基于圖像處理非破壞性精確測(cè)量魔芋小葉面積

趙青華，楊朝柱，劉二喜，覃 宇，潘婭妮

(1.恩施州農(nóng)業(yè)科學(xué)院，湖北 恩施 445000；2.湖北省魔芋種子種苗工程技術(shù)中心，湖北 恩施 445000；3.湖北省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新中心鄂西綜合試驗(yàn)站，湖北 恩施 445000)

基于圖像處理非破壞性精確測(cè)量魔芋小葉面積

趙青華，楊朝柱*，劉二喜，覃 宇，潘婭妮

(1.恩施州農(nóng)業(yè)科學(xué)院，湖北 恩施 445000；2.湖北省魔芋種子種苗工程技術(shù)中心，湖北 恩施 445000；3.湖北省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新中心鄂西綜合試驗(yàn)站，湖北 恩施 445000)

魔芋屬半蔭生植物，其單生葉片是地上部分唯一的器官，精準(zhǔn)、無(wú)損測(cè)定魔芋葉面積是研究其生理功能、人工栽培改善群體結(jié)構(gòu)、增加產(chǎn)量的前提.以葉形指數(shù)相似的橢圓為標(biāo)尺，離體和活體采集圖像，利用Image Pro-Plus 6.0分析，研究了光照、曝光值、旋轉(zhuǎn)角度、傾斜角度、相機(jī)分辨率、拍攝距離、位置等因素對(duì)魔芋小葉面積測(cè)定精度的影響.結(jié)果表明：橢圓面積作為標(biāo)尺，可消除圖像變形引起的誤差，光照強(qiáng)度不低于200k Lux，傾斜角度0～8°，分辨率不低于80萬(wàn)像素，離體測(cè)定相對(duì)誤差小于0.60%，非破壞性活體測(cè)定相對(duì)誤差低于1.00%.該方法簡(jiǎn)單、精確度高，為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)魔芋葉面積參數(shù)提供方便.

魔芋；小葉面積；非破壞性測(cè)量；葉形指數(shù)；圖像處理

葉片是植物重要的生物學(xué)器官，是截獲光源進(jìn)行CO2固定和光合原初反應(yīng)的場(chǎng)所、同化物積累的“源”，同時(shí)也是蒸騰作用和呼吸作用的關(guān)鍵部位.葉面積大小是反應(yīng)植物生長(zhǎng)發(fā)育、預(yù)測(cè)生產(chǎn)能力和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人工調(diào)控的重要指標(biāo).因此，精確測(cè)量葉面積是植物光合生理、群體結(jié)構(gòu)和冠層生理等研究基礎(chǔ)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)作用[1-2].測(cè)定葉面積的方法較多，有網(wǎng)格法、復(fù)印稱(chēng)重法、比重法、描輪廓稱(chēng)重法、葉面積儀法、圖像處理法、模型預(yù)測(cè)法等，各有利弊，數(shù)字圖像處理法和非破壞性法是葉面積測(cè)定的發(fā)展趨勢(shì)[3-12].

魔芋是我國(guó)西南山區(qū)重要的園藝作物，屬天南星科魔芋屬多年生草本植物，種類(lèi)繁多，其葉片屬大型復(fù)葉，通常一個(gè)生長(zhǎng)周期和一個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)只發(fā)生一片葉，地面的部分為葉，通過(guò)葉柄與地下球莖相連，另一端與三全裂葉相連，不同種類(lèi)小葉葉形和面積差異較大，有橢圓、倒卵圓等形狀，珠芽魔芋、西盟魔芋、滇魔芋和悠樂(lè)魔芋小葉面積大，疣柄魔芋和甜魔芋次之，花魔芋、白魔芋及其衍生種較小.小葉奇數(shù)羽狀互生排列或二次羽狀或二岐分裂后羽狀排列，全緣，漸尖，基部下延成鰭狀[13].魔芋起源于熱帶叢林底層，屬典型的半蔭生植物，小葉形狀、大小受種類(lèi)、著生部位、光照、水肥影響較大[13].Patel等[14]用疣柄魔芋的1個(gè)裂片面積建模預(yù)測(cè)全株葉面積，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.93以上，李雁鳴等[15]用校正系數(shù)法預(yù)測(cè)葉面積，與實(shí)際誤差較大，黑田俊朗回歸分析花魔芋小葉面積，基部小葉和頂端小葉回歸系數(shù)分別為0.617和0.537，用花魔芋、白魔芋和“鄂魔芋1號(hào)”(花魔芋×白魔芋雜交選育的品種)[16]小葉長(zhǎng)×寬回歸分析，發(fā)現(xiàn)不同品種和單株其回歸系數(shù)不同.由此可見(jiàn)，很難用統(tǒng)一模型精確的估算魔芋葉面積，因此，建立魔芋葉面積快速、無(wú)損和精確測(cè)量方法，對(duì)于深入研究與葉面積相關(guān)的生理功能、群體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)演變和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)意義重大.

1 材料與方法

1.1魔芋

花魔芋(Amorphophalluskonjac)，白魔芋(Amorphophallusalbus)以及二者雜交后代“鄂魔芋1號(hào)”(A.konjac×A.albuscv.‘Emoyu 1 hao’)，種植于恩施州農(nóng)業(yè)科學(xué)院高新示范園30目防蟲(chóng)網(wǎng)室(Alt.=490 m)，70%遮陰，常規(guī)管理.

1.2主要儀器設(shè)備

Cannon Image CLASS MF4010B掃描打印一體機(jī)，E1200點(diǎn)易拍(1 000萬(wàn)像素)，Oppo7 plus手機(jī)相機(jī)(1 200萬(wàn)像素)，Epson stylus Photo R330噴墨打印機(jī)，Smart Sensor As813光照計(jì)，LS160II萊塞激光數(shù)顯傾斜角度測(cè)定儀，厚度3 mm有機(jī)玻璃板.

1.3標(biāo)準(zhǔn)面積樣品制作

用CorDraw軟件，以px為單位繪制圓形(R=400 px)、橢圓形(R1=566 px，R2=283 px)、長(zhǎng)方形(L=502 px，W=251 px)、正方形(SL=355 px)，線條寬度0.5 mm，圖形等距離居中排列，根據(jù)統(tǒng)計(jì)3種魔芋小葉長(zhǎng)寬比值位于1.7～3.0之間(每個(gè)種n=30)，因此長(zhǎng)方形和橢圓的長(zhǎng)軸與短軸比值為2.為便于測(cè)定旋轉(zhuǎn)角度，中間用垂直的十字架標(biāo)記.用A4紙張，8位灰度300 dpi、JPG格式導(dǎo)出，將圖形導(dǎo)入Image Pro-Plus 6.0(IPP6.0)軟件，測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)圖形面積.再將圖片導(dǎo)入A4 Word文檔，保持圖形大小一致，用Epson噴墨打印機(jī)高質(zhì)量打印，沿圖形距邊界約 2 mm剪下，然后用300 dpi100%比例灰度掃描，導(dǎo)入IPP軟件計(jì)算面積，換算成cm2，以掃描儀正中、上、下、左、右5個(gè)位點(diǎn)的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)樣品的面積.

1.4小葉面積測(cè)定

將已知面積的標(biāo)準(zhǔn)圖放置魔芋小葉中央，以色差較大的白色作為背景，以有機(jī)玻璃壓平，用點(diǎn)易拍3 724×2 806分辨率灰度模式拍照，將圖片導(dǎo)入IPP6.0軟件，選取測(cè)定部位自動(dòng)測(cè)定像素值，面積A葉片(cm2)=Pixels葉片/Pixels標(biāo)樣×A標(biāo)樣.以300 dpi掃描獲得的面積作為實(shí)際面積.

2 結(jié)果與分析

2.1幾種測(cè)定方法的比較

選取5片魔芋小葉(鄂魔芋1號(hào))，采用傳統(tǒng)復(fù)印剪紙稱(chēng)重法、描輪廓法、掃描法和拍照法進(jìn)行測(cè)定，如表1所示.拍照法與掃描法十分接近，相對(duì)誤差僅為0.2%，而復(fù)印稱(chēng)重法與其他3種方法差異達(dá)到極顯著水平，復(fù)印稱(chēng)重法獲得結(jié)果偏高，這與復(fù)印后增加了油墨質(zhì)量以及吸潮有關(guān)，改進(jìn)后直接描輪廓稱(chēng)重法與實(shí)際值接近，與前人結(jié)果相似[4-5].由此可見(jiàn)，拍照法是精確測(cè)定魔芋葉面有效方法.

2.2圖像處理法測(cè)定魔芋小葉面積的影響因素

用已知面積的圖形為標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表2)測(cè)定小葉面積，四種標(biāo)樣差異不顯著，相對(duì)誤差不超過(guò)0.30%，都可以用作測(cè)定標(biāo)尺，但橢圓和長(zhǎng)方形相對(duì)誤差更小(見(jiàn)表3).橢圓與葉片形狀相似，因此用相對(duì)較大橢圓作為標(biāo)樣測(cè)定葉面積時(shí)易于將其限定于葉緣之內(nèi).

表1 幾種測(cè)量葉面積方法比較

注:大寫(xiě)字母表示達(dá)到極顯著差異水平(Plt;0.001).

表2 掃描法測(cè)定的標(biāo)樣面積*

注：*：300dpi掃描，Area=像素/(300dpi×300dpi)×2.54×2.54；**：葉片為“鄂魔芋1號(hào)”小葉(下同).

表3 不同標(biāo)樣測(cè)定的魔芋葉片面積

圖1 光線強(qiáng)度對(duì)魔芋葉片像素和面積的影響(自動(dòng)曝光)Fig.1 Effect of light intensity on pixels and area of leaflet (automatic exposure)

光照強(qiáng)度300Lux，auto表示自動(dòng)曝光，hand表示手動(dòng)曝光圖2 曝光值對(duì)魔芋葉片像素和面積的影響Fig.2 Effect of exposure value on pixels and area of leaflet

圖3 旋轉(zhuǎn)角度對(duì)魔芋葉片像素和面積的影響(自動(dòng)曝光，下同)Fig.3 Effect of rotation angle on pixels and area of leaflet (automatic exposure,the same as below)

圖4 位置對(duì)魔芋葉片像素和面積的影響Fig.4 Effect of location on pixels and area of leaflet

圖5 傾斜角度對(duì)魔芋葉片像素和面積的影響(自動(dòng)曝光)Fig.5 Effect of angle of inclination on pixels and area of leaflet

以橢圓作為標(biāo)尺，長(zhǎng)軸與短軸同葉片平行，用點(diǎn)易拍拍照，研究了光照、曝光值、位置、旋轉(zhuǎn)角度、傾斜角度、拍攝距離以及分別率對(duì)葉片像素和面積的影響，室內(nèi)環(huán)境自動(dòng)曝光或用可調(diào)劑光強(qiáng)的日光燈進(jìn)行補(bǔ)光，3次重復(fù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1～7.曝光度和光照強(qiáng)度主要影響圖像的明暗程度，拍攝時(shí)圖片較暗，邊界相對(duì)模糊，其像素值偏高，光照強(qiáng)度低于200 Lux和曝光值低于-5或高于-2時(shí)，圖片效果較差，輸入IPP軟件不能自動(dòng)識(shí)別；勾選自動(dòng)曝光后，光照強(qiáng)度對(duì)像素的影響不大；與之相反，隨光照強(qiáng)度和曝光值增加，面積有增加的趨勢(shì)，這可能與受光不均勻有關(guān)，但相對(duì)誤差小于0.37%，勾選自動(dòng)曝光后，面積相對(duì)誤差不超過(guò)0.2%.旋轉(zhuǎn)角度對(duì)像素和面積影響一致，垂直方向較大，面積的相對(duì)誤差不超過(guò)0.18%，不同位置像素和面積也有變化，面積相對(duì)誤差不超過(guò)0.16%，可能與橫向和垂直的分辨率以及鏡頭角度等機(jī)械誤差有關(guān)，掃描時(shí)位置也有同樣影響.像素與底板的傾斜角度呈正向線性關(guān)系，與鏡頭距離呈負(fù)相關(guān)，傾斜角度超過(guò)5°時(shí)，面積有增加趨勢(shì)，相對(duì)誤差不超過(guò)0.37%；距離超過(guò)25 cm后，面積趨于穩(wěn)定，相對(duì)誤差不超過(guò)0.15%，而距離為13 cm時(shí)，相對(duì)誤差為0.53%.分別率越大，像素越高，低于80萬(wàn)像素時(shí)，邊界出現(xiàn)斷點(diǎn)，放大后圖像不夠清楚，80～1 000萬(wàn)像素，面積相對(duì)誤差不超過(guò)0.21%，但存儲(chǔ)空間隨像素增加而增大.

圖6 拍攝距離對(duì)魔芋葉片像素和面積的影響Fig.6 Effect of distance on pixels and area of leaflet

圖7 拍攝分辨率對(duì)魔芋葉片像素和面積的影響(自動(dòng)曝光)Fig.7 Effect of camear resolution on pixels and area of leaflet

研究過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，利用IPP軟件測(cè)定，以線性標(biāo)尺參照，標(biāo)尺的位置、放置方向、圖像分辨率、圖像的明暗程度等對(duì)標(biāo)定影響較大，同時(shí)增加人為判定所導(dǎo)致的誤差.以分界清晰，顏色差異明顯的平面圖形作為參照和底色，通過(guò)自動(dòng)勾選邊界，消除光照強(qiáng)度、曝光度、位置、分辨率和變焦等影響，為非破壞性活體精確測(cè)定魔芋葉面積奠定了基礎(chǔ).

2.3非破壞性測(cè)量魔芋葉面積

以普通相機(jī)(Oppo 7 plus，1 200萬(wàn)像素)，用白色泡沫板為底色，橢圓標(biāo)尺粘在3 mm有機(jī)玻璃上，標(biāo)尺長(zhǎng)軸與主葉脈平行，位于葉片近中點(diǎn)，壓平，采用不同焦距近似垂直拍照3次，測(cè)定3種魔芋頂端小葉面積，以300 dpi掃描測(cè)定作為實(shí)際面積，結(jié)果見(jiàn)表4.該方法測(cè)定的不同長(zhǎng)寬比小葉面積的精度高，且焦距影響小，相對(duì)誤差不到1.0%，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，葉形指數(shù)(葉片的長(zhǎng)寬比)[3]對(duì)精度影響較大，越接近標(biāo)尺比例，相對(duì)誤差越小，因此，測(cè)定過(guò)程中還可以根據(jù)葉片實(shí)際情況調(diào)整橢圓標(biāo)尺的大小和長(zhǎng)寬比例.隨機(jī)活體測(cè)定3種魔芋各5片小葉，相對(duì)誤差為0.04%～0.50%(見(jiàn)表5).由此可見(jiàn)，該方法重復(fù)性好，精度高.

表4 橢圓標(biāo)樣活體測(cè)定3種魔芋頂端小葉面積

表5 橢圓標(biāo)樣活體拍照隨機(jī)測(cè)定不同魔芋5片小葉面積

3 結(jié)論與討論

圖8 鄂魔芋1號(hào)2個(gè)單株小葉面積線性回歸分析(n=30)Fig.8 Correlation between leaflet area and width×length in 2 separate plant of cv.‘Emoyu 1 hao’(n=30)

魔芋是我國(guó)西南高海拔和高原山區(qū)特色作物，光飽和點(diǎn)、補(bǔ)償點(diǎn)和凈光合速率低，屬典型半蔭生作物(semi-shading crop)[13,17-21].因此，增加葉面積和比葉面積系數(shù)、提高光合效率和延長(zhǎng)光合時(shí)間是栽培措施改善庫(kù)源關(guān)系、發(fā)揮增產(chǎn)潛力的主攻方向[17-21].魔芋葉片大小、小葉數(shù)量受光照條件、種芋大小和年齡影響大，不同種屬、品種及個(gè)體葉形指數(shù)(長(zhǎng)/寬)也有差異，回歸系數(shù)不同(見(jiàn)圖8、圖9)，不同部位小葉回歸系數(shù)也不一致，矯正系數(shù)法測(cè)定的相對(duì)誤差達(dá)到10%以上，因此很難用統(tǒng)一的模型進(jìn)行預(yù)測(cè)[14-15].數(shù)字圖像處理法測(cè)定精度高，但受采集條件光照強(qiáng)度和受光均勻、曝光值、拍攝角度焦距遠(yuǎn)近以及圖像變形程度等影響.

圖9 花魔芋(左)和白魔芋(右)小葉面積回歸分析(n=30，單株)Fig.9 Correlation between leaflet area and product of width and length in 2 separate plants of A.konjac(left) and A.albus(right)(n=30)

以葉面積性狀指數(shù)近的已知面積的橢圓作為參照，色彩差異較大的底色，普通相機(jī)采集圖像，利用經(jīng)典的生物學(xué)分析軟件Image Pro-Plus處理，可以消除圖像變形、光線不均、明暗度、距離、角度以及相機(jī)長(zhǎng)寬分辨率差異等影響，精確測(cè)量魔芋小葉面積，活體測(cè)量相對(duì)誤差低于1.0%，本結(jié)果為研究魔芋葉面積動(dòng)態(tài)變化、光合生理和栽培調(diào)控奠定了基礎(chǔ).在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，橢圓的面積可根據(jù)葉片大小進(jìn)行調(diào)整，中心十字架還可以作為精確測(cè)量葉形指數(shù)的標(biāo)尺.

魔芋葉片(leaf blade)屬大型復(fù)葉，由5至幾百片小葉(leaflet)組成，可以通過(guò)測(cè)定所有小葉的面積求和獲得整個(gè)葉片的面積，但工作量較大，且基部葉片著生點(diǎn)葉眿粗壯，不易壓平，因此，多點(diǎn)參照或以測(cè)定少量葉片后以此為參照獲得整株葉面積信息是下一步研究的方向.

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責(zé)任編輯：高山

PreciseandNon-destructiveMeasurementofKonjac(AmorphophallusBlume)LeafletAreaBasedonImageProcessingMethod

ZHAO Qinghua,YANG Chaozhu*，LIU Erxi,QIN Yu,PAN Yani

(1.Academy of Agricultural Sciences of Enshi Autonomous Prefecture,Enshi 445000,China; 2.Engineering Technology Center of Konjac Seed amp; Seedlings of Hubei Province,Enshi 445000,China; 3.Comprehensive Experimental Station of Western Hubei Province,Agricultural Science amp; Technology Innovation Center,Enshi 445000,China)

Konjac(Amorphophallusblume)is a semi-shading plant with single compound leaf blade on the ground.Precise and non-destructive measurement of Konjac(AmorphophallusBlume)leaflet area is a prerequisite to study its physiological function,improve the population structure in artificial cultivation and increase the output.In this paper,taking the eclipse similar to the leaf index as the standard,conducting in vitro and in vivo collection of the image and using Image Pro-Plus 6.0 for analysis,we studied the effects of light,exposure value,rotation angle,angle of inclination,camera resolution,shooting distance and position on precise measurement of Konjac leaflet area.The results indicated that using elliptical area as standard could eliminate the errors caused by the image distortion,and the light intensity should be no less than 200k Lux,the angle of inclination is between 0～8°,the resolution is no less than 800,000 pixels,the relative error of in vitro measure is less than 0.60% and the relative error of non-destructive in vivo measure is less than 1.00%.As a simple,precise and non-destructive method,it is easy to dynamically monitor the parameters of theAmorphophallusblumeleaflet area.

Konjac(Amorphophallusblume);leaflet area;non-destructive measurement;leaf index;image processing

2017-08-25.

湖北省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新中心項(xiàng)目(2016-620-000-001-062)；2017年湖北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)特色產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)性立項(xiàng)項(xiàng)目(鄂農(nóng)計(jì)發(fā)【2017】1號(hào))；湖北省鄂西民族專(zhuān)項(xiàng)(2016AKB048).

趙青華(1978-)，女，高級(jí)農(nóng)藝師，主要從事魔芋品種遺傳改良的研究；*

：楊朝柱(1972-)，男，博士，正高職高級(jí)農(nóng)藝師，主要從事魔芋品種選育與技術(shù)推廣的研究.

1008-8423(2017)04-0361-05

10.13501/j.cnki.42-1569/n.2017.12.001

S632.3

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