桃樹葉片圖像考種分析系統的研究與開發

楊 素 陳妙金 顧 清 孫奇男 張小斌

（1.浙江省農業科學院數字農業研究所 杭州310021；2.寧波市奉化區水蜜桃研究所）

桃是我國最古老的果樹樹種之一，也是我國第三大落葉果樹，栽培面積和產量僅次于蘋果和梨。桃樹因具有結果早、豐產穩定性好、對土壤條件要求不嚴、栽培管理容易等特點倍受栽培者青睞[1]。葉片是植物進行呼吸作用、光合作用和蒸騰作用的主要器官，葉面積大小、葉形、葉色、葉長和葉寬等信息是植物生長狀態診斷中重要的參數，也是研究植物栽培技術、生理生化、遺傳育種等內容的重要形態指標[2]。建立準確、快速的葉面形態指標測定方法，對于調整群體結構、指導植物栽培密度及合理施肥具有重要的意義[3]。DUS（特異性、一致性和穩定性）測試是植物新品種保護和品種審定以及品種登記中的重要環節[2]，該測試需要對多個性狀進行測試，其中包括葉片的長度、寬度、長寬比、面積、RGB顏色、葉形、葉色等參數。

傳統的葉面積測定方法主要有網格測量法和復印稱重法，但是這兩種方法都費時費力，且測量誤差較大。而對于葉形、葉色等指標，肉眼觀察的方法個人主觀性較強，容易產生視覺疲勞，測量誤差較大。利用掃描儀掃描植物葉面，然后借助Photoshop、R2V、Mapinfo、ArcGIS 等軟件進行分析，可以準確獲得葉片信息，受到越來越多的專家學者的推崇[4]。但是這些軟件通常比較復雜，難于推廣，應用受到限制。鑒于此，本文研究開發了一款可視化的桃樹葉片圖像考種分析系統軟件，利用該系統可以快速簡便地獲取植物葉片的詳細參數。

1 需求分析

桃樹葉片圖像考種分析系統是專為農業科研工作者量身定制的可視化葉片圖像采集與分析軟件，適用于DUS考種、葉片開展、害蟲取食等試驗分析。該系統可以通過分段掃描采集或打開葉片圖像，通過RGB多通道灰度處理和二值圖可視分析，精確分割葉片，快速獲取多葉長度、寬度、長寬比、面積、RGB顏色、葉形、葉色等參數，還可以對圖片進行剪裁、保存及輸出，對葉片自動編號及查看特定編號葉片的分析結果等。此外，當葉片內出現孔洞時，可選擇剔除孔洞計算葉片面積，分析的結果可以按列、行或者Excel文件導出。

1.1 圖片采集

將樣品葉片放入便攜式掃描儀中進行掃描圖像采集。該方式可根據葉片大小調整掃描距離，加快掃描進度，提高葉片圖像采集的效率。掃描儀直接通過USB線纜供電和圖像數據傳輸，方便了田間直接采樣掃描分析。

1.2 葉片掃描

葉片掃描包括正常葉片和孔洞葉片的掃描。

1.2.1 正常葉片。系統通過灰度處理和二值圖可視分析，精確分割葉片并進行編號（圖1），點擊任意編號即可顯示該葉片的長度、寬度、長寬比、面積、RGB顏色、葉形、葉色等參數。

圖1 正常葉片分析界面

1.2.2 孔洞葉片。當葉片中存在孔洞時，默認計算整個葉片面積（包含孔洞），此時葉片測量面積比實際面積要大。選擇“剔除孔洞”功能后分析結果將自動減去孔洞部分面積，保證測量面積與實際面積一致，確保測量結果的準確性（圖2）。

圖2 孔洞葉片分析界面

1.3 結果導出

每一片葉的長度、寬度、長寬比、面積、RGB顏色、葉形、葉色等參數及所有葉片的平均值均會顯示在輸出結果中。所有結果數據可全部導出到Excel中，也可選中行導出部分葉片的考種數據，通過“復制行”、“復制列”還可導出特定行或列的考種數據。

1.4 考種分析

分析結果可按列數據進行統計分析，以葉片長度為例，選中“長度（mm）”列后葉片長度按照降序或升序進行排列，其右側欄會自動顯示葉片長度的測量總數、平均值、方差、標準差。極差、遞增率、變異系數和最小值。

2 系統設計與實現

圖3 系統技術方案

系統技術方案如圖3所示。

2.1 數據庫設計

系統分析結果生成后及時保存在數據庫中結果表（表1）內，防止數據意外丟失。其中圖片名稱對應用戶打開的圖片文件名（掃描圖則為掃描時間），序號對應圖內多張不同的葉片，剩余字段則對應葉片的多個參數值，依此數據可方便導出。

2.2 系統實現

系統在Microsoft Visual Studio 2008中基于C#.net4.0開發，數據庫采用Microsoft Access2007,圖像處理部分基于Emgu CV2.4.10實現了葉片各項指標圖像分析功能。在圖像處理上，灰度化默認采用RGB 三色通道灰度值,也可選擇使用加權值法，二值化則采用OTSU閾值法；在參數提取上，根據輪廓最小外接矩形測量葉片長寬值，基于葉片長寬比區分圓形、橢圓形和披針形等形狀，通過比較樣品葉色RGB與標準色RGB 的最小歐式距離分析葉色，從而保證分析結果的準確性。

表1 系統數據庫結構設計

3 結論

與傳統方法相比，桃樹葉片圖像考種分析系統具有如下優點：（1）自動化程度高。不易受人為因素影響，測量結果更加準確；（2）效率高。相比傳統方法，該系統大大節省了人工測量和數據二次錄入時間，節省人力和時間成本；（3）信息量豐富。除了葉長、葉寬以外，還能同時獲得面積、RGB顏色、葉形、葉色等參數，有利于對植物葉片的生長狀況進行全面分析，對于指導作物育種和栽培具有重要意義。