基于GIS在苜蓿叶面积测定中的应用

陈积山，朱瑞芬，张月学

(黑龙江农科院草业研究所,黑龙江 哈尔滨 150086)

叶片是植物代谢的主要组织之一，是对植物蒸腾和光合作用有极其重要作用的器官。因此，植物叶片信息对植物生长发育状况和群体结构合理性有很强的指示性，其中叶面积是主要观测指标[1]。目前，获取植物叶面积的方法主要有叶面积仪法,但专业叶面积仪器价格昂贵、容易损坏、野外操作局限性大而不便于快速测定。具有一定优势的方格法、重量法和长宽系数法等,测定时易受人为影响，存在效率低、误差高的缺点，因此,获取准确的叶面积信息亦相当困难[2-6]。地理信息系统(Geographic Information System,GIS)将计算机图形学、地理学、信息学和管理学等多学科进行完美结合,能够存储、分析与表达各种图形信息与属性信息，为图形管理系统和数据管理系统的有机结合体，其核心和灵魂是空间分析[7]。在矢量结构下，面状对象的面积量算采用几何交叉处理方法；对于栅格结构，多边形面积计算则是统计具有相同属性值的格网数目[8-9]。由于GIS集成了数据库管理、高效图形算法、插值和网络分析等多学科的最新技术与手段，为空间分析提供了强大的工具，从而使得过去复杂困难的空间分析任务变得简单易行[10]。

苜蓿(Medicagosativa)多为三出羽状复叶，偶尔见多叶变异株丛。由于各小叶片大小不均、品种间叶片形态各异，准确、快速测定苜蓿叶面积有很大难度。本研究期望借助GIS空间分析技术获取苜蓿叶片信息，目的在于探求简捷准确的叶面积测定方法。

1 材料与方法

1.1试验仪器 能够安装运行ArcGIS 9.0软件和图像处理软件的计算机(内存不低于32 M)。本研究的操作系统、GIS软件和矢量化软件分别采用Windows 2000、ArcGIS 9.0软件[11]和R2V 5.5(R2V for Windows是一款高级光栅图矢量化软件系统)，苜蓿图像获取采用SCX-4623FH扫描仪。

1.2试验原理 ArcInfo地理信息系统软件是美国环境系统研究所(ESRI)的著名产品。ArcInfo软件可以自动计算Coverage数据格式中线状对象的长度，同时将其长度值存储在Info数据表中，利用其软件的互动操作功能可以在系统中找到每一条线状对象在Info数据表中对应的长度值[12]。在GIS中,图形数据通常以坐标(X，Y)方式存储在Arc图形文件系统中,属性数据则以数据表形式存储在Info数据库中。GIS一般利用一个相同的ID(Identify)字段将图形数据和属性数据联接起来,从而实现图形到属性和属性到图形的双向查询、检索与互动等操作[13-14]。GIS软件的空间量算功能基于一定的空间投影方式。为了解决叶片图像能够在GIS中进行量算,利用ArcInfo软件对图形对象的长度、面积进行量算的前提是图形应具备一定的空间投影方式，设置参照物和目标物体一起获取图像,通过一定的比例折算获取目标信息。

1.3试验方法及步骤 在苜蓿初花期随机采取5株苜蓿，迅速带回实验室，以株为单位分离茎叶并按顺序编号为A、B、C、 D 和E。为了能够在不具备投影方式的条件下对叶面进行准确测量，可准备一个参照物[一个已准确测量出面积的4类几何图形(图1a)]来检验GIS提取面积信息的可行性和精确性，并以正方形(1 cm×1 cm)作为整个试验的参照物。

1.3.1精确性检验 为了验证在提取苜蓿叶片图像信息中应用GIS空间分析技术的可行性，将已知面积的正方形、三角形、梯形等用扫描仪扫描获取图像信息，矢量化后(图1b)，利用GIS软件中的VBA(Visual Basic for Applications是Visual Basic的一种宏语言)提取矢量图形的周长和面积信息(图1c)，然后将提取的信息与对应图形已知信息进行比较(表1)，通过判断相对误差是否在试验误差允许范围内来说明该项技术应用于苜蓿叶面积测定的可行性和合理性。

图1 参照对象信息

表1 图形实际信息与GIS提取信息

1.3.2参照图形面积测定 将已知面积正方形(1 cm×1 cm)随同叶片分散排布于扫描仪上，扫描时，选择300 dpi灰度图像保存。在R2V中二值化后用Auto Vectorize命令实现自动矢量化，如有必要可利用R2V软件中辅助处理或编辑，处理后的矢量数据用Export Vector命令以ArcView(*.shp)文件格式存储。在ArcGIS 9.0软件空间分析时，按照如下步骤进行：

1)加载数据，选择“open attribute table”打开“*.shp”文件的属性表。

2)单击“属性”按钮，选择“增加字段”对话框，在该对话框中添加字段和字符类型，以同样方式添加字段和字符类型。

3)选择“编辑”工具中“开始编辑”按钮命令。

4)选择“字符”，右键单击弹出菜单，选择“字段”栏，在其对话框中选中“高级”按钮，在Pre-logic VBA Script Code文本框中编写：

Dim pArea as IArea

Set pArea=[shape]

在Area=下的文本框中输入pArea.area，点击“OK”，即可完成Area字段的属性值计算，显示结果。

5)选择“类型”，右键单击弹出菜单，选择字段栏对话框中，选中“高级”按钮，在Pre-logic VBA Script Code文本框中编写：

Dim pCurve as ICurve，

Set pCurve=[shape]

在Length=下的文本框中输入pCurve.Length，然后点击“OK”，即可完成Length字段的属性值计算，显示结果。

2 结果与分析

2.1图形信息的GIS提取与实际信息的比较 利用GIS提取图形的周长和面积信息与其实际周长、面积信息十分吻合(表1)。周长提取值与实际值的相对误差(绝对值)介于0～0.017 7 cm,平均周长相对误差为0.177%;面积提取值与实际值的相对误差变化范围(绝对值)为0～0.037 5,平均面积相对误差仅为1.68%。而一般的测量误差在10%～15%,更精密的可低至5%[15]。这表明本研究中平均相对测量误差远小于5%的精度，体现了GIS提取的图形周长、面积信息具有极高的准确性和精确性。因此,验证了刘玉华等[1]关于 GIS空间分析技术完全适用于叶片周长、面积等形态特征信息的精确获取的结论。

2.2苜蓿叶面积测定分析 在ArcGIS 9.0中调用ArcView(*.shp)矢量数据，生成Polygon Map(多边形地图)，在ArcGIS 9.0软件空间分析中的VBA来实现得到所有样本Polygons(苜蓿叶缘轮廓)的周长、面积信息(图2b)。查找出参照物正方形(1 cm×1 cm)，按照参照物的提取值和实际值的比例换算系数(表1)，求出每一个测定叶片的实际周长、面积，即可自动获取苜蓿整个植株叶片的平均单叶面积(平均单叶周长)、单株(茎)的总叶面积(总叶周长)等数据信息(表2)。

以株为单位分离茎叶并编号为A、B、C、D 和E的苜蓿中，单株A共有小叶片38枚,其周长、面积的提取由VBA编程自动完成(表2)。其中周长最大为4.80 cm,最小为2.08 cm;单株叶片总叶周长231.42 cm,平均叶周长6.09 cm。单叶面积最大可达1.40 cm2,最小叶面积仅为0.32 cm2;单株总叶面积56.24 cm2,平均小叶单片叶面积为1.48 cm2。单株E共有小叶片53枚，其中周长最大为6.80 cm,最小为2.25 cm;单株叶片总叶周长556.48 cm,平均叶周长7.52 cm。单叶面积最大可达2.38 cm2,最小叶面积仅为0.30 cm2;单株总叶面积169.46 cm2,平均小叶单片叶面积为2.29 cm2。由于其余3个单株的叶片总数均在38～74范围内，其周长、面积的提取数据在罗列时省略。本研究中计算得到了黑龙江西部盐碱脆弱区栽培苜蓿初花期的叶片平均面积范围1.48～2.29 cm2，这相对于叶面积仪、网格法、长宽系数法等常规测定方法的繁琐、误差大和设备易损坏等而言,用GIS空间分析方法测定叶面积显示出了无比的优越性。

图2 苜蓿单株A的叶片信息

表2 苜蓿单株叶片信息

3 讨论与结论

基于GIS空间分析法测定苜蓿叶片面积中使用的仪器和材料如扫描仪、PC机等，比较常见；运用GIS空间分析法可以减去传统方法中大量繁琐的工作。同时，基于GIS空间分析法测定苜蓿叶片面积的测定精确度高，测量值极其接近实际值，这与刘关君等[16]和刘玉华等[1]的研究结果一致。因此，基于GIS空间分析法测定叶面积的方法可以作为苜蓿叶片面积快速、精确、简便而严谨的方法。

目前，数码产品的更新换代速度快，数码图片处理能力也日益猛进。基于照相机图像处理法虽能实现对植物叶片图像的非破坏性采集，但是其成像受多重因素影响较大，叶面积测量的准确度较低。因此，基于GIS法测定叶片叶面积的原理是通过矢量叶片形状信息的基础上建立的一种能够准确测定苜蓿叶片面积信息的方法。

作为GIS应用的一个拓展，GIS空间分析方法建立在计算机图形图像处理基础之上具有严密的科学性，为苜蓿叶面积测定提供了一种新思路。本研究借助设置参照物的办法解决了GIS空间分析中无空间投影方式的图像处理问题而成功应用于苜蓿叶片面积的测定中,并且利用其一次性自动输出批量苜蓿叶片的单叶周长、单叶面积等多项信息,实现根据需要自由选择量算叶面积的功能。同时，利用GIS空间分析技术测定的相对误差极低(≤1.68%),表明GIS空间分析技术完全可以用于苜蓿等不规则叶片的特征信息提取。与传统叶面积测定方法相比,GIS空间分析技术应用于叶面积测定具有以下显著的特点:1)GIS提取叶片图像的矢量化和空间信息全过程均为计算机自动处理,干扰因素少,精度高;2)GIS强大的空间分析工具和日益发达的计算机技术使得巨量的叶片信息提取与分析轻而易举,对于细碎或者不规则叶片特征信息(周长、面积等)的提取不受叶片形状等因素的限制;3)测量速度快，特别适用于批量处理;4)GIS图像的获取途径(数码相机、摄像头、扫描仪等)没有严格限制,其结果提取与输出可在相关统计软件中继续处理与分析。

[1] 刘玉华,贾志宽,史纪安,等.GIS空间分析技术在苜蓿叶面积测定中的应用[J].草业学报，2006，15(2)：123-125.

[2] 鲍雅静,李政海,张颖.羊草叶面积测量方法的比较[J].内蒙古大学学报(自然科学版),2002,33(1):62-64.

[3] 穆春生,张宝田,崔爽.不同生境羊草营养枝叶龄进程与地上生物量关系的研究[J].草业学报,2002,13(3):75-79.

[4] 冯常虎.棉花叶面积测定方法综述[J].江西棉花,1990,3(4):13-16.

[5] 胡显华,石文茂.一种测定植物叶面积方法的研究[J].吉林农业大学学报,1994,16:117-120.

[6] 李雁鸣,胡寅华,张建平,等.魔芋叶面积测定方法的初步研究[J].河北农业大学学报,2000,23(4):23-25.

[7] 邬伦,刘瑜,张晶,等.地理信息系统——原理、方法和应用[M].北京:科学出版社,2001.

[8] 唐立娜,陈春.草地GPS简易测图[J].草业学报,2002,21(4):100-104.

[9] 张卫国,黄文冰,杨振宇.草地微斑块与草地退化关系的研究[J].草业学报,2003,12(3):44-50.

[10] 孙成明,袁登荣,王余龙.地理信息系统的农业应用与进展[J].上海农业学报,2004,20(3):99-101.

[11] 欧阳霞辉.ArcGIS地理信息系统大全[M].北京：科学出版社,2010：11.

[12] 房佩君.地理信息系统ARC INFO 及其应用[M].上海:上海同济大学出版社,2000.

[13] 张恒敢,杨四军,顾克军,等.应用数字图像处理测定作物叶面积的简便方法[J].江苏农业科学,2002(3):20-25.

[14] 杨劲峰,陈清,韩晓日,等.数字图像处理技术在蔬菜叶面积测量中的应用[J].农业工程学报,2002,18(4):155-158.

[15] 曹亦芬,曹致中,师尚礼,等.苜蓿叶面积简易测定方法的研究[J].草业科学,1990,7(3):60-62.

[16] 刘关君,王大海,郭晓瑞,等.植物叶面积的快速精确测定方法[J].东北林业大学学报,2004,32(9):82-83.