基于圖像處理的葉面積測(cè)定

基于圖像處理的葉面積測(cè)定

1葉面積測(cè)定方法作為植物的主要水生器官，葉片面積的大小對(duì)植物的生長發(fā)育、抗逆性和其他生理功能有顯著影響。這是評(píng)價(jià)環(huán)境因素效應(yīng)的重要指標(biāo)。通過動(dòng)態(tài)測(cè)定和比較研究葉面積變化,可以為脅迫效應(yīng)研究提供重要參考。植物受到病蟲害侵染后,會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)的枯黃和斑點(diǎn),給原位測(cè)定綠色部分面積帶來困難。因此,建立簡便、快速準(zhǔn)確、非破壞性的葉面積測(cè)定方法,對(duì)于植物生理生態(tài)研究具有重要意義。目前常用葉面積測(cè)定方法主要有以下幾種:光電測(cè)定法、剪紙法、打孔測(cè)定法、排水量測(cè)定法、系數(shù)測(cè)定法、數(shù)格測(cè)定法等。隨著數(shù)碼照相技術(shù)和圖像處理軟件的不斷改進(jìn),使利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用簡便而又成本低廉的方法測(cè)定葉面積成為可能。數(shù)字圖象技術(shù)廣泛用于葉面積指數(shù)測(cè)定、森林垂直分布結(jié)構(gòu)以及防風(fēng)林孔隙度測(cè)算等植物生理生態(tài)研究領(lǐng)域。本文旨在利用現(xiàn)有數(shù)碼設(shè)備和圖像處理軟件,尋找一種簡便、迅捷、準(zhǔn)確、連續(xù)、非破壞性計(jì)算葉面積的方法,為植物生理生態(tài)研究提供服務(wù)。2材料和方法2.1葉面積儀測(cè)定試驗(yàn)選擇已知面積(75cm2)標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)紙和完整的、大小各異的含笑葉片50片。葉面積儀采用美國LI-COR公司的LI-3000A便攜式葉面積儀。剪紙法是將葉片在A4紙上沿邊緣準(zhǔn)確畫線并剪下,準(zhǔn)確稱量其質(zhì)量,測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)面積紙張質(zhì)量,算出1cm2的紙張質(zhì)量,計(jì)算葉面積。2.2圖像拍攝和錄像顯示1)將一張坐標(biāo)紙緊密固定在不易變形的硬塑料板上,作為拍照背景底板;2)將待測(cè)葉片平展于底板上,用透明塑料板壓平,確保葉片完全伸展;3)用適當(dāng)?shù)呐臄z分辨率、圖像存貯像素和拍攝角度對(duì)葉片進(jìn)行拍攝,拍攝結(jié)束后將圖片導(dǎo)入計(jì)算機(jī);4)在Photoshop圖像處理軟件中打開葉片圖像,用軟件中“磁性套索”或者“魔棒”工具選取圖片中葉片部分,然后打開菜單中“圖像”,選取“直方圖”選項(xiàng),記錄顯示參數(shù)中的“像素”數(shù)值(圖1);5)用軟件中“多邊形套索”工具,選取底板坐標(biāo)紙任意已知面積方格,記錄選區(qū)“像素”數(shù)值,作為計(jì)算系數(shù)(圖2);6)葉面積=葉片像素點(diǎn)數(shù)/選取方格像素點(diǎn)數(shù)×方格面積。3結(jié)果與分析3.1動(dòng)態(tài)分辨率測(cè)試不同拍攝分辨率、存貯格式和圖像縮放比例均會(huì)對(duì)圖像像素個(gè)數(shù)產(chǎn)生一定影響,為了消除這一影響,本方法用坐標(biāo)紙作為拍攝背景,確保了所拍攝葉片和選用的計(jì)算系數(shù)來源盡量一致,從而使拍攝不受數(shù)碼相機(jī)所處位置、景深、圖片中葉片大小等條件限制,非常適合野外測(cè)定和活體測(cè)定。通過Adobe公司的Photoshop7.0軟件,對(duì)同一葉片不同分辨率下葉面積進(jìn)行測(cè)定。方差分析表明(表1),不同分辨率下測(cè)定結(jié)果之間差異不顯著(P<0.01)。說明市面上分辨率一般的普通相機(jī)就能滿足測(cè)定要求。3.2測(cè)定結(jié)果的影響在實(shí)際拍攝過程中,取景框中待測(cè)葉片大小決定所占用的存儲(chǔ)空間,也會(huì)影響圖像像素個(gè)數(shù),通過前述步驟研究單位面積葉片所占存貯像素個(gè)數(shù)(個(gè)·cm-2)對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響。方差分析表明,單位面積葉片不同存貯像素個(gè)數(shù)對(duì)測(cè)定結(jié)果無顯著影響(表2,P<0.01),即在較低圖像分辨率和占用較小存貯空間情況下,利用數(shù)碼相機(jī)結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù),仍然可以獲得良好效果,這對(duì)于野外大量葉片測(cè)定十分有利,可以利用相機(jī)的有限存貯空間,獲得更多葉片信息。如以8000像素·cm-2存貯,每一圖片大約占用65K存貯空間,一個(gè)具有128M存貯容量的數(shù)碼相機(jī)可以存貯約2000張葉片圖像,足可滿足一般生理生態(tài)野外研究需要。3.3葉面積測(cè)定實(shí)例在使用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍攝過程中,相機(jī)鏡頭光軸與葉片所在平面夾角(拍攝角度)不同,會(huì)引起照片產(chǎn)生透視變形,為了研究這種透視變形對(duì)葉面積測(cè)定的影響,選取同一葉片,采用不同拍攝角度進(jìn)行拍攝,每個(gè)角度拍攝5張,按照前述方法計(jì)算葉面積。結(jié)果表明,不同拍攝角度對(duì)葉面積影響差異不顯著(表3,P<0.01),說明在通常拍攝角度下(30~90度),測(cè)定結(jié)果都是準(zhǔn)確的,因?yàn)椴捎米鴺?biāo)紙作為比較背景,最大限度地消除了透視變形對(duì)圖像分析過程的影響。3.4葉面積測(cè)定實(shí)驗(yàn)選取已知準(zhǔn)確面積(75cm2)坐標(biāo)紙作為對(duì)象,通過幾種方法分別測(cè)定其面積,每一方法測(cè)定5次,方差分析表明,3種測(cè)定方法的測(cè)定結(jié)果差異不顯著(P<0.01)。而數(shù)字圖像處理法絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差最小,變異系數(shù)介于葉面積儀法和剪紙法之間,說明數(shù)字圖像測(cè)定法適用于葉面積測(cè)定。圖3為采用不同方法對(duì)同一葉片5次重復(fù)測(cè)定的結(jié)果。可以看出,在相同條件下對(duì)同一葉片進(jìn)行葉面積測(cè)定,數(shù)字圖像處理法測(cè)定結(jié)果變異最小,平均變異系數(shù)為0.49%,曲線變化平穩(wěn),重現(xiàn)性好;剪紙法因受葉片形狀和操作熟練程度等因素影響,測(cè)定結(jié)果變異系數(shù)最大,平均變異系數(shù)達(dá)到1.38%;葉面積儀測(cè)定方法的測(cè)定結(jié)果介于數(shù)字圖像處理法和剪紙法之間,平均變異系數(shù)為0.79%。通過幾種方法分別測(cè)定50片含笑的葉面積,采用SPSS軟件對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明,任何兩種測(cè)定方法之間都極顯著相關(guān),其中剪紙法與葉面積儀法、數(shù)字圖像處理法與葉面積儀法、數(shù)字圖像處理法與剪紙法的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.9964**、0.9947**和0.9992**,證明數(shù)字圖像處理技術(shù)適合于葉面積測(cè)定。3.5測(cè)定結(jié)果及討論由于圖像處理軟件Photoshop擁有功能強(qiáng)大的選區(qū)選擇工具和顏色范圍選取工具,可以任意選取葉片特定區(qū)域,為解決植物葉面受到環(huán)境脅迫、病害和昆蟲破壞部位的定量分析提供了可能。圖4為在坐標(biāo)紙上畫出已知面積圓圈(2.84cm2)并著色以模擬病斑情況的測(cè)定結(jié)果。從中可以看出,該方法對(duì)病斑測(cè)定結(jié)果變異系數(shù)為0.63%,其相對(duì)誤差為1.07%,能夠反映葉片在各種環(huán)境因子作用下葉面積所發(fā)生的變化。4數(shù)字圖像處理法除了葉面積儀法和系數(shù)測(cè)定法,上述其它方法都是在破壞植物的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。剪紙法簡單、方便,但對(duì)于不規(guī)則形狀的葉片其精確度降低,也不適合作物苗期和具有較小葉片植株的葉面積測(cè)量,其精確度也受人為因素、紙張的均勻性等因素影響。打孔測(cè)定法的不足之處在于,如遇粗大葉脈容易產(chǎn)生誤差。排水量測(cè)定法受植物本身水分狀況影響較大。系數(shù)測(cè)定法可用于活體測(cè)定,但不同植物、品種、不同葉齡葉片需分別測(cè)定系數(shù)。數(shù)格交叉法測(cè)定結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確,但需要消耗大量人工,且對(duì)于形狀不規(guī)則葉片測(cè)量精度大大降低,甚至無法測(cè)量象三葉草等植物的復(fù)雜類型葉片,而且在計(jì)數(shù)時(shí)受人為因素影響較大。由加拿大REGENT公司生產(chǎn)的Win/MacFOLIA闊葉圖像分析系統(tǒng)以及CID公司生產(chǎn)的AM200便攜式葉面積儀雖然可以快速測(cè)定葉面積,且操作簡單,可用于受到環(huán)境脅迫、病害和昆蟲破壞植物葉面積的定量分析,但該系統(tǒng)成本高、價(jià)格昂貴,限制了其推廣普及。而且,在用手持式儀器進(jìn)行測(cè)量時(shí),葉片的掃描速度對(duì)測(cè)定結(jié)果影響較大。數(shù)字圖像處理法建立在計(jì)算機(jī)圖像處理基礎(chǔ)上,廣泛適用于闊葉植物葉面積測(cè)定,便于連續(xù)動(dòng)態(tài)觀測(cè)不規(guī)則葉片生長變動(dòng)趨向,