趙青華，楊朝柱，劉二喜，覃 宇，潘婭妮

(1.恩施州農(nóng)業(yè)科學(xué)院，湖北 恩施 445000；2.湖北省魔芋種子種苗工程技術(shù)中心，湖北 恩施 445000；3.湖北省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新中心鄂西綜合試驗站，湖北 恩施 445000)

基于圖像處理非破壞性精確測量魔芋小葉面積

趙青華，楊朝柱*，劉二喜，覃 宇，潘婭妮

(1.恩施州農(nóng)業(yè)科學(xué)院，湖北 恩施 445000；2.湖北省魔芋種子種苗工程技術(shù)中心，湖北 恩施 445000；3.湖北省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新中心鄂西綜合試驗站，湖北 恩施 445000)

魔芋屬半蔭生植物，其單生葉片是地上部分唯一的器官，精準、無損測定魔芋葉面積是研究其生理功能、人工栽培改善群體結(jié)構(gòu)、增加產(chǎn)量的前提.以葉形指數(shù)相似的橢圓為標尺，離體和活體采集圖像，利用Image Pro-Plus 6.0分析，研究了光照、曝光值、旋轉(zhuǎn)角度、傾斜角度、相機分辨率、拍攝距離、位置等因素對魔芋小葉面積測定精度的影響.結(jié)果表明：橢圓面積作為標尺，可消除圖像變形引起的誤差，光照強度不低于200k Lux，傾斜角度0～8°，分辨率不低于80萬像素，離體測定相對誤差小于0.60%，非破壞性活體測定相對誤差低于1.00%.該方法簡單、精確度高，為動態(tài)監(jiān)測魔芋葉面積參數(shù)提供方便.

魔芋；小葉面積；非破壞性測量；葉形指數(shù)；圖像處理

葉片是植物重要的生物學(xué)器官，是截獲光源進行CO2固定和光合原初反應(yīng)的場所、同化物積累的“源”，同時也是蒸騰作用和呼吸作用的關(guān)鍵部位.葉面積大小是反應(yīng)植物生長發(fā)育、預(yù)測生產(chǎn)能力和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人工調(diào)控的重要指標.因此，精確測量葉面積是植物光合生理、群體結(jié)構(gòu)和冠層生理等研究基礎(chǔ)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)作用[1-2].測定葉面積的方法較多，有網(wǎng)格法、復(fù)印稱重法、比重法、描輪廓稱重法、葉面積儀法、圖像處理法、模型預(yù)測法等，各有利弊，數(shù)字圖像處理法和非破壞性法是葉面積測定的發(fā)展趨勢[3-12].

魔芋是我國西南山區(qū)重要的園藝作物，屬天南星科魔芋屬多年生草本植物，種類繁多，其葉片屬大型復(fù)葉，通常一個生長周期和一個生長季節(jié)只發(fā)生一片葉，地面的部分為葉，通過葉柄與地下球莖相連，另一端與三全裂葉相連，不同種類小葉葉形和面積差異較大，有橢圓、倒卵圓等形狀，珠芽魔芋、西盟魔芋、滇魔芋和悠樂魔芋小葉面積大，疣柄魔芋和甜魔芋次之，花魔芋、白魔芋及其衍生種較小.小葉奇數(shù)羽狀互生排列或二次羽狀或二岐分裂后羽狀排列，全緣，漸尖，基部下延成鰭狀[13].魔芋起源于熱帶叢林底層，屬典型的半蔭生植物，小葉形狀、大小受種類、著生部位、光照、水肥影響較大[13].Patel等[14]用疣柄魔芋的1個裂片面積建模預(yù)測全株葉面積，相關(guān)系數(shù)達到0.93以上，李雁鳴等[15]用校正系數(shù)法預(yù)測葉面積，與實際誤差較大，黑田俊朗回歸分析花魔芋小葉面積，基部小葉和頂端小葉回歸系數(shù)分別為0.617和0.537，用花魔芋、白魔芋和“鄂魔芋1號”(花魔芋×白魔芋雜交選育的品種)[16]小葉長×寬回歸分析，發(fā)現(xiàn)不同品種和單株其回歸系數(shù)不同.由此可見，很難用統(tǒng)一模型精確的估算魔芋葉面積，因此，建立魔芋葉面積快速、無損和精確測量方法，對于深入研究與葉面積相關(guān)的生理功能、群體結(jié)構(gòu)動態(tài)演變和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)意義重大.

1 材料與方法

1.1魔芋

花魔芋(Amorphophalluskonjac)，白魔芋(Amorphophallusalbus)以及二者雜交后代“鄂魔芋1號”(A.konjac×A.albuscv.‘Emoyu 1 hao’)，種植于恩施州農(nóng)業(yè)科學(xué)院高新示范園30目防蟲網(wǎng)室(Alt.=490 m)，70%遮陰，常規(guī)管理.

1.2主要儀器設(shè)備

Cannon Image CLASS MF4010B掃描打印一體機，E1200點易拍(1 000萬像素)，Oppo7 plus手機相機(1 200萬像素)，Epson stylus Photo R330噴墨打印機，Smart Sensor As813光照計，LS160II萊塞激光數(shù)顯傾斜角度測定儀，厚度3 mm有機玻璃板.

1.3標準面積樣品制作

用CorDraw軟件，以px為單位繪制圓形(R=400 px)、橢圓形(R1=566 px，R2=283 px)、長方形(L=502 px，W=251 px)、正方形(SL=355 px)，線條寬度0.5 mm，圖形等距離居中排列，根據(jù)統(tǒng)計3種魔芋小葉長寬比值位于1.7～3.0之間(每個種n=30)，因此長方形和橢圓的長軸與短軸比值為2.為便于測定旋轉(zhuǎn)角度，中間用垂直的十字架標記.用A4紙張，8位灰度300 dpi、JPG格式導(dǎo)出，將圖形導(dǎo)入Image Pro-Plus 6.0(IPP6.0)軟件，測定標準圖形面積.再將圖片導(dǎo)入A4 Word文檔，保持圖形大小一致，用Epson噴墨打印機高質(zhì)量打印，沿圖形距邊界約 2 mm剪下，然后用300 dpi100%比例灰度掃描，導(dǎo)入IPP軟件計算面積，換算成cm2，以掃描儀正中、上、下、左、右5個位點的平均值作為標準樣品的面積.

1.4小葉面積測定

將已知面積的標準圖放置魔芋小葉中央，以色差較大的白色作為背景，以有機玻璃壓平，用點易拍3 724×2 806分辨率灰度模式拍照，將圖片導(dǎo)入IPP6.0軟件，選取測定部位自動測定像素值，面積A葉片(cm2)=Pixels葉片/Pixels標樣×A標樣.以300 dpi掃描獲得的面積作為實際面積.

2 結(jié)果與分析

2.1幾種測定方法的比較

選取5片魔芋小葉(鄂魔芋1號)，采用傳統(tǒng)復(fù)印剪紙稱重法、描輪廓法、掃描法和拍照法進行測定，如表1所示.拍照法與掃描法十分接近，相對誤差僅為0.2%，而復(fù)印稱重法與其他3種方法差異達到極顯著水平，復(fù)印稱重法獲得結(jié)果偏高，這與復(fù)印后增加了油墨質(zhì)量以及吸潮有關(guān)，改進后直接描輪廓稱重法與實際值接近，與前人結(jié)果相似[4-5].由此可見，拍照法是精確測定魔芋葉面有效方法.

2.2圖像處理法測定魔芋小葉面積的影響因素

用已知面積的圖形為標準(見表2)測定小葉面積，四種標樣差異不顯著，相對誤差不超過0.30%，都可以用作測定標尺，但橢圓和長方形相對誤差更小(見表3).橢圓與葉片形狀相似，因此用相對較大橢圓作為標樣測定葉面積時易于將其限定于葉緣之內(nèi).

表1 幾種測量葉面積方法比較

注:大寫字母表示達到極顯著差異水平(Plt;0.001).

表2 掃描法測定的標樣面積*

注：*：300dpi掃描，Area=像素/(300dpi×300dpi)×2.54×2.54；**：葉片為“鄂魔芋1號”小葉(下同).

表3 不同標樣測定的魔芋葉片面積

圖1 光線強度對魔芋葉片像素和面積的影響(自動曝光)Fig.1 Effect of light intensity on pixels and area of leaflet (automatic exposure)

光照強度300Lux，auto表示自動曝光，hand表示手動曝光圖2 曝光值對魔芋葉片像素和面積的影響Fig.2 Effect of exposure value on pixels and area of leaflet

圖3 旋轉(zhuǎn)角度對魔芋葉片像素和面積的影響(自動曝光，下同)Fig.3 Effect of rotation angle on pixels and area of leaflet (automatic exposure,the same as below)

圖4 位置對魔芋葉片像素和面積的影響Fig.4 Effect of location on pixels and area of leaflet

圖5 傾斜角度對魔芋葉片像素和面積的影響(自動曝光)Fig.5 Effect of angle of inclination on pixels and area of leaflet

以橢圓作為標尺，長軸與短軸同葉片平行，用點易拍拍照，研究了光照、曝光值、位置、旋轉(zhuǎn)角度、傾斜角度、拍攝距離以及分別率對葉片像素和面積的影響，室內(nèi)環(huán)境自動曝光或用可調(diào)劑光強的日光燈進行補光，3次重復(fù)，實驗結(jié)果見圖1～7.曝光度和光照強度主要影響圖像的明暗程度，拍攝時圖片較暗，邊界相對模糊，其像素值偏高，光照強度低于200 Lux和曝光值低于-5或高于-2時，圖片效果較差，輸入IPP軟件不能自動識別；勾選自動曝光后，光照強度對像素的影響不大；與之相反，隨光照強度和曝光值增加，面積有增加的趨勢，這可能與受光不均勻有關(guān)，但相對誤差小于0.37%，勾選自動曝光后，面積相對誤差不超過0.2%.旋轉(zhuǎn)角度對像素和面積影響一致，垂直方向較大，面積的相對誤差不超過0.18%，不同位置像素和面積也有變化，面積相對誤差不超過0.16%，可能與橫向和垂直的分辨率以及鏡頭角度等機械誤差有關(guān)，掃描時位置也有同樣影響.像素與底板的傾斜角度呈正向線性關(guān)系，與鏡頭距離呈負相關(guān)，傾斜角度超過5°時，面積有增加趨勢，相對誤差不超過0.37%；距離超過25 cm后，面積趨于穩(wěn)定，相對誤差不超過0.15%，而距離為13 cm時，相對誤差為0.53%.分別率越大，像素越高，低于80萬像素時，邊界出現(xiàn)斷點，放大后圖像不夠清楚，80～1 000萬像素，面積相對誤差不超過0.21%，但存儲空間隨像素增加而增大.

圖6 拍攝距離對魔芋葉片像素和面積的影響Fig.6 Effect of distance on pixels and area of leaflet

圖7 拍攝分辨率對魔芋葉片像素和面積的影響(自動曝光)Fig.7 Effect of camear resolution on pixels and area of leaflet

研究過程中還發(fā)現(xiàn)，利用IPP軟件測定，以線性標尺參照，標尺的位置、放置方向、圖像分辨率、圖像的明暗程度等對標定影響較大，同時增加人為判定所導(dǎo)致的誤差.以分界清晰，顏色差異明顯的平面圖形作為參照和底色，通過自動勾選邊界，消除光照強度、曝光度、位置、分辨率和變焦等影響，為非破壞性活體精確測定魔芋葉面積奠定了基礎(chǔ).

2.3非破壞性測量魔芋葉面積

以普通相機(Oppo 7 plus，1 200萬像素)，用白色泡沫板為底色，橢圓標尺粘在3 mm有機玻璃上，標尺長軸與主葉脈平行，位于葉片近中點，壓平，采用不同焦距近似垂直拍照3次，測定3種魔芋頂端小葉面積，以300 dpi掃描測定作為實際面積，結(jié)果見表4.該方法測定的不同長寬比小葉面積的精度高，且焦距影響小，相對誤差不到1.0%，同時發(fā)現(xiàn)，葉形指數(shù)(葉片的長寬比)[3]對精度影響較大，越接近標尺比例，相對誤差越小，因此，測定過程中還可以根據(jù)葉片實際情況調(diào)整橢圓標尺的大小和長寬比例.隨機活體測定3種魔芋各5片小葉，相對誤差為0.04%～0.50%(見表5).由此可見，該方法重復(fù)性好，精度高.

表4 橢圓標樣活體測定3種魔芋頂端小葉面積

表5 橢圓標樣活體拍照隨機測定不同魔芋5片小葉面積

3 結(jié)論與討論

圖8 鄂魔芋1號2個單株小葉面積線性回歸分析(n=30)Fig.8 Correlation between leaflet area and width×length in 2 separate plant of cv.‘Emoyu 1 hao’(n=30)

魔芋是我國西南高海拔和高原山區(qū)特色作物，光飽和點、補償點和凈光合速率低，屬典型半蔭生作物(semi-shading crop)[13,17-21].因此，增加葉面積和比葉面積系數(shù)、提高光合效率和延長光合時間是栽培措施改善庫源關(guān)系、發(fā)揮增產(chǎn)潛力的主攻方向[17-21].魔芋葉片大小、小葉數(shù)量受光照條件、種芋大小和年齡影響大，不同種屬、品種及個體葉形指數(shù)(長/寬)也有差異，回歸系數(shù)不同(見圖8、圖9)，不同部位小葉回歸系數(shù)也不一致，矯正系數(shù)法測定的相對誤差達到10%以上，因此很難用統(tǒng)一的模型進行預(yù)測[14-15].數(shù)字圖像處理法測定精度高，但受采集條件光照強度和受光均勻、曝光值、拍攝角度焦距遠近以及圖像變形程度等影響.

圖9 花魔芋(左)和白魔芋(右)小葉面積回歸分析(n=30，單株)Fig.9 Correlation between leaflet area and product of width and length in 2 separate plants of A.konjac(left) and A.albus(right)(n=30)

以葉面積性狀指數(shù)近的已知面積的橢圓作為參照，色彩差異較大的底色，普通相機采集圖像，利用經(jīng)典的生物學(xué)分析軟件Image Pro-Plus處理，可以消除圖像變形、光線不均、明暗度、距離、角度以及相機長寬分辨率差異等影響，精確測量魔芋小葉面積，活體測量相對誤差低于1.0%，本結(jié)果為研究魔芋葉面積動態(tài)變化、光合生理和栽培調(diào)控奠定了基礎(chǔ).在實際測量過程中，橢圓的面積可根據(jù)葉片大小進行調(diào)整，中心十字架還可以作為精確測量葉形指數(shù)的標尺.

魔芋葉片(leaf blade)屬大型復(fù)葉，由5至幾百片小葉(leaflet)組成，可以通過測定所有小葉的面積求和獲得整個葉片的面積，但工作量較大，且基部葉片著生點葉眿粗壯，不易壓平，因此，多點參照或以測定少量葉片后以此為參照獲得整株葉面積信息是下一步研究的方向.

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責(zé)任編輯：高山

PreciseandNon-destructiveMeasurementofKonjac(AmorphophallusBlume)LeafletAreaBasedonImageProcessingMethod

ZHAO Qinghua,YANG Chaozhu*，LIU Erxi,QIN Yu,PAN Yani

(1.Academy of Agricultural Sciences of Enshi Autonomous Prefecture,Enshi 445000,China; 2.Engineering Technology Center of Konjac Seed amp; Seedlings of Hubei Province,Enshi 445000,China; 3.Comprehensive Experimental Station of Western Hubei Province,Agricultural Science amp; Technology Innovation Center,Enshi 445000,China)

Konjac(Amorphophallusblume)is a semi-shading plant with single compound leaf blade on the ground.Precise and non-destructive measurement of Konjac(AmorphophallusBlume)leaflet area is a prerequisite to study its physiological function,improve the population structure in artificial cultivation and increase the output.In this paper,taking the eclipse similar to the leaf index as the standard,conducting in vitro and in vivo collection of the image and using Image Pro-Plus 6.0 for analysis,we studied the effects of light,exposure value,rotation angle,angle of inclination,camera resolution,shooting distance and position on precise measurement of Konjac leaflet area.The results indicated that using elliptical area as standard could eliminate the errors caused by the image distortion,and the light intensity should be no less than 200k Lux,the angle of inclination is between 0～8°,the resolution is no less than 800,000 pixels,the relative error of in vitro measure is less than 0.60% and the relative error of non-destructive in vivo measure is less than 1.00%.As a simple,precise and non-destructive method,it is easy to dynamically monitor the parameters of theAmorphophallusblumeleaflet area.

Konjac(Amorphophallusblume);leaflet area;non-destructive measurement;leaf index;image processing

2017-08-25.

湖北省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新中心項目(2016-620-000-001-062)；2017年湖北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)特色產(chǎn)業(yè)競爭性立項項目(鄂農(nóng)計發(fā)【2017】1號)；湖北省鄂西民族專項(2016AKB048).

趙青華(1978-)，女，高級農(nóng)藝師，主要從事魔芋品種遺傳改良的研究；*

：楊朝柱(1972-)，男，博士，正高職高級農(nóng)藝師，主要從事魔芋品種選育與技術(shù)推廣的研究.

1008-8423(2017)04-0361-05

10.13501/j.cnki.42-1569/n.2017.12.001

S632.3

A