圖像處理技術在玉米葉面積測量中的實際應用

宋英博 郭偉 張洪權 孟凡祥 王囡囡 李于

摘要：為了解決野外對玉米群體葉面積大批量的測量，本研究采用RGB三原色分離方法，利用圖像像素比值和參考物法測量玉米葉面積。結果顯示：圖像處理法與C1202葉面積儀法測定葉面積的相關系數為0.9479，圖像處理法與剪紙法比較相關系數R2²為0.9382，圖像處理法與LI-3100臺式葉面積儀R²分別為0.8561，結果證明圖像處理法與其他3種方法測量結果相關性較高。

關鍵詞：葉面積；玉米；圖像處理

中圖分類號：S158.3 文獻標志碼：A 論文編號：cias15010038

0 引言

玉米葉面積對指導作物合理密植、群體結構調整、變量施肥和精確噴灌以獲得高產具有重要意義，使用葉面積儀測量葉面積是目前國際公認的測量方法。馮冬霞等認為葉面積儀測量葉面積，速度快，精度高，省時省力。陳斌等認為傳統葉片面積檢測方法過程復雜，不能實現自動測量，葉面積儀法更快更準。王二虎等認為葉面積儀測量的葉面積數據重復性更好，測定結果更為穩定，測量精確度和準確度更高。葉面積測定儀大多為進口儀器，價格昂貴，且不適于葉片過長大批量的玉米葉面積測量；特別是線狀的光電掃描葉面積儀，光電管易老化，線狀光源設備經不起碰撞，且損壞難以維修（如LI-3100臺式葉面積儀）。對于手持式儀器，掃描速度和人為因素更會明顯地影響測量結果（如美國CID公司生產的手持式葉面積CI202）。但或多或少都有一定的缺點。隨著計算機視覺技術的不斷改進，使利用圖像處理的方法測定葉面積成為可能。只需另加一臺數碼相機及筆者開發的葉面積測量軟件即可。可大批量測量植物葉面積，在測試過程中是一種較便捷的方法，以此為出發點，應用圖像處理技術解決在實際工作中，需要大批量、簡便、快速、準確、無需交流電源的葉面積測量方法。應用于高產試驗與密度試驗。本方法具有較強的科研實用性，不受葉片形狀、大小、厚度等因素的影響，對不規則葉片也能準確測量，且相對于葉面積儀在價格上有很大優勢。是對現有各種葉面積儀測量葉面積的有益補充，而不是取代。特點在于對室外的大的群體大批量葉面積的快速測量，并且造價低廉，維修方便，便于攜帶。

1 材料與方法

1.1 硬件環境

SONY T200數碼相機810萬像素。PC電腦一臺（CPU英特爾酷睿四核4460S）。 1.2 軟件環境

Windows XP操作系統。

1.3 開發工具

編程語言Visual Basic 6.0。

1.4 基本原理

采用計算視覺技術，通過數碼圖像進行分析，由于數字圖像由獨立像素點組成，通過已知面積的像素個數與待測面積的像素個數比值，計算圖像中葉片面積。根據RGB三原色分離方法，提出一種快速、準確測定葉面積的方法。在圖像處理中采用的是RGB彩色系統，且具有對光源變化不敏感、不同顏色易于區分的特點。RGB色彩模式使用RGB模型，為圖像中每一個像素的RGB分量分配一個0～255范圍內的強度值。純紅色R值為255，G值為0，B值為0；灰色的R、G、B三個值相等（除了0和255）；白色的R、G、B都為255；黑色的R、G、B都為0。利用VB語言根據本研究提出的算法編制顏色診斷系統軟件，該軟件的主要功能是進行圖像處理，將不同顏色的像素分類計數，最終根據標準參照物折算葉面積。

1.5 軟件開發

本軟件由圖像輸入、圖像處理和圖像輸出組成，其核心是開發獨立的圖像處理軟件（圖1）。程序由VB語言編寫，便于更新和維護，還具有很強可視化操作界面。進入主界面需輸入背景板與葉片RGB分割值a，葉片與黑色標準版RGB分割值b。當鼠標放到背景板上時，左下方會顯示該點的RGB值，將該像素點RGB3種顏色分量相加求和為c。當鼠標放到葉片時，左下方會顯示該點的RGB值，將該像素點RGB 3種顏色分量相加求和為d。當鼠標放到黑色標準版上時，左下方會顯示該點的RGB值，將該像素點RGB 3種顏色分量相加求和為e。

系統各參數計算如公式（1）。

a=（c+d）/2，6=（e+d）/2…………………………（1）

1.6 試驗設計

玉米品種選擇‘綏玉7號，在抽絲期選擇小區內植株15株，通過以下4種方法測量15株玉米全部葉面積。葉面積儀器法是采用美國CID公司生產的手持式葉面積（CI202）和大型室內葉面積（LI-3100臺式葉面積儀），傳統方法采用剪紙法，新方法采用圖像處理法。

2 結果與分析

2.1 數字圖像處理方法與常用方法比較

2.1.1 對已知面積的測量將準備好的綠色相紙板和黑色標準版重合，剪切面積與黑色標準版等大，即綠色相紙版40 cm²。綠色相紙作為被測對象（如圖2），通過以上幾種方法分別測定其面積，每一方法測定15次，方差分析后各種測定方法的測定結果差異不顯著（P<0.01）。說明數字圖像測定法適用于葉面積測定。

2.1.2 實測玉米葉面積的比較采用不同方法對同一組葉片5次重復測定的結果。可以看出，在相同條件下對同一葉片進行葉面積測定，數字圖像處理法與C1202測定結果變異系數較小（表1），C1202局限于小面積測量，對于15株‘綏玉7號玉米的總面積測量，用時較長效率較低，但較其他3種準確。剪紙法因受葉片形狀和操作熟練程度等因素影響，測定結果變異系數最大，對于15株‘綏玉7號玉米的總面積測量時間最長。LI-3100葉面積儀測定方法的測定結果介于數字圖像處理法和剪紙法之間，LI-3100臺式葉面積儀需要交流電源，機器過于笨重。通過以上幾種方法分別測定15株玉米片的葉面積，采用SPSS軟件對其進行統計分析。結果表明，圖像處理法與其他3種方法比較更適合大批量、快速、準確、無需外部電源的葉面積測量。

2.2 拍攝分辨率不同對葉面積測定的影響

目前大多數數碼相機都有幾檔較低的分辨率可供選擇，不同拍攝分辨率檔位拍攝同一物體，會對數碼圖片上圖像像素個數會產生一定影響。通過本系統軟件，對同一葉片不同分辨率下葉面積進行測定。方差分析表明拍攝分辨率越高越接近玉米葉面積真實值（見表2）。

2.3 拍攝角度不同對葉面積測定的影響

相機拍攝時，鏡頭光軸與葉片拍攝角度不同，會引起照片產生透視變形，為了研究這種透視變形對葉面積測定的影響，對同一葉片不同角度，連續拍攝5張計算葉面積。結果表明，不同拍攝角度對葉面積影響差異不顯著（P<0.01）（表3），說明在通常拍攝角度下（30～90°），測定結果都是準確的。

3 結論與討論

目前葉面積的測量方法已經有很多種，各種測量葉面積的方法都有其局限性和使用范圍。國外普遍使用圖像處理法和葉面積儀測量葉面積，速度快，精度高，省時省力。圖像處理技術作為一種新興的測量技術，在農業中被廣泛應用。與葉面積儀相比，圖像處理法在葉片殘缺不全時，可以人工將殘缺部分補全，以降低測量誤差，這樣就大大增加了其應用范圍和測量精度，特別是在測量不規則葉片以及殘缺不全的葉片時較其他方法更具有優勢。葉片受到外界光線影響周圍會產生陰影，對圖像的各點顏色像素的分離有很大影響，是產生誤差的主要原因。玉米葉片有一定弧度，擺放葉片時，用透明玻璃板壓平，確保葉片伸展。應用背景白板，并且配有獨立光源，以消除陰影影響。測量時要求被測葉片與標準板參照物同時拍攝，從而按比例獲得絕對尺寸，被測葉片和標準物體要求拍攝到同一幅圖像上且垂直拍照。拍攝圖像分辨率和拍攝角度對測定結果影響較小，可以采用較低分辨率使數碼相機在有限容量中存貯更多圖片，且可大大縮短圖像處理時間，非常適合室外、大批量測定。相對于進口設備，普通數碼相機在價格上也具有較大優勢。通過對以上測葉面積方法比較，不難發現剪紙法簡單、方便，但對于不規則形狀的葉片其精確度較低，變異系數最大0.516603%，其精確度也受人為因素、紙張的均勻性等因素影響，需要在室內進行測量。手持式葉面積儀（CI202）精度最高，變異系數最小0.283203%，但其自身的測量平臺較小，不適合長葉片。手持式葉面積儀（CI202）在測量葉片時需要將透明塑料薄板蓋在上面，掃描頭壓在塑料板上掃描，對于帶弧度的非平展型玉米葉片透明塑料薄板磨損較大，影響透明度增加測量誤差。在用手持式儀器進行測量時，葉片的掃描速度對測定結果影響較大。大型葉面積（LI-3100臺式葉面積儀）變異系數為0.410997%，適合大量葉片快速測量，但也存在透明塑料板的老化影響透明度和光源需要定時更換等問題，LI-3100臺式葉面積儀較笨重，只能室內測量。手持式葉面積儀（CI202）和大型葉面積（LI-3100臺式葉面積儀）價格昂貴，不利于維護，線狀光源設備經不起碰撞，且損壞難以維修。不方便推廣和業務使用。

圖像處理法與葉面積儀法C1202相關系數R²為0.9479，圖像處理法與剪紙法比較相關系數R²為0.9382，圖像處理法與LI-3100臺式葉面積儀R²分別為0.8561。可見圖像處理法是對現有各種葉面積儀測量葉面積的有益補充，與國內外其他同類產品相比，本方法具有造價低廉，便于攜帶，抗震動維修方便，無需外部電源，可大批量室外測量。在葉片殘缺不全時，可以人工將殘缺部分補全，以降低測量誤差，這樣就大大增加了其應用范圍和測量精度，特別是在測量不規則葉片以及殘缺不全的葉片時較其他方法更具有優勢。