图像处理法测定油菜叶面积的研究

崔世钢+秦建华

摘要：利用数码相机获取油菜叶片的图像，采用基于Photoshop图像处理法对油菜叶面积分析测定，并与叶面积仪测定法、方格法的测量结果进行回归分析。结果表明，该方法与其他2种方法的测定结果存在极显著线性相关，相关系数R2分别为0.981和0.989；在用图像处理法对叶面积测量时，不同的拍摄角度和分辨率对叶面积的测定无显著影响。该方法具有简单、快捷、准确、易普及等优点，为植物叶面积的快速测定提供了比较好的方法。

关键词：数码相机；图像处理；油菜；叶面积

中图分类号：S565.4 文献标识码：A 文章编号：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

葉片是植物进行光合作用的物质基础，是蒸腾作用的媒介，是合成有机物质的主要器官。其面积的大小是衡量植物对光能利用、水循环、生长发育、果实产量的一个重要因素，也是研究植物生理化、遗传育种和作物栽培等方面的关键指标[1-4]。因此，建立快速、简便、精确的叶面积测量方法对植物生理机制的研究具有重要意义。

叶面积测量方法有叶面积仪测定法、方格法、剪纸称重法、求积仪法、抛物线拟合法等[5]。其中，叶面积仪测定法操作简单、速度快，但仪器价格昂贵，扫描速度对测定结果影响较大，重现性差[6]；方格法操作繁琐，费时费力，常用于对其他测定结果校正[7，8]；剪纸称重法原理简单，但精度受叶片形状和纸张均匀性等影响；抛物线拟合法测量叶片的叶缘是不规则曲线时，偏差大，使用范围狭窄。因此，本研究利用数码相机和Photoshop图像处理软件，探寻一种简单、准确、快速、适用性广的叶面积测定方法。

1 材料与方法

1.1 试验测量对象

试验选用在植物生长柜中生长的7号油菜幼苗为研究对象，选取无残缺、大小各异和新鲜的油菜叶片10片，编号排序。

1.2 试验方法

1.2.1 叶面积仪测定法 采用万深LA-S叶面积测量仪测定叶片面积，每个叶片重复测量5次，减少误差。

1.2.2 方格法 将待测叶片平铺在坐标纸上并描绘形状，统计叶片所占的方格数，计算叶片面积。

1.2.3 图像处理法

1）将一张坐标纸（50 mm×50 mm）紧密固定在A4纸（297 mm×210 mm）的左上角，作为测量参照物。将备好的待测叶片平铺在A4纸上（不要覆盖坐标纸），用透明的塑料板压平叶片，确保其完全伸展。

2）用数码相机对叶片进行拍照并导入计算机。拍照时数码相机镜头与待测叶片保持较远距离，拉长焦距，使背景白纸全部照入像片内。

3）在Photoshop CS4图像处理软件中打开图片，首先按“Ctrl+0”调整图片满画布显示，点击菜单栏“选择”按钮，在下拉菜单中选择“色彩范围”，出现色彩范围参数设置面板（图1）。在面板中依次选择“取样颜色”、“选择范围”、“无”、“吸管工具”，并用“吸管工具”吸取被测叶片的颜色，调节颜色容差的滚动条，当叶片完全变成白色部分时，点击“确定”按钮，之后点击菜单栏“分析”按钮，在下拉菜单中选择“记录测量”选项，叶片的面积、周长、高度、宽度等像素值就记录在记录测量区。然后，选用“多边形索套”工具依次点击坐标纸的4个顶点，选定区域，点击“记录测量”按钮，记录坐标纸所占像素点数。选中在记录测量区的所有数据，点击“导出所选测量”按钮，把数据文件保存为“.txt”格式，然后采用SPSS 19.0软件对测量数据进行数理统计分析。其中，叶面积（cm2）=叶片所占像素点数/坐标纸所占像素点数×25。

2 结果与分析

2.1 图像处理法与其他两种方法的比较

2.1.1 对已知面积的测定 选用已知准确面积的三角形纸板（50 cm2）为被测对象，分别上述3种方法对其面积进行测量，每种方法各测定5次。排除异常数据后，原始测量值服从正态分布，置信概率取95%。结果表明，3种测量方法对纸板面积的测定结果差异不显著（表1）。同时对3种方法的测量结果两两建立一元线性回归方程，3种测量方法间两两均有很好的相关性（图像处理法与叶面积仪测定法线性回归方程和相关系数为y=0.956x+2.151，R2=0.981；图像处理法与方格法线性回归方程和相关系数为y=0.969x+1.258，R2=0.989；方格法与叶面积仪测定法线性回归方程和相关系数为y=0.899x+4.911，R2=0.978），说明图像处理法对面积的测定具有较高的精确度。

2.1.2 对油菜总叶面积的测定 为了进一步比较3种测量方法对不规则形状的叶片面积测定间的差异，选用已备好的油菜叶片5片为试验对象。3种测量方法对5个叶片各测量一次为一組数据，重复测量5次，把同组同一方法测量的数据累加作为总叶面积测量值，之后将每种方法测定的5个总叶面积数据进行数理统计分析。结果表明，3种测量方法对叶面积的测定影响差异不显著，说明图像处理法也适用于测量面积较大、形状不规则的叶片。

2.2 不同拍摄角度对叶面积测量的影响

在使用相机对叶片拍照时，镜头光轴与叶片所在平面夹角的不同，会导致照片产生不同的透视变形，为了研究这种透视变形对叶片面积测量的影响，对同一样本叶片进行5个角度（分别为30°、45°、60°、80°、90°）拍照。在用图像处理法计算叶面积时，每种拍摄角度重复测定5次，减少误差。结果（表3）表明，不同的拍摄角度对叶面积测定的影响差异不显著，说明在正常的拍摄角度下（30°～90°），测定结果都是准确的。

2.3 不同拍摄分辨率对叶面积测量的影响

数码相机分辨率的高低决定所拍摄图片上像素点的个数，影响图片的清晰度和图片的后续处理。采用不同分辨率档位的数码相机对同一样本叶片进行拍照，对测量所得数据统计分析结果见表4。结果表明，拍摄分辨率不同对叶面积的测量结果无显著影响，但拍摄分辨率越高，叶面积的测量值越接近真实值。

3 结论

目前叶面积的测定方法有很多种，每种方法都有其局限性和使用范围。国外普遍使用叶面积仪测定法和图像处理法测定叶面积，简单便捷、速度快，准确度高[9-12]。方格法是一种经典的叶面积测定方法，测量精度高、速度慢、操作过程繁琐，常用于对其他测定结果校正。图像处理技术作为一种新兴的测量手段，广泛应用于农业生产。与叶面积仪相比，图像处理法在处理残缺叶片和形状不规则叶片时，可以将残缺部分补全，增大其应用范围和提高测量精度。

通过图像处理法和其他2种方法对已知标准面积的纸板进行测定，对测量结果进行误差分析和统计分析并两两建立一元线性回归方程，发现图像处理法和叶面积仪测定法、方格法的测量结果间存在极显著性相关，相关系数R2分别为0.981和0.989。此外，验证了不同拍照角度和分辨率对测定结果没有影响，拍摄时可以采用较低的分辨率对图像拍照，使数码相机在有限容量中存储更多图片，适合野外、大量样本的测定，扩展了图像处理法的使用范围和实用性，使其可以在生产和科研中加以应用。

参考文献：

[1] 王旺田，马静芳，张金林，等.一种新的葡萄叶面积测定方法[J].果树学报，2007，14（5）：709-713.

[2] 刘洪波，张江辉.香梨叶面积测定方法对比研究[J].新疆农业科学，2013，50（3）：453-459.

[3] 李治中，谢 菲，刘小梅，等.2种常用叶面积测量方法准确性的比较研究[J].中国农学通报，2013，29（19）：193-197.

[4] 高祥斌，张秀省，蔡连捷.观赏植物叶面积回归方程的建立[J].福建林业科技，2009，36（2）：231-234.

[5] 何应德.基于图像分析的树木叶片像素面积计算[D].北京：北京林业大学，2011.

[6] 于守超，张秀省，冀芦莎.基于Photoshop CS5的植物叶面积测定方法[J].湖北农业科学，2012，51（15）：3340-3342.

[7] 柳 觐，倪书邦.澳洲坚果叶面积测定方法比较[J].中国农学通报，2014，30（25）：142-147.

[8] 李 乐，钟 迪，贾宝军，等.蒙古栎叶面积的数字图像法测定[J].西北林学院学报，2016，31（6）：96-103.

[9] 冯东霞，施生锦.叶面积测定方法的研究效果初报[J].中国农业通报，2005（6）：150-152，155.

[10] 傅 平，柳 茜，敖学成，等.利用数码图片和回归相关法测定苜蓿叶面积的初步研究[J].草业与畜牧，2013（4）：15-18.

[11] 曾燕蓉，朱方容，林 强，等.几种桑树叶面积测量方法及叶片大小与叶片质量的相关性分析[J].蚕业科学，2013，39（5）：868-876.

[12] 马 驿，张 煦，李岚涛，等.油菜叶面积和鲜重估计研究[J].中国农学通报，2015，31（30）：106-113.