图像处理技术在玉米叶面积测量中的实际应用

宋英博 郭伟 张洪权 孟凡祥 王囡囡 李于

摘要：为了解决野外对玉米群体叶面积大批量的测量，本研究采用RGB三原色分离方法，利用图像像素比值和参考物法测量玉米叶面积。结果显示：图像处理法与C1202叶面积仪法测定叶面积的相关系数为0.9479，图像处理法与剪纸法比较相关系数R2²为0.9382，图像处理法与LI-3100台式叶面积仪R²分别为0.8561，结果证明图像处理法与其他3种方法测量结果相关性较高。

关键词：叶面积；玉米；图像处理

中图分类号：S158.3 文献标志码：A 论文编号：cias15010038

0 引言

玉米叶面积对指导作物合理密植、群体结构调整、变量施肥和精确喷灌以获得高产具有重要意义，使用叶面积仪测量叶面积是目前国际公认的测量方法。冯冬霞等认为叶面积仪测量叶面积，速度快，精度高，省时省力。陈斌等认为传统叶片面积检测方法过程复杂，不能实现自动测量，叶面积仪法更快更准。王二虎等认为叶面积仪测量的叶面积数据重复性更好，测定结果更为稳定，测量精确度和准确度更高。叶面积测定仪大多为进口仪器，价格昂贵，且不适于叶片过长大批量的玉米叶面积测量；特别是线状的光电扫描叶面积仪，光电管易老化，线状光源设备经不起碰撞，且损坏难以维修（如LI-3100台式叶面积仪）。对于手持式仪器，扫描速度和人为因素更会明显地影响测量结果（如美国CID公司生产的手持式叶面积CI202）。但或多或少都有一定的缺点。随着计算机视觉技术的不断改进，使利用图像处理的方法测定叶面积成为可能。只需另加一台数码相机及笔者开发的叶面积测量软件即可。可大批量测量植物叶面积，在测试过程中是一种较便捷的方法，以此为出发点，应用图像处理技术解决在实际工作中，需要大批量、简便、快速、准确、无需交流电源的叶面积测量方法。应用于高产试验与密度试验。本方法具有较强的科研实用性，不受叶片形状、大小、厚度等因素的影响，对不规则叶片也能准确测量，且相对于叶面积仪在价格上有很大优势。是对现有各种叶面积仪测量叶面积的有益补充，而不是取代。特点在于对室外的大的群体大批量叶面积的快速测量，并且造价低廉，维修方便，便于携带。

1 材料与方法

1.1 硬件环境

SONY T200数码相机810万像素。PC电脑一台（CPU英特尔酷睿四核4460S）。 1.2 软件环境

Windows XP操作系统。

1.3 开发工具

编程语言Visual Basic 6.0。

1.4 基本原理

采用计算视觉技术，通过数码图像进行分析，由于数字图像由独立像素点组成，通过已知面积的像素个数与待测面积的像素个数比值，计算图像中叶片面积。根据RGB三原色分离方法，提出一种快速、准确测定叶面积的方法。在图像处理中采用的是RGB彩色系统，且具有对光源变化不敏感、不同颜色易于区分的特点。RGB色彩模式使用RGB模型，为图像中每一个像素的RGB分量分配一个0～255范围内的强度值。纯红色R值为255，G值为0，B值为0；灰色的R、G、B三个值相等（除了0和255）；白色的R、G、B都为255；黑色的R、G、B都为0。利用VB语言根据本研究提出的算法编制颜色诊断系统软件，该软件的主要功能是进行图像处理，将不同颜色的像素分类计数，最终根据标准参照物折算叶面积。

1.5 软件开发

本软件由图像输入、图像处理和图像输出组成，其核心是开发独立的图像处理软件（图1）。程序由VB语言编写，便于更新和维护，还具有很强可视化操作界面。进入主界面需输入背景板与叶片RGB分割值a，叶片与黑色标准版RGB分割值b。当鼠标放到背景板上时，左下方会显示该点的RGB值，将该像素点RGB3种颜色分量相加求和为c。当鼠标放到叶片时，左下方会显示该点的RGB值，将该像素点RGB 3种颜色分量相加求和为d。当鼠标放到黑色标准版上时，左下方会显示该点的RGB值，将该像素点RGB 3种颜色分量相加求和为e。

系统各参数计算如公式（1）。

a=（c+d）/2，6=（e+d）/2…………………………（1）

1.6 试验设计

玉米品种选择‘绥玉7号，在抽丝期选择小区内植株15株，通过以下4种方法测量15株玉米全部叶面积。叶面积仪器法是采用美国CID公司生产的手持式叶面积（CI202）和大型室内叶面积（LI-3100台式叶面积仪），传统方法采用剪纸法，新方法采用图像处理法。

2 结果与分析

2.1 数字图像处理方法与常用方法比较

2.1.1 对已知面积的测量将准备好的绿色相纸板和黑色标准版重合，剪切面积与黑色标准版等大，即绿色相纸版40 cm²。绿色相纸作为被测对象（如图2），通过以上几种方法分别测定其面积，每一方法测定15次，方差分析后各种测定方法的测定结果差异不显著（P<0.01）。说明数字图像测定法适用于叶面积测定。

2.1.2 实测玉米叶面积的比较采用不同方法对同一组叶片5次重复测定的结果。可以看出，在相同条件下对同一叶片进行叶面积测定，数字图像处理法与C1202测定结果变异系数较小（表1），C1202局限于小面积测量，对于15株‘绥玉7号玉米的总面积测量，用时较长效率较低，但较其他3种准确。剪纸法因受叶片形状和操作熟练程度等因素影响，测定结果变异系数最大，对于15株‘绥玉7号玉米的总面积测量时间最长。LI-3100叶面积仪测定方法的测定结果介于数字图像处理法和剪纸法之间，LI-3100台式叶面积仪需要交流电源，机器过于笨重。通过以上几种方法分别测定15株玉米片的叶面积，采用SPSS软件对其进行统计分析。结果表明，图像处理法与其他3种方法比较更适合大批量、快速、准确、无需外部电源的叶面积测量。

2.2 拍摄分辨率不同对叶面积测定的影响

目前大多数数码相机都有几档较低的分辨率可供选择，不同拍摄分辨率档位拍摄同一物体，会对数码图片上图像像素个数会产生一定影响。通过本系统软件，对同一叶片不同分辨率下叶面积进行测定。方差分析表明拍摄分辨率越高越接近玉米叶面积真实值（见表2）。

2.3 拍摄角度不同对叶面积测定的影响

相机拍摄时，镜头光轴与叶片拍摄角度不同，会引起照片产生透视变形，为了研究这种透视变形对叶面积测定的影响，对同一叶片不同角度，连续拍摄5张计算叶面积。结果表明，不同拍摄角度对叶面积影响差异不显著（P<0.01）（表3），说明在通常拍摄角度下（30～90°），测定结果都是准确的。

3 结论与讨论

目前叶面积的测量方法已经有很多种，各种测量叶面积的方法都有其局限性和使用范围。国外普遍使用图像处理法和叶面积仪测量叶面积，速度快，精度高，省时省力。图像处理技术作为一种新兴的测量技术，在农业中被广泛应用。与叶面积仪相比，图像处理法在叶片残缺不全时，可以人工将残缺部分补全，以降低测量误差，这样就大大增加了其应用范围和测量精度，特别是在测量不规则叶片以及残缺不全的叶片时较其他方法更具有优势。叶片受到外界光线影响周围会产生阴影，对图像的各点颜色像素的分离有很大影响，是产生误差的主要原因。玉米叶片有一定弧度，摆放叶片时，用透明玻璃板压平，确保叶片伸展。应用背景白板，并且配有独立光源，以消除阴影影响。测量时要求被测叶片与标准板参照物同时拍摄，从而按比例获得绝对尺寸，被测叶片和标准物体要求拍摄到同一幅图像上且垂直拍照。拍摄图像分辨率和拍摄角度对测定结果影响较小，可以采用较低分辨率使数码相机在有限容量中存贮更多图片，且可大大缩短图像处理时间，非常适合室外、大批量测定。相对于进口设备，普通数码相机在价格上也具有较大优势。通过对以上测叶面积方法比较，不难发现剪纸法简单、方便，但对于不规则形状的叶片其精确度较低，变异系数最大0.516603%，其精确度也受人为因素、纸张的均匀性等因素影响，需要在室内进行测量。手持式叶面积仪（CI202）精度最高，变异系数最小0.283203%，但其自身的测量平台较小，不适合长叶片。手持式叶面积仪（CI202）在测量叶片时需要将透明塑料薄板盖在上面，扫描头压在塑料板上扫描，对于带弧度的非平展型玉米叶片透明塑料薄板磨损较大，影响透明度增加测量误差。在用手持式仪器进行测量时，叶片的扫描速度对测定结果影响较大。大型叶面积（LI-3100台式叶面积仪）变异系数为0.410997%，适合大量叶片快速测量，但也存在透明塑料板的老化影响透明度和光源需要定时更换等问题，LI-3100台式叶面积仪较笨重，只能室内测量。手持式叶面积仪（CI202）和大型叶面积（LI-3100台式叶面积仪）价格昂贵，不利于维护，线状光源设备经不起碰撞，且损坏难以维修。不方便推广和业务使用。

图像处理法与叶面积仪法C1202相关系数R²为0.9479，图像处理法与剪纸法比较相关系数R²为0.9382，图像处理法与LI-3100台式叶面积仪R²分别为0.8561。可见图像处理法是对现有各种叶面积仪测量叶面积的有益补充，与国内外其他同类产品相比，本方法具有造价低廉，便于携带，抗震动维修方便，无需外部电源，可大批量室外测量。在叶片残缺不全时，可以人工将残缺部分补全，以降低测量误差，这样就大大增加了其应用范围和测量精度，特别是在测量不规则叶片以及残缺不全的叶片时较其他方法更具有优势。