張新平　董　潔　張芳芳　王得祥

1　陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院　西安　710100 2　西北農(nóng)林科技大學(xué)　陜西楊凌　712100 3　陜西省農(nóng)業(yè)廣播電視學(xué)校高陵分校　陜西高陵　710200

幾種常用的樹木葉面積測(cè)量方法比較*

張新平1,2董潔1張芳芳3王得祥2

1陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院西安710100 2西北農(nóng)林科技大學(xué)陜西楊凌712100 3陜西省農(nóng)業(yè)廣播電視學(xué)校高陵分校陜西高陵710200

摘要：以隨機(jī)采集的6種延安市區(qū)綠化植物(白蠟、刺槐、紫丁香、五角楓、銀杏和月季)新鮮葉片為材料，分別用激光葉面積儀、AutoCAD和ENVI進(jìn)行測(cè)量。通過統(tǒng)計(jì)比較發(fā)現(xiàn)，激光葉面積儀測(cè)量結(jié)果平均偏大，精度最低；AutoCAD與ENVI在測(cè)量結(jié)果上差異不顯著，但在精度上AutoCAD高于ENVI。AutoCAD測(cè)量葉片面積的平均耗時(shí)為139.6 s，是ENVI方法的3～4倍。通過AutoCAD測(cè)量方法測(cè)定以上6種樹木葉片的長(zhǎng)度、寬度和葉面積，并擬合出6種樹木的葉面積線性方程，相關(guān)系數(shù)與決定系數(shù)均達(dá)到極顯著水平。經(jīng)過驗(yàn)證，這6個(gè)葉面積線性方程均是可靠的，可以用于延安市這6種植物葉片面積的測(cè)量和葉面積衍生指標(biāo)的估算。

關(guān)鍵詞：葉面積，像素統(tǒng)計(jì)，回歸方程，遙感軟件，陜西延安

葉面積是一個(gè)表征植物生長(zhǎng)與發(fā)育狀態(tài)可以度量的特性指標(biāo)。此外，葉面積這一變量揭示了植物的光捕獲、光合效率、呼吸、蒸騰、結(jié)實(shí)、水分平衡以及肥料效應(yīng)等生理特性[1]。因此，反過來，葉面積測(cè)量會(huì)有助于研究者去澄清植物的生長(zhǎng)與發(fā)育狀況以及CO2固定等方面的生理特性。為方便葉面積測(cè)量，研究者設(shè)計(jì)出了輪廓描繪[2-4]、葉面積儀[5]、回歸方程[6-14]、圖像分析[15-25]等常用方法，然而這些方法在批量樣品葉面積快速精準(zhǔn)測(cè)量上都存在一定的限制。輪廓描繪與葉面積儀對(duì)使用人員的操作技術(shù)水平要求比較嚴(yán)格，操作人員在操作過程中手臂的稍微抖動(dòng)就會(huì)影響測(cè)量精度和準(zhǔn)確度；回歸方程要以大樣本量的測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，方程的系數(shù)會(huì)因同種植物的品種、生態(tài)型等而變化，應(yīng)用者需要根據(jù)具體的情況對(duì)方程進(jìn)行驗(yàn)證和系數(shù)修正。圖像分析方法技術(shù)性較強(qiáng)，需要操作者具有一定的圖像處理技能，不便于普及。本研究以延安市區(qū)應(yīng)用頻率較高的6種綠化植物為材料，首次采用一種具有較強(qiáng)的圖像處理分析功能、操作簡(jiǎn)便的遙感圖像處理軟件ENVI 5.1來計(jì)算其葉面積，并與傳統(tǒng)的AutoCAD和激光葉面積儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行差異比較，同時(shí)運(yùn)用Auto CAD測(cè)量出6種植物葉片的長(zhǎng)度與寬度，線性回歸出這6種植物的葉面積與葉片長(zhǎng)度與寬度乘積的方程，并驗(yàn)證其可靠性，以期為延安市區(qū)這6種綠化植物的生態(tài)服務(wù)功能估算和生長(zhǎng)發(fā)育狀況監(jiān)測(cè)提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

1.1.1 植物材料

2014年7月18—27日在延安市城市綠地中隨機(jī)選擇生長(zhǎng)良好、無病蟲害、整齊一致的白蠟(FraxinuschinensisRoxb.)、刺槐(RobiniaPseudoacaciaL.)、紫丁香(SyringaoblataLindl.)、五角楓(Acerpictumsubsp. Mono (Maxim.) Ohashi)、銀杏(GinkgobilobaLinn.)和月季(RosachinensisJacq.)6種綠化植物各30～42枚葉片作為試驗(yàn)材料(圖1)，并將葉片按順序編號(hào)帶回實(shí)驗(yàn)室。

圖1　六種延安城市綠化植物的葉片掃描圖片

1.1.2 儀器

包括掃描儀(愛普生Perfection V330，最大分辨率為12 800dpi)，激光葉面積測(cè)量?jī)x(YMJ-B，浙江托普儀器有限公司生產(chǎn)，1 000 mm×160 mm,分辨率1 mm2)，計(jì)算機(jī)(安裝有AutoCAD2007，ENVI5.1等軟件)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

每種植物葉片按形狀大小均勻地分為2組，一組用于葉面積與葉片長(zhǎng)寬乘積方程的擬合，另一組用于擬合方程的檢驗(yàn)。所有植物葉片下襯白色打印紙經(jīng)過掃描儀以1 000dpi像素掃描后，分別采用下文所述方法測(cè)量掃描的葉片面積。每個(gè)葉片每種方法重復(fù)2次，對(duì)3種測(cè)量方法所得結(jié)果進(jìn)行χ2檢驗(yàn)，比較其是否存在顯著差異。運(yùn)用三者中精度最高的方法測(cè)量每枚葉片的長(zhǎng)與寬，擬合出這6種植物的葉面積(LA)與葉片長(zhǎng)寬乘積(L×W)的模型，并對(duì)模型可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過“耗用時(shí)間—葉片形狀指數(shù)曲線”分析葉片形狀與用AutoCAD描繪葉緣輪廓耗時(shí)的關(guān)系。從測(cè)量結(jié)果與測(cè)量速度2個(gè)方面對(duì)AutoCAD與ENVI這2種葉面積測(cè)量方法進(jìn)行比較。

1.3 葉面積測(cè)量方法

1.3.1 激光葉面積儀測(cè)量法

該方法是一種常用的野外快速測(cè)定活體葉片葉面積的方法。大量的預(yù)試驗(yàn)表明，該方法測(cè)定的葉面積誤差較大、精度不高。啟動(dòng)儀器，將待測(cè)葉片放入到探頭倉(cāng)內(nèi)，按下“面積”按鈕即可完成對(duì)葉片面積的測(cè)量，數(shù)據(jù)可以自動(dòng)保存在儀器的內(nèi)存中，可通過數(shù)據(jù)線導(dǎo)出。

1.3.2 AutoCAD測(cè)量法

運(yùn)行AutoCAD2007軟件，以“光柵圖像參照”的方式插入掃描出的植物圖像，新建一個(gè)圖層，用多段線繪圖工具沿葉片邊緣描繪1周，最后輸入“C”(閉合)，然后在命令欄輸入“aa”(面積)，選擇“o”(對(duì)象)，在剛才描繪的葉片邊緣多邊形上任意一處點(diǎn)擊，命令欄就會(huì)出現(xiàn)以mm2為單位的葉片面積值(圖2左圖)。

1.3.3 ENVI測(cè)量法

利用掃描儀獲得植物葉片數(shù)字圖片，運(yùn)用ENVI軟件菜單中的“File”/“Open Image File”打開圖片，在“Available Bands List”(波段列表)上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，再左鍵選擇“Quick Stats…”，得到植物葉片圖像的像素值、像素點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，選擇除背景值255之外的像素?cái)?shù)值的點(diǎn)數(shù)和，即為所測(cè)葉片圖像的像素點(diǎn)數(shù)(圖2右圖)。運(yùn)用葉面積=葉片像素?cái)?shù)×(24.5/分辨率)2[公式(1)]計(jì)算出葉片面積。

圖2　CAD與ENVI測(cè)量五角楓葉面積的主要過程

1.4 數(shù)據(jù)處理與模型評(píng)價(jià)

2 結(jié)果與分析

2.1 葉面積測(cè)量方法比較

表1　葉面積測(cè)量方法多重比較結(jié)果

注：葉面積單位為mm2，精度=1-(標(biāo)準(zhǔn)誤的絕對(duì)值/均值)，不同小寫字母代表在0.05水平上差異顯著，不同大寫字母代表在0.01水平上差異顯著。

表1表明，3種葉面積測(cè)量方法所得結(jié)果僅在刺槐葉片上無顯著差異，在其他5種樹木的葉片中均表現(xiàn)為相似的規(guī)律：葉面積儀測(cè)量法與AutoCAD測(cè)量法及ENVI測(cè)量法之間存在極顯著差異，且測(cè)量結(jié)果高于后兩者、測(cè)量精度低于后兩者；AutoCAD測(cè)量法與ENVI測(cè)量法之間差異不顯著，在精度上前者略高于后者。

ENVI軟件測(cè)量法測(cè)量一枚葉片的平均耗時(shí)為47.5 s而AutoCAD測(cè)量法為139.6 s，并且AutoCAD測(cè)量法的耗時(shí)會(huì)隨葉片邊緣形狀粗糙程度(鋸齒、淺裂等)的增加而增加(圖3)。

2.2 葉片面積與葉片長(zhǎng)寬乘積的線性擬合

葉片面積與葉片長(zhǎng)寬乘積的散點(diǎn)圖和SAS軟件中的回歸分析表明，6種植物的葉面積與葉片長(zhǎng)寬乘積呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系，擬合的6種植物葉面積模型決定系數(shù)(R2)都在0.98以上，概率檢驗(yàn)

結(jié)果都是極顯著的。代入檢驗(yàn)組的數(shù)據(jù)到擬合的葉面積線性方程中，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)、預(yù)測(cè)值的平均相對(duì)殘差與預(yù)測(cè)精度分析表明，這6種植物的葉面積線性方程是可靠的(表2)。

圖3　ENVI軟件測(cè)量法與AutoCAD測(cè)量法耗時(shí)比較

表2　葉面積(Y)與葉片長(zhǎng)寬乘積(X)的線性擬合

注：**代表極顯著。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

在3種葉面測(cè)量方法中，葉面積儀測(cè)量法操作簡(jiǎn)便且不損傷葉片，但是測(cè)量結(jié)果精度不高。ENVI測(cè)量法與葉片掃描的圖像分辨率和圖像背景的純白程度關(guān)系密切，操作簡(jiǎn)便，結(jié)果可靠。AutoCAD測(cè)量法與測(cè)量人員葉邊緣勾繪的細(xì)致程度相關(guān)度高。本文依據(jù)AutoCAD熟練人員(本文第一作者)精確勾繪獲取的植物葉片長(zhǎng)、寬和面積等數(shù)據(jù)擬合出6種延安市區(qū)綠化植物的葉面方程，檢驗(yàn)結(jié)果表明其在各自的定義域范圍內(nèi)是可靠的，可用于延安市區(qū)這6種綠化植物葉面積相關(guān)指標(biāo)的估算和生理特性監(jiān)測(cè)。

3.2 討論

在熟練操作AutoCAD軟件的前提下，在葉面積測(cè)量上，AutoCAD測(cè)量法相對(duì)于ENVI測(cè)量法更為精確。這與程宏等[2]、劉浩等[3]的研究結(jié)果一致。但采用AutoCAD測(cè)量法需要操作人員熟練掌握AutoCAD繪圖技能才能保證結(jié)果盡可能準(zhǔn)確，在描繪葉片邊緣輪廓時(shí)會(huì)多耗用2～3倍的時(shí)間，并且隨著葉緣鋸齒或淺裂數(shù)目的增多和掃描圖像分辨率的提高消耗時(shí)間會(huì)大幅度提高，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)計(jì)算機(jī)卡死的現(xiàn)象。利用ENVI軟件的像素快速統(tǒng)計(jì)技術(shù)可快速和準(zhǔn)確地進(jìn)行離體單片或多片葉面積提取，若結(jié)合郭文川等[23]研發(fā)的借助智能手機(jī)拍照功能，可以實(shí)時(shí)地對(duì)活體植物葉片的面積進(jìn)行測(cè)量。因此，基于ENVI軟件的葉面積測(cè)量法是一種值得推廣的方法。

本研究所選的6種植物葉片在葉緣形狀上有一定的代表性。白蠟代表葉緣具整齊鋸齒先端尖的長(zhǎng)卵形葉，國(guó)槐代表卵狀長(zhǎng)圓形全緣葉，紫丁香代表葉寬大于葉長(zhǎng)、葉尖銳尖的全緣腎形葉，五角楓代表掌狀裂葉，銀杏代表扇形葉，月季代表邊緣銳鋸齒、卵狀長(zhǎng)圓形葉。本研究中得出的葉片面積與葉片長(zhǎng)寬乘積的線性回歸方程決定系數(shù)均較高。這與宿慶連[8]及張秀玲[28]的結(jié)論“葉面積和葉片長(zhǎng)寬乘積的相關(guān)系數(shù)最高”一致。

采用6種植物的葉面積回歸方程可以通過在實(shí)地測(cè)定活體植物的葉片長(zhǎng)度與寬度來間接求算葉片面積，既減少植物損傷，又節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。但是，同一種植物的葉片形態(tài)會(huì)因植物的品種和生態(tài)型不同在葉面積上表現(xiàn)出較大的差異，因此選用回歸方程時(shí)要考慮到植物品種和生態(tài)型的差異以及葉片長(zhǎng)寬乘積的取值范圍。

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Comparison of Leaf Area Measurement Method for Several Commonly Planted Tree Species

Zhang Xinping1,2Dong Jie1Zhang Fangfang3Wang Dexiang2

(1. Shaanxi Vocational & Technical College, Xi’an710100, Shaanxi, China;2. Northwest Agriculture &Forestry University, Yangling 712100, Shaanxi, China;3. Gaoling Branch School, Shaanxi Agricultural Broadcasting and Television school, Gaoling 710200, Shaanxi, China)

Abstract:Fresh leaves of six species of greening plants(Fraxinus chinensis Roxb., Robinia Pseudoacacia L., Syringa oblata Lindl., Acer pictum subsp. mono (Maxim) Ohashi., Ginkgo biloba Linn. And Rosa chinensis Jacq.)in Yan’an City were randomly collected as experimental material, and their leaf area were measured with laser leaf area meter, AutoCAD and ENVI respectively. The statistics comparison suggested that the measurement of laser leaf-area meter came to higher results than AutoCAD and ENVI did, and its accuracy was lowest. AutoCAD and ENVI were not significantly different in the measurement results, but the AutoCAD is higher than ENVI in accuracy. The average elapsed time measuring leaf area through Auto CAD was 139.6 s, 3-4 fold of ENVI measurement. In this paper, the leaf from 6 species of trees were measured for length, width and leaf area by using AutoCAD, and the linear equations of their leaf area were obtained through fitting while correlation coefficient and determination coefficient were extremely significant. Verified results showed that the linear equation ware all reliable and therefore could be used for measuring the area of leaves from the 6 species and estimating the leaf area derived index in Yan’an city.

Key words:leaf area, pixels statistics, regression equation, remote sensing software, Yan’an in Shaanxi

收稿日期：2015年-01-22

*基金項(xiàng)目：國(guó)家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“干旱區(qū)城市森林質(zhì)量評(píng)估及空間配置技術(shù)研究”(201104045)；校本課題“基于地域文化的黃土坡地校園景觀設(shè)計(jì)研究——以陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院校本部為例”(Y1502)

作者簡(jiǎn)介：張新平，講師，博士，研究方向：景觀規(guī)劃與遙感監(jiān)測(cè)，E-mail：jhonxinping81@nwsuaf.edu.cn 通信作者：王得祥，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樯稚鷳B(tài)與森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)，E-mail：wangdx66@sohu.com

DOI：10.3969/j.issn.1672-4925.2016.02.008