基于漫水填充算法的葉面積儀研制

董曉華， 趙 喬， 蘇中波， 彭 濤，劉 冀，李英海，蘇 歡， 方燕琴，李 璐，姚著喜

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2. 水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430072)

綠色植物進行光合作用的主要場所是葉片，其強弱直接取決于植物葉面積的大小，葉面積的大小從另一個角度也反映了植物對太陽光的利用效率,植物群體葉面積或葉面積指數(shù)的大小是決定光合作用產(chǎn)物數(shù)量的重要指標(biāo)[1]，在一定程度上衡量了群落的結(jié)構(gòu)。同時葉片還是植物進行蒸騰作用與外界進行水汽交換的重要場所,葉面積的大小反映了植物與外界水汽交換能力的強弱[2,3]。在如今水資源短缺的背景下，如何準(zhǔn)確獲取作物需水量，制定科學(xué)合理的灌溉方式顯得尤為重要。有些植物葉片還有一定的吸收能力，比如根外施肥、施藥，大多都是利用植物葉片這一特性完成的。另外還有少數(shù)葉片具有繁殖功能，比如多肉植物、馬鈴薯等，都可以通過扦插的方式進行繁殖。因此，準(zhǔn)確方便地進行葉面積測量，對指導(dǎo)作物栽培密度和施肥水平、調(diào)整群體結(jié)構(gòu)以及提高肥料利用率以獲得高產(chǎn)有重要意義，同時也對蟲病災(zāi)情的準(zhǔn)確預(yù)警和采取合理的保護措施有重要的參考價值。

葉面積的測量方法有很多種，按照測量方式不同可以分為儀器測量法和人工測量法。測量目的和精度要求不同往往選擇的測量方法也不同，其中儀器測量主要包括葉面積儀法、求積儀法和圖像處理法；人工測量方法主要是坐標(biāo)紙法、稱重法、參數(shù)法、回歸分析法、圖形分解法等[1-7]。根據(jù)測量要求選擇不同的測量方法。人工測量方法大多需要離體測量，且測量過程中人為因素對測量結(jié)果影響較大，測量原理較為簡單，但過程較為繁瑣，工作量大，耗時多，效率低且易出錯，重復(fù)性也不高。一般只能作精度要求不高的測量。儀器測量法降低了人為誤差，加快了測量效率，提高了測量精度，且降低了測量難度。但現(xiàn)行的葉面積儀主要還是通過光電掃描原理[8]，比較光源發(fā)出的光和通過葉片衰減后的光信號來確定葉面積的大小，這無疑增加了自然光對測量結(jié)果的影響，且不同顏色的葉片對光的衰減強度也不一樣。這些都降低了葉面積的測量精度。本文在研究傳統(tǒng)葉面積儀的基礎(chǔ)上，結(jié)合葉面積儀和圖像處理法的優(yōu)點，提出了一種基于漫水填充原理的葉面積儀，該葉面積儀具有測量精度高、速度快、適用性強等優(yōu)點，且成本低便于推廣。

1 葉面積儀的實現(xiàn)

本文所提葉面積儀主要硬件由中央控制模塊、圖像采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和人機交互模塊組成。其中，中央控制模塊主要由單片機、復(fù)位電路、時鐘電路和存儲器及其電路構(gòu)成。主要功能是控制外圍原件的操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集、計算、存儲和傳輸功能，是整個儀器的核心部分；圖像數(shù)據(jù)的采集由接觸式圖像感應(yīng)裝置(CIS)來完成[9,10]；數(shù)據(jù)傳輸模塊主要實現(xiàn)單片機和計算機之間數(shù)據(jù)的傳輸；人機交互模塊主要包括一塊液晶顯示屏和按鍵，用于用戶選擇、查看數(shù)據(jù)、設(shè)置相關(guān)參數(shù)等。主要硬件結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 葉面積儀總體硬件結(jié)構(gòu)

中央控制模塊選用C8051F040單片機[11]，該單片機是集成在一塊芯片上的混合信號系統(tǒng)級單片機，芯片上有1個12位多通道ADC，2個12位DAC，2個電壓比較器，1個電壓基準(zhǔn)，1個32 KB的Flash存儲器，與MCS-51指令集完全兼容的高速CIP-51內(nèi)核，峰值速度可達25 MIPS，并且還有硬件實現(xiàn)的UART串行接口和完全支持CAN2.0A和CAN2.0B的CAN控制器。圖像采集模塊采用C2R108-6378型CIS傳感器，主要包括一個透鏡陣列、一組LED光源和一列線性MOS圖像傳感器。模塊結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 圖像采集模塊結(jié)構(gòu)

2 工作原理

該葉面積儀就是通過CIS接觸式圖像感應(yīng)裝置獲取葉片信息，然后掃描得到的葉片圖像經(jīng)過中央控制模塊的拼合、正規(guī)化、平滑化、二值化和噪聲處理等過程[12]，將處理完后的圖像運用漫水填充算法，找出葉片內(nèi)的所有有效像素點。則葉片面積(S)就是葉片內(nèi)像素點個數(shù)(N)與單個像素點面積(s)的積，即S=Ns。各像素點間的最大距離即為葉片的長度，在與長度垂直的線中最長的即為葉片的寬度，周長即為圖像最外圍像素點間的連線的長度。

2.1 算法的實現(xiàn)

本文所述葉面積儀測量理論基礎(chǔ)是基于漫水填充原理[13,14]，漫水填充(Floodfill)是一種比較常見的區(qū)域填充法，主要適用于圖像內(nèi)填充區(qū)域像素灰度值相近而其與非填充區(qū)像素灰度值相差較大的區(qū)域。其基本原理是，指定種子點(填充區(qū)內(nèi)任一像素點)，然后比較與種子點相連通的像素點的灰度值，如果灰度值相近則將其填充(見圖3)，然后將填充后的像素點作為新的種子點反復(fù)判斷，直到找出所有圖像內(nèi)像素或達到圖像邊界。

圖3 漫水填充原理

2.2 主要代碼

while (points.Count> 0)

Point p = points.Pop();

img[p.Y, p.X] = fillColor;

if (p.X> 0 &&img[p.Y, p.X - 1] == backColor)

img[p.Y, p.X - 1] = fillColor;

points.Push(new Point(p.X - 1, p.Y));

if (p.X

img[p.Y, p.X + 1] = fillColor;

points.Push(new Point(p.X + 1, p.Y));

if (p.Y> 0 &&img[p.Y - 1, p.X] == backColor)

img[p.Y - 1, p.X] = fillColor;

points.Push(new Point(p.X, p.Y - 1));

if (p.Y

img[p.Y + 1, p.X] = fillColor;

points.Push(new Point(p.X, p.Y + 1));

3 實驗驗證

對于本文所述的葉面積儀實際測量效果，本文采用實驗對比，即對不同形狀的葉片采用傳統(tǒng)葉面積測量方法和本文所述的葉面積法對比，并以圖像處理法的結(jié)果為基準(zhǔn)。另外為檢測所述葉面積儀的測量范圍，本文采用葉面積儀法和圖像處理法對不同長寬的10片竹葉進行了對比試驗。

3.1 實驗材料

取不同葉形的葉片各10片，其中帶形葉(也叫線形，葉片狹長，長度約為寬度的5倍以上)10片，扇形葉10片，橢圓形葉10片，共計30片。其中帶形葉選用竹葉，扇形葉選用銀杏樹葉，橢圓形葉選用樟樹葉。

3.2 測量方法

(1)稱重法。稱重法包括打孔稱重法和紙板稱重法，打孔稱重法即通過在葉片上打孔，稱量孔的重量，然后通過孔的面積換算出葉片面積；紙板稱重法則用質(zhì)地均勻的紙來替代孔從而避免葉片重量分布不均的影響，本文采用紙板稱重法來測算面積。

將葉片平鋪在質(zhì)地均勻的A4紙上，用鉛筆沿葉邊緣準(zhǔn)確地描繪出葉片并用剪刀剪下葉片紙樣，稱量葉片紙樣和A4紙質(zhì)量，則葉片面積(S)=葉片樣紙質(zhì)量/A4紙質(zhì)量×21×29.7 cm2。

(2)坐標(biāo)紙法。將葉片平鋪于一定大小的方格紙(最小方格的規(guī)格為1 mm×1 mm)上，用鉛筆指出葉片圖形，或?qū)⑼该鞣礁窦?膜)平壓在葉片上，統(tǒng)計葉片(圖形)所占方格數(shù)(葉緣處達到或超過半格的則計數(shù)，不足半格的舍去)。則葉面積(S)=方格數(shù)×每個小方格面積。

(3)圖像處理法。利用掃描儀或數(shù)碼相機獲取葉片圖像，形成指定存儲格式(JPG)的圖像文件，采用Adobe Photoshop等圖像處理軟件調(diào)入圖像文件，用套索工具選取葉片輪廓，在圖像菜單直方圖中查取葉片的像素個數(shù)，依據(jù)分辨率計算單個像素的面積，像素數(shù)乘以單個像素的面積得出葉片的面積。

將實驗所測得的葉面積數(shù)據(jù)導(dǎo)入到spss軟件中進行相關(guān)性分析。采用Excel 軟件整理和統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，并作表、作圖。

4 結(jié)果分析

4.1 不同測量方法準(zhǔn)確性比較分析

3種葉形各10片葉片分別采用稱重法、坐標(biāo)紙法、圖像處理法、葉面積儀法進行測量，并以圖像處理法作為基準(zhǔn)，測量結(jié)果見圖4～圖6。3種葉片形狀差異較大，不同測量方法測量的結(jié)果也存在一定的差異。在樟樹和竹子的葉面積測量中平均葉面積表現(xiàn)為：坐標(biāo)紙法>稱重法>葉面積儀法>圖像處理法，兩種葉片測量的相對誤差依次為8.9%、6.7%、0.37%和5.1%、4.8%、0.49%；在銀杏的測量過程中表現(xiàn)為平均葉面積：稱重法>坐標(biāo)紙法>葉面積儀法>圖像處理法，相對誤差依次為13%、7.9%、0.55%。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因為坐標(biāo)紙法和稱重法為人工測量方法，存在一定的人為誤差，在不規(guī)則葉片測量，坐標(biāo)紙法的誤差更為明顯。

圖4 不同測量方法測定樟樹葉面積

圖5 不同測量方法測定竹葉葉面積

圖6 不同測量方法測定銀杏葉面積

4.2 葉面積儀可重現(xiàn)性分析

在3種葉形的葉片中各取一片作為可重現(xiàn)性分析對象，用葉面積儀分別重復(fù)測量10次葉面積，結(jié)果見圖7。相同測量條件下，每次測得的葉面積也存在微小差異，其中葉面積儀在測量樟樹葉面積時變異最小，變異系數(shù)僅為0.7%。曲線趨于水平，重現(xiàn)性很好。在測量竹葉和銀杏時變異系數(shù)為1.4%和>1.6%。出現(xiàn)此現(xiàn)象的主要是由于實驗材料導(dǎo)致的，試驗中所用的竹葉和銀杏樹也都比較小，且大小變化較大。

圖7 葉面積儀可重現(xiàn)性研究

4.3 不同測量方法相關(guān)性分析

以圖像處理法測得的葉面積為標(biāo)準(zhǔn)，采用稱重法、坐標(biāo)紙法、葉面積儀法測得供試葉片面積，應(yīng)用成對分析法對測量值進行相關(guān)分析，結(jié)果見表1～表3，這幾種測量方法在實驗所述的3種葉形的葉面積的測定中都表現(xiàn)出較高的相關(guān)性，均達到極顯著水平，說明這幾種方法都適用于葉面積的測量，同時也驗證了本文所提葉面積儀的可行性。葉面積儀法和圖像處理法的相關(guān)系數(shù)最大，高達0.999；稱重法和圖像處理法的相關(guān)系數(shù)其次，0.996左右；坐標(biāo)法與圖像處理法的相關(guān)系數(shù)相對小一些，約0.98。

表1 樟樹葉面積不同測量方法相關(guān)性分析

表2 竹子葉面積不同測量方法相關(guān)性分析

表3 銀杏葉面積不同測量方法相關(guān)性分析

4.4 葉面積儀測量范圍研究

利用所述葉面積儀和圖像處理法分別對10片不同大小的竹葉葉面積及長寬測量，以圖像處理法為基準(zhǔn)，定義葉片長寬為能剛好裝下葉片的矩形的長和寬。2種方法測量的結(jié)果見表 4。結(jié)果表明，本文所述的葉面積儀在各種長寬條件下的精度都很好，但長度的測量普遍大于圖像處理法的，主要由于圖像處理法一般人為去除葉柄，而葉面積儀尤其是活體葉面積儀無法完全避免葉柄的影響，寬度的測量基本與圖像處理法一致；由于儀器本身大小的限制，目前該儀器所能測量的最大寬度即為掃描儀的長度，約20 cm左右。對測量葉片的長度沒有限制。

5 結(jié) 語

本文提出了手持式活體葉面積儀，其測量原理采用漫水填充算法，采用單片機編程實現(xiàn)圖像的采集、面積計算和數(shù)據(jù)傳輸。通過與傳統(tǒng)葉面積測定方法對比分析，結(jié)果表明所述的葉面積儀在葉片面積測量過程中準(zhǔn)確度較高，誤差基本保持在0.55%左右。多次重復(fù)測量單一葉片面積，表明葉面積儀重現(xiàn)性極高，變異系數(shù)都低于5%。滿足測量精度，對葉片長度和寬的測量也基本滿足要求。由于儀器大小限制目前可測量最大寬度約20 cm左右，對葉片長度沒要求，可以作為實際測量。但本文僅對3種葉形進行了實驗，且并未分析葉片顏色對測量結(jié)果的影響。要想充分分析出該葉面積儀的性能還需要更進一步的討論。

表4 不同大小葉片面積及長寬對比

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