崔世鋼等

摘要：采用數(shù)字圖像處理方法對油菜葉片進行長、寬、面積測算，建立了葉片長、寬、長寬積和葉片面積的回歸方程，為植物葉片面積快速估算提供了比較好的方法。

關鍵詞：葉片面積；數(shù)字圖像處理；油菜；植物生長柜

中圖分類號：S126；S565.4 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）18-4591-02

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.18.051

中國是農(nóng)業(yè)大國，人口密集、土地資源形勢日趨嚴峻、可耕地面積大量減少、淡水資源緊張、自然災害（旱、澇、風、雪等）頻發(fā)以及土地沙漠化等問題在很大程度上制約了中國農(nóng)業(yè)的發(fā)展。藥物殘留超標問題日益突出，人們對安全食品的需求也越來越迫切。中國農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨著利用有限的資源滿足人們?nèi)找嬖鲩L的對食品需求的重大挑戰(zhàn)。植物生長柜是現(xiàn)代科技集成創(chuàng)新的產(chǎn)物，是一種新興生產(chǎn)模式，為未來農(nóng)業(yè)向垂直空間發(fā)展提供了有效的技術支撐，以后將會面對不具備栽培專業(yè)知識的人群，從而得到廣泛利用。

葉片是作物進行光合作用的主要器官，其面積的大小直接影響作物的受光，是作物種群結構的一種標志性參數(shù)[1]。葉片的大小對水分蒸發(fā)量、土壤水分平衡、物質(zhì)循環(huán)、生長發(fā)育、抗逆性、產(chǎn)量以及經(jīng)濟效益有著顯著的影響[2]，也是衡量植物生產(chǎn)狀況和對光能利用的重要指標。因此，需要建立簡便、精確的方法用來測定葉片面積。關于葉片面積的測量方法有坐標法、拋物線擬合法、復印稱重法、葉面積儀法等，坐標紙法是最原始、最準確的葉片面積測量方法，但因其操作步驟繁瑣和巨大的工作量而不適合用于平時的操作，更多地用于在特定的場景中進行測量[3，4]；拋物線法對葉子的規(guī)則程度有著一定的要求；復印稱重法操作繁重復雜、工作量較大，紙片的質(zhì)量和復印機的質(zhì)量影響測量精度，應用范圍較窄。葉面積儀測量法會受到葉片大小的制約，使得測量值與實際值有著一定的偏差。近年來，隨著計算機圖像處理在各個領域的全面發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術的日益成熟，利用圖像處理技術對植物葉片面積的分析和測量研究已經(jīng)實現(xiàn)了很多[5]。本研究通過觀察油菜葉片形狀類型，擬定利用數(shù)字圖像處理可以測定葉片長和寬[6]，再結合回歸相關法建立回歸方程，提供測定油菜葉片面積便捷方法，為生產(chǎn)和研究工作服務。

1 測定原理

像素點的累積構成一幅幅數(shù)字圖像，每個像素點代表一定的實際面積值，而其所代表的實際面積值可以由已知參照物面積求得。因此，葉片面積可由下列公式求得：

S=m1×■

式中，S代表葉片的面積，S0代表實際面積，m0代表參照物的像素個數(shù)，m1代表葉片的像素個數(shù)。

在測量葉片面積時，首先需要摘下待測葉片，置于有參照物的背景板上，用透明的玻璃板壓平其上面，然后在嚴格的物距下進行葉片的采樣，以保證每個像素代表的真實面積不變。拍攝葉片時應該讓數(shù)碼相機與被測葉片保持較遠的距離，使拍攝的焦距拉長，這樣可以使人為誤差大大地減少。同時要求被測葉片與標準測量參照物在同一時刻進行拍攝，而且還要求被測葉片和標準測量參照物出現(xiàn)在同一幅圖像上，即把葉片信息轉(zhuǎn)化成計算機可識別的圖像信息。

2 硬件組成

葉片面積的硬件測量部分主要有數(shù)碼相機、計算機、參照物（本研究中選用一個黑色圓片，直徑為1 cm的圓，能與葉片有很大的顏色差別，參照物要與相機有足夠的距離，參照物的面積對測量精度有著決定的影響）和背景板（紙板選用白色的，這樣可以使背景顏色與葉片有很大的差別）。通過數(shù)碼相機（500萬像素以上的）來取得數(shù)字圖像，在不損毀油菜的整體結構情況下，檢測油菜葉片的生長周期和規(guī)律[7]。

3 圖像處理參數(shù)計算流程

如圖1所示，即為油菜葉片面積參數(shù)計算的基本流程。根據(jù)圖像中葉片面積A，最小外接矩形的長L和寬W以及比例系數(shù)，可計算得到實際的葉片面積AR，葉片長LR和葉片寬WR。

4 實際應用

4.1 試驗環(huán)境

本試驗在智能植物生長柜環(huán)境下進行，以先優(yōu)7號油菜幼苗為研究對象。為保證植物生長所必需的各種營養(yǎng)元素以及提供適宜的生長環(huán)境，試驗采用標準營養(yǎng)液水培的方式，并通過智能控制面板調(diào)節(jié)柜內(nèi)環(huán)境參數(shù)，將LED光源為紅藍組合光源，光照度為3 000 lx，溫度為23 ℃，濕度為65%，二氧化碳濃度設置為700 mmol/L。

4.2 試驗方法

分別選用植物生長柜中油菜生長的3個階段，每個階段隨機取30片大小不同的葉片，測量每個葉片的葉長（葉柄到葉尖的距離）、最大葉寬（與中間主脈垂直的寬度）和油菜的葉片面積作為參照數(shù)據(jù)，分別以所選取的葉片長、葉片寬、葉片長寬積作為回歸方程的自變量，葉片面積作為因變量，進行相關性分析，并計算出油菜葉片長度、葉片寬度以及葉長寬積與葉片面積的決定系數(shù)和最適關系的回歸方程[8-10]。再選取不同階段各20片大小不同的葉片分別將測量的參數(shù)（葉片長、葉片寬），對方程進行驗證。

4.3 結果與分析

4.3.1 相關性分析 回歸分析結果表明，各個參數(shù)（葉片長、葉片寬、葉片長寬積）與葉片面積的最佳適應的函數(shù)為冪函數(shù)，均可以反映出良好的相關性（表1至表3）。由表1至表3可以看出，以葉片長、葉片寬與葉片面積做回歸相關性擬合，并不是每個階段都可以達到很好的效果。以葉片的長寬積來與葉片面積做相關擬合的話，每個生長階段的函數(shù)關系大致是相近的，因此，用葉片的長寬積測定先優(yōu)7號油菜的葉片面積更好。

4.3.2 回歸方程的檢驗 分別取每個階段20片大小不同的油菜葉片測定其葉片長、寬，用求得的回歸方程對模擬值和測量值作分析，檢驗回歸方程的準確性。結果表明，3個生長階段的葉片模擬值與測量值是比較相近的，決定系數(shù)R2均在0.85 以上，既可以使用葉片長寬積擬合的油菜的回歸方程，并且可以利用該方程來計算出先優(yōu)7號油菜的葉片面積。

5 小結與討論

回歸相關法是一種對植物無損害估算葉片面積的方法，該方法使得測量油菜葉片面積變得更加方便、簡單。本研究中用長寬積對先優(yōu)7號油菜的葉片面積進行估算效果是最好的，但是在特定的條件下，準確地估算出不同品種的油菜葉片面積差異仍然存在著局限性。

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