桃樹葉片圖像考種分析系統(tǒng)的研究與開發(fā)

楊 素 陳妙金 顧 清 孫奇男 張小斌

（1.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院數(shù)字農(nóng)業(yè)研究所 杭州310021；2.寧波市奉化區(qū)水蜜桃研究所）

桃是我國最古老的果樹樹種之一，也是我國第三大落葉果樹，栽培面積和產(chǎn)量僅次于蘋果和梨。桃樹因具有結(jié)果早、豐產(chǎn)穩(wěn)定性好、對土壤條件要求不嚴(yán)、栽培管理容易等特點倍受栽培者青睞[1]。葉片是植物進(jìn)行呼吸作用、光合作用和蒸騰作用的主要器官，葉面積大小、葉形、葉色、葉長和葉寬等信息是植物生長狀態(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]。建立準(zhǔn)確、快速的葉面形態(tài)指標(biāo)測定方法，對于調(diào)整群體結(jié)構(gòu)、指導(dǎo)植物栽培密度及合理施肥具有重要的意義[3]。DUS（特異性、一致性和穩(wěn)定性）測試是植物新品種保護(hù)和品種審定以及品種登記中的重要環(huán)節(jié)[2]，該測試需要對多個性狀進(jìn)行測試，其中包括葉片的長度、寬度、長寬比、面積、RGB顏色、葉形、葉色等參數(shù)。

傳統(tǒng)的葉面積測定方法主要有網(wǎng)格測量法和復(fù)印稱重法，但是這兩種方法都費時費力，且測量誤差較大。而對于葉形、葉色等指標(biāo)，肉眼觀察的方法個人主觀性較強，容易產(chǎn)生視覺疲勞，測量誤差較大。利用掃描儀掃描植物葉面，然后借助Photoshop、R2V、Mapinfo、ArcGIS 等軟件進(jìn)行分析，可以準(zhǔn)確獲得葉片信息，受到越來越多的專家學(xué)者的推崇[4]。但是這些軟件通常比較復(fù)雜，難于推廣，應(yīng)用受到限制。鑒于此，本文研究開發(fā)了一款可視化的桃樹葉片圖像考種分析系統(tǒng)軟件，利用該系統(tǒng)可以快速簡便地獲取植物葉片的詳細(xì)參數(shù)。

1 需求分析

桃樹葉片圖像考種分析系統(tǒng)是專為農(nóng)業(yè)科研工作者量身定制的可視化葉片圖像采集與分析軟件，適用于DUS考種、葉片開展、害蟲取食等試驗分析。該系統(tǒng)可以通過分段掃描采集或打開葉片圖像，通過RGB多通道灰度處理和二值圖可視分析，精確分割葉片，快速獲取多葉長度、寬度、長寬比、面積、RGB顏色、葉形、葉色等參數(shù)，還可以對圖片進(jìn)行剪裁、保存及輸出，對葉片自動編號及查看特定編號葉片的分析結(jié)果等。此外，當(dāng)葉片內(nèi)出現(xiàn)孔洞時，可選擇剔除孔洞計算葉片面積，分析的結(jié)果可以按列、行或者Excel文件導(dǎo)出。

1.1 圖片采集

將樣品葉片放入便攜式掃描儀中進(jìn)行掃描圖像采集。該方式可根據(jù)葉片大小調(diào)整掃描距離，加快掃描進(jìn)度，提高葉片圖像采集的效率。掃描儀直接通過USB線纜供電和圖像數(shù)據(jù)傳輸，方便了田間直接采樣掃描分析。

1.2 葉片掃描

葉片掃描包括正常葉片和孔洞葉片的掃描。

1.2.1 正常葉片。系統(tǒng)通過灰度處理和二值圖可視分析，精確分割葉片并進(jìn)行編號（圖1），點擊任意編號即可顯示該葉片的長度、寬度、長寬比、面積、RGB顏色、葉形、葉色等參數(shù)。

圖1 正常葉片分析界面

1.2.2 孔洞葉片。當(dāng)葉片中存在孔洞時，默認(rèn)計算整個葉片面積（包含孔洞），此時葉片測量面積比實際面積要大。選擇“剔除孔洞”功能后分析結(jié)果將自動減去孔洞部分面積，保證測量面積與實際面積一致，確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性（圖2）。

圖2 孔洞葉片分析界面

1.3 結(jié)果導(dǎo)出

每一片葉的長度、寬度、長寬比、面積、RGB顏色、葉形、葉色等參數(shù)及所有葉片的平均值均會顯示在輸出結(jié)果中。所有結(jié)果數(shù)據(jù)可全部導(dǎo)出到Excel中，也可選中行導(dǎo)出部分葉片的考種數(shù)據(jù)，通過“復(fù)制行”、“復(fù)制列”還可導(dǎo)出特定行或列的考種數(shù)據(jù)。

1.4 考種分析

分析結(jié)果可按列數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，以葉片長度為例，選中“長度（mm）”列后葉片長度按照降序或升序進(jìn)行排列，其右側(cè)欄會自動顯示葉片長度的測量總數(shù)、平均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差。極差、遞增率、變異系數(shù)和最小值。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

圖3 系統(tǒng)技術(shù)方案

系統(tǒng)技術(shù)方案如圖3所示。

2.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)分析結(jié)果生成后及時保存在數(shù)據(jù)庫中結(jié)果表（表1）內(nèi)，防止數(shù)據(jù)意外丟失。其中圖片名稱對應(yīng)用戶打開的圖片文件名（掃描圖則為掃描時間），序號對應(yīng)圖內(nèi)多張不同的葉片，剩余字段則對應(yīng)葉片的多個參數(shù)值，依此數(shù)據(jù)可方便導(dǎo)出。

2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)在Microsoft Visual Studio 2008中基于C#.net4.0開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用Microsoft Access2007,圖像處理部分基于Emgu CV2.4.10實現(xiàn)了葉片各項指標(biāo)圖像分析功能。在圖像處理上，灰度化默認(rèn)采用RGB 三色通道灰度值,也可選擇使用加權(quán)值法，二值化則采用OTSU閾值法；在參數(shù)提取上，根據(jù)輪廓最小外接矩形測量葉片長寬值，基于葉片長寬比區(qū)分圓形、橢圓形和披針形等形狀，通過比較樣品葉色RGB與標(biāo)準(zhǔn)色RGB 的最小歐式距離分析葉色，從而保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計

3 結(jié)論

與傳統(tǒng)方法相比，桃樹葉片圖像考種分析系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：（1）自動化程度高。不易受人為因素影響，測量結(jié)果更加準(zhǔn)確；（2）效率高。相比傳統(tǒng)方法，該系統(tǒng)大大節(jié)省了人工測量和數(shù)據(jù)二次錄入時間，節(jié)省人力和時間成本；（3）信息量豐富。除了葉長、葉寬以外，還能同時獲得面積、RGB顏色、葉形、葉色等參數(shù)，有利于對植物葉片的生長狀況進(jìn)行全面分析，對于指導(dǎo)作物育種和栽培具有重要意義。