全 文 ：四川农业大学学报 1 9 95年 13 (2 ): 1 9 2 一 l, 4 、 2 5 7
J
.
S i e h u a n Ag r i e
.
U n i v
.
康定杨 、 滇杨 、 西南杨花粉形态的计算机量化分析
陈冠群 方盛国
《四川师范大学分子生物学研究所 /成都市 6 1 0 6 ,
谢 林 李 逊 周 毅
(四川农业大学电镜室 /雅安市`朴01 4 , 、
摘 · 要 本文对康定杨 (P . k a n g d i o g e n s i s ) 、 滇杨 (p . y“ D” a n e n s i s ) 、 西南杨 (p· B c卜” e i d e r i )
等三种杨树花粉作计算机量化分析后的结果表明 : 康定杨 、 滇杨 : 西南杨花粉
的平均等效圆面积直径分别为 18 . 4 8 , 队 21 . 1〔 “ , 和” · 6 4 林队
杨树数值分类的量化提供了数据资料 .
该结果对三种
关 艘 词 花粉 14石JD 4 5NBI 杨树【“ NL ” G田 计算机 辅助分析 158 cG } 康定杨
一 _ 镇杨 西南杨 量化分析 等效圆面积直径 一 `
中图分类号 5 7 9 2 . 11 : 5 7 , 2 . 1 1 5: 5 7 , 2 . 1一,
1
. 引言
扫描电镜具有很好的图像分辨能力和良
好的观察景深 , 利用扫描电镜对植物花粉作
表面形态的分类已陆续见有报道 《方明渊等 ,
1 9 94 : 埃尔特曼 , 1 9 7 5 : 傅仓生 , 一, 9 5 ) ,
但在较低倍率下 《小于3。。。倍〕 , 或在光镜下
要进行此项工作难度较大 。 随着计算机图像
处理技术在量化方面的普遍应用 , 我们旨在
利用扫描电镜和计算机图像处理系统对康定
杨 、 滇杨 、 西南杨的花粉儿粒度分析 , 以期
建立起一种规范化的植物花粉数值分类的量
化系统 .
2
. 材料与方法
2
.
1 供试材料
19 9 4年笔者于四川康定分别采集多株康
定杨 、 滇杨 、 西南杨花粉 .
2
.
2 实验方法
2
.
2
.
1 电镜图像的获得 : 新鲜花粉样品
按朱丽霞 “ , 的方法处理后 , 由S IP 临界点干
燥仪干燥 , KYKY离子溅射仪喷金 , KYK Y一
I O0 0B 扫描电镜观察 、 拍照 , 得到单个花粉
样品表面的3 5。。倍图片和含大量花粉颗粒的
2 0 0
一
3 0 0倍的图片 .
2
.
2
.
2 计算机图像分析 : 要确定三种花
粉有意义的几何尺寸 , 需有大量的统计学数
据 . 虽然KYKY一 1。。0B 扫描具有测微标尺 , 但
要用测微尺对几千个花粉样品进行微米数量
级的测量 , 其工作量对人和对电镜都是不可
想象的 . 另外通过电镜观察花粉形状是近似
球形 , 而非标准园球 , 各个花粉的形状又略
有差异 , 这样用测微尺测得的球直径来表示
花粉的颗粒大小就失去了意义 . 为此 , 笔者
引入了等效圆面积的概念 , 即一个近似球形
的三维样品表现在电镜的二维图片上为一近
似圆面积 , 把这侮一近似圆面积按其面积的
大小等效于一规则的圆而积 , 其直径就叫做
等效圆面积直径 . 以这样的概念表示所有不
: - . 一卜 . 0收 肠 ,
l , 2
DOI : 10. 16036 /j . i ssn. 1000 -2650. 1995. 02. 017
规则球形的直径才较为合理 J 计算机图像处
理系统是以大量象元的集合表示图像面积 ,
在等效的过程 中象元的总数不变 , 能很好的
胜任这一工作 ` ” 。
要做到尽可能精确分析一幅花粉预粒的
图像 , 应进行这样的操作过程 : 图像的预处
理一颗拉分割一颗拉统计一输出结果 .
图像的预处理 : 用 CA 5 3 0 0图像采集卡 、
c o摄象机 、 索尼监视器及 3时微机组成的图
像处理系统摄人花粉颖粒图像后在监视器显
示为一数字图像 。 由于扫描电镜二次电子发
射角度的影响 , 花粉边缘灰度值大于中央 ,
二值化时易当作背景丢失 , 须首先对图像进
行对比度增强 , 采用的方式为线性扩展 , 设
原图灰度动态范围是 la , 川 , 。 < 。 《 b《 2 5 5 , 经
线性扩展变换后把动态范围扩展到mI , 。 ] ,
设 f (x , y) 是变换前的图像 , g x( , y) 是变换后
的图像 , x : ` x < x : , y , < y 《 y : , 用下面的线性
扩展公式 :
个基本参效以表示颗粒样品的几何特征 , 其
中有最大直径 、 最小直径 、 周长 、 面积等 .
但笔者采用的是等效圆面积的概念 。 在计算
和统计之前 , 还必须给样品尺寸定标 , 这时
若以电镜的放大倍数及 CcD 镜头与照片的距
离定标 , 换算成微米数量级的标尺长度时易
产生较大的误差 , 而应在拍摄电镜照片时拍
下微标尺 , 图像处理系统计算时按微标尺的
长度定标 , 即一个象元 X、 Y方向的长度定为
多少微米 《卜动 . 然后对统计视场中的每一
个花粉样品进行测定 , 一幅图像几百个样品
计算机图像处理系统可按瞬间完成 , 再选取
样品的平均等效圆面积直径 D· me 。 。即 :
N
名 等效圆面积直径
D一 e a n =
总颗粒数N
n 一 m
— [ f ( x ,b 一 a
m
n
y )
· a J+ m a < f ( :
.
y ) < b
f ( x
,
y ) < a
f ( x
,
y ) > b
我们还可选取另外一些统计参数 , 如总
颗粒数中最大等效圆面积直径 、 最小等效圆
面积直径 , 及等效圆面积直径与颗粒数分布
的直方图等 . 最后通过计算机的监视器和打
印机输出结果 。
尸|lō L
(见图版 I所示 )
对比度增强后的图像 , 除应滤去高频噪
声以消除非花粉杂质的干扰外 , 还必须对图
像进行灰度反转 , 即把 0级灰度和2 “ 级灰度
作反转 , 图像处理系统才能正确进行识别分
析工作 , 此时样品为低灰度值 , 背景为高灰
度值 .
颗粒的分荆 : 首先对要统计的样品加以
人工伪彩色着色 (可任选某一颜色 ) , 从灰度
值的低端开始 , 着色面积沿灰度值高端进行 ,
直到认为彩色孤盖了你所要统计样品的全部
特征 , 而又未包含其他杂质和背景则可停止
着色 。 接着进行图像的二值化 , 把彩色象元
的灰度值和其他背景象元的灰度值分别置换
成一种灰度位 . 再用图像编辑功能剧除统计
场边缘的不完整花粉颁粒和用光标把影像连
结在一起的两个和两个以上的颗粒切割成单
个 , 则可进行样品的分析 。
花粉颗粒的分析统计 : 用汇编语言和
FORT RA N 语言编写的图像分析软件可提供多
3
. 仪器
3
.
1 中国科学院科学仪器厂生产的KYKY
离子溅射仪 、 KYKY 一 1 O0 0 B扫描电镜 .
3
.
2 中国科学院自动化研究所研制的以
5 3。。伪彩色图像采集卡 .
3
.
3 日本产MTV一 1 8 0 l CB型CCD摄像机和
P翎 一 1 4 4 2 oM型高分辨率索尼监视器 .
3
.
4 美国丁AHDON公司生产的丁朋DON 3 86
13 3微机 .
4
. 结果与讨论
图2至图7最康定杨 、 滇杨 、 西南杨三种
杨树花粉的 3 50倍 、 4 0 倍和 3 5 0 0倍图片 , 山
这些图片难以从表面形态上区分三种杨树 ,
经对其作颗粒分析后 , 其统计结果如表 l 。
从表 1 中看出西南杨的花粉颗粒的平均
等效圆面积直径为 25 . “ 。 : , 滇杨为 21 . 10
, m
, 康定杨为 18 . 魂8 , m 这在量化上具有
明显差界 .
l , 3
表 1 花粉颗粒几何几尺寸计算机分析结果
统计视场数 颗粒数 最大等效圆面积直径 最小等效圆面积直径 平均等效圆面积直径
康定杨 2 85 82 0 3. 2 5p . 1 0 . l lp 功 1 8. 4 8林 口
滇 杨 82 5 59 32 . 31 林 m 1 2 . 5 8p 口 2 1 . 10 卜 m
西南杨 82 6 7 7 36 . 4 4p m 1 5. Zlp 切 2 5. 6 4p 口
计算机图像处理与分析在各个领域的应
用研究正面临蓬勃发展 , 但有关扫描电镜的
花粉形态的计算机量化分析工作尚未见文献
报导 , 为尽量减少各种因数的干扰和提高分
析的准确性 , 笔者反复探索 , 力图建立一套
规范化的操作 。 这里我们只是对电镜 图片进
行计算机图像分析 。 而在实标工作中 , 光学
显微镜是一般实验室的常备仅器之一 , 找们
的计算机图像处理系统的CcD 摄像头可直接
和光镜的目镜接口 . 这样组成的系统能直接
地 , 简便 、 快速地对植物种间或不同品种作
花粉量化分析而区别之 。 这在植物数值分类
方面具有一定的实用意义 。
·
5
. 参考文献
《本文图版 I 载 2 57 页 )
①方明渊等 四川银莲属 (A 。 e mo n 。 ) 花
粉形态及其演化 四川大学学报 厂 (自然科学
版 ) 3 1 (2 ) 2 4 6 一 2 5 7 19 9 4
②王开发等 1 9 8 3 抱粉学概念 北京
大学出版社
③G 埃尔特曼 1 9 7 8 抱粉学于册 `科
学出版社
④傅仓生等 l , , 3 毕国梨属植脑花粉
形态的电镜观察 电子显微学报 _ 12 (l 1
⑤朱丽霞等 J g名 3 生物学中的电子显
微镜技术 北京大学 出版社
⑥朱宜等 l , 91 扫描电镜图像的形成 、
处理和显微分析 北京大学出版社
⑦李月景 19 8 5 图像识别技术及其应
用 机械工业出版社
TEH CJ通孑UT ER I袖铅E 灿认比 5 15 皿 皿IE POLL双 5 51护于ES
OF POPUL US KA鹅DING及唱 ISC, 撇珊 ET A现屺 ETC, 吸皿EE SPECI ES
,
c 卜 、 Gu a n q u n et al
一
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丛旦丝旦 T五e r e ` 。 I ` o f `五e 0 0 二 p“ 忿e r i o a g e p o r t 万` a l s c D “ 。 t i D g 。 。 ` b e p o l l e 。 ,
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k a n g d i o g e o s i ` C
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t 卜e i r a v e r a g e e q v i v a l e n t e i r e l e d i a口 e t e r s a r e 18 . 4 8卜 功 , Z I . 1 0 p . a n d 2 5 . 6 4 p .
s o p a r a 仁e l了 . 1 t P r o v i d e d t h e da t u m f o r t h e q 吐a n t i t a t i v e e l a s s i f i e a t i o n o f t h e
t卜r e e p o P l a r s .
KEY WORDS POLLEN ; POPULUS ; COMPU I ER
一
Al DEDANA LYS I S ; PKAKGD INGENS I S C
,
WANG
,
,
P
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YUNNANENS ! 5 DODE
.
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K人人GD I NGENS I S C . 留ANG ET TUKG VAR S CHNP I DER I
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CHAO ; QUANTI TAT IVE ANALYS I S ; EGV IVALENT C I RC LE Dl朋 ETER
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