基于Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳ５的植物叶面积测定方法

于守超 张秀省 冀芦莎

摘要：利用扫描仪对广玉兰叶片进行数字化处理，运用Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳ５软件自动化提取叶面积，并与叶面积仪法、剪纸称重法等测定方法进行比较。结果表明，Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳ５软件的图像处理法与叶面积仪法和剪纸称重法呈极显著线性相关，相比之下其具有快速、准确、易普及等优点；归结出了Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳ５中像素大小与叶片数字化时分辨率、缩放比例的数学关系，为今后叶面积的快速测定提供了依据。

关键词：叶面积测定；图像处理；自动化分析

中图分类号：Ｓ１２６；ＴＰ３９１．４１文献标识码：B文章编号：0439－８114（２０12）15－3340-02

Ａ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｌｅａｆ Ａｒｅａ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｌａｎｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳ５ Ｓｏｆｔｗａｒｅ

ＹＵ Ｓｈｏｕ－cｈａｏ１ａ，２，ＺＨＡＮＧ Ｘｉｕ－ｓｈｅｎｇ１ａ，ＪＩ Ｌｕ－ｓｈａ１ｂ

（１． Ｌｉａｏｃｈｅｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， ａ． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ； ｂ． College of Life Science， Ｌｉａｏｃｈｅｎｇ ２５２０５９， Ｓｈａｎｄｏｎｇ， Ｃｈｉｎａ；

２． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｌａｎｄｓｃａｐｅ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｍａｇｎｏｌｉａ ｌｅａｖｅｓ ｗｅｒｅ ｄｉｇｉｔａｌｉｚｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｓｃａｎｎｅｒ， ｔｈｅｎ the leaf ａｒｅａ ｗａｓ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ CS5． Ｔｈｅ ｄａｔａ ｆｒｏｍ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄａｔａ ｆｒｏｍ ｏｔｈｅｒ ｍｅｔｈｏｄｓ， ｓｕｃｈ ａｓ ｉｎｓｔｕｍｅｎｔａｌ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ， ｅｔｃ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ｗｅｒｅ ｈｉｇｈｌｙ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｌｉｎｅａｒ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ． Ｍｏｒｅｏｖｅｒ， ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｓ ｔｈｅ ｄｏｍｉｎａｎｔ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｉｎ ｉｔｓ ｓｐｅｅｄｉｎｅｓｓ， ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｅａｓｙ ｐｏｐｕｌａｒｉｔｙ． Mａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｉｘｅｌ ｓｉｚｅ ｉｎ ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳ５ ａｎｄ ｄｉｇｉｔａｌ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｃａｌｉｎｇ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｓｕｍｍｅｄ ｕｐ． Ｔｈｉｓ ｗｉｌｌ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｌｅａｆ ａｒｅａ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｌｅａｆ ａｒｅａ； ｉｍａｇｅ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ； ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ａｎａｌｙｓｉｓ

叶片作为植物进行光合作用、呼吸作用和蒸腾作用的主要器官，其叶面积大小是植物生长状态诊断中重要的参数之一，也是研究生理生化、遗传育种、作物栽培等内容常参考的参数。因此建立简便、快速和准确的叶面积测定方法对植物的研究和生产实践有着重要的意义。

目前叶面积的测定方法有很多，如剪纸称重法（复印称重法）、打孔称重法、网格交叉法、系数法、叶面积仪测定法［１，２］等。随着科技的发展，应用数码相机或扫描仪与Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ等软件相结合的图像处理法［３－５］越来越受到研究人员的重视，但目前使用的图像处理法操作比较繁琐。为此，亟待探寻一种新的基于图像处理技术的叶面积快速测定方法。

１材料与方法

１．１材料

试验随机选取完整的、大小各异的广玉兰（Ｍａｇｎｏｌｉａ ｇｒａｎｄｉｆｌｏｒａ Ｌｉｎｎ）新鲜叶片５０片，编号并于４ ℃保存备用。

１．２试验方法

１．２．１叶面积仪法采用美国ＣＩ－２０３手持式激光叶面积仪测定叶面积，每片叶片测量重复３次，取其平均值。

１．２．２剪纸称重法将叶片平铺到卡纸上，沿其边缘准确画线并沿线剪下，准确称其质量，根据事前测算的１ ｃｍ２同种纸张的质量换算叶面积。

１．２．３图像处理法

１）叶片数字化。取植物叶片展平后置于扫描仪上，设定扫描参数，因数字化后的图像像素数与其存贮格式无关［１］，预览后将其数字化图像存贮为ＪＰＧ压缩格式，从而用较小的图像文件得到较好的图像质量。

２）叶面积获取。利用Ａｄｏｂｅ公司的Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳ５ 软件“分析”菜单，根据设定的测量比例，对选定各种形状的叶片区域进行自动分析，获取面积、叶长、叶宽、圆度及周长等参数，并将结果记录在“测量记录”调板中，还可导出Ｅｘｃｅｌ支持的ＴＸＴ格式文件，便于后续的数据分析。具体步骤如下：①Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ中测量比例（ＭＳ）的确定。分辨率表示每英寸的像素数，同时像素数与扫描时缩放比例成正比，同一叶片和分辨率条件下，缩放比例越大像素数就越多。由此可以推出单个像素的边长（即Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ中的测量比例），得到单位换算（１ ｉｎｃｈ＝２．５３６ ｃｍ）后测量比例的计算公式：ＭＳ＝２．５３６／（Ｒ×ＳＣ），式中ＭＳ为Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ中测量比例，Ｒ为扫描分辨率，ＳＣ为扫描时的缩放比例。②利用Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ打开数字化图像，在工具栏中单击“魔棒工具”，调整容差值为１０（适合大多数植物叶片），然后用鼠标在图像的非叶片区域内单击一下，之后右键单击“反选”，准确选取叶片区域。③单击Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ“分析”菜单中“设置测量比例”，设置逻辑长度为根据公式算出的ＭＳ值（单位为ｃｍ）。再单击“分析”菜单中“记录测量”，即可得到所选叶片的实际面积、叶长、叶宽、周长、圆度等一系列数据。图像处理法流程见图１。

２结果与分析

２．１不同方法测定标准面积纸的结果比较

为了比较叶面积仪法、剪纸称重法、图像处理法在准确性及稳定性等方面的差异，以标准面积纸（１０ ｃｍ×１０ ｃｍ）为测算对象，分别用上述几种方法５次重复测算，获取面积并进行分析。结果（图２）表明，图像处理法重现性最强，变异系数仅为０．５０％，准确度最高，相对误差为０．２０％，符合小于０．５0％的精度要求；叶面积仪测定法受扫描速度影响，稳定性较差，变异系数为３．６％，相对误差达１．９６％；而剪纸称重法介于二者之间，变异系数为１．８％，相对误差为１．２６％。

２．２３种叶面积测定方法在广玉兰叶面积测定中的应用

为了进一步比较验证所选的叶面积测定方法间的差异，对随机选取的广玉兰叶片进行面积测定，数据经ＳＡＳ软件分析后结果如表１。结果表明，３种叶面积测定方法两两均呈极显著线性相关（Ｐ＜０．０１），其中剪纸称重法和叶面积仪测定法之间相关性较好，而二者与图像处理法的相关性也较好（ｒ２＞０．９８）。说明基于Ａｄｏｂｅ Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳ５分析模块的图像处理测定法比较适合植物叶面积的测定。

３小结

利用ＣＩ-２０３叶面积仪虽然可以快速、比较准确地测定叶面积，但设备价格昂贵，测定结果受扫描速度的影响较大，重现性较差，测量小叶片时误差较大，这些因素限制了其在叶面积测定上的应用。剪纸称重法操作过程简单易学，所需材料成本低廉，但工作量较大，在测定形状不规则或者面积小的叶片时精度大大降低，另外这种方法测定结果受纸张均匀性、人为等因素影响较大。

随着计算机技术的发展和电子产品的普及，越来越多的研究人员探讨使用图像处理技术测定叶面积［１，３，４，６，７］，但一些基于图像处理技术的叶面积测定方法虽然具有成本低廉、仪器简单等优点，却也存在如操作繁琐、对操作水平要求较高等不足。与前人相比，此次提出的基于Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳ５分析模块的图像处理法与叶面积仪等方法的测定结果呈极显著相关，同时该法与叶片数字化时选用的扫描分辨率或缩放比例值无关，利用公式ＭＳ＝２．５３６／（Ｒ×ＳＣ）均可快速准确地得到换算系数（即Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ中测量比例），进而自动化提取叶片的实际面积、周长、长度、宽度、圆度等一系列数据。该方法操作简便快捷，精度高，适用范围广，几乎不受叶片厚薄、形状、大小的影响，为快速测定各种形状、大小的植物叶片面积提供了可能。

参考文献：

［１］ 杨劲峰，陈清，韩晓日，等．数字图像处理技术在蔬菜叶面积测量中的应用［Ｊ］．农业工程学报，２００２，１８（４）：５５－５８．

［２］ 姚延娟，范闻捷，刘强，等．玉米全生长期叶面积指数收获测量法的改进［Ｊ］．农业工程学报，２０１０，２６（８）：１８９－１９４．

［３］ 刘关君，王大海，郭晓瑞，等．植物叶面积的快速精确测定方法［Ｊ］．东北林业大学学报，２００４，３２（５）：８２－８３．

［４］ 肖强，叶文景，朱珠，等．利用数码相机和Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ软件非破坏性测定叶面积的简便方法［Ｊ］．生态学杂志，２００５，２４（６）：７１１－７１４．

［５］ 卜海东，顾蔚，齐永平，等．基于图像处理华中五味子叶面积的回归测算［Ｊ］．植物生理学通讯，２００８，４４（３）：５４３－５４７．

［６］ 黄燕，任光辉．基于图像处理的叶面积测定方法的研究［Ｊ］．农机化研究，２００６（９）：１９２－１９３．

［７］ 石剑飞，殷璀艳，冷锁虎，等．采用数码图像处理法测定油菜叶面积的方法探讨［Ｊ］．中国油料作物学报，２０１０，３２（３）：３７９－３８２．