[論文レビュー] Foliar area measurement by a new technique that utilizes the conservative nature of fresh leaf surface density

Omar S. Castillo, E. M. Zaragoza+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2012

Leaf Properties and Growth Measurement参考文献 18被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、新規のキャリブレーション不要な葉面積測定法であるLAMMを紹介する。LAMMは、新鮮な葉の密度と厚さの逆数として定義されるHughes定数（K）の保存的性質に着目したものである。新鮮な葉から切り出した幾何学的形状のKを測定し、それを葉の質量に応用することで、乾燥処理や回帰キャリブレーションを要せず、デジタル画像分析（DIA）と同等の高い正確性を達成する。

ABSTRACT

Leaf area LA, is a plant biometric index important to agroforestry and crop production. Previous works have demonstrated the conservativeness of the inverse of the product of the fresh leaf density and thickness, the so-called Hughes constant, K. We use this fact to develop LAMM, an absolute method of LA measurement, i.e. no regression fits or prior calibrations with planimeters. Nor does it require drying the leaves. The concept involves the in situ determination of K using geometrical shapes and their weights obtained from a subset of fresh leaves of the set whose areas are desired. Subsequently the LAs, at any desired stratification level, are derived by utilizing K and the previously measured masses of the fresh leaves. The concept was first tested in the simulated ideal case of complete planarity and uniform thickness by using plastic film covered card-paper sheets. Next the species-specific conservativeness of K over individual leaf zones and different leaf types from leaves of plants from two species, Mandevilla splendens and Spathiphyllum wallisii, was quantitatively validated. Using the global average K values, the LA of these and additional plants, were obtained. LAMM was found to be a rapid, simple, economic technique with accuracies, as measured for the geometrical shapes, that were comparable to those obtained by the planimetric method that utilizes digital image analysis, DIA. For the leaves themselves, there were no statistically significant differences between the LAs measured by LAMM and by the DIA and the linear correlation between the two methods was excellent.

研究の動機と目的

• 葉の乾燥処理やプロットメーターのキャリブレーションを要しない、キャリブレーション不要の絶対的葉面積測定法の開発。
• Mandevilla splendensおよびSpathiphyllum wallisiiを含む異なる葉領域および種において、Hughes定数（K）の保存的性質の検証。
• LAMMの正確性と精度を、標準基準手法であるデジタル画像分析（DIA）と比較する。
• 多様な植物タイプに適用可能な、迅速かつ低コストかつ現地で利用可能な葉面積測定技術の確立。
• Kが葉の部位および種において一貫しており、広範な適用性を有するグローバル平均Kの使用が可能であることを示す。

提案手法

• 新鮮な葉から切り出した幾何学的形状（例：長方形、円形）の質量と面積を測定し、現地でHughes定数（K = 1 /（密度 × 厚さ））を計算する。
• これらの形状から得た現地でのK値を用いて、式 LA = 質量 / (K × 密度) を用いて他の葉の葉面積を計算する。ここで密度はKと厚さから導出される。
• 個々のK測定が不可能な場合に、グローバル平均K値を用いて異なる種の葉に適用し、方法論的一致性を確保する。
• 理想的な平面的・均一厚さのシートとして、面積が既知のプラスチックフィルムで被覆されたカーボン紙シートを用いて、手法の妥当性を検証する。
• LAMMの結果をデジタル画像分析（DIA）の結果と比較し、正確性と相関関係を評価する。
• t検定や相関係数などの統計解析を用いて、複数の葉タイプにおけるLAMMとDIA測定値の差を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Hughes定数（K）は、個々の葉の異なる部位および異なる種において保存的であるか？
• RQ2 LAMMは、事前のキャリブレーションや葉の乾燥処理を要せず、正確な葉面積測定を可能にするか？
• RQ3 LAMMの正確性は、現在の標準手法であるデジタル画像分析（DIA）と比べてどの程度か？
• RQ4 グローバル平均K値の使用は、多様な葉形態および種において信頼できる結果をもたらすか？
• RQ5 LAMMは、最小限の機器と訓練で、現地環境でも信頼性高く適用可能か？

主な発見

• Hughes定数（K）は、個々の葉の異なる部位および2種の植物（Mandevilla splendensおよびSpathiphyllum wallisii）において保存的であることが確認された。
• 新鮮な葉から切り出した幾何学的形状に対して、LAMMはデジタル画像分析（DIA）と同等の正確性を達成しており、統計的に有意な差は認められなかった。
• 実際の葉に適用した場合、LAMMはDIA測定値と統計的に有意な差がなく、優れた線形相関関係（R²は明示的に記載されていないが、優れた相関と記述されている）を示した。
• グローバル平均K値の使用により、初期のKキャリブレーションに使用されていない種を含む複数の植物種においても、正確な葉面積推定が可能であった。
• LAMMは高い信頼性と再現性を示し、異なる葉タイプおよび層別化レベルにおいて一貫した結果をもたらした。
• 本手法は迅速かつ簡単で低コストであり、スケールと基本的なカットツールのみを必要とし、乾燥処理や複雑な画像撮影装置を必要としない。