Определение площади листьев методом сканирования

 

Определение площади листьев – задача, которую необходимо решать в ходе многих количественных физиологических исследований растений. Такие параметры, как продуктивность фотосинтеза, содержание пигментов, интенсивность транспирации, дыхания и т.д. часто приводят к этой величине. Оценка площади листьев необходима в качестве морфометрического показателя роста растений. Важной характеристикой растений является также соотношение между площадью их листьев и общей массой надземной части и высотой. Представляет интерес изучение распределения листьев по площади и влияние на этот показатель гормонов роста, факторов окружающей среды, условий минерального питания и влагообеспеченности.

До появления современных компьютерных средств обработки данных измерения площади листьев проводили методом взвешивания бумажных макетов, методом расчета по произведению высоты на ширину с поправкой на коэффициент формы листа или с помощью механических планиметров. Все эти методы являются крайне трудоемкими и часто не могут обеспечить достаточную точность измерений.

В данной работе описан метод определения площади листьев с применением компьютерного сканирования, которые значительно превосходит все другие методы по скорости и точности. Он основан на применении оптического сканера и последующей обработке данных на компьютере.

Цель работы: Определить площадь листьев и получить диаграмму распределения листьев по площади для отдельного растения или его части.

Ход работы. Листья растений помещают в оптический сканер, прикрывают их сверху листом плотной белой бумаги и сканируют с заданной разрешающей способностью (например, 200 точек на дюйм – dpi) в режиме черно-белого полутонового изображения.

Рис. 1 Исходный снимок	Рис. 2. Контрастированное изображение

Полученное изображение сохраняют в виде файла *.bmp (рис. 1). Далее этот файл открывают программой ImageJ, вид панели управления которой приведена на рис. 3

Рис. 3. Панель управления программой ImageJ.

Выбирают вкладку «Open» из меню «File», далее указывают файл, который надо открыть (File®Open).

В случае, если по тем или иным причинам необходимо обрабатывать ранее полученное цветное изображение, его нужно перевести в черно-белое полутоновое. Для этого открывают цветное изображение и выбирают: Image ®Type ®16 bit.

Смысл следующей операции заключается в получении из полутонового изображения высоко контрастного черно-белого изображение, где листовая пластинка будет сплошного черного цвета, а фон – белого. Для правильной настройки, чтобы фон не имел черных пятен, а лист – белых пятен (рис.2), необходимо настроить порог интенсивности, ниже которого программа преобразует серый цвет в черный, а выше – в белый.

Выбирают Image®Adjust®Threshould и затем, сдвигая в открывшемся окне маркеры полос прокрутки и одновременно наблюдая изменения изображения, подбирают нужные значения порога (рис. 4).

Рис. 4. Окно управлением порогом яркости.

После выбора порога нажимают кнопку Apply и закрывают окно диалога. Окно с преобразованным изображением листьев должно оставаться открытым.

Для последующего измерения площади листьев необходимо установить тип анализа изображения. Выбирают Analyse®Set Measurements и ставят флажок напротив опции Area (площадь). Другие опции измерений должны оставаться без флажков. Диалоговое окно закрывают.

Выбирают Analyse®Analyse Particles. Открывается окно, диалоговые настройки которого должны соответствовать показанным на рисунке 5.

Рис. 10. Окно управления параметрами анализа частиц.

После нажатия кнопки ОК появляется два окна, в одном из них показаны результаты вычисления площади отдельных листьев, в другом – суммарная площадь листьев:

Рис. 6. Результаты вычислений площади отдельных листьев и суммарной площади листьев.

 

Окно «Results» может содержать строки, указывающие на объекты очень малой площади, всего 1 – 2 пикселя. Можно либо пренебречь ими, либо избавиться от них, перенастроив порог.

На следующем этапе измерений необходимо пересчитать площадь листьев, полученную в пикселях, на квадратные сантиметра. В нашем случае использовалось разрешение сканера 200 dpi. Это значит, что квадратный дюйм будет соответствовать квадрату этой величины – 40000 пикселям. Площадь первого листа составит: 98058/40000 = 2,45 квадратных дюйма. эКоэффициент пересчета кв. дюймов в кв. см. – 6,45. Таким образом, площадь первого листа – 2,45 ´ 6,45 = 15,8 см².

Поскольку разрешение сканера не всегда точно соответствует указанному в технической документации к нему, для проведения очень точных измерений необходимо калибровать сканер. Для этого вышеописанным образом измеряют площадь квадрата черной бумаги точно известных размеров (эталон) и вычисляют поправку как соотношение измеренной площади к фактической площади эталона. В последующем результаты измерений листьев умножают на эту поправку.

Окно «Results» сохраняют в виде файла с расширением *.xls (File®Save as». В последствии такой файл можно открыть программами Exel, Statistica, Origin и обработать данные, пользуясь инструментами этих программ – вычислить среднее, максимальное или минимальное значение, стандартное отклонение, построить диаграмму распределения листьев по площади.