当前位置: 首页 > 农业技术 > 农资技术

基于GIS的植物叶片信息测量研究

发布时间:2020-03-13 13:45:03      来源:湖北农业科学

本文《基于GIS的植物叶片信息测量研究》由农业技术网整理,仅供参考。如果觉得很不错,欢迎点评和分享~感谢你的阅读与支持!

梁雪梅 高敏华

摘要:采用网格法、GIS法和AutoCAD法对榕树(Ficus microcarpa)叶片的叶面积、叶长、叶宽、叶周长进行测定,利用数码相机获取榕树叶片信息,对3种方法的测定结果进行比较。结果表明,网格法与GIS法和AutoCAD法具有极显著的正线性相关关系,与其他叶片信息测定方法相比,GIS法更精确、简便、省时、省力。

关键词:叶片信息;GIS法;榕树(Ficus microcarpa);网格法;AutoCAD法

中图分类号:Q94-331 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2017)11-2139-06

DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.11.037

Abstract: The grid method,GIS method and AutoCAD method were used to measure the banyan(Ficus microcarpa) leaves leaf area,leaf length,leaf width and perimeter,using digital camera to obtain banyan leaf information,compared the three methodsresult. The results showed that the grid method and GIS method and AutoCAD method had positive linear correlation,compared with the method for the determination of other leaves information. GIS method is more accurate,convenient,time-saving,labor-saving.

Key words: blade information;GIS method;banyan(Ficus microcarpa);grid method;AutoCAD method

叶片是植物进行光合作用、水分蒸腾和气体交换的主要器官,是生态系统中初级生产者的能量转换器,叶片性状特征直接影响植物的基本行为和功能[1]。叶面积大小、叶轮廓周长、叶长和叶宽等叶片信息不仅是植物光合作用及生长发育状态诊断中重要的参数,也是研究植物栽培技术、生理生化、遗传育种等内容的重要形态指标[2,3]。叶面积的大小决定着光合有效辐射的大小,反映了植物对其地理分布和养分条件等外界因素的适应策略[4]。生态系统受到叶面积逐渐演变的影响,叶面积可以用来作为不同生態系统间的比较指标。通过测量计算出叶面积的变化来分析植物的生长发育、抗逆性,对环境因子效应进行评价,可以决策种植树木的树种和种植方法,做到合理造林。通过测量害虫损害的叶片总量来估算出农产品的产量和品质的好坏,这也是研究害虫对树木的损害、经济阈值的重要内容。建立方便、准确、快速的叶面积、叶周长、叶宽以及叶长等形态指标测量的方法,对于调整群体结构,充分利用光热、水、土资源,从而指导植物栽培密度及合理施肥获得丰产有重要意义[5,6]。

目前,常见的叶片信息测量方法有网格法、R2V法、复印称重法、扫描仪法、AutoCAD法、叶面积仪器法、GIS法、Photoshop法等[7,8]。网格法和复印称重法较为传统,操作简单,但消耗人力和时间;叶面积仪器法是利用专用叶面积仪器进行测量,虽然能够快速获取叶面积,但测量结果波动性较大,仪器价格昂贵且易损坏[9,10];扫描仪法是通过扫描仪扫描植物叶片,然后利用Photoshop、R2V、AutoCAD、ArcGIS等软件统计像素的方法来测定植物叶片面积[11-13]。随着计算机技术的迅速发展,用各种软件测量植物叶片信息,受人为因素的影响较小,具有严密的科学性,叶片形状、大小、颜色、厚薄对测量的结果均无显著影响,具有方法简单、快速、测量结果准确、适用范围广等优点[14,15]。

近年来,地理信息系统(Geographic information system,简称GIS)被人们广泛的接受,并且有着飞跃的发展,应用于人类的各个生活领域。它是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统,该系统支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示,以便解决复杂的规划和管理问题。美国环境系统研究所(Environment System Research Institute)开发的ArcGIS软件,因其界面友好、功能齐全、操作方便,其强大的空间分析、网络分析和三维分析等功能在科研工作中发挥着重要作用[16,17]。本研究利用数码相机获取叶片图片,选用传统的网格法、GIS法和AutoCAD法对榕树(Ficus microcarpa)的叶片进行叶面积、叶周长、叶宽和叶长测量,能够又快又准确地测量出植物叶片信息数据,找到一种简便、迅速和更精准的测量方法。

1 材料与方法

1.1 材料

选用榕树为试验材料,榕树为桑科榕属乔木,原产于热带亚洲,高15~25 m,胸径达50 cm,树皮深灰色。榕树以树形奇特,枝繁叶茂,树冠巨大而著称。摘取不同榕树,不同树枝上大小不同的完整叶片50片,用记号笔在每张叶片后面写上编号,以便测量时记录。在硬纸板上固定一张坐标纸,将其作为照相的背景,把待测叶片压平并平铺在底板上,保证叶片彻底的伸展开,最后利用数码相机变焦调整视角,数码相机的视线要尽可能的垂直于被测叶片的平面,拍摄出清晰的叶片图像后将图片导入计算机(图1),待测。

1.2 方法

计算机中的平面图像是由若干个网状排列的像素组成的,单位长度上的像素系数就是图像的分辨率,通过分辨率计算出每个像素的面积,然后统计叶片图像所占的像素个数,再乘以单个像素的面积就可以得到叶面积[18]。扫描分辨率(dpi)指的是通过扫描元件将扫描对象每英寸可以被表示的点数,而1英寸=2.54 cm,故单个像素的长度为2.54/dpi cm,面积为(2.54/dpi)2 cm2。数码相机的分辨率通常用像素的多少来表示。

1.2.1 网格法 摘取叶片后,平铺于1 mm2的标准坐标计算纸上,用削尖的铅笔描出叶片的轮廓,并记上编排的号码。统计叶轮廓所占的小方格数,来获得叶片面积,对于处于图形边缘的不完整方格按面积超过小方格1/2时算一个方格,相反则忽略不计[19]。利用棉线沿标准计算纸上的叶片轮廓绕一圈,将棉线用直尺测量出其长度,得到叶片周长。在标准计算纸上用直尺测量出从叶基到叶尖,不包含叶柄的长度,即叶长和叶片上垂直于主脉方向上的最宽处的長度,即叶宽。

1.2.2 AutoCAD法 打开AutoCAD(Auto Computer Aided Design)软件,新建一个文件,将待测叶片的图像导入CAD中,加载完毕后,调整好图像的大小;将坐标纸上相邻两点之间的距离使用工具栏中的查询工具进行核对,已知坐标纸两点之间的宽度是10 mm,因此用10除以图片上实测距离就是实际图片与CAD界面图像比例;选择要测量的图像,点击修改工具中的缩放命令,将鼠标移动到图像的任意位置选中后在命令栏中输入上面的比例数据,点击回车键就将叶片图像缩放为实际大小。调整完后选择绘图工具沿着叶片的边缘绘制出叶片的形状,由于图片的比例已经确定,所以这时可以随意的缩放图像,绘制完成后在命令栏中输入英文字母“C”闭合多线段结束,随后输入英文字母“O”,按回车键,鼠标移动到所画的轮廓上点击就可以查看叶片的周长和面积。重复以上操作,即可得到待测叶片的实际叶长、叶宽等指标。最后将叶长、叶宽、叶周长及叶面积测得的结果输入到Excel工作表中。

1.2.3 GIS法 打开ArcMap 10.0软件,将待测叶片的图像加载到图层中;打开ArcCatalog新建一个多边形面Polygon的Shapefile文件,并将其添加到图层中;在新建立的面图层中利用ArcMap的编辑工具描绘出每片叶子的形状,同时还有方格形状;终止编辑并进行保存,打开面文件的属性表,在属性表中添加area和length字段;最后利用Calculate Geometry工具计算出叶面积和叶周长的字段值,并更改ID号与叶片编号对应。计算叶面积和叶周长后重复上述步骤,新建一个线图层,画出叶长和叶宽,添加字段进行计算;将所有测量出的叶片信息数据导出,在Excel表格中进行分析计算。

1.3 数据处理与统计

采用AutoCAD 2007软件、ArcMap 10.0软件和Excel 2003软件对所测量的植物叶片信息进行统计分析与数据处理。

2 结果与分析

2.1 拍摄图像对叶面积测定的影响

不同的拍摄分辨率、图像缩放比例和存储格式均会对图像的像素产生一定影响,在使用数码相机进行拍摄的过程中,相机镜头的主光轴与叶片所在的平面夹角会有所不同,会引起照片变形,为了消除这一影响,本研究采用坐标纸作为拍摄背景,确保已知所拍摄叶片和选用的计算系数的来源,从而使拍摄的图片不受数码相机所处位置、景物的远近、图像中叶片的大小等条件限制,在野外很方便,并可以进行活体取材测量。

2.2 网格法、GIS法和AutoCAD法测量的叶片信息比较

通过网格法、GIS法和AutoCAD法测量了50片榕树叶片的面积、周长、叶长和叶宽,由图2可以看出,网格法、GIS法和AutoCAD法测量出来的叶片面积、叶周长、叶长和叶宽的信息均无显著差异,每个数据之间都很接近,差距较小。利用3种不同的方法测得的叶片信息结果相近,表明网格法、GIS法和AutoCAD法测量叶片信息是可行的。

从表1可以看出,采用GIS法提取榕树叶片面积与实际值的相对误差为0.04%~2.99%,平均值为0.55%;叶周长与实际值的相对误差为0.25%~5.98%,平均值为1.21%;叶长与实际值的相对误差为0.03%~8.10%,平均值为1.36%;叶宽与实际值的相对误差为0.10%~8.84%,平均值为2.80%。表明GIS法提取榕树叶片的面积、周长、叶长与叶宽的信息与实际信息较吻合。

利用AutoCAD法提取榕树叶片面积与实际值的相对误差为0.01%~6.73%,平均值为1.31%;叶片周长与实际值的相对误差为0.06%~6.04%,平均值为1.40%;叶长与实际值的相对误差为0.06%~8.34%,平均值为1.42%;叶宽与实际值的相对误差为0.01%~11.57%,平均值为3.20%。表明AutoCAD法提取榕树叶片的面积、周长、叶长与叶宽的信息与实际信息较吻合。

利用叶面积仪测定榕树叶面积,由于机械精度和人为因素的存在,一般测量误差为5%左右[20,21]。GIS法测量叶片的面积、周长、叶长、叶宽和实际叶片信息值相比较,平均相对测量误差分别为0.55%、1.21%、1.36%、2.80%,而AutoCAD法测量的平均相对误差分别为1.31%、1.40%、1.42%、3.20%,均远小于5%,说明这两种方法可适用于叶片形态特征的测量。

2.3 GIS法与AutoCAD方法的比较

分别采用GIS法和AutoCAD法测定榕树叶片的面积、周长、叶长和叶宽等叶片信息,将GIS法与AutoCAD法测量的结果与网格法测量的结果进行比较,用来反映与网格法测量结果的相近程度,以此作为准确性来度量[22]。由表2可看出,GIS法与网格法测定榕树叶片的面积、周长、叶长和叶宽的相关系数分别为0.999 4、0.986 3、0.989 3、0.965 5,而AutoCAD法与网格法的相关系数分别为0.997 2、0.984 8、0.988 3、0.959 8,GIS法和AutoCAD法与网格法所测量的数据之间没有显著差异,但相比较之下GIS法与网格法所测量的数据相关系数更高,由表3可以看出,其样本平均值和标准差没有显著差异,GIS法和AutoCAD法的变异系数也没有显著差异。

2.4 基于GIS建立叶片信息间的回归方程

在GIS的基础上建立叶片信息之间的回归方程,可以通过测量简单的叶长、叶宽来推算出复杂的叶片面积和周长,得到一种快速、简便的测量方法。由图3可知,榕树叶长、叶宽、叶周长、叶长×叶宽与叶面积均为明显的线性正相关关系,其中叶长×叶宽与叶面积的相关性比较明显。采用ArcGIS计算得到的叶面积设为因变量,叶长、叶宽、叶周长以及叶长×叶宽设为自变量进行回归分析,计算得到榕树叶片信息间的回归方程(表4)。拟合度最高的是叶长×叶宽与叶面积的回归方程,R2为0.985 4,拟合度相对比较低的是叶长与叶面积的回归方程,R2为0.879 1。从表4可以看出,叶宽对叶面积的拟合度高于叶长对叶面积的拟合度,这可能是榕树叶子的生态学特性所决定的,也可能是受测量时判定的影响。该方法适用于形状规则的叶片,对于形状不规则叶片的周长、叶宽、叶长、叶面积之间是否也存在相关关系还需要进一步研究。

3 小结与讨论

植物成长发育、果实发育状况的好坏可以通过分析植物的叶片来进行评价,叶片是重要的生理和形态指标。叶片信息测量是否精确直接影响了与叶片有关的形态和生理指标的评价。通过估计榕树有多少片叶子,然后与测量的叶片面积相乘,可估算出一棵树的蒸发量、需要的养分和所能固定的有机物,对植物的种植密度提供依据。本研究分别采用GIS法、网格法和AutoCAD法对50片不同的榕树叶片的面积、周长、叶长和叶宽进行测量。从结果中可以看出,传统的网格法和2种软件法均能准确地测量出叶片信息,但在实际应用的过程中GIS法和AutoCAD法比网格法更简便、准确、迅速。2种软件是通过数码相机获得的,而网格法是以手绘的方式获得的,费时费力。本研究将网格法的叶片测量信息作为实际的叶片信息,用来作为GIS法和AutoCAD法比较的中间值。结果表明,GIS法和AutoCAD法测定的样本平均值较接近。

基于GIS法得到了叶宽、叶长、叶周长、叶长×叶宽与叶面积的函数关系,可通过测量部分叶面积,再用直尺测量出其他叶长与叶宽等值来估测叶面积,可通过这种方法测量不同植物叶片形态的变化规律。但是该方法适用于形状规则的叶片,对于形状不规则的叶片,叶宽、叶长、叶周长和叶面积之间是否也存在相关关系还需要进一步研究。在以网格法测量的叶片信息值作为标准值时,虽然GIS法和AutoCAD法二者的相关系数都很高,变异系数也相近,但相比之下GIS法测量出来的叶面积、叶周长、叶长和叶宽值更接近标准值,相关系数更高。

参考文献:

[1] 张 林,罗天祥.植物叶寿命及其相关叶性状的生态学研究进展[J].植物生态学报,2004,28(6):844-852.

[2] 于守超,张秀省,冀芦莎.基于Photoshop CS5的植物叶面积测定方法[J].湖北农业科学,2012,51(15):3340-3342.

[3] 铁 军,马 婧,金 山,等.濒危植物南方红豆杉的叶面积测定及其相关分析[J].山西大学学报(自然科学版),2012,35(3):581-586.

[4] 宰松梅,温 季,郭冬冬,等.基于支持向量机模型和图像处理技术的甜椒叶面积测定[J].农业工程学报,2011,27(3):237-241.

[5] 刘明池.大白菜功能叶片叶面积测量方法[J].北京农业科学,1995(3):43.

[6] 陈积山,朱瑞芬,张月学.基于GIS在苜蓿叶面积测定中的应用[J].草业科学,2012,29(7):1044-1048.

[7] 李宝光,陶秀花,倪国平,等.扫描像素法测定植物叶面积的研究[J].江西农业学报,2006,18(3):78-81.

[8] 陈智芳,王景雷,宋 妮.GIS空间分析技术在棉花叶面积测定中的应用[J].中国农学通报,2012,28(9):145-149.

[9] 陈贻钊,林清火,张培松,等.基于GIS分析技术的橡胶树叶面积测定[J].林业实用技术,2009(7):62-64.

[10] 吴春胤,张文昭,欧阳庆,等.基于BP神经网络模型的荔枝树叶面积测定方法[J].农业工程学报,2007,23(7):166-169.

[11] 石景荪,左启华,张 涛,等.图像处理技术在唐菖蒲叶面积测定中的应用[J].中国农学通报,2007,23(5):456-460.

[12] 张美海,赵玉如,刘 阳,等.基于用R2V软件和摄像手机测定叶面积的方法[J].山东林业科技,2011,41(6):59-62.

[13] 吳玉德,张 鹏. 基于Mapinfo的树木叶面积测定方法[J].林业调查规划,2005,30(6):23-24.

[14] 杨劲峰,陈 清,韩晓日,等.数字图像处理技术在蔬菜叶面积测量中的应用[J].农业工程学报,2002,18(4):155-158.

[15] 冯冬霞,施生锦.叶面积测定方法的研究效果初报[J].中国农学通报,2005,21(6):150-152,155.

[16] 刘玉华,贾志宽,史纪安,等.GIS空间分析技术在苜蓿叶面积测定中的应用[J].草业学报,2006,15(2):119-123.

[17] 孙雪文,高德武,李日新.基于GIS的植物叶面积的快速精确测定方法[J].水土保持科技情报,2005(2):17-18.

[18] 于 峰,林 杉,张峻峰,等.一种基于图像特征值算法的叶面积测定方法[J].中国农业大学学报,2007,12(4):67-69.

[19] 盛 双,王国聪,颜 权,等.大叶桉叶面积测定方法的比较研究[J].广西林业科学,2011,40(2):140-142.

[20] 冯常虎.棉花叶面积测定方法综述[J].江西棉花,1990(3-4):13-16.

[21] 程 鸿,吕军芬.CAD图形处理技术在植物叶面积测量中的应用[J].甘肃农业大学学报,2003,38(4):467-470.

[22] 柏军华,王克如,初振东,等.叶面积测定方法的比较研究[J].石河子大学学报,2005,23(2):216-218.

 
 
相关阅读
 
推荐图文
推荐资讯

农业技术网版权所有 (c) nongyejs.com All Rights Reserved.
部分文章来源于网友投稿,如有侵权,请联系在线客服处理。