幾種常用的樹木葉面積測量方法比較*

張新平　董　潔　張芳芳　王得祥

1　陜西職業(yè)技術(shù)學院　西安　710100 2　西北農(nóng)林科技大學　陜西楊凌　712100 3　陜西省農(nóng)業(yè)廣播電視學校高陵分校　陜西高陵　710200

幾種常用的樹木葉面積測量方法比較*

張新平1,2董潔1張芳芳3王得祥2

1陜西職業(yè)技術(shù)學院西安710100 2西北農(nóng)林科技大學陜西楊凌712100 3陜西省農(nóng)業(yè)廣播電視學校高陵分校陜西高陵710200

摘要：以隨機采集的6種延安市區(qū)綠化植物(白蠟、刺槐、紫丁香、五角楓、銀杏和月季)新鮮葉片為材料，分別用激光葉面積儀、AutoCAD和ENVI進行測量。通過統(tǒng)計比較發(fā)現(xiàn)，激光葉面積儀測量結(jié)果平均偏大，精度最低；AutoCAD與ENVI在測量結(jié)果上差異不顯著，但在精度上AutoCAD高于ENVI。AutoCAD測量葉片面積的平均耗時為139.6 s，是ENVI方法的3～4倍。通過AutoCAD測量方法測定以上6種樹木葉片的長度、寬度和葉面積，并擬合出6種樹木的葉面積線性方程，相關(guān)系數(shù)與決定系數(shù)均達到極顯著水平。經(jīng)過驗證，這6個葉面積線性方程均是可靠的，可以用于延安市這6種植物葉片面積的測量和葉面積衍生指標的估算。

關(guān)鍵詞：葉面積，像素統(tǒng)計，回歸方程，遙感軟件，陜西延安

葉面積是一個表征植物生長與發(fā)育狀態(tài)可以度量的特性指標。此外，葉面積這一變量揭示了植物的光捕獲、光合效率、呼吸、蒸騰、結(jié)實、水分平衡以及肥料效應(yīng)等生理特性[1]。因此，反過來，葉面積測量會有助于研究者去澄清植物的生長與發(fā)育狀況以及CO2固定等方面的生理特性。為方便葉面積測量，研究者設(shè)計出了輪廓描繪[2-4]、葉面積儀[5]、回歸方程[6-14]、圖像分析[15-25]等常用方法，然而這些方法在批量樣品葉面積快速精準測量上都存在一定的限制。輪廓描繪與葉面積儀對使用人員的操作技術(shù)水平要求比較嚴格，操作人員在操作過程中手臂的稍微抖動就會影響測量精度和準確度；回歸方程要以大樣本量的測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，方程的系數(shù)會因同種植物的品種、生態(tài)型等而變化，應(yīng)用者需要根據(jù)具體的情況對方程進行驗證和系數(shù)修正。圖像分析方法技術(shù)性較強，需要操作者具有一定的圖像處理技能，不便于普及。本研究以延安市區(qū)應(yīng)用頻率較高的6種綠化植物為材料，首次采用一種具有較強的圖像處理分析功能、操作簡便的遙感圖像處理軟件ENVI 5.1來計算其葉面積，并與傳統(tǒng)的AutoCAD和激光葉面積儀測量結(jié)果進行差異比較，同時運用Auto CAD測量出6種植物葉片的長度與寬度，線性回歸出這6種植物的葉面積與葉片長度與寬度乘積的方程，并驗證其可靠性，以期為延安市區(qū)這6種綠化植物的生態(tài)服務(wù)功能估算和生長發(fā)育狀況監(jiān)測提供參考。

1 試驗設(shè)計與研究方法

1.1 試驗材料與儀器

1.1.1 植物材料

2014年7月18—27日在延安市城市綠地中隨機選擇生長良好、無病蟲害、整齊一致的白蠟(FraxinuschinensisRoxb.)、刺槐(RobiniaPseudoacaciaL.)、紫丁香(SyringaoblataLindl.)、五角楓(Acerpictumsubsp. Mono (Maxim.) Ohashi)、銀杏(GinkgobilobaLinn.)和月季(RosachinensisJacq.)6種綠化植物各30～42枚葉片作為試驗材料(圖1)，并將葉片按順序編號帶回實驗室。

圖1　六種延安城市綠化植物的葉片掃描圖片

1.1.2 儀器

包括掃描儀(愛普生Perfection V330，最大分辨率為12 800dpi)，激光葉面積測量儀(YMJ-B，浙江托普儀器有限公司生產(chǎn)，1 000 mm×160 mm,分辨率1 mm2)，計算機(安裝有AutoCAD2007，ENVI5.1等軟件)。

1.2 試驗設(shè)計

每種植物葉片按形狀大小均勻地分為2組，一組用于葉面積與葉片長寬乘積方程的擬合，另一組用于擬合方程的檢驗。所有植物葉片下襯白色打印紙經(jīng)過掃描儀以1 000dpi像素掃描后，分別采用下文所述方法測量掃描的葉片面積。每個葉片每種方法重復2次，對3種測量方法所得結(jié)果進行χ2檢驗，比較其是否存在顯著差異。運用三者中精度最高的方法測量每枚葉片的長與寬，擬合出這6種植物的葉面積(LA)與葉片長寬乘積(L×W)的模型，并對模型可靠性進行評價。通過“耗用時間—葉片形狀指數(shù)曲線”分析葉片形狀與用AutoCAD描繪葉緣輪廓耗時的關(guān)系。從測量結(jié)果與測量速度2個方面對AutoCAD與ENVI這2種葉面積測量方法進行比較。

1.3 葉面積測量方法

1.3.1 激光葉面積儀測量法

該方法是一種常用的野外快速測定活體葉片葉面積的方法。大量的預試驗表明，該方法測定的葉面積誤差較大、精度不高。啟動儀器，將待測葉片放入到探頭倉內(nèi)，按下“面積”按鈕即可完成對葉片面積的測量，數(shù)據(jù)可以自動保存在儀器的內(nèi)存中，可通過數(shù)據(jù)線導出。

1.3.2 AutoCAD測量法

運行AutoCAD2007軟件，以“光柵圖像參照”的方式插入掃描出的植物圖像，新建一個圖層，用多段線繪圖工具沿葉片邊緣描繪1周，最后輸入“C”(閉合)，然后在命令欄輸入“aa”(面積)，選擇“o”(對象)，在剛才描繪的葉片邊緣多邊形上任意一處點擊，命令欄就會出現(xiàn)以mm2為單位的葉片面積值(圖2左圖)。

1.3.3 ENVI測量法

利用掃描儀獲得植物葉片數(shù)字圖片，運用ENVI軟件菜單中的“File”/“Open Image File”打開圖片，在“Available Bands List”(波段列表)上點擊鼠標右鍵，再左鍵選擇“Quick Stats…”，得到植物葉片圖像的像素值、像素點的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，選擇除背景值255之外的像素數(shù)值的點數(shù)和，即為所測葉片圖像的像素點數(shù)(圖2右圖)。運用葉面積=葉片像素數(shù)×(24.5/分辨率)2[公式(1)]計算出葉片面積。

圖2　CAD與ENVI測量五角楓葉面積的主要過程

1.4 數(shù)據(jù)處理與模型評價

2 結(jié)果與分析

2.1 葉面積測量方法比較

表1　葉面積測量方法多重比較結(jié)果

注：葉面積單位為mm2，精度=1-(標準誤的絕對值/均值)，不同小寫字母代表在0.05水平上差異顯著，不同大寫字母代表在0.01水平上差異顯著。

表1表明，3種葉面積測量方法所得結(jié)果僅在刺槐葉片上無顯著差異，在其他5種樹木的葉片中均表現(xiàn)為相似的規(guī)律：葉面積儀測量法與AutoCAD測量法及ENVI測量法之間存在極顯著差異，且測量結(jié)果高于后兩者、測量精度低于后兩者；AutoCAD測量法與ENVI測量法之間差異不顯著，在精度上前者略高于后者。

ENVI軟件測量法測量一枚葉片的平均耗時為47.5 s而AutoCAD測量法為139.6 s，并且AutoCAD測量法的耗時會隨葉片邊緣形狀粗糙程度(鋸齒、淺裂等)的增加而增加(圖3)。

2.2 葉片面積與葉片長寬乘積的線性擬合

葉片面積與葉片長寬乘積的散點圖和SAS軟件中的回歸分析表明，6種植物的葉面積與葉片長寬乘積呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系，擬合的6種植物葉面積模型決定系數(shù)(R2)都在0.98以上，概率檢驗

結(jié)果都是極顯著的。代入檢驗組的數(shù)據(jù)到擬合的葉面積線性方程中，預測值與實測值的相關(guān)系數(shù)、預測值的平均相對殘差與預測精度分析表明，這6種植物的葉面積線性方程是可靠的(表2)。

圖3　ENVI軟件測量法與AutoCAD測量法耗時比較

表2　葉面積(Y)與葉片長寬乘積(X)的線性擬合

注：**代表極顯著。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

在3種葉面測量方法中，葉面積儀測量法操作簡便且不損傷葉片，但是測量結(jié)果精度不高。ENVI測量法與葉片掃描的圖像分辨率和圖像背景的純白程度關(guān)系密切，操作簡便，結(jié)果可靠。AutoCAD測量法與測量人員葉邊緣勾繪的細致程度相關(guān)度高。本文依據(jù)AutoCAD熟練人員(本文第一作者)精確勾繪獲取的植物葉片長、寬和面積等數(shù)據(jù)擬合出6種延安市區(qū)綠化植物的葉面方程，檢驗結(jié)果表明其在各自的定義域范圍內(nèi)是可靠的，可用于延安市區(qū)這6種綠化植物葉面積相關(guān)指標的估算和生理特性監(jiān)測。

3.2 討論

在熟練操作AutoCAD軟件的前提下，在葉面積測量上，AutoCAD測量法相對于ENVI測量法更為精確。這與程宏等[2]、劉浩等[3]的研究結(jié)果一致。但采用AutoCAD測量法需要操作人員熟練掌握AutoCAD繪圖技能才能保證結(jié)果盡可能準確，在描繪葉片邊緣輪廓時會多耗用2～3倍的時間，并且隨著葉緣鋸齒或淺裂數(shù)目的增多和掃描圖像分辨率的提高消耗時間會大幅度提高，有時還會出現(xiàn)計算機卡死的現(xiàn)象。利用ENVI軟件的像素快速統(tǒng)計技術(shù)可快速和準確地進行離體單片或多片葉面積提取，若結(jié)合郭文川等[23]研發(fā)的借助智能手機拍照功能，可以實時地對活體植物葉片的面積進行測量。因此，基于ENVI軟件的葉面積測量法是一種值得推廣的方法。

本研究所選的6種植物葉片在葉緣形狀上有一定的代表性。白蠟代表葉緣具整齊鋸齒先端尖的長卵形葉，國槐代表卵狀長圓形全緣葉，紫丁香代表葉寬大于葉長、葉尖銳尖的全緣腎形葉，五角楓代表掌狀裂葉，銀杏代表扇形葉，月季代表邊緣銳鋸齒、卵狀長圓形葉。本研究中得出的葉片面積與葉片長寬乘積的線性回歸方程決定系數(shù)均較高。這與宿慶連[8]及張秀玲[28]的結(jié)論“葉面積和葉片長寬乘積的相關(guān)系數(shù)最高”一致。

采用6種植物的葉面積回歸方程可以通過在實地測定活體植物的葉片長度與寬度來間接求算葉片面積，既減少植物損傷，又節(jié)約經(jīng)濟成本。但是，同一種植物的葉片形態(tài)會因植物的品種和生態(tài)型不同在葉面積上表現(xiàn)出較大的差異，因此選用回歸方程時要考慮到植物品種和生態(tài)型的差異以及葉片長寬乘積的取值范圍。

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Comparison of Leaf Area Measurement Method for Several Commonly Planted Tree Species

Zhang Xinping1,2Dong Jie1Zhang Fangfang3Wang Dexiang2

(1. Shaanxi Vocational & Technical College, Xi’an710100, Shaanxi, China;2. Northwest Agriculture &Forestry University, Yangling 712100, Shaanxi, China;3. Gaoling Branch School, Shaanxi Agricultural Broadcasting and Television school, Gaoling 710200, Shaanxi, China)

Abstract:Fresh leaves of six species of greening plants(Fraxinus chinensis Roxb., Robinia Pseudoacacia L., Syringa oblata Lindl., Acer pictum subsp. mono (Maxim) Ohashi., Ginkgo biloba Linn. And Rosa chinensis Jacq.)in Yan’an City were randomly collected as experimental material, and their leaf area were measured with laser leaf area meter, AutoCAD and ENVI respectively. The statistics comparison suggested that the measurement of laser leaf-area meter came to higher results than AutoCAD and ENVI did, and its accuracy was lowest. AutoCAD and ENVI were not significantly different in the measurement results, but the AutoCAD is higher than ENVI in accuracy. The average elapsed time measuring leaf area through Auto CAD was 139.6 s, 3-4 fold of ENVI measurement. In this paper, the leaf from 6 species of trees were measured for length, width and leaf area by using AutoCAD, and the linear equations of their leaf area were obtained through fitting while correlation coefficient and determination coefficient were extremely significant. Verified results showed that the linear equation ware all reliable and therefore could be used for measuring the area of leaves from the 6 species and estimating the leaf area derived index in Yan’an city.

Key words:leaf area, pixels statistics, regression equation, remote sensing software, Yan’an in Shaanxi

收稿日期：2015年-01-22

*基金項目：國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專項“干旱區(qū)城市森林質(zhì)量評估及空間配置技術(shù)研究”(201104045)；校本課題“基于地域文化的黃土坡地校園景觀設(shè)計研究——以陜西職業(yè)技術(shù)學院校本部為例”(Y1502)

作者簡介：張新平，講師，博士，研究方向：景觀規(guī)劃與遙感監(jiān)測，E-mail：jhonxinping81@nwsuaf.edu.cn 通信作者：王得祥，教授，博士生導師，研究方向為森林生態(tài)與森林可持續(xù)經(jīng)營，E-mail：wangdx66@sohu.com

DOI：10.3969/j.issn.1672-4925.2016.02.008