圖像處理法測定油菜葉面積的研究

崔世鋼+秦建華

摘要：利用數碼相機獲取油菜葉片的圖像，采用基于Photoshop圖像處理法對油菜葉面積分析測定，并與葉面積儀測定法、方格法的測量結果進行回歸分析。結果表明，該方法與其他2種方法的測定結果存在極顯著線性相關，相關系數R2分別為0.981和0.989；在用圖像處理法對葉面積測量時，不同的拍攝角度和分辨率對葉面積的測定無顯著影響。該方法具有簡單、快捷、準確、易普及等優點，為植物葉面積的快速測定提供了比較好的方法。

關鍵詞：數碼相機；圖像處理；油菜；葉面積

中圖分類號：S565.4 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）14-2756-02

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.14.040

Abstract：In this paper， the image of rape leaf was obtained by digital camera， and the leaf area was analyzed by Photoshop image processing. The regression analysis was made with the results of the traditional leaf area measurement method and grid method. The results show that there is a significant linear correlation between the determination results of this method with the above 2 methods，and the correlation coefficient R2 was 0.981 and 0.989. In the process of leaf area measurement by image，different shooting angle and resolution of the leaf area were no significant influence. The method is simple， rapid， accurate，easy to use and so on. It provides a good method for the rapid determination of leaf area.

Key words：digital camera； image processing； rape； leaf area

葉片是植物進行光合作用的物質基礎，是蒸騰作用的媒介，是合成有機物質的主要器官。其面積的大小是衡量植物對光能利用、水循環、生長發育、果實產量的一個重要因素，也是研究植物生理化、遺傳育種和作物栽培等方面的關鍵指標[1-4]。因此，建立快速、簡便、精確的葉面積測量方法對植物生理機制的研究具有重要意義。

葉面積測量方法有葉面積儀測定法、方格法、剪紙稱重法、求積儀法、拋物線擬合法等[5]。其中，葉面積儀測定法操作簡單、速度快，但儀器價格昂貴，掃描速度對測定結果影響較大，重現性差[6]；方格法操作繁瑣，費時費力，常用于對其他測定結果校正[7，8]；剪紙稱重法原理簡單，但精度受葉片形狀和紙張均勻性等影響；拋物線擬合法測量葉片的葉緣是不規則曲線時，偏差大，使用范圍狹窄。因此，本研究利用數碼相機和Photoshop圖像處理軟件，探尋一種簡單、準確、快速、適用性廣的葉面積測定方法。

1 材料與方法

1.1 試驗測量對象

試驗選用在植物生長柜中生長的7號油菜幼苗為研究對象，選取無殘缺、大小各異和新鮮的油菜葉片10片，編號排序。

1.2 試驗方法

1.2.1 葉面積儀測定法 采用萬深LA-S葉面積測量儀測定葉片面積，每個葉片重復測量5次，減少誤差。

1.2.2 方格法 將待測葉片平鋪在坐標紙上并描繪形狀，統計葉片所占的方格數，計算葉片面積。

1.2.3 圖像處理法

1）將一張坐標紙（50 mm×50 mm）緊密固定在A4紙（297 mm×210 mm）的左上角，作為測量參照物。將備好的待測葉片平鋪在A4紙上（不要覆蓋坐標紙），用透明的塑料板壓平葉片，確保其完全伸展。

2）用數碼相機對葉片進行拍照并導入計算機。拍照時數碼相機鏡頭與待測葉片保持較遠距離，拉長焦距，使背景白紙全部照入像片內。

3）在Photoshop CS4圖像處理軟件中打開圖片，首先按“Ctrl+0”調整圖片滿畫布顯示，點擊菜單欄“選擇”按鈕，在下拉菜單中選擇“色彩范圍”，出現色彩范圍參數設置面板（圖1）。在面板中依次選擇“取樣顏色”、“選擇范圍”、“無”、“吸管工具”，并用“吸管工具”吸取被測葉片的顏色，調節顏色容差的滾動條，當葉片完全變成白色部分時，點擊“確定”按鈕，之后點擊菜單欄“分析”按鈕，在下拉菜單中選擇“記錄測量”選項，葉片的面積、周長、高度、寬度等像素值就記錄在記錄測量區。然后，選用“多邊形索套”工具依次點擊坐標紙的4個頂點，選定區域，點擊“記錄測量”按鈕，記錄坐標紙所占像素點數。選中在記錄測量區的所有數據，點擊“導出所選測量”按鈕，把數據文件保存為“.txt”格式，然后采用SPSS 19.0軟件對測量數據進行數理統計分析。其中，葉面積（cm2）=葉片所占像素點數/坐標紙所占像素點數×25。

2 結果與分析

2.1 圖像處理法與其他兩種方法的比較

2.1.1 對已知面積的測定 選用已知準確面積的三角形紙板（50 cm2）為被測對象，分別上述3種方法對其面積進行測量，每種方法各測定5次。排除異常數據后，原始測量值服從正態分布，置信概率取95%。結果表明，3種測量方法對紙板面積的測定結果差異不顯著（表1）。同時對3種方法的測量結果兩兩建立一元線性回歸方程，3種測量方法間兩兩均有很好的相關性（圖像處理法與葉面積儀測定法線性回歸方程和相關系數為y=0.956x+2.151，R2=0.981；圖像處理法與方格法線性回歸方程和相關系數為y=0.969x+1.258，R2=0.989；方格法與葉面積儀測定法線性回歸方程和相關系數為y=0.899x+4.911，R2=0.978），說明圖像處理法對面積的測定具有較高的精確度。

2.1.2 對油菜總葉面積的測定 為了進一步比較3種測量方法對不規則形狀的葉片面積測定間的差異，選用已備好的油菜葉片5片為試驗對象。3種測量方法對5個葉片各測量一次為一組數據，重復測量5次，把同組同一方法測量的數據累加作為總葉面積測量值，之后將每種方法測定的5個總葉面積數據進行數理統計分析。結果表明，3種測量方法對葉面積的測定影響差異不顯著，說明圖像處理法也適用于測量面積較大、形狀不規則的葉片。

2.2 不同拍攝角度對葉面積測量的影響

在使用相機對葉片拍照時，鏡頭光軸與葉片所在平面夾角的不同，會導致照片產生不同的透視變形，為了研究這種透視變形對葉片面積測量的影響，對同一樣本葉片進行5個角度（分別為30°、45°、60°、80°、90°）拍照。在用圖像處理法計算葉面積時，每種拍攝角度重復測定5次，減少誤差。結果（表3）表明，不同的拍攝角度對葉面積測定的影響差異不顯著，說明在正常的拍攝角度下（30°～90°），測定結果都是準確的。

2.3 不同拍攝分辨率對葉面積測量的影響

數碼相機分辨率的高低決定所拍攝圖片上像素點的個數，影響圖片的清晰度和圖片的后續處理。采用不同分辨率檔位的數碼相機對同一樣本葉片進行拍照，對測量所得數據統計分析結果見表4。結果表明，拍攝分辨率不同對葉面積的測量結果無顯著影響，但拍攝分辨率越高，葉面積的測量值越接近真實值。

3 結論

目前葉面積的測定方法有很多種，每種方法都有其局限性和使用范圍。國外普遍使用葉面積儀測定法和圖像處理法測定葉面積，簡單便捷、速度快，準確度高[9-12]。方格法是一種經典的葉面積測定方法，測量精度高、速度慢、操作過程繁瑣，常用于對其他測定結果校正。圖像處理技術作為一種新興的測量手段，廣泛應用于農業生產。與葉面積儀相比，圖像處理法在處理殘缺葉片和形狀不規則葉片時，可以將殘缺部分補全，增大其應用范圍和提高測量精度。

通過圖像處理法和其他2種方法對已知標準面積的紙板進行測定，對測量結果進行誤差分析和統計分析并兩兩建立一元線性回歸方程，發現圖像處理法和葉面積儀測定法、方格法的測量結果間存在極顯著性相關，相關系數R2分別為0.981和0.989。此外，驗證了不同拍照角度和分辨率對測定結果沒有影響，拍攝時可以采用較低的分辨率對圖像拍照，使數碼相機在有限容量中存儲更多圖片，適合野外、大量樣本的測定，擴展了圖像處理法的使用范圍和實用性，使其可以在生產和科研中加以應用。

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