几种常用的树木叶面积测量方法比较*

张新平　董　洁　张芳芳　王得祥

1　陕西职业技术学院　西安　710100 2　西北农林科技大学　陕西杨凌　712100 3　陕西省农业广播电视学校高陵分校　陕西高陵　710200

几种常用的树木叶面积测量方法比较*

张新平1,2董洁1张芳芳3王得祥2

1陕西职业技术学院西安710100 2西北农林科技大学陕西杨凌712100 3陕西省农业广播电视学校高陵分校陕西高陵710200

摘要：以随机采集的6种延安市区绿化植物(白蜡、刺槐、紫丁香、五角枫、银杏和月季)新鲜叶片为材料，分别用激光叶面积仪、AutoCAD和ENVI进行测量。通过统计比较发现，激光叶面积仪测量结果平均偏大，精度最低；AutoCAD与ENVI在测量结果上差异不显著，但在精度上AutoCAD高于ENVI。AutoCAD测量叶片面积的平均耗时为139.6 s，是ENVI方法的3～4倍。通过AutoCAD测量方法测定以上6种树木叶片的长度、宽度和叶面积，并拟合出6种树木的叶面积线性方程，相关系数与决定系数均达到极显著水平。经过验证，这6个叶面积线性方程均是可靠的，可以用于延安市这6种植物叶片面积的测量和叶面积衍生指标的估算。

关键词：叶面积，像素统计，回归方程，遥感软件，陕西延安

叶面积是一个表征植物生长与发育状态可以度量的特性指标。此外，叶面积这一变量揭示了植物的光捕获、光合效率、呼吸、蒸腾、结实、水分平衡以及肥料效应等生理特性[1]。因此，反过来，叶面积测量会有助于研究者去澄清植物的生长与发育状况以及CO2固定等方面的生理特性。为方便叶面积测量，研究者设计出了轮廓描绘[2-4]、叶面积仪[5]、回归方程[6-14]、图像分析[15-25]等常用方法，然而这些方法在批量样品叶面积快速精准测量上都存在一定的限制。轮廓描绘与叶面积仪对使用人员的操作技术水平要求比较严格，操作人员在操作过程中手臂的稍微抖动就会影响测量精度和准确度；回归方程要以大样本量的测量数据为基础，方程的系数会因同种植物的品种、生态型等而变化，应用者需要根据具体的情况对方程进行验证和系数修正。图像分析方法技术性较强，需要操作者具有一定的图像处理技能，不便于普及。本研究以延安市区应用频率较高的6种绿化植物为材料，首次采用一种具有较强的图像处理分析功能、操作简便的遥感图像处理软件ENVI 5.1来计算其叶面积，并与传统的AutoCAD和激光叶面积仪测量结果进行差异比较，同时运用Auto CAD测量出6种植物叶片的长度与宽度，线性回归出这6种植物的叶面积与叶片长度与宽度乘积的方程，并验证其可靠性，以期为延安市区这6种绿化植物的生态服务功能估算和生长发育状况监测提供参考。

1 试验设计与研究方法

1.1 试验材料与仪器

1.1.1 植物材料

2014年7月18—27日在延安市城市绿地中随机选择生长良好、无病虫害、整齐一致的白蜡(FraxinuschinensisRoxb.)、刺槐(RobiniaPseudoacaciaL.)、紫丁香(SyringaoblataLindl.)、五角枫(Acerpictumsubsp. Mono (Maxim.) Ohashi)、银杏(GinkgobilobaLinn.)和月季(RosachinensisJacq.)6种绿化植物各30～42枚叶片作为试验材料(图1)，并将叶片按顺序编号带回实验室。

图1　六种延安城市绿化植物的叶片扫描图片

1.1.2 仪器

包括扫描仪(爱普生Perfection V330，最大分辨率为12 800dpi)，激光叶面积测量仪(YMJ-B，浙江托普仪器有限公司生产，1 000 mm×160 mm,分辨率1 mm2)，计算机(安装有AutoCAD2007，ENVI5.1等软件)。

1.2 试验设计

每种植物叶片按形状大小均匀地分为2组，一组用于叶面积与叶片长宽乘积方程的拟合，另一组用于拟合方程的检验。所有植物叶片下衬白色打印纸经过扫描仪以1 000dpi像素扫描后，分别采用下文所述方法测量扫描的叶片面积。每个叶片每种方法重复2次，对3种测量方法所得结果进行χ2检验，比较其是否存在显著差异。运用三者中精度最高的方法测量每枚叶片的长与宽，拟合出这6种植物的叶面积(LA)与叶片长宽乘积(L×W)的模型，并对模型可靠性进行评价。通过“耗用时间—叶片形状指数曲线”分析叶片形状与用AutoCAD描绘叶缘轮廓耗时的关系。从测量结果与测量速度2个方面对AutoCAD与ENVI这2种叶面积测量方法进行比较。

1.3 叶面积测量方法

1.3.1 激光叶面积仪测量法

该方法是一种常用的野外快速测定活体叶片叶面积的方法。大量的预试验表明，该方法测定的叶面积误差较大、精度不高。启动仪器，将待测叶片放入到探头仓内，按下“面积”按钮即可完成对叶片面积的测量，数据可以自动保存在仪器的内存中，可通过数据线导出。

1.3.2 AutoCAD测量法

运行AutoCAD2007软件，以“光栅图像参照”的方式插入扫描出的植物图像，新建一个图层，用多段线绘图工具沿叶片边缘描绘1周，最后输入“C”(闭合)，然后在命令栏输入“aa”(面积)，选择“o”(对象)，在刚才描绘的叶片边缘多边形上任意一处点击，命令栏就会出现以mm2为单位的叶片面积值(图2左图)。

1.3.3 ENVI测量法

利用扫描仪获得植物叶片数字图片，运用ENVI软件菜单中的“File”/“Open Image File”打开图片，在“Available Bands List”(波段列表)上点击鼠标右键，再左键选择“Quick Stats…”，得到植物叶片图像的像素值、像素点的统计数据，选择除背景值255之外的像素数值的点数和，即为所测叶片图像的像素点数(图2右图)。运用叶面积=叶片像素数×(24.5/分辨率)2[公式(1)]计算出叶片面积。

图2　CAD与ENVI测量五角枫叶面积的主要过程

1.4 数据处理与模型评价

2 结果与分析

2.1 叶面积测量方法比较

表1　叶面积测量方法多重比较结果

注：叶面积单位为mm2，精度=1-(标准误的绝对值/均值)，不同小写字母代表在0.05水平上差异显著，不同大写字母代表在0.01水平上差异显著。

表1表明，3种叶面积测量方法所得结果仅在刺槐叶片上无显著差异，在其他5种树木的叶片中均表现为相似的规律：叶面积仪测量法与AutoCAD测量法及ENVI测量法之间存在极显著差异，且测量结果高于后两者、测量精度低于后两者；AutoCAD测量法与ENVI测量法之间差异不显著，在精度上前者略高于后者。

ENVI软件测量法测量一枚叶片的平均耗时为47.5 s而AutoCAD测量法为139.6 s，并且AutoCAD测量法的耗时会随叶片边缘形状粗糙程度(锯齿、浅裂等)的增加而增加(图3)。

2.2 叶片面积与叶片长宽乘积的线性拟合

叶片面积与叶片长宽乘积的散点图和SAS软件中的回归分析表明，6种植物的叶面积与叶片长宽乘积呈现极显著的正相关关系，拟合的6种植物叶面积模型决定系数(R2)都在0.98以上，概率检验

结果都是极显著的。代入检验组的数据到拟合的叶面积线性方程中，预测值与实测值的相关系数、预测值的平均相对残差与预测精度分析表明，这6种植物的叶面积线性方程是可靠的(表2)。

图3　ENVI软件测量法与AutoCAD测量法耗时比较

表2　叶面积(Y)与叶片长宽乘积(X)的线性拟合

注：**代表极显著。

3 结论与讨论

3.1 结论

在3种叶面测量方法中，叶面积仪测量法操作简便且不损伤叶片，但是测量结果精度不高。ENVI测量法与叶片扫描的图像分辨率和图像背景的纯白程度关系密切，操作简便，结果可靠。AutoCAD测量法与测量人员叶边缘勾绘的细致程度相关度高。本文依据AutoCAD熟练人员(本文第一作者)精确勾绘获取的植物叶片长、宽和面积等数据拟合出6种延安市区绿化植物的叶面方程，检验结果表明其在各自的定义域范围内是可靠的，可用于延安市区这6种绿化植物叶面积相关指标的估算和生理特性监测。

3.2 讨论

在熟练操作AutoCAD软件的前提下，在叶面积测量上，AutoCAD测量法相对于ENVI测量法更为精确。这与程宏等[2]、刘浩等[3]的研究结果一致。但采用AutoCAD测量法需要操作人员熟练掌握AutoCAD绘图技能才能保证结果尽可能准确，在描绘叶片边缘轮廓时会多耗用2～3倍的时间，并且随着叶缘锯齿或浅裂数目的增多和扫描图像分辨率的提高消耗时间会大幅度提高，有时还会出现计算机卡死的现象。利用ENVI软件的像素快速统计技术可快速和准确地进行离体单片或多片叶面积提取，若结合郭文川等[23]研发的借助智能手机拍照功能，可以实时地对活体植物叶片的面积进行测量。因此，基于ENVI软件的叶面积测量法是一种值得推广的方法。

本研究所选的6种植物叶片在叶缘形状上有一定的代表性。白蜡代表叶缘具整齐锯齿先端尖的长卵形叶，国槐代表卵状长圆形全缘叶，紫丁香代表叶宽大于叶长、叶尖锐尖的全缘肾形叶，五角枫代表掌状裂叶，银杏代表扇形叶，月季代表边缘锐锯齿、卵状长圆形叶。本研究中得出的叶片面积与叶片长宽乘积的线性回归方程决定系数均较高。这与宿庆连[8]及张秀玲[28]的结论“叶面积和叶片长宽乘积的相关系数最高”一致。

采用6种植物的叶面积回归方程可以通过在实地测定活体植物的叶片长度与宽度来间接求算叶片面积，既减少植物损伤，又节约经济成本。但是，同一种植物的叶片形态会因植物的品种和生态型不同在叶面积上表现出较大的差异，因此选用回归方程时要考虑到植物品种和生态型的差异以及叶片长宽乘积的取值范围。

参考文献

[1]SYVERTSEN J P,GONI C,OTERO C.Fruit load and canopy shading affect leaf characteristics and net gas exchange of ‘Spring’ navel orange trees [J].Tree Physiol,2003,23(13):899-906.

[2]程鸿，吕军芬.CAD图形处理技术在植物叶面积测量中的应用[J].甘肃农业大学学报，2003，38(40)：467-470.

[3]刘浩，孙景生，段爱旺，等.基于AutoCAD软件确定番茄与青椒叶面积的简易方法[J].中国农学通报，2009，25(5)：287-293.

[4]田青，曹致中，张睿.基于数码相机和AutoCAD软件测定园林植物叶面积的简便方法[J].草原与草坪，2008(3)：25-28.

[5]田有文，王晓娟.基于ARM9的手持式叶面积仪的设计[J].农机化研究，2009(1)：149-151.

[6]龚立群.锐齿栎叶面积求算初探[J].西北林学院学报，1991，6(1)：91-94.

[7]ALBERTO C F,MARCOS T,BRUNA M A,et al.Leaf area estimation of pigeonpea by leaf dimensions[J].Ciência Rural,2015,45(1):1-8.

[8]宿庆连.回归方程法测定红掌叶面积研究[J].广东农业科学，2009(1)：57-59.

[9]李秀启，李晓琳，李颜，等.黄瓜叶面积测量方法的评价[J].长江蔬菜(学术版)，2008，6(下)：71-73.

[10]高祥斌，张秀省，蔡连捷.观赏植物叶面积测定及相关分析[J].福建林业科技，2009，36(2)：231-234，251.

[11]薛义霞，栗东霞，李亚灵.番茄叶面积测量方法的研究[J].西北农林科技大学学报(自然科学版)，2006，34(8)：116-120.

[12]尹婧，邱国玉，何凡，等.半干旱黄土丘陵区人工林叶面积特征[J].植物生态学报，2008，32(2)：440-447.

[13]侯立群，杜振宇，李秀芬，等.板栗叶面积测算方法的探讨[J].河北林果研究，2002，17(1)：48-51.

[14]李秋元，陈海滨.锐齿栎叶面积叶干重研究初报[J].西北林学院学报，1993，8(4)：24-29.

[15]毛平生.利用photoshop测定茶叶等植物叶片面积的方法[J].福建茶叶，2006(3)：32.

[16]马彦平，白由路，高祥照，等.基于数字图像的玉米叶面积测量方法研究[J].中国农学通报，2009，25(22)：329-334.

[17]于峰，林杉，张峻峰，等.一种基于图像特征值算法的叶面积测定方法[J].中国农业大学学报，2007，12(4)：67-69.

[18]张仁祖，徐为根，黄文杰.一种新的基于图像处理的作物叶面积测量方法[J].江西农业学报，2008，20(4)：117-119.

[19]王静，张清泉，杨培林.基于数字图像处理的植物叶片面积测量方法研究[J].山西师范大学学报(自然科学版)，2014，28(3)：49-52.

[20]贾爱莲，张淑娟.基于Matlab的植物叶面积数字摄影图像处理[J].山西农业大学学报(自然科学版)，2006，26(1)：80-82.

[21]王静文，刘弘.基于Snake模型的植物叶片面积计算方法[J].计算机工程，2013，39(1)：234-238.

[22]高建昌，郭广君，国艳梅，等.平台扫描仪结合ImageJ 软件测定番茄叶面积[J].中国蔬菜，2011(2)：73-77.

[23]郭文川，周超超，韩文霆.基于Android手机的植物叶片面积快速无损测量系统[J].农业机械学报，2014，45(1)：275-279.

[24]张全法，冯绚，何金田，等.植物叶片面积测量系统的设计及应用[J].河南农业大学学报，2001，35(4)：383-386.

[25]涂少雄，盛毅.植物叶片面积和周长的快速测量方法[J].微计算机信息，2007，23(1/2/3)：266-268.

[26]刘小英，何东健，张健，等.葡萄干轮廓的图像检测方法研究[J].西北林学院学报，2006，21(5)：189-192.

[27]黄燕，吴平，汪安，等.SAS统计分析及应用[M].北京：机械工业出版社，2006.

[28]张秀玲.两种计算叶面积方法的比较研究[J].青海农林科技，2007(2)：4-5.

[29]张秀玲.城市绿化树种叶面积测算新方法[J].中国城市林业，2007，5(3)：31-32.

Comparison of Leaf Area Measurement Method for Several Commonly Planted Tree Species

Zhang Xinping1,2Dong Jie1Zhang Fangfang3Wang Dexiang2

(1. Shaanxi Vocational & Technical College, Xi’an710100, Shaanxi, China;2. Northwest Agriculture &Forestry University, Yangling 712100, Shaanxi, China;3. Gaoling Branch School, Shaanxi Agricultural Broadcasting and Television school, Gaoling 710200, Shaanxi, China)

Abstract:Fresh leaves of six species of greening plants(Fraxinus chinensis Roxb., Robinia Pseudoacacia L., Syringa oblata Lindl., Acer pictum subsp. mono (Maxim) Ohashi., Ginkgo biloba Linn. And Rosa chinensis Jacq.)in Yan’an City were randomly collected as experimental material, and their leaf area were measured with laser leaf area meter, AutoCAD and ENVI respectively. The statistics comparison suggested that the measurement of laser leaf-area meter came to higher results than AutoCAD and ENVI did, and its accuracy was lowest. AutoCAD and ENVI were not significantly different in the measurement results, but the AutoCAD is higher than ENVI in accuracy. The average elapsed time measuring leaf area through Auto CAD was 139.6 s, 3-4 fold of ENVI measurement. In this paper, the leaf from 6 species of trees were measured for length, width and leaf area by using AutoCAD, and the linear equations of their leaf area were obtained through fitting while correlation coefficient and determination coefficient were extremely significant. Verified results showed that the linear equation ware all reliable and therefore could be used for measuring the area of leaves from the 6 species and estimating the leaf area derived index in Yan’an city.

Key words:leaf area, pixels statistics, regression equation, remote sensing software, Yan’an in Shaanxi

收稿日期：2015年-01-22

*基金项目：国家林业局林业公益性行业科研专项“干旱区城市森林质量评估及空间配置技术研究”(201104045)；校本课题“基于地域文化的黄土坡地校园景观设计研究——以陕西职业技术学院校本部为例”(Y1502)

作者简介：张新平，讲师，博士，研究方向：景观规划与遥感监测，E-mail：jhonxinping81@nwsuaf.edu.cn 通信作者：王得祥，教授，博士生导师，研究方向为森林生态与森林可持续经营，E-mail：wangdx66@sohu.com

DOI：10.3969/j.issn.1672-4925.2016.02.008