基于GIS在苜蓿葉面積測(cè)定中的應(yīng)用

陳積山，朱瑞芬，張?jiān)聦W(xué)

(黑龍江農(nóng)科院草業(yè)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(duì)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(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育狀況和群體結(jié)構(gòu)合理性有很強(qiáng)的指示性，其中葉面積是主要觀測(cè)指標(biāo)[1]。目前，獲取植物葉面積的方法主要有葉面積儀法,但專業(yè)葉面積儀器價(jià)格昂貴、容易損壞、野外操作局限性大而不便于快速測(cè)定。具有一定優(yōu)勢(shì)的方格法、重量法和長(zhǎng)寬系數(shù)法等,測(cè)定時(shí)易受人為影響，存在效率低、誤差高的缺點(diǎn)，因此,獲取準(zhǔn)確的葉面積信息亦相當(dāng)困難[2-6]。地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、地理學(xué)、信息學(xué)和管理學(xué)等多學(xué)科進(jìn)行完美結(jié)合,能夠存儲(chǔ)、分析與表達(dá)各種圖形信息與屬性信息，為圖形管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合體，其核心和靈魂是空間分析[7]。在矢量結(jié)構(gòu)下，面狀對(duì)象的面積量算采用幾何交叉處理方法；對(duì)于柵格結(jié)構(gòu)，多邊形面積計(jì)算則是統(tǒng)計(jì)具有相同屬性值的格網(wǎng)數(shù)目[8-9]。由于GIS集成了數(shù)據(jù)庫(kù)管理、高效圖形算法、插值和網(wǎng)絡(luò)分析等多學(xué)科的最新技術(shù)與手段，為空間分析提供了強(qiáng)大的工具，從而使得過(guò)去復(fù)雜困難的空間分析任務(wù)變得簡(jiǎn)單易行[10]。

苜蓿(Medicagosativa)多為三出羽狀復(fù)葉，偶爾見(jiàn)多葉變異株叢。由于各小葉片大小不均、品種間葉片形態(tài)各異，準(zhǔn)確、快速測(cè)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(shù)獲取苜蓿葉片信息，目的在于探求簡(jiǎn)捷準(zhǔn)確的葉面積測(cè)定方法。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)儀器 能夠安裝運(yùn)行ArcGIS 9.0軟件和圖像處理軟件的計(jì)算機(jī)(內(nèi)存不低于32 M)。本研究的操作系統(tǒng)、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(jí)光柵圖矢量化軟件系統(tǒng))，苜蓿圖像獲取采用SCX-4623FH掃描儀。

1.2試驗(yàn)原理 ArcInfo地理信息系統(tǒng)軟件是美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所(ESRI)的著名產(chǎn)品。ArcInfo軟件可以自動(dòng)計(jì)算Coverage數(shù)據(jù)格式中線狀對(duì)象的長(zhǎng)度，同時(shí)將其長(zhǎng)度值存儲(chǔ)在Info數(shù)據(jù)表中，利用其軟件的互動(dòng)操作功能可以在系統(tǒng)中找到每一條線狀對(duì)象在Info數(shù)據(jù)表中對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度值[12]。在GIS中,圖形數(shù)據(jù)通常以坐標(biāo)(X，Y)方式存儲(chǔ)在Arc圖形文件系統(tǒng)中,屬性數(shù)據(jù)則以數(shù)據(jù)表形式存儲(chǔ)在Info數(shù)據(jù)庫(kù)中。GIS一般利用一個(gè)相同的ID(Identify)字段將圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)聯(lián)接起來(lái),從而實(shí)現(xiàn)圖形到屬性和屬性到圖形的雙向查詢、檢索與互動(dòng)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(jìn)行量算,利用ArcInfo軟件對(duì)圖形對(duì)象的長(zhǎng)度、面積進(jìn)行量算的前提是圖形應(yīng)具備一定的空間投影方式，設(shè)置參照物和目標(biāo)物體一起獲取圖像,通過(guò)一定的比例折算獲取目標(biāo)信息。

1.3試驗(yàn)方法及步驟 在苜蓿初花期隨機(jī)采取5株苜蓿，迅速帶回實(shí)驗(yàn)室，以株為單位分離莖葉并按順序編號(hào)為A、B、C、 D 和E。為了能夠在不具備投影方式的條件下對(duì)葉面進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，可準(zhǔn)備一個(gè)參照物[一個(gè)已準(zhǔn)確測(cè)量出面積的4類幾何圖形(圖1a)]來(lái)檢驗(yàn)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(gè)試驗(yàn)的參照物。

1.3.1精確性檢驗(yàn) 為了驗(yàn)證在提取苜蓿葉片圖像信息中應(yīng)用GIS空間分析技術(shù)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(yǔ)言)提取矢量圖形的周長(zhǎng)和面積信息(圖1c)，然后將提取的信息與對(duì)應(yīng)圖形已知信息進(jìn)行比較(表1)，通過(guò)判斷相對(duì)誤差是否在試驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)來(lái)說(shuō)明該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于苜蓿葉面積測(cè)定的可行性和合理性。

圖1 參照對(duì)象信息

表1 圖形實(shí)際信息與GIS提取信息

1.3.2參照?qǐng)D形面積測(cè)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(shí)，選擇300 dpi灰度圖像保存。在R2V中二值化后用Auto Vectorize命令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shù)據(jù)用Export Vector命令以ArcView(*.shp)文件格式存儲(chǔ)。在ArcGIS 9.0軟件空間分析時(shí)，按照如下步驟進(jìn)行：

1)加載數(shù)據(jù)，選擇“open attribute table”打開(kāi)“*.shp”文件的屬性表。

2)單擊“屬性”按鈕，選擇“增加字段”對(duì)話框，在該對(duì)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(kāi)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(duì)話框中選中“高級(jí)”按鈕，在Pre-logic VBA Script Code文本框中編寫(xiě)：

Dim pArea as IArea

Set pArea=[shape]

在Area=下的文本框中輸入pArea.area，點(diǎn)擊“OK”，即可完成Area字段的屬性值計(jì)算，顯示結(jié)果。

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

Dim pCurve as ICurve，

Set pCurve=[shape]

在Length=下的文本框中輸入pCurve.Length，然后點(diǎn)擊“OK”，即可完成Length字段的屬性值計(jì)算，顯示結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1圖形信息的GIS提取與實(shí)際信息的比較 利用GIS提取圖形的周長(zhǎng)和面積信息與其實(shí)際周長(zhǎng)、面積信息十分吻合(表1)。周長(zhǎng)提取值與實(shí)際值的相對(duì)誤差(絕對(duì)值)介于0～0.017 7 cm,平均周長(zhǎng)相對(duì)誤差為0.177%;面積提取值與實(shí)際值的相對(duì)誤差變化范圍(絕對(duì)值)為0～0.037 5,平均面積相對(duì)誤差僅為1.68%。而一般的測(cè)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(duì)測(cè)量誤差遠(yuǎn)小于5%的精度，體現(xiàn)了GIS提取的圖形周長(zhǎng)、面積信息具有極高的準(zhǔn)確性和精確性。因此,驗(yàn)證了劉玉華等[1]關(guān)于 GIS空間分析技術(shù)完全適用于葉片周長(zhǎng)、面積等形態(tài)特征信息的精確獲取的結(jié)論。

2.2苜蓿葉面積測(cè)定分析 在ArcGIS 9.0中調(diào)用ArcView(*.shp)矢量數(shù)據(jù)，生成Polygon Map(多邊形地圖)，在ArcGIS 9.0軟件空間分析中的VBA來(lái)實(shí)現(xiàn)得到所有樣本Polygons(苜蓿葉緣輪廓)的周長(zhǎng)、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(shí)際值的比例換算系數(shù)(表1)，求出每一個(gè)測(cè)定葉片的實(shí)際周長(zhǎng)、面積，即可自動(dòng)獲取苜蓿整個(gè)植株葉片的平均單葉面積(平均單葉周長(zhǎng))、單株(莖)的總?cè)~面積(總?cè)~周長(zhǎng))等數(shù)據(jù)信息(表2)。

以株為單位分離莖葉并編號(hào)為A、B、C、D 和E的苜蓿中，單株A共有小葉片38枚,其周長(zhǎng)、面積的提取由VBA編程自動(dòng)完成(表2)。其中周長(zhǎng)最大為4.80 cm,最小為2.08 cm;單株葉片總?cè)~周長(zhǎng)231.42 cm,平均葉周長(zhǎng)6.09 cm。單葉面積最大可達(dá)1.40 cm2,最小葉面積僅為0.32 cm2;單株總?cè)~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(zhǎng)最大為6.80 cm,最小為2.25 cm;單株葉片總?cè)~周長(zhǎng)556.48 cm,平均葉周長(zhǎng)7.52 cm。單葉面積最大可達(dá)2.38 cm2,最小葉面積僅為0.30 cm2;單株總?cè)~面積169.46 cm2,平均小葉單片葉面積為2.29 cm2。由于其余3個(gè)單株的葉片總數(shù)均在38～74范圍內(nèi)，其周長(zhǎng)、面積的提取數(shù)據(jù)在羅列時(shí)省略。本研究中計(jì)算得到了黑龍江西部鹽堿脆弱區(qū)栽培苜蓿初花期的葉片平均面積范圍1.48～2.29 cm2，這相對(duì)于葉面積儀、網(wǎng)格法、長(zhǎng)寬系數(shù)法等常規(guī)測(cè)定方法的繁瑣、誤差大和設(shè)備易損壞等而言,用GIS空間分析方法測(cè)定葉面積顯示出了無(wú)比的優(yōu)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(jié)論

基于GIS空間分析法測(cè)定苜蓿葉片面積中使用的儀器和材料如掃描儀、PC機(jī)等，比較常見(jiàn)；運(yùn)用GIS空間分析法可以減去傳統(tǒng)方法中大量繁瑣的工作。同時(shí)，基于GIS空間分析法測(cè)定苜蓿葉片面積的測(cè)定精確度高，測(cè)量值極其接近實(shí)際值，這與劉關(guān)君等[16]和劉玉華等[1]的研究結(jié)果一致。因此，基于GIS空間分析法測(cè)定葉面積的方法可以作為苜蓿葉片面積快速、精確、簡(jiǎn)便而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ā?/p>

目前，數(shù)碼產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度快，數(shù)碼圖片處理能力也日益猛進(jìn)?；谡障鄼C(jī)圖像處理法雖能實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)量的準(zhǔn)確度較低。因此，基于GIS法測(cè)定葉片葉面積的原理是通過(guò)矢量葉片形狀信息的基礎(chǔ)上建立的一種能夠準(zhǔn)確測(cè)定苜蓿葉片面積信息的方法。

作為GIS應(yīng)用的一個(gè)拓展，GIS空間分析方法建立在計(jì)算機(jī)圖形圖像處理基礎(chǔ)之上具有嚴(yán)密的科學(xué)性，為苜蓿葉面積測(cè)定提供了一種新思路。本研究借助設(shè)置參照物的辦法解決了GIS空間分析中無(wú)空間投影方式的圖像處理問(wèn)題而成功應(yīng)用于苜蓿葉片面積的測(cè)定中,并且利用其一次性自動(dòng)輸出批量苜蓿葉片的單葉周長(zhǎng)、單葉面積等多項(xiàng)信息,實(shí)現(xiàn)根據(jù)需要自由選擇量算葉面積的功能。同時(shí)，利用GIS空間分析技術(shù)測(cè)定的相對(duì)誤差極低(≤1.68%),表明GIS空間分析技術(shù)完全可以用于苜蓿等不規(guī)則葉片的特征信息提取。與傳統(tǒng)葉面積測(cè)定方法相比,GIS空間分析技術(shù)應(yīng)用于葉面積測(cè)定具有以下顯著的特點(diǎn):1)GIS提取葉片圖像的矢量化和空間信息全過(guò)程均為計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理,干擾因素少,精度高;2)GIS強(qiáng)大的空間分析工具和日益發(fā)達(dá)的計(jì)算機(jī)技術(shù)使得巨量的葉片信息提取與分析輕而易舉,對(duì)于細(xì)碎或者不規(guī)則葉片特征信息(周長(zhǎng)、面積等)的提取不受葉片形狀等因素的限制;3)測(cè)量速度快，特別適用于批量處理;4)GIS圖像的獲取途徑(數(shù)碼相機(jī)、攝像頭、掃描儀等)沒(méi)有嚴(yán)格限制,其結(jié)果提取與輸出可在相關(guān)統(tǒng)計(jì)軟件中繼續(xù)處理與分析。

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