基于黑白扫描图像的叶面积测量方法_谭序光.pdf

广西农学报Journal of Guangxi Agriculture第 37 卷第 6 期Vol.37，No.62022 年 12 月December，202246基于黑白扫描图像的叶面积测量方法谭序光1 谭黎光2 杨绍锷3*（1.广西工商职业技术学院，广西 南宁 530008；2.中国移动通信集团广西有限公司，广西 南宁 530035；3.广西壮族自治区农业科学院 农业科技信息研究所，广西 南宁 530007）摘要：【目的】为了快速准确测量叶片面积，探讨一种基于黑白扫描图像的测量方法。【方法】使用平板扫描仪制作叶片黑白二值图像，利用图像处理软件读取图像并统计图像和叶片的总像素，依据扫描成像大小与扫描稿台尺寸等比关系，以及已知的扫描稿台尺寸，计算获取叶片面积；分别使用两个不同品牌型号扫描仪对 20 张叶片进行测量，以方格纸法测量结果为真值依据进行误差分析，同时采用叶面积仪进行比对验证。【结果】两个扫描仪均方根误差分别为0.90 cm2、0.95 cm2，平均相对误差分别为1.06%、1.64%；叶面积仪测量均方根误差为0.62 cm2，平均相对误差为 0.92%。【结论】扫描仪法与方格纸法和叶面积仪测量结果间均不存在显著差异，基于黑白扫描图像的叶片面积测量方法具有方便快捷、成本低、精度高的应用潜力。关键词：叶片；面积测量；扫描仪；数码图像；图像处理中图分类号：S126 文献标识号：A 文章编号：1003-4374（2022）06-0046-07Leaf Area Measurement Method Based on Black-White Scanning ImageTan Xu-guang 1，Tan Li-guang2，Yang Shao-e 3*（1.Guangxi Vocational College of Technology and Business，Nanning，Guangxi 530008，China；2.Guangxi Co.，Ltd.，China Mobile Nanning，Guangxi 530035，China；3.Agricultural Science and Technology Information Reseavch Institute，Guangxi Academy of Agricultural Sciences，Nanning，Guangxi 530007，China）Abstract:【Objective】In order to measure leaf area quickly and accurately，a measurement method based on black-and-white scanning image is discussed.【Method】The black-white binary image of the leaf was scan with a flat-panel scanner，the image was read by the processing software and counted the total pixels of the image and the leaf.The leaf area was calculated according to the proportional relationship between size of image and scanning platen，and the known scanning platen size.Two brand scanners were used to measure 20 leaves respectively，and the error analysis was carried out based on the measurement results of the checkered-paper method.At the same time，leaf area meter was used for comparison.【Result】The root mean square errors of the two scanners were 0.90 cm2 and 0.95 cm2，and the average relative errors were 1.06%and 1.64%respectively.The root mean square error of leaf surface meter is 0.62 cm2 and the average relative error is 0.92%.【Conclusion】There is no significant difference between the scanner method，the checkered-paper method and the leaf area meter.The method of measuring leaf area based on black-and-收稿日期：2022-07-25 修回日期：2022-08-07基金项目：广西创新驱动发展专项资金项目（项目编号：桂科 AA20108003）；广西科技计划项目（项目编号：桂科 AA22036002）；广西农业科学院科技发展基金（项目编号：桂农科 2020YM81，桂农科 2021ZX03，桂农科 2022JM46）。第一作者简介：谭序光，男，1982 年生，讲师，硕士，主要研究方向为计算机与信息技术。*通讯作者：杨绍锷，男，1980 年生，副研究员，博士，主要研究方向为数字农业与生态遥感。农业工程47谭序光 谭黎光 杨绍锷：基于黑白扫描图像的叶面积测量方法第 6 期white scanning image has the potential of convenience，low cost and high accuracy.Key words:leaf，area measurement，scanner，digital image，image processing叶片是植物光合作用和物质生产的主要器官，也是植物蒸腾作用并与大气环境水气交换的重要器官，直接影响植物的基本行为和功能1，2，叶片的性状特征是评价植物生长状况的重要因素3，4，经常被用于遗传育种5-7、作物栽培8，9、植物生态10，11等众多领域的研究，而叶片面积作为叶片性状特征的关键指标之一，准确测量叶片面积是开展相关领域研究的基本要求。鉴于叶片形状不规则的特点，学者们设计了多种叶片面积测量方法。叶面积仪测量法12，13是较常用的方法，其测量简单直观，精度高，速度快，既可进行田间无损伤测量，也可采样后在室内测量，但由于仪器价格昂贵，维护维修成本较高，限制了该方法的推广应用。方格纸法14，15和称重法16是传统的叶片面积测量方法，其中方格纸法需要人工手动将叶片轮廓描绘在标准方格纸上，然后统计轮廓内的方格数量即可获得叶片面积；称重法也称为剪纸称重法，是对方格纸法的一种改进方法，在标准方格纸描绘叶片轮廓的基础上，沿着轮廓线剪下，得到叶片纸模，使用电子分析天平称纸模的重量以及标准方格纸的单位面积重量，通过两者重量比例关系换算得到叶片面积。这两种方法操作简单，精度较高，但要求测量者进行精细操作，耗时较长，叶片边缘形状复杂时易出现较大误差，受人为因素干扰较大，难以开展大批量测定。回归系数法17，18又称直尺法，首先需要根据已知的叶片长宽和叶片面积建立经验公式或长宽积乘系数，进而通过测量叶片的长宽计算得到叶片面积。该方法简单易行，成本低，可在田间不损伤植物的情况下测量，但由于不同作物品种或植株不同部位之间差异较大，造成其通用性较差，精度相对较低，不适用于普遍的植物叶片面积测量。图像处理法是当前备受关注的叶面积测量方法19，20，通过制作叶片数码图像，利用图像处理软件计算图像中叶片的像素个数，并根据单个像素的真实面积计算得到叶片面积。早期学者们采用软件（Photoshop、AutoCAD 等）绘图工具手动描绘图像中的叶片轮廓，利用软件内设的统计查询功能得到叶片面积21-23，虽然测量精度较高，但是操作过程仍较繁琐，难以应用于大量样本的叶片测量。近年来学者们利用编程软件（Matlab、Android 等）开发叶片面积测量系统24-26，自动执行图像读取、叶片识别、面积计算等步骤，简化了面积测量流程，大大提高了测量效率。当前此类基于数码图像的叶片面积测量方法大多需要进行图像几何校正，因而需要预先制作带有标记点的图像采集模板，且每次测量均需手动确定标记点，尚未能实现完全的自动测量，测量速率仍有较大提升空间。本文探讨一种利用日常办公使用的扫描仪制作叶片图像的叶面积测量方法，免去采集模板制作和图像几何校正的步骤，简化图像计算过程，减轻测量工作量；同时采用 IDL 语言设计开发单张和批量计算叶片面积软件系统，实现测量过程无人工干预的自动计算，解决大量样本快速准确测量的问题。1 方法与原理叶片测量的总体思路是利用平板扫描仪的扫描成像大小与扫描稿台尺寸成等比的关系，已知的扫描稿台尺寸，根据扫描成像中叶片像素个数与图像总像素数的比例关系，计算获取叶片面积。具体计算公式为：叶片面积=稿台长度 稿台宽度 叶片像素个数/图像总像素数。为了完成叶片面积的计算，首先需要通过平板扫描仪制作叶片黑白图像，然后利用图像处理软件读取图像并统计图像总像素以及叶片像素，并最终计算得到叶片面积。1.1 叶片数码图像制作利用日常办公中使用的文件扫描仪进行叶片数码图像的制作，将需要测量面积的叶片平铺放置在扫描仪玻璃稿台上，合上扫描仪机盖；在扫描程序中设置扫描颜色格式为黑白，文件类型为 TIF 文件，为了获得最优的图像效果和最高的测量精度，分辨率选取扫描仪的最大分辨率；进行扫描保存文件即可制作完成一张叶片的数码图像。叶片扫描图像示例图如图 1 所示。扫描时需尽量将机盖压紧，以防止扫描光线泄露或受外部光源干扰，造成图像中出现多余黑斑。广西农学报482022 年图 1 叶片扫描图像示例图经过上述步骤制作得到的 TIF 文件是一张只有黑白两种颜色的二值图像，其中被叶片遮挡的区域被扫描成黑色，其余未被遮挡的区域被扫描成白色，黑色区域像素值为 0，白色区域像素值为 1。叶片与扫描稿台完全贴合，叶片图像不存在几何变形，因此无需进行几何校正，只需要统计图像中的像素值为 0 和 1 的个数，通过上述计算公式即可得到叶片面积。为了分析验证该扫描仪测量方法的适用性，在此次试验中采用惠普 M227sdn 和奔图 M7109DW 两个不同品牌型号的扫描仪进行叶片数码图像的扫描制作。两个设备同为打印/复印/扫描多功能一体机，黑白扫描光学最大分辨率为 1200dpi，扫描稿台尺寸为 216mm297mm。1.2 叶片面积计算软件设计本次试验中采用 IDL 语言进行叶片面积计算程序设计开发。IDL 是一种数据分析和图像化应用程序及编程语言，是美国 ExelisVisualInformationSolutions 公司的旗舰产品，集开放性、高维分析能力、科学计算能力、实用性和可视化分析为一体，可以在多种硬件平台上运行，支持与 C、C+连接以及数据库 ODBC 接口标准，具有较好的可移植性，内置的数学库函数大大减轻算法开发工作，被广泛应用于图像数据处理领域。根据实际应用需求，开发了单张图片计算和多张图片批处理计算两种软件模式。两种模式采用相同的图像读取方式和叶面积计算公式，面积测量结果一致。涉及的程序主要包括各个按钮的事件响应、文本框对应数值的获取、输入图像的读取、计算结果的显示及输出等模块。1.2.1 单张叶片面积计算单图计算软件界面如图 2 所示，主要包括输入文件选择区域、边框去除设置区域、扫描框长宽设置区域、图像显示区域和计算结果显示区域。点击“图片选择”选取需要计算叶片面积的一张 TIF 图片，若图片选择成功，则在