基于GIS的植物葉片信息測(cè)量研究

梁雪梅　高敏華

摘要：采用網(wǎng)格法、GIS法和AutoCAD法對(duì)榕樹(shù)（Ficus microcarpa）葉片的葉面積、葉長(zhǎng)、葉寬、葉周長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)定，利用數(shù)碼相機(jī)獲取榕樹(shù)葉片信息，對(duì)3種方法的測(cè)定結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明，網(wǎng)格法與GIS法和AutoCAD法具有極顯著的正線性相關(guān)關(guān)系，與其他葉片信息測(cè)定方法相比，GIS法更精確、簡(jiǎn)便、省時(shí)、省力。

關(guān)鍵詞：葉片信息；GIS法；榕樹(shù)（Ficus microcarpa）；網(wǎng)格法；AutoCAD法

中圖分類(lèi)號(hào)：Q94-331 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）11-2139-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.11.037

Abstract： The grid method，GIS method and AutoCAD method were used to measure the banyan（Ficus microcarpa） leaves leaf area，leaf length，leaf width and perimeter，using digital camera to obtain banyan leaf information，compared the three methodsresult. The results showed that the grid method and GIS method and AutoCAD method had positive linear correlation，compared with the method for the determination of other leaves information. GIS method is more accurate，convenient，time-saving，labor-saving.

Key words： blade information；GIS method；banyan（Ficus microcarpa）；grid method；AutoCAD method

葉片是植物進(jìn)行光合作用、水分蒸騰和氣體交換的主要器官，是生態(tài)系統(tǒng)中初級(jí)生產(chǎn)者的能量轉(zhuǎn)換器，葉片性狀特征直接影響植物的基本行為和功能[1]。葉面積大小、葉輪廓周長(zhǎng)、葉長(zhǎng)和葉寬等葉片信息不僅是植物光合作用及生長(zhǎng)發(fā)育狀態(tài)診斷中重要的參數(shù)，也是研究植物栽培技術(shù)、生理生化、遺傳育種等內(nèi)容的重要形態(tài)指標(biāo)[2，3]。葉面積的大小決定著光合有效輻射的大小，反映了植物對(duì)其地理分布和養(yǎng)分條件等外界因素的適應(yīng)策略[4]。生態(tài)系統(tǒng)受到葉面積逐漸演變的影響，葉面積可以用來(lái)作為不同生態(tài)系統(tǒng)間的比較指標(biāo)。通過(guò)測(cè)量計(jì)算出葉面積的變化來(lái)分析植物的生長(zhǎng)發(fā)育、抗逆性，對(duì)環(huán)境因子效應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以決策種植樹(shù)木的樹(shù)種和種植方法，做到合理造林。通過(guò)測(cè)量害蟲(chóng)損害的葉片總量來(lái)估算出農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)的好壞，這也是研究害蟲(chóng)對(duì)樹(shù)木的損害、經(jīng)濟(jì)閾值的重要內(nèi)容。建立方便、準(zhǔn)確、快速的葉面積、葉周長(zhǎng)、葉寬以及葉長(zhǎng)等形態(tài)指標(biāo)測(cè)量的方法，對(duì)于調(diào)整群體結(jié)構(gòu)，充分利用光熱、水、土資源，從而指導(dǎo)植物栽培密度及合理施肥獲得豐產(chǎn)有重要意義[5，6]。

目前，常見(jiàn)的葉片信息測(cè)量方法有網(wǎng)格法、R2V法、復(fù)印稱(chēng)重法、掃描儀法、AutoCAD法、葉面積儀器法、GIS法、Photoshop法等[7，8]。網(wǎng)格法和復(fù)印稱(chēng)重法較為傳統(tǒng)，操作簡(jiǎn)單，但消耗人力和時(shí)間；葉面積儀器法是利用專(zhuān)用葉面積儀器進(jìn)行測(cè)量，雖然能夠快速獲取葉面積，但測(cè)量結(jié)果波動(dòng)性較大，儀器價(jià)格昂貴且易損壞[9，10]；掃描儀法是通過(guò)掃描儀掃描植物葉片，然后利用Photoshop、R2V、AutoCAD、ArcGIS等軟件統(tǒng)計(jì)像素的方法來(lái)測(cè)定植物葉片面積[11-13]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，用各種軟件測(cè)量植物葉片信息，受人為因素的影響較小，具有嚴(yán)密的科學(xué)性，葉片形狀、大小、顏色、厚薄對(duì)測(cè)量的結(jié)果均無(wú)顯著影響，具有方法簡(jiǎn)單、快速、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[14，15]。

近年來(lái)，地理信息系統(tǒng)（Geographic information system，簡(jiǎn)稱(chēng)GIS）被人們廣泛的接受，并且有著飛躍的發(fā)展，應(yīng)用于人類(lèi)的各個(gè)生活領(lǐng)域。它是由計(jì)算機(jī)硬件、軟件和不同的方法組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)支持空間數(shù)據(jù)的采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復(fù)雜的規(guī)劃和管理問(wèn)題。美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所（Environment System Research Institute）開(kāi)發(fā)的ArcGIS軟件，因其界面友好、功能齊全、操作方便，其強(qiáng)大的空間分析、網(wǎng)絡(luò)分析和三維分析等功能在科研工作中發(fā)揮著重要作用[16，17]。本研究利用數(shù)碼相機(jī)獲取葉片圖片，選用傳統(tǒng)的網(wǎng)格法、GIS法和AutoCAD法對(duì)榕樹(shù)（Ficus microcarpa）的葉片進(jìn)行葉面積、葉周長(zhǎng)、葉寬和葉長(zhǎng)測(cè)量，能夠又快又準(zhǔn)確地測(cè)量出植物葉片信息數(shù)據(jù)，找到一種簡(jiǎn)便、迅速和更精準(zhǔn)的測(cè)量方法。

1 材料與方法

1.1 材料

選用榕樹(shù)為試驗(yàn)材料，榕樹(shù)為?？崎艑賳棠荆a(chǎn)于熱帶亞洲，高15～25 m，胸徑達(dá)50 cm，樹(shù)皮深灰色。榕樹(shù)以樹(shù)形奇特，枝繁葉茂，樹(shù)冠巨大而著稱(chēng)。摘取不同榕樹(shù)，不同樹(shù)枝上大小不同的完整葉片50片，用記號(hào)筆在每張葉片后面寫(xiě)上編號(hào)，以便測(cè)量時(shí)記錄。在硬紙板上固定一張坐標(biāo)紙，將其作為照相的背景，把待測(cè)葉片壓平并平鋪在底板上，保證葉片徹底的伸展開(kāi)，最后利用數(shù)碼相機(jī)變焦調(diào)整視角，數(shù)碼相機(jī)的視線要盡可能的垂直于被測(cè)葉片的平面，拍攝出清晰的葉片圖像后將圖片導(dǎo)入計(jì)算機(jī)（圖1），待測(cè)。

1.2 方法

計(jì)算機(jī)中的平面圖像是由若干個(gè)網(wǎng)狀排列的像素組成的，單位長(zhǎng)度上的像素系數(shù)就是圖像的分辨率，通過(guò)分辨率計(jì)算出每個(gè)像素的面積，然后統(tǒng)計(jì)葉片圖像所占的像素個(gè)數(shù)，再乘以單個(gè)像素的面積就可以得到葉面積[18]。掃描分辨率（dpi）指的是通過(guò)掃描元件將掃描對(duì)象每英寸可以被表示的點(diǎn)數(shù)，而1英寸=2.54 cm，故單個(gè)像素的長(zhǎng)度為2.54/dpi cm，面積為（2.54/dpi）2 cm2。數(shù)碼相機(jī)的分辨率通常用像素的多少來(lái)表示。

1.2.1 網(wǎng)格法 摘取葉片后，平鋪于1 mm2的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)計(jì)算紙上，用削尖的鉛筆描出葉片的輪廓，并記上編排的號(hào)碼。統(tǒng)計(jì)葉輪廓所占的小方格數(shù)，來(lái)獲得葉片面積，對(duì)于處于圖形邊緣的不完整方格按面積超過(guò)小方格1/2時(shí)算一個(gè)方格，相反則忽略不計(jì)[19]。利用棉線沿標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算紙上的葉片輪廓繞一圈，將棉線用直尺測(cè)量出其長(zhǎng)度，得到葉片周長(zhǎng)。在標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算紙上用直尺測(cè)量出從葉基到葉尖，不包含葉柄的長(zhǎng)度，即葉長(zhǎng)和葉片上垂直于主脈方向上的最寬處的長(zhǎng)度，即葉寬。

1.2.2 AutoCAD法 打開(kāi)AutoCAD（Auto Computer Aided Design）軟件，新建一個(gè)文件，將待測(cè)葉片的圖像導(dǎo)入CAD中，加載完畢后，調(diào)整好圖像的大小；將坐標(biāo)紙上相鄰兩點(diǎn)之間的距離使用工具欄中的查詢(xún)工具進(jìn)行核對(duì)，已知坐標(biāo)紙兩點(diǎn)之間的寬度是10 mm，因此用10除以圖片上實(shí)測(cè)距離就是實(shí)際圖片與CAD界面圖像比例；選擇要測(cè)量的圖像，點(diǎn)擊修改工具中的縮放命令，將鼠標(biāo)移動(dòng)到圖像的任意位置選中后在命令欄中輸入上面的比例數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊回車(chē)鍵就將葉片圖像縮放為實(shí)際大小。調(diào)整完后選擇繪圖工具沿著葉片的邊緣繪制出葉片的形狀，由于圖片的比例已經(jīng)確定，所以這時(shí)可以隨意的縮放圖像，繪制完成后在命令欄中輸入英文字母“C”閉合多線段結(jié)束，隨后輸入英文字母“O”，按回車(chē)鍵，鼠標(biāo)移動(dòng)到所畫(huà)的輪廓上點(diǎn)擊就可以查看葉片的周長(zhǎng)和面積。重復(fù)以上操作，即可得到待測(cè)葉片的實(shí)際葉長(zhǎng)、葉寬等指標(biāo)。最后將葉長(zhǎng)、葉寬、葉周長(zhǎng)及葉面積測(cè)得的結(jié)果輸入到Excel工作表中。

1.2.3 GIS法 打開(kāi)ArcMap 10.0軟件，將待測(cè)葉片的圖像加載到圖層中；打開(kāi)ArcCatalog新建一個(gè)多邊形面Polygon的Shapefile文件，并將其添加到圖層中；在新建立的面圖層中利用ArcMap的編輯工具描繪出每片葉子的形狀，同時(shí)還有方格形狀；終止編輯并進(jìn)行保存，打開(kāi)面文件的屬性表，在屬性表中添加area和length字段；最后利用Calculate Geometry工具計(jì)算出葉面積和葉周長(zhǎng)的字段值，并更改ID號(hào)與葉片編號(hào)對(duì)應(yīng)。計(jì)算葉面積和葉周長(zhǎng)后重復(fù)上述步驟，新建一個(gè)線圖層，畫(huà)出葉長(zhǎng)和葉寬，添加字段進(jìn)行計(jì)算；將所有測(cè)量出的葉片信息數(shù)據(jù)導(dǎo)出，在Excel表格中進(jìn)行分析計(jì)算。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)

采用AutoCAD 2007軟件、ArcMap 10.0軟件和Excel 2003軟件對(duì)所測(cè)量的植物葉片信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 拍攝圖像對(duì)葉面積測(cè)定的影響

不同的拍攝分辨率、圖像縮放比例和存儲(chǔ)格式均會(huì)對(duì)圖像的像素產(chǎn)生一定影響，在使用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍攝的過(guò)程中，相機(jī)鏡頭的主光軸與葉片所在的平面夾角會(huì)有所不同，會(huì)引起照片變形，為了消除這一影響，本研究采用坐標(biāo)紙作為拍攝背景，確保已知所拍攝葉片和選用的計(jì)算系數(shù)的來(lái)源，從而使拍攝的圖片不受數(shù)碼相機(jī)所處位置、景物的遠(yuǎn)近、圖像中葉片的大小等條件限制，在野外很方便，并可以進(jìn)行活體取材測(cè)量。

2.2 網(wǎng)格法、GIS法和AutoCAD法測(cè)量的葉片信息比較

通過(guò)網(wǎng)格法、GIS法和AutoCAD法測(cè)量了50片榕樹(shù)葉片的面積、周長(zhǎng)、葉長(zhǎng)和葉寬，由圖2可以看出，網(wǎng)格法、GIS法和AutoCAD法測(cè)量出來(lái)的葉片面積、葉周長(zhǎng)、葉長(zhǎng)和葉寬的信息均無(wú)顯著差異，每個(gè)數(shù)據(jù)之間都很接近，差距較小。利用3種不同的方法測(cè)得的葉片信息結(jié)果相近，表明網(wǎng)格法、GIS法和AutoCAD法測(cè)量葉片信息是可行的。

從表1可以看出，采用GIS法提取榕樹(shù)葉片面積與實(shí)際值的相對(duì)誤差為0.04%～2.99%，平均值為0.55%；葉周長(zhǎng)與實(shí)際值的相對(duì)誤差為0.25%～5.98%，平均值為1.21%；葉長(zhǎng)與實(shí)際值的相對(duì)誤差為0.03%～8.10%，平均值為1.36%；葉寬與實(shí)際值的相對(duì)誤差為0.10%～8.84%，平均值為2.80%。表明GIS法提取榕樹(shù)葉片的面積、周長(zhǎng)、葉長(zhǎng)與葉寬的信息與實(shí)際信息較吻合。

利用AutoCAD法提取榕樹(shù)葉片面積與實(shí)際值的相對(duì)誤差為0.01%～6.73%，平均值為1.31%；葉片周長(zhǎng)與實(shí)際值的相對(duì)誤差為0.06%～6.04%，平均值為1.40%；葉長(zhǎng)與實(shí)際值的相對(duì)誤差為0.06%～8.34%，平均值為1.42%；葉寬與實(shí)際值的相對(duì)誤差為0.01%～11.57%，平均值為3.20%。表明AutoCAD法提取榕樹(shù)葉片的面積、周長(zhǎng)、葉長(zhǎng)與葉寬的信息與實(shí)際信息較吻合。

利用葉面積儀測(cè)定榕樹(shù)葉面積，由于機(jī)械精度和人為因素的存在，一般測(cè)量誤差為5%左右[20，21]。GIS法測(cè)量葉片的面積、周長(zhǎng)、葉長(zhǎng)、葉寬和實(shí)際葉片信息值相比較，平均相對(duì)測(cè)量誤差分別為0.55%、1.21%、1.36%、2.80%，而AutoCAD法測(cè)量的平均相對(duì)誤差分別為1.31%、1.40%、1.42%、3.20%，均遠(yuǎn)小于5%，說(shuō)明這兩種方法可適用于葉片形態(tài)特征的測(cè)量。

2.3 GIS法與AutoCAD方法的比較

分別采用GIS法和AutoCAD法測(cè)定榕樹(shù)葉片的面積、周長(zhǎng)、葉長(zhǎng)和葉寬等葉片信息，將GIS法與AutoCAD法測(cè)量的結(jié)果與網(wǎng)格法測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行比較，用來(lái)反映與網(wǎng)格法測(cè)量結(jié)果的相近程度，以此作為準(zhǔn)確性來(lái)度量[22]。由表2可看出，GIS法與網(wǎng)格法測(cè)定榕樹(shù)葉片的面積、周長(zhǎng)、葉長(zhǎng)和葉寬的相關(guān)系數(shù)分別為0.999 4、0.986 3、0.989 3、0.965 5，而AutoCAD法與網(wǎng)格法的相關(guān)系數(shù)分別為0.997 2、0.984 8、0.988 3、0.959 8，GIS法和AutoCAD法與網(wǎng)格法所測(cè)量的數(shù)據(jù)之間沒(méi)有顯著差異，但相比較之下GIS法與網(wǎng)格法所測(cè)量的數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)更高，由表3可以看出，其樣本平均值和標(biāo)準(zhǔn)差沒(méi)有顯著差異，GIS法和AutoCAD法的變異系數(shù)也沒(méi)有顯著差異。

2.4 基于GIS建立葉片信息間的回歸方程

在GIS的基礎(chǔ)上建立葉片信息之間的回歸方程，可以通過(guò)測(cè)量簡(jiǎn)單的葉長(zhǎng)、葉寬來(lái)推算出復(fù)雜的葉片面積和周長(zhǎng)，得到一種快速、簡(jiǎn)便的測(cè)量方法。由圖3可知，榕樹(shù)葉長(zhǎng)、葉寬、葉周長(zhǎng)、葉長(zhǎng)×葉寬與葉面積均為明顯的線性正相關(guān)關(guān)系，其中葉長(zhǎng)×葉寬與葉面積的相關(guān)性比較明顯。采用ArcGIS計(jì)算得到的葉面積設(shè)為因變量，葉長(zhǎng)、葉寬、葉周長(zhǎng)以及葉長(zhǎng)×葉寬設(shè)為自變量進(jìn)行回歸分析，計(jì)算得到榕樹(shù)葉片信息間的回歸方程（表4）。擬合度最高的是葉長(zhǎng)×葉寬與葉面積的回歸方程，R2為0.985 4，擬合度相對(duì)比較低的是葉長(zhǎng)與葉面積的回歸方程，R2為0.879 1。從表4可以看出，葉寬對(duì)葉面積的擬合度高于葉長(zhǎng)對(duì)葉面積的擬合度，這可能是榕樹(shù)葉子的生態(tài)學(xué)特性所決定的，也可能是受測(cè)量時(shí)判定的影響。該方法適用于形狀規(guī)則的葉片，對(duì)于形狀不規(guī)則葉片的周長(zhǎng)、葉寬、葉長(zhǎng)、葉面積之間是否也存在相關(guān)關(guān)系還需要進(jìn)一步研究。

3 小結(jié)與討論

植物成長(zhǎng)發(fā)育、果實(shí)發(fā)育狀況的好壞可以通過(guò)分析植物的葉片來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，葉片是重要的生理和形態(tài)指標(biāo)。葉片信息測(cè)量是否精確直接影響了與葉片有關(guān)的形態(tài)和生理指標(biāo)的評(píng)價(jià)。通過(guò)估計(jì)榕樹(shù)有多少片葉子，然后與測(cè)量的葉片面積相乘，可估算出一棵樹(shù)的蒸發(fā)量、需要的養(yǎng)分和所能固定的有機(jī)物，對(duì)植物的種植密度提供依據(jù)。本研究分別采用GIS法、網(wǎng)格法和AutoCAD法對(duì)50片不同的榕樹(shù)葉片的面積、周長(zhǎng)、葉長(zhǎng)和葉寬進(jìn)行測(cè)量。從結(jié)果中可以看出，傳統(tǒng)的網(wǎng)格法和2種軟件法均能準(zhǔn)確地測(cè)量出葉片信息，但在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中GIS法和AutoCAD法比網(wǎng)格法更簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確、迅速。2種軟件是通過(guò)數(shù)碼相機(jī)獲得的，而網(wǎng)格法是以手繪的方式獲得的，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。本研究將網(wǎng)格法的葉片測(cè)量信息作為實(shí)際的葉片信息，用來(lái)作為GIS法和AutoCAD法比較的中間值。結(jié)果表明，GIS法和AutoCAD法測(cè)定的樣本平均值較接近。

基于GIS法得到了葉寬、葉長(zhǎng)、葉周長(zhǎng)、葉長(zhǎng)×葉寬與葉面積的函數(shù)關(guān)系，可通過(guò)測(cè)量部分葉面積，再用直尺測(cè)量出其他葉長(zhǎng)與葉寬等值來(lái)估測(cè)葉面積，可通過(guò)這種方法測(cè)量不同植物葉片形態(tài)的變化規(guī)律。但是該方法適用于形狀規(guī)則的葉片，對(duì)于形狀不規(guī)則的葉片，葉寬、葉長(zhǎng)、葉周長(zhǎng)和葉面積之間是否也存在相關(guān)關(guān)系還需要進(jìn)一步研究。在以網(wǎng)格法測(cè)量的葉片信息值作為標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，雖然GIS法和AutoCAD法二者的相關(guān)系數(shù)都很高，變異系數(shù)也相近，但相比之下GIS法測(cè)量出來(lái)的葉面積、葉周長(zhǎng)、葉長(zhǎng)和葉寬值更接近標(biāo)準(zhǔn)值，相關(guān)系數(shù)更高。

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