庫爾勒香梨果實(shí)生物量圖像解析技術(shù)研究

孟亞賓，盛建東，柴仲平，張文太，劉 茂，丁 闊

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

測定植物生物量的傳統(tǒng)方法有二氧化碳平衡法(氣體交換法)、微氣象場法(晝夜曲線法)、直接收獲法和基于材積轉(zhuǎn)化的生物量模型等[1]，這些分析方法雖然具有較高的檢測精度，但是獲取數(shù)據(jù)的周期長、工作量大[2]、過程繁冗、易破壞植物樣本，而且不能對(duì)植物生物量進(jìn)行全面、快速和實(shí)時(shí)測定。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，圖像處理方法[3-7]在植物無損檢測中的應(yīng)用得到了迅猛發(fā)展。圖像處理軟件Image J是美國國家衛(wèi)生所( National institute of Health，USA)基于Java語言開發(fā)的免費(fèi)圖像處理分析軟件，具備多種圖像處理和分析功能。目前，Image J已經(jīng)在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域得到應(yīng)用，白光紅等[8]通過應(yīng)用Image J 軟件處理數(shù)字圖像測定玉米子粒大小，發(fā)現(xiàn)Image J 軟件處理圖像法更方便快速，可用于玉米等作物種子大小的測量工作；王安皆等[9]確立了基于Image J圖像處理技術(shù)快速、準(zhǔn)確地檢測家蠶一代雜交種的良卵數(shù)和良卵率的新方法；劉智等[10]將Image J軟件成功應(yīng)用于分析水稻胚乳淀粉粒表面幾何特征的工作；畢利東等[11]將Image J軟件成功應(yīng)用于土壤結(jié)構(gòu)特征的分析。本文將圖像處理技術(shù)應(yīng)用于庫爾勒香梨果實(shí)生物量的研究中，旨在為庫爾勒香梨果實(shí)生物量的快速無損檢測提供新方法。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于新疆維吾爾自治區(qū)庫爾勒市恰爾巴格鄉(xiāng)下和什巴格村5隊(duì)的香梨園(41°48′21″N、86°04′22″E)，該香梨園地處天山南麓、塔里木盆地東北邊緣的孔雀河沖積平原上，屬暖溫帶大陸性干旱氣候，冬冷夏熱，降水集中，年雨量較少。年平均氣溫11.4℃，最低氣溫-28℃。年平均降水量58.6mm，年最大蒸發(fā)量2 788.2mm。年總輻射6343 MJ/m2，年總?cè)照諗?shù)2 990h，≥0℃積溫平均為4 700℃，≥10℃積溫4 278℃，無霜期平均為210d，主導(dǎo)風(fēng)為東北風(fēng)[12-13]。香梨園的土壤質(zhì)地為黃潮土，肥力較低。土壤有機(jī)質(zhì)為20.03g/kg，堿解氮68mg/kg，有效磷12.34mg/kg，速效鉀240.53mg/kg。

1.2 試驗(yàn)材料與方案設(shè)計(jì)

供試植株為6～7 a樹齡的香梨植株，株距為5m，行距為6m，平均株高為4.62m。栽培管理措施與當(dāng)?shù)匾话愎麍@相同。香梨的果實(shí)生長期從5月中下旬開始，至9月上旬結(jié)束，依次經(jīng)歷了坐果期(5月中下旬)、膨果期(8月上旬)和成熟期(9月上旬)[14-15]。在8月下旬香梨果實(shí)接近成熟期時(shí)，選擇15株香梨樹，在樹冠中部隨機(jī)選取直徑大小不一的30個(gè)成熟香梨果實(shí)作為試驗(yàn)樣品，在室內(nèi)清洗并自然晾干10分鐘后，用精度為0.02mm的游標(biāo)卡尺測量香梨果實(shí)的橫徑(Dh)、縱徑(Dv)等參數(shù)；并用精度為0.001g的電子天平測量香梨果實(shí)的鮮質(zhì)量(Wf)。

用數(shù)碼相機(jī)(Nikon D700，Japan)采集圖像：用儀器架固定數(shù)碼相機(jī)，將香梨果實(shí)樣品依次放于自制的便攜式背景板(長0.3m，寬0.2m，標(biāo)尺為5cm)上，相機(jī)與果實(shí)的距離為0.30m，選擇自動(dòng)對(duì)焦拍攝模式垂直拍照。見圖1。

圖1 自制便攜式背景板Fig.1 The portable background board by hand-made

把用數(shù)碼相機(jī)采集到的與香梨橫徑成90°角方向的圖像、即從果實(shí)頂部獲取的果實(shí)頂端圖像定義為果實(shí)頂視圖，見圖2；把采集到的與香梨縱徑成90°角方向的圖像、即從果實(shí)側(cè)面獲取的果實(shí)側(cè)面圖像定義為果實(shí)的側(cè)視圖，見圖3。在滿足測量要求的情況下，選擇圖像清晰、顏色鮮明的照片供后期圖像分析，圖片的分辨率為72 dpi。

圖2 香梨果實(shí)頂視圖Fig.2 The top view image of Korla Fragrant Pear

圖3 香梨果實(shí)側(cè)視圖Fig.3 The side view image of Korla Fragrant Pear

將拍照后的香梨果實(shí)在105℃條件下殺青后，在85℃烘干至恒重，測定其干質(zhì)量(Wd)。

在分析圖片之前，使用Photoshop CS5軟件對(duì)圖像中的干擾區(qū)域進(jìn)行預(yù)處理，主要包括圖像的增強(qiáng)、銳化和去除背景等。進(jìn)行預(yù)處理操作是為了使后續(xù)的圖像分析工作更加快速、精確。使用計(jì)算機(jī)圖像處理軟件Image J(v1.46)對(duì)預(yù)處理后的圖像進(jìn)行分析，主要步驟如下：

(1)設(shè)置標(biāo)尺：先選擇“直線工具”對(duì)香梨果實(shí)圖像中面積板上的標(biāo)尺畫出直線，長度與標(biāo)尺重合；然后在設(shè)置比例尺的窗口中，將Known distance設(shè)置為參數(shù)，Unit of length設(shè)置為5cm。設(shè)置完畢后，再用“直線工具”在標(biāo)尺上劃線，如果窗口中顯示的長度與標(biāo)定的距離相同，則證明標(biāo)尺的設(shè)定是正確的。

(2)灰度圖像轉(zhuǎn)換和閾值化：通過“Image→Type→8-bit”的操作，將圖像轉(zhuǎn)換為8位圖像。通過“Image→Adjust→Threshold”的操作，進(jìn)行閾值化處理，得到其二值化圖像。

(3)香梨果實(shí)面積參數(shù)測量：通過“Analyze→Analyze particle”顆粒分析操作，選擇顯示結(jié)果，點(diǎn)擊OK。操作完成后，生成Results和Summary分析結(jié)果窗口。

(4)測量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：將Image J軟件的分析結(jié)果保存為Excel文件。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2010、Image J、SPSS 18等軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，通過公式(1)、(2)和(3)分別獲取果實(shí)參數(shù)的算術(shù)平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)。

公式(1)中，μ為算術(shù)平均值，x為單個(gè)樣品參數(shù)值，N為樣本個(gè)數(shù)。

公式(2)中，σ為標(biāo)準(zhǔn)差，x為樣品參數(shù)值，μ為算術(shù)平均值，N為樣本個(gè)數(shù)。

公式(3)中，Cv為變異系數(shù)，σ為標(biāo)準(zhǔn)差，μ為算術(shù)平均值。Cv值越大說明統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的變化(離散)程度越大。

2 結(jié)果與分析

2.1 香梨果實(shí)參數(shù)的測定

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)可知，測定庫爾勒香梨的參數(shù)主要有，果實(shí)橫徑(Dh)、果實(shí)縱徑(Dv)、果實(shí)頂視面積(St)、果實(shí)側(cè)視面積(Ss)、果實(shí)體積(V)、果實(shí)鮮質(zhì)量(Wf)和果實(shí)干質(zhì)量(Wd)等指標(biāo)，見表1。

表1 香梨果實(shí)參數(shù)表Table 1 Fruit parameters of Korla Fragrant Pear

根據(jù)表1中的香梨果實(shí)參數(shù)，使用室內(nèi)分析法獲取果實(shí)橫徑(Dh)、果實(shí)縱徑(Dv)、果實(shí)鮮質(zhì)量(Wf)、果實(shí)干質(zhì)量(Wd)；使用Image J軟件對(duì)香梨果實(shí)圖像中的果實(shí)頂視面積(St)和果實(shí)側(cè)視面積(Ss)進(jìn)行分析，并獲取其面積；使用排水法測定新鮮果實(shí)的體積(V)。果實(shí)果形參數(shù)和果實(shí)的生物量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 香梨果實(shí)參數(shù)值表(樣品容量 n=30)Table 2 The values of fruit parameters of Korla Fragrant Pear(n= 30)

由表2可知：橫徑(Dh)的平均值為5.66cm，變化范圍為4.82～6.58cm?？v徑(Dv)的平均值為6.59cm，變化范圍在5.10～7.85cm。頂視面積(St)的平均值為35.74cm2，變化范圍為24.70～47.06cm2。側(cè)視面積(Ss)的平均值為40.84cm2，變化范圍在28.35～53.27cm2。體積(V)的平均值為113.07cm3，變化范圍在66～155cm3。鮮質(zhì)量(Wf)的平均值為114.78g，變化范圍在67.60～157.14g。干質(zhì)量(Wd)的平均值為17.80g，變化范圍在10.17～24.91g。按照新疆香梨的分類標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)香梨果實(shí)樣品的單果鮮質(zhì)量大多數(shù)都集中在100～120g范圍內(nèi)，總體水平達(dá)到了一級(jí)香梨的標(biāo)準(zhǔn)[16]。

變異系數(shù)是分析和衡量數(shù)據(jù)離散程度、評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性、均勻性和一致性的標(biāo)準(zhǔn)。其中變異系數(shù)相對(duì)較高的參數(shù)有體積(V)、鮮質(zhì)量(Wf)和干質(zhì)量(Wd)，其變異系數(shù)都達(dá)到18.00％或以上。體積(V)、鮮質(zhì)量(Wf)和干質(zhì)量(Wd)的變異系數(shù)相差不大，分別為20.25％、19.59％和18.66％。其中干質(zhì)量(Wd)的變異系數(shù)與鮮質(zhì)量(Wf)的變異系數(shù)相差0.93個(gè)百分點(diǎn)，可能是果實(shí)中水分等易揮發(fā)物質(zhì)含量不同造成的[17]。頂視面積(St)和側(cè)視面積(Ss)的變異系數(shù)基本相同，可能是頂視面積(St)和側(cè)視面積(Ss)之間存在一定的聯(lián)系，比如都因橫徑(Dh)的大小而影響其面積值。而橫徑(Dh)和縱徑(Dv)變異系數(shù)相對(duì)較低，分別為7.16％和10.45％。橫徑(Dh)和縱徑(Dv)的變異系數(shù)相差3.29個(gè)百分點(diǎn)，橫徑和縱徑的異速生長可能是造成這種情況的原因。

2.2 香梨果實(shí)參數(shù)的相關(guān)性分析

2.2.1 香梨果形參數(shù)的相關(guān)性分析

用Excel 2010、SPSS 18軟件對(duì)香梨果形參數(shù)中的橫徑(Dh)與體積(V)、縱徑(Dv)與體積(V)、頂視面積(St)與體積(V)和側(cè)視面積(Ss)與體積(V)之間的參數(shù)進(jìn)行線性相關(guān)分析，結(jié)果見表3。

表3 香梨果形參數(shù)之間的相關(guān)性分析(樣品容量 n=30)Table 3 Correlation analysis of fruit shape parameters of Korla Fragrant Pear(n = 30)

分析表3可知：香梨果實(shí)的果形相關(guān)性狀參數(shù)之間表現(xiàn)出較高的相關(guān)性。就相關(guān)程度情況來看，具有高相關(guān)性(R＞0.70)的依次是側(cè)視面積(Ss)與體積(V)、頂視面積(St)與體積(V)、橫徑(Dh)與體積(V)、縱徑(Dv)與體積(V)，相關(guān)系數(shù)都在0.70以上。其中相關(guān)性較高的是側(cè)視面積(Ss)與體積(V)，相關(guān)系數(shù)為0.97。其中相關(guān)性較低的是縱徑(Dv)與體積(V)，相關(guān)系數(shù)為0.77。

根據(jù)相關(guān)性分析，可以建立橫徑(Dh)、縱徑(Dv)與體積(V)的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系，但是果實(shí)的頂視面積(St)、側(cè)視面積(Ss)與果實(shí)的體積(V)的相關(guān)系數(shù)分別為0.93、0.97，優(yōu)于橫徑(Dh)、縱徑(Dv)與體積(V)的相關(guān)系數(shù)。通過果實(shí)的頂視面積(St)、側(cè)視面積(Ss)與果實(shí)的體積(V)建立的統(tǒng)計(jì)學(xué)方程更加精確。因此建議使用頂視面積(St)、側(cè)視面積(Ss)來推測果實(shí)的體積(V)。

2.2.2 香梨果實(shí)生物量參數(shù)的相關(guān)性分析

目前，對(duì)生物量的研究一般都是采用易測因子來推測難測因子[18]。在本試驗(yàn)中，果實(shí)的橫徑(Dh)和縱徑(Dv)是最易獲取的因子，其次就是基于圖像分析可獲得的頂視面積(St)和側(cè)視面積(Ss)。在不影響果實(shí)生長的條件下測定其生物量則是相對(duì)困難的。因此，文中嘗試通過橫徑(Dh)、縱徑(Dv)和果形面積(St)等易測因子來建立香梨果實(shí)生物量的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系。

先嘗試通過果實(shí)橫徑(Dh)、縱徑(Dv)和果形面積(St，Ss)等易測因子來建立香梨果實(shí)鮮質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系。用Excel 2010、SPSS 18軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如表4所示。

表4 香梨果形參數(shù)與果實(shí)鮮質(zhì)量的相關(guān)性分析(樣品容量 n=30)Table 4 Correlation analysis of fruit shape parameters and fresh mass of Korla Fragrant Pear(n = 30)

分析表4可知：香梨的各個(gè)果形參數(shù)與鮮質(zhì)量之間表現(xiàn)出了高相關(guān)性。根據(jù)相關(guān)系數(shù)(R)的大小，依次是側(cè)視面積(Ss)與鮮質(zhì)量(Wf)、頂視面積(St)與鮮質(zhì)量(Wf)、橫徑(Dh)與鮮質(zhì)量(Wf)、縱徑(Dv)與鮮質(zhì)量(Wf)。其中相關(guān)性最高的是側(cè)視面積(Ss)與鮮質(zhì)量(Wf)的相關(guān)系數(shù)(R)，達(dá)到了0.99；相關(guān)性較低的是縱徑(Dv)與鮮質(zhì)量(Wf)，相關(guān)系數(shù)(R)為0.78。因此建議使用頂視面積(St)和側(cè)視面積(Ss)來建立推測果實(shí)鮮質(zhì)量(Wf)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方程。

在完成香梨果形參數(shù)(Dh，Dv，St，Ss)與果實(shí)鮮質(zhì)量(Wf)的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系的分析之后，接著嘗試通過果實(shí)橫徑(Dh)、縱徑(Dv)和果形面積(St，Ss)等易測因子來建立香梨果實(shí)干質(zhì)量(Wd)的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系。用Excel 2010、SPSS 18對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果見表5。

表5 香梨果實(shí)的果形參數(shù)與干質(zhì)量的相關(guān)性分析(樣品容量 n=30)Table 5 Correlation analysis of fruit shape parameters and dry mass of Korla Fragrant Pear(n = 30)

分析表5可知：香梨的各個(gè)果形參數(shù)與干質(zhì)量之間表現(xiàn)出了高相關(guān)性。根據(jù)相關(guān)系數(shù)(R)大小，依次是側(cè)視面積(Ss)與干質(zhì)量(Wd)、頂視面積(St)與干質(zhì)量(Wd)、橫徑(Dh)與干質(zhì)量(Wd)、縱徑(Dv)與干質(zhì)量(Wd)。其中相關(guān)性較高的是側(cè)視面積(Ss)與干質(zhì)量(Wd)，相關(guān)系數(shù)(R)為0.96；相關(guān)性較低的是縱徑(Dv)與干質(zhì)量(Wd)，相關(guān)系數(shù)(R)為0.76。

因此，可以通過橫徑(Dh)、縱徑(Dv)與果實(shí)的干質(zhì)量(Wd)建立統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系。但是果實(shí)的頂視面積(St)和側(cè)視面積(Ss)與果實(shí)的干質(zhì)量(Wd)的相關(guān)性更加顯著，相關(guān)系數(shù)(R)分別達(dá)0.94和0.96。因此建議使用頂視面積(St)、側(cè)視面積(Ss)來建立推測果實(shí)干質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)學(xué)方程。

3 結(jié) 論

文中的試驗(yàn)結(jié)果表明，香梨的各果形參數(shù)(Dh、Dv、St、Ss)均可以用來估測其果實(shí)的體積(V)、鮮質(zhì)量(Wf)和干質(zhì)量(Wd)，這與先前的研究結(jié)果[20]是一致的，雖然利用實(shí)測果實(shí)的橫徑(Dh)和縱徑(Dv)來估測果實(shí)的體積(V)、鮮質(zhì)量(Wf)和干質(zhì)量(Wd)的方法是可行的，但考慮到庫爾勒香梨的果實(shí)與其它水果果實(shí)有些不同，具有較為特殊的果形，而且其中畸形果較多，香梨畸形果主要有偏果和突頂果兩種，偏果率達(dá)到7.82％[21]，突頂果率達(dá)到9.52％[22]，這些畸形果會(huì)影響橫徑(Dh)和縱徑(Dv)的實(shí)測結(jié)果，進(jìn)而導(dǎo)致估測結(jié)果存在較大的誤差。因此，通過果實(shí)的果形面積(St、Ss)來估測果實(shí)體積(V，YV＝3.86XSt-24.92，YV＝3.54XSs-31.71)、鮮質(zhì)量(Wf，YWf＝ 3.91XSt- 24.82，YWf＝ 3.56XSs-30.71)和干質(zhì)量(Wd，YWd＝0.56XSt-2.35，YWd＝0.51XSs-3.03)的方法是更優(yōu)的。本試驗(yàn)通過圖像處理方法(Image J軟件)實(shí)現(xiàn)了香梨果實(shí)果形參數(shù)測量工作的精確性、無損性和快速性。

4 討 論

在庫爾勒香梨的實(shí)際種植過程中，一般采用人工分級(jí)和機(jī)械分級(jí)等方法對(duì)果實(shí)進(jìn)行分級(jí)。但是這些傳統(tǒng)方法存在分級(jí)效率低、易損傷果實(shí)等問題，進(jìn)而影響到香梨果實(shí)的產(chǎn)量和品質(zhì)。因此，生產(chǎn)上迫切需要研究一種無損、有效、快速的果實(shí)分級(jí)方法。

通過建立香梨果形參數(shù)與果實(shí)鮮質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)學(xué)方程，使用圖像處理方法(Image J軟件)獲取香梨的果形面積參數(shù)(St，Ss)，并完成基于果實(shí)面積的香梨果實(shí)統(tǒng)計(jì)和篩選，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)中香梨果實(shí)的快速、無損分級(jí)工作，很有現(xiàn)實(shí)意義。在自然生長環(huán)境里和實(shí)際生產(chǎn)上的分級(jí)過程中，大多數(shù)香梨果實(shí)是以頂視角度或側(cè)視角度的狀態(tài)呈現(xiàn)的，這為基于果實(shí)面積參數(shù)(St，Ss)并使用圖像處理方法解決果實(shí)分級(jí)的問題提供了可能性[19]。

在使用Image J軟件對(duì)果實(shí)面積參數(shù)進(jìn)行測量的過程中，設(shè)置Analyze particle面板中的size值，設(shè)置篩選果實(shí)的面積參數(shù)，在show中選擇outline命令，就可以獲取符合篩選標(biāo)準(zhǔn)的果實(shí)個(gè)數(shù)及其果形輪廓的結(jié)果圖。將通過圖像法獲取的個(gè)數(shù)與通過實(shí)測鮮質(zhì)量法獲取符合取樣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的果實(shí)個(gè)數(shù)進(jìn)行比較，經(jīng)過多次重復(fù)試驗(yàn)、對(duì)比和驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)此方法具有較高的精確度。因此，可以將Image J軟件用于香梨果實(shí)的統(tǒng)計(jì)和分級(jí)工作中。

圖4 利用Image J軟件對(duì)香梨果實(shí)分級(jí)過程中的初始圖、二值化圖和分析結(jié)果Fig.4 The original,binaryzation and analysis result images of Korla Fragrant Pear fruits during fruit classi fi cation process based on Image J software

本文采用圖像處理技術(shù)(Image J軟件)建立了估測香梨果實(shí)生物量的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型[23-24]。隨著庫爾勒香梨果實(shí)模型[25]的逐步完善，今后可研發(fā)便攜式固化設(shè)備，對(duì)庫爾勒香梨樹及其他新疆特色果樹的果實(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，以實(shí)時(shí)估測果實(shí)在整個(gè)生長過程中產(chǎn)量的變化情況，并實(shí)現(xiàn)果實(shí)的快速無損分級(jí)目標(biāo)。文中的研究結(jié)果可為新疆特色林果生產(chǎn)提供技術(shù)指導(dǎo)。

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