劉 鵬，徐家生，郭青云，戴小華,2,?，鐘八蓮,2，付蘇芳

(1.贛南師范大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院；2.國(guó)家臍橙工程技術(shù)研究中心，江西 贛州 341000)

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·園藝科學(xué)與生物技術(shù)·

基于WinFolia的植物病蟲(chóng)害葉片圖像分析*

劉 鵬1，徐家生1，郭青云1，戴小華1,2,?，鐘八蓮1,2，付蘇芳1

(1.贛南師范大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院；2.國(guó)家臍橙工程技術(shù)研究中心，江西 贛州 341000)

應(yīng)用WinFolia葉面圖像分析系統(tǒng)測(cè)量病蟲(chóng)害為害的葉片總面積及受害面積等多個(gè)參數(shù).該方法具備計(jì)算速度快、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、效率高、操作方便、精度高等優(yōu)點(diǎn)，并可同時(shí)獲得多個(gè)葉片的數(shù)據(jù)，對(duì)于不規(guī)則葉片更顯其優(yōu)越性，在病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)和損失評(píng)估中具備更良好的應(yīng)用前景.

病蟲(chóng)害；葉面積；圖像分析；WinFolia

葉片是植物重要組成部分，作為光合作用主要場(chǎng)所的葉片提供植物體內(nèi)約90%的干物質(zhì)[1].葉片大小會(huì)影響光合作用，進(jìn)而影響植物的生長(zhǎng)、果實(shí)的發(fā)育和品質(zhì)，葉面積是葉片大小的重要參考標(biāo)準(zhǔn)，而病蟲(chóng)害則會(huì)造成葉片面積的損失，葉片總面積及受損面積的測(cè)定對(duì)研究植物的生物學(xué)特性和指導(dǎo)生產(chǎn)均具有重要意義[2-3].因此，建立方便、快速、準(zhǔn)確的葉面積測(cè)定方法，對(duì)于調(diào)整群體結(jié)構(gòu)、充分利用光熱資源，對(duì)于指導(dǎo)作物栽培密度、合理施肥及病蟲(chóng)害防治以獲得作物高產(chǎn)有重要的意義[4-5].盡管日前常規(guī)的葉面積測(cè)定方法已有多種，但這些測(cè)定方法都有不同的局限性，近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)字圖像采集設(shè)備的發(fā)展，基于數(shù)字圖像測(cè)量植物葉面積的方法被廣泛應(yīng)用[6-10]，主要應(yīng)用于識(shí)別病蟲(chóng)害的類型，如譚峰等[11]采用圖像處理和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)辨別大豆的病蟲(chóng)害類別.此外，謝春燕等[12]運(yùn)用圖像和光譜信息設(shè)計(jì)病蟲(chóng)害葉片監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，吳達(dá)科等[13]利用圖像處理技術(shù)找出適用于蟲(chóng)害檢測(cè)的圖像處理算法，計(jì)算斑潛蠅蟲(chóng)害葉片的破損率，結(jié)果精確，但過(guò)程復(fù)雜，耗時(shí)長(zhǎng)，針對(duì)大批量的葉片分析時(shí)受到限制.本研究應(yīng)用WinFolia葉面圖像分析系統(tǒng)軟件測(cè)量葉片總面積及受害面積等參數(shù)，推斷病蟲(chóng)害為害程度，并總結(jié)其優(yōu)缺點(diǎn)，為農(nóng)林業(yè)病蟲(chóng)害防治提供數(shù)據(jù)支持.

1 材料與方法

葉片采樣于贛南師范大學(xué)校園內(nèi)和怡風(fēng)果園采集各種受害葉片.為了防止葉片失水，采樣完畢后將葉子按物種裝在封口塑料袋里，并帶回實(shí)驗(yàn)室.將上述葉片用掃描儀掃描后，用WinFolia圖像處理軟件處理葉片，測(cè)定出葉長(zhǎng)、葉寬、周長(zhǎng)、葉面積、縱橫比、形狀系數(shù)和健康比等一列葉片參數(shù)，并記錄測(cè)定數(shù)據(jù)與分析測(cè)定.

2 結(jié)果分析

2.1 單葉片蟲(chóng)害測(cè)定

將四種蟲(chóng)害植物高粱泡、山綠豆、輪環(huán)藤、木荷圖像導(dǎo)入WinFolia葉面圖像分析系統(tǒng)，用一種顏色填充受害部分，使健康部分和受害部分區(qū)別明顯(圖1).選取健康部分和背景部分的代表顏色，點(diǎn)擊分析，得出數(shù)據(jù)(表1).不同植物葉片的形狀、面積各不相同：四種植物中高粱泡的葉片面積最大；四種植物形狀系數(shù)在0.2到0.8之間，輪環(huán)藤葉片最接近圓形(形狀系數(shù)接近1表明葉片更接近圓形，接近0則表明葉片更接近長(zhǎng)形)；四種植物的健康度都大于50%，但是山綠豆的健康度最小，為52.8%.本研究中，窗食對(duì)葉片的危害程度最大(即健康度最小)，線性潛食對(duì)葉片危害最小(即健康度最大).傳統(tǒng)的測(cè)量方法也能用于葉面積的測(cè)量，但在葉片周長(zhǎng)等的測(cè)量方面存在較大的困難，特別是對(duì)于不規(guī)則形狀的葉片.

圖1 四種蟲(chóng)害類型葉片處理前后的圖像(A 高粱泡，B 山綠豆，C 輪環(huán)藤，D 木荷；字母后面的數(shù)字，1為處理前，2為處理后)

蟲(chóng)害類型外食高粱泡(刻食) 山綠豆(窗食)潛食輪環(huán)藤(線斑) 木荷(線狀)葉面積A(cm2)50．7325．017．5341．16寬度(cm)9．727．253．6712．55實(shí)際寬度(cm)6．665．332．528．09葉片長(zhǎng)度(cm)8．774．72．995．09參數(shù)周長(zhǎng)(cm)54．5926．011．0232．12長(zhǎng)寬比1．111．541．232．47形狀系數(shù)0．240．460．780．5健康度%60．552．865．387．8

2.2 多葉片的危害度測(cè)定

選擇三種植物小葉桉、爬山虎、樟樹(shù)具有代表性的病害葉片，將多片病害葉片有規(guī)則的擺放一起，掃描得到圖像(圖2)，導(dǎo)入WinFolia葉面圖像分析系統(tǒng).標(biāo)記受害部分的顏色，點(diǎn)擊其中任意一張葉片，都會(huì)出現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的一組數(shù)據(jù)，分別點(diǎn)擊爬山虎的單個(gè)葉片，得到爬山虎不同葉片的參數(shù)(表2)，直接圈定圖像中的所有葉片，分析即可得到多葉片的平均參數(shù)值(表3).三種植物中，小葉桉的葉片最接近圓形，面積最小，但受害程度最大，爬山虎的葉片面積最大，受害程度很小.本方法能夠快速獲得大量葉片的形態(tài)參數(shù)，直接得出平均值.

表2 爬山虎不同葉片圖像參數(shù)

表3 三種植物葉片圖像的平均參數(shù)值

圖2 三種植物受害葉片(從左至右依次為小葉桉樹(shù)、樟樹(shù)、爬山虎)

3 結(jié)論與討論

同現(xiàn)有的測(cè)量葉面積方法如激光葉面積法、紙重法、打孔稱重法、系數(shù)法、干重法、鮮重法、方格法相比，圖像分析測(cè)定結(jié)果重復(fù)性好 ,測(cè)定結(jié)果更為穩(wěn)定[14].WinFolia圖像分析系統(tǒng)可實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確的進(jìn)行多種不同葉片形狀、不同昆蟲(chóng)取食狀、不同病斑的面積測(cè)量，用顏色填充法還原葉面輪廓，大多數(shù)情況下，偏差很小，已經(jīng)滿足實(shí)際應(yīng)用的精度要求，計(jì)算過(guò)程由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，而且這些數(shù)據(jù)直接保存在電腦上，減少了輸入和校對(duì)的工作，也可以避免錄入的錯(cuò)誤[15].同時(shí)能解決一些手工測(cè)定難以解決的問(wèn)題，可避免傳統(tǒng)方法中由于人與人之間的認(rèn)識(shí)差異及視覺(jué)疲勞帶來(lái)的影響，在節(jié)約勞動(dòng)力，降低主觀錯(cuò)誤方面有很大的潛力[16].對(duì)于大量的葉面積和受害面積測(cè)量工作，WinFolia圖像分析系統(tǒng)可同時(shí)測(cè)量分析多葉片的功能尤為明顯，同時(shí)還能測(cè)定葉面積之外，葉長(zhǎng)、葉寬、葉周長(zhǎng)和受害(健康)葉面積及其所占比例等多個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù). 目前WinFolia圖像處理系統(tǒng)只能測(cè)定離體的葉子，不能像掃描測(cè)定法便攜式葉面積儀可以實(shí)現(xiàn)植物葉子的原位無(wú)損測(cè)定，且系統(tǒng)操縱者需要一定的知識(shí)基礎(chǔ)，儀器價(jià)格比較昂貴，一定程度上限制了使用范圍[14]，這是掃描測(cè)定方法的不足之處.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，這些缺點(diǎn)將被克服，葉片圖像處理系統(tǒng)會(huì)有更廣泛的應(yīng)用空間，為農(nóng)林業(yè)病蟲(chóng)害防治和昆蟲(chóng)取食行為[17]提供更高效的數(shù)據(jù)支持.

(致謝：贛南師范大學(xué)潛葉昆蟲(chóng)研究組各位同學(xué)協(xié)助標(biāo)本采集制作、掃描葉片和整理寄主植物等工作)

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WinFolia-based Image Analysis of Plant Leaves Damaged by Pests and Diseases

LIU Peng1, XU Jiasheng1, GUO Qingyun1, DAI Xiaohua1,2, ZHONG Balian1,2, FU Sufang1

(1.SchoolofLifeandEnvironmentalSciences,GannanNormalUniversity;2.NationalNavel-orangeEngineeringResearchCenter,Ganzhou341000,China)

WinFolia leaf analysis system was adopted to measure leaf image parameters including total leaf area and damaged leaf area on damaged leaves by pests and diseases. WinFolia-based image analysis of damaged plant leaves had the following advantages: (1) Fast calculation speed, precise data, high efficiency, easy operation and high accuracy; (2) Suitable for any destructive measurements of leaves, especially for irregular leaves; (3) lower labor costs and lower subjective errors; (4) besides leaf area, other parameters including leaf length, leaf width, leaf perimeter and the ratio of damage leaf area could be measured; (5) The data of many leaves could be obtained at once. WinFolia system should have a better perspective in the monitoring and loss assessment of diseases and pests.

pests and diseases; leaf area; image analysis; WinFolia

2016-10-26

10.13698/j.cnki.cn36-1346/c.2016.06.020

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31260116)；江西省青年科學(xué)家培養(yǎng)對(duì)象計(jì)劃資助(20133BCB23026)；江西省柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位專家(JXARS-07-病蟲(chóng)害防控)；江西省教育廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(GJJ151010)；江西省博士后科研擇優(yōu)資助項(xiàng)目(2016KY21)

劉鵬(1993-)，男，江西贛州人，贛南師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院碩士研究生，研究方向：潛葉昆蟲(chóng)和昆蟲(chóng)生態(tài)學(xué).

? 通訊作者：戴小華(1973-)，男，福建長(zhǎng)汀人，贛南師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院教授，博士，研究方向：潛葉昆蟲(chóng)和昆蟲(chóng)生態(tài)學(xué).

http://www.cnki.net/kcms/detail/36.1037.C.20161209.1515.038.html

S43；TP183

A

1004-8332(2016)06-0081-03