基于黑白扫描图像的叶面积测量方法

谭序光 谭黎光 杨绍锷

（1.广西工商职业技术学院，广西 南宁 530008；2.中国移动通信集团广西有限公司，广西 南宁 530035；3.广西壮族自治区农业科学院 农业科技信息研究所，广西 南宁 530007）

叶片是植物光合作用和物质生产的主要器官，也是植物蒸腾作用并与大气环境水气交换的重要器官，直接影响植物的基本行为和功能［1，2］，叶片的性状特征是评价植物生长状况的重要因素［3，4］，经常被用于遗传育种［5-7］、作物栽培［8，9］、植物生态［10，11］等众多领域的研究，而叶片面积作为叶片性状特征的关键指标之一，准确测量叶片面积是开展相关领域研究的基本要求。鉴于叶片形状不规则的特点，学者们设计了多种叶片面积测量方法。叶面积仪测量法［12，13］是较常用的方法，其测量简单直观，精度高，速度快，既可进行田间无损伤测量，也可采样后在室内测量，但由于仪器价格昂贵，维护维修成本较高，限制了该方法的推广应用。方格纸法［14，15］和称重法［16］是传统的叶片面积测量方法，其中方格纸法需要人工手动将叶片轮廓描绘在标准方格纸上，然后统计轮廓内的方格数量即可获得叶片面积；称重法也称为剪纸称重法，是对方格纸法的一种改进方法，在标准方格纸描绘叶片轮廓的基础上，沿着轮廓线剪下，得到叶片纸模，使用电子分析天平称纸模的重量以及标准方格纸的单位面积重量，通过两者重量比例关系换算得到叶片面积。这两种方法操作简单，精度较高，但要求测量者进行精细操作，耗时较长，叶片边缘形状复杂时易出现较大误差，受人为因素干扰较大，难以开展大批量测定。回归系数法［17，18］又称直尺法，首先需要根据已知的叶片长宽和叶片面积建立经验公式或长宽积乘系数，进而通过测量叶片的长宽计算得到叶片面积。该方法简单易行，成本低，可在田间不损伤植物的情况下测量，但由于不同作物品种或植株不同部位之间差异较大，造成其通用性较差，精度相对较低，不适用于普遍的植物叶片面积测量。图像处理法是当前备受关注的叶面积测量方法［19，20］，通过制作叶片数码图像，利用图像处理软件计算图像中叶片的像素个数，并根据单个像素的真实面积计算得到叶片面积。早期学者们采用软件（Photoshop、AutoCAD等）绘图工具手动描绘图像中的叶片轮廓，利用软件内设的统计查询功能得到叶片面积［21-23］，虽然测量精度较高，但是操作过程仍较繁琐，难以应用于大量样本的叶片测量。近年来学者们利用编程软件（Matlab、Android等）开发叶片面积测量系统［24-26］，自动执行图像读取、叶片识别、面积计算等步骤，简化了面积测量流程，大大提高了测量效率。当前此类基于数码图像的叶片面积测量方法大多需要进行图像几何校正，因而需要预先制作带有标记点的图像采集模板，且每次测量均需手动确定标记点，尚未能实现完全的自动测量，测量速率仍有较大提升空间。本文探讨一种利用日常办公使用的扫描仪制作叶片图像的叶面积测量方法，免去采集模板制作和图像几何校正的步骤，简化图像计算过程，减轻测量工作量；同时采用IDL语言设计开发单张和批量计算叶片面积软件系统，实现测量过程无人工干预的自动计算，解决大量样本快速准确测量的问题。

1 方法与原理

叶片测量的总体思路是利用平板扫描仪的扫描成像大小与扫描稿台尺寸成等比的关系，已知的扫描稿台尺寸，根据扫描成像中叶片像素个数与图像总像素数的比例关系，计算获取叶片面积。具体计算公式为：叶片面积=稿台长度×稿台宽度×叶片像素个数/图像总像素数。为了完成叶片面积的计算，首先需要通过平板扫描仪制作叶片黑白图像，然后利用图像处理软件读取图像并统计图像总像素以及叶片像素，并最终计算得到叶片面积。

1.1 叶片数码图像制作

利用日常办公中使用的文件扫描仪进行叶片数码图像的制作，将需要测量面积的叶片平铺放置在扫描仪玻璃稿台上，合上扫描仪机盖；在扫描程序中设置扫描颜色格式为黑白，文件类型为TIF文件，为了获得最优的图像效果和最高的测量精度，分辨率选取扫描仪的最大分辨率；进行扫描保存文件即可制作完成一张叶片的数码图像。叶片扫描图像示例图如图1所示。扫描时需尽量将机盖压紧，以防止扫描光线泄露或受外部光源干扰，造成图像中出现多余黑斑。

图1 叶片扫描图像示例图

经过上述步骤制作得到的TIF文件是一张只有黑白两种颜色的二值图像，其中被叶片遮挡的区域被扫描成黑色，其余未被遮挡的区域被扫描成白色，黑色区域像素值为0，白色区域像素值为1。叶片与扫描稿台完全贴合，叶片图像不存在几何变形，因此无需进行几何校正，只需要统计图像中的像素值为0和1的个数，通过上述计算公式即可得到叶片面积。

为了分析验证该扫描仪测量方法的适用性，在此次试验中采用惠普M227 sdn和奔图M7109 DW两个不同品牌型号的扫描仪进行叶片数码图像的扫描制作。两个设备同为打印/复印/扫描多功能一体机，黑白扫描光学最大分辨率为1200 dpi，扫描稿台尺寸为216 mm×297 mm。

1.2 叶片面积计算软件设计

本次试验中采用IDL语言进行叶片面积计算程序设计开发。IDL是一种数据分析和图像化应用程序及编程语言，是美国Exelis Visual Information Solutions公司的旗舰产品，集开放性、高维分析能力、科学计算能力、实用性和可视化分析为一体，可以在多种硬件平台上运行，支持与C、C++连接以及数据库ODBC接口标准，具有较好的可移植性，内置的数学库函数大大减轻算法开发工作，被广泛应用于图像数据处理领域。根据实际应用需求，开发了单张图片计算和多张图片批处理计算两种软件模式。两种模式采用相同的图像读取方式和叶面积计算公式，面积测量结果一致。涉及的程序主要包括各个按钮的事件响应、文本框对应数值的获取、输入图像的读取、计算结果的显示及输出等模块。

1.2.1 单张叶片面积计算

单图计算软件界面如图2所示，主要包括输入文件选择区域、边框去除设置区域、扫描框长宽设置区域、图像显示区域和计算结果显示区域。

图2 单图计算软件界面

点击“图片选择”选取需要计算叶片面积的一张TIF图片，若图片选择成功，则在右边的图片框中将显示所选图片的等比例缩略图；或在“图片路径”中输入图片的路径，文件名后须有“．tif”后缀；选取的图片文件必须为TIF格式，否则在点击“计算”时将出现错误提示。

由于叶片通常具有一定的厚度，导致夹板边缘经常出现漏光现象，从而导致扫描图像四周出现黑色图斑，若不去除这些黑色区域将被计算成叶片面积，造成较大的计算误差，因此软件中设置了“边框去除”功能。在“边框去除”文本框中输入像素值，程序将在计算时忽略图像边缘相应像素值的范围，相当于把图像边缘相应范围涂成白色。此处程序预设值为100个像素，在使用过程中可根据图片实际情况人为调整。

勾选“设置扫描框长宽”选项，可修改“长”、“宽”值。长、宽分别是指用于扫描叶片的扫描仪稿台的长、宽；不同型号的扫描仪会有所区别，需根据实际情况填写。日常办公中常用的扫描仪稿台多为A4幅面，即216 mm×297 mm，因此软件中预设此数值为默认值。

点击“计算”，程序会检查输入的文件是否正确；若正确，则图片中的叶片面积将显示在“叶片面积”框中，单位为平方厘米；右边的图片框中显示识别结果图的等比例缩略图。

1.2.2 多张叶片面积批处理计算

多图批处理软件界面如图3所示。与单图计算软件的主要区别在于输入参数和输出结果类型不同，单图计算时输入为单个图像文件，输出为叶片面积数值；多图批处理输入为图像存放的文件夹，输出为TXT文本文件。

图3 多图批处理软件界面

点击“选择文件夹”选择需计算叶片面积图像所在的文件夹，选择的路径将自动填入“图片路径”文本框中；程序将识别文件夹中所有的TIF图片，若所选文件夹中没有TIF图片，则程序将出现错误提示；若所选文件夹中有多张TIF图片，则右边图片框中将显示第一张图片的等比例缩略图。若在“图片路径”文本框中手动输入图片文件夹的路径，则不会检查输入路径下是否有TIF图片，检查工作将在点击“计算”时进行。

“边框去除”和“设置扫描框长宽”功能与单图计算程序相同，设置的数值将应用到批处理过程中对每张图像的计算。

点击“保存到：”选择叶片面积计算结果拟保存的TXT文件，或在文本框中手动输入。保存的文件只能是TXT格式，若输入的文件无“．txt”后缀，则程序将自动添加。

点击“计算”，程序将检查“图片路径”文本框中的路径下是否有TIF图片，若无TIF图片，则程序将终止；检查“保存到：”文本框中的文件名是否重名，若重名，则提示是否要覆盖原文件。通过这些检查后，所选文件夹中的各个TIF图片的叶片面积计算结果将保存在所选定的TXT文件中。计算过程中，右边图片框依次显示各个图片的叶片识别结果图。计算完成后出现“计算完成”提示。

1.3 叶片面积测量及误差分析

为了验证该扫描仪测量方法的可靠性和精度，采用多图批处理方法对20张不同面积的叶片进行测量，同时与叶面积仪测量法和方格纸法的测量结果进行比对验证。叶面积仪测量法采用的是美国LICOR公司生产的LI-3000 C便携式叶面积仪，厂商公布的仪器技术指标中，准确度为＜±2%（面积＞50 cm2）；方格纸法是指在最小格子面积为1 mm2的方格纸上描绘叶片轮廓，并统计轮廓内的方格个数，从而得到叶片的面积。以方格纸法测量的叶片面积为真值依据，分别计算惠普M227 sdn扫描仪、奔图M7109 DW扫描仪和叶面积仪LI-3000 C测量结果的绝对误差、相对误差、平均相对误差和均方根误差，同时在EXCEL软件中进行不同仪器测量面积的单因素方差分析。

2 实验验证与结果分析

为了直观展现不同测量方法的测量结果差异，将方格纸法、惠普M227 sdn扫描仪、奔图M7109 DW扫描仪和叶面积仪LI-3000 C的测量结果以柱形图显示（图4），其中方格纸法测量的20张叶片中最大面积为86．95 cm2，最小面积为11．41 cm2。从图上看，不同叶片的各个方法测量结果均较相近，未见有某个方法测量结果明显偏高或偏低的现象。以方格纸法测量结果为真值依据，分析其余3种方法的测量误差，叶片面积测量误差分析结果见表1。

表1 叶片面积测量误差分析

图4 各方法测量的叶片面积

2.1 不同扫描仪测量结果比较分析

在20张叶片面积测量结果中，惠普M227 sdn、奔图M7109 DW两个扫描仪测量的最大绝对误差分别为1．99 cm2、1．94 cm2，均方根误差（RMSE）分别为0．90 cm2、0．95 cm2；最大相对误差分别为2．65%、3．41%，平均相对误差分别为1．06%、1．64%，奔图M7109 DW扫描仪的测量误差总体上略高于惠普M227 sdn扫描仪，但两个扫描仪都表现出了较高的测量精度，RMSE均低于1 cm2，平均相对误差在2%以内，最大相对误差均不超过4%，满足传统测量误差小于5%的要求。可见不同品牌型号扫描仪虽然测量精度有所区别，但是能满足叶面积测量精度要求，说明利用扫描仪进行叶片面积测量的方法可行且精度较高。

2.2 扫描仪与叶面积仪测量结果比较分析

与叶面积仪LI-3000 C测量结果比较，其最大绝对误差为1．35 cm2，均方根误差为0．62 cm2；最大相对误差为-2．11%，平均相对误差为0．92%，各个误差指标值均低于两个扫描仪，表现出更高的测量精度。虽然采用日常办公使用的扫描仪进行叶面积测量可取得较高精度的测量结果，但是与专业的叶面积测量仪器相比，测量精度仍有上升空间，在条件允许下，应尽量采用专业的叶面积仪进行测量，以取得更高准确的测量结果。

2.3 各方法测量结果差异分析

为进一步分析各个测量方法的差异程度，将方格纸法、惠普M227 sdn扫描仪、奔图M7109 DW扫描仪和叶面积仪LI-3000 C的测量结果分别进行组间单因素方差分析，单因素方差分析结果见表2。总体上看，各个方法测量结果相互之间P-value都远大于0．05，且F值远小于F临界值，说明各个方法的测量结果间不存在显著差异，扫描仪测量方法可达到方格纸法和叶面积仪测量法的测量效果，各方法可进行替代使用。在各个组间分析中，惠普M227 sdn与奔图M7109 DW的检验统计量F值仅为0．00008，是各个组间比较的最小值，表现出这两组数据最为接近，说明这两个不同品牌型号的扫描仪对叶片面积测量的结果最为一致，不同扫描仪间不存在显著差异。虽然上述误差分析显示LI-3000 C叶面积仪测量精度略高于惠普M227 sdn扫描仪和奔图M7109 DW扫描仪，但是方差分析结果显示两者测量结果不存在显著差异，因此在不具备叶面积仪测量的情况下，可使用扫描仪法进行替代测量。

表2 单因素方差分析结果

3 讨论与结论

本文探讨了一种基于黑白扫描图像的叶片面积测量方法，由于需要利用扫描仪稿台的尺寸大小进行面积计算，因此该方法只适用于配备有稿台的平板式扫描仪，且必须具备黑白扫描功能，同时也限定了本方法只能在室内测量。扫描仪稿台的尺寸限制了其能够制作的叶片图像大小，当叶片长宽超出稿台时，可将叶片裁剪后再进行扫描，或更换更大尺寸的扫描仪进行叶片扫描。理论上扫描仪的成像性能以及稿台尺寸是否标准都会影响测量结果的精度，从本次研究结果来看，两个不同品牌型号扫描仪的测量结果差异不明显，目前的工艺制造水平下国产品牌（奔图M7109 DW）与国外品牌（惠普M227 sdn）成像性能相近，都能满足叶面积测量精度要求。

本方法只需使用日常办公的文件扫描仪进行叶片扫描，同时也利用了扫描稿台的平面特性，避免了叶片图像出现几何变形，无须对图像进行几何校正，开发的测量软件具备多图像批处理功能，将图像输入设定好的软件进行计算即可批量获取叶片面积，大大提升了叶面积测量效率，测量结果与专业的叶面积仪无显著差异，无须额外增加仪器设备和经费支出，节约了研究成本。相比传统的方格纸法、称重法也明显省时省力。

在使用叶面积仪测量轻薄、柔软或细小叶片时，在牵拉叶片进行测量时容易出现折断或卷缩，操作上有一定困难，面积过小时甚至没法测量；而采用本方法只需将叶片平铺到稿台上，不会引起叶片折断或卷缩的现象，能很好的解决上述问题，针对此类型的叶片测量具有一定的操作优势；但在测量长条形叶片（比如甘蔗叶）时，叶面积仪只需一次测量即可完成，本方法则需要将叶片裁剪后才能进行扫描测量，操作上叶面积仪更简便。

根据对20张叶片面积测量结果分析表明，采用扫描仪进行叶片黑白图像扫描，然后统计图像叶片像素并计算叶片面积的方法能取得较高的测量精度，测量结果与叶面积仪法和方格纸法无显著差异，说明该方法切实可行。基于该方法开发的图像处理软件具备多叶片批处理功能，操作简单，计算过程无需人为干预，运行速度快，可实现大量叶片样本的快速测量，相比传统的方格纸法更省时省力，本方法具有方便快捷、成本低、精度高的应用潜力。