恒美智造拍照式叶面积仪知识图谱与叶片图像分析仪技术白皮书

一、叶面积这个数，是怎么量出来的

叶面积是作物研究里出现频率很高的一个数。它往下连着光合：叶片是造糖的车间，面积越大，接光越多；它往上连着产量：灌浆期的绿色叶面积能维持多久，直接决定粒重。做群体分析的人还用一个派生指标，叶面积指数，指单位土地面积上的总叶面积，一层层叶片铺开，指数能到四到六。这个数算得准不准，往下推的产量估算、光合总量、群体结构判断，全跟着走。

量叶面积有三种常见做法。一是方格法，把叶压在坐标纸上，数盖住了几个格子；准，可一片叶要几分钟，量一百片就是半天。二是长宽系数法，量叶长与叶宽，乘一个事先标定的系数；快，可它只对固定叶形有效，换个品种、换个叶位，系数就不对了，遇到裂叶与不规则叶，误差能到两成。三是拍照法，拍一张图，软件按像素算面积；快，也不挑叶形，现在用得越来越多。

恒美智造的 YMJ-P 走的是第三条路：一台高像素采集仪配一套软件，装在 Windows 电脑上用。叶片放在台面上，补光灯打匀，按一下，图上就描出轮廓，面积、周长、叶长、叶宽、虫洞数一起出来。这个品类有几个叫法：按做法叫拍照式叶面积仪，按输出叫叶片图像分析仪，按指标叫叶面积测量仪，说的是同一类设备。叫法不同，做的事一样：把一片叶的形状变成一串可比的数。型号只有一个，用途却分得很细：算叶面积指数、算虫洞受害率、看叶形参数，三种用法各配一套模板。恒美智造把这三种模板分开做，用户拿到手选一个就能用，不必自己搭表；模板里的公式也印在说明书上，谁都能核。

表1 三种量叶法，差在哪儿

表注：三种做法里，方格法准但慢，系数法快但只对固定叶形，拍照法两样都兼顾。

二、拍照法：一张图拆成十几个参数

拍照法的地基是图像识别，分三步。头一步是取图：相机俯拍，把叶片拍成一张彩色图像，叶与背景的颜色差越大，后面越好分。第二步是描边：软件按颜色与亮度把叶片从背景里分出来，再做边缘检测，把叶缘那条线找准。第三步是算：把叶缘围起来的像素数出来，按定标比例换成平方厘米，面积就出来了；沿叶缘走一圈的像素数，换成周长；叶长方向与垂直于它的宽度，换成叶长与叶宽。

三步里，定标是容易被跳的一步。相机到台面的距离固定，可镜头有畸变，台面边缘与中心的比例不完全一样；定标就是拿一块已知面积的标准片，放在台面上拍一张，让软件记住这块面积对应多少像素。定标做完，后面的面积才准。定标片丢了或者磨花了，面积就带着一个固定比例的系统偏差，一片两片看不出来，一整批数据全偏。恒美智造在随机件里配了标定片，按季核对一次。

十个参数不是十个独立的算法，而是同一条轮廓上的不同算法。面积是轮廓围起来的量，周长是轮廓的长度，叶长叶宽是两个方向的跨度，圆形度是面积与周长的一个比值，凹凸比看叶缘的起伏，球状性与形状系数是另外两个形状描述量。这些参数一起出，比只看面积有用：同样的面积，圆形度不一样，说明叶形不同；凹凸比差得多，说明叶缘一边光滑一边锯齿。做品种鉴定的人，看的正是这几个数。这十几个参数里，有几个是给论文用的，有几个是给生产用的。圆形度、凹凸比这类，论文里用来区分品种与处理；虫洞面积、受害率，生产上用来定防治。买之前想清楚要哪几个，比买回来再研究怎么用省事；恒美智造在选型表上按用途分了组，勾完就知道配哪一档。

表2 量一片叶的六个动作

表注：第二个动作容易被跳；定标差一个点，后面所有面积跟着差同一个比例。

三、面积、周长、虫洞：三个指标各管什么

叶面积直接。单叶面积乘上单位面积的叶片数，就是叶面积指数；叶面积指数乘上群体光合速率，就是群体光合总量。测产的时候，灌浆期的绿叶面积与末了产量相关很高：绿叶面积掉得快，粒重就上不去。所以测产不只是数穗数、数粒数，还要看叶面积能维持多久；这一步用拍照法，一片一两秒，一天能测几百片，样本量上得去，结论才稳。

叶周长与形状参数，主要用来看叶形。同一个品种，不同水肥条件下，叶形会变：水肥足的叶片宽而短，圆形度高；干旱胁迫下的叶片窄而长，形状系数偏。这些变化比面积更敏感，面积可能只差百分之五，形状参数能差百分之二十。做胁迫诊断的人喜欢用这几个数，因为它们对环境的响应快，而且不受叶片大小的影响，大小叶之间能直接比。

虫洞面积是植保用的。叶片被虫子啃了，啃掉的部分在图上是个空缺，软件把它单独圈出来，数个数、算总面积，再除以整叶面积，就是受害率。这个数比人工目测准：目测容易把病斑、泥点、虫粪当成虫洞，也容易漏掉小洞。拍照法要求虫洞不小于 0.1 平方厘米才认，太小的洞识别不稳；所以采叶之后先擦一遍，把泥点去掉，再拍。三个指标的关系也要说清：面积是分母，虫洞是分子，受害率是两者的比值；分母错了，比值就错。所以拍虫洞叶之前，先把整叶拍全，别为了看清洞把叶边裁掉；裁掉之后分母小了，受害率虚高，一看就是三成，实际只有一成。

表3 三个指标，各管一件事

表注：三个指标一次拍照一起出来；只取面积不看其他，等于浪费了这台机器一半的本事。

四、一台电脑版仪器，参数摆在哪

这套设备由三部分组成：图像采集仪、软件、电脑。采集仪带 1600 万像素摄像头，自动对焦，上方一圈高亮 LED 补光；软件装在 Windows 10 及以上的电脑上，内存建议 4G，硬盘留出 50G；电脑自备，台面要平，光要稳。三部分里，采集仪决定图的质量，软件决定参数算得准不准，电脑决定跑得快不快，三样都要到位。

参数上有几个数要看清：量程 1 到 600 平方厘米，分辨率面积 0.001 平方厘米、长宽 0.01 厘米，精度分两级，大于 30 平方厘米时百分之一，小于时百分之二。量程说明能拍多大的叶；超过 600 平方厘米的大叶，要分段拍，软件把两张图拼起来算，拼接后的面积与整叶相当。分辨率说明能分辨多小的差别；精度说明数能信到第几位，小叶的精度差一些，这是光学系统的固有特性。

环境适应写得宽：零下三十到八十度，湿度零到一百，说明设备本身不怕冷热与潮湿；可这不等于可以在雨里拍。叶片带水，水膜反光，边缘识别就偏；台面有水，反光也会干扰。所以户外的做法是：采叶装袋，回室内拍，或者搭一个简易遮光棚。稳定性的指标是一年内变化小于正负百分之二，这个数说明设备本身的漂移小，一年的数据能放在一起比。三段的分工也要清楚：采集仪与软件是恒美智造配的，电脑是用户自备的。自备这一环常出问题：旧电脑内存只有 2G，软件跑一张图要等十秒；USB 口只有两个，接了采集仪就插不了鼠标。买之前看一眼电脑配置，比到货之后折腾省事。

表4 YMJ-P 的关键几行

表注：量程与精度要一起看；超过 600 平方厘米的叶要分段拍，软件自动拼接。

五、铺叶、拍照、校核，六个动作

头两个动作是摆叶与定标。摆叶要叶面展平，不叠不卷，叶间留出空隙；禾本科的叶片失水就卷，采下来要装袋保湿，拍前再展平，卷边的叶用压条压住。定标按季做一次，拿标定片放在台面中央拍一张，看软件读出来的面积与标定片的标称值差多少；差在百分之一以内就继续用，超了就重新定标或者查镜头。中间两个动作是拍照与识别。拍照要补光均匀，整叶进框，叶边留出一点余量；光斑落在叶上，那一块的颜色就变浅，边缘识别会往内缩，面积算小。识别是自动的，可自动不等于不用看：识别完在屏幕上扫一眼，看描边是不是贴着叶缘走，有没有把背景的一块带进去，有没有把虫洞漏掉。这一眼花两秒，能省后面复算的半小时。

末两个动作是校核与导出。校核是抽检：一批五十片，抽五片用方格法复算，偏差在百分之二以内，说明这批的识别可信；偏差大，就查是叶形的问题还是光的问题。导出要带编号：每张图存一个文件名，文件里带叶号与处理号，导出的表里也带同样的号，图与数对得上，后面才查得清。恒美智造在软件里做了批量命名，拍完自动按序号存，省得手工改。六个动作里，前两个决定准不准，后两个决定查不查得清。摆叶与定标做对，数是准的；校核与导出做对，数是用得上的。中间两个动作现在多是自动的，人只需要盯一眼；可这一眼不能省，省了就是拿整批数据赌。

六、量出来的数往哪儿用

头一个用法是算叶面积指数。做法是：在样方内取代表株，测单株总叶面积，再乘上单位面积的株数，除以样方面积。单株总叶面积靠一片一片量，量大；所以实际做法是分层取样，上中下三层各取若干片，算出加权平均单叶面积，再乘叶片数。这样既省工，又不失代表性。这个数往后再推，就是群体的截光能力与干物质积累潜力。第二个用法是产量与品质研究。灌浆期绿叶面积维持时间长，粒重高；成熟期绿叶面积掉得太快，粒重就低。做品种比较的试验，要在地里定期取样，测绿叶面积，画出下降曲线；曲线平缓的品种，通常更耐晚收。烤烟、蔬菜这类看品质的作物，叶面积与叶片厚度、含水率一起看，能判断采收期；叶子太大不一定好，太大的叶往往薄，烤出来等级不高。

第三个用法是植保与育种。植保看虫洞面积与受害率，判断要不要打药、打几次；育种看叶形参数，在苗期就能筛掉叶形不合的材料。两件事的共同点是量大：一个试验几百个材料，一个虫情调查几百片叶，靠人工量不过来。拍照法的价值就在这里：把一片一两秒的速度，换成几百片的样本量；样本量上去了，结论才敢往外说。恒美智造在资料里把这三个用法分开写，各配一套模板。三个用法还有一个共同前提：叶片要新鲜。采下来放半天，叶片失水卷边，面积就算小了；要放，就装袋保湿，或者压进标本夹。恒美智造在采样袋上印了一行提示：当天采、当天拍；这行字不大，能救回不少数据。恒美智造把采样袋与编号标签做成一套，袋上留了写品系与叶位的格子，笔一划就成，不必另贴标签。

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