一种基于Image_J软件的植物叶片表型参数测量方法_杨文源.pdf
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1、北方农业学报 2022,50(6):128134JOURNAL OF NORTHERN AGRICULTURE杨文源,俞玉,张世媛,等.一种基于 Image J 软件的植物叶片表型参数测量方法 J.北方农业学报,2022,50(6):128-134.DOI:10.12190/j.issn.2096-1197.2022.06.17收稿日期:2022-09-16基金项目:2021 年度国家级大学生创新创业训练计划项目(202110764002)作者简介:杨文源(2000),男,本科生,专业为生物科学。俞玉(1998),女,学士,专业为生物科学。杨文源和俞玉为同等贡献作者。通信作者:徐丽萍(1970
2、),女,教授,博士,主要从事生物学教学、植物资源开发与利用及苗木培育的研究工作。一种基于 Image J 软件的植物叶片表型参数测量方法杨文源1,俞玉1,张世媛1,张娟1,玛伊努尔 图尔荪1,杨涛2,徐丽萍1,3(1.伊犁师范大学 生物与地理科学学院,新疆 伊宁835000;2.兰州城市学院 信息工程学院,甘肃 兰州730000;3.伊犁师范大学 资源与生态研究所,新疆 伊宁835000)摘要:【目的】探究一种简便、快捷、低成本的植物叶片表型参数获取方法。【方法】以香瓜茄(Solanum muricatum)为例,采用扫描仪获取离体叶片数字图像,用 Image J 软件对其表型参数进行测量,并
3、把结果与使用 Digimizer 软件测量得到的结果进行比较,以此验证方法的可靠性,同时分析了图像质量(图像格式与分辨率)对软件测量结果的影响。【结果】两种软件对香瓜茄叶面积、叶周长、叶长和叶宽测量结果的标准均方根误差(NRMSE)分别为 0.471%、1.103%、0.391%和1.662%,相关系数均大于 0.97。图像质量会对 Image J 软件的测量结果有一定影响,对灰度格式或低分辨率图像的影响要小于彩色格式或高分辨率图像,但两种因素叠加会加剧这种影响。【结论】经改进后的扫描仪结合 Image J 软件测量植物叶片表型参数的方法,具有低成本、半自动、快速、精确、批量等优点,可以为植物
4、叶片表型参数的测量提供一定参考。关键词:香瓜茄;叶片表型参数;Image J 软件;Digimizer 软件;扫描仪中图分类号:TP391.41;S668.9文献标识码:A文章编号:2096-1197(2022)06012807A method of measuring plant leaves phenotypic parameters based on Image J softwareYANG Wenyuan1,YU Yu1,ZHANG Shiyuan1,ZHANG Juan1,Maynur Tursun1,YANG Tao2,XU Liping1,3(1.College of Biolo
5、gy and Geographical Sciences,Yili Normal University,Yining835000,China;2.School of Information Engineering,Lanzhou City University,Lanzhou730000,China;3.Institute of Resources and Ecology,Yili Normal University,Yining835000,China)Abstract:【Objective】To seek for a simple,rapid and low-cost method of
6、obtaining the phenotypic parameters of plant leaves.【Methods】Taking Solanum muricatum as an example,digital images of detached leaves were taken by scanner,and Image Jsoftware was used to measure phenotypic parameters.The results were compared to those obtained using the Digimizersoftware to verify
7、the reliability of the method.Additionally the impact of image quality(image format and resolution)onsoftware measurement results was also analyzed.【Results】In measuring the leaf area,leaf circumference,leaf length,and leafwidth of Solanum muricatum,the standard root mean square errors(NRMSE)of the
8、two software were 0.471%,1.103%,0.391%and 1.662%,respectively.The correlation coefficients were higher than 0.97.The measuring outcomes of the Image Jsoftware were somewhat impacted by the image quality.The impact on grayscale format or low resolution images was smallerthan that on color format or h
9、igh resolution images,but the superposition of the two factors will aggravate the impact.【Conclusion】The improved method by using scanner combined with Image J software to measure phenotypic parameters ofplant leaves has the advantages of low cost,semi-automatic,quick and accurate as well as batch p
10、rocessing,which providedreferences for the measurement of phenotypic parameters of plant leaves.Keywords:Solanum muricatum;Leaf phenotypic parameters;Image J software;Digimizer software;Scanner杨文源等:一种基于 Image J 软件的植物叶片表型参数测量方法叶片是植物与外部环境交互的重要桥梁,是植物进行光合、蒸腾和呼吸作用的重要器官1-2。叶片表观特征反映的是植物对外界环境的适应以及在复杂生境下的自我调
11、控能力3-4。因此,探究植物叶片表型塑性,对于揭示植物在不同生境下的适应性具有重要意义5-6。传统的网格法、称重法、系数回归法等植物叶片表型参数获取方法,或操作繁琐、效率低下,或精度较差、可靠性低7-8,不能很好地适用于植物叶片表型相关的科学研究。随着计算机技术的快速发展,基于数码相机或扫描仪与图像处理软件相结合的图像处理法,已成为科研和生产中植物叶片表型参数获取的热门方法,具有准确、快速、成本低廉、适合非破坏性动态连续观测等优点9-11。国内学者基于Image J 图像处理软件提出的几种植物叶片表型参数测量方法,或是只针对叶面积这一种表型参数,而不能对叶周长、叶长和叶宽等其他植物叶片表型参数
12、进行测量12-13;或是虽然可以对多个植物叶片表型参数进行测量,但实际操作过程繁琐,使用费时费力,需要单个、手动地去选定操作,最后还需要人工对测量结果进行像素数目与实际长度之间的比例关系换算14,因此均无法在科学研究中开展高效的应用。Digimizer 软件也是目前广泛应用于植物叶片表型参数测量的一款软件15-17,与 Image J 软件相比,在植物叶片表型参数测量方面具有一定的专业性和便捷性,但 Digimizer 并不是一款可以永久免费使用的软件,长期使用需要付费且费用较高,因此也具有一定的局限性。除使用上述两种软件测量的方法外,虽还有利用 Photoshop、Arc GIS18等软件对
13、植物叶片表型参数进行测量的方法,但都操作繁琐或需要具备一定的计算机编程基础,且与使用 Image J、Digimizer 软件测量的方法相比较,还不能实现同时对多个叶片的处理14。综上所述,基于 Image J 软件开源免费、使用广泛、操作简便易获取的优点,本文在结合前人有关 Image J 软件分析物体表面几何特征方法19-21研究的基础上对戴志聪等14的研究方法进行优化改进,并将改进后的方法与使用 Digimizer软件测量的方法进行比较验证。由此,提出了一种新的基于扫描仪和 Image J 软件的低成本、快速、精确、批量测量植物叶片表型参数的方法,以期为植物叶片表型参数的测量提供一定参考
14、。1材料和方法1.1试验材料试验于 2022 年在伊犁师范大学产学研成果转化孵化基地进行,香瓜茄(Solanum muricatum)叶片取自基地中所引种栽培的“绿源一号”香瓜茄,该品种于 2021 年购于甘肃省武威市民勤县人参果脱毒育苗中心。随机选取不同香瓜茄植株、不同位置的83 片形态完整且无病虫害的叶片,清洗干净,用吸水纸拭干水分后备用。1.2主要软件与设备试验所使用的 Image J 软件(即下文中的 Fiji 软件,它是 Image J 软件的一个版本)于官方网站https:/Image J.net/Fiji/Downloads 获取。所用电脑基本配置情况:Windows 11 操作
15、系统(64 位)、Intel(R)Core(TM)i5-11320H 处理器、NVIDIA GeForce MX450显卡、16 GB 运行内存(RAM)。所用扫描仪的品牌型号是联想 M7605D(越南产)。1.3叶片数字图像采集将待测植物叶片样品,整齐地排列在扫描仪的平板玻璃上,然后在叶片样品旁放置一个刻度尺作为参照物,盖上扫描仪盖板,设置好扫描仪的扫描参数(JPEG 格式、彩色、300 dpi),点击扫描,得到待测叶片样品的数字图像,对扫描得到的叶片数字图像进行命名编号后,将其存储于特定的文件夹中用作后续的处理分析。1.4测量指标及方法1.4.1测量指标试验中所测量的叶面积是包含叶柄部分的
16、单面叶片面积10,叶周长是包含叶柄部分的叶片周长,叶长是叶柄基部至叶尖的直线距离,叶宽是两侧叶缘间垂直叶柄基部与叶梢连线的最宽距离。1.4.2测量方法Digimizer 软件的具体操作方法参照参考文献 9。改进后的 Image J 软件测量植物叶片表型参数的具体操作步骤如下。6 期129(1)导入图片:打开 Fiji 软件,点击“FileOpen”,导入待分析的图片(图 1A)。或直接将图片拖放至操作栏打开。(2)设置比例关系:找到并使用操作栏中的“Magnifying glass”工具,将图片适当放大,然后使用“Straight line”工具,按住“Shift”键,沿着待分析图片中的标尺描
17、绘一定长度水平直线。直线绘制完成后,依次点击“AnalyzeSet Scale”,在弹窗页面“Knowndistance”一栏中输入直线长度,“Unit of length”中输入长度单位,其他选项默认,然后点击“OK”(图 1B)。在处理同批次规格相同的图片时,勾选“Global”选项,即可自动添加比例关系。(3)灰度转换:依次点击“ImageType8-bit”,将 RGB 格式的图片转换为灰阶图像(图 1C)。直接以灰度格式扫描获取的图片可省略此步骤。(4)图像背景校正与增强:依次点击“ImageAdjustThreshold”,软件会自动用红色将待测叶片填充,然后点击“Apply”(图
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