全 文 ：园 　艺 　学 　报 　2009, 36 (6) : 923 - 928
Acta Horticulturae Sinica
收稿日期 : 2008 - 12 - 23; 修回日期 : 2009 - 03 - 24
基金项目 : 国家公益性行业科研专项 ( yhyzx072007) ; 2008辽宁省博士生访学计划项目 (辽教发 [ 2008 ] 16号 )3 通讯作者 Author for correspondence ( E2mail: fenghuiaaa@2631net; Tel: 024288487143)
基于图像处理技术的番茄部分株型信息的获取
冯　辉 3 , 张　婷 , 王维佳 , 王五宏 , 石运涛
(沈阳农业大学园艺学院 , 沈阳 110161)
摘 　要 : 将作者设计的番茄株型测量软件 ToPM 21用于测量番茄叶片的基角、开张角、垂角、开张度、
垂度、叶长、叶宽、株高、株幅、节间长和茎粗等。软件测量和手工测量结果比较分析表明 , 两种测量方
法的数据间差异不显著。软件测量具有快速、方便、准确、低成本、不破坏植株等优点 , 可用于高效采集
番茄株型信息。
关键词 : 番茄 ; 株型 ; 图像技术
中图分类号 : S 64112　　文献标识码 : A　　文章编号 : 05132353X (2009) 0620923206
Som e Plan t2type Param eters M ea surem en t Ba sed on Image Technology in
Toma to
FENG Hui3 , ZHANG Ting, WANG W ei2jia, WANG W u2hong, and SH I Yun2tao
(College of Horticu lture, Shenyang A gricu ltura l U niversity, Shenyang 110161, Ch ina)
Abstract: A measurement software“ToPM 21”was designed and used to measure the p lant2type indexes
of tomato, including base angle, opening angle, droop ing angle, opening length, droop ing length, leaf
length, leaf width, p lant height, p lant range, node length and stem diameter. Itwas indicated in the compara2
tive analysis that the difference in the data collected from the manual and the software measurements was not
significant. The software measurement is characterized by high efficiency, facility and accuracy, low cost, and
non2destruction to p lants. It is an efficient tool in the research on tomato p lant2type.
Key words: tomato; p lant2type; image technology
株型是指植物综合生物学性状的组配模式及其整体表达 , 包括植物的形态特征、茎叶空间排列方
式等几何性状 , 也包括与群体光能利用相关的生理性状。株型信息采集是株型研究的前提 , 这一过程
关键而且信息量大。传统手工测量方法存在效率低、容易产生误差等缺点。探索准确、简便的株型参
数测量方法势在必行。
以图像的形式 , 通过计算机处理获取株型信息的方法主要有特征点标记法和图像识别法两种。特
征点标记法即通过移动光标 , 在植株各器官图像上进行标记 , 具体点数依照叶片的波折程度而定 , 然
后将标记好的点通过二值化法生成各种线段 , 可以测量包括曲线在内的多种株型参数 (李少昆 等 ,
1998)。图像识别法可以将彩色图像中含植株的部分与背景分割出来 , 再将切割后的彩色图像用计算
机程序自动转换为黑白二值图像 , 然后对黑白二值图像进行特征提取 , 得到图像中植株的形态特征
(梁淑敏和杨锦忠 , 2007)。计算机视觉技术和遥感技术也是获取图像信息的有效辅助手段 (单成钢
等 , 2004; 苑克俊 等 , 2006; 岑喆鑫 等 , 2007; 黄文江 等 , 2007)。目前 , 利用图像技术获取株型
信息已经在大田作物中得到广泛应用 , 但是番茄株型研究还处于起步阶段。
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番茄属于喜光作物 , 容易遭受弱光胁迫危害 , 特别是北方冬季保护地生产 , 温室内的光照强度经
常处于光饱和点以下 , 有时甚至小于补偿点。通过株型改良选育耐弱光品种 , 是番茄新的育种方向。
番茄株型的一级参数主要包括基角、开张角、垂角、开张度、垂度、叶长、叶宽、株高、株幅、节间
长和茎粗等。在以往的番茄株型研究中 , 上述参数的获取均采用田间手工测量法。本文报道番茄株型
信息数字化采集新方法 , 可以为番茄株型研究提供快捷的株型参数获取手段。
1　材料与方法
111　材料及取样
以沈阳农业大学育成的上冲株型番茄品种 STO6和下垂株型番茄品种 STO3为试材 (图 1) , 2006
年 8月 12日播种 , 9月 26日盆栽定植 , 充分保证植株生长空间。10月 10日和 11日各取 30株 , 分
别测量植株性状。手工测量和数字图像采集同时进行。
112　番茄株型测量软件
11211　设计原理 　植株形态参数数字化采集包括图像获取和图像处理两个步骤。图像获取的主要途
径为 CCD摄像机、数码相机和扫描仪等。图像处理包括几何处理、算术处理、图像增强、图像复原、
图像重建、图像编码、模式识别和图像理解等。由于番茄植株形态多样 , 自动识别形态的效果不佳。
本试验设计番茄株型信息采集软件 ToPM 21, 利用数码相机获取图像 , 采用几何定点和算术计算处理
图像 , 图像以二维数组形式输入 , 从二维数组所代表的图像中提取特征进行分析 , 最终以描述的形式
输出。
本试验中将三维番茄植株结构转化成平面二维拍照。根据番茄植株性状的特点 , 测量可以定位到
点、线、面 (角 ) , 株型参数可以简化为角度和线段 , 通过 JAVA语言编写程序 , 实现番茄株型软件
测量。已知任意的点坐标 , 可以求出边长和角度。在计算实际长度时 , 需要计算比例尺的大小。同一
背景环境中 , 比例尺的大小同番茄株型参数的实际长度与图像中的相对长度的比值是一致的。在角度
的计算中 , 实际角度的大小与相对角度的大小在图像中属于 “相似形 ”, 不需要比例尺参与计算 , 直
接通过程序设计语言提供的三角函数和反三角函数计算。
11212　图像获取 　一级参数包括基角、开张角、垂角、开张度、垂度、叶长、叶宽、株高、株幅、
节间长和茎粗。基角是指叶柄基部切线与茎夹角。开张角是指叶柄基部点同叶片最高点连线与茎的夹
角。垂角是指叶柄基部点同叶片顶点连线与茎的夹角。开张度是指叶柄基部点到叶片最高点的长度。
垂度是指叶柄基部点到叶片顶点的长度。
如图 2, 在植株旁边立标尺做参照物 , 用数码相机将测量部位拍成照片。在拍照叶片基角、开张
角、垂角、开张度、垂度图片时需要使用平面挡板 , 以保证角平面与数码相机光轴垂直。拍照叶宽、
叶长时 , 由于番茄植株具有一定的柔韧性 , 无需采摘叶片 , 在植株体上使用压玻璃板的方法 , 可以解
决叶片弯曲问题。拍摄株幅时 , 为了与株高对应拍照 , 采用正面最宽处与相机光轴垂直拍照。拍照茎
粗、节间长时使用微距拍摄方式。
11213　软件测量 　番茄株型测量软件 ToPM 21可以在 W indows环境下运行。首先将 JPEG格式的图片
传入株型测量软件中 , 由于图像的纵横比是锁定的 , 所以图像不会变形失真。然后输入比例尺 , 用鼠
标在番茄株型参数的主要位点选取特征点 , 图像上所选取的每个点的数据以屏幕坐标值保存 , 软件将
特征点自动连成直线 , 按照两点确定一条线段 , 三点确定一个角平面的原理处理图像。最后将测量数
据输出并且保存 , 后期导入 Excel进行处理。
11214　验证 　首先用直尺和量角器测量株型指标 , 取得长度和角度等真值。然后将采集的图像输入
电脑 , 利用 ToPM 21软件测量相对应的数值。最后比较软件测量值与真值的差异 , 评估软件测量的准
确性。
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2　结果与分析
211　软件测量的误差
软件测量与直尺和量角器测量的标准长度和角度列于表 1和表 2。当相机与被测物体平行时 , 即
相机光轴与物体垂直 , 长度的平均相对误差为 114549% , 角度的平均相对误差为 113149% , 均小于
5%。当相机倾斜于物体平面时 , 长度的平均相对误差为 119517% , 角度的平均相对误差为
101392% , 说明相机倾斜对长度测量影响不大 , 但严重影响测量角度 , 因此测量角度时需设置平面参
照物。
表 1　相机与被测物体平行时番茄株型软件测量误差
Table 1　Error of toma to plan t2type m ea surem en t software when the cam era wa s para lleled to the object
标准长度 Standard length
真值 / cm
True value
软件值 / cm
Software value
绝对误差 / cm
Absolute error
相对误差 /%
Relative error
标准角度 Standard angle
真值 /°
True value
软件值 /°
Software value
绝对误差 /°
Absolute error
相对误差 /%
Relative error
0150 0150 0 0 　5100 　5101 0101 011996
1100 1100 0 0 10100 10157 0157 513926
1150 1154 0104 215974 20100 20156 0156 217237
2100 2108 0108 318462 30100 30152 0152 117038
3100 3108 0108 215974 45100 45172 0172 115748
4100 4107 0107 117199 60100 60146 0146 017608
5100 5111 0111 211526 90100 90100 0 0
6100 6106 0106 019901 120100 120123 0123 011913
7100 7101 0101 011427 150100 150120 0120 011332
8100 7196 0104 015030 180100 179116 0184 014690
表 2　相机与被测物体倾斜时番茄株型软件测量误差
Table 2　Error of toma to plan t2type m ea surem en t software when the cam era wa s inclined w ith the object
标准长度 Standard length
真值 / cm
True value
软件值 / cm
Software value
绝对误差 / cm
Absolute error
相对误差 /%
Relative error
标准角度 Standard angle
真值 /°
True value
软件值 /°
Software value
绝对误差 /°
Absolute error
相对误差 /%
Relative error
0150 0152 0102 318462 　5100 　6145 1145 2214806
1100 1100 0 0 10100 12166 2166 2110111
1150 1155 0105 312258 20100 24165 4165 1818641
2100 2107 0107 313816 30100 35116 5116 1416758
3100 3107 0107 212801 45100 50121 5121 1013764
4100 4110 0110 214390 60100 64102 4102 612793
5100 5108 0108 115748 90100 89128 0172 018060
6100 6108 0108 113158 120100 113198 6102 512820
7100 7105 0105 017092 150100 144133 5167 319280
8100 8106 0106 017444 180100 179161 0139 012170
212　一级参数测量
比较软件测量与手工测量番茄株型性状的结果 (表 3) , 用 DPS数据处理系统进行方差分析 , 结
果二者差异不显著。手工测量可以达到一定的准确性 , 但是要达到高度的准确性 , 需要花费大量的时
间。本试验在保证手工测量数据准确的前提下 , 将软件测量的数据与之比较 , 结果表明二者差异不显
著 , 说明软件测量可以达到与手工测量相同的准确性。但是 , 软件测量所用的时间要远远少于手工测
量。
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表 3　手工与软件测量株型参数比较
Table 3　Com pare of plan t2type param eters by manua l m ea surem en t and software m ea surem en t
株型参数
Plant2type parameter 测量方法Measurement methods 上冲株型品种Leaf2up 下垂株型品种Leaf2down
基角 /°Base angle 手工 Manual 38102 aA 55177 aA
软件 Software 39101 aA 56186 aA
开张角 /°Opening angle 手工 Manual 49167 aA 71160 aA
软件 Software 51127 aA 69172 aA
垂角 /°D roop ing angle 手工 Manual 62137 aA 108187 aA
软件 Software 63131 aA 109114 aA
开张度 / cm Opening length 手工 Manual 16192 aA 13171 aA
软件 Software 18118 aA 12143 aA
垂度 / cm D roop ing length 手工 Manual 22172 aA 26122 aA
软件 Software 23143 aA 25149 aA
叶长 / cm Leaf length 手工 Manual 24134 aA 32186 aA
软件 Software 25103 aA 33144 aA
叶宽 / cm Leaf width 手工 Manual 16161 aA 22155 aA
软件 Software 16181 aA 23143 aA
株高 / cm Plant height 手工 Manual 47110 aA 60128 aA
软件 Software 47154 aA 58178 aA
株幅 / cm Plant range 手工 Manual 34132 aA 45170 aA
软件 Software 33151 aA 47172 aA
节间长 / cm Node length 手工 Manual 5176 aA 　6191 aA
软件 Software 5173 aA 　6173 aA
茎粗 / cm Stem diameter 手工 Manual 0178 aA 　0183 aA
软件 Software 0175 aA 　0183 aA
　　注 : 表中小写和大写字母分别表示 5%和 1%差异显著水平。
Note: The small and cap ital letters indicated 5% and 1% significant difference respectively.
213　二级参数计算
与番茄植株紧凑程度直接相关的叶片基角、开张角和垂角可以直接测量。但是 , 仅从叶角大小来
度量叶片紧凑程度是不全面的 , 叶片挺直或下垂的长短也是度量叶片紧凑程度的重要参数。但是 , 番
茄植株的紧凑度低 , 茎系走向复杂 , 叶片平展类型品系的叶向值接近于 0。基于番茄叶片的特殊性 ,
我们在原有株型参数披垂度 (垂度与叶长的比值 ) 的基础上 , 探索性地引入披垂值概念 , 即用披垂
度乘以垂角的反向角作为另一个二级参数。披垂值将茎叶夹角与叶片披垂程度和叶全长比值融为一
体 , 是表示叶片挺拔、上冲或下垂程度的综合指标。这个参数比大田作物上的叶向值更适于描述番茄
叶片的综合态势。
披垂值 = (180°-θ) ×(LP /L )。
其中θ为垂角 , LP为垂度 , L为叶长 (包括叶柄 )。
通过手工测量和软件测量获取一级参数 , 并根据其平均数分别计算上冲株型和下垂株型番茄品种
的披垂值 , 结果两种测量方法所得数据相近 (表 4)。
表 4　两种株型番茄品种叶形比较
Table 4　Com pare of leaf shape in two plan t2type toma toes
株型
Plant2type 测量方法Measurement method 垂角 /°D roop ing angle 垂度 / cmD roop ing length 叶长 / cmLeaf length 披垂值 /°Leaf droop ing degree
上冲株型 Leaf2up 手工 Manual 62137 22172 24134 109182
软件 Software 63131 23143 25103 109123
下垂株型 Leaf2down 手工 Manual 108187 26122 32186 56177
软件 Software 109114 25149 33144 53110
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3　讨论
番茄株型测量软件 ToPM 21可直接用于番茄株型信息采集。该软件的主要特点是 : ①操作简便 ,
测量速度快 , 适用于短时间内处理大量的群体 ; ②数码相机拍照和软件测量的方法可以排除人为误差
造成的准确度降低 ; ③图片和文本可以保存在电脑中 , 数据整理方便 ; ④根据番茄株型特点编制软
件 , 可以满足当前番茄株型研究的需要。
本试验中在研究番茄株型参数时 , 主要是根据当前番茄育种的需要编制软件 ToPM 21。与其他测
量软件相比 , 该软件不包括曲线测量。曲线长度的测量主要用于量取弯曲叶片的长度。番茄的叶片属
于羽状复叶 , 用图像识别难以测量叶宽 , 必须将叶片压平测量。考虑到测量叶宽的原因 , 并且叶长和
叶宽又属于共同存在的株型参数 , 我们在测量叶长时并没有使用曲线计算 , 而是用玻璃板将叶片压
平 , 同时测量叶长和叶宽 , 获得的图像可以利用 Photoshop软件测量叶面积 (肖强和叶文景 , 2005)。
针对番茄叶片的特点 , 作者通过基角、开张角、垂角、开张度和垂度的测量来反映叶片弯曲程度。随
着番茄株型研究的深入 , 该软件在诸如曲线测量等方面尚有待进一步完善。
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