数字图像处理法测量植物叶面积研究进展 本文关键词：叶面积，研究进展，图像处理，测量，植物
数字图像处理法测量植物叶面积研究进展 本文简介：摘要： 比较方格法、称纸重法、打孔称重法、回归方程法和数字图像处理法的优缺点,在图像处理法基本原理基础上,针对现有成果在透视畸变、边缘精准提取、便携性等方面进行了分析,并分析数字图像处理方法测定植物叶面积存在的问题。 关键词： 叶面积测量方法;数字图像处理;几何校正; Abstract： Com
数字图像处理法测量植物叶面积研究进展 本文内容：
摘 要： 比较方格法、称纸重法、打孔称重法、回归方程法和数字图像处理法的优缺点, 在图像处理法基本原理基础上, 针对现有成果在透视畸变、边缘精准提取、便携性等方面进行了分析, 并分析数字图像处理方法测定植物叶面积存在的问题。
关键词： 叶面积测量方法; 数字图像处理; 几何校正;
Abstract： Comparing the advantages and disadvantages of the grid method, the copy method, the disc method, the linear regression and the image processing method, based on the basic principle of image processing method, the existing results are analyzed in terms of improvements in perspective distortion, edge precision extraction, and portability, and it is analyzed that the existing digital image processing methods is used to determine the plant leaf area existing problems.
Keyword： Leaf area measurement; Digital image processing; Geometric correction;
叶片是植物光合作用的重要器官、蒸腾作用的媒介, 既是衡量植物生长状况、产量的重要指标, 也是对作物进行栽培管理以及病虫害监测的重要手段。叶片面积一定程度上直接影响农作物的产量, 对其准确测量是研究叶面积的前提, 因此建立方便、准确的叶面积测量方法, 具有重要的意义。
1、 常见的叶面积测量方法及其特点
1.1、 方格法
将被测叶片平铺在坐标纸上, 画出叶片的轮廓。在坐标纸上数格子的数量, 不满一格的根据所占比例按1/2或1/4计数, 格子的总数乘以单位格子的面积得到叶片面积。方格法成本低、便于实施, 但工作量大并存在一定的人为误差[1]。
1.2 、称纸重法
将叶片复印或按形状描到纸上, 按叶片形状剪下来称纸张的重量, 用纸张重量除以单位面积纸重量即可得到叶面积, 测量结果较准确但操作过程较麻烦。
1.3 、打孔称重法
先称出叶片重量, 再使用打孔器在叶片上均匀打几个已知面积的孔, 这几个孔的重量与孔面积之比为单位叶面积重量, 叶片面积则为叶片重量比单位叶面积重量。打孔过程会破坏叶片, 测量结果受打孔位置以及叶片含水量影响很大[2], 称重法都对称重设备的精度要求很高。
1.4、 回归方程法
测定一定数量的同类叶片的面积和长、宽参数, 利用已知数据拟合出一类叶片的回归系数, 再根据叶片长和宽计算其面积, 其前提条件是必须用其他方法确定回归系数之后才可以得到测量结果, 此类方法其优点是可以进行非破坏性测定, 缺点是只能对某一类型的叶面积进行测定、对不规则叶片测量结果误差较大[3]。
1.5、 数字图像处理法
数字图像是由一个个像素组成, 若已知一个像素的实际面积和被测叶片的像素数即可求出叶片面积。随着数码设备的普及, 基于数字图像处理技术的植物叶面积测量方法受到学者的广泛关注。其基本原理是:利用数码相机获取叶片图像时加入已知面积的参照物, 通过图像处理方法提取图像中被测叶片和参照物的像素数, 已知参照物的实际面积按以下公式求取被测叶片的实际面积:
式中, Sleaf即是被测叶片的实际面积, Nreference代表图像中参照物的像素数, Nleaf代表图像中叶片的像素数, Sreference代表参照物的实际面积。
2、 数字图像处理法测量植物叶面积研究进展
在基本原理基础上, 众多学者从不同角度对数字图像处理的植物叶片面积测量中参照物选取、透视畸变、边缘精准提取、便携性等方面进行了深入的研究。
2.1、 倾斜校正方法
针对测量叶面积时很难保证主光轴与叶平面垂直导致测量精度下降的问题, 陈鼎才等[4]获取图像时加入圆形参照物, 像平面与物平面不平行会引起透视畸变使圆形的成像变成椭圆, 提取图像中椭圆长轴和短轴上存在畸变的4个点坐标, 计算圆形参照物在无畸变的情况下对应长短、轴所成图像的4个对应点坐标, 利用4个对应点坐标确定校正系数。对存在透视畸变的叶片图像进行几何校正, 利用校正后的图像计算叶片面积, 提高了测量精度。陈涛涛等[5]提出了一种基于矩形框几何校正的多个叶面积测量方法。在拍摄背景中画一个已知面积的矩形框, 矩形面积作为已知参照面积, 同时利用提取图像中矩形框的顶点以及已知的矩形实际顶点坐标, 对图像进行几何校正, 减少了物、像平面不平行引起的透视畸变, 提高了测量精度, 并利用连通域扫描实现了多叶片同时测量, 提高了测量效率。高大帅等[6]利用智能手机方位传感器确定拍摄角度, 建立误差校正模型并提出基于智能手机方位传感器的叶面积测量校正公式, 对畸变图像进行校正, 提高测量精度。
2.2 、效率与便携性
为了提高测量效率, 李震等[7]利用连通域扫描实现了多叶片图像目标识别和叶面积测量, 实现一次测量多片叶面积;随着智能手机的广泛应用, 摄像头分辨率、运行速度和内存容量不断提高, 郭文川等[8]基于智能手机开发叶面积测量软件, 无需购置硬件设备, 也不需要给手机增加额外的硬件, 具有很强的便携性。
2.3、 边缘检测与提取
植物叶片具有一定的厚度, 拍摄方向和光线方向不一致时会产生阴影, 获取图像时叶边缘会上翘与背景板不完全贴合, 这样产生的阴影会更严重。像素统计时会将阴影部分也计算为叶片区域, 使得计算出的叶片区域的像素数大于实际数, 从而产生较大的误差, 韩殿元等[9]利用像素彩色通道的相似性和自适应方法得到的阈值分割叶片区域, 将阴影部分像素分离, 提高测量精度。
2.4、 叶片虫损面积测量
为了定量化评估农作物的虫害程度, 钟取发等[10]提出基于叶片模板自动匹配的叶片虫损面积测量方法:提取叶片轮廓的近似多边形, 将多边形划分成若干子轮廓;按形状准则实现完整叶片与虫损叶片之间的子轮廓进行自动配准, 找出映射关系对虫损叶片进行重建, 计算出虫损面积。
3 、讨论与结论
该研究比较了方格法、称纸重法、打孔称重法、回归方程法和图像处理法等方法的优缺点, 方格法和称重法所用设备简单便于实施, 但人力成本高, 测量形状不规则的叶片精度会下降, 计数时受人为因素影响较大, 并且都属于破坏性测量。回归方程法可以进行非破坏性测定, 但需要用其他方法精确确定回归系数之后才可以得到测量结果, 并且只能对某一类型的叶面积进行测定, 不具有通用性。数字图像处理技术测定叶面积几乎可以适用于所有叶片, 不受叶片形状、大小、厚薄等因素的影响, 可以实现无损测量, 有利于对植物叶片的生长状态进行全面分析同时, 数据处理由计算机自动完成, 避免了人为因素的影响, 降低了操作者的劳动强度。随着研究的深入, 精度、效率、便携性都会进一步提高, 图像处理法测量叶面积在农业、林业等领域具有很广阔的应用前景。
图像处理技术测定叶面积具有精确度高、操作简单并可以实现非破坏性的测量等优点, 受到越来越多的学者的关注并进行了深入的研究, 测量效率、精度和便携性得到不断的提高, 但也存在一些问题:
(1) 大多数方法都是设置一个固定大小的参照物, 当参照物面积与被测叶面积差别较大时, 参照物图像提取时稍有误差, 就会引起被测叶面积的较大误差, 影响测量精度。可以根据被测叶面积大小选择与之面积相近的参照物, 提高测量精度。
(2) 有些方法需要将参照物的面积手动输入到软件中, 达不到自动识别的目的, 可以采取图像编码的方式实现参数的自动提取。
(3) 目前叶面积测量方法都采用二维测量手段, 实际叶片往往不是平面, 采用三维测量手段会提高叶片表面积测量精度。
参考文献
[1]柏军华, 等.叶面积测定方法的比较研究[J].石河子大学学报 (自然科学版) , 2005, 23 (2) :216-218.
[2]夏善志, 等.林木叶面积研究方法综述[J].林业勘查设计, 2009 (2) :73-74.
[3]李乐蒙, 等.古栎叶面积的数字图像法测定[J].西北林学院学报, 2016, 31 (6) :96-103.
[4]陈鼎才, 等.基于机器视觉的现实叶片面积测量方法的研究[J].计算应用, 2006, 26 (5) :1226-12.
[5]陈涛涛, 等.基于矩形框几何校正的多叶面积测量方法[J].农业工程学报, 2012, 28 (8) :206-213.
[6]高大帅, 等.基于智能手机方位传感器的叶面积测量校正[J].中国农业大学学报, 2017, 22 (6) :128-134.
[7]李震, 等.植物多叶片图像目标识别和叶面积测量方法[J].华南农业大学学报, 2007, 28 (3) :105-109.
[8]郭文川, 等.基于Android手机的植物叶片面积快速无损测量系统[J].农业机械学报, 2014, 45 (1) :275-280.
[9]韩殿元, 等.基于彩色通道相似性图像分割方法的植物叶面积计算[J].农业工程学报, 2012, 28 (6) :179-183.
[10]钟取发, 等.基于典型叶片模板自动匹配的虫损叶面积测量[J].农业工程学报, 2010, 26 (3) :216-221.
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