全 文 ：广 西 植 物 Guihaia 29(3)：342— 347 2009年 5月
用扫描仪及 Image J软件精确测量
叶片形态数量特征的方法
戴志聪，杜道林 ，司春灿，林 英，郝建良，孙 凤
(海南师范大学 生命科学学院 ，海 口 571158)
摘 要：传统的纸样称重法用来测量离体叶片的面积，烦琐、耗时、精度不高。为寻求一种适合的方法，我们
对离体叶片采用扫描仪获取叶片的数字图像，利用 Image J软件测量叶片的长、宽、周长、面积及叶柄的长，并
与传统的纸样称重测定叶面积法进行 比较。结果表明，此方法具有低成本 、快速 、精确等特点，适用于植物形
态学、植物生理生态学 、林学及农业等对叶片形态特征的测量研究工作 。
关键词 ：叶片形态分析；图像处理；Image J
中图分类号：Q948 文献标识码 ：A 文章编号：1OO0—3142(2Oo9)03—0342—06
A method to exactly measure the
quantity of leaf using
morphological
Image J Software
DAI Zhi—Cong，DU Dao-Lin ，SI Chun-Can，
LIN Ying，HAO Jian-Liang，SUN Feng
(College of Li Sciences，Hai~n Normal University，Haikou 571158，China)
Abstract：The conversational paper-weighting method in measuring the leaf area departed from the arbor is trivial，
time-c,．asuming and precision—inferior．A method for morphological analyses of leaf was developed by obtaining the
digital photo of the real leaf depart from the arbor with the scanner and measuring the length，weight，perimeter and
area of leaf and the length of leafstalk with Image J software．The measured data from digital photos were compared
with the values from paper cut method．The results showed that this method could be used for measuring large num—
ber of samples wi th the advantages of low price，expeditiousness and exactness in plant morphology，plant physiologi—
eal ecology，forestry and agriculture research．
Key words：morphological analyses of leaf；image processing；Image J．
叶片是植物的重要组成部分，是植物光合作用
和蒸腾作用的主要器官，也是光合作用进行干物质
积累的主要器官，受水分、温度、光照等环境因子的
影响显著；叶片面积作为叶片形态特征中最重要的
指标，也是评价环境因子效应的重要生长指标(肖春
旺等，2002；肖强等，2005；李素艳等，2006)。遗传变
异体现在不同水平上，从表型性状上来检测遗传变
异是最古老也是最简便易行的方法(Schaal等，
1991)。而植物形态变异主要表现为叶外部形态的
变化、叶厚度的变化及叶内部解剖结构的差异等(郭
玉华等，2004)。在自然居群中，植物的大多数形态
性状是多基因决定的数量性状，往往具有适应和进
收稿日期：2008—01-18 修回日期：2008—10—26
基金项目：国家自然科学基金(30260024)；教育部新世纪优秀人才支持计划；教育部科学技术研究重点项目(204157)；海南省515人才计划项目
[Supported by the National Natural Scienee Foundation of cIlina(3026OO24)；Excelent Talents Supported Program in New Century of Education Ministry
Key Scientific Technology Project of Education Ministry(204157)：Foundation of“515”Talents Project of Hainan Province]
作者简介：戴志聪(1983一)，男，福建泉州人，硕士研究生，主要从事生物多样性研究及保护，(E—mail)daizhieong@163．corn。
通讯作者(Author for correspondence，E-mail：ddl@hainnu．edu．en；daolin99@163．corn)
3期 戴志聪等：用扫描仪及 Image J软件精确测量叶片形态数量特征的方法 343
化意义(Schwaegerle等，1986；Schaal等，1991)。而
目前常用来计算叶形指数(叶面积与叶长和叶宽乘
积的比值)的叶面积的测量方法主要有：传统的方
法，如纸样称重法 (侯义龙，1992；王伯荪等，1996)；
线性代数法，如 叶面积 指数 回归 方程法 (刘贯 山，
1996)；叶面积仪法 (姚瑞玲等 ，2007)；图像处理法
(肖强等，2005；黄燕等 2006)。
其中，纸样称重法虽然比较常用，但繁琐且花费
时间长；叶面积指数回归方程法相对不精确，并且只
能针对某一特定的品种；叶面积仪法，则成本相对太
高；目前，随着数码产品(数码相机、扫描仪等)的普
及 ，利用图像处理法来测量叶片形态特征 ，特别是叶
面积，则集成了以上各种方法的优点，成本低、精度
高、方便快捷。之前多数的图象处理法，大多用
Photoshop软件或其他编程软件来处理图片，相对
来说还是有点繁琐或需要具备一定计算机编程基
础，并且，不能处理多片叶片。本文在现有的数值图
像处理法的基础上，介绍了一种快捷、精确、连续测
量多枚离体叶片的形态特征的方法——扫描仪+
Image J软件法，为植物形态学、植物生理生态学、
林学及农业等研究提供便捷、廉价而准确的服务。
1 材料与方法
1．1供试材料
从采集的 20株青皮(Vatica mangachapoi)中，
每株随机选取 25～3O片完整的、大小各异的青皮叶
片，共计 594片青皮叶片。
1．2设备与工具
1．2．1扫描仪 一般扫描仪，本次试验用的扫描仪
为清华紫光公司的产品，型号为 Uniscan A686。
1．2．2电脑 以能满足安装扫描仪及 Image J软件
的要求即可，本次试验所用为 Lenovo旭 日 125C笔
记本电脑。
1．2．3软件 本次试验所用的扫描软件为“文晟扫
描 1．0”(下载地址：http：／／die2．pconline．COrn．cn／
filedown．jsp?dlid=2513＆linkid=52133)；图象处
理软件为Image J 1．36b(下载地址：htp：／／rsb．in—
fo．nih．gov／ij／download．htm1)。
1．3测定方法及步骤
分别采用纸样称重法(王伯荪等，1996)及 Im—
age J软件测量法。其中，纸样称重法为：使用白纸，
剪取一定面积(S。)，烘干后称质量(Go)，则可求得
这种纸的单位质量面积 D—S。／Go。然后将已描好
叶片轮廓的纸按叶片轮廓小心地剪下来，烘干后称
质量(G)，根据叶面积 S—DG可求出叶片的面积。
1．3．1扫描仪及扫描软件设置 将多片(通常为2～
6片，以叶片之间不互相重叠为宜)青皮叶片平整置
于扫描仪上后，盖上扫描仪盖板，使叶片完全平整地
展开；打开“文晟扫描”软件(界面见图 1)，设置软件
的各个参量：选择图像来源一Uniscan A686(扫描
仪)，扫描页面(作为参照面积)一A4，分辨率一150
dpi，颜色一彩色，文件名根据实际需要自行修改，定
义草稿区——即选择图像扫描后自动保存的位置。
之后，按“扫描”键开始扫描。
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图 1 文晟扫描软件界面
Fig．1 The window of W ensheng scanner software
File Edit Image Process Analyze Pluglns Window Help
一 二=』 ’-』
P0 oN selections
图 2 Image J软件界 面
Fig．2 The window of Image J software
1．3．2用 Image J测量叶片形态各特征参量 打开
Image J软件(界面见图2)。点击”File”一“Open”一选
择扫描好的叶片图像。
选“line selections”工具，默认设置，测叶片的长
度像素点数(叶柄基部与叶片相交处至叶尖的距离)
或宽度像素点数(叶片最宽处与叶轴垂直的距离)
(Ninemets等，2007)，单位均为dot。用“line selec—
tions”工具，选取叶柄基部与叶片相交处至叶尖的
344 广 西 植 物 29卷
距离(图3)，然后选择软件的”Analyze，_“Measure”
(图 4)，就会出现图5的窗口。测多个叶片，可以连
续操作，结果自动记录在”Results”窗口里。测完所
有的叶片后，点击”Results”窗 口的”File，_“Save
as”一选择保存位置并重命名，即在该位置产生一个
Excel文件，可以方便地进行数据处理操作。
图 3 测叶片的长
Fig．3 Measuring the length of leaf
图 4 获取结果
Fig．4 Obtaining the results
File Edit
1 82．417 57．843 210 -1．474 544．18O
2 77．843 51．674 1 1 8．3 ．821 558，057
3 73 107 49 887 150 06{I．061 544．121
图 5 长度测量砖果
Fig．5 Results of the length
图 6 测叶片的面积、周长
Fig．6 Measuring the area and circle of leaf
选“polygon selections”工具，设置参数，”Ana—
lyze，_“Set Measurements”一选择”Area”、”Perime—
ter”及”Feret’S Diameter”，测叶片的面积像素点
数、周长像素点数，直径长像素点数，单位均为 dot。
用“polygon selections”工具，沿着叶片的边缘(图6)
选取整个叶片的外部轮廓(选取的点越多则越精
确)，然后选择软件的”Analyze，_“Measure”(图 4)，
就会出现”Results”窗口。测多个叶片，操作 同测量
叶片长度的操作一样。
1．4测量数据换算的算法
根据需要换算分辨率单 位，dpi(即 dot per
inch)表示每英寸长度内的像素点数，本次试验所用
的扫描仪的分辨率设置为 150 dpi，即每英寸长度内
有 150个像素点数(dot)，换算一下，则一个像素点
(dot)相当于(1／150)inch。又 1 inch一2．54 cm(黄
燕等，2006)，则 1个像素点相当于(2．54／150)cm。
各个参量的换算公式如下：
实际长度 (cm)一测得 的长度像素点数 ×
(2．54／扫描仪分辨率)；实际面积(cm。)=参照面
×(实际面积像素点数／参照面积像素点数)。
中的扫描仪分辨率设置为 150 dpi，参照面积取为
A4大小，因此，实际叶片的长(cm)一测得的叶片的
长度像素点数×2．54／150；实际叶片的宽(cm)一测
得的叶片的宽度像素点数×2．54／150；实际叶片的
周长(cm)一 测得的叶片的周长像素点数×2．54／
150；实际叶片面积 (cm )一实际测得的点数 ×
0．000286738。
以上换算，在 Excel 2003里建立公式，处理起
来非常方便、快捷。
1．5分析方法
采用方差分析(SAS，2002)对以上不同测量方
法所得结果进行了 比较分析 ，其 中 2．1采用 Mixed
Model，因为植株是随机选择的而作为随机效应因
子，测量方法或测量次数或测量人为固定效应因子，
考虑植株和测量方法或测量次数或测量人的交互作
用，固定效应检验使用 Type II测算；检验统计量
用 Type I测算，LSMean差异比较采用 Tukey法
校正。
2 结果与分析
2．1数字图像处理方法(扫描仪+ImageJ)与常规方
法(纸样称重法)的比较
选取了来自不同种群的 2O株青皮作为试验对
3期 戴志聪等：用扫描仪及 Image J软件精确测量叶片形态数量特征的方法 345
象，其中每株再随机选择 3O片完整的、大小各异的
青皮叶片，共计 594片(其中有一株青皮的树叶在扫
描过程中出现错误，扫描重复了一组，故缺 了 6片)
青皮叶片。
当不考虑测量方法与植株来源之间的交互作用
时，叶片各特征指标的方差分析结果显示，Image J
和纸样称重法两种方法测量的结果不存在显著差异
(表 1)，说明了，Image J软件处理方法适用于叶片
形态数量特征的测定。而考虑 了测量方法与植株来
源之间的交互作用时，平均值的统计结果显示，各项
指标，除了叶长，Image J法测得的值相对纸样称重
法测得的值稍高；但方差分析的结果(表 1)则显示，
除了叶宽存在极显著差异外，其他各项指标，用纸样
称重法与 Image J法测量所得的值无显著差异。这
主要是在测量有卷 曲的叶片的叶宽时，利用 Image J
法，扫描仪能将叶片完全平整地展开，而利用纸样称
重法则未能将叶片完全展开。因此，利用 Image J
法比纸样称重法的测量精确度高。
表 1 不同测量方法测量青皮叶型系数、叶片长、叶片宽和叶面积结果之间的方差分析
Table 1 Variance analysis of the two methods in measuring the coefficient
of leaf shape，length，width and leaf area of Vatica mangachapoi
注：“ 表示差异极显著。
Note： shows the difference is extremely significant
2．2 Image J软件测量法可重复性／稳定性比较
2．2．1同一个人利用 Image J软件测量可重复性比
较 同一个人在不同的时间对同一片叶片的处理会
(因为所选择的结点的随机性而)对图像像素的结果
产生一定的影响，为了探讨这种影响的显著性，试验
设置了同一个人使用 Image J软件对扫描的 9O片
青皮叶的图片的叶片长、叶片宽、叶柄长、叶片周长
及叶片面积分别测量了 5次，得到 5组上述形态特
征参量的数值。用准确度 (LSMean)±精确度
(Standard Error)来考察相同的人在不同次数对相
应叶片指标测量得到的值之间的差异性(即同一测
量目标重复测量的稳定性，差异性越小 ，则稳定性越
好)，方差分析(表 2)表明，测量次数对上述各个参
量总体上均不存在显著性影响；进一步检验获得的
5次形态特征参量的LSMean(表3)，也未发现存在
显著性差异。这都说明了 Image J软件测量法稳定
性好，可重复性高，不受使用者主观因素的影响；一
般测定一次即可。
2．2．2不同的人利用 Image J软件测量对结果的影
响 同样地，不同的人，在操作过程中，在对图片的
处理上也会(因为所选择的结点的随机性而)对图像
像素的结果产生一定的影响，因此，试验设置了2个
人分别在相同软件参数设置条件下，对选定的9O片
叶片扫描图片进行了测量。
表 2 同一个人五次使用 Image J软件测量
各个叶片指标的方差分析 (1)
Table 2 Variance analysis(1)of the results getting
by one person using the same Image J to
measure the leaf indexes for five times
通过比较分析(表 4)发现，不同的人在使用该软
件时，只要对相应指标的选取标准一致，所采集到的
数据不存在显著差异，也就是说，使用该软件所测得
的值不受不同使用者的影响，具有较高的稳定性。
2．3 Image J软件中不同工具／方法对测叶片长的影响
在 Image J软件中，通过设置不同的参数还可
以利用不同的工具(1ine selections与 polygon sele—
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表 4 不同人使用 Image J软件测量各个叶片指标的方差分析
Table 4 Variance analysis of the results getting by different people using the same Image J to measure the leaf indexes
表 5 Image J软件中不同工具测叶片长的方差分析
Table 5 Variance analysis of the results getting
using different instruments of Image J
to measure the length of leaf
叶片长(LSMean士SE)
项 目Item Leaf length
(LSMean土SE)
Fere测量法 Measure method Fere 702．50士32．5696
Line测量法 Measure method Line 691．16士32．5696
Fere测量法 lane测量法差异性比较(Ad一 0．3581
justment P of Tukey—Kramer)
ctions)求叶片长，实践操作中，我们发现，利用后
者，在求面积的时候顺便求得叶片长，这样将更加便
捷，更加节省时间。为了比较这两个工具所测得的
数据之间的差异性，我们利用上述 2种方法，比较了
259片青皮叶长的测量结果，发现两种工具所求得
的长度不存在显著性差异(表 5)。
3 讨论
与一些传统的方法比较，用“扫描仪+Image J
软件扫描法”具有诸多优点。比如，相对于叶面积仪
(即使是国产的价格也在￥15 000～25 000之间)，
本文介绍的方法在硬件上只需一 台普通扫描仪(本
文所用市面价格约￥300)及一台普通计算机(一般
实验室都有配备)，而软件则可免费下载，因此，此方
法具有十分明显的成本优势；在获取的叶片形态特
征的数据时，经过我们的实践统计，测量 3O片树叶，
即使是在比较熟练的情况下，3个人直接测量叶片
长 、宽及叶柄长和纸样称重法测叶片面积平均需要
花费 1 h，后期的数据输人计算机约需 0．5 h；而利
用本文介绍的方法只需要 1个人进行操作，扫描 30
片树叶只需要 2．5～3 min，利用本文介绍的方法测
量叶片长、宽及叶柄长约花费 10 min，测量面积和
周长花 10 min，总共不到 30 rain，不仅花费的人力
及时间都比传统方法少，获得了更多的数据量(叶片
周长)。并且在测量叶片面积时，相对于繁琐的纸样
称重法(变异系数为 12．5 9，6)及较为昂贵的叶面积
仪法(变异系数为 11．0 )，势值图像处理技术法
(变异系数为 5．0％)表现出较高的精确度、稳定性
3期 戴志聪等：用扫描仪及 Image J软件精确测量叶片形态数量特征的方法 347
(柏军华等，2005)。另外，本文介绍的方法又具有方
便快捷的特性，很适合大量离体叶片(特别是不规则
的树叶)的多叶测量；并且，相对于当前大多已报道
的图象法，此法除了测量叶面积以外还能同时测量
叶片的其他形态特征指标，特别是叶片的周长。因
此对于已采集了大量叶片的植物形态学和生理生态
学、林业及农业 (特别是精细农业上)在叶片形态特
征的相关研究工作，本文所介绍的方法可以很方便、
快捷而较为精确地解决。而且，对于非破坏性的连
续观察叶片的需要(比如对植物的生长规律研究的
需要)，也可以通过采用数码相机取代扫描仪的方案
加以解决。
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