CN103234487A - 植物叶片面积及叶片表面病斑面积的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种植物叶片面积及叶片表面病斑面积的测量方法，旨在克服由于植物叶片边缘不平滑或植物叶片表面病斑形状复杂、数量较多，导致植物叶片及叶片表面病斑面积的测量困难，甚至难以测量的问题。步骤如下：1.在已知面积的白纸板上放置带有病斑的植物叶片并使植物叶片平整，利用处于白纸板和带有病斑的植物叶片正上方的数码相机将白纸板和植物叶片拍摄出一个画面的图像。2.采用Photoshop软件处理图像：在Photoshop软件中打开图像；分别存储图像中白色部分、健康部分和病斑部分三通道；读取白色部分、健康部分和病斑部分三通道的像素值。3.根据像素比等于面积比及白纸板的面积计算植物叶片面积及叶片表面病斑面积。
Description
技术领域
本发明涉及一种植物叶片面积的测量方法，更具体地说，本发明涉及一种植物叶片面积及叶片表面病斑面积的无损测量方法。
背景技术
植物叶片是植物进行光合作用的主要器官。在受到病害威胁时，植物叶片表面病斑直接影响着植物的光合过程。同时，叶片表面病斑的大小也常作为植物病害等级的划分依据。目前国内外对叶片面积及叶片表面病斑面积的测量方法，主要有方格法、剪纸法、叶面积仪法以及软件分析法。
方格法和剪纸法的费用低，方法简单，但是方格法费时、费力，并且存在较大的人为误差，剪纸法在一定程度上受到材料的均一性的制约，并且当叶片边缘不平滑，病斑数量较多，形状复杂时，按照此法，剪纸困难，难以完成测量。叶面积仪法虽然能够快速准确的测量叶面积，操作简单，但是价格昂贵，而且对叶片表面的病斑面积无法完成测量。而软件分析法往往采用专业的测量装置及相应的分析软件，需要专业的操作，并且需要购买。
例如：中国专利公告号为CN101799283B，公告日为2011.06.22，专利申请号为201010137040.2，发明名称为《阔叶植物叶面积的无损测量方法》，该案采用剪纸称重的方法计算得到叶片的面积。由于植物叶片边缘可能不平滑，叶片表面病斑可能不止一个或几个，很可能有多个，而且形状复杂，大小不等，导致剪纸困难。因此，这种方法只适用于阔叶植物边缘平滑的叶片面积及叶片表面形状规则，面积较大，数量较少的病斑面积的测量。
中国专利公告号为CN101726267B，公告日为2011.04.27，专利申请号为200910265908.4，发明名称《一种活体叶面积测试仪及其测试叶面积的方法》，该案中采用垫板、盖板、壳体、纵向脉冲发生器、光电传感器、薄膜按键和测绳所组成的叶面积测试仪，还采用较多的配套模块，费用相对较高，过程相对繁琐，在测量效率方面有一定的不足，并且不能完成叶片表面病斑面积的测量。
中国专利公告号为CN102214306B，公告日为2013.01.30，专利申请号为201110162727.6，发明名称为《叶片病斑识别方法及装置》，该案通过图像获取单元、图像处理识别单元和显示单元构成叶片病斑识别装置。通过获取复杂背景下含有叶片病斑的图像；分析整体图像的颜色特征并简化背景；提取某一颜色通道分量若干病斑区域及背景区域的膜内区，对每个膜内区进行纹理特征提取，并与不同区域里的颜色特征分量共同构成待选特征向量；优化待选特征向量的权重值；对优化后的特征向量进行特征维的选择；对优化的特征空间聚类。过程复杂，需要专业的操作人员才能完成。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题是克服现有技术存在的由于植物叶片边缘不平滑或由于叶片表面病斑形状复杂、数量较多，导致叶片面积及叶片表面病斑面积的测量过程操作复杂，甚至难以测量的问题。提供了一种植物叶片面积及叶片表面病斑面积的无损测量方法。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的植物叶片面积及叶片表面病斑面积的测量方法的步骤如下：
1）利用数码相机采集图像：
（1）将已知长为a宽为b的长方形的白纸板放到置于水平放置的底部垫板（1）上；
（2）将被测的带有病斑的植物叶片置于白纸板上；
（3）将数码相机放在白纸板和带有病斑的植物叶片的正上方，将白纸板和被测的植物叶片清晰地拍摄出一个画面的图像；
（4）将拍摄好的带有白纸板和被测的植物叶片的图像导入到计算机中。
2）采用Photoshop软件处理图像：
（1）将拍照好的带有白纸板和带有病斑的被测的植物叶片的图像在Photoshop中打开；
（2）分别存储图像中的白色部分、健康部分和病斑部分三个通道；
（3）读取白色部分、健康部分和病斑部分三个通道的像素数：P1、P2与P3。
3）计算植物叶片的面积及叶片表面病斑的面积：
（1）计算长方形的白纸板的面积S′：
S′=a×b；
（2）计算照片中白色部分、健康部分和病斑部分的像素数之和P：
P=P1+P2+P3;
（3）计算白色部分、健康部分和病斑部分的实际面积之和S，白色部分、健康部分和病斑部分的实际面积之和S即为白纸板面积：
S=S′=a×b；
（4）根据像素数比等于面积比，计算植物叶片的面积，植物叶片的面积即为健康部分面积S2和病斑部分面积S3之和S2+S3：
S2+S3=（P2+P3）/P×S；
（5）计算植物叶片表面病斑面积S3：
S3=P3/P×S。
技术方案中所述的底部垫板要与白纸板的颜色存在明显反差，并不与植物叶片和叶片表面病斑的颜色相同或相近，白纸板的面积根据植物叶片的面积调整大小，白纸板的面积大于植物叶片的面积，底部垫板的面积大于白纸板的面积。
技术方案中所述的被测的植物叶片的表面上放置有一个使植物叶片平整的透明盖板，透明盖板的面积大于白纸板的面积小于底部垫板的面积。
技术方案中所述的分别存储图像中的白色部分、健康部分和病斑部分三个通道的步骤如下：
1）利用魔棒工具点击图像中的白纸板区域，选择消除锯齿选项与连续选项，使颜色为白色的相邻区域均被选中，在0～255范围内设置适当的容差，使蚂蚁线在植物叶片的边缘和白纸板的边缘形成，如果选择区域与实际有偏差，可以通过shift或alt键来增加或删除选择区域，点击选择-存储选区，设置所选区域名称为“白色部分”；
2）利用魔棒工具点击图像中的带有病斑的植物叶片的健康部分，选择消除锯齿选项与连续选项，使具相近颜色的所有区域均被选中，在0～255范围内设置容差的数值，使蚂蚁线在植物叶片的边缘和叶片表面病斑的边缘形成，如果选择区域与实际有偏差，可以通过shift或alt键来增加或删除选择区域，点击选择-存储选区，设置所选区域名称为“健康部分”；
3）利用魔棒工具点击图像中的带有病斑的植物叶片的具有典型颜色的叶片表面病斑，选择消除锯齿选项与连续选项，使具有相近颜色的所有区域均被选中，在0～255范围内设置容差的数值，使蚂蚁线在植物叶片上所有的叶片表面病斑的边缘形成，如果选择区域与实际有偏差，可以通过shift或alt键来增加或删除选择区域，点击选择-存储选区，设置所选区域名称为“病斑部分”。
技术方案中所述的读取白色部分、健康部分和病斑部分三个通道的像素数的步骤如下：
1）点击选择-载入选区，通道选择“白色部分”，点击确定，此时在Photoshop软件窗口中出现“白色部分”的图样，点击图像-直方图，读取照片中白色区域的像素数P1；
2）点击选择-载入选区，通道选择“健康部分”，点击确定，此时在Photoshop软件窗口中出现“健康部分”的图样，点击图像-直方图，读取照片中健康区域的像素数P2；
3）点击选择-载入选区，通道选择“病斑部分”，点击确定，此时在Photoshop软件窗口中出现“病斑部分”的图样，点击图像-直方图，读取照片中病斑区域的像素数P3。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1.本发明所述的植物叶片面积及叶片表面病斑面积的测量方法能够对植物叶片及其表面病斑面积无损，快速测量出来。
2.本发明所述的植物叶片面积及叶片表面病斑面积的测量方法适用范围广泛，适用于多种阔叶植物叶片及其表面病斑面积的测量，不受叶片形状及叶片边缘平滑程度的制约，更不受病斑的数量及分布的制约，尤其克服了病斑面积较小，形状复杂等给测量带来的困难。
3.本发明所述的植物叶片面积及叶片表面病斑面积的测量方法采用数码相机来协助完成测量，过程中不需了解数码相机的内部参数。同时，测量过程中也不受其它材料，仪器的限制。
4.本发明所述的植物叶片面积及叶片表面病斑面积的测量方法对采集的图像进行分析，采用白纸板面积作为相对量进行计算，所采集的图像中植物叶片的大小不会影响数据的准确。
5.本发明所述的植物叶片面积及叶片表面病斑面积的测量方法仅使用Photoshop中的魔棒选择工具和图片存取功能，读取像素数即可，操作简单、方便，速度快，而且数据准确。
6.本发明所述的植物叶片面积及叶片表面病斑面积的测量方法使用数码相机、白纸板和计算机即可完成，成本较低，在农业科研和生产中可以广泛应用。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1本发明所述的植物叶片面积及叶片表面病斑面积的测量方法的流程框图；
图2本发明所述的植物叶片面积及叶片表面病斑面积的测量方法的采集图像的示意图；
图3本发明所述的植物叶片面积及叶片表面病斑面积的测量方法的图像中白色区域选择示意图
图4本发明所述的植物叶片面积及叶片表面病斑面积的测量方法的图像中健康区域选择示意图；
图5本发明所述的植物叶片面积及叶片表面病斑面积的测量方法的图像中病斑区域选择示意图；
图中：1.底部垫板，2.透明盖板，3.白纸板，4.植物叶片，5.叶片表面病斑。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
在自然状态下生长的阔叶植物叶片常常不是完全处于一个水平面上，很多都是处于弯曲的状态，整个叶片在一个弧形面上。这给测量叶片面积及其表面病斑面积带来了很大困难，而传统的测量方法又存在各自的缺陷。
本发明所述的植物叶片面积及叶片表面病斑面积的测量方法具体步骤如下：
1.利用数码相机采集图像：
1）参阅图2，将一张已知长为a，宽为b的长方形的白纸板3放到置于水平平面的底部垫板1上，底部垫板1要与白纸板3的颜色存在明显反差，并且不要与植物叶片4或叶片表面病斑5的颜色相同或相近，白纸板3的面积可根据植物叶片4的面积调整大小，要求大于植物叶片4的面积。
2）将被测的带有病斑的植物叶片4置于白纸板3上，为了保证植物叶片4平整，在被测的植物叶片4的表面上放置有一定硬度的透明盖板2，透明盖板2的面积大于白纸板3的面积小于底部垫板1的面积。
3）将数码相机放在白纸板3和带有病斑的植物叶片4的正上方，将白纸板3和被测的植物叶片4清晰的拍摄出一个画面的图像。
4）将拍摄好的带有白纸板3和被测的植物叶片4的图像导入到计算机中。
2.采用Photoshop软件处理图像：
1）在Photoshop软件中打开图像
打开Photoshop软件，点击工具栏中的文件-打开，选择所要处理的图像，将拍照好的带有白纸板3和带有病斑的被测的植物叶片4的图像在Photoshop中打开。
2）分别存储图像中的白色部分、健康部分和病斑部分三个通道
（1）参阅图3，利用魔棒工具点击图像中的白纸板3区域，选择消除锯齿选项与连续选项，使颜色为白色的相邻区域均被选中。在0～255范围内设置适当的容差，使蚂蚁线在植物叶片4的边缘和白纸板3的边缘形成，如果选择区域与实际有偏差，可以通过shift或alt键来增加或删除选择区域。点击选择-存储选区，设置所选区域名称为“白色部分”。
（2）参阅图4，利用魔棒工具点击图像中的带有病斑的植物叶片4的健康部分，选择消除锯齿选项与连续选项，使具相近颜色的所有区域均被选中。在0～255范围内设置容差的数值，使蚂蚁线在植物叶片4的边缘和叶片表面病斑5的边缘形成，如果选择区域与实际有偏差，可以通过shift或alt键来增加或删除选择区域。点击选择-存储选区，设置所选区域名称为“健康部分”。
（3）参阅图5，利用魔棒工具点击图像中的带有病斑的植物叶片4的具有典型颜色的叶片表面病斑5，选择消除锯齿选项与连续选项，使具有相近颜色的所有区域均被选中。在0～255范围内设置容差的数值，使蚂蚁线在植物叶片4上所有的叶片表面病斑5的边缘形成，如果选择区域与实际有偏差，可以通过shift或alt键来增加或删除选择区域。点击选择-存储选区，设置所选区域名称为“病斑部分”。
3）读取白色部分、健康部分和病斑部分三个通道的像素数
（1）在Photoshop软件中点击选择-载入选区，通道选择“白色部分”，点击确定，此时在Photoshop软件窗口中出现“白色部分”的图样。点击图像-直方图，读取照片中白色区域的像素数P1。
（2）在Photoshop软件中点击选择-载入选区，通道选择“健康部分”，点击确定，此时在Photoshop软件窗口中出现“健康部分”的图样。点击图像-直方图，读取照片中健康区域的像素数P2。
（3）在Photoshop软件中点击选择-载入选区，通道选择“病斑部分”，点击确定，此时在Photoshop软件窗口中出现“病斑部分”的图样。点击图像-直方图，读取照片中病斑区域的像素数P3。
3.计算植物叶片的面积及叶片表面病斑的面积：
1）计算长方形的白纸板3的面积S′：
S′=a×b；
2）计算照片中白色部分、健康部分和病斑部分的像素数之和P：
P=P1+P2+P3;
3）计算白色部分、健康部分和病斑部分三个区域的实际面积之和S。因为植物叶片4置于白纸板3上，所以三个区域的实际面积之和S即为白纸板面积：
S=S′=a×b；
4）根据像素数比等于面积比，计算植物叶片4的面积，植物叶片4的面积即为健康部分面积S2和病斑部分面积S3之和S2+S3：
S2+S3=（P2+P3）/P×S；
5）计算植物叶片表面病斑面积S3：
S3=P3/P×S。
实施例：
1.利用数码相机采集图像：
1）参阅图2，本发明所述的植物叶片面积及叶片表面病斑面积的测量方法采用底部垫板1将自然状态下生长的叶片垫起，底部垫板1的表面上固定有a×b=21.00cm×14.85cm的白纸板3，底部垫板1的面积大于白纸板3面积，且底部垫板1的颜色与白纸板3、植物叶片4表面健康部分及病斑部分的颜色存在明显差别。白纸板3的面积大于植物叶片4的面积。
2）被测带有病斑的植物叶片4平铺于白纸板3上，为了保证植物叶片4平整，在被测的植物叶片4的表面放置一个硬质、塑料材质的平整的透明盖板2。
3）将数码相机放在白纸板3和带有病斑的植物叶片4的正上方，将白纸板3和被测的植物叶片4清晰地拍摄出一个画面的图像。
将拍摄好的带有白纸板3、有病斑的被测的植物叶片4的图像导入到计算机中。
2.采用Photoshop软件处理图像：
1）在Photoshop软件中打开图像
将存入计算机中的带有白纸板3、有病斑的被测的植物叶片4的图像在Photoshop软件中打开。具体操作为：打开Photoshop软件，点击文件-打开，选择所要处理的图像，将拍照好的带有白纸板3、有病斑的被测的植物叶片4的图像导入到Photoshop软件中。
2）分别存储图像中的白色部分、健康部分和病斑部分三个通道
（1）参阅图3，利用魔棒工具点击图像中的白纸板3区域，选择消除锯齿选项与连续选项，使颜色为白色的相邻区域均被选中。在0～255范围内设置适当的容差，使蚂蚁线在植物叶片4边缘和白纸板3边缘形成，如果选择区域与实际有偏差，可以通过shift或alt键来增加或删除选择区域。点击选择-存储选区，设置所选区域名称为“白色部分”。
（2）参阅图4，利用魔棒工具点击图像中的带有病斑的植物叶片4的健康部分，选择消除锯齿选项与连续选项，使具相近颜色的所有区域均被选中。在0～255范围内设置容差的数值，使蚂蚁线在植物叶片4边缘和叶片表面病斑5的边缘形成，如果选择区域与实际有偏差，可以通过shift或alt键来增加或删除选择区域。点击选择-存储选区，设置所选区域名称为“健康部分”。
（3）参阅图5，利用魔棒工具点击图像中的带有病斑的植物叶片的具有典型颜色的病斑部分，选择消除锯齿选项与连续选项，使具有相近颜色的所有区域均被选中。在0～255范围内设置容差的数值，使蚂蚁线在植物叶片4上所有病斑的边缘形成，如果选择区域与实际有偏差，可以通过shift或alt键来增加或删除选择区域。点击选择-存储选区，设置所选区域名称为“病斑部分”。
3）提取白色部分、健康部分和病斑部分三个通道的像素数：
（1）在Photoshop软件中点击选择-载入选区，通道选择“白色部分”，点击确定，此时在Photoshop软件窗口中出现“白色部分”的图样。点击图像-直方图，读取照片中白色区域的像素数P1，P1=176126。
（2）在Photoshop软件中点击选择-载入选区，通道选择“健康部分”，点击确定，此时在Photoshop软件窗口中出现“健康部分”的图样。点击图像-直方图，读取照片中健康区域的像素数P2，P2=15930。
（3）在Photoshop软件中点击选择-载入选区，通道选择“病斑部分”，点击确定，此时在Photoshop软件窗口中出现“病斑部分”的图样。点击图像-直方图，读取照片中病斑区域的像素数P3，P3=836。
3.计算植物叶片的面积及叶片表面病斑的面积
1）计算白纸板3的面积S′：
S′=a×b=21.00×14.85=311.85（cm2）；
2）计算图像中白色部分、健康部分和病斑部分的像素数之和P：
P=P1+P2+P3=176126+15930+836=192892;
3）计算白色部分、健康部分和病斑部分三个区域的实际面积之和S，三个区域的实际面积之和S即为白纸板3的面积：
S=S′=a×b=21.00×14.85=311.85（cm2）；
4）根据像素数比等于面积比，计算植物叶片4的面积，植物叶片（4）的面积即为健康部分面积S2和病斑部分面积S3之和S2+S3：
S2+S3=（P2+P3）/P×S=(15930+836)/192892×311.85≈27.11（cm2）；
5）计算植物叶片4表面病斑面积S3：
S3=P3/P×S=836/192892×311.85≈1.35（cm2）。
Claims (5)
1.一种植物叶片面积及叶片表面病斑面积的测量方法，其特征在于，所述的植物叶片面积及叶片表面病斑面积的测量方法的步骤如下：
1）利用数码相机采集图像：
（1）将已知长为a宽为b的长方形的白纸板（3）放到置于水平放置的底部垫板（1）上；
（2）将被测的带有病斑的植物叶片（4）置于白纸板（3）上；
（3）将数码相机放在白纸板（3）和带有病斑的植物叶片（4）的正上方，将白纸板（3）和被测的植物叶片（4）清晰的拍摄出一个画面的图像；
（4）将拍摄好的带有白纸板（3）和被测的植物叶片（4）的图像导入到计算机中；
2）采用Photoshop软件处理图像：
（1）将拍照好的带有白纸板（3）和带有病斑的被测的植物叶片（4）的图像在Photoshop中打开；
（2）分别存储图像中的白色部分、健康部分和病斑部分三个通道；
（3）读取白色部分、健康部分和病斑部分三个通道的像素数：P1、P2与P3；
3）计算植物叶片的面积及叶片表面病斑的面积：
（1）计算长方形的白纸板（3）的面积S′：
S′=a×b；
（2）计算照片中白色部分、健康部分和病斑部分的像素数之和P：
P=P1+P2+P3;
（3）计算白色部分、健康部分和病斑部分的实际面积之和S，白色部分、健康部分和病斑部分的实际面积之和S即为白纸板面积：
S=S′=a×b；
（4）根据像素数比等于面积比，计算植物叶片（4）的面积，植物叶片（4）的面积即为健康部分面积S2和病斑部分面积S3之和S2+S3：
S2+S3=（P2+P3）/P×S；
（5）计算植物叶片表面病斑面积S3：
S3=P3/P×S。
2.按照权利要求1所述的植物叶片面积及叶片表面病斑面积的测量方法，其特征在于，所述的底部垫板（1）要与白纸板（3）的颜色存在明显反差，并不与植物叶片（4）和叶片表面病斑（5）的颜色相同或相近，白纸板（3）的面积根据植物叶片（4）的面积调整大小，白纸板（3）的面积大于植物叶片（4）的面积，底部垫板（1）的面积大于白纸板（3）的面积。
3.按照权利要求1所述的植物叶片面积及叶片表面病斑面积的测量方法，其特征在于，所述的被测的植物叶片（4）的表面上放置有一个使植物叶片（4）平整的透明盖板（2），透明盖板（2）的面积大于白纸板（3）的面积小于底部垫板（1）的面积。
4.按照权利要求1所述的植物叶片面积及叶片表面病斑面积的测量方法，其特征在于，所述的分别存储图像中的白色部分、健康部分和病斑部分三个通道的步骤如下：
1）利用魔棒工具点击图像中的白纸板（3）区域，选择消除锯齿选项与连续选项，使颜色为白色的相邻区域均被选中，在0～255范围内设置适当的容差，使蚂蚁线在植物叶片（4）的边缘和白纸板（3）的边缘形成，如果选择区域与实际有偏差，可以通过shift或alt键来增加或删除选择区域，点击选择-存储选区，设置所选区域名称为“白色部分”；
2）利用魔棒工具点击图像中的带有病斑的植物叶片（4）的健康部分，选择消除锯齿选项与连续选项，使具相近颜色的所有区域均被选中，在0～255范围内设置容差的数值，使蚂蚁线在植物叶片（4）的边缘和叶片表面病斑（5）的边缘形成，如果选择区域与实际有偏差，可以通过shift或alt键来增加或删除选择区域，点击选择-存储选区，设置所选区域名称为“健康部分”；
3）利用魔棒工具点击图像中的带有病斑的植物叶片（4）的具有典型颜色的叶片表面病斑（5），选择消除锯齿选项与连续选项，使具有相近颜色的所有区域均被选中，在0～255范围内设置容差的数值，使蚂蚁线在植物叶片（4）上所有的叶片表面病斑（5）的边缘形成，如果选择区域与实际有偏差，可以通过shift或alt键来增加或删除选择区域，点击选择-存储选区，设置所选区域名称为“病斑部分”。
5.按照权利要求1所述的植物叶片面积及叶片表面病斑面积的测量方法，其特征在于，所述的读取白色部分、健康部分和病斑部分三个通道的像素数的步骤如下：
1）点击选择-载入选区，通道选择“白色部分”，点击确定，此时在Photoshop软件窗口中出现“白色部分”的图样，点击图像-直方图，读取照片中白色区域的像素数P1；
2）点击选择-载入选区，通道选择“健康部分”，点击确定，此时在Photoshop软件窗口中出现“健康部分”的图样，点击图像-直方图，读取照片中健康区域的像素数P2；
3）点击选择-载入选区，通道选择“病斑部分”，点击确定，此时在Photoshop软件窗口中出现“病斑部分”的图样，点击图像-直方图，读取照片中病斑区域的像素数P3。
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