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基于GIS 分析技术的橡胶树叶面积测定

来源: 本站  类别:技术文章  更新时间:2013-09-16 11:08:33  阅读

叶片是作物重要的光合器官、蒸腾作用的主要途径。叶片特征信息如叶面积常被作为衡量作物生长发育和群体结构是否合理的主要观测指标,也是研究生理生化、遗传育种、栽培技术等方面的重要指标。建立方便、快速、准确的叶面积测定方法,对于调整群体结构、充分利用光热资源,从而指导作物栽培密度及合理施肥以获得高产有重要意义。求叶面积的方法很多,其中测量精度较高的是叶面积仪法。但是,叶面积仪大多为进口仪器,价格昂贵不适合广泛应用。方格法、重量法等传统方法操作繁琐,往往精确度不高,缺乏严谨性,无法满足科研研究的需要。随着计算机技术及数字图像采集设备的发展,基于数字图像测量植物叶面积的方法被广泛应用。图像处理法采用CCD 照相机获取叶片信息,可以实现对植物叶片图像的非破坏性采集,但是其成像受采集距离、角度、光照条件及叶片间的相互重叠情况等因素影响较大,叶面积测量的准确度较低。
本实验应用R2V 软件对橡胶树叶片形状进行矢量化,用地理信息系统软件Arcview 对矢量化后的叶片图形进行面积统计,计算出叶片面积。同时将结果与叶面积仪器测定的结果进行差异性比较,论证用GIS 法( Geograp hic informationsystem ,简称GIS) 代替叶面积仪法测定橡胶树叶片面积的可行性。
1  试验材料
1.1  叶片材料
实验叶片取材于中国热带农业科学院橡胶研究所五队基地热研7- 33 - 97 橡胶树。于田间分别选取管理、长势基本一致的橡胶树,采集大小不一、无病虫伤害、颜色深绿的成熟叶片,统一采取中叶作为测定对象。采集50 片橡胶树叶片,每片叶对应一个编号。
1.2  仪器和软件
叶面积仪法:采用L I - COR 公司生产的L I - 3000A 叶面积仪对叶片样品进行测量。GIS 法:利用EP2SON perfection 4870 扫描仪获取叶片及标准纸图像信息,矢量化软件采用空间分析操作简便的R2V 515版,利用arcview312 软件对叶片图形面积进行计算。
2  方法
2.1  叶面积仪法
将采集的橡胶树叶片逐一采用L I - 3000A 叶面积仪进行面积测定,并记录编号以及对应的叶面积信息。
2.2  GIS 法
2.2.1  图像矢量化 将已经编号的一片或多片叶片整齐摆放于扫描仪上,同时摆放一张面积为25 cm2的标准正方形纸进行扫描。使得所摆放的叶片之间以及与标准纸不发生重叠,并且所扫描的对象都能清晰呈现在扫描所得的J PG格式图片上(如图1 a) 。打开R2V 软件并加载扫描所得的图片,沿标准纸以及叶片边缘进行线性矢量化,并闭合由矢量曲线形成的图斑。利用R2V的ID 属性功能给标准纸图斑设定为ID = 0 ,给叶片图斑设定ID 值设定为相应的叶片编号。输出矢量另存为arcview 支持的3 1 shp 文件。21212  叶面积计算过程 打开Arcview 软件,加载由R2V 软件所得的矢量数据3 1 shp 文件(支持多个同时打开) ,保持Arcview 软件在View 的状态下(如图1 b) ,打开File菜单加载Extensions 选项,勾选添加XTools 模块(XTool s 模块介绍:它是一套矢量的空间分析工具,包括各种重叠,形状转换和表格处理工具。本研究用到了其中重新计算矢量图斑面积功能) ,打开XTools工具,运行calculate Area 功能,再选择需要统计面积的shp 文件进行运算。打开Theme Table 得到各个多边形的相对面积(如图1 c) 。利用该方法得到的叶面积S = 25 3 叶片图斑相对面积/ 标准纸图斑相对面积(单位: cm2 ) 。该过程可以用EXCEL 工具批量进行计算。
3  结果分析
3.1  精确性检验
为了验证GIS 空间分析技术应用于橡胶树叶片面积信息提取的可行性,将已知面积的标准正方形、三角形、梯形等用扫描仪获取图像信息,矢量化之后,另存为arcview 支持的3 1 shp 文件。利用Arcview 中Calculate Area 功能,计算各规则图形面积(如图2) ,以正方形为标准计算各图形实际面积与折算面积之间的相对误差。结果认为除三角形相对误差为- 0.005 4 外,其他各图形相对误差均在01003 5 以下,平均误差为0.002 6 。可见,基于GIS 面积计算误差非常小,可靠性高。说明GIS 空间分析技术应用于橡胶叶片叶面积测定的可行性和合理性。
3.2  叶面积仪与GIS 法的结果比较
叶面积仪法和GIS 法测定橡胶树叶片面积得到的两组配对数据(表1) ,以叶面积仪法作为标准值相对误差计算, 平均相对误差为2161 %。根据表1 可以看出,当叶片较小时,相对误差呈现较高的值。用SAS 软件进行GIS 法与叶面积法测定叶面积的相关性分析和配对法T 检验,其结果见表2 。对于GIS法与叶面积法配对样本检验结果t= 12105 ,Prob > | t | 的概率< 0101 ,说明这两方法测出的叶面积差异不显著;相关性分析中相关系数r =01999 7 ,Prob > | r | 的概率< 0101 ,认为两种叶面积测定法的测定结果极显著相关。
4  结论与讨论
叶面积仪器测定橡胶树叶片具有快速的特点,但是叶面积仪器价格相对昂贵,不适合广泛应用,同时手持叶面积仪对于被测叶片的大小有一定限制(当面积小于50 cm2 的叶片,误差大于±2 %)  ,从而导致在本实验中橡胶树叶片叶面积较小时,其相对误差较大。而基于GIS法测定橡胶树叶片叶面积的原理简单,易理解且逻辑思维严谨;测定过程中使用的仪器和材料主要为现在十分常见的办公用品,如扫描仪、PC机等, 不需要另外购买仪器; 运用GIS 法可以省去重量法的烘干称重、方格法数格子等传统方法中大量繁琐的工作;同时,基于GIS 法测定橡胶树叶片叶面积的精确度高,测量值与实际值之间的误差非常小,测定过程严谨。因此基于GIS法测定叶面积的方法可以作为橡胶树叶片叶面积快速、精确测定一个简便而严谨的方法,从成本和精确度上都能够替代叶面积仪法对橡胶树叶片面积的测量。
目前,数码产品更新换代速度飞快,数码图片处理能力也突飞猛进。基于照相机图像处理法可以实现对植物叶片图像的非破坏性采集,但是其成像受采集距离、角度、光照条件及叶片间的相互重叠情况等因素影响较大,叶面积测量的准确度较低。基于GIS 法测定橡胶树叶片叶面积的原理是建立在通过矢量叶片形状信息的基础上,也就是说只要能够获取叶片形状信息,就能够准确测定橡胶树叶片面积信息。本方法获取形状信息是通过手工矢量化叶片形状信息,从而克服了基于像素信息自动矢量化过程中由于背景物体像素对叶面积统计的影响。

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