基于Photoshop软件测量植物叶面积的白纸背景法

李任辉， 赵仲辉，2，3， 李家湘

(1.中南林业科技大学生命科学与技术学院， 湖南 长沙 410004；2.南方林业生态应用技术国家工程实验室， 湖南 长沙 410004；3.湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站， 湖南 会同 418307；4.中南林业科技大学林学院， 湖南 长沙 410004)

基于Photoshop软件测量植物叶面积的白纸背景法

李任辉1， 赵仲辉1，2，3， 李家湘4

(1.中南林业科技大学生命科学与技术学院， 湖南 长沙 410004；2.南方林业生态应用技术国家工程实验室， 湖南 长沙 410004；3.湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站， 湖南 会同 418307；4.中南林业科技大学林学院， 湖南 长沙 410004)

运用叶面积和背景白纸面积的比等于叶面积和背景白纸所占的像素比的原理,将待测叶片平铺在白纸背景上，利用手机相机拍摄图像，在Photoshop CS5软件上处理后分别得出叶片和白纸的总像素，最后计算出叶片面积。通过和winRHIZO系统测量得出的叶面积相比较，测量误差为-0.889%～0.632%，变异系数在0.51%以内。与其他测量叶面积的方法、或相同原理不同参照物的测量叶面积方法比较，白纸背景法具有使用器材便携易得、操作简单、可大批量测量、精确度高等优点，在林业、农业、园艺等领域具有很强的应用性和实用性。

白纸； 手机相机； 叶面积； Photoshop

叶是植物光合作用和蒸腾作用的主要器官，直接影响到植物的基本功能和行为。叶面积是林业、农艺学上一个重要的参数，它和植物的生长、光合作用的能力密切相关，很多时候运用叶面积去评估不同植物学处理措施后的影响[1]。在野外林业调查时，经常会遇到需要测量大量叶面积的实际情况，因此，找到一个简便、精准、快速的叶面积测量方法就显得尤为重要[2]。

传统的叶面积测量方法很多，比较有代表性的方法有方格坐标纸法[3]、求积仪法[4]、称重法[5]、图像软件法(其中软件包括CAD[6]、Matlab[7]、Photoshop[8]、Mapinfo[9]、GIS[10])、叶面积仪法[11]、系数法[12]、辛普森公式法[13]和回归方程法[14]等，还有基于Visual C++6.0 开发的测量叶面积程序[15]和基于Android手机平台构建的叶面积测量系统[16]。

在上述方法中，图像软件法具有操作简便，精确度高等优点，其中又以Photoshop软件最为智能和操作便捷。本实验的目的是在前人Photoshop法测量叶面积的基础上探索出一种更精确和简单实用的方法。实验采用了较新的Photoshop版本(CS5)，使数据处理更为简便和可批量化操作；在参照物的选择上选用了背景白纸作为参照，这样既能使成像后的照片在图像软件的处理中更容易和背景区分开，也可以更好地控制镜头成像所产生的形变误差(四边均衡偏差)；另外，随着近年来手机相机的像素不断提升，镜头的光学性能也得到了极大的改良，手机照片的像素值和光学形变范围已经能很好的满足本实验的要求，而且手机作为人手必备的通讯工具，具有无可比拟的普遍性和便携性。通过和本实验室从加拿大进口的winRHIZO系统(类似于winFOLIA系统)对测量同一面积进行比较对照，可分析得出白纸背景法的测量精度。

1 材料与方法

1.1实验测量对象

在中南林业科技大学校园内选取了六种叶片大小和形状有代表性(单片叶面积大小从2.48 cm2到39.39 cm2，叶形有椭圆形、卵圆形、披针形、掌形，倒卵形)的树种Ⅰ罗汉松(Podocarpusmacrophyllus)、Ⅱ狭叶栀子(Gardeniastenophylla)、Ⅲ竹柏(Nageianagi)、Ⅳ鸡爪槭(Acerpalmatum)、Ⅴ香樟(Cinnamomumcamphora)、Ⅵ乐昌含笑(Micheliachapensis)，见图1。所有叶片均为现采现测，数量以铺满白纸所需面积为准。

图1 六个树种的叶片Fig.1 Leave of the six tree species

1.2实验设备和材料

中兴nubia Z5S手机(1 300万像素，堆栈式/积层式CMOS，光圈：f/2.2)，270 mm*390 mm的白纸，210 mm*297 mm(A4)深绿卡纸，297 mm×420 mm透明亚克力板，笔记本电脑，winRHIZO系统(由winRHIZO 2013a图像分析软件和EPSON 11000XL扫描仪组成)。

1.3图像和数据处理分析软件

图像处理使用Photoshop CS5(美国Adobe公司)和winRHIZO 2013a(加拿大REGENT公司)，数据分析在Microsoft Office Excel 2013(美国Microsoft公司)中完成。

1.4方法

首先，进行误差校准，用EPSON 11000XL扫描仪扫描已知面积(A4，210 mm*297 mm)的常绿卡纸(将1张卡纸剪成大小不一的20张小纸片)得到图片，由winRHIZO软件分析所得图片测得的卡纸面积。

然后，使用手机相机获取叶面图像，使用Photoshop CS5和Microsoft Office Excel 2013软件处理分析得出叶片面积。具体步骤如下： (1)图像获取：将叶片整齐布置在白纸上(叶片不能重叠)，用透明亚克力板或透明玻璃板压在叶片上，保持叶片伸展平整。用手机摄像头在叶片垂直上空居中位置进行拍照(要求将背景白纸全部照入像片内且占据较大像片比例)，将所拍得的照片导入电脑。(2)图像处理： a.用Photoshop CS5将叶片图像打开，选择工具栏的“多边形套索”工具，依次点击背景白纸的四个角的顶点，将像片中背景白纸面积全部选中，然后使用分析菜单中的“记录测量”工具，测得背景白纸面积的像素值。b.再将选中区域按“Ctrl+C”复制，选择文件菜单，点击新建，在新建选项中，预设选剪贴板，背景内容选择透明，其他默认，点击确定，在新建图层上按“Ctrl+V”粘贴刚才复制的背景白纸图层。c.然后选择“魔棒”工具，调整容差为50(不同的光照强度及相机不同的白平衡和曝光值下应选择适当的容差，这也是保证测量精准度的关键步骤)，勾选消除锯齿和连续，在背景白纸居中的空白处点击，再右键经过一到两次扩大选取，将选取的边界和叶片的边界相吻合(可通过放大图像来观察选择范围的吻合程度)，再右键，选择反向。d.接下来再使用一次“记录测量”工具，所测得的数据就都在下方的记录测量框里，选择所有数据，导出所选测量数据(Photoshop CS5默认导出为txt格式文档)，见图2。(3)处理结果：将导出的txt文档用Excel打开，在“面积”这一列按降序排序，经过比较周长、高度、宽度，剔除非真实叶片面积的数值，其余剩下为真实叶面积的数值。将这些数值求和，然后除以面积中第一次记录测量的数值(代表的是背景白纸的像素值)，将所得结果再乘以背景白纸的面积270 mm*390 mm，所得出的结果就是这一次测量的叶片总叶面积。

图2 图像处理Fig.2 Image processing

最后，进行精度分析，在winRHIZO系统上用winRHIZO软件分析EPSON 11000XL扫描仪扫描得出叶片图像，得到所测叶片的叶面积。用白纸背景法测得的结果和winRHIZO系统测得的结果作比较，分析测量精度。

2 结果与分析

2.1winRHIZO系统测量叶面积的准确性分析

使用winRHIZO系统测量已知的标准面积(210 mm*297 mm)的深绿卡纸所得值和使用白纸背景法测得的值如表1所示，以测量值减去卡纸真实值再除以真实值得出测量误差。分析所得winRHIZO系统测得平均值相对误差为0.054%，白纸背景法测量平均值相对误差为0.250%，以上结果表明winRHIZO系统能测量所得面积精确可信，因此在以下的测量中，我们将winRHIZO系统所测得的值作为准确值。

2.2白纸背景法、标尺参照法和winRHIZO系统测量值的对比

用白纸背景法测量乐昌含笑、香樟、鸡爪槭、竹柏、罗汉松、狭叶栀子这六种植物的叶面积(测量10次取平均值)和用winRHIZO系统测量所得的叶面积如表1所示，分析得到六种叶面积的误差范围在-0.889%～0.632%以内，变异系数在0.51%以内。用标尺作为参照的Photoshop法[17]得出的测量结果误差范围在-1.886%～1.995%以内，变异系数在0.93%以内，可以看出白纸背景法显著地提高了准确度。其中的误差来源主要是以下两点：一、照片的清晰度和叶片的阴影面积，在拍照时尽量选择在多源光线环境下拍照，在使用Photoshop魔棒工具时，选择一个合适的容差也可以减少因清晰度造成的误差；二、相机镜头的形变，尽量选择非广角镜头的相机(有条件的情况下选择单反相机最好)。而且我们从测量结果中发现白纸背景法中较小的叶片用本方法测量出来的结果偏低，较大的叶片测量出来的结果偏高，这可能是因为叶片面积较大时，会存在相对面积更大一点的阴影。

表1 白纸背景法、标尺法和winRHIZO系统测量值对比Tab 1 Thevaluecontrastofwhitepaperasbackgroundmethod，scalemethodandwinRHIZOmethod测量材料和树种本方法标尺法winRHIZO系统叶面积(mm2)变异系数(%)相对误差(%)叶面积(mm2)变异系数(%)相对误差(%)叶面积(mm2)变异系数(%)标准卡纸62502±2960 280 25563587±4500 391 99562343±950 07乐昌含笑39641±1060 170 63239821±3970 651 08939392±620 08香樟39656±1310 260 52439903±5440 751 16939442±760 10鸡爪槭22762±1480 330 03922559±2630 52-0 85322753±390 06竹柏24646±2130 51-0 88924398±3910 87-1 88624867±810 11罗汉松16014±1520 40-0 71315863±3220 93-1 64916129±680 11狭叶栀子15801±1870 46-0 57915765±2360 62-0 80515893±440 08

2.3白纸背景法和其他方法精确度的对比

表2比较了白纸背景法和其他方法的精确度，从表2中我们可以看出使用数码相机拍照法结合Photoshop软件方法的相对精确度明显高于其他方法，本方法和相对于采用硬币辅助和直尺对照的方法在一定程度上又提高了测量的精确度。

2.4不同拍摄角度的比较

实际拍照中，有时会产生一定的角度偏差，因此，在实验中选取了90、80、70、60、45这五个角度对标准卡纸拍摄后测量计算。计算结果表明(见表3)：随着角度的减小，所得测量结果和误差也随之增大，但增大的值在误差允许范围内，说明以背景白纸面积做参照物方法是可行的，较好的消除了拍照光学形变产生的误差，并且可以很容易的将拍摄角度控制在90°附近，这样可以很好的避免了由拍摄角度造成的偏差。

表2 白纸背景法和其他方法测量相对精确度的对比Tab 2 Therelativeaccuracycontrastofwhitepaperasbackgroundmeth⁃odandothermethod测量叶面积方法相对精确度偏差剪纸称重法[18]<3%GIS[19]2 1%辛普森公式法[20]0 72%～4 03%回归方程法[21]<3%数码相机拍照法[22](硬币辅助)1 86%～4 69%数码相机拍照法[17](直尺对照)0 57%～1 43%基于Android手机的测量系统[23]-2 9%～2 7%白纸背景法-0 889%～0 632%

表3 标准卡纸(210mm∗297mm)在不同拍摄角度测定值的比较Tab 3 Thevaluecompareindifferentshootinganglewiththestandardcardpaper拍摄角度(°)叶面积(mm2)变异系数(%)误差(%)9062502±2960 280 2558062239±2190 26-0 2107062613±3510 310 3896062583±3650 360 3414562852±4270 370 772

3 讨论与结论

一个简单并能快速精确测量大量叶面积的方法一直是科研工作者汲汲以求的目标。其中方格坐标纸法有原理简单，结果较为准确的优点，但操作过程繁琐，测定速度慢，而且要求设置合理的取舍比例[24～25]；求积仪法除了本身的机械误差外，还和所测量叶的周长和长宽比有关，周长与面积的比越大，长宽比越大，误差就越大，所以该方法不适合于测量披针形、掌状裂叶片的面积[26]；称重法受叶片的厚薄、叶龄、打孔位置以及叶片含水量影响很大[24]。系数法、辛普森公式法、回归方程法误差较大；手持式叶面积仪在使用过程中要求保持稳定的移动速度，而且我们在使用本实验室用的Yaxin-1242叶面积仪(北京雅欣理仪公司)进行测量时，发现测量结果有较大的偏差和波动，特别在叶的表面颜色比较浅时，结果明显小于实际值；使用扫描仪的叶面积测量仪测量精度高，但其价格较贵且不便于携带；基于Visual C++6.0或Android手机平台的程序较为复杂，不适用于一般叶面积测量中使用；图像软件法以其测量精度高，操作较为简单，得到了越来越多的科研工作者的采用，而其中使用Photoshop软件作为图像处理工具的方法，以其界面友好、操作智能化、不需要学习编程知识等优点取得了更广泛的使用。

本文结合前人的方法，对使用Photoshop软件测量叶面积的方法进行了一些更新和改进，通过使用手机拍照简化了所需器材，使用Photoshop CS5的记录测量工具可批量处理，增加了处理效率，通过使用白纸背景提升了测量精度，较好的控制了线性畸变[15]和背影干扰[27]，具有更好的可操作性和实用性。通过和加拿大REGENT公司生产的winRHIZO系统测量值做对比，发现本方法测量的精确度达到-0.889%～ 0.632%，变异系数在0.51%以内，显著提高了测量精度。因此，在野外调查和实验室中要进行大量叶面积测量时，白纸背景法不失为一种简便而又精确度高的好方法，可满足大多数情况下的叶面积测量应用，在林业、农业、园艺等领域具有很强的应用性和实用性，值得广泛推广和采用。

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AnPhotoshopsoftwarebasedandwhitepaperasbackgroundmethodformeasuringleafarea

LI Renhui1, ZHAO Zhonghui1,2,3， LI Jiaxiang4

(1.School of Life Science and Technology, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China;2.National Engineering Laboratory for Applied Technology of Forestry & Ecology in South China, Changsha 410004, China;3.Huitong National Research Station of Chinese Fir Plantation Ecosystem in Hunan Province, Huitong 418307, China;4.School of Forestry, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China)

In this paper we put the leaf on the white paper which is used as background, and use the phone camera to get the digital image, then we get the leaf area using the magic wand tool in Photoshop CS5, as the leaf area to the background white paper area is equal to the pixels of the leaf area to the pixels of the background white paper, so we can get the leaf area by calculate the proportion.And we compare the leaf area with the leaf area measured from winRHIZO, the results indicate that the error is from -0.889% to 0.632%, and we compared this method to another method, this method have these advantages: the equipment is easy to get and carry, operation is simple, can be measured in batches, and high accuracy.This method has a high applicability and practicality in forestry, agriculture and horticulture and other fields.

white paper; phone camera; leaf area; Photoshop

2015-10-15

国家自然科学基金重大项目子课题：森林生态系统碳-氮-水交换通量计算平衡及其时空格局(31290221)。

李任辉(1985-)，男，湖南省新邵县人，在读硕士，研究方向为森林生态学。

赵仲辉，博士，副教授；E-mail:zzh641014@126.com

TP 391.41

A

1003-5710(2016)01-0138-05

10.3969/j.issn.1003-5710.2016.01.000

(文字编校：龚玉子)