【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明涉及植物葉面積測量技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于數(shù)碼相機(jī)圖像的葉面積測量方法。

背景技術(shù)：

葉面積測量，就是指測量出單張葉片的面積。因?yàn)槿~片是植物進(jìn)行光合作用、蒸騰作用的重要器官，因此葉片的發(fā)育狀況是評價(jià)植物生長狀況的重要指標(biāo)，而葉片面積是評價(jià)葉片狀況的指標(biāo)之一。葉面積經(jīng)常被用于遺傳育種、作物栽培等方面的研究。

目前有多種葉面積測量的方法，較常用的方法有葉面積儀法、方格坐標(biāo)紙法、剪紙稱重法、圖像像素法等。葉面積儀法即是采用葉面積儀進(jìn)行測量，但由于葉面積儀較為昂貴，成本較高，目前仍難以推廣。方格坐標(biāo)紙法和剪紙稱重法都需要人工畫出或剪出葉片邊緣，較為費(fèi)工、費(fèi)時(shí)，如果葉片邊緣復(fù)雜則誤差較大。圖像像素法，指的是通過數(shù)碼相機(jī)拍攝葉片和已知面積的參照物，通過圖像中的葉片與參照物的像素比例，進(jìn)而計(jì)算出葉片的面積。目前該方法多是通過photoshop軟件的魔棒工具選取圖像中的葉片和參照物，用直方圖工具讀取像素值，操作上仍較費(fèi)工、費(fèi)時(shí)，且人為誤差不確定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對以上，本發(fā)明通過一種基于數(shù)碼相機(jī)圖像的葉面積測量方法，利用數(shù)碼相機(jī)拍攝平放在白色背景上和黑色標(biāo)尺旁的綠色葉片，制作用于測算綠色葉片面積的數(shù)碼圖片。利用圖片中的綠、藍(lán)兩通道的色值g與b，根據(jù)綠色葉片、黑色標(biāo)尺、白色背景的光譜反射特征，設(shè)置分類條件，采用決策樹的分類方式，識(shí)別出圖片中的綠色葉片部分和黑色標(biāo)尺部分。根據(jù)實(shí)際測量的黑色標(biāo)尺的面積，以及圖片中綠色葉片與黑色標(biāo)尺的像素個(gè)數(shù)的比例，測算出綠色葉片的面積。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于數(shù)碼相機(jī)圖像的葉面積測量方法，包括以下步驟：

(1)制作顏色為黑色的比對標(biāo)尺；

(2)將需要測量的葉片及比對標(biāo)尺平鋪在白色背景上，葉片不能遮擋比對標(biāo)尺，使用數(shù)碼相機(jī)獲取葉片和比對標(biāo)尺的彩色圖像；

(3)根據(jù)所獲取彩色圖像每個(gè)像素中的g與b，判斷識(shí)別出葉片和標(biāo)尺的區(qū)域；

(4)分別統(tǒng)計(jì)葉片和標(biāo)尺的像素個(gè)數(shù)，計(jì)算出葉片面積。

進(jìn)一步的，所述比對標(biāo)尺為黑色方塊，通過測量長寬計(jì)算出比對標(biāo)尺面積。

進(jìn)一步的，所述判斷識(shí)別出葉片和標(biāo)尺的區(qū)域方法為：分別判斷每個(gè)像素中g(shù)是否大于50，g/b是否大于1.1-1.2，g/b是否大于1.45-1.6；當(dāng)g大于50且g/b大于1.1-1.2時(shí)判斷該處為葉片，當(dāng)g大于50且g/b不大于1.1-1.2時(shí)判斷該處為白色背景；當(dāng)g不大于50且g/b大于1.45-1.6時(shí)判斷該處為葉片，當(dāng)g不大于50且g/b不大于1.45-1.6時(shí)判斷該處為黑色標(biāo)尺。

進(jìn)一步的，所述獲取葉片和比對標(biāo)尺的彩色圖像方法為：垂直向下拍攝葉片和比對標(biāo)尺，葉片不能遮擋比對標(biāo)尺，圖片范圍內(nèi)只允許出現(xiàn)葉片、比對標(biāo)尺和白色背景；拍攝時(shí)設(shè)置數(shù)碼相機(jī)閃光燈關(guān)閉狀態(tài)，使用自動(dòng)拍照模式，白平衡、曝光值均采用自動(dòng)調(diào)節(jié)模式，且保證光線充足，避免圖片中出現(xiàn)陰影。

進(jìn)一步的，所述計(jì)算葉片面積方法為：葉片面積＝葉片像素?cái)?shù)/標(biāo)尺像素?cái)?shù)×標(biāo)尺面積。

進(jìn)一步的，使用圖像處理軟件獲取所述彩色圖像中的g與b，所述圖像處理軟件為envi或erdasimagine。

本發(fā)明還提供一種基于數(shù)碼相機(jī)圖像的葉面積測量系統(tǒng)，包括比對標(biāo)尺、白色背景、數(shù)碼相機(jī)、圖像處理模塊、判斷識(shí)別模塊和計(jì)算模塊，

所述比對標(biāo)尺為黑色方塊用于與葉片作比對；

所述白色背景為比對標(biāo)尺和葉片拍照的背景；

所述數(shù)碼相機(jī)用于獲取比對標(biāo)尺和葉片的彩色圖像；

所述圖像處理模塊用于獲取彩色圖像中每個(gè)像素的g與b；

所述判斷識(shí)別模塊用于根據(jù)所述彩色圖像中每個(gè)像素的g與b判斷出葉片及比對標(biāo)尺的區(qū)域。

進(jìn)一步的，所述判斷識(shí)別模塊識(shí)別出葉片和標(biāo)尺的區(qū)域方法為：分別判斷每個(gè)像素中g(shù)是否大于50，g/b是否大于1.1-1.2，g/b是否大于1.45-1.6；當(dāng)g大于50且g/b大于1.1-1.2時(shí)判斷該處為葉片，當(dāng)g大于50且g/b不大于1.1-1.2時(shí)判斷該處為白色背景；當(dāng)g不大于50且g/b大于1.45-1.6時(shí)判斷該處為葉片，當(dāng)g不大于50且g/b不大于1.45-1.6時(shí)判斷該處為黑色標(biāo)尺。

上述，g代表綠通道色值，b代表藍(lán)通道色值。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明基于數(shù)碼相機(jī)圖像的葉面積測量方法利用圖片中的綠、藍(lán)兩通道的g和b，根據(jù)綠色葉片、黑色標(biāo)尺、白色背景的光譜反射特征差異，設(shè)置分類條件，識(shí)別出圖片中的葉片部分、黑色標(biāo)尺和白色背景部分。通過判斷彩色圖片中g(shù)是否大于50，把圖片中的較暗的區(qū)域與其他區(qū)域區(qū)分開。在g不大于50的區(qū)域，該區(qū)域中主要是黑色標(biāo)尺，以及綠葉中的黑斑，或者是由于光線不足造成拍攝的葉片較暗的部分；根據(jù)綠色葉片和黑色標(biāo)尺的光譜反射特性，在光線不足的情況下，綠色葉片的藍(lán)通道色值較小，綠通道與藍(lán)通道的色值相差較大，而黑色標(biāo)尺的綠通道與藍(lán)通道的色值相差較小，可利用g/b是否大于1.45-1.6條件來篩選區(qū)分出黑色標(biāo)尺和綠色葉片。經(jīng)發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，g/b的判斷閥值為1.5時(shí)，綠色葉片及黑色標(biāo)尺識(shí)別效果最佳。在g大于50的區(qū)域，該區(qū)域中主要是綠色葉片和白色背景，根據(jù)綠色葉片和白色背景的光譜反射特性，在光線充足的情況下，綠色葉片的綠通道和藍(lán)通道的色值都較大，但綠光值仍明顯大于藍(lán)光值；而白色背景的綠通道與藍(lán)通道的色值都較大，但兩者相差不大；可利用g/b是否大于1.1-1.2條件來篩選區(qū)分出白色背景及綠色葉片。經(jīng)發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，g/b的判斷閥值為1.15時(shí)，綠色葉片及白色背景識(shí)別效果最佳。根據(jù)實(shí)際測量的黑色標(biāo)尺的面積，以及圖片中綠色葉片與黑色標(biāo)尺的像素個(gè)數(shù)的比例，測算出綠色葉片的面積。該方法測量省時(shí)省力而且成本較低，可以有效排除人為因素的干擾，達(dá)到較高的準(zhǔn)確率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于數(shù)碼相機(jī)圖像的葉面積測量方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明基于數(shù)碼相機(jī)圖像的葉面積測量系統(tǒng)的系統(tǒng)原理圖；

圖3是本發(fā)明對比試驗(yàn)坐標(biāo)紙手繪方法測量葉片示意圖；

圖4是本發(fā)明對比試驗(yàn)葉片a拍攝圖像；

圖5是本發(fā)明對比試驗(yàn)葉片a識(shí)別結(jié)果；

圖6是本發(fā)明對比試驗(yàn)葉片b拍攝圖像；

圖7是本發(fā)明對比試驗(yàn)葉片b識(shí)別結(jié)果；

圖8是本發(fā)明對比試驗(yàn)葉片c拍攝圖像；

圖9是本發(fā)明對比試驗(yàn)葉片c識(shí)別結(jié)果；

【具體實(shí)施方式】

實(shí)施例1

如圖1所示，一種基于數(shù)碼相機(jī)圖像的葉面積測量方法，包括以下步驟：

(1)制作顏色為黑色的比對標(biāo)尺，通過測量長寬計(jì)算出比對標(biāo)尺面積；

(2)將需要測量的綠葉平鋪在白色背景上，綠葉不能遮擋比對標(biāo)尺，使用數(shù)碼相機(jī)垂直向下拍攝綠葉和比對標(biāo)尺的彩色圖片，圖片范圍內(nèi)只允許出現(xiàn)葉片、比對標(biāo)尺和白色背景；拍攝時(shí)設(shè)置數(shù)碼相機(jī)閃光燈關(guān)閉狀態(tài)，使用自動(dòng)拍照模式，白平衡、曝光值均采用自動(dòng)調(diào)節(jié)模式，且保證光線充足，避免圖片中出現(xiàn)陰影；

(3)使用圖像處理軟件獲取所述彩色圖像中的g與b，所述圖像處理軟件為envi或erdasimagine，分別判斷每個(gè)像素色中g(shù)是否大于50，g/b是否大于1.1，g/b是否大于1.45；當(dāng)g大于50且g/b大于1.1時(shí)判斷該處為葉片，當(dāng)g大于50且g/b不大于1.1時(shí)判斷該處為白色背景；當(dāng)g不大于50且g/b大于1.45時(shí)判斷該處為葉片，當(dāng)g不大于50且g/b不大于1.45時(shí)判斷該處為黑色比對標(biāo)尺；

(4)分別統(tǒng)計(jì)葉片和標(biāo)尺的像素個(gè)數(shù)，計(jì)算出綠葉面積，計(jì)算葉片面積方法為：葉片面積＝葉片像素?cái)?shù)/標(biāo)尺像素?cái)?shù)×標(biāo)尺面積。

上述，g代表綠通道色值，b代表藍(lán)通道色值。

實(shí)施例2

如圖1所示，一種基于數(shù)碼相機(jī)圖像的葉面積測量方法，包括以下步驟：

(1)制作顏色為黑色的比對標(biāo)尺，通過測量長寬計(jì)算出比對標(biāo)尺面積；

(2)將需要測量的葉片平鋪在白色背景上，葉片不能遮擋比對標(biāo)尺，使用數(shù)碼相機(jī)垂直向下拍攝葉片和比對標(biāo)尺的彩色圖片，圖片范圍內(nèi)只允許出現(xiàn)葉片、比對標(biāo)尺和白色背景；拍攝時(shí)設(shè)置數(shù)碼相機(jī)閃光燈關(guān)閉狀態(tài)，使用自動(dòng)拍照模式，白平衡、曝光值均采用自動(dòng)調(diào)節(jié)模式，且保證光線充足，避免圖片中出現(xiàn)陰影；

(3)使用圖像處理軟件獲取所述彩色圖像中的g與b，所述圖像處理軟件為envi或erdasimagine，分別判斷每個(gè)像素中g(shù)是否大于50，g/b是否大于1.2，g/b是否大于1.6；當(dāng)g大于50且g/b大于1.2時(shí)判斷該處為葉片，當(dāng)g大于50且g/b不大于1.2時(shí)判斷該處為白色背景；當(dāng)g不大于50且g/b大于1.6時(shí)判斷該處為葉片，當(dāng)g不大于50且g/b不大于1.6時(shí)判斷該處為黑色比對標(biāo)尺；

(4)分別統(tǒng)計(jì)葉片和標(biāo)尺的像素個(gè)數(shù)，計(jì)算出葉片面積，計(jì)算葉片面積方法為：葉片面積＝葉片像素?cái)?shù)/標(biāo)尺像素?cái)?shù)×標(biāo)尺面積。

上述，g代表綠通道色值，b代表藍(lán)通道色值。

實(shí)施例3

如圖1所示，一種基于數(shù)碼相機(jī)圖像的葉面積測量方法，包括以下步驟：

(1)制作顏色為黑色的比對標(biāo)尺，通過測量長寬計(jì)算出比對標(biāo)尺面積；

(2)將需要測量的葉片平鋪在白色背景上，葉片不能遮擋比對標(biāo)尺，使用數(shù)碼相機(jī)垂直向下拍攝葉片和比對標(biāo)尺的彩色圖片，圖片范圍內(nèi)只允許出現(xiàn)葉片、比對標(biāo)尺和白色背景；拍攝時(shí)設(shè)置數(shù)碼相機(jī)閃光燈關(guān)閉狀態(tài)，使用自動(dòng)拍照模式，白平衡、曝光值均采用自動(dòng)調(diào)節(jié)模式，且保證光線充足，避免圖片中出現(xiàn)陰影；

(3)使用圖像處理軟件獲取所述彩色圖像中的g與b，所述圖像處理軟件為envi或erdasimagine，分別判斷每個(gè)像素中g(shù)是否大于50，g/b是否大于1.15，g/b是否大于1.5；當(dāng)g大于50且g/b大于1.15時(shí)判斷該處為葉片，當(dāng)g大于50且g/b不大于1.15時(shí)判斷該處為白色背景；當(dāng)g不大于50且g/b大于1.5時(shí)判斷該處為葉片，當(dāng)g不大于50且g/b不大于1.5時(shí)判斷該處為黑色比對標(biāo)尺；

(4)分別統(tǒng)計(jì)葉片和標(biāo)尺的像素個(gè)數(shù)，計(jì)算出葉片面積，計(jì)算葉片面積方法為：葉片面積＝葉片像素?cái)?shù)/標(biāo)尺像素?cái)?shù)×標(biāo)尺面積。

上述，g代表綠通道色值，b代表藍(lán)通道色值。

實(shí)施例4

如圖2所述一種基于數(shù)碼相機(jī)圖像的葉面積測量系統(tǒng)，包括比對標(biāo)尺、白色背景、數(shù)碼相機(jī)、圖像處理模塊、判斷識(shí)別模塊和計(jì)算模塊，

所述比對標(biāo)尺為黑色方塊用于與葉片作比對；

所述白色背景為比對標(biāo)尺和葉片拍照的背景；

所述數(shù)碼相機(jī)用于獲取比對標(biāo)尺和葉片的彩色圖像；

所述圖像處理模塊用于獲取彩色圖像中每個(gè)像素的g與b；

所述判斷識(shí)別模塊用于根據(jù)所述彩色圖像中每個(gè)像素的g與b判斷出葉片及比對標(biāo)尺的區(qū)域。

進(jìn)一步的，所述判斷識(shí)別模塊識(shí)別出葉片和標(biāo)尺的區(qū)域方法為：分別判斷每個(gè)像素中g(shù)是否大于50，g/b是否大于1.1-1.2，g/b是否大于1.45-1.6；當(dāng)g大于50且g/b大于1.1-1.2時(shí)判斷該處為葉片，當(dāng)g大于50且g/b不大于1.1-1.2時(shí)判斷該處為白色背景；當(dāng)g不大于50且g/b大于1.45-1.6時(shí)判斷該處為葉片，當(dāng)g不大于50且g/b不大于1.45-1.6時(shí)判斷該處為黑色標(biāo)尺。

上述，g代表綠通道色值，b代表藍(lán)通道色值。

實(shí)施例5

為了驗(yàn)證效果，對三片綠葉分別標(biāo)號(hào)為綠葉a、綠葉b及綠葉c進(jìn)行了測量，并與方格坐標(biāo)紙手繪的結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。在坐標(biāo)紙上沿著葉片邊緣畫出葉片的輪廓，統(tǒng)計(jì)出輪廓內(nèi)的方格個(gè)數(shù)，即為葉片的面積。

在本次試驗(yàn)中，在word文檔中輸入連續(xù)十個(gè)“田”字，設(shè)置為宋體五號(hào)字，字體顏色為黑色，并將字符背景設(shè)為黑色，用a4白紙打印，即可在白紙上出現(xiàn)3.7cm×0.5cm＝1.85cm²的黑色方塊。用該白紙和黑色方塊作為背景和標(biāo)尺，分別將綠葉a、綠葉b及綠葉c平鋪在白色背景上進(jìn)行拍攝，葉片不能遮擋比對標(biāo)尺，分別拍攝3張葉片的數(shù)碼圖片。采用envi軟件讀取圖片綠、藍(lán)通道的色值g與b，利用本發(fā)明實(shí)施例3方法計(jì)算出綠色葉片的面積。

表1.本實(shí)施例5方法驗(yàn)證結(jié)果

由比較結(jié)果來看，相對誤差均在5％以內(nèi)，估測面積與實(shí)測面積沒有顯著差異，該方法可以替代方格坐標(biāo)紙手繪方法。

以上所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。