利用数码相机测定果树叶面积的新方法

 

1　目的、材料与方法

常用的叶面积测定方法中, 由浙江托普公司生产YMJ-C叶面积扫描仪或者YMJ-B 叶面积测量仪, 操作简单, 可快速测定叶面积, 但仪器本身价格高,限制了其推广应用。光电面积仪法快速准确, 但叶片需离体测量; 机械面积仪法和方格坐标纸法精度高, 但费时烦琐;长宽乘积系数法和长宽乘积回归法测量迅速, 计算简便, 属非破坏性测定方法, 但由于其系数或回归方程是针对某一树种或品种而建立的,适用范围较小。

作者从果树叶形着手,曾建立了一种适用于苹果、梨、桃、杏、李、枣、柿、核桃、石榴等大多数果树的叶面积测算方法———辛普松公式法,该方法根据叶片*大长度和各等分点处的宽度确定叶面积, 可进行非破坏性测定, 缺点是只适用于叶缘为规则曲线的叶片,对于葡萄、银杏等叶片形状不规则的果树不适用。杨劲峰等利用近年来大量普及的计算机和图像处理技术建立了一种测算叶面积的方法———数字图像法,该方法以扫描仪获得植物叶片数字图像, 以Photoshop 软件统计像素,利用图像菜单中的直方图得到叶片的像素数,再乘以单个像素的面积得出叶片的面积,但其论文中没有具体提出如何确定单位像素所代表的实际面积。李宝光等在其基础上提出可通过扫描仪框面积和像素数来确定单位像素面积。数字图像法**值测定准确、具有传统方法无法相比的优点,但由于它需要较多的时间, 并不适合大量的叶面积测量工作; 还存在叶片需要离体测量、破坏植物等缺陷。

针对上述方法的缺点, 本文提出一种利用已大量普及的数码相机(或数码摄像机)、计算机和图像处理技术的新方法———数码相机拍照法, 其显著特点是可用于葡萄、银杏等在内的各种果树叶面积测算,可测量田间树上叶片而不破坏植株。

1.1　方法原理

将待测叶片和带刻度的直尺靠近放在一张白纸上, 利用数码相机(或数码摄像机)拍照获取叶片和直尺的图像。将获取的图像导入计算机, 利用Photoshop 610软件对图像进行处理,得到叶片的像素数和每平方厘米面积的像素数, 通过计算得出叶片的面积。其中,将叶片和刻度直尺拍摄入同一图像中以获取每平方厘米面积的像素数是本文**提出, 也是本方法的技术关键。

1.2　方法步骤

选取待测果树叶片, 将待测叶片和一把刻度直尺靠近放在一张背景白纸上, 利用数码相机(或数码摄像机)拍照获取叶片和刻度直尺的图像(图1) 。注意照相时尽量使镜头与叶片平面垂直、使刻度直尺与数码相机的取景框平行;田间测量时由两人配合完成, 用硬白纸板作背景, 一人负责用透明刻度直尺将叶片压在硬白纸板上, 另一人负责拍照。获取的图像导入计算机,可采用BMP格式存储叶片图像。由于不同存储格式对像素个数没有影响,也可采用JPG格式存储图像以节省存储空间和叶片图像处理时间。打开Photoshop 610软件进行叶片图像处理。首先,在Photoshop 610软件中打开叶片图像, 选择‘窗口’菜单下的‘显示信息’选项和‘视图’菜单下的‘显示标尺’选项,此时刻度直尺一般与软件中的标尺是平行的。如果不平行, 可利用‘图像’菜单下的‘旋转画布’选项进行‘任意角度’调整, 使之平行。然后,选取‘矩形选框工具’, 画出一个在刻度直尺上宽度为8 cm的矩形(即宽度略大于叶片宽且其值为整数的矩形) ,记下显示在右边‘信息’栏显示的宽度值W和高度值H。图1显示测量的这个矩形W为11139、H为12114,说明软件标尺上的11139相当于实际的8 cm。

通过计算可知, 高度H值12114相当于实际的815268 cm, 12114 /11139 ×8 =815268。利用‘图像’菜单下的‘直方图’选项, 得到这个宽度值W为11139 (即8 cm) 、高度值H为12114(即815268cm) 的矩形像素数为111 112。选取‘魔棒工具’, 利用‘魔棒工具’选定叶片周边轮廓,再利用‘图像’菜单下的‘直方图’选项, 可得到这个叶片的像素数54 269 (图2) 。计算可得每平方厘米面积的像素数为: 111112 / (8 ×815268) = 1 629; 实际叶面积为: 54 269 /1 629 = 33131 ( cm2 )。

需注意的是, 本例中刻度直尺与软件标尺的换算关系是8∶11139, 对于不同的叶片其换算关系是不同的,每一个叶片都要单独测定。测量确定换算关系时, 选取较大的刻度直尺值有助于减少测量误差的影响,因此宜在刻度直尺上选取较大的值(如8、10 cm等) 来确定换算关系。

1.3　方法应用试验

以红富士苹果树的5个生长枝中部叶片为试材, 每枝各取3个苹果叶片, 首先在网格为1 mm ×1mm的坐标纸上描图测出每个叶片的实际叶面积, 然后利用新方法获得其测算叶面积; 葡萄试验则以巨峰品种的叶片为试材,自5个生长枝中上部各取3个葡萄叶片, 首先在坐标纸上描图测出每个叶片的实际叶面积, 然后利用新方法获得其测算叶面积。另外,取1个红富士苹果叶片和1个巨峰葡萄叶片各进行10次测量以检验方法的重现性。对试验结果用EPS298软件进行统计分析。

2　结果与分析

由表1可看出, 新方法测算苹果叶面积的误差仅为0.57%～0.80%, 测算葡萄叶面积的误差仅为1.05%～1.43% ,说明用新方法可相当准确地测算果树叶面积。试验结果还表明, 新方法测算苹果和葡萄叶面积的变异系数仅分别为0.22%和0.23% ,说明新方法的重现性非常好。由于新方法的测算准确度高、重现性好, 在采用简便的叶片长宽乘积系数法测量活体叶面积时,可考虑采用新方法来建立相关校正系数。本文提出的数码相机拍照法充分利用已大量普及的数码相机(或数码摄像机) ,可直接进行树上叶片的非破坏性测定, 面积计算建立在计算机图像处理技术基础上,具有严密的科学性。它具有测量简便迅速、可批量测量以及测算精度高等优点, 几乎可以适用于所有叶片,不受叶片形状、大小、厚薄等因素的影响, 当然也可用于叶片形状不规则的葡萄、银杏等果树的叶面积测量。由于其测量过程和计算过程分开,可大大减轻田间工作量, 特别适合于批量测量和批量计算处理, 也特别适合人们利用随身携带的数码相机(或数码摄像机)随时进行叶片测量。在数码相机、数码摄像机和计算机日益普及的今天, 这一方法具有良好的应用前景
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