圖像處理法測(cè)定油菜葉面積的研究

崔世鋼+秦建華

摘要：利用數(shù)碼相機(jī)獲取油菜葉片的圖像，采用基于Photoshop圖像處理法對(duì)油菜葉面積分析測(cè)定，并與葉面積儀測(cè)定法、方格法的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行回歸分析。結(jié)果表明，該方法與其他2種方法的測(cè)定結(jié)果存在極顯著線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.981和0.989；在用圖像處理法對(duì)葉面積測(cè)量時(shí)，不同的拍攝角度和分辨率對(duì)葉面積的測(cè)定無(wú)顯著影響。該方法具有簡(jiǎn)單、快捷、準(zhǔn)確、易普及等優(yōu)點(diǎn)，為植物葉面積的快速測(cè)定提供了比較好的方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)碼相機(jī)；圖像處理；油菜；葉面積

中圖分類號(hào)：S565.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）14-2756-02

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.14.040

Abstract：In this paper， the image of rape leaf was obtained by digital camera， and the leaf area was analyzed by Photoshop image processing. The regression analysis was made with the results of the traditional leaf area measurement method and grid method. The results show that there is a significant linear correlation between the determination results of this method with the above 2 methods，and the correlation coefficient R2 was 0.981 and 0.989. In the process of leaf area measurement by image，different shooting angle and resolution of the leaf area were no significant influence. The method is simple， rapid， accurate，easy to use and so on. It provides a good method for the rapid determination of leaf area.

Key words：digital camera； image processing； rape； leaf area

葉片是植物進(jìn)行光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，是蒸騰作用的媒介，是合成有機(jī)物質(zhì)的主要器官。其面積的大小是衡量植物對(duì)光能利用、水循環(huán)、生長(zhǎng)發(fā)育、果實(shí)產(chǎn)量的一個(gè)重要因素，也是研究植物生理化、遺傳育種和作物栽培等方面的關(guān)鍵指標(biāo)[1-4]。因此，建立快速、簡(jiǎn)便、精確的葉面積測(cè)量方法對(duì)植物生理機(jī)制的研究具有重要意義。

葉面積測(cè)量方法有葉面積儀測(cè)定法、方格法、剪紙稱重法、求積儀法、拋物線擬合法等[5]。其中，葉面積儀測(cè)定法操作簡(jiǎn)單、速度快，但儀器價(jià)格昂貴，掃描速度對(duì)測(cè)定結(jié)果影響較大，重現(xiàn)性差[6]；方格法操作繁瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，常用于對(duì)其他測(cè)定結(jié)果校正[7，8]；剪紙稱重法原理簡(jiǎn)單，但精度受葉片形狀和紙張均勻性等影響；拋物線擬合法測(cè)量葉片的葉緣是不規(guī)則曲線時(shí)，偏差大，使用范圍狹窄。因此，本研究利用數(shù)碼相機(jī)和Photoshop圖像處理軟件，探尋一種簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、快速、適用性廣的葉面積測(cè)定方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)測(cè)量對(duì)象

試驗(yàn)選用在植物生長(zhǎng)柜中生長(zhǎng)的7號(hào)油菜幼苗為研究對(duì)象，選取無(wú)殘缺、大小各異和新鮮的油菜葉片10片，編號(hào)排序。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 葉面積儀測(cè)定法 采用萬(wàn)深LA-S葉面積測(cè)量?jī)x測(cè)定葉片面積，每個(gè)葉片重復(fù)測(cè)量5次，減少誤差。

1.2.2 方格法 將待測(cè)葉片平鋪在坐標(biāo)紙上并描繪形狀，統(tǒng)計(jì)葉片所占的方格數(shù)，計(jì)算葉片面積。

1.2.3 圖像處理法

1）將一張坐標(biāo)紙（50 mm×50 mm）緊密固定在A4紙（297 mm×210 mm）的左上角，作為測(cè)量參照物。將備好的待測(cè)葉片平鋪在A4紙上（不要覆蓋坐標(biāo)紙），用透明的塑料板壓平葉片，確保其完全伸展。

2）用數(shù)碼相機(jī)對(duì)葉片進(jìn)行拍照并導(dǎo)入計(jì)算機(jī)。拍照時(shí)數(shù)碼相機(jī)鏡頭與待測(cè)葉片保持較遠(yuǎn)距離，拉長(zhǎng)焦距，使背景白紙全部照入像片內(nèi)。

3）在Photoshop CS4圖像處理軟件中打開(kāi)圖片，首先按“Ctrl+0”調(diào)整圖片滿畫布顯示，點(diǎn)擊菜單欄“選擇”按鈕，在下拉菜單中選擇“色彩范圍”，出現(xiàn)色彩范圍參數(shù)設(shè)置面板（圖1）。在面板中依次選擇“取樣顏色”、“選擇范圍”、“無(wú)”、“吸管工具”，并用“吸管工具”吸取被測(cè)葉片的顏色，調(diào)節(jié)顏色容差的滾動(dòng)條，當(dāng)葉片完全變成白色部分時(shí)，點(diǎn)擊“確定”按鈕，之后點(diǎn)擊菜單欄“分析”按鈕，在下拉菜單中選擇“記錄測(cè)量”選項(xiàng)，葉片的面積、周長(zhǎng)、高度、寬度等像素值就記錄在記錄測(cè)量區(qū)。然后，選用“多邊形索套”工具依次點(diǎn)擊坐標(biāo)紙的4個(gè)頂點(diǎn)，選定區(qū)域，點(diǎn)擊“記錄測(cè)量”按鈕，記錄坐標(biāo)紙所占像素點(diǎn)數(shù)。選中在記錄測(cè)量區(qū)的所有數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊“導(dǎo)出所選測(cè)量”按鈕，把數(shù)據(jù)文件保存為“.txt”格式，然后采用SPSS 19.0軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析。其中，葉面積（cm2）=葉片所占像素點(diǎn)數(shù)/坐標(biāo)紙所占像素點(diǎn)數(shù)×25。

2 結(jié)果與分析

2.1 圖像處理法與其他兩種方法的比較

2.1.1 對(duì)已知面積的測(cè)定 選用已知準(zhǔn)確面積的三角形紙板（50 cm2）為被測(cè)對(duì)象，分別上述3種方法對(duì)其面積進(jìn)行測(cè)量，每種方法各測(cè)定5次。排除異常數(shù)據(jù)后，原始測(cè)量值服從正態(tài)分布，置信概率取95%。結(jié)果表明，3種測(cè)量方法對(duì)紙板面積的測(cè)定結(jié)果差異不顯著（表1）。同時(shí)對(duì)3種方法的測(cè)量結(jié)果兩兩建立一元線性回歸方程，3種測(cè)量方法間兩兩均有很好的相關(guān)性（圖像處理法與葉面積儀測(cè)定法線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)為y=0.956x+2.151，R2=0.981；圖像處理法與方格法線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)為y=0.969x+1.258，R2=0.989；方格法與葉面積儀測(cè)定法線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)為y=0.899x+4.911，R2=0.978），說(shuō)明圖像處理法對(duì)面積的測(cè)定具有較高的精確度。

2.1.2 對(duì)油菜總?cè)~面積的測(cè)定 為了進(jìn)一步比較3種測(cè)量方法對(duì)不規(guī)則形狀的葉片面積測(cè)定間的差異，選用已備好的油菜葉片5片為試驗(yàn)對(duì)象。3種測(cè)量方法對(duì)5個(gè)葉片各測(cè)量一次為一組數(shù)據(jù)，重復(fù)測(cè)量5次，把同組同一方法測(cè)量的數(shù)據(jù)累加作為總?cè)~面積測(cè)量值，之后將每種方法測(cè)定的5個(gè)總?cè)~面積數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，3種測(cè)量方法對(duì)葉面積的測(cè)定影響差異不顯著，說(shuō)明圖像處理法也適用于測(cè)量面積較大、形狀不規(guī)則的葉片。

2.2 不同拍攝角度對(duì)葉面積測(cè)量的影響

在使用相機(jī)對(duì)葉片拍照時(shí)，鏡頭光軸與葉片所在平面夾角的不同，會(huì)導(dǎo)致照片產(chǎn)生不同的透視變形，為了研究這種透視變形對(duì)葉片面積測(cè)量的影響，對(duì)同一樣本葉片進(jìn)行5個(gè)角度（分別為30°、45°、60°、80°、90°）拍照。在用圖像處理法計(jì)算葉面積時(shí)，每種拍攝角度重復(fù)測(cè)定5次，減少誤差。結(jié)果（表3）表明，不同的拍攝角度對(duì)葉面積測(cè)定的影響差異不顯著，說(shuō)明在正常的拍攝角度下（30°～90°），測(cè)定結(jié)果都是準(zhǔn)確的。

2.3 不同拍攝分辨率對(duì)葉面積測(cè)量的影響

數(shù)碼相機(jī)分辨率的高低決定所拍攝圖片上像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，影響圖片的清晰度和圖片的后續(xù)處理。采用不同分辨率檔位的數(shù)碼相機(jī)對(duì)同一樣本葉片進(jìn)行拍照，對(duì)測(cè)量所得數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表4。結(jié)果表明，拍攝分辨率不同對(duì)葉面積的測(cè)量結(jié)果無(wú)顯著影響，但拍攝分辨率越高，葉面積的測(cè)量值越接近真實(shí)值。

3 結(jié)論

目前葉面積的測(cè)定方法有很多種，每種方法都有其局限性和使用范圍。國(guó)外普遍使用葉面積儀測(cè)定法和圖像處理法測(cè)定葉面積，簡(jiǎn)單便捷、速度快，準(zhǔn)確度高[9-12]。方格法是一種經(jīng)典的葉面積測(cè)定方法，測(cè)量精度高、速度慢、操作過(guò)程繁瑣，常用于對(duì)其他測(cè)定結(jié)果校正。圖像處理技術(shù)作為一種新興的測(cè)量手段，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。與葉面積儀相比，圖像處理法在處理殘缺葉片和形狀不規(guī)則葉片時(shí)，可以將殘缺部分補(bǔ)全，增大其應(yīng)用范圍和提高測(cè)量精度。

通過(guò)圖像處理法和其他2種方法對(duì)已知標(biāo)準(zhǔn)面積的紙板進(jìn)行測(cè)定，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行誤差分析和統(tǒng)計(jì)分析并兩兩建立一元線性回歸方程，發(fā)現(xiàn)圖像處理法和葉面積儀測(cè)定法、方格法的測(cè)量結(jié)果間存在極顯著性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.981和0.989。此外，驗(yàn)證了不同拍照角度和分辨率對(duì)測(cè)定結(jié)果沒(méi)有影響，拍攝時(shí)可以采用較低的分辨率對(duì)圖像拍照，使數(shù)碼相機(jī)在有限容量中存儲(chǔ)更多圖片，適合野外、大量樣本的測(cè)定，擴(kuò)展了圖像處理法的使用范圍和實(shí)用性，使其可以在生產(chǎn)和科研中加以應(yīng)用。

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