数字化图像处理精确计量植物叶面积方法的研究

田　玉，蔡海燕，牟金贵，王明秋，刘晓东*

（1.河北省农林科学院经济作物研究所，河北省蔬菜工程技术研究中心，河北　石家庄　050051；2.河北省农林科学院农业信息与经济研究所，河北　石家庄　050051）

数字化图像处理精确计量植物叶面积方法的研究

田玉1，蔡海燕2，牟金贵1，王明秋1，刘晓东1*

（1.河北省农林科学院经济作物研究所，河北省蔬菜工程技术研究中心，河北石家庄050051；2.河北省农林科学院农业信息与经济研究所，河北石家庄050051）

随着信息技术的发展，不规则图形面积的计算方法愈加成熟。分别利用像素法和方格法，同时对20个黄瓜品系的叶面积进行了测量；并以方格法的测量结果为对照，对像素法的测量结果进行了精度分析。结果表明：像素法对黄瓜叶片面积测定结果的变异系数为0.05%～0.10%、均值为0.07%，＜方格法测量结果的变异系数（0.51%～1.11%）和均值（0.82%），像素法测定结果更加稳定。且与数码相机拍摄取样法相比，像素法具有成像稳定、无缩放无变形不受到拍摄角度、对焦情况限制的优点，还可以在活体上直接测量，大大减轻田间工作量。像素法是1种广适性、精度高的叶面积测量方法，具有广阔的应用前景。

植物；叶面积；数字化；测量方法

叶片是植物进行光合作用、蒸腾降温的主要器官［1，2］，研究叶面积对获取作物的光合速率、生长状况、生理生化指标、农作物产量和品质等指标具有重要意义［3～5］，在指导遗传育种和栽培技术方面作用更加明显［6～10］。传统的叶面积精量计算方法有手工计数方格法［1，2，4］和等腰三角形法［4］，基于密度重量比的纸称重法［1，4］和鲜重法［1，4］，借助感官依靠叶面长宽面积求取的缩值系数法［1，2］，以及借助光电面积仪［4］、激光面积仪［4］和求积仪［1，4］等仪器的测算法。随着科技的发展，以数码相机拍照辅以计算机图像处理的测算技术得到了迅速发展，成为精准计算物体面积的主要手段［11～20］。计算机信息技术利用了数字照片以点（像素）记录照片的原理，通过计量单位面积的像素数，两者相除就可得到准确的叶面积数据。然而在开发过程中，存在着单位换算复杂、照片缩放比例不一的问题，每次用相机拍完图像均需要相应的参照并计算出缩放比例才能计算叶面积，给试验过程带来极大不便。而科研仪器市场上应用的植物图像分析仪、平板电脑拍照智能叶面积仪、手持叶面积仪等均存在测量面积小的缺陷，其最大的叶面取样面积仅为600 cm2左右，在对叶面积较大的植物如黄瓜、茄子等进行活体叶面积测量时带来很大不便。因此，急需研究适合多用途的叶面积测量方法。本研究以方格计数法为对照，实际测量黄瓜品系的叶面积，深入分析像素法测量叶面积的精准性，旨为有关农业科研中进行智能测量叶面积提供技术支持。

1　材料与方法

1.1材料与设备

1.1.1材料测试植物为20个黄瓜品系，每个品系取1片叶片。

1.1.2设备硬件设备有垂直升降架1台、笔记本电脑（或台式机）1台、高影仪（方正HD1000）1台、置物台（乳白色不透明PC板，尺寸40cm×50cm）1个；软件设备有高影仪图片采集软件、Photoshop CS和Excel软件。

1.1.2.1设备组装与连接将垂直升降架固定于置物台（边长50 cm）中间位置，将高影仪固定在升降架上（图1）。在计算机上安装高影仪的驱动程序与配套软件，以及图片采集、Photoshop CS和Excel软件，然后与高影仪连接。

图1　计算机与高影仪相连示意图Fig.1　Electronic equipment connection diagram

1.1.2.2原尺寸照片成像调节。为了保证拍摄的照片与实物尺寸一致，需要对高影仪的拍摄高度进行调节。以已知尺寸的规则物体为对照物，将摄像头高度调节至拍摄的照片尺寸与对照物一致为止。本试验以身份证（8.56 cm×5.40 cm）为对照物拍摄照片对摄像头高度进行调节，直至所拍摄的身份证照片尺寸为8.56 cm×5.40 cm。取A4纸（21.0 cm×29.7 cm）1张，以直尺测量实际尺寸，用高影仪试拍，检测成像尺寸数据与原物尺寸吻合度。

1.2方法

分别采用方格法和像素法对参试黄瓜品系的叶片进行叶面积测定。以方格法测定结果为对照，验证像素法测定结果的稳定性与精准性。

1.2.1方格法该方法采用特定面积（1 cm×1 cm）的方格填充叶面的平面投影区域，不足半格的部分不统计，大于半格的部分按1格统计，每个样本进行3次重复测定，以3次测定结果的平均值作为该品系的叶面积值。

1.2.2像素法利用数字图像的成像原理，即总像素数除以单位面积（1 cm2）像素数，就可获得相应图形的面积。计算公式为：

S=N/P2

式中，S：叶面积（cm2）；N：测量叶片的像素数（个）；P：图片分辨率（个/cm）。

1.2.2.1叶片数字图像的采集。将采集的黄瓜叶片放置于置物台上，运行方正高影仪软件进入图像采集系统，出现对话框（图2）。其中，“工程目录”为数字图像的存储位置，“工程名”为存储文件夹的名称。本研究以测定黄瓜叶面积为例，“工程名”定为“黄瓜叶面积”，然后单击“新建”按钮。进入图像采集系统后，放在置物台上的图片会显示在屏幕的正中间（图3）。然后单击右下角的“拍摄”按钮，摄像头会自动对焦后拍摄叶片的数字图片，此图片的尺寸与原叶片尺寸相一致。拍摄照片后，会在左边栏内出现已拍摄照片的预览图，左键选取然后右键单击选择最下面的“导出文件”，弹出对话框（图4），文件格式可选，一般选择“JPEG”格式，文件命名可选择“序号”在“黄瓜叶面积”后标注材料的田间号，确认存储目录地址后单击“导出”，即可将照片导出。

图2　高影仪初始新建文件夹对话框Fig.2　New folder dialog of overhead projector

图3 数字图像的拍摄Fig.3　Capture the leaf digital image

图4　数字图像的导出存储Fig.4　Export and storage the digital image

1.2.2.2叶面像素数据的获得。打开图片存储的文件夹，找到获取的数字图片（图5），然后打开。打开方式有3种：（1）鼠标右键单击图片，左键单击“打开方式”，选择Adobe Photoshop CS程序，即可进入图片编辑软件（图6）；（2）打开AdobePhotoshop CS程序，选择“打开”，在对话框按照图5的存储地址打开；（3）用左键单击拖动图5中的图标到桌面上的Adobe Photoshop CS图标，即可打开。

图5　拍摄图片的存储位置Fig.5　Storage location of image captured by overhead projector

图6　在Photoshop CS程序中打开图像Fig.6　Open the image in adobe photoshop CS program

在左侧控制面板选择“魔术棒”工具，鼠标左键单击叶片外面的白色区域，此时选择的是叶片以外的区域；然后单击菜单栏“选择→反选”即可将选择区域锁定为叶片（图7）。此时需去除叶柄面积，在左侧控制面板选择“矩形选框”工具，按键盘Alt键，左键在图片上去除叶柄的选区，最终只剩下叶片区域。

图7 选取叶片区域Fig.7　Select area of leaf

1.2.2.3获取叶片区域的像素数据。鼠标单击菜单栏“窗口→直方图”，效果如图8所示。打开直方图后会在右侧出现“直方图”的面板，如图9a所示，显示“像素：77207”，此时选中叶片区域的像素数值有相当一部分仍存储于系统的“高速缓存”中，需要点击右上角的

图8　调取直方图的控制面板Fig.8　Open histogram control panel

图9　直方图图像选区的信息指示框Fig.9　Indication box of histogram of select area of image

！，将“高速缓存”中的像素值释放出来，效果如图9b所示；“像素：1235026”，该数值为选中黄瓜叶片区域的像素值，即：N=1 235 026。

1.2.2.4单位面积像素数据的获得。单击菜单栏“编辑→拷贝”，然后单击菜单栏“文件→新建”弹出1个新建对话框（图10），其中，“分辨率”栏显示值为P值，即P=47.24。需注意的是右侧的“分辨率计数单位”复选框，包括“像素/英寸”和“像素/厘米”2种单位，要选择为“像素/厘米”；否则，仍需后期进行单位换算。

根据公式S=N/P2，计算得到黄瓜的叶片面积S= 553.42 cm2，即该黄瓜品系的叶面积为553.42 cm2。

图10 新建对话框Fig.10　New image dialog

2　结果与分析

分别利用像素法和方格法对20个黄瓜品系的叶面积进行测量，汇总结果（表1）显示，像素法测定的叶片面积均＞方格法测定结果；像素法对黄瓜叶片面积测定结果的变异系数为0.05%～0.10%，均值为0.07%，均＜方格法测量得到结果的变异系数（0.51%～1.11%）和均值（0.82%）。表明像素法的测定结果较方格法更加稳定。

利用方格法在测定叶面积时，由于对面积＜1/2方格的部分忽略不计，且测定结果受到方格标准以及人为取舍等因素的影响，3次重复测定的结果存在较大差距，因此，变异系数较大。

表1　2种方法测量的黄瓜叶面积平均值与变异系数Table 1　Data of cucumber leaf area based on two measure methods

3　结论与讨论

方格法等传统方法测量叶面积时，需要人为将叶边缘拓在方格纸上，在此过程中叶面平整度、笔的倾斜程度等因素都会造成操作误差。另外，依据方格法测定规则，＜方格面积1/2的叶片面积部分忽略不计，可能会产生相当一部分面积未被列入计数的结果，导致测量结果偏小；而在叶片＞方格面积1/2时，又可能会产生计数结果大于实际叶面积情况的发生。多种因素综合影响，使得方格法的叶面积测量结果与实际的叶面积结果产生一定的偏差。

而像素法测量叶面积是基于位图图像成像原理，数字图像采集设备的分辨率对叶面积的计算并不产生影响［22］。该方法取得的数据均来自于计算机软件读取，只要操作方法一定，一般得到的测定数据会比较准确。像素法测量叶面积所用仪器设备与现有测量叶面积的仪器设备如植物图像分析仪、平板电脑拍照智能叶面积仪、叶手持叶面积仪等对比，采用了垂直升降架，可以通过调节高度控制摄像头的取像区域，从而扩大探测范围，突破其他仪器设备测量叶面积的上限。该套设备采用了呈乳白色、不透明、毛面的置物台，增大了叶片与背景的对比度，便于确定叶片边缘，同时避免了强烈直射光线的镜面反射对摄像头的影响。且与数码相机拍摄取样法相比，具有成像稳定、无缩放无变形不受到拍摄角度、对焦情况限制的优点，且可在活体上直接测量，大大减轻田间工作量，是1种广适性、精度高的叶面积测量方法，具有广阔的应用前景。

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Study on the Method of Measuring Leaf Area of Plant by Digital Image Processing

TIAN Yu1，CAI Hai-yan2，MU Jin-gui1，WANG Ming-qiu1，LIU Xiao-dong1*
（1.Institute of Cash Crops of Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Hebei Province Engineering Research Center for Vegetables，Shijiazhuang 050051，China；2.Institute of Agricultural Information and Economy，Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Shijiazhuang 050051，China）

With the development of information technology，the calculation of irregular figure area becomes more and more mature.The leaf area of 20 cucumber varieties were measured by pixel method and grid method respectively，then the accuracy of the measurement results was analyzed with the measurement results of the square method as control.The results showed that the variation coefficient of cucumber leaf area measured by pixel method was 0.05%-0.10%，and the mean value was 0.07%，and which of leaf area measured by grid method were 0.51%-1.11%and 0.82%，the result of pixel method was more stable.Compared with the sampling method of digital camera，the pixel method has the advantages of image stabilization，no scaling，no deformation and not subject to shooting angle and focus restrictions，it can directly measure in vivo and greatly reduce the workload of the field.Pixel method is a kind of wide applicability，high precision measurement method for leaf area，and has broad application prospects.

Plant；Leaf area；Digitization；Measuring method

S126

A

1008-1631（2016）03-0104-05

2015-12-29

河北省财政厅财政专项（F12R08023）；河北省农林科学院青年基金项目（A2015050103）

田玉（1988-），男，河北石家庄人，研究实习员，农业推广硕士在读，主要从事黄瓜育种研究。E-mail：nkytianyu@126.com。

刘晓东（1979-），男，河北晋州人，副研究员，硕士，主要从事大白菜、黄瓜育种研究。E-mail：liuxiaodongme@126.com。