基于Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳ５的植物葉面積測定方法

于守超 張秀省 冀蘆莎

摘要：利用掃描儀對廣玉蘭葉片進行數(shù)字化處理，運用Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳ５軟件自動化提取葉面積，并與葉面積儀法、剪紙稱重法等測定方法進行比較。結(jié)果表明，Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳ５軟件的圖像處理法與葉面積儀法和剪紙稱重法呈極顯著線性相關(guān)，相比之下其具有快速、準確、易普及等優(yōu)點；歸結(jié)出了Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳ５中像素大小與葉片數(shù)字化時分辨率、縮放比例的數(shù)學(xué)關(guān)系，為今后葉面積的快速測定提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：葉面積測定；圖像處理；自動化分析

中圖分類號：Ｓ１２６；ＴＰ３９１．４１文獻標識碼：B文章編號：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

葉片作為植物進行光合作用、呼吸作用和蒸騰作用的主要器官，其葉面積大小是植物生長狀態(tài)診斷中重要的參數(shù)之一，也是研究生理生化、遺傳育種、作物栽培等內(nèi)容常參考的參數(shù)。因此建立簡便、快速和準確的葉面積測定方法對植物的研究和生產(chǎn)實踐有著重要的意義。

目前葉面積的測定方法有很多，如剪紙稱重法（復(fù)印稱重法）、打孔稱重法、網(wǎng)格交叉法、系數(shù)法、葉面積儀測定法［１，２］等。隨著科技的發(fā)展，應(yīng)用數(shù)碼相機或掃描儀與Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ等軟件相結(jié)合的圖像處理法［３－５］越來越受到研究人員的重視，但目前使用的圖像處理法操作比較繁瑣。為此，亟待探尋一種新的基于圖像處理技術(shù)的葉面積快速測定方法。

１材料與方法

１．１材料

試驗隨機選取完整的、大小各異的廣玉蘭（Ｍａｇｎｏｌｉａ ｇｒａｎｄｉｆｌｏｒａ Ｌｉｎｎ）新鮮葉片５０片，編號并于４ ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

１．２試驗方法

１．２．１葉面積儀法采用美國ＣＩ－２０３手持式激光葉面積儀測定葉面積，每片葉片測量重復(fù)３次，取其平均值。

１．２．２剪紙稱重法將葉片平鋪到卡紙上，沿其邊緣準確畫線并沿線剪下，準確稱其質(zhì)量，根據(jù)事前測算的１ ｃｍ２同種紙張的質(zhì)量換算葉面積。

１．２．３圖像處理法

１）葉片數(shù)字化。取植物葉片展平后置于掃描儀上，設(shè)定掃描參數(shù)，因數(shù)字化后的圖像像素數(shù)與其存貯格式無關(guān)［１］，預(yù)覽后將其數(shù)字化圖像存貯為ＪＰＧ壓縮格式，從而用較小的圖像文件得到較好的圖像質(zhì)量。

２）葉面積獲取。利用Ａｄｏｂｅ公司的Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳ５ 軟件“分析”菜單，根據(jù)設(shè)定的測量比例，對選定各種形狀的葉片區(qū)域進行自動分析，獲取面積、葉長、葉寬、圓度及周長等參數(shù)，并將結(jié)果記錄在“測量記錄”調(diào)板中，還可導(dǎo)出Ｅｘｃｅｌ支持的ＴＸＴ格式文件，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。具體步驟如下：①Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ中測量比例（ＭＳ）的確定。分辨率表示每英寸的像素數(shù)，同時像素數(shù)與掃描時縮放比例成正比，同一葉片和分辨率條件下，縮放比例越大像素數(shù)就越多。由此可以推出單個像素的邊長（即Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ中的測量比例），得到單位換算（１ ｉｎｃｈ＝２．５３６ ｃｍ）后測量比例的計算公式：ＭＳ＝２．５３６／（Ｒ×ＳＣ），式中ＭＳ為Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ中測量比例，Ｒ為掃描分辨率，ＳＣ為掃描時的縮放比例。②利用Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ打開數(shù)字化圖像，在工具欄中單擊“魔棒工具”，調(diào)整容差值為１０（適合大多數(shù)植物葉片），然后用鼠標在圖像的非葉片區(qū)域內(nèi)單擊一下，之后右鍵單擊“反選”，準確選取葉片區(qū)域。③單擊Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ“分析”菜單中“設(shè)置測量比例”，設(shè)置邏輯長度為根據(jù)公式算出的ＭＳ值（單位為ｃｍ）。再單擊“分析”菜單中“記錄測量”，即可得到所選葉片的實際面積、葉長、葉寬、周長、圓度等一系列數(shù)據(jù)。圖像處理法流程見圖１。

２結(jié)果與分析

２．１不同方法測定標準面積紙的結(jié)果比較

為了比較葉面積儀法、剪紙稱重法、圖像處理法在準確性及穩(wěn)定性等方面的差異，以標準面積紙（１０ ｃｍ×１０ ｃｍ）為測算對象，分別用上述幾種方法５次重復(fù)測算，獲取面積并進行分析。結(jié)果（圖２）表明，圖像處理法重現(xiàn)性最強，變異系數(shù)僅為０．５０％，準確度最高，相對誤差為０．２０％，符合小于０．５0％的精度要求；葉面積儀測定法受掃描速度影響，穩(wěn)定性較差，變異系數(shù)為３．６％，相對誤差達１．９６％；而剪紙稱重法介于二者之間，變異系數(shù)為１．８％，相對誤差為１．２６％。

２．２３種葉面積測定方法在廣玉蘭葉面積測定中的應(yīng)用

為了進一步比較驗證所選的葉面積測定方法間的差異，對隨機選取的廣玉蘭葉片進行面積測定，數(shù)據(jù)經(jīng)ＳＡＳ軟件分析后結(jié)果如表１。結(jié)果表明，３種葉面積測定方法兩兩均呈極顯著線性相關(guān)（Ｐ＜０．０１），其中剪紙稱重法和葉面積儀測定法之間相關(guān)性較好，而二者與圖像處理法的相關(guān)性也較好（ｒ２＞０．９８）。說明基于Ａｄｏｂｅ Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳ５分析模塊的圖像處理測定法比較適合植物葉面積的測定。

３小結(jié)

利用ＣＩ-２０３葉面積儀雖然可以快速、比較準確地測定葉面積，但設(shè)備價格昂貴，測定結(jié)果受掃描速度的影響較大，重現(xiàn)性較差，測量小葉片時誤差較大，這些因素限制了其在葉面積測定上的應(yīng)用。剪紙稱重法操作過程簡單易學(xué)，所需材料成本低廉，但工作量較大，在測定形狀不規(guī)則或者面積小的葉片時精度大大降低，另外這種方法測定結(jié)果受紙張均勻性、人為等因素影響較大。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和電子產(chǎn)品的普及，越來越多的研究人員探討使用圖像處理技術(shù)測定葉面積［１，３，４，６，７］，但一些基于圖像處理技術(shù)的葉面積測定方法雖然具有成本低廉、儀器簡單等優(yōu)點，卻也存在如操作繁瑣、對操作水平要求較高等不足。與前人相比，此次提出的基于Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳ５分析模塊的圖像處理法與葉面積儀等方法的測定結(jié)果呈極顯著相關(guān)，同時該法與葉片數(shù)字化時選用的掃描分辨率或縮放比例值無關(guān)，利用公式ＭＳ＝２．５３６／（Ｒ×ＳＣ）均可快速準確地得到換算系數(shù)（即Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ中測量比例），進而自動化提取葉片的實際面積、周長、長度、寬度、圓度等一系列數(shù)據(jù)。該方法操作簡便快捷，精度高，適用范圍廣，幾乎不受葉片厚薄、形狀、大小的影響，為快速測定各種形狀、大小的植物葉片面積提供了可能。

參考文獻：

［１］ 楊勁峰，陳清，韓曉日，等．數(shù)字圖像處理技術(shù)在蔬菜葉面積測量中的應(yīng)用［Ｊ］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，２００２，１８（４）：５５－５８．

［２］ 姚延娟，范聞捷，劉強，等．玉米全生長期葉面積指數(shù)收獲測量法的改進［Ｊ］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，２０１０，２６（８）：１８９－１９４．

［３］ 劉關(guān)君，王大海，郭曉瑞，等．植物葉面積的快速精確測定方法［Ｊ］．東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，２００４，３２（５）：８２－８３．

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［５］ 卜海東，顧蔚，齊永平，等．基于圖像處理華中五味子葉面積的回歸測算［Ｊ］．植物生理學(xué)通訊，２００８，４４（３）：５４３－５４７．

［６］ 黃燕，任光輝．基于圖像處理的葉面積測定方法的研究［Ｊ］．農(nóng)機化研究，２００６（９）：１９２－１９３．

［７］ 石劍飛，殷璀艷，冷鎖虎，等．采用數(shù)碼圖像處理法測定油菜葉面積的方法探討［Ｊ］．中國油料作物學(xué)報，２０１０，３２（３）：３７９－３８２．