植物叶面积的测定 基于Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ,ＣＳ５的植物叶面积测定方法
摘要：利用扫描仪对广玉兰叶片进行数字化处理，运用Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳ５软件自动化提取叶面积，并与叶面积仪法、剪纸称重法等测定方法进行比较。结果表明，Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳ５软件的图像处理法与叶面积仪法和剪纸称重法呈极显著线性相关，相比之下其具有快速、准确、易普及等优点；归结出了Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳ５中像素大小与叶片数字化时分辨率、缩放比例的数学关系，为今后叶面积的快速测定提供了依据。
关键词：叶面积测定；图像处理；自动化分析
中图分类号：Ｓ１２６；ＴＰ３９１．４１ 文献标识码：B 文章编号：0439－８114（２０12）15－3340-02
Ａ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｌｅａｆ Ａｒｅａ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｌａｎｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳ５ Ｓｏｆｔｗａｒｅ
ＹＵ Ｓｈｏｕ－cｈａｏ１ａ，２，ＺＨＡＮＧ Ｘｉｕ－ｓｈｅｎｇ１ａ，ＪＩ Ｌｕ－ｓｈａ１ｂ
（１． Ｌｉａｏｃｈｅｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， ａ． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ； ｂ． College of Life Science， Ｌｉａｏｃｈｅｎｇ ２５２０５９， Ｓｈａｎｄｏｎｇ， Ｃｈｉｎａ；
２． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｌａｎｄｓｃａｐｅ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｍａｇｎｏｌｉａ ｌｅａｖｅｓ ｗｅｒｅ ｄｉｇｉｔａｌｉｚｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｓｃａｎｎｅｒ， ｔｈｅｎ the leaf ａｒｅａ ｗａｓ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ CS5． Ｔｈｅ ｄａｔａ ｆｒｏｍ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄａｔａ ｆｒｏｍ ｏｔｈｅｒ ｍｅｔｈｏｄｓ， ｓｕｃｈ ａｓ ｉｎｓｔｕｍｅｎｔａｌ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ， ｅｔｃ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ｗｅｒｅ ｈｉｇｈｌｙ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｌｉｎｅａｒ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ． Ｍｏｒｅｏｖｅｒ， ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｓ ｔｈｅ ｄｏｍｉｎａｎｔ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｉｎ ｉｔｓ ｓｐｅｅｄｉｎｅｓｓ， ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｅａｓｙ ｐｏｐｕｌａｒｉｔｙ． Mａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｉｘｅｌ ｓｉｚｅ ｉｎ ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳ５ ａｎｄ ｄｉｇｉｔａｌ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｃａｌｉｎｇ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｓｕｍｍｅｄ ｕｐ． Ｔｈｉｓ ｗｉｌｌ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｌｅａｆ ａｒｅａ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｌｅａｆ ａｒｅａ； ｉｍａｇｅ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ； ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ａｎａｌｙｓｉｓ
叶片作为植物进行光合作用、呼吸作用和蒸腾作用的主要器官，其叶面积大小是植物生长状态诊断中重要的参数之一，也是研究生理生化、遗传育种、作物栽培等内容常参考的参数。因此建立简便、快速和准确的叶面积测定方法对植物的研究和生产实践有着重要的意义。
目前叶面积的测定方法有很多，如剪纸称重法（复印称重法）、打孔称重法、网格交叉法、系数法、叶面积仪测定法［１，２］等。随着科技的发展，应用数码相机或扫描仪与Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ等软件相结合的图像处理法［３－５］越来越受到研究人员的重视，但目前使用的图像处理法操作比较繁琐。为此，亟待探寻一种新的基于图像处理技术的叶面积快速测定方法。
１ 材料与方法
１．１ 材料
试验随机选取完整的、大小各异的广玉兰（Ｍａｇｎｏｌｉａ ｇｒａｎｄｉｆｌｏｒａ Ｌｉｎｎ）新鲜叶片５０片，编号并于４ ℃保存备用。
１．２ 试验方法
１．２．１ 叶面积仪法 采用美国ＣＩ－２０３手持式激光叶面积仪测定叶面积，每片叶片测量重复３次，取其平均值。
１．２．２ 剪纸称重法 将叶片平铺到卡纸上，沿其边缘准确画线并沿线剪下，准确称其质量，根据事前测算的１ ｃｍ２同种纸张的质量换算叶面积。
１．２．３ 图像处理法
１）叶片数字化。取植物叶片展平后置于扫描仪上，设定扫描参数，因数字化后的图像像素数与其存贮格式无关［１］，预览后将其数字化图像存贮为ＪＰＧ压缩格式，从而用较小的图像文件得到较好的图像质量。
２）叶面积获取。利用Ａｄｏｂｅ公司的Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳ５ 软件“分析”菜单，根据设定的测量比例，对选定各种形状的叶片区域进行自动分析，获取面积、叶长、叶宽、圆度及周长等参数，并将结果记录在“测量记录”调板中，还可导出Ｅｘｃｅｌ支持的ＴＸＴ格式文件，便于后续的数据分析。具体步骤如下：①Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ中测量比例（ＭＳ）的确定。分辨率表示每英寸的像素数，同时像素数与扫描时缩放比例成正比，同一叶片和分辨率条件下，缩放比例越大像素数就越多。由此可以推出单个像素的边长（即Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ中的测量比例），得到单位换算（１ ｉｎｃｈ＝２．５３６ ｃｍ）后测量比例的计算公式：ＭＳ＝２．５３６／（Ｒ×ＳＣ），式中ＭＳ为Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ中测量比例，Ｒ为扫描分辨率，ＳＣ为扫描时的缩放比例。②利用Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ打开数字化图像，在工具栏中单击“魔棒工具”，调整容差值为１０（适合大多数植物叶片），然后用鼠标在图像的非叶片区域内单击一下，之后右键单击“反选”，准确选取叶片区域。③单击Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ“分析”菜单中“设置测量比例”，设置逻辑长度为根据公式算出的ＭＳ值（单位为ｃｍ）。再单击“分析”菜单中“记录测量”，即可得到所选叶片的实际面积、叶长、叶宽、周长、圆度等一系列数据。图像处理法流程见图１。