利用幾何形態(tài)測(cè)量學(xué)評(píng)估茶尺蠖危害茶葉嚴(yán)重度的可行性分析

潘鵬亮，王國(guó)君，2，張方梅，劉紅敏，2，史洪中，2，尹　健

(1.信陽(yáng)農(nóng)林學(xué)院 農(nóng)學(xué)院/豫南植物有害生物綠色防控院士工作站，河南 信陽(yáng) 464000；2.信陽(yáng)師范學(xué)院 大別山農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用研究院，河南 信陽(yáng) 464000)

茶尺蠖(EctropisobliqueProu)是我國(guó)茶產(chǎn)區(qū)的重要害蟲之一，以幼蟲取食茶樹[Camelliasinensis(L.) Kuntze]葉片，不但會(huì)造成減產(chǎn)，還影響茶樹來年長(zhǎng)勢(shì)[1]。在制定此類害蟲的防治適期時(shí)，除了根據(jù)誘捕到的成蟲數(shù)量，推測(cè)幼蟲孵化高峰期以外[2]，還可以通過田間調(diào)查幼蟲蟲口數(shù)量或危害嚴(yán)重度來決定采取有效的防治方法。此外，蟲口數(shù)量和危害嚴(yán)重度調(diào)查還用于驗(yàn)證防治效果。然而，由于茶尺蠖幼蟲具有畏光性和保護(hù)色，受驚動(dòng)后吐絲逃跑等特點(diǎn)[3]，調(diào)查其蟲口數(shù)量難度較大。被害葉率和被害葉嚴(yán)重度是評(píng)估植物病害發(fā)生程度的重要指標(biāo)，這些指標(biāo)同樣也可能被用于評(píng)估蟲害嚴(yán)重度。據(jù)報(bào)道，茄二十八星瓢蟲(HenosepilachnavigintioctopunctataFabricius)成蟲取食茄子葉片的面積可以通過葉面儀測(cè)量方法獲得[4]。鐘取發(fā)等[5]提出一種基于葉片模板自動(dòng)匹配的葉片蟲損面積測(cè)量方法，并對(duì)10類不同葉片以及這些葉片的蟲損面積進(jìn)行了測(cè)量評(píng)估，平均相對(duì)誤差為4.78%。這說明，通過圖像處理技術(shù)有可能實(shí)現(xiàn)害蟲危害葉片嚴(yán)重度的評(píng)估。目前，大多數(shù)的文獻(xiàn)報(bào)道均是對(duì)不同植物正常葉片面積進(jìn)行測(cè)量[6]，涉及到的植物范圍很廣，比如農(nóng)作物[7-8]、瓜果[9-10]、蔬菜[11]、雜草[12]、林木[13-14]、花卉[15]等。使用的測(cè)量技術(shù)包括圖像處理法[16-17]、方格法、鮮質(zhì)量法、紙質(zhì)量法、光電面積儀法、求積儀法、線性回歸估測(cè)法等[18]。然而，對(duì)茶樹葉片面積和害蟲危害茶葉面積進(jìn)行測(cè)量和評(píng)估的報(bào)道還不多見。本研究擬利用圖像處理和幾何形態(tài)測(cè)量學(xué)方法，對(duì)茶樹不同葉位葉面積和葉片各幾何形態(tài)學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，對(duì)茶尺蠖危害茶樹葉片蟲損葉面積進(jìn)行評(píng)估，驗(yàn)證此技術(shù)評(píng)估茶樹害蟲危害茶樹葉片嚴(yán)重度的可行性。

1　材料和方法

1.1　植物種類

茶樹葉片采自豫南植物有害生物綠色防控院士工作站試驗(yàn)基地8～10年生茶園，其位于河南省信陽(yáng)市浉河港鎮(zhèn)，茶樹品種為福云7號(hào)，是當(dāng)?shù)亟鼛啄晖茝V的主栽品種之一。對(duì)照植物垂絲海棠(MalushallianaKoehne.)和梔子花(Gardeniajasmindoesvar.grandifloraNakai.)葉片采自信陽(yáng)農(nóng)林學(xué)院校內(nèi)。

1.2　取樣和處理方法

茶樹枝條取2017年6月初修剪后生長(zhǎng)出的新生枝，每枝1芽5葉左右。分2組，一組為無明顯被取食的枝條(65枝，共342片葉)，一組是被茶尺蠖危害的枝條(65枝，共352片葉)。采集葉片時(shí)茶樹葉片被害率低，茶尺蠖呈點(diǎn)片發(fā)生。垂絲海棠9枝，梔子花9枝，均為當(dāng)年生枝條，每種植物取50片單葉作為測(cè)量對(duì)象。所有枝條被采集后48 h內(nèi)進(jìn)行葉片平展處理。

1.3　圖像獲取方法

參考劉時(shí)城等[12]處理植物葉片時(shí)采用的圖像掃描分辨率即300 dpi對(duì)所有植物葉片進(jìn)行圖像獲取。在獲取葉片圖像時(shí)，使用愛普生平板式掃描儀(Epson Perfection V370 Photo)進(jìn)行24位全彩掃描，并在掃描玻璃板上方增補(bǔ)冷陰極光源(LP-300，Universal electronics industries ltd.)，以消除反射掃描時(shí)的葉片陰影。掃描時(shí)根據(jù)不同植物葉片大小進(jìn)行數(shù)量不等的批量操作，以節(jié)省時(shí)間。同時(shí)，為了后續(xù)的研究，掃描時(shí)葉尖向上，葉柄向下放置。

1.4　數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

選取茶樹第4位葉50片，與海棠和梔子花葉片各50片進(jìn)行幾何形態(tài)特征參數(shù)的獲取，所使用的軟件為中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)IPMist實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的BugShape v1.0，并通過單因素方差分析比對(duì)不同植物葉片各參數(shù)間的差異。通過獲取葉面積(Area)、葉片圖像長(zhǎng)軸長(zhǎng)度(LAL: long axis length)和短軸長(zhǎng)度(SAL: short axis length)，對(duì)3類茶樹葉片，即無茶尺蠖危害枝條上的葉片(正常葉片NL: normal leaf)、被茶尺蠖危害枝條上的正常葉片(被害枝無損葉UL: undamaged-leaf in damaged-branches)和被茶尺蠖危害枝條上的受損葉(蟲損葉DL: damaged-leaf)，進(jìn)行參數(shù)間的相關(guān)(Pearson correlation)和線性回歸(Linear regression)分析，建立相應(yīng)的回歸方程。通過獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)(Independent-samplesttest)，分析不同葉位被害枝無損葉和正常枝葉面積、長(zhǎng)軸長(zhǎng)度和短軸長(zhǎng)度的差異。

在對(duì)蟲損葉面積損失評(píng)估時(shí)，把受損葉分為3類，即葉長(zhǎng)完整型、葉寬完整型、長(zhǎng)寬均完整型，分別利用不同葉位上葉面積與長(zhǎng)軸長(zhǎng)度、葉面積與短軸長(zhǎng)度、葉面積與長(zhǎng)寬乘積建立的回歸方程，對(duì)蟲損葉完整葉面積進(jìn)行擬合。擬合結(jié)果與實(shí)測(cè)蟲損葉剩余面積之差作為害蟲取食損失的面積。本研究利用正常葉片和被害枝無損葉建立的面積回歸方程分別計(jì)算蟲損面積，同時(shí)，通過3次人工目測(cè)估計(jì)蟲損面積，并進(jìn)行評(píng)測(cè)效果比較。此外，對(duì)不同葉位被害率以及被害枝蟲損葉比例分布進(jìn)行了初步分析。

2　結(jié)果與分析

2.1　茶樹葉片與對(duì)照植物葉片的差異

單因素方差分析結(jié)果表明，茶樹葉片與海棠和梔子花葉片在所提取的形態(tài)學(xué)參數(shù)，如面積(F=90.563,df=2,147;P<0.001)、周長(zhǎng)(F=31.899,df=2,147;P<0.001)、長(zhǎng)軸長(zhǎng)度(F=49.545,df=2,147;P<0.001)、短軸長(zhǎng)度(F=142.561,df=2,147;P<0.001)、等效圓半徑(F=118.803,df=2,147;P<0.001)、偏心率(F=34.631,df=2,147;P<0.001)、緊湊度(F=146.297,df=2,147;P<0.001)、球狀性(F=60.745,df=2,147;P<0.001)、葉狀性(F=5.585,df=2,147;P=0.005)和圓形度(F=145.524,df=2,147;P<0.001)，差異均達(dá)到極顯著水平。多重比較(LSD或Games-Howell)結(jié)果表明，茶樹葉片與海棠葉片在各參數(shù)間均存在極顯著差異，與梔子花葉片相比，兩者之間在周長(zhǎng)、長(zhǎng)軸長(zhǎng)度、偏心率、緊湊度、球狀性、葉狀性和圓形度方面存在極顯著差異，而其他參數(shù)間差異不顯著(圖1)。

同組內(nèi)不同字母表示處理間差異極顯著(P<0.01)

2.2　茶樹葉面積與長(zhǎng)寬參數(shù)間的回歸分析

相關(guān)分析結(jié)果表明，無論是正常葉片、被害枝無損葉，還是蟲損葉，所測(cè)得的葉面積與其長(zhǎng)軸長(zhǎng)度、短軸長(zhǎng)度，以及長(zhǎng)軸長(zhǎng)度與短軸長(zhǎng)度之積均有極顯著的正相關(guān)關(guān)系。每一葉位的葉片面積與各參數(shù)均建立了顯著正相關(guān)線性回歸方程，其中，正常葉片面積與長(zhǎng)軸長(zhǎng)度和短軸長(zhǎng)度之積的回歸系數(shù)為0.613～0.700，被害枝無損葉與其的回歸系數(shù)為0.610～0.682，蟲損葉與其的回歸系數(shù)為0.617～0.679(表1)。

2.3　茶樹被害枝無損葉與正常枝葉面積差異

通過獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，在第3葉位和第5葉位，正常枝與被害枝完整葉片的面積存在極顯著差異，且正常葉片的面積大于被害枝無損葉，而2類葉在第4、1、2、6葉位的面積無顯著差異。通過對(duì)長(zhǎng)軸長(zhǎng)度和短軸長(zhǎng)度的分析發(fā)現(xiàn)，在第3葉位和第5葉位，正常葉的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度和短軸長(zhǎng)度均極顯著大于被害枝無損葉，而第4葉位只有短軸長(zhǎng)度有極顯著差異(圖2)。

2.4　茶樹葉面積損失評(píng)估比較

為了比較不同方法評(píng)估蟲損葉面積損失情況的差異，對(duì)正常葉不同葉位得到的回歸方程、無損葉回歸方程和人工目測(cè)估計(jì)結(jié)果進(jìn)行比較。單因素方差分析結(jié)果表明，通過正常葉和被害枝無損葉相關(guān)葉位的回歸方程得到的蟲損葉面積，與人工評(píng)估方法得到的蟲損葉面積之間無顯著差異(F=1.136，df=2,195;P=0.323)(圖3)。

表1　茶樹不同葉位葉面積與各參數(shù)的相關(guān)系數(shù)和回歸方程

**表示差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)

相同字母表示差異不顯著(P>0.05)

2.5　茶樹被害枝不同葉位被害情況

通過對(duì)蟲損葉被害情況的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)茶尺蠖種群密度不大的情況下，其取食茶樹葉片時(shí)，對(duì)不同葉位的葉片取食概率有明顯的差異，偏好性從強(qiáng)到弱的葉位順序?yàn)?、4、2、5、1、6，即在1年生6葉枝條上，最偏好取食第3葉位的成年葉片，而最不喜歡取食最下部的老葉(圖4)。

圖4　茶樹不同葉位蟲損葉率分布

在所調(diào)查的被害枝條中，不同取食面積的蟲損葉占1年生枝條葉片數(shù)的比例也有明顯的分布規(guī)律。即被害枝蟲損葉面積在20%及以下的占總?cè)~片數(shù)的36.48%，在40%及以下的累積占67.30%，而被害枝蟲損面積超過80%的葉片數(shù)量只占3.14%(圖5)。這說明，當(dāng)蟲口密度不大時(shí)，此類害蟲在田間的取食具有間斷性和枝條選擇的隨機(jī)性。

圖5　茶樹被取食葉面積大小在1年生枝條葉片中的頻率分布

3　結(jié)論與討論

本試驗(yàn)證明，通過某些幾何形態(tài)特征提取軟件，可以自動(dòng)獲取到植物葉片的面積、周長(zhǎng)、長(zhǎng)軸長(zhǎng)度和短軸長(zhǎng)度，以及等效圓半徑等參數(shù)。這些參數(shù)可以用于對(duì)茶樹葉片、海棠葉片和梔子花葉片的區(qū)分。不同類型的茶樹葉片(正常葉片、被害枝無損葉和蟲損葉)面積與軟件提取到的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度、短軸長(zhǎng)度以及兩者的乘積均存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，每一葉位均可建立相應(yīng)的回歸方程。利用這些回歸方程對(duì)蟲損葉被取食面積進(jìn)行評(píng)估，與人工實(shí)際評(píng)測(cè)的結(jié)果無顯著差異。正常葉與被害枝無損葉在第3、5葉位上，其面積存在顯著差異，即正常葉片面積大于被害枝無損葉。被害枝不同葉位被害情況分析表明，在茶尺蠖種群密度低時(shí)，其取食茶樹葉片具有明顯的葉位選擇偏好性，即在1年生6葉枝條上，偏好性從強(qiáng)到弱的葉位順序?yàn)?、4、2、5、1、6。在同一枝條上，蟲損葉的比例分布也具有明顯的規(guī)律，即被害枝蟲損葉率20%及以下的占36.48%，40%及以下的累積占67.30%，被害枝蟲損率超過80%的只占3.14%。

本研究利用圖像處理與分析技術(shù)，對(duì)茶樹1年生枝條不同葉位葉片面積等參數(shù)進(jìn)行了軟件自動(dòng)獲取，避免了人工目測(cè)評(píng)估蟲損葉面積受人為因素影響的不足，為茶尺蠖類害蟲危害茶樹嚴(yán)重度提供了科學(xué)的評(píng)估方法。研究中用到的幾何形態(tài)特征提取軟件BugShape v1.0較多地被應(yīng)用于各類昆蟲外部形態(tài)特征的提取[19-22]，穩(wěn)定性強(qiáng)，其最初版也被應(yīng)用于菟絲子種子的區(qū)分[23]，改良版用于鱗翅目昆蟲[24]和鼠類頭骨[25]形態(tài)特征的提取。本研究在一定程度上拓展了此類軟件的應(yīng)用范圍。

在同類研究中，袁哲明等[26]在測(cè)量十字花科蔬菜食葉害蟲的食葉量時(shí)，利用計(jì)算機(jī)+手持式掃描儀+葉片復(fù)印紙的方法，獲取到目標(biāo)葉片面積。但該方法只適合于室內(nèi)用葉碟法測(cè)定食葉量，對(duì)害蟲取食前葉片面積不固定或田間實(shí)際測(cè)量取食葉面積時(shí)，無法完成取樣測(cè)量。鐘取發(fā)等[5]提供的典型葉片模板自動(dòng)匹配法測(cè)量蟲損葉面積最大相對(duì)誤差為8.22%，對(duì)于形狀復(fù)雜度低的葉片誤差較小，方法可行。但對(duì)生長(zhǎng)點(diǎn)無限生長(zhǎng)型植物如茶樹的葉片，需要建立不同成熟度的模板才能滿足實(shí)際需求，技術(shù)繁瑣，且沒有形成成熟的軟件產(chǎn)品，無法推廣應(yīng)用。本研究利用不同葉位長(zhǎng)軸長(zhǎng)度、短軸長(zhǎng)度和長(zhǎng)軸與短軸長(zhǎng)度之積分別與面積建立回歸方程，可以分別模擬害蟲取食后3種類型(長(zhǎng)軸長(zhǎng)度完整、短軸長(zhǎng)度完整、長(zhǎng)軸和短軸均完整)葉片的原始葉片面積，進(jìn)而可對(duì)取食葉面積分別進(jìn)行評(píng)估，可操作性強(qiáng)。通過對(duì)比正常葉、受害枝無損葉回歸方程的計(jì)算結(jié)果和人工目測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3種方法在評(píng)測(cè)茶樹葉片被取食面積時(shí)無顯著差異。通過獲取不同植物葉片形態(tài)學(xué)參數(shù)，不但能夠區(qū)分植物葉片的種類，在植物種類鑒定中具有應(yīng)用價(jià)值，還能夠精確計(jì)算不同葉位面積、周長(zhǎng)、長(zhǎng)軸長(zhǎng)度、短軸長(zhǎng)度等，為建立植物生長(zhǎng)模型，以及評(píng)估害蟲危害嚴(yán)重度[27]等提供可靠數(shù)據(jù)。

通過前期的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，茶尺蠖幼蟲密度在中等水平以下時(shí)，茶樹葉片被取食后絕大多數(shù)能夠保留葉長(zhǎng)或/和葉寬(占91.38%)，因此本研究未對(duì)葉長(zhǎng)和葉寬均被取食的類型進(jìn)行評(píng)估。另外，通過研究葉片長(zhǎng)軸長(zhǎng)度和短軸長(zhǎng)度建立的面積回歸方程，對(duì)該茶樹品種不同葉位的長(zhǎng)寬系數(shù)進(jìn)行了估計(jì)，即在無茶尺蠖危害的枝條上，系數(shù)范圍為0.613～0.700，被害枝條無損葉系數(shù)范圍為0.610～0.682。而在《農(nóng)作物種質(zhì)資源鑒定技術(shù)規(guī)程—茶樹》中，茶樹葉片大小的確定以葉長(zhǎng)、葉寬和系數(shù)0.7的乘積作為葉面積，忽略了不同品種、不同葉位長(zhǎng)寬系數(shù)的變化。

據(jù)報(bào)道，茶樹不同成熟度的葉片對(duì)茶尺蠖生長(zhǎng)發(fā)育有影響，成葉有利于其幼蟲的生長(zhǎng)發(fā)育，老葉不利于取食[28]。這與本研究結(jié)果一致，即茶尺蠖偏好取食的葉位順序?yàn)榈?、4、2、5、1、6位葉。此外，本研究還在一定程度上證明了茶尺蠖危害茶樹葉片后引起其防御反應(yīng)[29]，如在被害枝上，無損葉片的葉面積小于正常未受害枝條葉面積，推測(cè)無損葉為防御茶尺蠖的危害在合成防御物質(zhì)時(shí)消耗了能量。

致謝：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)沈佐銳教授和高靈旺副教授在軟件應(yīng)用方面提供了幫助與支持，信陽(yáng)農(nóng)林學(xué)院2013級(jí)植物保護(hù)專業(yè)學(xué)生常世江、李建豪等同學(xué)參與了前期的研究工作，在此一并致謝！