基于图像处理的玉米分形维数及其种植密度效应评价

作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2009, 35(4): 745-748

ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9

http://www.chinacrops.org/zwxb/ E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn DOI: 10.3724/SP.J.1006.2009.00745

基于图像处理的玉米分形维数及其种植密度效应评价

梁淑敏1 杨锦忠2,* 李娜娜1 郝建平1 杜天庆1 崔福柱1 程丽娟1

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山西农业大学, 山西太谷030801; 2青岛农业大学, 山东青岛266109

摘 要:以玉米品种强盛49为试材, 采用数字图像处理技术和计盒维数方法, 研究了种植密度对株型的影响。结果表明, 随着种植密度增加(2.4～7.8株 m-2), 植株的分形维数(FD值)从1.192逐渐下降至1.163。随着生育进程的推进, 所有种植密度下FD值都呈现出先上升后下降的趋势。分形维数与株高、光合叶源和生物产量有一定的相关性。FD值是定量描述玉米株型的一种重要新性状, 在作物长势与长相等生长诊断研究中有广泛的应用前景。 关键词: 玉米; 图像处理; 分形维数; 种植密度; 株型

Effects of Plant Population Density on Fractal Dimension of Corn Based on Image Processing

LIANG Shu-Min1, YANG Jin-Zhong2,*, LI Na-Na1, HAO Jian-Ping1, DU Tian-Qing1, CUI Fu-Zhu1, and CHENG Li-Juan1

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Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China; 2 Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China

Abstract: Using fractal analysis method and image process, corn cultivar Qiangsheng 49 was analyzed the effects of plant popu-lation density on fractal dimension (FD) of plant skeletal images. When the population density increased from 2.4 to 7.8 plants per square meters by 1.2 increment, the FD value decreased gradually from 1.192 to 1.163. Under all population density conditions, the FD values increased till early kernel filling and then decreased. The FD value was correlated with plant height, photosynthetic leaf sources and biomass to some extents. FD can be used widely in describing corn plant architecture as a new meaningful indi-cator.

Keywords: Corn; Image process; Fractal dimension; Plant population density; Plant architecture

作物株型指植株个体各部分在空间的几何分布, 是影响冠层结构、群体光合、乃至产量的重要因素之一[1]。玉米的株型是一种复杂的几何形状, 其特征一般通过茎叶夹角、叶向值、叶均角、株高、穗位高、叶层距、叶片披垂度等进行描述, 但这些方法均是从一个方面或者几个方面反映株型特征, 不能从总体上同时反映叶片、叶鞘、茎秆、雌雄穗的空间配置状态, 因而实际应用效果受到很大限制。

分形维数(fractal dimension, FD)是描述物体的非规则形状的一个重要定量特征, 自1975年由Mandelbrot提出后[2], 逐渐应用于作物生产的研究, 如不同作物及杂草识别、作物根系结构, 甚至产量的实时监测和耕地的时空变化等[2-6]。在玉米上, 相关研究尚不多见[7]。

本研究借助现代图像处理技术, 对玉米的株型进行FD分析, 拟明确FD随生育进程的变化规律, 种植密度对

本研究由山西省资助回国留学人员科研项目(2003049)和青岛农业大学人才基金项目(630746)资助。

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FD的影响, 以及FD与农艺和其他株型性状的相关性, 讨论其潜在的应用价值。

1 材料与方法

1.1 田间试验

试验于2007年4—9月在山西农业大学农场进行。供试玉米品种为强盛49, 设置2.4～7.8株 m-2共4个等间隔的种植密度, 间隔为1.2 m, 拉丁方设计, 小区面积为31.11 m2。耕层土壤含有机质1.55%, 全氮0.839 g kg-1, 速效氮0.033 g kg-1, 有效磷0.067 g kg-1, 速效钾0.196 g kg-1, pH 8.27。施肥量为276 kg N hm-2, 112 kg P2O5 hm-2, 145.4 kg K2O hm-2。磷、钾肥作底肥施用, 尿素分别在拔节期和大喇叭口期按2∶1比例施用。

1.2 图像采集

出苗后第10天(苗期)、29天(拔节期)、54天(大喇叭

通讯作者(Corresponding author):杨锦忠, E-mail: jzyang@qau.edu.cn; Tel: 0532-88030340

第一作者联系方式: E-mail: shuminliang@163.com; Tel: 15810618263 Received(收稿日期): 2008-09-09; Accepted(接受日期）: 2008-12-29.