宋英博 郭偉 張洪權(quán) 孟凡祥 王囡囡 李于

摘要：為了解決野外對(duì)玉米群體葉面積大批量的測(cè)量，本研究采用RGB三原色分離方法，利用圖像像素比值和參考物法測(cè)量玉米葉面積。結(jié)果顯示：圖像處理法與C1202葉面積儀法測(cè)定葉面積的相關(guān)系數(shù)為0.9479，圖像處理法與剪紙法比較相關(guān)系數(shù)R2²為0.9382，圖像處理法與LI-3100臺(tái)式葉面積儀R²分別為0.8561，結(jié)果證明圖像處理法與其他3種方法測(cè)量結(jié)果相關(guān)性較高。

關(guān)鍵詞：葉面積；玉米；圖像處理

中圖分類號(hào)：S158.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 論文編號(hào)：cias15010038

0 引言

玉米葉面積對(duì)指導(dǎo)作物合理密植、群體結(jié)構(gòu)調(diào)整、變量施肥和精確噴灌以獲得高產(chǎn)具有重要意義，使用葉面積儀測(cè)量葉面積是目前國(guó)際公認(rèn)的測(cè)量方法。馮冬霞等認(rèn)為葉面積儀測(cè)量葉面積，速度快，精度高，省時(shí)省力。陳斌等認(rèn)為傳統(tǒng)葉片面積檢測(cè)方法過(guò)程復(fù)雜，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，葉面積儀法更快更準(zhǔn)。王二虎等認(rèn)為葉面積儀測(cè)量的葉面積數(shù)據(jù)重復(fù)性更好，測(cè)定結(jié)果更為穩(wěn)定，測(cè)量精確度和準(zhǔn)確度更高。葉面積測(cè)定儀大多為進(jìn)口儀器，價(jià)格昂貴，且不適于葉片過(guò)長(zhǎng)大批量的玉米葉面積測(cè)量；特別是線狀的光電掃描葉面積儀，光電管易老化，線狀光源設(shè)備經(jīng)不起碰撞，且損壞難以維修（如LI-3100臺(tái)式葉面積儀）。對(duì)于手持式儀器，掃描速度和人為因素更會(huì)明顯地影響測(cè)量結(jié)果（如美國(guó)CID公司生產(chǎn)的手持式葉面積CI202）。但或多或少都有一定的缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的不斷改進(jìn)，使利用圖像處理的方法測(cè)定葉面積成為可能。只需另加一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)及筆者開(kāi)發(fā)的葉面積測(cè)量軟件即可?？纱笈繙y(cè)量植物葉面積，在測(cè)試過(guò)程中是一種較便捷的方法，以此為出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)用圖像處理技術(shù)解決在實(shí)際工作中，需要大批量、簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確、無(wú)需交流電源的葉面積測(cè)量方法。應(yīng)用于高產(chǎn)試驗(yàn)與密度試驗(yàn)。本方法具有較強(qiáng)的科研實(shí)用性，不受葉片形狀、大小、厚度等因素的影響，對(duì)不規(guī)則葉片也能準(zhǔn)確測(cè)量，且相對(duì)于葉面積儀在價(jià)格上有很大優(yōu)勢(shì)。是對(duì)現(xiàn)有各種葉面積儀測(cè)量葉面積的有益補(bǔ)充，而不是取代。特點(diǎn)在于對(duì)室外的大的群體大批量葉面積的快速測(cè)量，并且造價(jià)低廉，維修方便，便于攜帶。

1 材料與方法

1.1 硬件環(huán)境

SONY T200數(shù)碼相機(jī)810萬(wàn)像素。PC電腦一臺(tái)（CPU英特爾酷睿四核4460S）。 1.2 軟件環(huán)境

Windows XP操作系統(tǒng)。

1.3 開(kāi)發(fā)工具

編程語(yǔ)言Visual Basic 6.0。

1.4 基本原理

采用計(jì)算視覺(jué)技術(shù)，通過(guò)數(shù)碼圖像進(jìn)行分析，由于數(shù)字圖像由獨(dú)立像素點(diǎn)組成，通過(guò)已知面積的像素個(gè)數(shù)與待測(cè)面積的像素個(gè)數(shù)比值，計(jì)算圖像中葉片面積。根據(jù)RGB三原色分離方法，提出一種快速、準(zhǔn)確測(cè)定葉面積的方法。在圖像處理中采用的是RGB彩色系統(tǒng)，且具有對(duì)光源變化不敏感、不同顏色易于區(qū)分的特點(diǎn)。RGB色彩模式使用RGB模型，為圖像中每一個(gè)像素的RGB分量分配一個(gè)0～255范圍內(nèi)的強(qiáng)度值。純紅色R值為255，G值為0，B值為0；灰色的R、G、B三個(gè)值相等（除了0和255）；白色的R、G、B都為255；黑色的R、G、B都為0。利用VB語(yǔ)言根據(jù)本研究提出的算法編制顏色診斷系統(tǒng)軟件，該軟件的主要功能是進(jìn)行圖像處理，將不同顏色的像素分類計(jì)數(shù)，最終根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)參照物折算葉面積。

1.5 軟件開(kāi)發(fā)

本軟件由圖像輸入、圖像處理和圖像輸出組成，其核心是開(kāi)發(fā)獨(dú)立的圖像處理軟件（圖1）。程序由VB語(yǔ)言編寫，便于更新和維護(hù)，還具有很強(qiáng)可視化操作界面。進(jìn)入主界面需輸入背景板與葉片RGB分割值a，葉片與黑色標(biāo)準(zhǔn)版RGB分割值b。當(dāng)鼠標(biāo)放到背景板上時(shí)，左下方會(huì)顯示該點(diǎn)的RGB值，將該像素點(diǎn)RGB3種顏色分量相加求和為c。當(dāng)鼠標(biāo)放到葉片時(shí)，左下方會(huì)顯示該點(diǎn)的RGB值，將該像素點(diǎn)RGB 3種顏色分量相加求和為d。當(dāng)鼠標(biāo)放到黑色標(biāo)準(zhǔn)版上時(shí)，左下方會(huì)顯示該點(diǎn)的RGB值，將該像素點(diǎn)RGB 3種顏色分量相加求和為e。

系統(tǒng)各參數(shù)計(jì)算如公式（1）。

a=（c+d）/2，6=（e+d）/2…………………………（1）

1.6 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

玉米品種選擇‘綏玉7號(hào)，在抽絲期選擇小區(qū)內(nèi)植株15株，通過(guò)以下4種方法測(cè)量15株玉米全部葉面積。葉面積儀器法是采用美國(guó)CID公司生產(chǎn)的手持式葉面積（CI202）和大型室內(nèi)葉面積（LI-3100臺(tái)式葉面積儀），傳統(tǒng)方法采用剪紙法，新方法采用圖像處理法。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)字圖像處理方法與常用方法比較

2.1.1 對(duì)已知面積的測(cè)量將準(zhǔn)備好的綠色相紙板和黑色標(biāo)準(zhǔn)版重合，剪切面積與黑色標(biāo)準(zhǔn)版等大，即綠色相紙版40 cm²。綠色相紙作為被測(cè)對(duì)象（如圖2），通過(guò)以上幾種方法分別測(cè)定其面積，每一方法測(cè)定15次，方差分析后各種測(cè)定方法的測(cè)定結(jié)果差異不顯著（P<0.01）。說(shuō)明數(shù)字圖像測(cè)定法適用于葉面積測(cè)定。

2.1.2 實(shí)測(cè)玉米葉面積的比較采用不同方法對(duì)同一組葉片5次重復(fù)測(cè)定的結(jié)果?？梢钥闯?，在相同條件下對(duì)同一葉片進(jìn)行葉面積測(cè)定，數(shù)字圖像處理法與C1202測(cè)定結(jié)果變異系數(shù)較?。ū?），C1202局限于小面積測(cè)量，對(duì)于15株‘綏玉7號(hào)玉米的總面積測(cè)量，用時(shí)較長(zhǎng)效率較低，但較其他3種準(zhǔn)確。剪紙法因受葉片形狀和操作熟練程度等因素影響，測(cè)定結(jié)果變異系數(shù)最大，對(duì)于15株‘綏玉7號(hào)玉米的總面積測(cè)量時(shí)間最長(zhǎng)。LI-3100葉面積儀測(cè)定方法的測(cè)定結(jié)果介于數(shù)字圖像處理法和剪紙法之間，LI-3100臺(tái)式葉面積儀需要交流電源，機(jī)器過(guò)于笨重。通過(guò)以上幾種方法分別測(cè)定15株玉米片的葉面積，采用SPSS軟件對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，圖像處理法與其他3種方法比較更適合大批量、快速、準(zhǔn)確、無(wú)需外部電源的葉面積測(cè)量。

2.2 拍攝分辨率不同對(duì)葉面積測(cè)定的影響

目前大多數(shù)數(shù)碼相機(jī)都有幾檔較低的分辨率可供選擇，不同拍攝分辨率檔位拍攝同一物體，會(huì)對(duì)數(shù)碼圖片上圖像像素個(gè)數(shù)會(huì)產(chǎn)生一定影響。通過(guò)本系統(tǒng)軟件，對(duì)同一葉片不同分辨率下葉面積進(jìn)行測(cè)定。方差分析表明拍攝分辨率越高越接近玉米葉面積真實(shí)值（見(jiàn)表2）。

2.3 拍攝角度不同對(duì)葉面積測(cè)定的影響

相機(jī)拍攝時(shí)，鏡頭光軸與葉片拍攝角度不同，會(huì)引起照片產(chǎn)生透視變形，為了研究這種透視變形對(duì)葉面積測(cè)定的影響，對(duì)同一葉片不同角度，連續(xù)拍攝5張計(jì)算葉面積。結(jié)果表明，不同拍攝角度對(duì)葉面積影響差異不顯著（P<0.01）（表3），說(shuō)明在通常拍攝角度下（30～90°），測(cè)定結(jié)果都是準(zhǔn)確的。

3 結(jié)論與討論

目前葉面積的測(cè)量方法已經(jīng)有很多種，各種測(cè)量葉面積的方法都有其局限性和使用范圍。國(guó)外普遍使用圖像處理法和葉面積儀測(cè)量葉面積，速度快，精度高，省時(shí)省力。圖像處理技術(shù)作為一種新興的測(cè)量技術(shù)，在農(nóng)業(yè)中被廣泛應(yīng)用。與葉面積儀相比，圖像處理法在葉片殘缺不全時(shí)，可以人工將殘缺部分補(bǔ)全，以降低測(cè)量誤差，這樣就大大增加了其應(yīng)用范圍和測(cè)量精度，特別是在測(cè)量不規(guī)則葉片以及殘缺不全的葉片時(shí)較其他方法更具有優(yōu)勢(shì)。葉片受到外界光線影響周圍會(huì)產(chǎn)生陰影，對(duì)圖像的各點(diǎn)顏色像素的分離有很大影響，是產(chǎn)生誤差的主要原因。玉米葉片有一定弧度，擺放葉片時(shí)，用透明玻璃板壓平，確保葉片伸展。應(yīng)用背景白板，并且配有獨(dú)立光源，以消除陰影影響。測(cè)量時(shí)要求被測(cè)葉片與標(biāo)準(zhǔn)板參照物同時(shí)拍攝，從而按比例獲得絕對(duì)尺寸，被測(cè)葉片和標(biāo)準(zhǔn)物體要求拍攝到同一幅圖像上且垂直拍照。拍攝圖像分辨率和拍攝角度對(duì)測(cè)定結(jié)果影響較小，可以采用較低分辨率使數(shù)碼相機(jī)在有限容量中存貯更多圖片，且可大大縮短圖像處理時(shí)間，非常適合室外、大批量測(cè)定。相對(duì)于進(jìn)口設(shè)備，普通數(shù)碼相機(jī)在價(jià)格上也具有較大優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)以上測(cè)葉面積方法比較，不難發(fā)現(xiàn)剪紙法簡(jiǎn)單、方便，但對(duì)于不規(guī)則形狀的葉片其精確度較低，變異系數(shù)最大0.516603%，其精確度也受人為因素、紙張的均勻性等因素影響，需要在室內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。手持式葉面積儀（CI202）精度最高，變異系數(shù)最小0.283203%，但其自身的測(cè)量平臺(tái)較小，不適合長(zhǎng)葉片。手持式葉面積儀（CI202）在測(cè)量葉片時(shí)需要將透明塑料薄板蓋在上面，掃描頭壓在塑料板上掃描，對(duì)于帶弧度的非平展型玉米葉片透明塑料薄板磨損較大，影響透明度增加測(cè)量誤差。在用手持式儀器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，葉片的掃描速度對(duì)測(cè)定結(jié)果影響較大。大型葉面積（LI-3100臺(tái)式葉面積儀）變異系數(shù)為0.410997%，適合大量葉片快速測(cè)量，但也存在透明塑料板的老化影響透明度和光源需要定時(shí)更換等問(wèn)題，LI-3100臺(tái)式葉面積儀較笨重，只能室內(nèi)測(cè)量。手持式葉面積儀（CI202）和大型葉面積（LI-3100臺(tái)式葉面積儀）價(jià)格昂貴，不利于維護(hù)，線狀光源設(shè)備經(jīng)不起碰撞，且損壞難以維修。不方便推廣和業(yè)務(wù)使用。

圖像處理法與葉面積儀法C1202相關(guān)系數(shù)R²為0.9479，圖像處理法與剪紙法比較相關(guān)系數(shù)R²為0.9382，圖像處理法與LI-3100臺(tái)式葉面積儀R²分別為0.8561。可見(jiàn)圖像處理法是對(duì)現(xiàn)有各種葉面積儀測(cè)量葉面積的有益補(bǔ)充，與國(guó)內(nèi)外其他同類產(chǎn)品相比，本方法具有造價(jià)低廉，便于攜帶，抗震動(dòng)維修方便，無(wú)需外部電源，可大批量室外測(cè)量。在葉片殘缺不全時(shí)，可以人工將殘缺部分補(bǔ)全，以降低測(cè)量誤差，這樣就大大增加了其應(yīng)用范圍和測(cè)量精度，特別是在測(cè)量不規(guī)則葉片以及殘缺不全的葉片時(shí)較其他方法更具有優(yōu)勢(shì)。