基于GIS的植物葉片信息測量研究

梁雪梅　高敏華

摘要：采用網格法、GIS法和AutoCAD法對榕樹（Ficus microcarpa）葉片的葉面積、葉長、葉寬、葉周長進行測定，利用數碼相機獲取榕樹葉片信息，對3種方法的測定結果進行比較。結果表明，網格法與GIS法和AutoCAD法具有極顯著的正線性相關關系，與其他葉片信息測定方法相比，GIS法更精確、簡便、省時、省力。

關鍵詞：葉片信息；GIS法；榕樹（Ficus microcarpa）；網格法；AutoCAD法

中圖分類號：Q94-331 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）11-2139-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.11.037

Abstract： The grid method，GIS method and AutoCAD method were used to measure the banyan（Ficus microcarpa） leaves leaf area，leaf length，leaf width and perimeter，using digital camera to obtain banyan leaf information，compared the three methodsresult. The results showed that the grid method and GIS method and AutoCAD method had positive linear correlation，compared with the method for the determination of other leaves information. GIS method is more accurate，convenient，time-saving，labor-saving.

Key words： blade information；GIS method；banyan（Ficus microcarpa）；grid method；AutoCAD method

葉片是植物進行光合作用、水分蒸騰和氣體交換的主要器官，是生態系統中初級生產者的能量轉換器，葉片性狀特征直接影響植物的基本行為和功能[1]。葉面積大小、葉輪廓周長、葉長和葉寬等葉片信息不僅是植物光合作用及生長發育狀態診斷中重要的參數，也是研究植物栽培技術、生理生化、遺傳育種等內容的重要形態指標[2，3]。葉面積的大小決定著光合有效輻射的大小，反映了植物對其地理分布和養分條件等外界因素的適應策略[4]。生態系統受到葉面積逐漸演變的影響，葉面積可以用來作為不同生態系統間的比較指標。通過測量計算出葉面積的變化來分析植物的生長發育、抗逆性，對環境因子效應進行評價，可以決策種植樹木的樹種和種植方法，做到合理造林。通過測量害蟲損害的葉片總量來估算出農產品的產量和品質的好壞，這也是研究害蟲對樹木的損害、經濟閾值的重要內容。建立方便、準確、快速的葉面積、葉周長、葉寬以及葉長等形態指標測量的方法，對于調整群體結構，充分利用光熱、水、土資源，從而指導植物栽培密度及合理施肥獲得豐產有重要意義[5，6]。

目前，常見的葉片信息測量方法有網格法、R2V法、復印稱重法、掃描儀法、AutoCAD法、葉面積儀器法、GIS法、Photoshop法等[7，8]。網格法和復印稱重法較為傳統，操作簡單，但消耗人力和時間；葉面積儀器法是利用專用葉面積儀器進行測量，雖然能夠快速獲取葉面積，但測量結果波動性較大，儀器價格昂貴且易損壞[9，10]；掃描儀法是通過掃描儀掃描植物葉片，然后利用Photoshop、R2V、AutoCAD、ArcGIS等軟件統計像素的方法來測定植物葉片面積[11-13]。隨著計算機技術的迅速發展，用各種軟件測量植物葉片信息，受人為因素的影響較小，具有嚴密的科學性，葉片形狀、大小、顏色、厚薄對測量的結果均無顯著影響，具有方法簡單、快速、測量結果準確、適用范圍廣等優點[14，15]。

近年來，地理信息系統（Geographic information system，簡稱GIS）被人們廣泛的接受，并且有著飛躍的發展，應用于人類的各個生活領域。它是由計算機硬件、軟件和不同的方法組成的系統，該系統支持空間數據的采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復雜的規劃和管理問題。美國環境系統研究所（Environment System Research Institute）開發的ArcGIS軟件，因其界面友好、功能齊全、操作方便，其強大的空間分析、網絡分析和三維分析等功能在科研工作中發揮著重要作用[16，17]。本研究利用數碼相機獲取葉片圖片，選用傳統的網格法、GIS法和AutoCAD法對榕樹（Ficus microcarpa）的葉片進行葉面積、葉周長、葉寬和葉長測量，能夠又快又準確地測量出植物葉片信息數據，找到一種簡便、迅速和更精準的測量方法。

1 材料與方法

1.1 材料

選用榕樹為試驗材料，榕樹為桑科榕屬喬木，原產于熱帶亞洲，高15～25 m，胸徑達50 cm，樹皮深灰色。榕樹以樹形奇特，枝繁葉茂，樹冠巨大而著稱。摘取不同榕樹，不同樹枝上大小不同的完整葉片50片，用記號筆在每張葉片后面寫上編號，以便測量時記錄。在硬紙板上固定一張坐標紙，將其作為照相的背景，把待測葉片壓平并平鋪在底板上，保證葉片徹底的伸展開，最后利用數碼相機變焦調整視角，數碼相機的視線要盡可能的垂直于被測葉片的平面，拍攝出清晰的葉片圖像后將圖片導入計算機（圖1），待測。

1.2 方法

計算機中的平面圖像是由若干個網狀排列的像素組成的，單位長度上的像素系數就是圖像的分辨率，通過分辨率計算出每個像素的面積，然后統計葉片圖像所占的像素個數，再乘以單個像素的面積就可以得到葉面積[18]。掃描分辨率（dpi）指的是通過掃描元件將掃描對象每英寸可以被表示的點數，而1英寸=2.54 cm，故單個像素的長度為2.54/dpi cm，面積為（2.54/dpi）2 cm2。數碼相機的分辨率通常用像素的多少來表示。

1.2.1 網格法 摘取葉片后，平鋪于1 mm2的標準坐標計算紙上，用削尖的鉛筆描出葉片的輪廓，并記上編排的號碼。統計葉輪廓所占的小方格數，來獲得葉片面積，對于處于圖形邊緣的不完整方格按面積超過小方格1/2時算一個方格，相反則忽略不計[19]。利用棉線沿標準計算紙上的葉片輪廓繞一圈，將棉線用直尺測量出其長度，得到葉片周長。在標準計算紙上用直尺測量出從葉基到葉尖，不包含葉柄的長度，即葉長和葉片上垂直于主脈方向上的最寬處的長度，即葉寬。

1.2.2 AutoCAD法 打開AutoCAD（Auto Computer Aided Design）軟件，新建一個文件，將待測葉片的圖像導入CAD中，加載完畢后，調整好圖像的大小；將坐標紙上相鄰兩點之間的距離使用工具欄中的查詢工具進行核對，已知坐標紙兩點之間的寬度是10 mm，因此用10除以圖片上實測距離就是實際圖片與CAD界面圖像比例；選擇要測量的圖像，點擊修改工具中的縮放命令，將鼠標移動到圖像的任意位置選中后在命令欄中輸入上面的比例數據，點擊回車鍵就將葉片圖像縮放為實際大小。調整完后選擇繪圖工具沿著葉片的邊緣繪制出葉片的形狀，由于圖片的比例已經確定，所以這時可以隨意的縮放圖像，繪制完成后在命令欄中輸入英文字母“C”閉合多線段結束，隨后輸入英文字母“O”，按回車鍵，鼠標移動到所畫的輪廓上點擊就可以查看葉片的周長和面積。重復以上操作，即可得到待測葉片的實際葉長、葉寬等指標。最后將葉長、葉寬、葉周長及葉面積測得的結果輸入到Excel工作表中。

1.2.3 GIS法 打開ArcMap 10.0軟件，將待測葉片的圖像加載到圖層中；打開ArcCatalog新建一個多邊形面Polygon的Shapefile文件，并將其添加到圖層中；在新建立的面圖層中利用ArcMap的編輯工具描繪出每片葉子的形狀，同時還有方格形狀；終止編輯并進行保存，打開面文件的屬性表，在屬性表中添加area和length字段；最后利用Calculate Geometry工具計算出葉面積和葉周長的字段值，并更改ID號與葉片編號對應。計算葉面積和葉周長后重復上述步驟，新建一個線圖層，畫出葉長和葉寬，添加字段進行計算；將所有測量出的葉片信息數據導出，在Excel表格中進行分析計算。

1.3 數據處理與統計

采用AutoCAD 2007軟件、ArcMap 10.0軟件和Excel 2003軟件對所測量的植物葉片信息進行統計分析與數據處理。

2 結果與分析

2.1 拍攝圖像對葉面積測定的影響

不同的拍攝分辨率、圖像縮放比例和存儲格式均會對圖像的像素產生一定影響，在使用數碼相機進行拍攝的過程中，相機鏡頭的主光軸與葉片所在的平面夾角會有所不同，會引起照片變形，為了消除這一影響，本研究采用坐標紙作為拍攝背景，確保已知所拍攝葉片和選用的計算系數的來源，從而使拍攝的圖片不受數碼相機所處位置、景物的遠近、圖像中葉片的大小等條件限制，在野外很方便，并可以進行活體取材測量。

2.2 網格法、GIS法和AutoCAD法測量的葉片信息比較

通過網格法、GIS法和AutoCAD法測量了50片榕樹葉片的面積、周長、葉長和葉寬，由圖2可以看出，網格法、GIS法和AutoCAD法測量出來的葉片面積、葉周長、葉長和葉寬的信息均無顯著差異，每個數據之間都很接近，差距較小。利用3種不同的方法測得的葉片信息結果相近，表明網格法、GIS法和AutoCAD法測量葉片信息是可行的。

從表1可以看出，采用GIS法提取榕樹葉片面積與實際值的相對誤差為0.04%～2.99%，平均值為0.55%；葉周長與實際值的相對誤差為0.25%～5.98%，平均值為1.21%；葉長與實際值的相對誤差為0.03%～8.10%，平均值為1.36%；葉寬與實際值的相對誤差為0.10%～8.84%，平均值為2.80%。表明GIS法提取榕樹葉片的面積、周長、葉長與葉寬的信息與實際信息較吻合。

利用AutoCAD法提取榕樹葉片面積與實際值的相對誤差為0.01%～6.73%，平均值為1.31%；葉片周長與實際值的相對誤差為0.06%～6.04%，平均值為1.40%；葉長與實際值的相對誤差為0.06%～8.34%，平均值為1.42%；葉寬與實際值的相對誤差為0.01%～11.57%，平均值為3.20%。表明AutoCAD法提取榕樹葉片的面積、周長、葉長與葉寬的信息與實際信息較吻合。

利用葉面積儀測定榕樹葉面積，由于機械精度和人為因素的存在，一般測量誤差為5%左右[20，21]。GIS法測量葉片的面積、周長、葉長、葉寬和實際葉片信息值相比較，平均相對測量誤差分別為0.55%、1.21%、1.36%、2.80%，而AutoCAD法測量的平均相對誤差分別為1.31%、1.40%、1.42%、3.20%，均遠小于5%，說明這兩種方法可適用于葉片形態特征的測量。

2.3 GIS法與AutoCAD方法的比較

分別采用GIS法和AutoCAD法測定榕樹葉片的面積、周長、葉長和葉寬等葉片信息，將GIS法與AutoCAD法測量的結果與網格法測量的結果進行比較，用來反映與網格法測量結果的相近程度，以此作為準確性來度量[22]。由表2可看出，GIS法與網格法測定榕樹葉片的面積、周長、葉長和葉寬的相關系數分別為0.999 4、0.986 3、0.989 3、0.965 5，而AutoCAD法與網格法的相關系數分別為0.997 2、0.984 8、0.988 3、0.959 8，GIS法和AutoCAD法與網格法所測量的數據之間沒有顯著差異，但相比較之下GIS法與網格法所測量的數據相關系數更高，由表3可以看出，其樣本平均值和標準差沒有顯著差異，GIS法和AutoCAD法的變異系數也沒有顯著差異。

2.4 基于GIS建立葉片信息間的回歸方程

在GIS的基礎上建立葉片信息之間的回歸方程，可以通過測量簡單的葉長、葉寬來推算出復雜的葉片面積和周長，得到一種快速、簡便的測量方法。由圖3可知，榕樹葉長、葉寬、葉周長、葉長×葉寬與葉面積均為明顯的線性正相關關系，其中葉長×葉寬與葉面積的相關性比較明顯。采用ArcGIS計算得到的葉面積設為因變量，葉長、葉寬、葉周長以及葉長×葉寬設為自變量進行回歸分析，計算得到榕樹葉片信息間的回歸方程（表4）。擬合度最高的是葉長×葉寬與葉面積的回歸方程，R2為0.985 4，擬合度相對比較低的是葉長與葉面積的回歸方程，R2為0.879 1。從表4可以看出，葉寬對葉面積的擬合度高于葉長對葉面積的擬合度，這可能是榕樹葉子的生態學特性所決定的，也可能是受測量時判定的影響。該方法適用于形狀規則的葉片，對于形狀不規則葉片的周長、葉寬、葉長、葉面積之間是否也存在相關關系還需要進一步研究。

3 小結與討論

植物成長發育、果實發育狀況的好壞可以通過分析植物的葉片來進行評價，葉片是重要的生理和形態指標。葉片信息測量是否精確直接影響了與葉片有關的形態和生理指標的評價。通過估計榕樹有多少片葉子，然后與測量的葉片面積相乘，可估算出一棵樹的蒸發量、需要的養分和所能固定的有機物，對植物的種植密度提供依據。本研究分別采用GIS法、網格法和AutoCAD法對50片不同的榕樹葉片的面積、周長、葉長和葉寬進行測量。從結果中可以看出，傳統的網格法和2種軟件法均能準確地測量出葉片信息，但在實際應用的過程中GIS法和AutoCAD法比網格法更簡便、準確、迅速。2種軟件是通過數碼相機獲得的，而網格法是以手繪的方式獲得的，費時費力。本研究將網格法的葉片測量信息作為實際的葉片信息，用來作為GIS法和AutoCAD法比較的中間值。結果表明，GIS法和AutoCAD法測定的樣本平均值較接近。

基于GIS法得到了葉寬、葉長、葉周長、葉長×葉寬與葉面積的函數關系，可通過測量部分葉面積，再用直尺測量出其他葉長與葉寬等值來估測葉面積，可通過這種方法測量不同植物葉片形態的變化規律。但是該方法適用于形狀規則的葉片，對于形狀不規則的葉片，葉寬、葉長、葉周長和葉面積之間是否也存在相關關系還需要進一步研究。在以網格法測量的葉片信息值作為標準值時，雖然GIS法和AutoCAD法二者的相關系數都很高，變異系數也相近，但相比之下GIS法測量出來的葉面積、葉周長、葉長和葉寬值更接近標準值，相關系數更高。

參考文獻：

[1] 張 林，羅天祥.植物葉壽命及其相關葉性狀的生態學研究進展[J].植物生態學報，2004，28（6）：844-852.

[2] 于守超，張秀省，冀蘆莎.基于Photoshop CS5的植物葉面積測定方法[J].湖北農業科學，2012，51（15）：3340-3342.

[3] 鐵 軍，馬 婧，金 山，等.瀕危植物南方紅豆杉的葉面積測定及其相關分析[J].山西大學學報（自然科學版），2012，35（3）：581-586.

[4] 宰松梅，溫 季，郭冬冬，等.基于支持向量機模型和圖像處理技術的甜椒葉面積測定[J].農業工程學報，2011，27（3）：237-241.

[5] 劉明池.大白菜功能葉片葉面積測量方法[J].北京農業科學，1995（3）：43.

[6] 陳積山，朱瑞芬，張月學.基于GIS在苜蓿葉面積測定中的應用[J].草業科學，2012，29（7）：1044-1048.

[7] 李寶光，陶秀花，倪國平，等.掃描像素法測定植物葉面積的研究[J].江西農業學報，2006，18（3）：78-81.

[8] 陳智芳，王景雷，宋 妮.GIS空間分析技術在棉花葉面積測定中的應用[J].中國農學通報，2012，28（9）：145-149.

[9] 陳貽釗，林清火，張培松，等.基于GIS分析技術的橡膠樹葉面積測定[J].林業實用技術，2009（7）：62-64.

[10] 吳春胤，張文昭，歐陽慶，等.基于BP神經網絡模型的荔枝樹葉面積測定方法[J].農業工程學報，2007，23（7）：166-169.

[11] 石景蓀，左啟華，張 濤，等.圖像處理技術在唐菖蒲葉面積測定中的應用[J].中國農學通報，2007，23（5）：456-460.

[12] 張美海，趙玉如，劉 陽，等.基于用R2V軟件和攝像手機測定葉面積的方法[J].山東林業科技，2011，41（6）：59-62.

[13] 吳玉德，張 鵬. 基于Mapinfo的樹木葉面積測定方法[J].林業調查規劃，2005，30（6）：23-24.

[14] 楊勁峰，陳 清，韓曉日，等.數字圖像處理技術在蔬菜葉面積測量中的應用[J].農業工程學報，2002，18（4）：155-158.

[15] 馮冬霞，施生錦.葉面積測定方法的研究效果初報[J].中國農學通報，2005，21（6）：150-152，155.

[16] 劉玉華，賈志寬，史紀安，等.GIS空間分析技術在苜蓿葉面積測定中的應用[J].草業學報，2006，15（2）：119-123.

[17] 孫雪文，高德武，李日新.基于GIS的植物葉面積的快速精確測定方法[J].水土保持科技情報，2005（2）：17-18.

[18] 于 峰，林 杉，張峻峰，等.一種基于圖像特征值算法的葉面積測定方法[J].中國農業大學學報，2007，12（4）：67-69.

[19] 盛 雙，王國聰，顏 權，等.大葉桉葉面積測定方法的比較研究[J].廣西林業科學，2011，40（2）：140-142.

[20] 馮常虎.棉花葉面積測定方法綜述[J].江西棉花，1990（3-4）：13-16.

[21] 程 鴻，呂軍芬.CAD圖形處理技術在植物葉面積測量中的應用[J].甘肅農業大學學報，2003，38（4）：467-470.

[22] 柏軍華，王克如，初振東，等.葉面積測定方法的比較研究[J].石河子大學學報，2005，23（2）：216-218.