基于GIS在苜蓿葉面積測定中的應用

陳積山，朱瑞芬，張月學

(黑龍江農科院草業研究所,黑龍江 哈爾濱 150086)

葉片是植物代謝的主要組織之一，是對植物蒸騰和光合作用有極其重要作用的器官。因此，植物葉片信息對植物生長發育狀況和群體結構合理性有很強的指示性，其中葉面積是主要觀測指標[1]。目前，獲取植物葉面積的方法主要有葉面積儀法,但專業葉面積儀器價格昂貴、容易損壞、野外操作局限性大而不便于快速測定。具有一定優勢的方格法、重量法和長寬系數法等,測定時易受人為影響，存在效率低、誤差高的缺點，因此,獲取準確的葉面積信息亦相當困難[2-6]。地理信息系統(Geographic Information System,GIS)將計算機圖形學、地理學、信息學和管理學等多學科進行完美結合,能夠存儲、分析與表達各種圖形信息與屬性信息，為圖形管理系統和數據管理系統的有機結合體，其核心和靈魂是空間分析[7]。在矢量結構下，面狀對象的面積量算采用幾何交叉處理方法；對于柵格結構，多邊形面積計算則是統計具有相同屬性值的格網數目[8-9]。由于GIS集成了數據庫管理、高效圖形算法、插值和網絡分析等多學科的最新技術與手段，為空間分析提供了強大的工具，從而使得過去復雜困難的空間分析任務變得簡單易行[10]。

苜蓿(Medicagosativa)多為三出羽狀復葉，偶爾見多葉變異株叢。由于各小葉片大小不均、品種間葉片形態各異，準確、快速測定苜蓿葉面積有很大難度。本研究期望借助GIS空間分析技術獲取苜蓿葉片信息，目的在于探求簡捷準確的葉面積測定方法。

1 材料與方法

1.1試驗儀器 能夠安裝運行ArcGIS 9.0軟件和圖像處理軟件的計算機(內存不低于32 M)。本研究的操作系統、GIS軟件和矢量化軟件分別采用Windows 2000、ArcGIS 9.0軟件[11]和R2V 5.5(R2V for Windows是一款高級光柵圖矢量化軟件系統)，苜蓿圖像獲取采用SCX-4623FH掃描儀。

1.2試驗原理 ArcInfo地理信息系統軟件是美國環境系統研究所(ESRI)的著名產品。ArcInfo軟件可以自動計算Coverage數據格式中線狀對象的長度，同時將其長度值存儲在Info數據表中，利用其軟件的互動操作功能可以在系統中找到每一條線狀對象在Info數據表中對應的長度值[12]。在GIS中,圖形數據通常以坐標(X，Y)方式存儲在Arc圖形文件系統中,屬性數據則以數據表形式存儲在Info數據庫中。GIS一般利用一個相同的ID(Identify)字段將圖形數據和屬性數據聯接起來,從而實現圖形到屬性和屬性到圖形的雙向查詢、檢索與互動等操作[13-14]。GIS軟件的空間量算功能基于一定的空間投影方式。為了解決葉片圖像能夠在GIS中進行量算,利用ArcInfo軟件對圖形對象的長度、面積進行量算的前提是圖形應具備一定的空間投影方式，設置參照物和目標物體一起獲取圖像,通過一定的比例折算獲取目標信息。

1.3試驗方法及步驟 在苜蓿初花期隨機采取5株苜蓿，迅速帶回實驗室，以株為單位分離莖葉并按順序編號為A、B、C、 D 和E。為了能夠在不具備投影方式的條件下對葉面進行準確測量，可準備一個參照物[一個已準確測量出面積的4類幾何圖形(圖1a)]來檢驗GIS提取面積信息的可行性和精確性，并以正方形(1 cm×1 cm)作為整個試驗的參照物。

1.3.1精確性檢驗 為了驗證在提取苜蓿葉片圖像信息中應用GIS空間分析技術的可行性，將已知面積的正方形、三角形、梯形等用掃描儀掃描獲取圖像信息，矢量化后(圖1b)，利用GIS軟件中的VBA(Visual Basic for Applications是Visual Basic的一種宏語言)提取矢量圖形的周長和面積信息(圖1c)，然后將提取的信息與對應圖形已知信息進行比較(表1)，通過判斷相對誤差是否在試驗誤差允許范圍內來說明該項技術應用于苜蓿葉面積測定的可行性和合理性。

圖1 參照對象信息

表1 圖形實際信息與GIS提取信息

1.3.2參照圖形面積測定 將已知面積正方形(1 cm×1 cm)隨同葉片分散排布于掃描儀上，掃描時，選擇300 dpi灰度圖像保存。在R2V中二值化后用Auto Vectorize命令實現自動矢量化，如有必要可利用R2V軟件中輔助處理或編輯，處理后的矢量數據用Export Vector命令以ArcView(*.shp)文件格式存儲。在ArcGIS 9.0軟件空間分析時，按照如下步驟進行：

1)加載數據，選擇“open attribute table”打開“*.shp”文件的屬性表。

2)單擊“屬性”按鈕，選擇“增加字段”對話框，在該對話框中添加字段和字符類型，以同樣方式添加字段和字符類型。

3)選擇“編輯”工具中“開始編輯”按鈕命令。

4)選擇“字符”，右鍵單擊彈出菜單，選擇“字段”欄，在其對話框中選中“高級”按鈕，在Pre-logic VBA Script Code文本框中編寫：

Dim pArea as IArea

Set pArea=[shape]

在Area=下的文本框中輸入pArea.area，點擊“OK”，即可完成Area字段的屬性值計算，顯示結果。

5)選擇“類型”，右鍵單擊彈出菜單，選擇字段欄對話框中，選中“高級”按鈕，在Pre-logic VBA Script Code文本框中編寫：

Dim pCurve as ICurve，

Set pCurve=[shape]

在Length=下的文本框中輸入pCurve.Length，然后點擊“OK”，即可完成Length字段的屬性值計算，顯示結果。

2 結果與分析

2.1圖形信息的GIS提取與實際信息的比較 利用GIS提取圖形的周長和面積信息與其實際周長、面積信息十分吻合(表1)。周長提取值與實際值的相對誤差(絕對值)介于0～0.017 7 cm,平均周長相對誤差為0.177%;面積提取值與實際值的相對誤差變化范圍(絕對值)為0～0.037 5,平均面積相對誤差僅為1.68%。而一般的測量誤差在10%～15%,更精密的可低至5%[15]。這表明本研究中平均相對測量誤差遠小于5%的精度，體現了GIS提取的圖形周長、面積信息具有極高的準確性和精確性。因此,驗證了劉玉華等[1]關于 GIS空間分析技術完全適用于葉片周長、面積等形態特征信息的精確獲取的結論。

2.2苜蓿葉面積測定分析 在ArcGIS 9.0中調用ArcView(*.shp)矢量數據，生成Polygon Map(多邊形地圖)，在ArcGIS 9.0軟件空間分析中的VBA來實現得到所有樣本Polygons(苜蓿葉緣輪廓)的周長、面積信息(圖2b)。查找出參照物正方形(1 cm×1 cm)，按照參照物的提取值和實際值的比例換算系數(表1)，求出每一個測定葉片的實際周長、面積，即可自動獲取苜蓿整個植株葉片的平均單葉面積(平均單葉周長)、單株(莖)的總葉面積(總葉周長)等數據信息(表2)。

以株為單位分離莖葉并編號為A、B、C、D 和E的苜蓿中，單株A共有小葉片38枚,其周長、面積的提取由VBA編程自動完成(表2)。其中周長最大為4.80 cm,最小為2.08 cm;單株葉片總葉周長231.42 cm,平均葉周長6.09 cm。單葉面積最大可達1.40 cm2,最小葉面積僅為0.32 cm2;單株總葉面積56.24 cm2,平均小葉單片葉面積為1.48 cm2。單株E共有小葉片53枚，其中周長最大為6.80 cm,最小為2.25 cm;單株葉片總葉周長556.48 cm,平均葉周長7.52 cm。單葉面積最大可達2.38 cm2,最小葉面積僅為0.30 cm2;單株總葉面積169.46 cm2,平均小葉單片葉面積為2.29 cm2。由于其余3個單株的葉片總數均在38～74范圍內，其周長、面積的提取數據在羅列時省略。本研究中計算得到了黑龍江西部鹽堿脆弱區栽培苜蓿初花期的葉片平均面積范圍1.48～2.29 cm2，這相對于葉面積儀、網格法、長寬系數法等常規測定方法的繁瑣、誤差大和設備易損壞等而言,用GIS空間分析方法測定葉面積顯示出了無比的優越性。

圖2 苜蓿單株A的葉片信息

表2 苜蓿單株葉片信息

3 討論與結論

基于GIS空間分析法測定苜蓿葉片面積中使用的儀器和材料如掃描儀、PC機等，比較常見；運用GIS空間分析法可以減去傳統方法中大量繁瑣的工作。同時，基于GIS空間分析法測定苜蓿葉片面積的測定精確度高，測量值極其接近實際值，這與劉關君等[16]和劉玉華等[1]的研究結果一致。因此，基于GIS空間分析法測定葉面積的方法可以作為苜蓿葉片面積快速、精確、簡便而嚴謹的方法。

目前，數碼產品的更新換代速度快，數碼圖片處理能力也日益猛進。基于照相機圖像處理法雖能實現對植物葉片圖像的非破壞性采集，但是其成像受多重因素影響較大，葉面積測量的準確度較低。因此，基于GIS法測定葉片葉面積的原理是通過矢量葉片形狀信息的基礎上建立的一種能夠準確測定苜蓿葉片面積信息的方法。

作為GIS應用的一個拓展，GIS空間分析方法建立在計算機圖形圖像處理基礎之上具有嚴密的科學性，為苜蓿葉面積測定提供了一種新思路。本研究借助設置參照物的辦法解決了GIS空間分析中無空間投影方式的圖像處理問題而成功應用于苜蓿葉片面積的測定中,并且利用其一次性自動輸出批量苜蓿葉片的單葉周長、單葉面積等多項信息,實現根據需要自由選擇量算葉面積的功能。同時，利用GIS空間分析技術測定的相對誤差極低(≤1.68%),表明GIS空間分析技術完全可以用于苜蓿等不規則葉片的特征信息提取。與傳統葉面積測定方法相比,GIS空間分析技術應用于葉面積測定具有以下顯著的特點:1)GIS提取葉片圖像的矢量化和空間信息全過程均為計算機自動處理,干擾因素少,精度高;2)GIS強大的空間分析工具和日益發達的計算機技術使得巨量的葉片信息提取與分析輕而易舉,對于細碎或者不規則葉片特征信息(周長、面積等)的提取不受葉片形狀等因素的限制;3)測量速度快，特別適用于批量處理;4)GIS圖像的獲取途徑(數碼相機、攝像頭、掃描儀等)沒有嚴格限制,其結果提取與輸出可在相關統計軟件中繼續處理與分析。

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