d itio n s   [ 6 ] .   Alth o u g h   t h ese  ad v an ce s   allo w   th e  i d en tific atio n   a n d   a n aly s is   o f   d is ea s e  n et wo r k s   in   estab lis h ed   an d   r ela p s ed   h ae m ato lo g ical  m alig n an cies,  d is ea s e  d etec ti o n   at  t h o s e  ea r ly   s tag es  r em ain s   ch allen g in g ,   p a r ticu lar ly   u n d e r   u n co n tr o lled   im ag in g   c o n d itio n s .   C o n v e n tio n al  d i g ital  im ag e - p r o ce s s in g   tech n iq u es  g en e r ally   d o   n o t  p er f o r m   well  d u e  t o   v ar y in g   illu m in atio n ,   b ac k g r o u n d   cl u tter ,   an d   s en s o r   n o is e  [ 7 ] ,   an d   tr a d itio n al  co m p u ter - v is io n   p ip elin es  m ay   b e  less   r o b u s t f o r   f ield - s ca le  d ep lo y m en t  [ 8 ] .   Deep - lear n in g   a r ch itectu r es  th at  en ab le   h ier ar c h ical  tr ain in g   o f   th e  n etwo r k   h a v e  b ee n   p r o p o s ed   to   o v er co m e   th ese  lim itatio n s .   Fo r   in ter p r eta b le  d is ea s e  d iag n o s is   in   cr o p s   lik e  s o y b ea n ,   h y b r id   C NN – g r ap h   n eu r al  n etwo r k   ( GNN)   m o d els  h av e  b ee n   s tu d ied   [ 9 ] ,   an d   tr an s f o r m er - b ased   v is io n   m o d els  o f f er   a  s tr o n g   f ea tu r e - ex tr ac tio n   ca p ab ilit y   f o r   d ietar y   im a g es  u s ed   in   a g r icu l tu r al  a p p licatio n s   [ 1 0 ] .   I n   th e  c o n tex t  o f   s tr awb er r y   r esear ch ,   m o r e  d etec t - o n ly   YOL Ov 8 - b ased   p est  an d   d is ea s e  d etec t io n   m eth o d s   h av e  b ee n   estab lis h ed .   He   et  a l.   [ 1 1 ]   p r o p o s ed   th e  KT D - YOL Ov 8   m o d el,   wh er e  KT D  s tan d s   f o r   Ker n elW ar eh o u s e  co n v o l u tio n   +  tr ip let  atten tio n   +  m u lti - tem p late  b r an ch   b l o ck   s h ar in g   h ea d .   C lass ical  C NN - b ased   s y s tem s   also   r em ain   u s ef u l f o r   s tr awb e r r y   d is ea s e  d etec tio n   u n d er   s em i - co n tr o lled   an d   f ield   co n d itio n s   [ 1 2 ] .   Fu r th er m o r e ,   r at h er   t h an   s im p le  ca teg o r i s atio n   ( f r o m   wh i ch   C NN - b ased   n etwo r k s   in   f ac t  d o   n o t   o f f er   a   co m p etitiv e  ad v a n tag e ) ,   m o r e  s o p h is ticated   d ee p   n etwo r k   ar c h itectu r es  h av e   b ee n   ap p lied   to   p r e v en t   d eg r ad atio n   o f   d etec to r   p er f o r m an ce   with   r esp ec t  t o   d o m ain - s p ec if ic   d is to r tio n s   s u ch   as  o cc lu s io n   an d   b ac k g r o u n d   clu tter   [ 1 3 ] .   Fo r   s tr awb er r y   leaf   d is ea s e  id e n tific atio n ,   in ter p r etab le  an d   lig h tweig h t  d ee p   lear n in g   p ip elin es h a v e  b ee n   d esig n ed   to   en h an ce   p r o ce s s in g   p er f o r m an ce   o n   e d g e - c o m p u t in g   d ev ices a s   well  [ 1 4 ] .  M o r e  g en er al ly ,   th e  ev o lu tio n   o f   p lan t  p h en o ty p in g ,   s u ch   as  3 D  r ec o n s tr u ctio n ,   tr ait  m o d ellin g ,   an d   s p atial  f ea tu r e  u n d er s tan d in g ,   h ig h lig h ts   th at  m o r e  ad v a n ce d   d ata  r ep r esen tatio n s   ar e   b ec o m in g   m o r e   p r o m in e n t   in   th e  f i eld   o f   c r o p   h ea lth   [ 1 5 ] .   Similar ly ,   s en s o r   f u s io n   an d   AI - en ab le d   an aly tics   h av e  m ad e     tr ee - cr o p   s m ar t  s p r ay e r s   f ar   s m ar ter ,   with   h ig h - lev el  d e m o n s tr atio n s   s h o win g   h o w  th ese  s m ar t  m o d els  p r o v id e   a  p r ac tical  s o lu tio n s   f o r   d is ea s e  m an ag em e n t a t th e  f ar m   lev el  [ 1 6 ] .   E x p lai n ab le   ar tific ial  in tellig en ce   ( XAI )   h as  e m er g e d   to   clar if y   h o w   m o d el  in p u ts   in f lu en ce   p r ed ictio n s .   L o ca l  in ter p r etab l e  m o d el - ag n o s tic  ex p lan atio n s   ( L I ME )   p r o v i d e  in s tan ce - le v el  ex p lan atio n s   b y   id en tify in g   im a g e  r e g io n s   t h at  in f lu en ce   a  class if ier 's  o u tp u t  [ 1 7 ] .   I n   a g r icu ltu r al   d is ea s e  d etec tio n ,     m ac h in e - lear n i n g   m o d els  h a v e  also   b ee n   ev alu ated   o n   cu s t omi s ed   d atasets   to   ex am in e  th eir   p r ac tical   p er f o r m an ce   a n d   d e p lo y m en t  lim itatio n s   [ 1 8 ] .   C o m p r eh en s iv e  r ev iews  o f   d ee p   lear n in g   in   ag r icu ltu r e   co n tin u e  to   em p h asi s e  th e  n ee d   f o r   s ca lab le,   r o b u s t,  an d   in ter p r etab le  ap p r o ac h es  to   d is ea s e  d etec tio n     an d   cr o p   m o n ito r in g   [ 1 9 ] .   On g o in g   ef f o r ts   to   cr ea te   m o d els  th at  o p er ate  e f f icien tly   wit h   lim ited   r eso u r ce s   ar e  o u tlin ed   in   [ 2 0 ]   th r o u g h   co m p a r ativ e  s tu d ies  o f   s tr ateg ies  f o r   f in e - tu n in g   f o r   p lan t - d is ea s e  r ec o g n itio n   an d   in   [ 2 1 ]   th r o u g h   th e   d esig n   of   lig h tweig h t  atten ti o n - b ased   C NNs.  XAI   is   also   b e co m i n g   in cr ea s in g ly   s ig n i f ican t  in   p r ec is io n   ag r icu ltu r e,   as  f ar m er s   an d   ag r icu ltu r al  in d u s tr y   p lay e r s   r eq u ir e  tr a n s p ar en t  au t o m at ed   d ec is io n - s u p p o r t   s y s tem s   [ 2 2 ] .   Nev er th eless ,   s t an d ar d   d ata - d r iv e n   tech n iq u es  co n tin u e  to   p e r f o r m   well  as  b aselin es  f o r   p lan t - d is ea s e  class if icat io n   [ 2 3 ] ,   wh ils t  m o r e  in - d ep th   s tu d y   o f   d ee p - lear n i n g   m eth o d s   f o r   p lan t   p h e n o ty p i n g   u n co v e r s   th e  p o te n tial o f   ad v a n ce d   f ea tu r e  lear n in g   with in   a g r icu ltu r al  d o m ain s   [ 2 4 ] .   I n   ad d itio n   to   p lan t  an d   d is ea s e  clas s if icatio n ,   d ee p - lear n i n g   tech n iq u es  h av e  b ee n   s u g g ested   f o r   p lan t - d is ea s e  s ev er ity   esti m atio n   [ 2 5 ]   o r   d etec tin g   b io ti c  s tr ess   in   d if f er en t  g r o wth   co n d itio n s   [ 2 6 ] .    Mo r e  co m p r eh en s iv e  r e v iews o f   d ee p   lea r n in g   ap p licatio n s   i n   ag r icu ltu r e   [ 2 0 ]   co n tin u e   to   em p h asi s e  th e  n ee d   f o r   g en er aliza b le,   s ca lab le ,   an d   r o b u s t  AI   s y s tem s   th at  ar e  ca p a b le  o f   d ep l o y m e n t  in to   r ea l  f ield   en v ir o n m en ts .   T o   ad d r ess   th ese  ch allen g es,  th is   p a p er   p r esen ts   a  GNN – ML P  h y b r id   ar ch itectu r e   f o r   class if icatio n   o f   d if f er en t  ty p es  o f   s tr awb er r y   d is ea s es  b ased   o n   f ar m - r ea lis tic   im ag es.  T h e  m o d el   in co r p o r ates  th e  f o llo win g   elem en ts :  i)   co n tr ast  n o r m al i s atio n   to   m itig ate  illu m in at io n   v ar ia b ilit y ;  ii)  Gau s s ian   d en o is in g   to   f ilter   o u t  b ac k g r o u n d   n o is e;  iii)  s y n th etic  h y p er s p ec tr al  s im u la tio n   f o r   en r ich in g   d is ea s e - in d icativ e   in f o r m atio n ;  iv )   g r ap h - b ased   r ea s o n in g   to   m o d el  r elatio n s   b etwe en   lesi o n   to p o lo g y   an d   s tr u ctu r e;  v )   ML P - b ased   s em an tic  f u s io n   o f   v is u al  atten tio n   m ap s ;  an d   v i)   XAI   m o d u les ,   s p ec if ical ly   L I ME   an d   Gr ad ien t - weig h te d   C lass   Activ atio n   Ma p p in g   ( Gr a d - C AM ) ,   ca p ab le  o f   g en e r atin g   h u m an - in ter p r etab le   b io lo g ical  d ec is io n   m ap s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 7 6   I n t J  I n f   &   C o m m u n   T ec h n o l ,   Vo l.  15 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 26 :  1 3 6 4 - 1 3 7 5   1366   T o   th is   en d ,   we  p r o p o s e  a  k n o wled g e - b ased   d is ea s e - d iag n o s is   p ip elin e  th at  is   co m p ac t  an d   u s ab le   ac r o s s   h eter o g en e o u s   ag r i cu ltu r al  en v ir o n m e n ts   an d   e d g e - c o m p u tin g   p latf o r m s   wh ile  en s u r in g   c o m p u tatio n al   ef f icien cy ;  th u s ,   p r esen tin g   an   en d - to - en d   a u to m atic  p e s t  p ath o g en   d etec tio n   s o lu tio n   t h at   is   r o b u s t,     ce r tain ,   an d   in ter p r eta b le.   T h e   r est  o f   th e  m an u s cr ip t  is   o r g an i s ed   as  f o llo ws:   b ac k g r o u n d   liter atu r e  o n   p lan t  d is ea s e  d etec tio n ,   h y p er s p e ctr al  m eth o d s ,   an d   g r ap h - b ased   m o d elin g   a r e  r ev ie wed   in   Sectio n   2 ,     m eth o d s   d escr ip tio n   is   in   Sectio n   3 ,   th e  ex p e r im en tal  r esu lts   in   Sectio n   4 ,   f o llo wed   b y   d i s cu s s io n   in   Sectio n   5 ,   an d   t h e  co n clu s io n   in   Sectio n   6 .       2.   RE L AT E D  WO RK   E ar ly   p lan t - d is ea s e  d etec tio n   m eth o d s   u s ed   h an d cr af ted   c o lo u r ,   te x tu r e,   a n d   s h a p e  f ea tu r es  with   class if ier s   s u ch   as  s u p p o r t  v ec to r   m ac h in es  ( SVMs),   r an d o m   f o r ests   ( R F s ) ,   an d   k - n ea r est   n eig h b o u r s   ( k - NN)   [ 8 ] .   T h eir   p er f o r m a n ce   o f ten   d ec l in es  in   r ea l - wo r ld   co n d iti o n s   b ec au s e  o f   illu m in atio n   ch an g es,  b ac k g r o u n d   clu tter ,   an d   s en s o r   n o is e   [7 ] ,   [ 1 9 ] .  T h is   is   s im ilar   to   h ier ar ch ical  f ea tu r e  ex tr ac tio n ,   wh ich   y o u   ca n   tak e   ad v an tag e   o f   with   d ee p   lear n in g   a n d   co n v o lu tio n al  n e u r a l  n etwo r k s   ( C NNs)   ca n   tak e   ad v a n tag e  o f   with   r esp ec t   to   m u lti - cr o p   d is ea s e  class if icatio n ;   Fer en tin o s   [ 4 ]   h ig h lig h ted   th at  th is   task   co u l d   tr iv ially   b e  s o lv ed   by  one - vs - all - b ased   class if ier   en s em b les  ( r ev is itin g   th e  ea r ly   1 9 9 0 s ) .   At  th e  s am e  tim e,   L iu   an d   W an g   [ 5 ]   p r esen ted   a  r ev iew  o n   d ee p - le ar n in g   me th o d s   f o r   v ar io u s   p l an t - d is ea s e  an d   p est  d etec tio n   u s e  c ases .   Ma h m u d   et  a l.   [ 6 ]   p r o p o s ed   a  m o b ile   m ac h in e - v is io n   s y s tem   to   i d en tify   s tr awb er r y   p o wd er y   m ild ew  in   r ea l  tim e.   L o n g - r an g e   v is u al  f ea tu r e   m o d ellin g   is   also   s u p p o r ted   b y   tr an s f o r m er - b ased   m o d els  [ 1 0 ] .   B u t   g r id - b ased   C NNs   an d   tr an s f o r m er s   m ay   n o t  ex p licitly   m o d el  ir r eg u lar   r elatio n s h ip s   b etwe en   lesi o n s .   T o   o v er co m e  th is   lim itatio n ,   GNNs  r ep r esen t  lesi o n   r eg i o n s   as  g r a p h   a n d   t h eir   s p atial  r elatio n s h ip   as  ed g es  [ 9 ] ,   [ 2 7 ] .   T h er e f o r e,   h y b r id   C NN – GNN  s tr u ctu r es  ca n   in teg r ate  lo ca l  tex tu r e  f ea tu r es  with   r elatio n al  in f o r m atio n   an d   en h an ce   th eir   r o b u s tn ess   u n d er   h ete r o g en eo u s   f ield   c o n d itio n s   o f   th e  f ield   [ 9 ] .   Hy p er s p ec tr al  a n d   m u ltis p e ctr al  im ag in g   ar e   u s ed   b ec a u s e  t h ey   allo w   an   ea r ly   d iag n o s is   o f   d is ea s e s   b y   v is u ali s in g   th e  f ir s t  b io ch em ical  ch an g es  b ef o r e  v is ib le  s y m p to m s   b ec o m e  o b v io u s .   J ian g   et  a l.   [ 2 ] ,   u s in g   m ac h in e  lear n i n g   a n d   s p ec tr al   f in g er p r in t  f ea t u r es,  s h o wed   th at  h y p e r s p ec tr al  im ag in g   is   a n   ef f ec tiv e  t o o l  f o r   ea r ly   id e n tific atio n   o f   s tr awb er r y   lea f   d is ea s es.  Du e   to   t h e  c o s t - p r o h ib itiv e   n atu r e  a n d   s en s itiv ity   o f   d ed icate d   hype r s p ec tr al  eq u ip m en t  to   a cq u is itio n   co n d itio n s ,   co m p u t atio n al  s p ec tr al  s u r r o g ate  m eth o d s   d er iv ed   f r o m   R GB   im ag es  m ay   p r o v id e   a  p r ac tical  alter n ativ e.   An o t h er   p r o b lem   is   th e   d iv er s ity   o f   th e   d atasets :  lab - s ty le   d atasets   ca n   d r iv e   m o d el  d ev elo p m en t  b u t  ar e  n o t  n ec ess ar ily   r ep r esen tativ e  o f   f ield   co n d itio n s ,   wh ich   ar e   o f ten   ch a r ac ter i s ed   b y   im b ala n ce ,   o cc lu s io n ,   an d   b ac k g r o u n d   clu tter   [ 7 ] ,   [ 1 9 ] ,   [ 2 3 ] .   E x p lain ab ilit y   m eth o d s   s u ch   as  L I ME   [ 1 7 ] ,   SHap le y   ad d itiv e  e x Plan atio n s   ( SHAP),   an d   Gr ad - C AM   ca n   also   g en er ate  v is u al   ev id en ce   o f   m o d el  d ec is io n s ;  h o wev er ,   in   s tr awb er r y   d is ea s e  r esear ch ,   ex p lain ab ilit y   h as  n o t  b ee n   f u lly   em p lo y ed   [ 2 2 ] .   R ec en t  d ev elo p m en ts   in   th e  i n ter n et  o f   th i n g s   ( I o T ) ,   u n cr e w ed   ae r ial  v eh icle  ( UAV)   im ag in g ,   an d   ed g e  AI   h a v e  ex p an d e d   t h e  p o s s ib ilit ie s   f o r   s ca lab le   cr o p   s u r v eillan ce .   Mo h an t y   et   a l.   [ 2 3 ]   d e m o n s tr ated   th e   ef f ec tiv en ess   o f   d ee p   lear n in g   f o r   lar g e - s ca le  im ag e - b ased   p lan t - d is ea s e  d etec tio n ,   wh il e  Sin g h   et  a l.   [ 2 4 ]   em p h asi s ed   its   im p o r tan ce   f o r   h ig h - th r o u g h p u t  p lan t  p h en o ty p in g .   L ig h tweig h t  d is ea s e - s ev er ity   esti m atio n   m eth o d s   h a v e  also   b ee n   d ev e lo p ed   f o r   p r ac tical  f ield   ap p li ca tio n s   [ 2 5 ] .   Stra wb er r y - f o cu s ed   s tu d ies  in clu d e   im p r o v e d   YOL Ov 8   m o d els   [ 2 8 ] ,   KT D - YOL Ov 8   d is ea s e  d etec tio n   [ 1 1 ] ,   C NN - b ased   d et ec tio n   s y s tem s   [ 4 ] ,   [ 6 ] ,   [ 1 2 ] ,   an d   lig h tweig h t  i n ter p r etab le  d is ea s e - r ec o g n itio n   ap p r o ac h es  [ 1 4 ] .   Oth er   r elat ed   wo r k   in clu d es   g r ap h - b ased   p la n t  s p ec ies  class if icatio n   [ 2 8 ] ,   YOL Ov 5 - b a s ed   h o r ticu ltu r al  p h e n o ty p in g   [ 2 8 ] ,   d u al - b r a n c h   cr o p - d is ea s e  r ec o g n itio n   [ 2 8 ] ,   s atellite  tim e - s er ie s   atten tio n   m o d els  [ 2 8 ] ,   s p ec tr al - s p atia l  S iam ese  C NN s   [ 2 8 ] ,   an d   lig h tweig h t Y OL Ov 5   s tr awb er r y   d etec t o r s   [ 2 8 ] .   C o llectiv ely ,   p r io r   liter atu r e   r ev ea ls   p er s is ten t  lim itatio n s :   i )   in s u f f icien t  i n ter p r et ab ilit y   in     h ig h - p e r f o r m in g   m o d els;   ii)   r ed u ce d   r o b u s tn ess   u n d er   u n co n tr o lled   f ield   c o n d itio n s ;   i ii)   in ad eq u ate   m o d ellin g   o f   r elatio n al  lesi o n   s tr u ctu r e;   iv )   lack   o f   u n if ied   s p ec tr al - en h an ce d   an d   g r ap h - b ased   ex p lain ab le   p ip elin es;   v)   d o m ain - s h if t - d r iv en   g en e r ali s atio n   f ailu r es.   T h ese  g ap s   m o tiv ate  in t eg r atin g   s y n th etic   h y p er s p ec tr al  en h an ce m e n t,  GNN - b ased   r elatio n al  m o d ell in g ,   an d   XAI   in to   a  u n if ied ,   r o b u s t  s tr awb er r y - d is ea s e  d etec tio n   f r am ewo r k .         3.   M E T H O D   I n   th is   wo r k ,   we  p r o p o s e  a  h y b r id   d ee p   lear n in g   m eth o d   th at  co m b in es  GNNs  an d   Mu lti - L ay er   Per ce p tr o n s   ( ML Ps )   f o r   au t o m ated   d etec ti o n   o f   s tr awb e r r y   f r u it  d is ea s es.  T h e  m o d el  ai m s   ex p licitly   at  th r ee   co m m o n l y   o cc u r r in g   a n d   ec o n o m ically   im p o r tan t  d is ea s es :   an th r ac n o s e  f r u it  r o t,  g r ey   mo u ld ,   an d   p o wd er y   m ild ew ,   all  o f   wh ic h   v is u ally   r esem b le   ea ch   o th er   to   s o m e  ex ten t   u n d er   u n c o n tr o lle d   f ar m   c o n d itio n s .     T h eir   m o r p h o lo g y   is   af f ec ted   b y   en v ir o n m e n tal  co n d itio n s ,   lig h t  q u ality ,   ir r ig atio n   lev els ,   as  well  as  cu ltiv ar   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J I n f   &   C o m m u n   T ec h n o l     I SS N:   2252 - 8 7 7 6       E xp la in a b le  A I - b a s ed   h yb r id   GN N - ML P   mo d el  fo r   s tr a w b err y  fr u it  d is ea s e   … ( V a r s h a   K i r a n   B h o s a le )   1367   an d   f r u it  r ip e n in g   s tag e.   T h e r e b y ,   m a n u al  c h ec k in g   is   u n r eliab le,   illo g ical ,   a n d   tim e - c o n s u m in g ,   esp ec ially   o n   lar g e - s ca le  p r o d u ctio n   s y s tem s   [ 1 ] ,   [ 1 9 ] .   T h e  id ea   o f   th e   p r o p o s ed   m et h o d   is   t o   tak e   ad v an ta g e   o f   b o t h   th e   s p atial  s tr u ctu r al   lear n i n g   ab ilit y   o f   GNNs   an d   th e  s em an tic  ab s tr ac tio n   ab ilit y   of   MLP s .   GNNs  ca p tu r e  s p atial  lesi o n   t o p o lo g y ,   ad jace n cy   p atter n s ,   an d   c r o s s - r eg io n   co n tex tu al  r elatio n s h ip s ,   wh ile  ML Ps   u s e  p o o led   f ea tu r es  f o r   p o wer f u l  g l o b al   d is cr im in atio n .   T h is   d u al - lea r n in g   d ef i n itio n   is   well  ad ap ted   f o r   th e  a g r icu ltu r al  im ag e s   wh er e   s y m p to m s   r an d o m l y   h ap p en   o n   th e  f r u its   with   o cc lu s io n   o r   im ag e  n o is e  [ 4 ] ,   [ 7 ] .     3 . 1 .     Da t a s et   a cquis it io n a nd   prepro ce s s i ng   An   ad ap tab le  d atab ase  was c r ea ted   f o r   t h e  tr ain in g   an d   v alid atio n   o f   th e   h y b r id   m o d el:   -   Pu b lic - r elea s e  s am p les  ( Plan tVillag e,   Kag g le)   with   clea n   f ield   c o n d itio n   im ag e s   p r o m p tin g     well - co n s tr u cted   an n o tatio n s   [ 8 ] ,   [ 9 ] .   -   Natu r al  f ar m   im ag es  c o llected   u n d er   ex tr em el y   v a r iab le  e n v ir o n m en tal  c o n d itio n s ,   in cl u d in g   u n e v e n   illu m in atio n ,   ca s t sh ad o ws,  d ir t,  cr o p   r esid u es,  leaf   o cc lu s io n s ,   an d   f r u it a t d if f er e n t a n g les   [ 1 0 ] ,   [ 1 1 ] .   -   L ab els :  t r ain ed   p lan t   p ath o l o g is ts   cu r ated   lab els  to   g u ar a n tee  d iag n o s tic  ac cu r ac y   an d   to   elim in ate   am b ig u ities   in   s am p les  [ 1 2 ] .   Usi n g   a  c o m b in atio n   o f   c o n tr o lled   an d   r ea l - f ield   im ag es,  a s   it  in cr ea s es   r o b u s tn ess ,   d ec r ea s es  o v er f itti n g   o n   clea n   b ac k g r o u n d s ,   an d   at  last   it  en s u r es  th at  th e  m o d e l  can   ac tu ally   b e  u s ed   in   f ar m s .     3 . 1 . 1 .   I m a g e   re s izing   All  th e  lesi o n s   ar e  b ein g   r esized   to   2 5 6   ×  2 5 6   in d iv id u al  p i x els,  s o   th eir   wid th   an d   h eig h t  wer e   s et  t o   ac h iev e  th e  co m m o n ly   f o u n d   r eso lu tio n   lim its ,   wh ich   allo w   p r eser v in g   b asic  lesi o n   p r o p e r ties   an d   r ed u cin g   ex ce s s iv e  co m p u tatio n   c o s ts .   T h is   s tan d ar d is at io n :   -   Facilitate s   ef f icien t b atch   tr ain in g .   -   R ed u ce s   GPU/ C PU m em o r y   lo ad .   -   E n s u r es   th at  th e  f ix e d   in p u t la y er s   o f   th e  n eu r al  n etwo r k   a r e  co m p atib le .   -   R ed u ce s   in ter p o latio n   er r o r s   o n   s m all  lesi o n s   ( wh ich   h av e  cl in ical  s ig n if ican ce )   [ 1 4 ] ,   [ 1 5 ] .     3 . 1 . 2 .   Co ntr a s t   enha ncem ent   C o n tr ast - lim ited   ad ap tiv e  h is to g r am   eq u alis atio n   ( C L AHE ) ,   is   a  m eth o d   f o r   co n tr o llin g   n o n - u n if o r m   illu m in atio n   m ec h a n is m s   th at  ca n   b e  p r esen t  in   o p en - f ield   f ar m   en v ir o n m en ts   b ec au s e  o f   d ir ec t  s u n lig h t,   s h ad o win g ,   a n d   a  c o m b in atio n   o f   d if f u s e  lig h t  [ 1 6 ] ,   [ 1 9 ] .   C L AHE :   -   Am p lifie s   f in e - g r ain e d   d am a g es f r eq u en tly   n o t v is ib le  in   t h e   r aw  r ed - g r ee n - b lu e  ( R GB )   im ag es .   -   R ev ea ls   ea r ly - s tag e  in f ec tio n   p atter n s .   -   E n h an ce s   d is cr im in atio n   o f   p a th o lo g ical  tis s u e  f r o m   n o r m al  s k in .   -   Gu ar d s   ag ain s t o v er - im p ac ted   n o is e  ( b y   c o n tr ast lim itin g ) .   -   T h is   en h an ce s   th e  d e f in itio n   o f   lesi o n   m ar g in s ,   f u n g al  p atter n s ,   an d   d is co lo u r ed   a r ea s .     3 . 1 . 3 .   Deno is ing   a nd   s y nthet i c  hy persp ec t ra l sim ula t io n :   A   Gau s s ian   f ilter   is   ap p lied   to   t h e  ca lib r atio n   im a g e,   wh ich   h elp s   ef f ec tiv ely   s u p p r ess   s en s o r   n o is e,   m o tio n   n o is e ,   an d   lo w  lig h t  n o is e  p r esen t  in   th e  f ar m   im ag es  tak en   f r o m   s m ar tp h o n es   [ 1 9 ] .   Den o is in g   is   f o llo wed   b y   a  s y n th etic  h y p er s p ec tr al  tr an s f o r m ,   wh ich   ex p an d s   th e  n u m b er   o f   ch an n els  with   r ich er   in f o r m atio n .   I n s tead   o f   u s in g   ( s till   p r icey )   h y p e r s p ec tr al  c am er as,  th e  ap p r o ac h   c o m p u t atio n ally   g en er ates   ad d itio n al  f r e q u en c y   b a n d s   b y :   -   PC A - b ased   s p ec tr al  p r o jectio n s .   -   Gr ad ien t a n d   te x tu r e  f ilter s .   -   Veg etatio n   s tr ess   in d ices .   -   C o lo u r – f r e q u en c y   d ec o m p o s it io n .   T h ese  s p ec tr al  s u r r o g ates  ca p t u r e  in f o r m atio n   a b o u t   th e  ea r l y   b io c h em ical  c h an g es  i n d u ce d   b y   p at h o g e n s   - a  p h y s io lo g ical  r esp o n s e  wh ich   is   o f ten   in v is ib le  in   R GB   d ata   [ 2 0 ] ,   [ 2 4 ] .     3 . 1 . 4 .   Da t a   pa rt it io nin g   a nd   v a lid a t io n   T h e   r aw  d ata  was  s p lit  in to   3   s ets :   tr ain   ( 7 0 %  o f   th e   d ata) ,   v alid atio n   s et  ( 1 5 %)  a n d   a  test   s et  ( 1 5 %).   T o   d ec r ea s e  t h e  lik elih o o d   o f   a  o n e - class   s p lit,  we  p er f o r m ed   s tr atif ied   s p litt in g   s u c h   th at  ea ch   s u b s et   co n tain ed   all  class es.  To   ac h iev e  g r ea ter   s tat is tical  r o b u s tn ess   an d   p r ev e n t  o v e r - p ar am eter i s atio n ,     5 - f o ld   cr o s s - v alid atio n   [ 1 9 ] ,   [ 2 5 ]   was a ls o   ap p lied   d u r in g   m o d el  tr ain in g   an d   v alid atio n .   I n   all  p ar titi o n s ,   8 0 %   o f   th e  d ata  was  u s ed   f o r   tr ain in g   an d   2 0 %  f o r   v alid atio n   in   a  r o tated   m an n er .   T h ese  ac c u r ac y   m etr ics  wer e   av er ag ed   o v er   th e  f o l d s   to   p r o v id e  g en e r aliza b le  an d   s tab le  esti m ates o f   ac cu r ac y .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 7 6   I n t J  I n f   &   C o m m u n   T ec h n o l ,   Vo l.  15 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 26 :  1 3 6 4 - 1 3 7 5   1368   T h e  d if f er en ces   in   th is   p r ep r o ce s s in g   p ip elin e  an d   th e  d is tr ib u tio n   u s ed   b ef o r e  in jectio n   al l  h elp ed   to   g iv e  th e  GNN - ML P  m o d el  d o wn s tr ea m   “c lean ed ”,   c o n tr ast - en h an ce d ,   an d   in f o r m ativ e  f ea tu r es ,   wh ich   wo u l d   in   tu r n   aid ed   its   lear n in g   o f   f i n e - s ca le  d is ea s e  p atter n s   f o r   s tr awb er r y   f r u its .     3 . 2 .    M o del  des ig n a nd   a rc hite ct ure    T h e  m o d el  is   a  f u s io n   m o d el  b ased   o n   th e  in teg r atio n   o f   GNN s   [ 8 ]   an d   a n   MLP ,   in   wh ich   t h e  s p ec ies  ar e  ca teg o r i s ed   f r o m   lear n ed   s p atial  an d   s em a n tic  em b e d d in g s   s ep ar ately   f o r   m ap p in g .   O u r   m ain   u n d er ly in g   d esig n   p h ilo s o p h y   is   to   en a b le  r o b u s t  s p atio - s em an tic  lear n in g ,   s o   th at  th e  m o d el  will  n o t  o n ly   r ea s o n   a b o u t   th e  v alu es  o f   th e  p ix els  th em s elv es,  b u t  also   ab o u t  th e  s tr u ctu r al  lay o u ts   an d   c o n tex tu al  d is tr ib u tio n s   o f   th e   d is ea s e  s y m p to m s   s p r ea d   o u t   o v er   th e  f r u it su r f ac e.   An   o v er v iew  o f   th e  p r o p o s ed   ar ch itectu r e  is   illu s tr ated   in   Fig u r e  1 ;   t h e  o v e r all  p r o ce d u r e   in clu d es:   -   I n p u t r aw  im ag es o f   i n f ec ted   s am p les o f   s tr awb er r ies with   le s io n s ,   m o u ld   p atc h es ,   o r   n ec r o tic  zo n es.   -   Patch   ex tr ac tio n   an d   b u ild in g   th e  g r ap h .   T h e   i m ag e  is   d iv id ed   in to   s u p er p ix els ;   ea ch   s u p er p ix e l   co r r esp o n d s   to   a  g r ap h   n o d e,   an d   its   n eig h b o u r in g   p atch e s   c o r r esp o n d   to   e d g es,  th u s   r esu ltin g   in   a   R eg io n   Ad jace n cy   Gr a p h   ( R A G) ,   wh ich   in d icate s   th e  lo ca l s p atial  d is tr ib u tio n   o f   lesi o n s   [ 2 7 ] ,   [ 2 8 ] .   -   T h is   lay er ,   t h e  GNN  m o d u le,   is   wh er e  n eig h b o u r in g   n o d es  s h ar e  in f o r m atio n   to   m o d el  p att er n s   o f   lesi o n   ex p an s io n ,   s p atial  s tr u ctu r e   o f   d is o r d er ed   m o r p h o lo g y ,   a n d   ir r eg u lar ities   in   b o r d er s   [ 2 7 ]   -   T h e  ML P m o d u le  m ap s   th e  g lo b ally   ag g r eg ated   GNN  em b e d d in g   t o   class   l ab els   [ 2 5 ] ,   [ 2 6 ] .   -   T h e  f in al  p r ed ictio n ,   co m p r is in g   th e  p r ed icted   d is ea s e  class   an d   its   co n f id e n ce   s co r e.   Ov er all,   th is   h y b r id   s tr u ctu r e   in teg r ates  s p atial  r ea s o n in g   an d   s em an tic  class if icatio n   in to   a  s in g le  lig h tweig h t a r ch itectu r e   s u itab le  f o r   s m ar t - f a r m in g   d ep lo y m en t.           Fig u r e  1 .   B lo ck   d iag r am   o f   th e  p r o p o s ed   h y b r id   GNN – ML P   m o d el  f o r   s tr awb er r y   d is ea s e  class if icatio n       3 . 2 . 1 .   G NN   mo du le   T h e  GNN  m o d u le  is   tailo r e d   t o   ca p tu r e   an d   r etain   s p atial  p a tter n s   o f   d is ea s e - af f ec ted   r eg i o n s .   T o   d o   th is ,   ea ch   in p u t  im ag e  is   f ir s t   d iv id ed   in to   lo ca l  p atch es  o r   s u p er p ix els,   wh ich   r ep r esen t  th e  n o d es   o f   a  g r ap h .   T h e  co n n ec tio n s   b etwe en   n o d es  ar e  co n tr o lled   b y   d is tan ce   ( g eo m etr ic  cl o s en ess ) ,   co lo r   s im il ar ity ,   an d   tex tu r e   co h er en ce .   T h is   r esu lts   in   a   g r ap h - lik e   m o d el   o f   th e   s u r f ac e  o f   ea c h   f r u it,  with   n o d es  ( i.e . ,   clu s ter s )   r ep r esen tin g   s ets  o f   ad jace n t  p ix els  ass ig n ed   to   f ea tu r e  v ec to r s   d escr ib in g   lo ca l  n eig h b o u r h o o d   r e g io n s   an d   ed g es in d icatin g   s p atial  r elatio n s h ip s .   Gr ap h   co n v o l u tio n al  lay e r s   ( GC N s )   ar e  u s ed   to   p r o p ag ate   th ese  f ea tu r es  iter ativ ely ,   t h r o u g h   a   k in d   o f   m ess ag e - p ass in g - b ased   s tr ateg y :  f o r   ea ch   n o d e ,   th e  GC N  ag g r eg ate s   in f o r m atio n   f r o m   i ts   n eig h b o u r s .   T h is   p r o ce s s   h elp s   teac h   th e  m o d e l  h o w  s y m p to m s   m ay   s p r ea d   ac r o s s   th e  s u r f ac e  o f   f r u it  ( t h u s   lear n in g   ab o u t  in ter - p atch   co r r elatio n s ,   lesi o n   b o r d e r s ,   as  well  a s   co - o cc u r r in g   d is ea s e) .   GNNs  ar e  p ar ticu lar ly   well - s u ited   f o r   m o d elin g   th e   n o n - E u clid ea n   s p atial  d ep en d en cies  t h at  co n v en tio n al   C NNs  o f t e n   d o   n o t  ca p tu r e.   Ma th em atica lly ,   th e  f o r war d   p ass   o f   ea ch   g r ap h   lay er   ca n   b e   f o r m u lated   as:     ℎ ( + 1 ) = ( ∑ 1  ∈ ( ) ( ) ℎ ( ) )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J I n f   &   C o m m u n   T ec h n o l     I SS N:   2252 - 8 7 7 6       E xp la in a b le  A I - b a s ed   h yb r id   GN N - ML P   mo d el  fo r   s tr a w b err y  fr u it  d is ea s e   … ( V a r s h a   K i r a n   B h o s a le )   1369   w h er e  h i ( l )   is   th e  f ea tu r e  v ec to r   o f   n o d e  i  at  lay er   1 ,   is   th e  s et  o f   n eig h b o u r in g   n o d es,  ( 1 )   is   th e  weig h t  m atr ix ,      is   th e  n o r m ali s atio n   c o n s tan t,  an d   σ   is   th e  n o n - lin ea r   ac tiv atio n   f u n cti o n .     3 . 2 . 2 .   M L P   m o du le   Af ter   th e  s p atial  f ea tu r es   in   th e  en r ich ed   n o d e  em b ed d i n g s   ar e  ag g r eg ate d   in to   a  f ix ed - s ize  v ec to r ,   th ey   p ass   th r o u g h   to   th e  ML P   class if ier .   T h is   m o d u le  s er v es   as  th e  s em an tic  d ec is io n   lay er ,   m ap p in g   th e   h ig h - d im e n s io n al  g r ap h   f ea tu r es  b ac k   in to   class   lab el s .   T h e  ML P  is   co m p o s ed   o f   s ev er al  f u lly   co n n ec ted   lay er s   f o llo wed   b y   th e  ap p licatio n   o f   R eL U  ac tiv atio n ,   d r o p o u t ( to   a v o id   o v er f itti n g ) ,   an d   b atc h   n o r m ali s atio n   ( to   allo w  co n v er g e n ce ) .   I ts   p u r p o s e  is   to   ca p t u r e  g lo b al,   ab s tr ac t  r e p r esen tatio n s ,   e. g . ,   th e  d is tr ib u ti o n   o f   d is ea s e  s y m p to m s   o v er   t h e  e n tire   f r u it   wh ile   m a in tain in g   th e   s p atial  in f o r m ati o n   lear n ed   b y   th e   GNN.   T h e   last   s o f tm ax   lay er   p r o v id es c lass   p r o b ab ilit ies f o r   th e  th r ee   d is ea s es.     3 . 2 . 3 .   T ra ini ng   env iro nm ent   a nd   co nfig ura t io n   W e  tr ain ed   it   u s in g   th e  Py T o r ch   f r a m ewo r k ,   wh ich   is   m o d u lar   an d   allo ws  cu s to m   GNN   l ay er s   to   b e   ad d ed   ea s ily ,   as  well  a s   d y n am ic  g r ap h s   to   b e   h an d le d   ef f icien tly .   T h e  m o d el  was   th u s   ap p lied   b y   b ein g   d ep lo y e d   an d   tr ain e d   o n   t h e  f u ll  d ataset,   ex ce p t  h er e  it  was  r u n   o n   a  C PU - o n ly   m ac h in e  in   o r d er   to   s im u late   wh at  wo u ld   o cc u r   u p o n   f u r th er   on - s ite   d ep lo y m en t  o f   t h is   m o d el  at  f ar m   lev el,   eith e r   wh er e   GPUs   ar e  n o t  r ea d ily   av ailab le  o r   alter n ativ e ly   in   s h o r t su p p ly .   Key   tr ain in g   p ar am eter s   in clu d ed :   -   L o s s   f u n ctio n : c ateg o r ical  cr o s s - en tr o p y   -   Op tim i s er : A d am   with   an   in itial lea r n in g   r ate  o f   0 . 0 0 0 1   -   B atch   s ize:  3 2   -   E p o ch s : 5 0   ( with   ea r ly   s to p p in g   b ased   o n   v alid atio n   lo s s )   -   Dr o p o u t  r ate:  0 . 3   T h ese  p ar am eter s   wer e  f in e - tu n ed   th r o u g h   ex p er im en tat io n   o n   th e   v alid atio n   s et  u s in g   a  g r id   s ea r ch   p r o ce d u r e.   T h is   h y b r i d   ar ch ite ctu r e  allo ws  f o r   tr ain i n g   o f   s p atial  s tr u ctu r e  an d   g l o b al  s em an tics   co n cu r r e n tly ,   with   b ette r   p er f o r m an ce   th an   t r ad itio n al  im a g e  class if ier s   in   co m p lex   f ield   e n v ir o n m en ts   w h er e  v is u al   d is ea s e  s ig n als ca n   b e  f ain t,   s u b tle,   o v er lap p in g ,   o r   et h er ea l.     3 . 3 .     XAI int eg ra t i o n   I n ter p r etab ilit y   is   th e  p r im ar y   lim itatio n   o f   d ee p   lear n in g   m eth o d s ,   esp ec ial ly   in   s en s itiv e  d o m ain s   lik e  ag r icu ltu r e .   Alth o u g h   th e s e  m o d els  r ea ch   r e m ar k a b le  a cc u r ac y ,   t h ey   ar e   ty p ically   s ee n   as  “b lack   b o x es”,   as  th ey   d o   n o t  o f f e r   an   in tu it iv e  r ea s o n in g   r eg ar d i n g   wh y   a  ce r tain   ca teg o r y   was  id en tifie d .   T h is   lack   o f   tr an s p ar en cy   ca n   also   er o d e   u s er   co n f id e n ce   an d   p r e v e n t  n o n - tech n o c r atic  ad o p te r s   s u ch   as  f ar m er s ,   ag r o n o m is ts ,   an d   ag r ic u ltu r al   ad v is o r s   f r o m   u s in g   th ese  tech n iq u es.   T o   allev iate  th is   p r o b lem ,   in   th is   wo r k ,   we  h av e   in teg r at ed   XAI   m eth o d s   in to   o u r   cla s s if i ca tio n   p ip elin e.   T h e s e  m eth o d s   aim   to   m ak e   th e   m o d el’ s   d ec is io n - m ak i n g   p r o ce s s   tr a n s p ar e n t  an d   in ter p r etab le,   h elp in g   e n d - u s er s   v alid ate  m o d el  p r ed ictio n s   a n d   h a v e  co n f i d en ce   in   th e   s y s tem ’ s   tr u s two r th in ess .     3 . 3 . 1 .   L I M E   LIME   [ 1 7 ]   is   a  m o d el - a g n o s ti c  ex p lan atio n   tech n i q u e  th at  e x p lain s   in d iv id u al   p r ed ictio n s   f r o m   th e  m o d el  b y   lear n in g   a  lo ca lly   i n ter p r etab le  m o d el  ar o u n d   th e  p r ed ictio n .   I t  wo r k s   b y   g en er atin g   a  b u n ch   o f   p er tu r b e d   s am p les  f r o m   t h e  o r ig in al  in p u t   ( e. g ,   b y   b l o ck in g   o u t  p ar ts   o f   th e   im ag e ) ,   an d   t h en   s ee in g   h o w  t h e  m o d el  o u tp u t c h a n g es.   I n   th is   s tu d y ,   L I ME   [ 1 7 ]   w as  em p lo y ed   to   r ev ea l  th e   m o s t  im p ac tf u l  r eg io n s   o r   p i x els  o f   th e   s tr awb er r y   f r u it  im a g e  o n   th e   m o d el  p r ed ictio n .   T h e   r esu ltin g   o u tp u t  is   a   b in a r y   s alien cy   m ap   th at   h ig h lig h ts   th e  to p - k   i m p o r ta n t  r eg io n s   th at  co n tr ib u te  t o   th e  p r ed ict ed   d is ea s e  class   p o s itiv ely   o r   n eg ativ ely .   B o th   r esear ch er s   an d   p r a ctitio n er s   c an   u s e  th is   to   v e r if y   w h eth er   th e  m o d el  is   atten d in g   to   b io l o g ically   m ea n in g f u l   f ea tu r es o f   in ter est ( e. g . ,   lesi o n   b o u n d ar ies,  f u n g al  te x tu r es)  in s tead   o f   ir r elev a n t b ac k g r o u n d   n o is e.     3 . 3 . 2 .   G ra d - CAM   Alth o u g h   L I ME   p r o v id es   in s tan ce - s p ec if ic  lo ca l  ex p lan atio n s ,   Gr ad - C AM   p r o d u ce s   g lo b al  v is u al   r ea s o n in g   b y   g en e r atin g   h ea t m ap s   th at  s h o w   th e  m o s t  d is c r im in ativ e  r e g io n s   u s ed   d u r in g   class if icatio n   b y   a  m o d el.   G r ad - C AM   [ 1 8 ]   co m p u tes  th e  g r ad ien t   o f   th e   o u tp u t  class   s co r e  with   r esp ec t   to   th e  f ea tu r e   m a p s   o f   th e  last   co n v o lu tio n al  lay e r .   T h e  g r ad ie n ts   ar e   f u r th er   p o o le d   an d   e m p lo y e d   to   weig h   th e  f ea tu r e  m ap s ,   wh ich   ar e  u p s am p led   an d   s u p er im p o s ed   with   th e  o r ig in al  in p u t  im ag e   to   g en er ate  a  class - s p ec if ic  lo ca li s atio n   m ap .   I n   o u r   im p lem e n tatio n ,   Gr ad - C AM   [ 1 8 ]   was p ar ticu lar ly   ef f ec tiv e  in :   -   L o ca li s in g   d is ea s e  s p o ts ,   ev en   in   th e  p r esen ce   o f   o cc lu s io n   o r   n o is e.   -   Hig h lig h tin g   s y m p to m - s p ec if i c  tex tu r es a n d   c o lo u r   ch an g es.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 7 6   I n t J  I n f   &   C o m m u n   T ec h n o l ,   Vo l.  15 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 26 :  1 3 6 4 - 1 3 7 5   1370   -   Pro v id in g   ac tio n a b le  in s ig h ts   f o r   d o m ain   ex p e r ts ,   s u ch   as  wh er e  to   f u r th er   in s p ec t   th e  f r u it   f o r     ea r ly - s tag e  s y m p to m s .     3 . 3 . 3 .   B enef it s   o f   inte g ra t ing   XAI in  a g ricult ura l dia g no s i s   T h e  d u al  in teg r atio n   o f   L I ME   [ 1 7 ]   an d   Gr ad - C AM   en s u r es  th at  b o th   lo ca l   in ter p r etab ilit y     ( v ia  L I ME )   an d   class - d is cr im in ativ e  v is u al  lo ca li s atio n   ( v ia  Gr ad - C AM )   ar e  ad d r ess ed .   T h ese  to o ls   p lay   s ev er al  im p o r tan t  r o les:   -   I n cr ea s e   en d - u s er   tr u s t b y   v is u ali s in g   th e  r atio n al e  b e h in d   m o d el  d ec is io n s .   -   E n ab le   non - tec h n ical  s tak eh o ld er s   to   ad ju s t  in te r v en tio n s   b a s ed   o n   i n f o r m ed   s elec t iv e  m ea s u r es     ( e. g . ,   a p p ly in g   p esti cid es o n ly   in   lo ca li s ed   ar ea s   af f ec ted   b y   t h e  p est) .   -   E n h an ce   d eb u g g in g   a n d   m o d el  tu n in g   by   i d en tific atio n   o f   m is class if ied   r eg io n s   o r   b ias  in   t h e     tr ain in g   d ata .   -   Facilitatin g   tech n o lo g y   a d o p tio n   in   a g r icu ltu r al  c o m m u n ities   wh er e  p r a g m atic   u s ab ilit y   an d   in ter p r etab ilit y   ar e   o f ten   m u ch   m o r e  im p o r tan t th a n   r aw  p e r f o r m an ce   s tatis tics .   W ith   th e  in co r p o r atio n   o f   XA I   m o d u les  in   o u r   p i p elin e ,   ev e n   af ter   tr ai n in g ,   t h e  en tir e  s y s t em   s h o u ld   w o r k   as   a  tr ad itio n al   s o lu tio n .   Sti ll,   n o w  it  p r o v id es   in ter p r eta b ilit y   to   th e  o u tp u t ,   en a b lin g   th e   f ar m er   to   tr u s t  th e   m o d el  an d   m ak in g   p r ec is io n   a g r icu ltu r e  f r ien d lier .     3 . 4 .     Sy s t e m   f lo w  a nd   ev a lua t io n   An   o v er v iew  o f   th e  wh o le  s y s t em   p ip elin e  is   d ep icted   in   F ig u r e  2 ,   h ig h lig h tin g   g en e r al  wo r k f lo w   s tep s   s u ch   as  d ata   ac q u is itio n ,   m o d el  b u ild i n g ,   an d   in ter p r etin g   r esu lts .   T h e  p ip elin e   also   ep ito m izes  a   d esira b le  m o d u lar ,   e x p lain ab l e,   co n ten t - r ich   f r am ewo r k   with   ea s y   d ep lo y m en t,  with   le s s   f o cu s   o n   d ataset  b en ch m ar k s   an d   m o r e  o n   r ea l - wo r ld   ag r ic u ltu r al  ap p licatio n s .           Fig u r e  2 .   Mo d el  tr ain in g   an d   e v alu atio n   p r o ce s s       I t  s tar ts   f r o m   r aw   im ag es  o f   n o n - d is ea s ed   an d   d is ea s ed   s tr a wb er r y   s am p les ,  c o l le ct ed   u n d er   d if f e r en t  f ield   co n d itio n s   ( e. g . ,   lig h tin g ,   r eso lu tio n ,   a n g le ,   etc ) .   T h is   k ee p s   all  o u r   d ata  r ea li s tic  an d   n o t  o v e r - s u p p r ess ed   f r o m   wh er e  we  c o llected   it,  as we ll a s   g ettin g   th e  r ig h t a ttrib u te  d iv er s ity .   Fo r   th e  d ata  co llectio n   s tep ,   h er e  we  u s e  a  p r o ce s s in g   p h ase  with   d ataset s   s u ch   as  C L AHE   [ 2 ]   m eth o d s   an d   h y p e r s p ec tr al  im ag in g   s im u latio n .   T h ese  tr an s f o r m atio n s   ar e  cr itical  f o r   th e  u n d er ly in g   o b jectiv e  o f   in d u cin g   d is ea s e  ab n o r m alities   an d   id en tif y in g   laten t  v ar iab les  th at  elu d e  d etec tio n   in   R G B   in p u ts .   Usi n g   s tr atif ied   s am p lin g ,   th e  d ata  is   d iv id ed   in to   7 0 %  tr ain in g ,   1 5 %  v alid atio n ,   an d   1 5 %  test   s ets,  tak in g   ca r e   to   p r eser v e   th e  cla s s   d is tr ib u tio n   in   ea c h   o f   t h ese  s u b s ets.  Fin ally ,   th e   p er f o r m an ce   esti m ates  ar e   m ad e  with   5 - f o ld   cr o s s - v alid a tio n   [ 2 7 ]   as  p ar t  o f   m o d el  d e v elo p m en t  to   im p r o v e  r eliab ility   an d   m itig ate  th e   r is k   o f   o v er f itti n g .   Fo r   e v er y   f o ld ,   th e  c o m p lete  d e v elo p m en t  d a ta  a r e  cy cle d   th r o u g h   s p lits   p r o v i d in g   s ep ar ate  tr ain in g   an d   v alid ati o n   p a r titi o n s ,   f o llo we d   b y   f in al  ev alu atio n   o n   th e  u n s ee n   te s t  s et.   T h ese  g r ap h - b ased   im ag e  r e p r esen tatio n s   a r e  th en   u s ed   to   tr ain   th e   GNN – ML P h y b r i d   ar ch itectu r e .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J I n f   &   C o m m u n   T ec h n o l     I SS N:   2252 - 8 7 7 6       E xp la in a b le  A I - b a s ed   h yb r id   GN N - ML P   mo d el  fo r   s tr a w b err y  fr u it  d is ea s e   … ( V a r s h a   K i r a n   B h o s a le )   1371   Af ter war d ,   it  p r o ce e d s   to   ev al u atio n ,   w h er e  th e  m o d el  is   e v alu ated   b y   r u n n i n g   c r o s s - v alid atio n   a n d   ca lcu latin g   co m m o n   class if icatio n   m etr ics.  T h e  s y s tem   co m p u tes:   -   Acc u r ac y :  th e  n u m b e r   o f   c o r r e ctly   p r ed icted   o b s er v atio n s   o v er   th e  to tal  o b s er v atio n s .   -   Pre cisi o n : tr u e  p o s itiv es /  ( tr u e   p o s itiv es +   f alse p o s itiv es).   -   R ec all   ( s en s iti v ity ) :  tr u e   p o s itiv e/ac tu al  p o s itiv e  f o r   a  ce r tain   class   -   F1 - s co r e:  it  is   th e  Har m o n ic  m ea n   o f   Pre cisi o n   an d   r ec a ll,  g iv in g   a   s in g le  weig h te d   m etr ic  f o r   a n   im b alan ce d   d ataset.   T h en ,   i n ter p r etiv e   ex   to o ls   ( e. g . ,   Gr ad - C AM   an d   L I ME   [ 1 7 ] )   ca n   ex p o u n d   m o d el  d ec is io n s   in   th e  co n tex t  o f   f ewe r   p atien ce .   T h ese  m eth o d s   g en er ate  atten tio n   o v er lay s   an d   s alien cy   m ap s   wh ich   p lo t  ar ea s   o v er   t h e  im ag e   th at  h av e  b ee n   in f lu e n tial  in   t h e  f in al   class if icatio n   d ec is io n .   T h is   will  a llo w  f o r   im m ed iate  d ec is io n - ma k in g   in   th e  f ield ,   wh ich   in s p ir es  tr u s t.  E v en tu al ly ,   th e  f in al  o u tp u t  r etu r n s   y o u   th e  m o d el  o u tp u ts   as f o llo ws:   -   Pre d icted   d is ea s e  class   lab els ( class   lab els ar e   an th r ac n o s e,   g r ey   m o u ld ,   an d   p o wd er y   m ild ew ) .   -   C o n f id en ce   s co r es .   -   Fo r   ea ch   p r ed ictio n   in s tan ce ,  v is u al   ex p lan atio n   m ap s .   T h is   p ip elin e  p r o v id es  a  well - f o u n d ed ,   ad v an ce d ,   tr an s p ar en t ,   an d   s ca lab le  s o lu tio n   f o r   th e  ea r ly   d etec tio n   o f   s tr awb er r y   d is ea s es,  en ab lin g   th e  d ev elo p m en t  o f   s m ar t  f ar m in g   s y s tem s   an d   p r ec is io n   ag r icu ltu r e  a p p licatio n s .       4.   RE SU L T S    4 . 1 .     O v er a ll per f o r m a nce   T h e  p r o p o s ed   h y b r id   GNN – ML P  m o d el  o b tain ed   a n   ac c u r ac y   an d   m ac r o - F1   o f   9 3 . 5 9   a n d   9 0 . 3 9 %.  T h e  co n f u s io n   m atr ix   s h o wn   in   Fig u r e  3   d em o n s tr ates   a  b alan ce d   class if icatio n   a cr o s s   all  th r ee   d is ea s e   class es,   wi th   o n ly   s lig h t m is class if icatio n .           Fig u r e  3 .   C o n f u s io n   m atr i x   illu s tr atin g   class if icatio n   o u tco m es f o r   an th r ac n o s e  f r u it r o t,   g r ey   m o u l d ,   an d   p o wd er y   m ild ew       4 . 2 .     Cla s s - wis e  a nd   cr o s s - v a lid a t io n m et rics   Per f o r m an ce   o f   th e  class - lev el  p r ec is io n ,   r ec all ,   an d   F1 - s co r e  is   s u m m ar ized   in   T ab le  1 .   Gr ey   mo u ld   r ec eiv ed   t h e  h i g h est  r atin g s ,   f o llo wed   b y   a n t h r ac n o s e  an d   p o wd er y   m il d ew.   R ea s o n ab l y   s tab le  5 - f o ld   cr o s s - v a l i d a t i o n   p e r f o r m a n c e   w as   a ch i e v e d ,   d e m o n s t r a t i n g   c o n s i s t en t   b e h a v i o u r  a c r o s s   d i f f e r e n t   d a t a   s p li ts .       T ab le  1.   C lass if icatio n   m etr ics s u m m ar y   C l a s s   P r e c i s i o n   R e c a l l   F1 - s c o r e   S u p p o r t   A n t h r a c n o se  f r u i t   r o t   0 . 8 5 7 1   0 . 9 0 0 0   0 . 8 7 8 0   60   G r e y   m o u ld   0 . 9 6 3 4   0 . 9 6 0 5   0 . 9 6 1 9   3 2 9   P o w d e r y   m i l d e w   0 . 8 8 3 1   0 . 8 6 0 8   0 . 8 7 1 8   79   A c c u r a c y       0 . 9 3 5 9   4 6 8   M a c r o   a v e r a g e   0 . 9 0 1 2   0 . 9 0 7 1   0 . 9 0 3 9   4 6 8   W e i g h t e d   a v e r a g e   0 . 9 3 6 2   0 . 9 3 5 9   0 . 9 3 6 0   4 6 8     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 7 6   I n t J  I n f   &   C o m m u n   T ec h n o l ,   Vo l.  15 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 26 :  1 3 6 4 - 1 3 7 5   1372   4 . 3 .     Co m pa ra t iv e  perf o r m a nce  a g a ins t   ba s eline  m o dels   C o m p ar is o n s   wer e   m a d e  with   SVM,   R F,  s m aller   C NNs,  YOL O  d etec to r s ,   an d   p r ev io u s ly   r ep o r ted   GNN/h y b r id   m eth o d s .   T h e  r esu lts   co llected   in   T ab le  2   an d   T ab le  3   s h o w  th at  th e  p r o p o s ed   GNN – ML P   m o d el  p er f o r m s   m u ch   b etter   th an   all  th e  b aselin es  in   ter m s   o f   ac cu r ac y ,   p r ec is io n ,   r e c all,   an d   F1 - s co r e.     T h e  p er f o r m an ce   c o m p ar is o n s   a r e  g r ap h ically   s h o wn   in   Fig u r e  4 .   Fig u r e  4   s h o ws  r ep r esen t ativ e  in p u t  im ag es  an d   t h e  c o r r esp o n d in g   d is ea s e  class if icatio n   r esu lts   p r o d u ce d   b y   t h e  p r o p o s ed   h y b r id   GNN – ML P  m o d el.   Fig u r e  4 ( a )   p r esen ts   th e   o r ig i n al  d is ea s ed   s tr awb er r y   f r u it  i m ag es,  wh ile  Fig u r e  4 ( b )   illu s tr ates  th e  p r ed icte d   d is ea s e  class e s   with   th eir   co r r esp o n d in g   p r ed ictio n   ac cu r ac i es.         ( a)       ( b )     Fig u r e  4 .   Stra wb er r y   d is ea s e  c lass if icatio n :   ( a)   d is ea s ed   s tr a wb er r y   f r u it im ag es b e f o r e  cla s s if icatio n   an d   ( b )   th e  co r r esp o n d in g   class if icatio n   r esu lts   g en er ated   b y   th e   p r o p o s ed   h y b r id   GNN – ML P m o d el       T ab le  2 .   C o m p a r ativ e  p er f o r m an ce   o f   p r o p o s ed   m o d el  v s .   p r ev io u s   s tu d ies         T ab le  3 .   C o m p a r ativ e   p er f o r m an ce   o f   m o d els   M o d e l   A c c u r a c y   ( %)   P r e c i s i o n   ( %)   R e c a l l   ( %)   F1 - sc o r e   ( %)   S V M   8 7 . 0 2   8 5 . 6 3   8 4 . 7 2   8 5 . 1 0   RF   8 8 . 4 5   8 6 . 2 1   8 5 . 3 0   8 5 . 7 5   C N N   9 1 . 3 0   8 9 . 1 5   8 8 . 7 2   8 8 . 9 3   GNN – M LP ( P r o p o se d )   9 3 . 5 9   9 0 . 1 2   9 0 . 7 1   9 0 . 3 9   R e f e r e n c e s   M o d e l   t y p e   D a t a s e t   t y p e   A c c u r a c y   ( %)   F1 - sc o r e   ( %)   N o t e s   ( c o r r e c t e d   a u t h o r   a t t r i b u t i o n )   K a r k i   e t   a l .   [ 3 ]   C N N   C o n t r o l l e d   l a b   90 – 92   ~ 8 9   S e n s i t i v e   t o   l i g h t i n g ;   l i mi t e d   r o b u st n e ss i n   f i e l d   c o n d i t i o n s   Li u   e t   a l .   [ 5 ]   Ex p l a i n a b l e   C N N   M i x e d   ~ 9 1   ~ 9 0   G o o d   t e x t u r e   e x t r a c t i o n ;   w e a k   s p a t i a l – st r u c t u r a l   p a t t e r n   l e a r n i n g   M a h m u d   e t   a l .   [ 6 ]   M o b i l e   C N N   F i e l d   ~ 9 0   ~ 8 8   P e r f o r ms  p o o r l y   w i t h   o v e r l a p p i n g   o r   c l u t t e r e d   s y m p t o m re g i o n s   X i e   e t   a l .   [ 2 8 ]   Y O LO v 8   V a r i a n t   F i e l d   +   g r e e n h o u se   92 – 94   ~ 9 2   S t r o n g   d e t e c t i o n   c a p a b i l i t y ;   w e a k e r   f i n e - g r a i n e d   c l a ssi f i c a t i o n   He   e t   a l .   [ 1 1 ]   K TD - Y O LO v 8   F i e l d   92   91   M i s c l a ssi f i e s  v i s u a l l y   s i m i l a r   d i se a se  c l a ss e s   K i m   e t   a l .   [ 1 3 ]   D e e p   C N N   C o n t r o l l e d   +   semi - f i e l d   90 – 93   ~ 8 9   S e n s i t i v e   t o   n o i s e ,   o c c l u si o n ,   a n d   b a c k g r o u n d   a r t i f a c t s   O c h o a - O r n e l a s   e t   a l .   [ 1 4 ]   Li g h t w e i g h t   d e e p   l e a r n i n g   F i e l d   87 – 90   ~ 8 6   F a st   i n f e r e n c e ;   r e d u c e d   a c c u r a c y   i n   n o i s y   o u t d o o r   c o n d i t i o n s   H a r a n d i   e t   a l .   [ 1 5 ]   GNN  ( P h e n o t y p i n g )   C o n t r o l l e d   ~ 9 1   ~ 9 0   S t r o n g   g r a p h - b a se d   r e a so n i n g ;   l i mi t e d   v a l i d a t i o n   o n   f r u i t   c r o p s   P a r t e l   e t   a l .   [ 1 6 ]   H y b r i d   G r a p h – C N N   C o n t r o l l e d   ~ 9 2   ~ 9 1   Li mi t e d   g e n e r a l i z a t i o n   t o   r e a l - f i e l d   st r a w b e r r y   i ma g e r y   P r o p o se d   m o d e l   H y b r i d   G N N   +   M LP   F i e l d   +   o p e n - so u r c e   9 3 . 5 9   9 0 . 3 9   B e st   g e n e r a l i z a t i o n ;   r o b u st   u n d e r   n o i s e ,   o c c l u si o n ,   a n d   o v e r l a p p i n g   s y m p t o ms   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J I n f   &   C o m m u n   T ec h n o l     I SS N:   2252 - 8 7 7 6       E xp la in a b le  A I - b a s ed   h yb r id   GN N - ML P   mo d el  fo r   s tr a w b err y  fr u it  d is ea s e   … ( V a r s h a   K i r a n   B h o s a le )   1373   4 . 4 .     E x pla ina bil it y   v is ua lis a t io ns   ( XAI)   E x p lain ab ilit y   to o ls   wer e  u s e d   to   v er if y   th at  th e  m o d el  f o cu s   was  s o u n d .   L I ME   an d   G r ad - C AM   v is u ali s atio n s   ar e  p lo tte d   to g eth er   in   Fig u r e  5   to   d e m o n s tr ate  th at  th e  m o d el  c o n s is ten tly   id en tifie s   b io lo g ically   m ea n in g f u l  le s io n   r eg io n s   co n s is ten tly .   Su ch   r esu lts   v alid ate  th at  th e  m o d e l  p r ed ictio n s   ar e  in   ac co r d an ce   with   o b s er v ab le   o u tb r ea k   d is tr ib u tio n s   ev e n   u n d er   d if f icu lt   f ield   c o n d itio n s .   Fig u r e   5   p r esen ts   r ep r esen tativ e  L I ME - b ased   s alien cy   m ap s   f o r   th e  th r ee   s tr awb er r y   d is ea s e  class es.  Fig u r e  5 ( a)   h ig h lig h ts   th e   s alien t  r eg io n s   ass o ciate d   with   g r ey   m o u l d ,   wh er e  th e  m o d el  p r im ar ily   f o cu s e s   o n   f u n g al  t ex tu r e.   Fig u r e  5 ( b )   illu s tr ates  th e  r eg io n s   c o n tr ib u tin g   to   th e   p r e d ictio n   o f   p o wd er y   m ild ew   b y   em p h asi s in g   th e   ch ar ac ter is tic   wh ite  p o wd er y   s u r f ac e.   Fig u r e  5 ( c)   id en tifie s   th e  s alien t  r e g io n s   co r r esp o n d in g   to   an th r ac n o s e  f r u it  r o t  b y   lo ca li s i n g   th e  b lack   lesi o n   z o n es r esp o n s ib le  f o r   th e   d is ea s e  p r ed ictio n .         ( a)   ( b )   ( c)     Fig u r e  5 .   L I ME - b ased   s alien c y   m ap   v is u ali s atio n s   f o r   d is ea s e  p r ed ictio n   ( a)   g r ey   m o u ld ,   ( b )   p o wd er y   m ild ew,   an d   ( c )   an th r ac n o s e  f r u it r o t       5.   DIS CU SS I O N    R es u l ts   s h o w  t h a t   t h e   h y b r i d   G N N – M L P   m o d e l   o u t p e r f o r m s   t h e   e v a l u at e d   t r a d i t i o n al     m a c h i n e - l e a r n i n g ,   C N N - b as e d ,   a n d   Y O L O - b as e d   b as e li n e s .   I ts   a c c u r a c y   a n d   m a c r o - F 1   s c o r e  i n d i c a t e  t h a t   i t   c a n   r e p r e s e n t   i r r e g u l a r   s p a t i al   c h a r a c t e r is t i cs   o f   s t r a w b e r r y   d i s e ase   s y m p t o m s   t h at   a r e   d i f f i c u l t   f o r   g r i d - b a s e d   C N Ns  t o   e n c o d e   e x p l i ci t l y .   P r e v i o u s   s t r aw b e r r y   s t u d ie s   h a v e  s h o w n   t h a t   C NN - b a s e d   s y s t e m s   c a n   a c h i e v e   s t r o n g   d e t e c t i o n   p e r f o r m a n c e   [ 6 ] ,   [ 1 2 ] ,   [ 1 3 ] ,   w h i l e   Y O L O - b a s e d   d e t e c t o r s   p r o v i d e   e f f e c ti v e   l o c a l i s a t i o n   [ 1 1 ] ,   [ 2 8 ] .    T h e   p r o p o s e d   m o d e l   e x t e n d s   t h e s e  a p p r o a c h e s   b y   e x p l i c itl y   m o d e l l i n g   l e s i o n - to - l e s i o n   s p a t i al   r e la t i o n s h i p s   t h r o u g h   g r a p h   r e a s o n i n g .   T h i s   d e s i g n   i s   c o n s is t e n t   wi t h   g r a p h - b a s e d   l e a r n i n g   s t u d ie s   t h at   d em o n s t r a t e   t h e   v a l u e  o f   n o n - E u c l i d e a n   r e p r e s e n t a t io n s   f o r   p l a n t   s t r u c t u r e s   [ 9 ] ,   [ 1 5 ] ,   [ 2 7 ] .   T h e   s t a b l e   5 - f o l d   c r o s s - v a l i d at i o n   p e r f o r m a n c e   a l s o   i n d i c at e s   g o o d   g e n e r a l i s a t i o n   a c r o s s   d a ta   s p l i t s .   M o r e o v e r ,   t h e   L I M E   a n d   G r a d - C A M   o u t p u ts   h i g h l i g h t   b i o l o g i c a ll y   r e l e v a n t   l e s i o n   a r e as   t h at   j u s t i f y   t r u s t w o r t h y   b y - d e s i g n   a g r i c u l t u r a l   A I   [ 1 7 ] ,   [ 2 2 ] .   T h er e  ar e   v ar io u s   ad v a n tag es  o f   th e   p r o p o s ed   f r am ewo r k .   First,  th e  GNN  in g r ed ien t  m o d el  lear n s   p atter n s   o f   ad jace n c y   am o n g   lesi o n s   ( i.e . ,   lesi o n   f r ag m e n ta tio n   an d   d y n am ic  e v o lu tio n )   th at  s in g le  im ag es  ca n n o t  s u f f icien tly   e n co d e,   wh ich   C NNs  f ail  to   r e p r esen t  r o b u s tly .   Seco n d ,   t h e  s y n th etic  h y p e r s p ec tr al   p r ep r o ce s s in g   en h a n ce s   s en s itiv ity   to   ea r ly   b io ch e m ical  c h an g es ,   c o n f ir m in g   r esu lts   s h o wn   i n   p r ev io u s   h y p er s p ec tr al  a n d   m u ltis p ec tr al  s tu d ies  [ 2 ] ,   [ 1 4 ] ,   [ 1 5 ] ,   [ 1 6 ] .   T h ir d ,   th e   ML P  f u s io n   h ea d :  t h e  s em an tic  im ag es   u s ed   f o r   g lo b al   s em an tic  cu es  h elp   to   s tab ilis e  d ec is io n   b o u n d ar ies .   L astl y ,   in te g r at ed   XAI   r en d er s   th e   p r ed ictio n s   tr an s p ar e n t  an d   tr u s two r th y ,   co m b atin g   t h e  in ter p r etab ilit y   g a p   o b s er v ed   in   co n tem p o r ar y   liter atu r e  [ 5 ] ,   [ 1 0 ] ,   [ 1 7 ] ,   [ 2 2 ] .  T h e   a n aly s is   h as  s o m e  lim i tatio n s .   T h e  d ataset  d o es  n o t   in clu d e  m u lti - y ea r   tem p o r al   v ar iatio n   th at  m ay   b e  im p o r ta n t  f o r   p er f o r m an ce   in   ex tr em e  en v ir o n m en tal  co n d itio n s .   Alth o u g h   s y n th etic  h y p er s p ec tr al  s im u latio n   is   s u f f icien t,  it’s   o n ly   a n  ap p r o x im atio n   o f   th e   r ea l  o n e .     T h e  m o d el  h as  n o t  b ee n   ev a lu ated   in   th e  p r esen ce   o f   s ig n if ican t  o cc lu s io n s   o r   co m p licated   co - in f ec tio n   s itu atio n s ,   wh ich   ca n   af f ec t  its   o v er all  ac cu r ac y   i n   r ea l  life .   I n   th e  f u tu r e ,   th e  s y s tem   ca n   b e   f u r th er   d e v elo p e d   b y   ac q u ir in g   m u lti - s ea s o n   r ea l - f ield   d ata ,   ad d in g   ac tu a l  m u ltis p ec tr al  o r   h y p er s p e ctr al  s en s o r s ,   an d   co n s id er in g   d is ea s e  s ev er ity   esti m atio n   an d   tem p o r al  d ev el o p m en t  m o d ellin g .   R u n n in g   th e   m o d el  o n   lo w - en d   ed g e   d e v ices   an d   co u p lin g   it   with   I o T - b ased   s en s in g   s y s tem s ,   as   in v esti g ated   in   r elate d   wo r k   [ 2 3 ] ,   [ 2 4 ] ,   m a y   b e  an o th e r   p o te n tial v en u e   f o r   r ea l f ield   u s e.       6.   CO NCLU SI O N   I n   th is   s tu d y ,   a  h y b r id   GNN – ML P  m o d el   co m b in ed   with   s y n th etic  h y p er s p ec tr al  s im u latio n   an d   ex p lain ab le  AI   was  p r o p o s ed   t o   s o lv e  th e  is s u e  o f   r ea l - f ield   p o s itio n   s tr awb er r y   d is ea s e  d e tectio n .   T h e  m o d el  ac h iev ed   h ig h   ac cu r ac y ,   p r ec is io n ,   r ec all ,   an d   m ac r o - F1   p er f o r m a n ce ,   in d icatin g   s tr o n g   g en er ali s atio n   to   h eter o g en e o u s   d atasets .   T h e   en h an ce m e n t - b ased ,   g r ap h - b ased   r elatio n al  m o d ellin g   a n d   s em an tic  f u s io n   p r o p o s al   n etwo r k   was  ab le  to   ac cu r ately   ca p tu r e  ir r e g u lar   le s io n   s tr u ctu r es  t h at  tr ad itio n al  C NN/YOL O  b ased   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.