對植物生長柜中油菜葉片面積測定的初步研究

1、.對植物生長柜中油菜葉片面積測定的初步研究-農(nóng)學(xué)論文對植物生長柜中油菜葉片面積測定的初步研究 崔世鋼，次丹妮，吳興利，梁 帆，楊莉莉（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市信息傳感與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 ）摘要：采用數(shù)字圖像處理方法對油菜葉片進(jìn)行長、寬、面積測算，建立了葉片長、寬、長寬積和葉片面積的回歸方程，為植物葉片面積快速估算提供了比較好的方法。關(guān)鍵詞：葉片面積；數(shù)字圖像處理；油菜；植物生長柜中圖分類號(hào)：； 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439114（15）184591-02DOI:10.14088/ki.issn0439-8114.2015.18.051 n ， ， ， ， （ / ， ， ）：

2、， ， ， ， ： ； ； 收稿日期：基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（；）；國家社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目（）；校級(jí)基金項(xiàng)目（）作者簡介：崔世鋼（），男，天津人，教授，博士，主要從事機(jī)器人控制、人工智能等方面的研究，（電話）（電子信箱）；通信作者，梁 帆（），女，天津人，副教授，博士，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能環(huán)境控制等方面的研究，（電話）（電子信箱）。中國是農(nóng)業(yè)大國，人口密集、土地資源形勢日趨嚴(yán)峻、可耕地面積大量減少、淡水資源緊張、自然災(zāi)害（旱、澇、風(fēng)、雪等）頻發(fā)以及土地沙漠化等問題在很大程度上制約了中國農(nóng)業(yè)的發(fā)展。藥物殘留超標(biāo)問題日益突出，人們對安全食品的需求也越來越迫切。中國農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨著利用有限的資源

3、滿足人們?nèi)找嬖鲩L的對食品需求的重大挑戰(zhàn)。植物生長柜是現(xiàn)代科技集成創(chuàng)新的產(chǎn)物，是一種新興生產(chǎn)模式，為未來農(nóng)業(yè)向垂直空間發(fā)展提供了有效的技術(shù)支撐，以后將會(huì)面對不具備栽培專業(yè)知識(shí)的人群，從而得到廣泛利用。葉片是作物進(jìn)行光合作用的主要器官，其面積的大小直接影響作物的受光，是作物種群結(jié)構(gòu)的一種標(biāo)志性參數(shù)。葉片的大小對水分蒸發(fā)量、土壤水分平衡、物質(zhì)循環(huán)、生長發(fā)育、抗逆性、產(chǎn)量以及經(jīng)濟(jì)效益有著顯著的影響，也是衡量植物生產(chǎn)狀況和對光能利用的重要指標(biāo)。因此，需要建立簡便、精確的方法用來測定葉片面積。關(guān)于葉片面積的測量方法有坐標(biāo)法、拋物線擬合法、復(fù)印稱重法、葉面積儀法等，坐標(biāo)紙法是最原始、最準(zhǔn)確的葉片面積測量方法

4、，但因其操作步驟繁瑣和巨大的工作量而不適合用于平時(shí)的操作，更多地用于在特定的場景中進(jìn)行測量，；拋物線法對葉子的規(guī)則程度有著一定的要求；復(fù)印稱重法操作繁重復(fù)雜、工作量較大，紙片的質(zhì)量和復(fù)印機(jī)的質(zhì)量影響測量精度，應(yīng)用范圍較窄。葉面積儀測量法會(huì)受到葉片大小的制約，使得測量值與實(shí)際值有著一定的偏差。近年來，隨著計(jì)算機(jī)圖像處理在各個(gè)領(lǐng)域的全面發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)的日益成熟，利用圖像處理技術(shù)對植物葉片面積的分析和測量研究已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了很多。本研究通過觀察油菜葉片形狀類型，擬定利用數(shù)字圖像處理可以測定葉片長和寬，再結(jié)合回歸相關(guān)法建立回歸方程，提供測定油菜葉片面積便捷方法，為生產(chǎn)和研究工作服務(wù)。 測定原理像素點(diǎn)

5、的累積構(gòu)成一幅幅數(shù)字圖像，每個(gè)像素點(diǎn)代表一定的實(shí)際面積值，而其所代表的實(shí)際面積值可以由已知參照物面積求得。因此，葉片面積可由下列公式求得：S×S0/m0式中，S代表葉片的面積，代表實(shí)際面積，代表參照物的像素個(gè)數(shù)，代表葉片的像素個(gè)數(shù)。在測量葉片面積時(shí)，首先需要摘下待測葉片，置于有參照物的背景板上，用透明的玻璃板壓平其上面，然后在嚴(yán)格的物距下進(jìn)行葉片的采樣，以保證每個(gè)像素代表的真實(shí)面積不變。拍攝葉片時(shí)應(yīng)該讓數(shù)碼相機(jī)與被測葉片保持較遠(yuǎn)的距離，使拍攝的焦距拉長，這樣可以使人為誤差大大地減少。同時(shí)要求被測葉片與標(biāo)準(zhǔn)測量參照物在同一時(shí)刻進(jìn)行拍攝，而且還要求被測葉片和標(biāo)準(zhǔn)測量參照物出現(xiàn)在同一幅圖像

6、上，即把葉片信息轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的圖像信息。 硬件組成葉片面積的硬件測量部分主要有數(shù)碼相機(jī)、計(jì)算機(jī)、參照物（本研究中選用一個(gè)黑色圓片，直徑為 的圓，能與葉片有很大的顏色差別，參照物要與相機(jī)有足夠的距離，參照物的面積對測量精度有著決定的影響）和背景板（紙板選用白色的，這樣可以使背景顏色與葉片有很大的差別）。通過數(shù)碼相機(jī)（萬像素以上的）來取得數(shù)字圖像，在不損毀油菜的整體結(jié)構(gòu)情況下，檢測油菜葉片的生長周期和規(guī)律。 圖像處理參數(shù)計(jì)算流程 如圖所示，即為油菜葉片面積參數(shù)計(jì)算的基本流程。根據(jù)圖像中葉片面積，最小外接矩形的長和寬以及比例系數(shù)，可計(jì)算得到實(shí)際的葉片面積，葉片長和葉片寬。 實(shí)際應(yīng)用 試驗(yàn)環(huán)境本

7、試驗(yàn)在智能植物生長柜環(huán)境下進(jìn)行，以先優(yōu)號(hào)油菜幼苗為研究對象。為保證植物生長所必需的各種營養(yǎng)元素以及提供適宜的生長環(huán)境，試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)營養(yǎng)液水培的方式，并通過智能控制面板調(diào)節(jié)柜內(nèi)環(huán)境參數(shù)，將光源為紅藍(lán)組合光源，光照度為 ，溫度為 ，濕度為，二氧化碳濃度設(shè)置為 。 試驗(yàn)方法分別選用植物生長柜中油菜生長的個(gè)階段，每個(gè)階段隨機(jī)取片大小不同的葉片，測量每個(gè)葉片的葉長（葉柄到葉尖的距離）、最大葉寬（與中間主脈垂直的寬度）和油菜的葉片面積作為參照數(shù)據(jù)，分別以所選取的葉片長、葉片寬、葉片長寬積作為回歸方程的自變量，葉片面積作為因變量，進(jìn)行相關(guān)性分析，并計(jì)算出油菜葉片長度、葉片寬度以及葉長寬積與葉片面積的決定系數(shù)

8、和最適關(guān)系的回歸方程。再選取不同階段各片大小不同的葉片分別將測量的參數(shù)（葉片長、葉片寬），對方程進(jìn)行驗(yàn)證。 結(jié)果與分析 相關(guān)性分析 回歸分析結(jié)果表明，各個(gè)參數(shù)（葉片長、葉片寬、葉片長寬積）與葉片面積的最佳適應(yīng)的函數(shù)為冪函數(shù)，均可以反映出良好的相關(guān)性（表至表）。由表至表可以看出，以葉片長、葉片寬與葉片面積做回歸相關(guān)性擬合，并不是每個(gè)階段都可以達(dá)到很好的效果。以葉片的長寬積來與葉片面積做相關(guān)擬合的話，每個(gè)生長階段的函數(shù)關(guān)系大致是相近的，因此，用葉片的長寬積測定先優(yōu)號(hào)油菜的葉片面積更好。 回歸方程的檢驗(yàn) 分別取每個(gè)階段片大小不同的油菜葉片測定其葉片長、寬，用求得的回歸方程對模擬值和測量值作分析，檢驗(yàn)

9、回歸方程的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，個(gè)生長階段的葉片模擬值與測量值是比較相近的，決定系數(shù)均在 以上，既可以使用葉片長寬積擬合的油菜的回歸方程，并且可以利用該方程來計(jì)算出先優(yōu)號(hào)油菜的葉片面積。 小結(jié)與討論回歸相關(guān)法是一種對植物無損害估算葉片面積的方法，該方法使得測量油菜葉片面積變得更加方便、簡單。本研究中用長寬積對先優(yōu)號(hào)油菜的葉片面積進(jìn)行估算效果是最好的，但是在特定的條件下，準(zhǔn)確地估算出不同品種的油菜葉片面積差異仍然存在著局限性。參考文獻(xiàn)： 馬彥平，白由路，高祥照，等基于數(shù)字圖像的玉米葉面積測量方法研究中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，（）： 王忠芝，張金瑞基于圖像處理的葉面積測量方法微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，（）： 袁道軍利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)獲取油菜苗期生長信息方法的研究武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)， 楊勁峰，陳 清，韓曉日，等數(shù)字圖像處理技術(shù)在蔬菜葉面積測量中的應(yīng)用農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，（）： 高祥斌，張秀省，蔡連捷觀賞植物葉面積測定及相關(guān)分析福建林業(yè)科技，（）： 謝安德，王凌暉，潘啟龍灰木蓮葉面積回歸方程的建立廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，（）： 張仁祖，徐為根，黃文杰一種新的基于圖