熱娜古麗·熱西提 劉生智 劉同金 陳炳舟 王家碩

摘 要：葉片不僅是植物進(jìn)行光合作用的重要器官，也是生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)者的主要能量轉(zhuǎn)換器，葉片的自身性質(zhì)直接影響著植物的基本行為與重要功能。測(cè)量植物葉片的面積，能夠有效地反映植物對(duì)外部因素的適應(yīng)程度，如植物對(duì)地理分布、營(yíng)養(yǎng)成分等方面的適應(yīng)程度。同時(shí)，植物葉片表面的各項(xiàng)指標(biāo)也是影響植物生長(zhǎng)、果實(shí)良好發(fā)育的生理指標(biāo)，指標(biāo)的高度決定著植株發(fā)展的趨勢(shì)與質(zhì)量。因此，葉片表面積的測(cè)量對(duì)于植物的指標(biāo)檢測(cè)有著重要的意義。該文重點(diǎn)闡述了目前條件下植物葉面積的測(cè)量方法以及數(shù)字圖像處理技術(shù)測(cè)量植物葉面積方面的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：植物葉片面積;測(cè)量方法;生理指標(biāo)

中圖分類號(hào) S184 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2020）05-0022-02

Survey of Plant Leaf Area Measurement Methods

Renaguli·Rexiti et al.

（College of Information Engineering， Tarim University， Alar 843300， China）

Abstract： Plant leaves are an important organ for photosynthesis and a major energy converter for producers in the ecosystem. The nature of the leaves will directly affect the basic behavior and important functions of the plant. The area measurement of plant leaves can effectively reflect the adaptation degree of plants to external factors， such as the adaptation of plants to geographical distribution and nutritional components. At the same time， various indexes on the surface of plant leaves are also physiological indexes that affect plant growth and good fruit development. The height of the indicator also determines the trend and quality of plant development. Therefore， the measurement of leaf surface area is of great significance for the detection of plant indicators. This article will also focus on the measurement of plant leaf area under current conditions.

Key words： Plant leaf area; Measurement method; Physiological index

植物進(jìn)行光合作用后生成有機(jī)化合物的重要器官是葉片，其也是進(jìn)行蒸騰作用的必要媒介。葉片面積的大小，在一定程度上影響著農(nóng)作物的產(chǎn)量變化。葉片面積的各項(xiàng)指標(biāo)也能夠衡量植物的生長(zhǎng)情況[1]。因此，建立一種方便、快捷的葉片測(cè)量方法，并且對(duì)其準(zhǔn)確的測(cè)量，有助于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的栽培技術(shù)改造。

1 常用的葉片面積測(cè)量方法

1.1 方格法 收集被測(cè)葉片，準(zhǔn)備好一張坐標(biāo)紙，被測(cè)葉片被平放在坐標(biāo)紙上，并把被測(cè)葉片的整體輪廓用鉛筆畫(huà)出來(lái)。畫(huà)好之后，在坐標(biāo)紙上查出格子的數(shù)量。如果遇到不滿1個(gè)格子的情況，則根據(jù)所占的比例按照1/2或者1/4計(jì)數(shù)[2]。計(jì)算出單位格子的面積再乘以格子的總數(shù)，最終得到整個(gè)葉片的面積。此方法的成本相對(duì)較低，實(shí)施過(guò)程也比較簡(jiǎn)單。但由于工作量太大且人為誤差不可避免，因而不會(huì)頻繁出現(xiàn)在具體應(yīng)用過(guò)程中。

1.2 稱紙重法 將收集好的葉片復(fù)印成圖片或者按照葉片的形狀畫(huà)在一張紙上，然后利用剪刀將其剪切下來(lái)，稱量紙張的重量[3]。把紙張的實(shí)際重量除以單位面積紙張的實(shí)際重量，計(jì)算結(jié)果為被測(cè)葉片面積。此方法測(cè)得的結(jié)果相對(duì)較準(zhǔn)確，但操作過(guò)程十分繁瑣，人為因素仍然存在其中。

1.3 打孔稱重法 先稱量葉片的總質(zhì)量，然后利用打孔器在葉片的表面上均勻的打出幾個(gè)具有已知面積的小孔。這些孔的葉片質(zhì)量與孔的面積之比作為單位葉面積重量。也就是說(shuō)，葉片面積也就是葉片質(zhì)量除以單位葉面積的質(zhì)量[4]。但打孔會(huì)破壞葉片，測(cè)量結(jié)果也會(huì)隨著打孔位置的變化而變化。一旦葉片周圍含有豐富的水分，在擱置一段時(shí)間后，其稱重的質(zhì)量也會(huì)出現(xiàn)一定的誤差。并且對(duì)于孔質(zhì)量的稱重設(shè)備的精密度有也著很高的要求。

1.4 回歸方程法 測(cè)定一定數(shù)量的同種葉片的各種參數(shù)時(shí)，利用目前已知的葉片面積大小、葉片的長(zhǎng)寬等數(shù)據(jù)來(lái)擬合某一類葉片的回歸系數(shù)[5]，再利用葉片的其他數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算葉片的面積。此方法的前提條件是必須用其他方法能夠確定葉片的回歸系數(shù)。在這個(gè)基礎(chǔ)之上才可以完成測(cè)量結(jié)果的輸出。優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)對(duì)葉片的生長(zhǎng)造成影響，全過(guò)程都是非破壞性的測(cè)量技術(shù)[5];缺點(diǎn)是只能對(duì)某一種類型的葉面積進(jìn)行分析測(cè)量，如果遇到相對(duì)不規(guī)則的葉片，此方法會(huì)帶來(lái)較大的測(cè)量誤差。

1.5 數(shù)字圖像處理技術(shù) 數(shù)字圖像處理法提出利用數(shù)碼相機(jī)來(lái)快速獲取葉片的真實(shí)圖像，多個(gè)像素點(diǎn)構(gòu)成真實(shí)圖像。如果已知每一個(gè)像素的實(shí)際面積以及被測(cè)葉片的像素?cái)?shù)，那么就能直接求出葉片的面積[6]。也就是說(shuō)，利用已知參照物的實(shí)際面積來(lái)進(jìn)行被測(cè)葉片面積的計(jì)算，即圖片中葉片的像素?cái)?shù)乘以代表參照物的實(shí)際面積的結(jié)果，再次除以圖像參照物的像素?cái)?shù)，就得到了被測(cè)葉片的實(shí)際面積[7]。隨著電子設(shè)備的逐漸興起，基于數(shù)字圖像的處理方式也受到了研究學(xué)者的廣泛關(guān)注[8]。此方法不僅沒(méi)有給葉片自身的生長(zhǎng)帶來(lái)影響，還保證了測(cè)量的準(zhǔn)確度。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究分析，也驗(yàn)證了該方法的可行性，對(duì)未來(lái)的發(fā)展具有重要的意義。

2 數(shù)字圖像處理技術(shù)測(cè)量植物葉片面積的研究進(jìn)展

由于具有信息采集速度快、信息采集量大且無(wú)需接觸的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，數(shù)字圖像處理技術(shù)作為重要的技術(shù)手段，被廣泛地應(yīng)用于諸如人群行為分析、動(dòng)物行為分析應(yīng)用領(lǐng)域[9]。因此，許多研究學(xué)者基于數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)葉片面積求取進(jìn)行了深入的研究，從參照物的選擇到邊緣精準(zhǔn)度的提取，從透視畸變?cè)俚奖銛y性的問(wèn)題探討[10]。一系列研究都在為數(shù)字圖像處理技術(shù)提供更加完善的操作建議。

2.1 傾斜矯正的方法 在測(cè)量葉片面積的過(guò)程中，很難保證主光軸完全垂直于葉面，各種角度問(wèn)題都會(huì)帶來(lái)畸變[11]。對(duì)此，有研究學(xué)者提出使用矩形框來(lái)矯正。在拍攝過(guò)程中，背景處放置1個(gè)已知面積的矩形框，以矩形面積作為參照，利用圖像中的矩形頂點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)進(jìn)行幾何校正，避免了角度問(wèn)題影響的透視畸變。

2.2 測(cè)量效率的提升 為了實(shí)現(xiàn)1次測(cè)量多片葉片的面積，利用掃描的方法進(jìn)行反復(fù)檢測(cè)。現(xiàn)今階段，智能手機(jī)廣泛應(yīng)用，手機(jī)攝像頭的分辨率也在逐漸提升[12]。因此，利用手機(jī)的硬件配置就能夠得到最佳的測(cè)量結(jié)果，此方式也十分便捷。

2.3 不完整葉片面積的測(cè)量 農(nóng)作物在種植過(guò)程中會(huì)有一定程度的蟲(chóng)害發(fā)生，有研究學(xué)者基于葉片模版結(jié)構(gòu)來(lái)自從匹配葉片被損害的面積[13]。具體方式是提取葉片周圍的近似輪廓，將其分為若干個(gè)小輪廓。按照形狀的結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行完整葉片與蟲(chóng)損葉片間的自行匹配，在對(duì)照過(guò)程中計(jì)算蟲(chóng)損的面積。

3 小結(jié)與展望

本文比較了多種葉片面積測(cè)量方法，指出了方格法、稱紙重法與打孔稱重法雖然使用的設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，但人力成本需求較大[14]。在測(cè)量過(guò)程中，一旦發(fā)生人工測(cè)量誤差，測(cè)得的面積精度會(huì)隨之下降，并且這3種方法都屬于破壞性測(cè)量。回歸方程法能夠做到非破壞性測(cè)量，但具體實(shí)施過(guò)程中存在一些困難，且不具有通用性。而數(shù)字圖像處理技術(shù)能夠大范圍的應(yīng)用在所有種類的葉片中，不但可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損測(cè)量，還能夠避免葉片大小、形狀以及厚度的影響。數(shù)據(jù)的處理過(guò)程由計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成，從而減少了操作人員的工作強(qiáng)度。數(shù)字圖像處理技術(shù)由于具有精密度高、操作方便快捷等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的關(guān)注，對(duì)植物葉片的生長(zhǎng)分析也起著積極作用。相信未來(lái)隨著科技的不斷進(jìn)步，數(shù)字圖像處理技術(shù)必將在林業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到更加廣闊的應(yīng)用。

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（責(zé)編：張宏民）