孟亞賓，盛建東，柴仲平，張文太，劉 茂，丁 闊

(新疆農(nóng)業(yè)大學 草業(yè)與環(huán)境科學學院，新疆 烏魯木齊 830052)

測定植物生物量的傳統(tǒng)方法有二氧化碳平衡法(氣體交換法)、微氣象場法(晝夜曲線法)、直接收獲法和基于材積轉(zhuǎn)化的生物量模型等[1]，這些分析方法雖然具有較高的檢測精度，但是獲取數(shù)據(jù)的周期長、工作量大[2]、過程繁冗、易破壞植物樣本，而且不能對植物生物量進行全面、快速和實時測定。隨著計算機技術的快速發(fā)展，圖像處理方法[3-7]在植物無損檢測中的應用得到了迅猛發(fā)展。圖像處理軟件Image J是美國國家衛(wèi)生所( National institute of Health，USA)基于Java語言開發(fā)的免費圖像處理分析軟件，具備多種圖像處理和分析功能。目前，Image J已經(jīng)在農(nóng)業(yè)工程領域得到應用，白光紅等[8]通過應用Image J 軟件處理數(shù)字圖像測定玉米子粒大小，發(fā)現(xiàn)Image J 軟件處理圖像法更方便快速，可用于玉米等作物種子大小的測量工作；王安皆等[9]確立了基于Image J圖像處理技術快速、準確地檢測家蠶一代雜交種的良卵數(shù)和良卵率的新方法；劉智等[10]將Image J軟件成功應用于分析水稻胚乳淀粉粒表面幾何特征的工作；畢利東等[11]將Image J軟件成功應用于土壤結構特征的分析。本文將圖像處理技術應用于庫爾勒香梨果實生物量的研究中，旨在為庫爾勒香梨果實生物量的快速無損檢測提供新方法。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于新疆維吾爾自治區(qū)庫爾勒市恰爾巴格鄉(xiāng)下和什巴格村5隊的香梨園(41°48′21″N、86°04′22″E)，該香梨園地處天山南麓、塔里木盆地東北邊緣的孔雀河沖積平原上，屬暖溫帶大陸性干旱氣候，冬冷夏熱，降水集中，年雨量較少。年平均氣溫11.4℃，最低氣溫-28℃。年平均降水量58.6mm，年最大蒸發(fā)量2 788.2mm。年總輻射6343 MJ/m2，年總?cè)照諗?shù)2 990h，≥0℃積溫平均為4 700℃，≥10℃積溫4 278℃，無霜期平均為210d，主導風為東北風[12-13]。香梨園的土壤質(zhì)地為黃潮土，肥力較低。土壤有機質(zhì)為20.03g/kg，堿解氮68mg/kg，有效磷12.34mg/kg，速效鉀240.53mg/kg。

1.2 試驗材料與方案設計

供試植株為6～7 a樹齡的香梨植株，株距為5m，行距為6m，平均株高為4.62m。栽培管理措施與當?shù)匾话愎麍@相同。香梨的果實生長期從5月中下旬開始，至9月上旬結束，依次經(jīng)歷了坐果期(5月中下旬)、膨果期(8月上旬)和成熟期(9月上旬)[14-15]。在8月下旬香梨果實接近成熟期時，選擇15株香梨樹，在樹冠中部隨機選取直徑大小不一的30個成熟香梨果實作為試驗樣品，在室內(nèi)清洗并自然晾干10分鐘后，用精度為0.02mm的游標卡尺測量香梨果實的橫徑(Dh)、縱徑(Dv)等參數(shù)；并用精度為0.001g的電子天平測量香梨果實的鮮質(zhì)量(Wf)。

用數(shù)碼相機(Nikon D700，Japan)采集圖像：用儀器架固定數(shù)碼相機，將香梨果實樣品依次放于自制的便攜式背景板(長0.3m，寬0.2m，標尺為5cm)上，相機與果實的距離為0.30m，選擇自動對焦拍攝模式垂直拍照。見圖1。

圖1 自制便攜式背景板Fig.1 The portable background board by hand-made

把用數(shù)碼相機采集到的與香梨橫徑成90°角方向的圖像、即從果實頂部獲取的果實頂端圖像定義為果實頂視圖，見圖2；把采集到的與香梨縱徑成90°角方向的圖像、即從果實側(cè)面獲取的果實側(cè)面圖像定義為果實的側(cè)視圖，見圖3。在滿足測量要求的情況下，選擇圖像清晰、顏色鮮明的照片供后期圖像分析，圖片的分辨率為72 dpi。

圖2 香梨果實頂視圖Fig.2 The top view image of Korla Fragrant Pear

圖3 香梨果實側(cè)視圖Fig.3 The side view image of Korla Fragrant Pear

將拍照后的香梨果實在105℃條件下殺青后，在85℃烘干至恒重，測定其干質(zhì)量(Wd)。

在分析圖片之前，使用Photoshop CS5軟件對圖像中的干擾區(qū)域進行預處理，主要包括圖像的增強、銳化和去除背景等。進行預處理操作是為了使后續(xù)的圖像分析工作更加快速、精確。使用計算機圖像處理軟件Image J(v1.46)對預處理后的圖像進行分析，主要步驟如下：

(1)設置標尺：先選擇“直線工具”對香梨果實圖像中面積板上的標尺畫出直線，長度與標尺重合；然后在設置比例尺的窗口中，將Known distance設置為參數(shù)，Unit of length設置為5cm。設置完畢后，再用“直線工具”在標尺上劃線，如果窗口中顯示的長度與標定的距離相同，則證明標尺的設定是正確的。

(2)灰度圖像轉(zhuǎn)換和閾值化：通過“Image→Type→8-bit”的操作，將圖像轉(zhuǎn)換為8位圖像。通過“Image→Adjust→Threshold”的操作，進行閾值化處理，得到其二值化圖像。

(3)香梨果實面積參數(shù)測量：通過“Analyze→Analyze particle”顆粒分析操作，選擇顯示結果，點擊OK。操作完成后，生成Results和Summary分析結果窗口。

(4)測量數(shù)據(jù)存儲：將Image J軟件的分析結果保存為Excel文件。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2010、Image J、SPSS 18等軟件對數(shù)據(jù)進行處理和分析，通過公式(1)、(2)和(3)分別獲取果實參數(shù)的算術平均值、標準差和變異系數(shù)。

公式(1)中，μ為算術平均值，x為單個樣品參數(shù)值，N為樣本個數(shù)。

公式(2)中，σ為標準差，x為樣品參數(shù)值，μ為算術平均值，N為樣本個數(shù)。

公式(3)中，Cv為變異系數(shù)，σ為標準差，μ為算術平均值。Cv值越大說明統(tǒng)計數(shù)據(jù)的變化(離散)程度越大。

2 結果與分析

2.1 香梨果實參數(shù)的測定

根據(jù)試驗設計可知，測定庫爾勒香梨的參數(shù)主要有，果實橫徑(Dh)、果實縱徑(Dv)、果實頂視面積(St)、果實側(cè)視面積(Ss)、果實體積(V)、果實鮮質(zhì)量(Wf)和果實干質(zhì)量(Wd)等指標，見表1。

表1 香梨果實參數(shù)表Table 1 Fruit parameters of Korla Fragrant Pear

根據(jù)表1中的香梨果實參數(shù)，使用室內(nèi)分析法獲取果實橫徑(Dh)、果實縱徑(Dv)、果實鮮質(zhì)量(Wf)、果實干質(zhì)量(Wd)；使用Image J軟件對香梨果實圖像中的果實頂視面積(St)和果實側(cè)視面積(Ss)進行分析，并獲取其面積；使用排水法測定新鮮果實的體積(V)。果實果形參數(shù)和果實的生物量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 香梨果實參數(shù)值表(樣品容量 n=30)Table 2 The values of fruit parameters of Korla Fragrant Pear(n= 30)

由表2可知：橫徑(Dh)的平均值為5.66cm，變化范圍為4.82～6.58cm?？v徑(Dv)的平均值為6.59cm，變化范圍在5.10～7.85cm。頂視面積(St)的平均值為35.74cm2，變化范圍為24.70～47.06cm2。側(cè)視面積(Ss)的平均值為40.84cm2，變化范圍在28.35～53.27cm2。體積(V)的平均值為113.07cm3，變化范圍在66～155cm3。鮮質(zhì)量(Wf)的平均值為114.78g，變化范圍在67.60～157.14g。干質(zhì)量(Wd)的平均值為17.80g，變化范圍在10.17～24.91g。按照新疆香梨的分類標準，試驗香梨果實樣品的單果鮮質(zhì)量大多數(shù)都集中在100～120g范圍內(nèi)，總體水平達到了一級香梨的標準[16]。

變異系數(shù)是分析和衡量數(shù)據(jù)離散程度、評價其穩(wěn)定性、均勻性和一致性的標準。其中變異系數(shù)相對較高的參數(shù)有體積(V)、鮮質(zhì)量(Wf)和干質(zhì)量(Wd)，其變異系數(shù)都達到18.00％或以上。體積(V)、鮮質(zhì)量(Wf)和干質(zhì)量(Wd)的變異系數(shù)相差不大，分別為20.25％、19.59％和18.66％。其中干質(zhì)量(Wd)的變異系數(shù)與鮮質(zhì)量(Wf)的變異系數(shù)相差0.93個百分點，可能是果實中水分等易揮發(fā)物質(zhì)含量不同造成的[17]。頂視面積(St)和側(cè)視面積(Ss)的變異系數(shù)基本相同，可能是頂視面積(St)和側(cè)視面積(Ss)之間存在一定的聯(lián)系，比如都因橫徑(Dh)的大小而影響其面積值。而橫徑(Dh)和縱徑(Dv)變異系數(shù)相對較低，分別為7.16％和10.45％。橫徑(Dh)和縱徑(Dv)的變異系數(shù)相差3.29個百分點，橫徑和縱徑的異速生長可能是造成這種情況的原因。

2.2 香梨果實參數(shù)的相關性分析

2.2.1 香梨果形參數(shù)的相關性分析

用Excel 2010、SPSS 18軟件對香梨果形參數(shù)中的橫徑(Dh)與體積(V)、縱徑(Dv)與體積(V)、頂視面積(St)與體積(V)和側(cè)視面積(Ss)與體積(V)之間的參數(shù)進行線性相關分析，結果見表3。

表3 香梨果形參數(shù)之間的相關性分析(樣品容量 n=30)Table 3 Correlation analysis of fruit shape parameters of Korla Fragrant Pear(n = 30)

分析表3可知：香梨果實的果形相關性狀參數(shù)之間表現(xiàn)出較高的相關性。就相關程度情況來看，具有高相關性(R＞0.70)的依次是側(cè)視面積(Ss)與體積(V)、頂視面積(St)與體積(V)、橫徑(Dh)與體積(V)、縱徑(Dv)與體積(V)，相關系數(shù)都在0.70以上。其中相關性較高的是側(cè)視面積(Ss)與體積(V)，相關系數(shù)為0.97。其中相關性較低的是縱徑(Dv)與體積(V)，相關系數(shù)為0.77。

根據(jù)相關性分析，可以建立橫徑(Dh)、縱徑(Dv)與體積(V)的統(tǒng)計學關系，但是果實的頂視面積(St)、側(cè)視面積(Ss)與果實的體積(V)的相關系數(shù)分別為0.93、0.97，優(yōu)于橫徑(Dh)、縱徑(Dv)與體積(V)的相關系數(shù)。通過果實的頂視面積(St)、側(cè)視面積(Ss)與果實的體積(V)建立的統(tǒng)計學方程更加精確。因此建議使用頂視面積(St)、側(cè)視面積(Ss)來推測果實的體積(V)。

2.2.2 香梨果實生物量參數(shù)的相關性分析

目前，對生物量的研究一般都是采用易測因子來推測難測因子[18]。在本試驗中，果實的橫徑(Dh)和縱徑(Dv)是最易獲取的因子，其次就是基于圖像分析可獲得的頂視面積(St)和側(cè)視面積(Ss)。在不影響果實生長的條件下測定其生物量則是相對困難的。因此，文中嘗試通過橫徑(Dh)、縱徑(Dv)和果形面積(St)等易測因子來建立香梨果實生物量的統(tǒng)計學關系。

先嘗試通過果實橫徑(Dh)、縱徑(Dv)和果形面積(St，Ss)等易測因子來建立香梨果實鮮質(zhì)量的統(tǒng)計學關系。用Excel 2010、SPSS 18軟件對數(shù)據(jù)進行分析，結果如表4所示。

表4 香梨果形參數(shù)與果實鮮質(zhì)量的相關性分析(樣品容量 n=30)Table 4 Correlation analysis of fruit shape parameters and fresh mass of Korla Fragrant Pear(n = 30)

分析表4可知：香梨的各個果形參數(shù)與鮮質(zhì)量之間表現(xiàn)出了高相關性。根據(jù)相關系數(shù)(R)的大小，依次是側(cè)視面積(Ss)與鮮質(zhì)量(Wf)、頂視面積(St)與鮮質(zhì)量(Wf)、橫徑(Dh)與鮮質(zhì)量(Wf)、縱徑(Dv)與鮮質(zhì)量(Wf)。其中相關性最高的是側(cè)視面積(Ss)與鮮質(zhì)量(Wf)的相關系數(shù)(R)，達到了0.99；相關性較低的是縱徑(Dv)與鮮質(zhì)量(Wf)，相關系數(shù)(R)為0.78。因此建議使用頂視面積(St)和側(cè)視面積(Ss)來建立推測果實鮮質(zhì)量(Wf)的統(tǒng)計學方程。

在完成香梨果形參數(shù)(Dh，Dv，St，Ss)與果實鮮質(zhì)量(Wf)的統(tǒng)計學關系的分析之后，接著嘗試通過果實橫徑(Dh)、縱徑(Dv)和果形面積(St，Ss)等易測因子來建立香梨果實干質(zhì)量(Wd)的統(tǒng)計學關系。用Excel 2010、SPSS 18對數(shù)據(jù)進行分析，結果見表5。

表5 香梨果實的果形參數(shù)與干質(zhì)量的相關性分析(樣品容量 n=30)Table 5 Correlation analysis of fruit shape parameters and dry mass of Korla Fragrant Pear(n = 30)

分析表5可知：香梨的各個果形參數(shù)與干質(zhì)量之間表現(xiàn)出了高相關性。根據(jù)相關系數(shù)(R)大小，依次是側(cè)視面積(Ss)與干質(zhì)量(Wd)、頂視面積(St)與干質(zhì)量(Wd)、橫徑(Dh)與干質(zhì)量(Wd)、縱徑(Dv)與干質(zhì)量(Wd)。其中相關性較高的是側(cè)視面積(Ss)與干質(zhì)量(Wd)，相關系數(shù)(R)為0.96；相關性較低的是縱徑(Dv)與干質(zhì)量(Wd)，相關系數(shù)(R)為0.76。

因此，可以通過橫徑(Dh)、縱徑(Dv)與果實的干質(zhì)量(Wd)建立統(tǒng)計學關系。但是果實的頂視面積(St)和側(cè)視面積(Ss)與果實的干質(zhì)量(Wd)的相關性更加顯著，相關系數(shù)(R)分別達0.94和0.96。因此建議使用頂視面積(St)、側(cè)視面積(Ss)來建立推測果實干質(zhì)量的統(tǒng)計學方程。

3 結 論

文中的試驗結果表明，香梨的各果形參數(shù)(Dh、Dv、St、Ss)均可以用來估測其果實的體積(V)、鮮質(zhì)量(Wf)和干質(zhì)量(Wd)，這與先前的研究結果[20]是一致的，雖然利用實測果實的橫徑(Dh)和縱徑(Dv)來估測果實的體積(V)、鮮質(zhì)量(Wf)和干質(zhì)量(Wd)的方法是可行的，但考慮到庫爾勒香梨的果實與其它水果果實有些不同，具有較為特殊的果形，而且其中畸形果較多，香梨畸形果主要有偏果和突頂果兩種，偏果率達到7.82％[21]，突頂果率達到9.52％[22]，這些畸形果會影響橫徑(Dh)和縱徑(Dv)的實測結果，進而導致估測結果存在較大的誤差。因此，通過果實的果形面積(St、Ss)來估測果實體積(V，YV＝3.86XSt-24.92，YV＝3.54XSs-31.71)、鮮質(zhì)量(Wf，YWf＝ 3.91XSt- 24.82，YWf＝ 3.56XSs-30.71)和干質(zhì)量(Wd，YWd＝0.56XSt-2.35，YWd＝0.51XSs-3.03)的方法是更優(yōu)的。本試驗通過圖像處理方法(Image J軟件)實現(xiàn)了香梨果實果形參數(shù)測量工作的精確性、無損性和快速性。

4 討 論

在庫爾勒香梨的實際種植過程中，一般采用人工分級和機械分級等方法對果實進行分級。但是這些傳統(tǒng)方法存在分級效率低、易損傷果實等問題，進而影響到香梨果實的產(chǎn)量和品質(zhì)。因此，生產(chǎn)上迫切需要研究一種無損、有效、快速的果實分級方法。

通過建立香梨果形參數(shù)與果實鮮質(zhì)量的統(tǒng)計學方程，使用圖像處理方法(Image J軟件)獲取香梨的果形面積參數(shù)(St，Ss)，并完成基于果實面積的香梨果實統(tǒng)計和篩選，以實現(xiàn)生產(chǎn)中香梨果實的快速、無損分級工作，很有現(xiàn)實意義。在自然生長環(huán)境里和實際生產(chǎn)上的分級過程中，大多數(shù)香梨果實是以頂視角度或側(cè)視角度的狀態(tài)呈現(xiàn)的，這為基于果實面積參數(shù)(St，Ss)并使用圖像處理方法解決果實分級的問題提供了可能性[19]。

在使用Image J軟件對果實面積參數(shù)進行測量的過程中，設置Analyze particle面板中的size值，設置篩選果實的面積參數(shù)，在show中選擇outline命令，就可以獲取符合篩選標準的果實個數(shù)及其果形輪廓的結果圖。將通過圖像法獲取的個數(shù)與通過實測鮮質(zhì)量法獲取符合取樣質(zhì)量標準的果實個數(shù)進行比較，經(jīng)過多次重復試驗、對比和驗證，發(fā)現(xiàn)此方法具有較高的精確度。因此，可以將Image J軟件用于香梨果實的統(tǒng)計和分級工作中。

圖4 利用Image J軟件對香梨果實分級過程中的初始圖、二值化圖和分析結果Fig.4 The original,binaryzation and analysis result images of Korla Fragrant Pear fruits during fruit classi fi cation process based on Image J software

本文采用圖像處理技術(Image J軟件)建立了估測香梨果實生物量的統(tǒng)計學模型[23-24]。隨著庫爾勒香梨果實模型[25]的逐步完善，今后可研發(fā)便攜式固化設備，對庫爾勒香梨樹及其他新疆特色果樹的果實進行動態(tài)監(jiān)測，以實時估測果實在整個生長過程中產(chǎn)量的變化情況，并實現(xiàn)果實的快速無損分級目標。文中的研究結果可為新疆特色林果生產(chǎn)提供技術指導。

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