CN108680513B - 植物叶绿素测定方法及提取装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了植物叶绿素测定方法，依据叶绿素提取液图像测定植物叶绿素含量，包括以下步骤：对叶绿素提取液图像进行预处理；对预处理后图像构建区域链；对初步构建区域链进行降噪处理；定义有效区域，根据有效区域重新计算有效区域链；加载叶绿素提取液图像，计算有效区域内的G、L值；计算曝光强弱参数，依据曝光强弱参数选取经验函数计算叶绿素含量。还公开了叶绿素提取装置。本发明适宜于批量快速测定；结合标准值的测定，减少了系统性误差；本发明不受光谱测定仪的限制，不受测试的时空限制；没有分光光度仪的情况下照样可以观测植物叶片叶绿素的含量，更加适合叶绿素与其他色素的混合样品的测定。本发明测试成本低廉，方法简便，易于操作。
Description
技术领域
本发明涉及叶绿素检测技术领域，尤其是一种植物叶绿素测定方法、叶片叶绿素提取和RGB图片拍摄装置。
背景技术
叶绿素的测定是衡量植物生长状态的重要指标。人们对植物叶绿素的估测方法从肉眼目测的定性估测到比色分析的定量解析，从化学分析再到光谱分析等不断地完善。
目前叶绿素含量的定量测定采用光谱分析测定方法较为普遍。该方法基于色素透光度的测定原理，具有方便可靠的长处，更加适合绿色植物叶片的叶绿素含量测定。然而，对于一些既有叶绿素又有花色素、叶黄素、花青素的混色叶片而言，基于透光度分析的光谱法往往受其他色素的干扰和影响。结果往往使得一些红黄或紫色叶片的叶绿素含量甚至高于那些浓绿的叶片。此外，也是较为关键的问题是光谱分析法需要特定的光谱分析仪，在特定的环境下测定，不利于进行大量的实地观测。
发明内容
本发明的目的是提供一种植物叶绿素测定方法及提取装置，不依赖于光谱分析仪、不受其他色素影响而且简易快捷的测定叶绿素含量。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明第一发明提供了一种植物叶绿素测定方法，依据叶绿素提取液RGB 图像测定植物叶绿素含量，包括以下步骤：
对叶绿素提取液图像进行预处理；
对预处理后图像构建区域链；
对初步构建区域链进行降噪处理；
定义有效区域，根据有效区域重新计算有效区域链；
加载叶绿素提取液的图像，计算有效区域内的G、L值；
计算曝光强弱参数，依据曝光强弱参数选取经验函数计算叶绿素含量。
结合第一方面，在第一方面第一种可能的实现方式中，所述对叶绿素提取液图像进行预处理步骤之前，还包括：提取叶片叶绿素，获得充分浸出的叶绿素提取液，获取叶绿素提取液图像数据。
结合第一方面，在第一方面第二种可能的实现方式中，所述对叶绿素提取液图像进行预处理，具体包括：
将叶绿素提取液图像RGB色彩数据进行灰度化处理；
以灰度化处理后图像的灰度均值作为域值进行二值化，获取二值化图像。
结合第一方面，在第一方面第三种可能的实现方式中，所述对预处理后图像构建区域链，具体包括：
以预处理图像横向的中心线为参照，以中心线上相邻像素点色彩一致则属于同一区域为依据，构建区域链。
结合第一方面，在第一方面第四种可能的实现方式中，所述对初步构建区域链进行降噪处理，具体包括：
以初步构建的区域链为基础，选择叶绿素提取液杯、壁对应区域链中最宽区域链的1/2为阈值，合并小于阈值的区域到相邻的小于阈值但较大的区域中，降低噪点的影响。
结合第一方面，在第一方面第五种可能的实现方式中，所述定义有效区域，根据有效区域重新计算有效区域链，具体包括：
对降噪处理后的区域链进行区域链内叶绿素分析区域与杯壁的交替区域链宽度的比较；
计算得到降噪处理后区域链中叶绿素分析区域、杯壁差别最小的区域；获取差别最小的区域宽度，与前后相邻区域宽度比较，确定差别最小区域是杯壁还是叶绿素分析区域，如果是杯壁，那么取它前面的区域线段为有效区域代表；如果是叶绿素分析区域，那么以它为有效区域代表；
对选取的有效区域代表进行比例缩小，根据叶绿素分析区域与杯壁交替出现的规律，确定降噪处理后有效区域、有效区域间隔分布数据；
以有效区域代表为中心，向左右两侧依次计算有效区域链：如果边界处不能容下一个完整的有效区域，则舍弃，不作为被分析的区域，以该区域链作为原始色彩数据分析区域链。
结合第一方面，在第一方面第六种可能的实现方式中，所述加载叶绿素提取液图像，计算有效区域内的G、L值，具体包括：
重新装载叶绿素提取液图像的原始色彩数据，并根据原始色彩数据分析区域链的有效区域数据，对每个有效区域进行色彩数据的分析，计算出该有效区域的G、L数值，其中，G为有效区域内像素点颜色中绿色值的均值；L为有效区域内像素点亮度的均值，即像素点的亮度值，由其R、G、B色彩值计算，具体公式为：L＝R*0.299+G*0.587+B*0.114。
结合第一方面，在第一方面第七种可能的实现方式中，所述计算曝光强弱参数，依据曝光强弱参数选取经验函数计算叶绿素含量，具体包括：
根据有效区域的G、L数值，按照公式Bgcs＝(G/L)*((G+L)/2)计算曝光强弱参数，依据Bgcs的数值范围判定曝光过度、曝光正常、曝光不足，并代入对应的经验函数曲线模型，获得叶绿素含量值。
本发明第二方面提供了叶绿素提取装置，包括若干个并列排列的长×宽×高为10mm×10mm×40mm的透明玻璃比色杯及叶片冲孔器；每只比色杯分别配备一密封顶盖；所述比色杯的边缘涂成红色。
进一步地，还包括10ml离心管。
发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
本发明通过RGB色彩系统的G和L之比值的测定，建立G/L值与实测叶绿素含量之间的线性函数关系。以对应的函数关系式来估测叶片单位面积 (mg/m2)或单位重量(mg/g)叶绿素含量。适宜于批量快速测定；使用该方法一次可以测定10几个样品或者更多样品的叶绿素含量；结合标准值的测定，减少了系统性误差，可以保持一定的测试精度；本发明不受光谱测定仪的限制，不受测试的时空限制；没有分光光度仪的情况下照样可以观测植物叶片叶绿素的含量，更加适合叶绿素与其他色素的混合样品的测定。本发明测试成本低廉，方法简便，易于操作。
附图说明
图1是本发明实施例一方法流程图；
图2是本发明G/L值与叶绿素含量的线性经验函数曲线图；
图3是本发明22种温带常绿乔灌木和多年生热带观赏草本植物RGB图像叶绿素含量预测值与光谱分析仪测定值的相关性示意图；
图4是叶绿素提取装置示意图；
其中，1、透明玻璃比色杯，2、叶片冲孔器，3、密封顶盖，4、10ml离心管，5、叶片圆盘。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
实施例一
如图1所示，植物叶绿素测定方法，依据叶绿素提取液图像测定植物叶绿素含量，包括以下步骤：
S1、对叶绿素提取液图像进行预处理；
S2、对预处理后图像构建区域链；
S3、对初步构建区域链进行降噪处理；
S4、定义有效区域，根据有效区域重新计算有效区域链；
S5、加载叶绿素提取液图像，计算有效区域内的G、L值；
S6、计算曝光强弱参数，依据曝光强弱参数选取经验函数计算叶绿素含量。
实施例二
植物叶绿素测定方法，包括以下步骤：
S11、提取叶片叶绿素，获得充分浸出的叶绿素提取液，获取叶绿素提取液图像数据。
提取叶片叶绿素，获得充分浸出的叶绿素提取液，获取叶绿素提取液图像数据，具体包括：采集3-10片待测植物的正常成熟叶片，应用叶片冲孔器2 打取直径为1mm的叶片圆盘5共计10片(或者666.6mg)置入叶绿素提取装置，加入4ml 95％乙醇(或80％丙酮或加温二甲基亚凡(DMSO))，提取48(或 24或4小时)小时。待叶片完全变白摇匀、静止后进行RGB图像拍摄。
使用CCD单反、普通数码相机或手机拍摄RGB图像，拍摄时应以白色墙壁或打印纸为背景。尽量在散射光环境下拍摄，避免逆光或蓝色天空为背景。如果不得已在逆光或蓝色天空下拍得RGB图像，应以相应的标准函数为参照曲线。
如图2所示，依据在室内自然散射光线和阳光直射环境的试验研究，制定出系列G/L值与叶绿素含量的线性经验函数曲线，二者的相关性达98％-99％或更高。不仅如此，应用这些函数，对温带常绿乔灌木和多年生热带观赏草本植物(总共22种)的叶绿素含量进行预测，结果预测精度在97％-98％之间如图3所示。
S12、将叶绿素提取液图像RGB色彩数据进行灰度化处理；以灰度化处理后图像的灰度均值作为域值进行二值化，获取二值化图像。
S13、以预处理图像横向的中心线为参照，以中心线上相邻像素点色彩一致则属于同一区域为依据，构建区域链。
S14、以初步构建的区域链为基础，选择叶绿素提取液杯壁对应区域链中最宽区域链的1/2为阈值，合并小于阈值的区域到相邻的小于阈值而比较大的区域中，降低噪点的影响。
S151、对降噪处理后的区域链进行区域链内叶绿素分析区域与杯壁的交替区域链宽度的比较。
S152、计算得到降噪处理后区域链中叶绿素分析区域、杯壁差别最小的区域链。
S153、获取差别最小的区域宽度，与前后相邻区域宽度比较，确定差别最小区域是杯壁还是叶绿素分析区域，如果是杯壁，那么取它前面的区域线段为有效区域代表；如果是叶绿素分析区域，那么以它为有效区域代表。
S154、对选取的有效区域代表进行比例缩小，根据叶绿素分析区域与杯壁交替出现的规律，确定降噪处理后有效区域、有效区域间隔分布数据。
S155、以有效区域代表为中心，向左右两侧依次计算有效区域链：如果边界处不能容下一个完整的有效区域，则舍弃，不作为被分析的区域，以该区域链作为原始色彩数据分析区域链。
S16、重新装载叶绿素提取液图像的原始色彩数据，并根据原始色彩数据分析区域链的有效区域数据，对每个有效区域进行色彩数据的分析，计算出该有效区域的G、L数值，其中，G为有效区域内像素点颜色中绿色值的均值； L为有效区域内像素点亮度的均值，即像素点的亮度值，由其R、G、B色彩值计算，具体公式为：L＝R*0.299+G*0.587+B*0.114。
S17、根据有效区域的G、L数值，按照公式Bgcs＝(G/L)*((G+L)/2)计算曝光强弱参数，依据Bgcs的数值范围判定曝光过度、曝光正常、曝光不足，并代入对应的经验函数曲线模型，获得叶绿素含量值。如附图2所示，为曝光正常情形下带入的经验函数曲线模型。
实施例三
实施例三与实施例二不同地方在于提取叶片叶绿素，获得充分浸出的叶绿素提取液，获取叶绿素提取液图像数据的具体步骤，其余相同，包括：
采集3-10片待测植物的正常成熟叶片，应用叶片冲孔器2打取直径为 1mm的叶片圆盘5共计10片(或者666.6mg)，将打取的叶片圆盘10片(或者666.6mg)置入10ml离心管4中，加入4ml 95％乙醇(或80％丙酮或加温二甲基亚凡(DMSO))，提取48(或24或4小时)小时。待叶片完全变白摇匀、静止后倒入叶绿素提取装置进行RGB图像拍摄。
如图4所示，叶绿素提取装置，包括若干个并列排列的长×宽×高为10mm ×10mm×40mm的透明玻璃比色杯1及叶片冲孔器2；每只比色杯分别配备一密封顶盖3；所述比色杯的边缘涂成红色。还包括10ml离心管4。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (7)
1.植物叶绿素测定方法，依据叶绿素提取液RGB图像测定植物叶绿素含量，其特征是，包括以下步骤：
对叶绿素提取液图像进行预处理；
对预处理后图像构建区域链，具体包括：以预处理图像横向的中心线为参照，以中心线上相邻像素点色彩一致则属于同一区域为依据，构建区域链；
对初步构建区域链进行降噪处理；
定义有效区域，根据有效区域重新计算有效区域链，其中，有效区域为区域链内的杯壁前面的区域线段或叶绿素分析区域，有效区域链为以有效区域代表为中心，向左右两侧依次计算获取：如果边界处不能容下一个完整的有效区域，则舍弃，不作为被分析的区域，以该区域链作为原始色彩数据分析区域链；
加载叶绿素提取液图像，计算有效区域内的G、L值；
计算曝光强弱参数,曝光强弱参数表达式具体是Bgcs＝(G/L)*((G+L)/2)，依据曝光强弱参数选取经验函数计算叶绿素含量。
2.如权利要求1所述的植物叶绿素测定方法，其特征是，所述对叶绿素提取液图像进行预处理步骤之前，还包括：提取叶片叶绿素，获得充分浸出的叶绿素提取液，获取叶绿素提取液图像数据。
3.如权利要求1所述的植物叶绿素测定方法，其特征是，所述对叶绿素提取液图像进行预处理，具体包括：
将叶绿素提取液图像RGB色彩数据进行灰度化处理；
以灰度化处理后图像的灰度均值作为域值进行二值化，获取二值化图像。
4.如权利要求1所述的植物叶绿素测定方法，其特征是，所述对初步构建区域链进行降噪处理，具体包括：
以初步构建的区域链为基础，选择叶绿素提取液杯壁对应区域链中最宽区域链的1/2为阈值，合并小于阈值的区域到相邻的小于阈值而比较大的区域中，降低噪点的影响。
5.如权利要求4所述的植物叶绿素测定方法，其特征是，所述定义有效区域，根据有效区域重新计算有效区域链，具体包括：
对降噪处理后的区域链进行区域链内叶绿素分析区域与杯壁的交替区域链宽度的比较；
计算得到降噪处理后区域链中叶绿素分析区域、杯壁差别最小的区域；获取差别最小的区域宽度，与前后相邻区域宽度比较，确定差别最小区域是杯壁还是叶绿素分析区域，如果是杯壁，那么取它前面的区域线段为有效区域代表；如果是叶绿素分析区域，那么以它为有效区域代表；
对选取的有效区域代表进行比例缩小，根据叶绿素分析区域与杯壁交替出现的规律，确定降噪处理后有效区域、有效区域间隔分布数据；
以有效区域代表为中心，向左右两侧依次计算有效区域链：如果边界处不能容下一个完整的有效区域，则舍弃，不作为被分析的区域，以该区域链作为原始色彩数据分析区域链。
6.如权利要求5所述的植物叶绿素测定方法，其特征是，所述加载叶绿素提取液图像，计算有效区域内的G、L值，具体包括：
重新装载叶绿素提取液图像的原始色彩数据，并根据原始色彩数据分析区域链的有效区域数据，对每个有效区域进行色彩数据的分析，计算出该有效区域的G、L数值，其中，G为有效区域内像素点颜色中绿色值的均值；L为有效区域内像素点亮度的均值，即像素点的亮度值，由其R、G、B色彩值计算，具体公式为：L＝R*0.299+G*0.587+B*0.114。
7.如权利要求6所述的植物叶绿素测定方法，其特征是，所述计算曝光强弱参数，依据曝光强弱参数选取经验函数计算叶绿素含量，具体包括：
根据有效区域的G、L数值，按照公式Bgcs＝(G/L)*((G+L)/2)计算曝光强弱参数，依据Bgcs的数值范围判定曝光过度、曝光正常、曝光不足，并代入对应的经验函数曲线模型，获得叶绿素含量值。
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