基于Photoshop軟件測量植物葉面積的白紙背景法

李任輝， 趙仲輝，2，3， 李家湘

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 湖南 長沙 410004；2.南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室， 湖南 長沙 410004；3.湖南會同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站， 湖南 會同 418307；4.中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院， 湖南 長沙 410004)

基于Photoshop軟件測量植物葉面積的白紙背景法

李任輝1， 趙仲輝1，2，3， 李家湘4

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 湖南 長沙 410004；2.南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室， 湖南 長沙 410004；3.湖南會同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站， 湖南 會同 418307；4.中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院， 湖南 長沙 410004)

運用葉面積和背景白紙面積的比等于葉面積和背景白紙所占的像素比的原理,將待測葉片平鋪在白紙背景上，利用手機(jī)相機(jī)拍攝圖像，在Photoshop CS5軟件上處理后分別得出葉片和白紙的總像素，最后計算出葉片面積。通過和winRHIZO系統(tǒng)測量得出的葉面積相比較，測量誤差為-0.889%～0.632%，變異系數(shù)在0.51%以內(nèi)。與其他測量葉面積的方法、或相同原理不同參照物的測量葉面積方法比較，白紙背景法具有使用器材便攜易得、操作簡單、可大批量測量、精確度高等優(yōu)點，在林業(yè)、農(nóng)業(yè)、園藝等領(lǐng)域具有很強(qiáng)的應(yīng)用性和實用性。

白紙； 手機(jī)相機(jī)； 葉面積； Photoshop

葉是植物光合作用和蒸騰作用的主要器官，直接影響到植物的基本功能和行為。葉面積是林業(yè)、農(nóng)藝學(xué)上一個重要的參數(shù)，它和植物的生長、光合作用的能力密切相關(guān)，很多時候運用葉面積去評估不同植物學(xué)處理措施后的影響[1]。在野外林業(yè)調(diào)查時，經(jīng)常會遇到需要測量大量葉面積的實際情況，因此，找到一個簡便、精準(zhǔn)、快速的葉面積測量方法就顯得尤為重要[2]。

傳統(tǒng)的葉面積測量方法很多，比較有代表性的方法有方格坐標(biāo)紙法[3]、求積儀法[4]、稱重法[5]、圖像軟件法(其中軟件包括CAD[6]、Matlab[7]、Photoshop[8]、Mapinfo[9]、GIS[10])、葉面積儀法[11]、系數(shù)法[12]、辛普森公式法[13]和回歸方程法[14]等，還有基于Visual C++6.0 開發(fā)的測量葉面積程序[15]和基于Android手機(jī)平臺構(gòu)建的葉面積測量系統(tǒng)[16]。

在上述方法中，圖像軟件法具有操作簡便，精確度高等優(yōu)點，其中又以Photoshop軟件最為智能和操作便捷。本實驗的目的是在前人Photoshop法測量葉面積的基礎(chǔ)上探索出一種更精確和簡單實用的方法。實驗采用了較新的Photoshop版本(CS5)，使數(shù)據(jù)處理更為簡便和可批量化操作；在參照物的選擇上選用了背景白紙作為參照，這樣既能使成像后的照片在圖像軟件的處理中更容易和背景區(qū)分開，也可以更好地控制鏡頭成像所產(chǎn)生的形變誤差(四邊均衡偏差)；另外，隨著近年來手機(jī)相機(jī)的像素不斷提升，鏡頭的光學(xué)性能也得到了極大的改良，手機(jī)照片的像素值和光學(xué)形變范圍已經(jīng)能很好的滿足本實驗的要求，而且手機(jī)作為人手必備的通訊工具，具有無可比擬的普遍性和便攜性。通過和本實驗室從加拿大進(jìn)口的winRHIZO系統(tǒng)(類似于winFOLIA系統(tǒng))對測量同一面積進(jìn)行比較對照，可分析得出白紙背景法的測量精度。

1 材料與方法

1.1實驗測量對象

在中南林業(yè)科技大學(xué)校園內(nèi)選取了六種葉片大小和形狀有代表性(單片葉面積大小從2.48 cm2到39.39 cm2，葉形有橢圓形、卵圓形、披針形、掌形，倒卵形)的樹種Ⅰ羅漢松(Podocarpusmacrophyllus)、Ⅱ狹葉梔子(Gardeniastenophylla)、Ⅲ竹柏(Nageianagi)、Ⅳ雞爪槭(Acerpalmatum)、Ⅴ香樟(Cinnamomumcamphora)、Ⅵ樂昌含笑(Micheliachapensis)，見圖1。所有葉片均為現(xiàn)采現(xiàn)測，數(shù)量以鋪滿白紙所需面積為準(zhǔn)。

圖1 六個樹種的葉片F(xiàn)ig.1 Leave of the six tree species

1.2實驗設(shè)備和材料

中興nubia Z5S手機(jī)(1 300萬像素，堆棧式/積層式CMOS，光圈：f/2.2)，270 mm*390 mm的白紙，210 mm*297 mm(A4)深綠卡紙，297 mm×420 mm透明亞克力板，筆記本電腦，winRHIZO系統(tǒng)(由winRHIZO 2013a圖像分析軟件和EPSON 11000XL掃描儀組成)。

1.3圖像和數(shù)據(jù)處理分析軟件

圖像處理使用Photoshop CS5(美國Adobe公司)和winRHIZO 2013a(加拿大REGENT公司)，數(shù)據(jù)分析在Microsoft Office Excel 2013(美國Microsoft公司)中完成。

1.4方法

首先，進(jìn)行誤差校準(zhǔn)，用EPSON 11000XL掃描儀掃描已知面積(A4，210 mm*297 mm)的常綠卡紙(將1張卡紙剪成大小不一的20張小紙片)得到圖片，由winRHIZO軟件分析所得圖片測得的卡紙面積。

然后，使用手機(jī)相機(jī)獲取葉面圖像，使用Photoshop CS5和Microsoft Office Excel 2013軟件處理分析得出葉片面積。具體步驟如下： (1)圖像獲?。簩⑷~片整齊布置在白紙上(葉片不能重疊)，用透明亞克力板或透明玻璃板壓在葉片上，保持葉片伸展平整。用手機(jī)攝像頭在葉片垂直上空居中位置進(jìn)行拍照(要求將背景白紙全部照入像片內(nèi)且占據(jù)較大像片比例)，將所拍得的照片導(dǎo)入電腦。(2)圖像處理： a.用Photoshop CS5將葉片圖像打開，選擇工具欄的“多邊形套索”工具，依次點擊背景白紙的四個角的頂點，將像片中背景白紙面積全部選中，然后使用分析菜單中的“記錄測量”工具，測得背景白紙面積的像素值。b.再將選中區(qū)域按“Ctrl+C”復(fù)制，選擇文件菜單，點擊新建，在新建選項中，預(yù)設(shè)選剪貼板，背景內(nèi)容選擇透明，其他默認(rèn)，點擊確定，在新建圖層上按“Ctrl+V”粘貼剛才復(fù)制的背景白紙圖層。c.然后選擇“魔棒”工具，調(diào)整容差為50(不同的光照強(qiáng)度及相機(jī)不同的白平衡和曝光值下應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)娜莶睿@也是保證測量精準(zhǔn)度的關(guān)鍵步驟)，勾選消除鋸齒和連續(xù)，在背景白紙居中的空白處點擊，再右鍵經(jīng)過一到兩次擴(kuò)大選取，將選取的邊界和葉片的邊界相吻合(可通過放大圖像來觀察選擇范圍的吻合程度)，再右鍵，選擇反向。d.接下來再使用一次“記錄測量”工具，所測得的數(shù)據(jù)就都在下方的記錄測量框里，選擇所有數(shù)據(jù)，導(dǎo)出所選測量數(shù)據(jù)(Photoshop CS5默認(rèn)導(dǎo)出為txt格式文檔)，見圖2。(3)處理結(jié)果：將導(dǎo)出的txt文檔用Excel打開，在“面積”這一列按降序排序，經(jīng)過比較周長、高度、寬度，剔除非真實葉片面積的數(shù)值，其余剩下為真實葉面積的數(shù)值。將這些數(shù)值求和，然后除以面積中第一次記錄測量的數(shù)值(代表的是背景白紙的像素值)，將所得結(jié)果再乘以背景白紙的面積270 mm*390 mm，所得出的結(jié)果就是這一次測量的葉片總?cè)~面積。

圖2 圖像處理Fig.2 Image processing

最后，進(jìn)行精度分析，在winRHIZO系統(tǒng)上用winRHIZO軟件分析EPSON 11000XL掃描儀掃描得出葉片圖像，得到所測葉片的葉面積。用白紙背景法測得的結(jié)果和winRHIZO系統(tǒng)測得的結(jié)果作比較，分析測量精度。

2 結(jié)果與分析

2.1winRHIZO系統(tǒng)測量葉面積的準(zhǔn)確性分析

使用winRHIZO系統(tǒng)測量已知的標(biāo)準(zhǔn)面積(210 mm*297 mm)的深綠卡紙所得值和使用白紙背景法測得的值如表1所示，以測量值減去卡紙真實值再除以真實值得出測量誤差。分析所得winRHIZO系統(tǒng)測得平均值相對誤差為0.054%，白紙背景法測量平均值相對誤差為0.250%，以上結(jié)果表明winRHIZO系統(tǒng)能測量所得面積精確可信，因此在以下的測量中，我們將winRHIZO系統(tǒng)所測得的值作為準(zhǔn)確值。

2.2白紙背景法、標(biāo)尺參照法和winRHIZO系統(tǒng)測量值的對比

用白紙背景法測量樂昌含笑、香樟、雞爪槭、竹柏、羅漢松、狹葉梔子這六種植物的葉面積(測量10次取平均值)和用winRHIZO系統(tǒng)測量所得的葉面積如表1所示，分析得到六種葉面積的誤差范圍在-0.889%～0.632%以內(nèi)，變異系數(shù)在0.51%以內(nèi)。用標(biāo)尺作為參照的Photoshop法[17]得出的測量結(jié)果誤差范圍在-1.886%～1.995%以內(nèi)，變異系數(shù)在0.93%以內(nèi)，可以看出白紙背景法顯著地提高了準(zhǔn)確度。其中的誤差來源主要是以下兩點：一、照片的清晰度和葉片的陰影面積，在拍照時盡量選擇在多源光線環(huán)境下拍照，在使用Photoshop魔棒工具時，選擇一個合適的容差也可以減少因清晰度造成的誤差；二、相機(jī)鏡頭的形變，盡量選擇非廣角鏡頭的相機(jī)(有條件的情況下選擇單反相機(jī)最好)。而且我們從測量結(jié)果中發(fā)現(xiàn)白紙背景法中較小的葉片用本方法測量出來的結(jié)果偏低，較大的葉片測量出來的結(jié)果偏高，這可能是因為葉片面積較大時，會存在相對面積更大一點的陰影。

表1 白紙背景法、標(biāo)尺法和winRHIZO系統(tǒng)測量值對比Tab 1 Thevaluecontrastofwhitepaperasbackgroundmethod，scalemethodandwinRHIZOmethod測量材料和樹種本方法標(biāo)尺法winRHIZO系統(tǒng)葉面積(mm2)變異系數(shù)(%)相對誤差(%)葉面積(mm2)變異系數(shù)(%)相對誤差(%)葉面積(mm2)變異系數(shù)(%)標(biāo)準(zhǔn)卡紙62502±2960 280 25563587±4500 391 99562343±950 07樂昌含笑39641±1060 170 63239821±3970 651 08939392±620 08香樟39656±1310 260 52439903±5440 751 16939442±760 10雞爪槭22762±1480 330 03922559±2630 52-0 85322753±390 06竹柏24646±2130 51-0 88924398±3910 87-1 88624867±810 11羅漢松16014±1520 40-0 71315863±3220 93-1 64916129±680 11狹葉梔子15801±1870 46-0 57915765±2360 62-0 80515893±440 08

2.3白紙背景法和其他方法精確度的對比

表2比較了白紙背景法和其他方法的精確度，從表2中我們可以看出使用數(shù)碼相機(jī)拍照法結(jié)合Photoshop軟件方法的相對精確度明顯高于其他方法，本方法和相對于采用硬幣輔助和直尺對照的方法在一定程度上又提高了測量的精確度。

2.4不同拍攝角度的比較

實際拍照中，有時會產(chǎn)生一定的角度偏差，因此，在實驗中選取了90、80、70、60、45這五個角度對標(biāo)準(zhǔn)卡紙拍攝后測量計算。計算結(jié)果表明(見表3)：隨著角度的減小，所得測量結(jié)果和誤差也隨之增大，但增大的值在誤差允許范圍內(nèi)，說明以背景白紙面積做參照物方法是可行的，較好的消除了拍照光學(xué)形變產(chǎn)生的誤差，并且可以很容易的將拍攝角度控制在90°附近，這樣可以很好的避免了由拍攝角度造成的偏差。

表2 白紙背景法和其他方法測量相對精確度的對比Tab 2 Therelativeaccuracycontrastofwhitepaperasbackgroundmeth?odandothermethod測量葉面積方法相對精確度偏差剪紙稱重法[18]<3%GIS[19]2 1%辛普森公式法[20]0 72%～4 03%回歸方程法[21]<3%數(shù)碼相機(jī)拍照法[22](硬幣輔助)1 86%～4 69%數(shù)碼相機(jī)拍照法[17](直尺對照)0 57%～1 43%基于Android手機(jī)的測量系統(tǒng)[23]-2 9%～2 7%白紙背景法-0 889%～0 632%

表3 標(biāo)準(zhǔn)卡紙(210mm?297mm)在不同拍攝角度測定值的比較Tab 3 Thevaluecompareindifferentshootinganglewiththestandardcardpaper拍攝角度(°)葉面積(mm2)變異系數(shù)(%)誤差(%)9062502±2960 280 2558062239±2190 26-0 2107062613±3510 310 3896062583±3650 360 3414562852±4270 370 772

3 討論與結(jié)論

一個簡單并能快速精確測量大量葉面積的方法一直是科研工作者汲汲以求的目標(biāo)。其中方格坐標(biāo)紙法有原理簡單，結(jié)果較為準(zhǔn)確的優(yōu)點，但操作過程繁瑣，測定速度慢，而且要求設(shè)置合理的取舍比例[24～25]；求積儀法除了本身的機(jī)械誤差外，還和所測量葉的周長和長寬比有關(guān)，周長與面積的比越大，長寬比越大，誤差就越大，所以該方法不適合于測量披針形、掌狀裂葉片的面積[26]；稱重法受葉片的厚薄、葉齡、打孔位置以及葉片含水量影響很大[24]。系數(shù)法、辛普森公式法、回歸方程法誤差較大；手持式葉面積儀在使用過程中要求保持穩(wěn)定的移動速度，而且我們在使用本實驗室用的Yaxin-1242葉面積儀(北京雅欣理儀公司)進(jìn)行測量時，發(fā)現(xiàn)測量結(jié)果有較大的偏差和波動，特別在葉的表面顏色比較淺時，結(jié)果明顯小于實際值；使用掃描儀的葉面積測量儀測量精度高，但其價格較貴且不便于攜帶；基于Visual C++6.0或Android手機(jī)平臺的程序較為復(fù)雜，不適用于一般葉面積測量中使用；圖像軟件法以其測量精度高，操作較為簡單，得到了越來越多的科研工作者的采用，而其中使用Photoshop軟件作為圖像處理工具的方法，以其界面友好、操作智能化、不需要學(xué)習(xí)編程知識等優(yōu)點取得了更廣泛的使用。

本文結(jié)合前人的方法，對使用Photoshop軟件測量葉面積的方法進(jìn)行了一些更新和改進(jìn)，通過使用手機(jī)拍照簡化了所需器材，使用Photoshop CS5的記錄測量工具可批量處理，增加了處理效率，通過使用白紙背景提升了測量精度，較好的控制了線性畸變[15]和背影干擾[27]，具有更好的可操作性和實用性。通過和加拿大REGENT公司生產(chǎn)的winRHIZO系統(tǒng)測量值做對比，發(fā)現(xiàn)本方法測量的精確度達(dá)到-0.889%～ 0.632%，變異系數(shù)在0.51%以內(nèi)，顯著提高了測量精度。因此，在野外調(diào)查和實驗室中要進(jìn)行大量葉面積測量時，白紙背景法不失為一種簡便而又精確度高的好方法，可滿足大多數(shù)情況下的葉面積測量應(yīng)用，在林業(yè)、農(nóng)業(yè)、園藝等領(lǐng)域具有很強(qiáng)的應(yīng)用性和實用性，值得廣泛推廣和采用。

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AnPhotoshopsoftwarebasedandwhitepaperasbackgroundmethodformeasuringleafarea

LI Renhui1, ZHAO Zhonghui1,2,3， LI Jiaxiang4

(1.School of Life Science and Technology, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China;2.National Engineering Laboratory for Applied Technology of Forestry & Ecology in South China, Changsha 410004, China;3.Huitong National Research Station of Chinese Fir Plantation Ecosystem in Hunan Province, Huitong 418307, China;4.School of Forestry, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China)

In this paper we put the leaf on the white paper which is used as background, and use the phone camera to get the digital image, then we get the leaf area using the magic wand tool in Photoshop CS5, as the leaf area to the background white paper area is equal to the pixels of the leaf area to the pixels of the background white paper, so we can get the leaf area by calculate the proportion.And we compare the leaf area with the leaf area measured from winRHIZO, the results indicate that the error is from -0.889% to 0.632%, and we compared this method to another method, this method have these advantages: the equipment is easy to get and carry, operation is simple, can be measured in batches, and high accuracy.This method has a high applicability and practicality in forestry, agriculture and horticulture and other fields.

white paper; phone camera; leaf area; Photoshop

2015-10-15

國家自然科學(xué)基金重大項目子課題：森林生態(tài)系統(tǒng)碳-氮-水交換通量計算平衡及其時空格局(31290221)。

李任輝(1985-)，男，湖南省新邵縣人，在讀碩士，研究方向為森林生態(tài)學(xué)。

趙仲輝，博士，副教授；E-mail:zzh641014@126.com

TP 391.41

A

1003-5710(2016)01-0138-05

10.3969/j.issn.1003-5710.2016.01.000

(文字編校：龔玉子)