[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出LAMM方法，一种无需校准的新型叶面积测量技术，利用Hughes常数（K）的保守性（K定义为新鲜叶片密度与厚度的倒数）进行测量。通过测量从新鲜叶片上剪切的几何形状的K值，并将其应用于叶片质量，LAMM实现了与数字图像分析（DIA）相当的高精度，且无需干燥或回归校准。

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.

研究动机与目标

• 开发一种无需叶片干燥或量角器校准的、绝对的、无校准的叶面积测量方法。
• 验证Hughes常数（K）在不同叶区及物种（包括Mandevilla splendens和Spathiphyllum wallisii）中的保守性。
• 将LAMM的精度与数字图像分析（DIA）——标准参考方法——进行比较。
• 建立一种快速、低成本、适用于野外的叶面积测量技术，适用于多种植物类型。
• 证明K在叶区和物种间保持一致，从而支持使用全球平均K值以实现广泛适用性。

提出的方法

• 通过测量从新鲜叶片上剪切的几何形状（如矩形、圆形）的质量和面积，现场计算Hughes常数（K = 1 / (密度 × 厚度)）。
• 利用这些形状现场获得的K值，通过公式LA = 质量 / (K × 密度) 计算其他叶片的叶面积，其中密度由K和厚度推导得出。
• 当无法获取个体K值时，使用全球平均K值对不同物种的叶片进行计算，以确保方法的一致性。
• 使用覆膜卡纸片模拟理想平面、厚度均匀的叶片，其面积已知，以验证该方法。
• 将LAMM结果与数字图像分析（DIA）结果进行比较，以评估精度和相关性。
• 采用统计分析（如t检验、相关系数）评估LAMM与DIA在多种叶片类型上的测量差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 Hughes常数（K）是否在单个叶片的不同区域以及不同物种之间保持保守？
• RQ2 LAMM是否可在无需预先校准或叶片干燥的情况下提供准确的叶面积测量？
• RQ3 LAMM的精度与当前标准方法——数字图像分析（DIA）——相比如何？
• RQ4 使用全球平均K值是否能在多种叶片形态和物种中获得可靠结果？
• RQ5 LAMM是否可在野外条件下可靠应用，且仅需极少设备和培训？

主要发现

• Hughes常数（K）在单个叶片的不同区域以及两种植物物种（Mandevilla splendens和Spathiphyllum wallisii）中均表现出保守性。
• 对于从新鲜叶片上剪切的几何形状，LAMM的测量精度与数字图像分析（DIA）相当，且无统计学显著差异。
• 在实际叶片上的应用中，LAMM与DIA测量结果无统计学显著差异，且具有极佳的线性相关性（R²虽未明确列出，但描述为极佳）。
• 使用全球平均K值可在多种植物物种中实现准确的叶面积估算，包括初始K校准未涵盖的物种。
• LAMM表现出高度的可靠性与可重复性，结果在不同叶片类型和分层水平间保持一致。
• 该方法快速、简便且成本低廉，仅需电子秤和基本切割工具，无需干燥或复杂成像设备。