关键词： 图像处理； 植物叶片面积； 无损检测； 程序设计； 系统开发 中图分类号： S126； TP391． 9 文献标志码： A 文章编号： 1002 － 1302（ 2019） 03 － 0189 － 04
叶片作为植物进行光合作用的场所，是植物重要的功能 器官之一［1］，叶面积是衡量作物群体生长状况，并以此作为 栽培措施和衡量植株健康状况的参考指标。叶片发育状况直 接影响 植 物 对 太 阳 光 能 的 吸 收 利 用，决 定 光 合 作 用 的 强 弱［2］，进而影响作物产量、品质，叶面积的测量对于测定植物 特性和指导生产意义重大。近年来，诸多学者对植物叶片面 积的测量方法进行了大量研究，目前常用的叶面积测定方法 主要有叶面 积 仪 法、求 积 仪 法、方 格 纸 法、称 质 量 法、抛 物 线 法、系数法、回 归 方 程 法、图 形 分 解 法、图 像 处 理 法［3］ 。 在 这 些方法中，从精度上来说，叶面积仪、求积仪、方格纸法测量精 度最高，其次 是 图 像 处 理 法、回 归 法，然 后 是 系 数 法、称 质 量 法、图形分解法和抛物线法［4 － 5］。叶面积测量方法的选择除 了减小误差、提高精度外，还要求所选方法测量时间短、工作效 率高、对所测叶片无破坏作用，从对叶片本身破坏情况来看，叶 面积仪法、求积仪法、称质量法、方格纸法、传统图像处理法都 要求离体测量，不仅破坏叶子本身，而且过程复杂； 系数法、回 归方程法、图像分解法、抛物线法虽然可以活体测量叶片，但是 由于其精度低，误差大，对于不同植物叶片无法普遍适用； 叶面 积仪法虽然有活体测量与离体测量 2 种类型，而且精度较高， 速度较快，但是仪器本身价格昂贵，且仪器本身的稳定性较差， 误差也随着操作者的改变而波动。因此，综合精度、无损、性价 比来看，图像法在众多叶面积测定方法中尤为适合。
图像处理法测量叶面积方法由于其精度高、对叶片无损 伤、简单易操作的优点得到广泛的关注和研究。张全法等提 出了电荷耦合元件（ CCD） 测量叶面积的方法，但是这种方法 的测量精度受很多因素影响，诸如 CCD 摄像头的光学特性、
像平面与 CCD 平面不重合引起的图像几何畸变等［6］； 杨劲峰 等以 Photoshop 图像处理软件实现及分析［7］； 于守超等利用扫 描仪对叶片进行数字化处理，然后通过 Photoshop 软件自动提 取叶面积［8］ 。图 像 软 件 处 理 方 法 相 对 常 规 叶 面 积 测 量 方 法 较为便捷，但是均须要通过第三方软件对叶片边界进行描绘， 若是对于处理大量叶片面积时则会花费较长时间，效率大大 降低。张新平等人提出的图像处理方法测量植物叶片面积， 虽然准确度达到了较高的要求，但是由于是离体测定植物叶 片面积，须要将叶片摘下带回实验室进行操作，限制了测定环 境并且对植物本身也有所损害［2，9 － 10］。本试验基于以上研究 缺陷，设计了一种无损植物叶片面积精确测量系统，本系统选 用 4 个单位面积为 1 cm2 的矩形作为标准参照物置于背景板 的 4 个顶点（ 图 1） ，且这 4 个矩形参照物也可用于几何校正， 黑色参照物与白色背景具有较大色差，能够较明显区分绿色 植物叶片，采用智能手机自身摄像装置获取图像，用 MATLAB 软件灰度化、二值化处理图像，双线性空间变换算法校正 4 个 顶点处的矩形参照物图像以校正整幅叶片图像使测量结果更 加准确，然后提取叶片图像黑色像素点、特定面积参照物图像 黑色像素点数量并计算出叶片实际面积，经过试验验证该方 法测量精度达 98% 以上。
1 植物叶片面积测量方法
1． 1 测量原理 本研究中叶片面积精确测量系统的实现步骤如图2所
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江苏农业科学 2019 年第 47 卷第 3 期
示： 读入目标图像，预处理目标图像，利用数学形态学优化处
由公式（ 4） 与公式（ 5） 可得出图像 I 在（ x，y） 点处的梯度
理目标图像向。当 n = 1 时，由公式（ 5） 可得到 Ｒoberts 边缘检
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植物叶片面积精确测量系统的设计与开发
张 奇1 ，徐艳蕾1 ，朱炽阳1 ，王增辉2 ，孟笑天1 ，王新东1
（ 1． 吉林农业大学信息技术学院，吉林长春 130118； 2． 东北师范大学人文学院理工学院数学教育系，吉林长春 130117）
摘要： 设计了植物叶面积精确测量系统，首先设置参照图像，采集带有参照图像的叶片图像，然后统计像素点数， 最后进行比例尺换算测定叶面积。通过预处理、校正图像，提高测量精确度，克服了传统测量系统步骤繁琐和设备复 杂的缺点，能够快速、无损地测量植物叶片面积。为验证系统精确度，采集 45 张叶片分别与打孔法、称质量法测定叶 面积比较。结果表明，在保证精度的同时能够实现快速、无损的测量叶片面积，并通过碎片验证法验证本系统精度在 98% 以上。
素点数目，求出参照图像像素点总数以及叶片图像像素点总 测算子 ε（ x，y） ，为：
江苏农业科学 2019 年第 47 卷第 3 期
张 奇，徐艳蕾，朱炽阳，等． 植物叶片面积精确测量系统的设计与开发［J］． 江苏农业科学，2019，47（ 3） ： 189 － 192，202． doi： 10． 15889 / j． issn． 1002 － 1302． 2019． 03． 046
收稿日期： 2017 － 09 － 30 基金项目： 国家自然科学基金（ 编号： 11372155 ） ； 吉林省科技厅科技
成果转化促进计划（ 编号： 20160309001NY） ； 吉林省教育厅科学技 术研究项目（ 编号： 2016187） 。 作者简介： 张 奇（ 1993—） ，男，安徽宿州人，硕士研究生，主要从事 图像处理研究。E － mail： z163zhangqi@ 163． com。 通信作者： 徐艳蕾，博士，副教授，硕士生导师，主要从事农业信息化 研究。E － mail： yanleixu@ 163． com。