[发明专利]一种树叶面积、周长、叶长和叶宽的测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种树叶面积、周长、叶长和叶宽的测量方法，属于数字测量领域。

背景技术

叶片作为植物进行呼吸作用、光合作用和蒸腾作用的主要器官，其叶面积、周长、叶长和叶宽等信息是植物生长状态诊断中重要的参数，掌握植物叶片的生长规律，对于指导生产，制定高产优质高效栽培技术措施具有积极的意义。目前常见的叶面积测定方法有网格法、复印称重法、叶长叶宽推算法、叶面积仪法、扫描仪法、AutoCAD等。网格法和复印称重法，操作简单，但耗时费力；叶长叶宽推算法需要利用其他方法获取一定数量样本的叶面积，根据统计分析推算公式，才能利用公式和测量叶长和叶宽来计算；叶面积仪法，利用专用叶面积仪能够快速得到叶面积，但仪器价格昂贵；扫描法是用Photoshop、R2V等软件统计像素的方法来测定叶片面积。上述方法一般只能获得叶片面积，难以同时获得叶片的周长、叶长和叶宽，尤其难以一次性完成多个叶片的测量任务。数字图像法就是通过统计叶片图像的像素数折算出叶片面积，这个方法的前提是需要知道图像中每个像素点所代表的实际面积。根据扫描分辨率DPI，可确定叶片图像像素与实际长度的关系。《林业科学》第50卷第5期《基于自动分类法的红树植物叶片信息测定》公开了利用GIS的空间分析功能和影像自动分类原理，在软件ARCGISIO中构建叶片信息测定器的方法；由于多片树叶扫描在一个图像中，并且文件夹存在多个扫描图像。因此，考虑使用计算机自动批量测量需要解决许多问题：

1)如何精确提取每一片叶子轮廓；

2)图形的面积、周长如何转换为实际面积、周长；

3)叶长、叶宽如何测算；

4)如何实现批量测量；

5)如何记录分类测量数据。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种树叶面积、周长、叶长和叶宽的测量方法，旨在借助ArcGIS软件，利用空间分析和图形图像学的最新方法，通过模型构建器构造工具，自动批量获取精确的树叶面积、周长、叶长和叶宽等叶形参数。

本发明的技术方案如下：

一种树叶面积、周长、叶长和叶宽的测量方法，首先将采集的树叶通过扫描模块扫描后保存成图片格式；其次利用ArcGIS软件的模型构建器构造模型，构造的模型包括输入输出模块和依次进行的ISO聚类非监督分类模块和字段运算模块，所述ISO聚类非监督分类模块、字段运算模块和输入输出模块形成具有友好界面的工具；再次，利用生成的工具输入树叶图像和输出路径，生成文件夹内每一片树叶的周长、面积、叶长和叶宽数据；构造的模型还包括文件夹图片处理模块、边缘预处理模块、栅格矢量化模块、最大外接矩形模块和图层转数据表模块；扫描模块扫描树叶并通过文件夹图片处理模块和输入输出模块导入ISO聚类非监督分类模块进行解析，解析数据经边缘预处理模块处理得到树叶边界，再通过栅格矢量化模块进行边界数据化，然后通过字段运算模块获得树叶的周长和面积数据，通过最大外界矩形模块获得树叶的叶长和叶宽数据，最终树叶的周长和面积数据以及叶长和叶宽数据通过图层转数据表模块导出。

其中，所述扫描模块包括扫描仪，保存成JPG或PNG格式；所述文件夹图片处理模块包括迭代器；所述图层转数据表模块转换的数据表为Excel。

其中，一种树叶面积、周长、叶长和叶宽的测量方法，具体步骤为：

(1)将采集的树叶平铺在普通扫描仪上，叶子之间留有空隙避免相互重叠，扫描分辨率为100-300dpi；

(2)ISO聚类非监督分类，类数目设置为2，最小类大小设为200，采样间隔设为10，属性的前提条件为解析路径模块产生的值；

(3)边缘预处理模块包括众数滤波和边界清理模块；众数滤波，要使用的相邻要素数设置为EIGHT，替换阈值设置为HALF，并且执行2次；边界清理模块，勾选“运行两次扩展与收缩”；

(4)叶片轮廓围成的矢量多边形的面积由模块的Shape.Area函数直接获得；叶片轮廓围成的周长由Shape.Length函数直接获得；根据像素与实际长度的转换公式：2.54cm/DPI，叶片实际面积S＝Area*(2.54cm/DPI)^2；叶片实际周长C＝Cir*2.54cm/DPI；叶片轮廓矢量多边形的最大外接矩形的面积和周长由函数直接获得，叶长L＝0.25*(Cir_max+(Cir_max^2-16*Area_max)^0.5)*2.54cm/DPI；叶宽W＝0.25*(Cir_max-(Cir_max^2-16*Area_max)^0.5)*2.54cm/DPI；