植物葉面積測量方法綜述

熱娜古麗·熱西提 劉生智 劉同金 陳炳舟 王家碩

摘 要：葉片不僅是植物進行光合作用的重要器官，也是生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)者的主要能量轉(zhuǎn)換器，葉片的自身性質(zhì)直接影響著植物的基本行為與重要功能。測量植物葉片的面積，能夠有效地反映植物對外部因素的適應(yīng)程度，如植物對地理分布、營養(yǎng)成分等方面的適應(yīng)程度。同時，植物葉片表面的各項指標(biāo)也是影響植物生長、果實良好發(fā)育的生理指標(biāo)，指標(biāo)的高度決定著植株發(fā)展的趨勢與質(zhì)量。因此，葉片表面積的測量對于植物的指標(biāo)檢測有著重要的意義。該文重點闡述了目前條件下植物葉面積的測量方法以及數(shù)字圖像處理技術(shù)測量植物葉面積方面的研究進展。

關(guān)鍵詞：植物葉片面積;測量方法;生理指標(biāo)

中圖分類號 S184 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2020）05-0022-02

Survey of Plant Leaf Area Measurement Methods

Renaguli·Rexiti et al.

（College of Information Engineering， Tarim University， Alar 843300， China）

Abstract： Plant leaves are an important organ for photosynthesis and a major energy converter for producers in the ecosystem. The nature of the leaves will directly affect the basic behavior and important functions of the plant. The area measurement of plant leaves can effectively reflect the adaptation degree of plants to external factors， such as the adaptation of plants to geographical distribution and nutritional components. At the same time， various indexes on the surface of plant leaves are also physiological indexes that affect plant growth and good fruit development. The height of the indicator also determines the trend and quality of plant development. Therefore， the measurement of leaf surface area is of great significance for the detection of plant indicators. This article will also focus on the measurement of plant leaf area under current conditions.

Key words： Plant leaf area; Measurement method; Physiological index

植物進行光合作用后生成有機化合物的重要器官是葉片，其也是進行蒸騰作用的必要媒介。葉片面積的大小，在一定程度上影響著農(nóng)作物的產(chǎn)量變化。葉片面積的各項指標(biāo)也能夠衡量植物的生長情況[1]。因此，建立一種方便、快捷的葉片測量方法，并且對其準(zhǔn)確的測量，有助于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理，從而實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的栽培技術(shù)改造。

1 常用的葉片面積測量方法

1.1 方格法 收集被測葉片，準(zhǔn)備好一張坐標(biāo)紙，被測葉片被平放在坐標(biāo)紙上，并把被測葉片的整體輪廓用鉛筆畫出來。畫好之后，在坐標(biāo)紙上查出格子的數(shù)量。如果遇到不滿1個格子的情況，則根據(jù)所占的比例按照1/2或者1/4計數(shù)[2]。計算出單位格子的面積再乘以格子的總數(shù)，最終得到整個葉片的面積。此方法的成本相對較低，實施過程也比較簡單。但由于工作量太大且人為誤差不可避免，因而不會頻繁出現(xiàn)在具體應(yīng)用過程中。

1.2 稱紙重法 將收集好的葉片復(fù)印成圖片或者按照葉片的形狀畫在一張紙上，然后利用剪刀將其剪切下來，稱量紙張的重量[3]。把紙張的實際重量除以單位面積紙張的實際重量，計算結(jié)果為被測葉片面積。此方法測得的結(jié)果相對較準(zhǔn)確，但操作過程十分繁瑣，人為因素仍然存在其中。

1.3 打孔稱重法 先稱量葉片的總質(zhì)量，然后利用打孔器在葉片的表面上均勻的打出幾個具有已知面積的小孔。這些孔的葉片質(zhì)量與孔的面積之比作為單位葉面積重量。也就是說，葉片面積也就是葉片質(zhì)量除以單位葉面積的質(zhì)量[4]。但打孔會破壞葉片，測量結(jié)果也會隨著打孔位置的變化而變化。一旦葉片周圍含有豐富的水分，在擱置一段時間后，其稱重的質(zhì)量也會出現(xiàn)一定的誤差。并且對于孔質(zhì)量的稱重設(shè)備的精密度有也著很高的要求。

1.4 回歸方程法 測定一定數(shù)量的同種葉片的各種參數(shù)時，利用目前已知的葉片面積大小、葉片的長寬等數(shù)據(jù)來擬合某一類葉片的回歸系數(shù)[5]，再利用葉片的其他數(shù)據(jù)來計算葉片的面積。此方法的前提條件是必須用其他方法能夠確定葉片的回歸系數(shù)。在這個基礎(chǔ)之上才可以完成測量結(jié)果的輸出。優(yōu)點是不會對葉片的生長造成影響，全過程都是非破壞性的測量技術(shù)[5];缺點是只能對某一種類型的葉面積進行分析測量，如果遇到相對不規(guī)則的葉片，此方法會帶來較大的測量誤差。

1.5 數(shù)字圖像處理技術(shù) 數(shù)字圖像處理法提出利用數(shù)碼相機來快速獲取葉片的真實圖像，多個像素點構(gòu)成真實圖像。如果已知每一個像素的實際面積以及被測葉片的像素數(shù)，那么就能直接求出葉片的面積[6]。也就是說，利用已知參照物的實際面積來進行被測葉片面積的計算，即圖片中葉片的像素數(shù)乘以代表參照物的實際面積的結(jié)果，再次除以圖像參照物的像素數(shù)，就得到了被測葉片的實際面積[7]。隨著電子設(shè)備的逐漸興起，基于數(shù)字圖像的處理方式也受到了研究學(xué)者的廣泛關(guān)注[8]。此方法不僅沒有給葉片自身的生長帶來影響，還保證了測量的準(zhǔn)確度。通過多次實驗數(shù)據(jù)的研究分析，也驗證了該方法的可行性，對未來的發(fā)展具有重要的意義。

2 數(shù)字圖像處理技術(shù)測量植物葉片面積的研究進展

由于具有信息采集速度快、信息采集量大且無需接觸的技術(shù)優(yōu)勢，數(shù)字圖像處理技術(shù)作為重要的技術(shù)手段，被廣泛地應(yīng)用于諸如人群行為分析、動物行為分析應(yīng)用領(lǐng)域[9]。因此，許多研究學(xué)者基于數(shù)字圖像處理技術(shù)對葉片面積求取進行了深入的研究，從參照物的選擇到邊緣精準(zhǔn)度的提取，從透視畸變再到便攜性的問題探討[10]。一系列研究都在為數(shù)字圖像處理技術(shù)提供更加完善的操作建議。

2.1 傾斜矯正的方法 在測量葉片面積的過程中，很難保證主光軸完全垂直于葉面，各種角度問題都會帶來畸變[11]。對此，有研究學(xué)者提出使用矩形框來矯正。在拍攝過程中，背景處放置1個已知面積的矩形框，以矩形面積作為參照，利用圖像中的矩形頂點坐標(biāo)來進行幾何校正，避免了角度問題影響的透視畸變。

2.2 測量效率的提升 為了實現(xiàn)1次測量多片葉片的面積，利用掃描的方法進行反復(fù)檢測?，F(xiàn)今階段，智能手機廣泛應(yīng)用，手機攝像頭的分辨率也在逐漸提升[12]。因此，利用手機的硬件配置就能夠得到最佳的測量結(jié)果，此方式也十分便捷。

2.3 不完整葉片面積的測量 農(nóng)作物在種植過程中會有一定程度的蟲害發(fā)生，有研究學(xué)者基于葉片模版結(jié)構(gòu)來自從匹配葉片被損害的面積[13]。具體方式是提取葉片周圍的近似輪廓，將其分為若干個小輪廓。按照形狀的結(jié)構(gòu)來進行完整葉片與蟲損葉片間的自行匹配，在對照過程中計算蟲損的面積。

3 小結(jié)與展望

本文比較了多種葉片面積測量方法，指出了方格法、稱紙重法與打孔稱重法雖然使用的設(shè)備相對簡單，但人力成本需求較大[14]。在測量過程中，一旦發(fā)生人工測量誤差，測得的面積精度會隨之下降，并且這3種方法都屬于破壞性測量?；貧w方程法能夠做到非破壞性測量，但具體實施過程中存在一些困難，且不具有通用性。而數(shù)字圖像處理技術(shù)能夠大范圍的應(yīng)用在所有種類的葉片中，不但可以實現(xiàn)無損測量，還能夠避免葉片大小、形狀以及厚度的影響。數(shù)據(jù)的處理過程由計算機自動生成，從而減少了操作人員的工作強度。數(shù)字圖像處理技術(shù)由于具有精密度高、操作方便快捷等優(yōu)點，越來越受到人們的關(guān)注，對植物葉片的生長分析也起著積極作用。相信未來隨著科技的不斷進步，數(shù)字圖像處理技術(shù)必將在林業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到更加廣闊的應(yīng)用。

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（責(zé)編：張宏民）