數字化圖像處理精確計量植物葉面積方法的研究

田　玉，蔡海燕，牟金貴，王明秋，劉曉東*

（1.河北省農林科學院經濟作物研究所，河北省蔬菜工程技術研究中心，河北　石家莊　050051；2.河北省農林科學院農業信息與經濟研究所，河北　石家莊　050051）

數字化圖像處理精確計量植物葉面積方法的研究

田玉1，蔡海燕2，牟金貴1，王明秋1，劉曉東1*

（1.河北省農林科學院經濟作物研究所，河北省蔬菜工程技術研究中心，河北石家莊050051；2.河北省農林科學院農業信息與經濟研究所，河北石家莊050051）

隨著信息技術的發展，不規則圖形面積的計算方法愈加成熟。分別利用像素法和方格法，同時對20個黃瓜品系的葉面積進行了測量；并以方格法的測量結果為對照，對像素法的測量結果進行了精度分析。結果表明：像素法對黃瓜葉片面積測定結果的變異系數為0.05%～0.10%、均值為0.07%，＜方格法測量結果的變異系數（0.51%～1.11%）和均值（0.82%），像素法測定結果更加穩定。且與數碼相機拍攝取樣法相比，像素法具有成像穩定、無縮放無變形不受到拍攝角度、對焦情況限制的優點，還可以在活體上直接測量，大大減輕田間工作量。像素法是1種廣適性、精度高的葉面積測量方法，具有廣闊的應用前景。

植物；葉面積；數字化；測量方法

葉片是植物進行光合作用、蒸騰降溫的主要器官［1，2］，研究葉面積對獲取作物的光合速率、生長狀況、生理生化指標、農作物產量和品質等指標具有重要意義［3～5］，在指導遺傳育種和栽培技術方面作用更加明顯［6～10］。傳統的葉面積精量計算方法有手工計數方格法［1，2，4］和等腰三角形法［4］，基于密度重量比的紙稱重法［1，4］和鮮重法［1，4］，借助感官依靠葉面長寬面積求取的縮值系數法［1，2］，以及借助光電面積儀［4］、激光面積儀［4］和求積儀［1，4］等儀器的測算法。隨著科技的發展，以數碼相機拍照輔以計算機圖像處理的測算技術得到了迅速發展，成為精準計算物體面積的主要手段［11～20］。計算機信息技術利用了數字照片以點（像素）記錄照片的原理，通過計量單位面積的像素數，兩者相除就可得到準確的葉面積數據。然而在開發過程中，存在著單位換算復雜、照片縮放比例不一的問題，每次用相機拍完圖像均需要相應的參照并計算出縮放比例才能計算葉面積，給試驗過程帶來極大不便。而科研儀器市場上應用的植物圖像分析儀、平板電腦拍照智能葉面積儀、手持葉面積儀等均存在測量面積小的缺陷，其最大的葉面取樣面積僅為600 cm2左右，在對葉面積較大的植物如黃瓜、茄子等進行活體葉面積測量時帶來很大不便。因此，急需研究適合多用途的葉面積測量方法。本研究以方格計數法為對照，實際測量黃瓜品系的葉面積，深入分析像素法測量葉面積的精準性，旨為有關農業科研中進行智能測量葉面積提供技術支持。

1　材料與方法

1.1材料與設備

1.1.1材料測試植物為20個黃瓜品系，每個品系取1片葉片。

1.1.2設備硬件設備有垂直升降架1臺、筆記本電腦（或臺式機）1臺、高影儀（方正HD1000）1臺、置物臺（乳白色不透明PC板，尺寸40cm×50cm）1個；軟件設備有高影儀圖片采集軟件、Photoshop CS和Excel軟件。

1.1.2.1設備組裝與連接將垂直升降架固定于置物臺（邊長50 cm）中間位置，將高影儀固定在升降架上（圖1）。在計算機上安裝高影儀的驅動程序與配套軟件，以及圖片采集、Photoshop CS和Excel軟件，然后與高影儀連接。

圖1　計算機與高影儀相連示意圖Fig.1　Electronic equipment connection diagram

1.1.2.2原尺寸照片成像調節。為了保證拍攝的照片與實物尺寸一致，需要對高影儀的拍攝高度進行調節。以已知尺寸的規則物體為對照物，將攝像頭高度調節至拍攝的照片尺寸與對照物一致為止。本試驗以身份證（8.56 cm×5.40 cm）為對照物拍攝照片對攝像頭高度進行調節，直至所拍攝的身份證照片尺寸為8.56 cm×5.40 cm。取A4紙（21.0 cm×29.7 cm）1張，以直尺測量實際尺寸，用高影儀試拍，檢測成像尺寸數據與原物尺寸吻合度。

1.2方法

分別采用方格法和像素法對參試黃瓜品系的葉片進行葉面積測定。以方格法測定結果為對照，驗證像素法測定結果的穩定性與精準性。

1.2.1方格法該方法采用特定面積（1 cm×1 cm）的方格填充葉面的平面投影區域，不足半格的部分不統計，大于半格的部分按1格統計，每個樣本進行3次重復測定，以3次測定結果的平均值作為該品系的葉面積值。

1.2.2像素法利用數字圖像的成像原理，即總像素數除以單位面積（1 cm2）像素數，就可獲得相應圖形的面積。計算公式為：

S=N/P2

式中，S：葉面積（cm2）；N：測量葉片的像素數（個）；P：圖片分辨率（個/cm）。

1.2.2.1葉片數字圖像的采集。將采集的黃瓜葉片放置于置物臺上，運行方正高影儀軟件進入圖像采集系統，出現對話框（圖2）。其中，“工程目錄”為數字圖像的存儲位置，“工程名”為存儲文件夾的名稱。本研究以測定黃瓜葉面積為例，“工程名”定為“黃瓜葉面積”，然后單擊“新建”按鈕。進入圖像采集系統后，放在置物臺上的圖片會顯示在屏幕的正中間（圖3）。然后單擊右下角的“拍攝”按鈕，攝像頭會自動對焦后拍攝葉片的數字圖片，此圖片的尺寸與原葉片尺寸相一致。拍攝照片后，會在左邊欄內出現已拍攝照片的預覽圖，左鍵選取然后右鍵單擊選擇最下面的“導出文件”，彈出對話框（圖4），文件格式可選，一般選擇“JPEG”格式，文件命名可選擇“序號”在“黃瓜葉面積”后標注材料的田間號，確認存儲目錄地址后單擊“導出”，即可將照片導出。

圖2　高影儀初始新建文件夾對話框Fig.2　New folder dialog of overhead projector

圖3 數字圖像的拍攝Fig.3　Capture the leaf digital image

圖4　數字圖像的導出存儲Fig.4　Export and storage the digital image

1.2.2.2葉面像素數據的獲得。打開圖片存儲的文件夾，找到獲取的數字圖片（圖5），然后打開。打開方式有3種：（1）鼠標右鍵單擊圖片，左鍵單擊“打開方式”，選擇Adobe Photoshop CS程序，即可進入圖片編輯軟件（圖6）；（2）打開AdobePhotoshop CS程序，選擇“打開”，在對話框按照圖5的存儲地址打開；（3）用左鍵單擊拖動圖5中的圖標到桌面上的Adobe Photoshop CS圖標，即可打開。

圖5　拍攝圖片的存儲位置Fig.5　Storage location of image captured by overhead projector

圖6　在Photoshop CS程序中打開圖像Fig.6　Open the image in adobe photoshop CS program

在左側控制面板選擇“魔術棒”工具，鼠標左鍵單擊葉片外面的白色區域，此時選擇的是葉片以外的區域；然后單擊菜單欄“選擇→反選”即可將選擇區域鎖定為葉片（圖7）。此時需去除葉柄面積，在左側控制面板選擇“矩形選框”工具，按鍵盤Alt鍵，左鍵在圖片上去除葉柄的選區，最終只剩下葉片區域。

圖7 選取葉片區域Fig.7　Select area of leaf

1.2.2.3獲取葉片區域的像素數據。鼠標單擊菜單欄“窗口→直方圖”，效果如圖8所示。打開直方圖后會在右側出現“直方圖”的面板，如圖9a所示，顯示“像素：77207”，此時選中葉片區域的像素數值有相當一部分仍存儲于系統的“高速緩存”中，需要點擊右上角的

圖8　調取直方圖的控制面板Fig.8　Open histogram control panel

圖9　直方圖圖像選區的信息指示框Fig.9　Indication box of histogram of select area of image

！，將“高速緩存”中的像素值釋放出來，效果如圖9b所示；“像素：1235026”，該數值為選中黃瓜葉片區域的像素值，即：N=1 235 026。

1.2.2.4單位面積像素數據的獲得。單擊菜單欄“編輯→拷貝”，然后單擊菜單欄“文件→新建”彈出1個新建對話框（圖10），其中，“分辨率”欄顯示值為P值，即P=47.24。需注意的是右側的“分辨率計數單位”復選框，包括“像素/英寸”和“像素/厘米”2種單位，要選擇為“像素/厘米”；否則，仍需后期進行單位換算。

根據公式S=N/P2，計算得到黃瓜的葉片面積S= 553.42 cm2，即該黃瓜品系的葉面積為553.42 cm2。

圖10 新建對話框Fig.10　New image dialog

2　結果與分析

分別利用像素法和方格法對20個黃瓜品系的葉面積進行測量，匯總結果（表1）顯示，像素法測定的葉片面積均＞方格法測定結果；像素法對黃瓜葉片面積測定結果的變異系數為0.05%～0.10%，均值為0.07%，均＜方格法測量得到結果的變異系數（0.51%～1.11%）和均值（0.82%）。表明像素法的測定結果較方格法更加穩定。

利用方格法在測定葉面積時，由于對面積＜1/2方格的部分忽略不計，且測定結果受到方格標準以及人為取舍等因素的影響，3次重復測定的結果存在較大差距，因此，變異系數較大。

表1　2種方法測量的黃瓜葉面積平均值與變異系數Table 1　Data of cucumber leaf area based on two measure methods

3　結論與討論

方格法等傳統方法測量葉面積時，需要人為將葉邊緣拓在方格紙上，在此過程中葉面平整度、筆的傾斜程度等因素都會造成操作誤差。另外，依據方格法測定規則，＜方格面積1/2的葉片面積部分忽略不計，可能會產生相當一部分面積未被列入計數的結果，導致測量結果偏小；而在葉片＞方格面積1/2時，又可能會產生計數結果大于實際葉面積情況的發生。多種因素綜合影響，使得方格法的葉面積測量結果與實際的葉面積結果產生一定的偏差。

而像素法測量葉面積是基于位圖圖像成像原理，數字圖像采集設備的分辨率對葉面積的計算并不產生影響［22］。該方法取得的數據均來自于計算機軟件讀取，只要操作方法一定，一般得到的測定數據會比較準確。像素法測量葉面積所用儀器設備與現有測量葉面積的儀器設備如植物圖像分析儀、平板電腦拍照智能葉面積儀、葉手持葉面積儀等對比，采用了垂直升降架，可以通過調節高度控制攝像頭的取像區域，從而擴大探測范圍，突破其他儀器設備測量葉面積的上限。該套設備采用了呈乳白色、不透明、毛面的置物臺，增大了葉片與背景的對比度，便于確定葉片邊緣，同時避免了強烈直射光線的鏡面反射對攝像頭的影響。且與數碼相機拍攝取樣法相比，具有成像穩定、無縮放無變形不受到拍攝角度、對焦情況限制的優點，且可在活體上直接測量，大大減輕田間工作量，是1種廣適性、精度高的葉面積測量方法，具有廣闊的應用前景。

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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

河北省財政廳財政專項（F12R08023）；河北省農林科學院青年基金項目（A2015050103）

田玉（1988-），男，河北石家莊人，研究實習員，農業推廣碩士在讀，主要從事黃瓜育種研究。E-mail：nkytianyu@126.com。

劉曉東（1979-），男，河北晉州人，副研究員，碩士，主要從事大白菜、黃瓜育種研究。E-mail：liuxiaodongme@126.com。