田　玉，蔡海燕，牟金貴，王明秋，劉曉東*

（1.河北省農(nóng)林科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，河北省蔬菜工程技術(shù)研究中心，河北　石家莊　050051；2.河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息與經(jīng)濟(jì)研究所，河北　石家莊　050051）

數(shù)字化圖像處理精確計(jì)量植物葉面積方法的研究

田玉1，蔡海燕2，牟金貴1，王明秋1，劉曉東1*

（1.河北省農(nóng)林科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，河北省蔬菜工程技術(shù)研究中心，河北石家莊050051；2.河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息與經(jīng)濟(jì)研究所，河北石家莊050051）

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，不規(guī)則圖形面積的計(jì)算方法愈加成熟。分別利用像素法和方格法，同時(shí)對(duì)20個(gè)黃瓜品系的葉面積進(jìn)行了測(cè)量；并以方格法的測(cè)量結(jié)果為對(duì)照，對(duì)像素法的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了精度分析。結(jié)果表明：像素法對(duì)黃瓜葉片面積測(cè)定結(jié)果的變異系數(shù)為0.05%～0.10%、均值為0.07%，＜方格法測(cè)量結(jié)果的變異系數(shù)（0.51%～1.11%）和均值（0.82%），像素法測(cè)定結(jié)果更加穩(wěn)定。且與數(shù)碼相機(jī)拍攝取樣法相比，像素法具有成像穩(wěn)定、無(wú)縮放無(wú)變形不受到拍攝角度、對(duì)焦情況限制的優(yōu)點(diǎn)，還可以在活體上直接測(cè)量，大大減輕田間工作量。像素法是1種廣適性、精度高的葉面積測(cè)量方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。

植物；葉面積；數(shù)字化；測(cè)量方法

葉片是植物進(jìn)行光合作用、蒸騰降溫的主要器官［1，2］，研究葉面積對(duì)獲取作物的光合速率、生長(zhǎng)狀況、生理生化指標(biāo)、農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)等指標(biāo)具有重要意義［3～5］，在指導(dǎo)遺傳育種和栽培技術(shù)方面作用更加明顯［6～10］。傳統(tǒng)的葉面積精量計(jì)算方法有手工計(jì)數(shù)方格法［1，2，4］和等腰三角形法［4］，基于密度重量比的紙稱重法［1，4］和鮮重法［1，4］，借助感官依靠葉面長(zhǎng)寬面積求取的縮值系數(shù)法［1，2］，以及借助光電面積儀［4］、激光面積儀［4］和求積儀［1，4］等儀器的測(cè)算法。隨著科技的發(fā)展，以數(shù)碼相機(jī)拍照輔以計(jì)算機(jī)圖像處理的測(cè)算技術(shù)得到了迅速發(fā)展，成為精準(zhǔn)計(jì)算物體面積的主要手段［11～20］。計(jì)算機(jī)信息技術(shù)利用了數(shù)字照片以點(diǎn)（像素）記錄照片的原理，通過計(jì)量單位面積的像素?cái)?shù)，兩者相除就可得到準(zhǔn)確的葉面積數(shù)據(jù)。然而在開發(fā)過程中，存在著單位換算復(fù)雜、照片縮放比例不一的問題，每次用相機(jī)拍完圖像均需要相應(yīng)的參照并計(jì)算出縮放比例才能計(jì)算葉面積，給試驗(yàn)過程帶來(lái)極大不便。而科研儀器市場(chǎng)上應(yīng)用的植物圖像分析儀、平板電腦拍照智能葉面積儀、手持葉面積儀等均存在測(cè)量面積小的缺陷，其最大的葉面取樣面積僅為600 cm2左右，在對(duì)葉面積較大的植物如黃瓜、茄子等進(jìn)行活體葉面積測(cè)量時(shí)帶來(lái)很大不便。因此，急需研究適合多用途的葉面積測(cè)量方法。本研究以方格計(jì)數(shù)法為對(duì)照，實(shí)際測(cè)量黃瓜品系的葉面積，深入分析像素法測(cè)量葉面積的精準(zhǔn)性，旨為有關(guān)農(nóng)業(yè)科研中進(jìn)行智能測(cè)量葉面積提供技術(shù)支持。

1　材料與方法

1.1材料與設(shè)備

1.1.1材料測(cè)試植物為20個(gè)黃瓜品系，每個(gè)品系取1片葉片。

1.1.2設(shè)備硬件設(shè)備有垂直升降架1臺(tái)、筆記本電腦（或臺(tái)式機(jī)）1臺(tái)、高影儀（方正HD1000）1臺(tái)、置物臺(tái)（乳白色不透明PC板，尺寸40cm×50cm）1個(gè)；軟件設(shè)備有高影儀圖片采集軟件、Photoshop CS和Excel軟件。

1.1.2.1設(shè)備組裝與連接將垂直升降架固定于置物臺(tái)（邊長(zhǎng)50 cm）中間位置，將高影儀固定在升降架上（圖1）。在計(jì)算機(jī)上安裝高影儀的驅(qū)動(dòng)程序與配套軟件，以及圖片采集、Photoshop CS和Excel軟件，然后與高影儀連接。

圖1　計(jì)算機(jī)與高影儀相連示意圖Fig.1　Electronic equipment connection diagram

1.1.2.2原尺寸照片成像調(diào)節(jié)。為了保證拍攝的照片與實(shí)物尺寸一致，需要對(duì)高影儀的拍攝高度進(jìn)行調(diào)節(jié)。以已知尺寸的規(guī)則物體為對(duì)照物，將攝像頭高度調(diào)節(jié)至拍攝的照片尺寸與對(duì)照物一致為止。本試驗(yàn)以身份證（8.56 cm×5.40 cm）為對(duì)照物拍攝照片對(duì)攝像頭高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至所拍攝的身份證照片尺寸為8.56 cm×5.40 cm。取A4紙（21.0 cm×29.7 cm）1張，以直尺測(cè)量實(shí)際尺寸，用高影儀試拍，檢測(cè)成像尺寸數(shù)據(jù)與原物尺寸吻合度。

1.2方法

分別采用方格法和像素法對(duì)參試黃瓜品系的葉片進(jìn)行葉面積測(cè)定。以方格法測(cè)定結(jié)果為對(duì)照，驗(yàn)證像素法測(cè)定結(jié)果的穩(wěn)定性與精準(zhǔn)性。

1.2.1方格法該方法采用特定面積（1 cm×1 cm）的方格填充葉面的平面投影區(qū)域，不足半格的部分不統(tǒng)計(jì)，大于半格的部分按1格統(tǒng)計(jì)，每個(gè)樣本進(jìn)行3次重復(fù)測(cè)定，以3次測(cè)定結(jié)果的平均值作為該品系的葉面積值。

1.2.2像素法利用數(shù)字圖像的成像原理，即總像素?cái)?shù)除以單位面積（1 cm2）像素?cái)?shù)，就可獲得相應(yīng)圖形的面積。計(jì)算公式為：

S=N/P2

式中，S：葉面積（cm2）；N：測(cè)量葉片的像素?cái)?shù)（個(gè)）；P：圖片分辨率（個(gè)/cm）。

1.2.2.1葉片數(shù)字圖像的采集。將采集的黃瓜葉片放置于置物臺(tái)上，運(yùn)行方正高影儀軟件進(jìn)入圖像采集系統(tǒng)，出現(xiàn)對(duì)話框（圖2）。其中，“工程目錄”為數(shù)字圖像的存儲(chǔ)位置，“工程名”為存儲(chǔ)文件夾的名稱。本研究以測(cè)定黃瓜葉面積為例，“工程名”定為“黃瓜葉面積”，然后單擊“新建”按鈕。進(jìn)入圖像采集系統(tǒng)后，放在置物臺(tái)上的圖片會(huì)顯示在屏幕的正中間（圖3）。然后單擊右下角的“拍攝”按鈕，攝像頭會(huì)自動(dòng)對(duì)焦后拍攝葉片的數(shù)字圖片，此圖片的尺寸與原葉片尺寸相一致。拍攝照片后，會(huì)在左邊欄內(nèi)出現(xiàn)已拍攝照片的預(yù)覽圖，左鍵選取然后右鍵單擊選擇最下面的“導(dǎo)出文件”，彈出對(duì)話框（圖4），文件格式可選，一般選擇“JPEG”格式，文件命名可選擇“序號(hào)”在“黃瓜葉面積”后標(biāo)注材料的田間號(hào)，確認(rèn)存儲(chǔ)目錄地址后單擊“導(dǎo)出”，即可將照片導(dǎo)出。

圖2　高影儀初始新建文件夾對(duì)話框Fig.2　New folder dialog of overhead projector

圖3 數(shù)字圖像的拍攝Fig.3　Capture the leaf digital image

圖4　數(shù)字圖像的導(dǎo)出存儲(chǔ)Fig.4　Export and storage the digital image

1.2.2.2葉面像素?cái)?shù)據(jù)的獲得。打開圖片存儲(chǔ)的文件夾，找到獲取的數(shù)字圖片（圖5），然后打開。打開方式有3種：（1）鼠標(biāo)右鍵單擊圖片，左鍵單擊“打開方式”，選擇Adobe Photoshop CS程序，即可進(jìn)入圖片編輯軟件（圖6）；（2）打開AdobePhotoshop CS程序，選擇“打開”，在對(duì)話框按照?qǐng)D5的存儲(chǔ)地址打開；（3）用左鍵單擊拖動(dòng)圖5中的圖標(biāo)到桌面上的Adobe Photoshop CS圖標(biāo)，即可打開。

圖5　拍攝圖片的存儲(chǔ)位置Fig.5　Storage location of image captured by overhead projector

圖6　在Photoshop CS程序中打開圖像Fig.6　Open the image in adobe photoshop CS program

在左側(cè)控制面板選擇“魔術(shù)棒”工具，鼠標(biāo)左鍵單擊葉片外面的白色區(qū)域，此時(shí)選擇的是葉片以外的區(qū)域；然后單擊菜單欄“選擇→反選”即可將選擇區(qū)域鎖定為葉片（圖7）。此時(shí)需去除葉柄面積，在左側(cè)控制面板選擇“矩形選框”工具，按鍵盤Alt鍵，左鍵在圖片上去除葉柄的選區(qū)，最終只剩下葉片區(qū)域。

圖7 選取葉片區(qū)域Fig.7　Select area of leaf

1.2.2.3獲取葉片區(qū)域的像素?cái)?shù)據(jù)。鼠標(biāo)單擊菜單欄“窗口→直方圖”，效果如圖8所示。打開直方圖后會(huì)在右側(cè)出現(xiàn)“直方圖”的面板，如圖9a所示，顯示“像素：77207”，此時(shí)選中葉片區(qū)域的像素?cái)?shù)值有相當(dāng)一部分仍存儲(chǔ)于系統(tǒng)的“高速緩存”中，需要點(diǎn)擊右上角的

圖8　調(diào)取直方圖的控制面板Fig.8　Open histogram control panel

圖9　直方圖圖像選區(qū)的信息指示框Fig.9　Indication box of histogram of select area of image

！，將“高速緩存”中的像素值釋放出來(lái)，效果如圖9b所示；“像素：1235026”，該數(shù)值為選中黃瓜葉片區(qū)域的像素值，即：N=1 235 026。

1.2.2.4單位面積像素?cái)?shù)據(jù)的獲得。單擊菜單欄“編輯→拷貝”，然后單擊菜單欄“文件→新建”彈出1個(gè)新建對(duì)話框（圖10），其中，“分辨率”欄顯示值為P值，即P=47.24。需注意的是右側(cè)的“分辨率計(jì)數(shù)單位”復(fù)選框，包括“像素/英寸”和“像素/厘米”2種單位，要選擇為“像素/厘米”；否則，仍需后期進(jìn)行單位換算。

根據(jù)公式S=N/P2，計(jì)算得到黃瓜的葉片面積S= 553.42 cm2，即該黃瓜品系的葉面積為553.42 cm2。

圖10 新建對(duì)話框Fig.10　New image dialog

2　結(jié)果與分析

分別利用像素法和方格法對(duì)20個(gè)黃瓜品系的葉面積進(jìn)行測(cè)量，匯總結(jié)果（表1）顯示，像素法測(cè)定的葉片面積均＞方格法測(cè)定結(jié)果；像素法對(duì)黃瓜葉片面積測(cè)定結(jié)果的變異系數(shù)為0.05%～0.10%，均值為0.07%，均＜方格法測(cè)量得到結(jié)果的變異系數(shù)（0.51%～1.11%）和均值（0.82%）。表明像素法的測(cè)定結(jié)果較方格法更加穩(wěn)定。

利用方格法在測(cè)定葉面積時(shí)，由于對(duì)面積＜1/2方格的部分忽略不計(jì)，且測(cè)定結(jié)果受到方格標(biāo)準(zhǔn)以及人為取舍等因素的影響，3次重復(fù)測(cè)定的結(jié)果存在較大差距，因此，變異系數(shù)較大。

表1　2種方法測(cè)量的黃瓜葉面積平均值與變異系數(shù)Table 1　Data of cucumber leaf area based on two measure methods

3　結(jié)論與討論

方格法等傳統(tǒng)方法測(cè)量葉面積時(shí)，需要人為將葉邊緣拓在方格紙上，在此過程中葉面平整度、筆的傾斜程度等因素都會(huì)造成操作誤差。另外，依據(jù)方格法測(cè)定規(guī)則，＜方格面積1/2的葉片面積部分忽略不計(jì)，可能會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)一部分面積未被列入計(jì)數(shù)的結(jié)果，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏小；而在葉片＞方格面積1/2時(shí)，又可能會(huì)產(chǎn)生計(jì)數(shù)結(jié)果大于實(shí)際葉面積情況的發(fā)生。多種因素綜合影響，使得方格法的葉面積測(cè)量結(jié)果與實(shí)際的葉面積結(jié)果產(chǎn)生一定的偏差。

而像素法測(cè)量葉面積是基于位圖圖像成像原理，數(shù)字圖像采集設(shè)備的分辨率對(duì)葉面積的計(jì)算并不產(chǎn)生影響［22］。該方法取得的數(shù)據(jù)均來(lái)自于計(jì)算機(jī)軟件讀取，只要操作方法一定，一般得到的測(cè)定數(shù)據(jù)會(huì)比較準(zhǔn)確。像素法測(cè)量葉面積所用儀器設(shè)備與現(xiàn)有測(cè)量葉面積的儀器設(shè)備如植物圖像分析儀、平板電腦拍照智能葉面積儀、葉手持葉面積儀等對(duì)比，采用了垂直升降架，可以通過調(diào)節(jié)高度控制攝像頭的取像區(qū)域，從而擴(kuò)大探測(cè)范圍，突破其他儀器設(shè)備測(cè)量葉面積的上限。該套設(shè)備采用了呈乳白色、不透明、毛面的置物臺(tái)，增大了葉片與背景的對(duì)比度，便于確定葉片邊緣，同時(shí)避免了強(qiáng)烈直射光線的鏡面反射對(duì)攝像頭的影響。且與數(shù)碼相機(jī)拍攝取樣法相比，具有成像穩(wěn)定、無(wú)縮放無(wú)變形不受到拍攝角度、對(duì)焦情況限制的優(yōu)點(diǎn)，且可在活體上直接測(cè)量，大大減輕田間工作量，是1種廣適性、精度高的葉面積測(cè)量方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Study on the Method of Measuring Leaf Area of Plant by Digital Image Processing

TIAN Yu1，CAI Hai-yan2，MU Jin-gui1，WANG Ming-qiu1，LIU Xiao-dong1*
（1.Institute of Cash Crops of Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Hebei Province Engineering Research Center for Vegetables，Shijiazhuang 050051，China；2.Institute of Agricultural Information and Economy，Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Shijiazhuang 050051，China）

With the development of information technology，the calculation of irregular figure area becomes more and more mature.The leaf area of 20 cucumber varieties were measured by pixel method and grid method respectively，then the accuracy of the measurement results was analyzed with the measurement results of the square method as control.The results showed that the variation coefficient of cucumber leaf area measured by pixel method was 0.05%-0.10%，and the mean value was 0.07%，and which of leaf area measured by grid method were 0.51%-1.11%and 0.82%，the result of pixel method was more stable.Compared with the sampling method of digital camera，the pixel method has the advantages of image stabilization，no scaling，no deformation and not subject to shooting angle and focus restrictions，it can directly measure in vivo and greatly reduce the workload of the field.Pixel method is a kind of wide applicability，high precision measurement method for leaf area，and has broad application prospects.

Plant；Leaf area；Digitization；Measuring method

S126

A

1008-1631（2016）03-0104-05

2015-12-29

河北省財(cái)政廳財(cái)政專項(xiàng)（F12R08023）；河北省農(nóng)林科學(xué)院青年基金項(xiàng)目（A2015050103）

田玉（1988-），男，河北石家莊人，研究實(shí)習(xí)員，農(nóng)業(yè)推廣碩士在讀，主要從事黃瓜育種研究。E-mail：nkytianyu@126.com。

劉曉東（1979-），男，河北晉州人，副研究員，碩士，主要從事大白菜、黃瓜育種研究。E-mail：liuxiaodongme@126.com。