Pengukuran luas daun kentang: cara mengukur daun majemuk dengan AI dan computer vision

Mengapa kentang berbeda dari tanaman lain

Sebagian besar alur kerja luas daun dirancang untuk daun tunggal: satu helaian, satu tangkai, satu garis luar. Kapas, kemangi, kedelai, jenis-jenis mangrove — Anda ratakan helaiannya, Anda foto, perangkat lunak menelusuri satu kontur tertutup dan mengembalikan sebuah luas. Kami menerbitkan validasi independen Petiole Pro terhadap LI-COR 3100 pada kapas, dan studi semacam itu mencapai korelasi hingga r = 0,988 justru karena objek yang diukur tidak ambigu.

Kentang bukan objek semacam itu. Daun kentang dewasa adalah struktur bercabang. Di sepanjang rakisnya terdapat anak daun primer berpasangan yang mengecil ke arah pangkal, satu anak daun terminal dominan di ujung, dan — bergantung pada kultivar — anak daun interstisial sekunder dan tersier yang terselip di antara yang primer. Jumlah anak daun, bentuknya, serta kerapatan anak daun interstisial merupakan ciri kultivar; hal-hal itu justru menjadi bagian dari cara varietas kentang dideskripsikan secara botani.

Struktur itu memunculkan empat masalah pengukuran sekaligus, dan semuanya khas pada tanaman berdaun majemuk.

Tak satu pun dari ini adalah masalah perangkat lunak. Semuanya masalah definisi, dan perangkat lunak tidak bisa memperbaiki definisi yang tidak pernah Anda buat. Kabar baiknya, begitu definisinya ditetapkan, computer vision menangani daun kentang kurang lebih sebaik ia menangani daun tunggal — sebagaimana ditunjukkan angka keyakinan di bawah.

Masalah satuan: anak daun, daun, atau tanaman?

Ada tiga satuan yang dapat dipertahankan untuk luas daun kentang, masing-masing menjawab pertanyaan yang berbeda. Yang tidak dapat dipertahankan adalah berpindah-pindah di antara ketiganya dalam satu kumpulan data, atau tidak menyebutkan satuan mana yang Anda pakai.

1. Anak daun tunggal. Keluaran tertinggi per foto, segmentasi paling bersih, dan paling mudah distandarkan — anak daun terminal dari daun termuda yang telah berkembang penuh adalah objek yang terdefinisi baik dan dapat diulang. Ini satuan yang tepat untuk fisiologi tingkat daun, pengambilan sampel kehijauan, dan pekerjaan hara. Ini satuan yang keliru untuk apa pun yang naik skala ke kanopi, karena jumlah anak daun berbeda antar kultivar dan di sepanjang batang.
2. Daun majemuk utuh. Satuan yang dipakai dalam eksperimen 006. Ia menangkap seluruh daun sebagaimana tanaman membangunnya, termasuk anak daun interstisial kecil yang dibuang oleh protokol berbasis anak daun saja, dan inilah satuan yang naik skala ke tanaman lewat perkalian sederhana dengan jumlah daun. Ongkosnya adalah waktu penanganan per sampel yang lebih lama serta keharusan memisahkan anak daun sebelum memotret.
3. Tanaman utuh atau kanopi. Satuan yang benar-benar dipedulikan agronomi, karena pembesaran umbi digerakkan oleh cahaya yang tertangkap. Ia dapat dicapai secara destruktif — melucuti seluruh daun dan mengukur semuanya — atau dengan memadukan luas daun rata-rata terukur dengan jumlah daun yang dihitung, dan jalur non-destruktif inilah yang menjadi dasar artikel ini.

Mana yang harus dipilih? Jika pertanyaannya berakhir dengan “per tanaman”, “per m²”, atau “ILD”, gunakan daun majemuk utuh. Jika pertanyaannya berakhir dengan “per satuan luas daun” — konsentrasi nitrogen, indeks kehijauan, bobot daun spesifik, keparahan penyakit — gunakan anak daun, karena pada anak daunlah fisiologinya seragam. Jangan pernah merata-ratakan angka berbasis anak daun dan berbasis daun dalam satu kolom.

Eksperimen 006: 53 daun dalam satu sore

Kumpulan data di balik artikel ini dikumpulkan di lapangan oleh seorang pengguna aplikasi seluler Petiole dan diproses otomatis di platform web Petiole Pro. Sebanyak 53 daun majemuk kentang difoto, disegmentasi, dan diukur di bawah satu set parameter, tanpa penyesuaian per citra dan tanpa perbaikan kontur secara manual.

Mengurutkan kisi menurut luas membuat struktur sampel terlihat bahkan sebelum satu statistik pun dihitung. Daun terbesar berbentuk lebar, gelap, dan simetris, dengan anak daun terminal lebar dan pasangan lateral yang lengkap. Ke arah bawah, daun menjadi lebih kecil, lebih pucat, lebih klorotik di tepinya, dan beberapa memperlihatkan bercak nekrotik serta kerusakan akibat serangan hama. Gradien itulah intinya: kanopi kentang pada saat mana pun berisi daun dari setiap tahap urutan tersebut secara bersamaan.

Membaca sebaran, bukan rata-rata

Rata-rata 43,84 cm² adalah fakta tentang sampel ini. Berdiri sendiri, ia nyaris tidak berguna, karena ia menyembunyikan hal yang justru menentukan apa yang boleh Anda simpulkan: seberapa lebar ukuran daun kentang bervariasi di dalam satu kanopi pada satu saat.

Tiga ciri sebaran ini penting bagi siapa pun yang merancang percobaan pada kentang.

Ia menjulur ke kanan. Rata-rata berada 15% di atas median. Di dalam kanopi, luas daun menumpuk ke arah ujung besar: daun tengah batang yang telah berkembang penuh berukuran beberapa kali lipat daun muda di pucuk dan daun menua di pangkal. Statistik apa pun yang mengandaikan kesetangkupan — rata-rata dengan simpangan baku, uji t atas luas mentah dari sampel kecil — bekerja melawan bentuk datanya. Laporkan median beserta rentang antarkuartil di samping rata-rata, dan pertimbangkan transformasi logaritma sebelum pengujian parametrik.

Sebarannya sangat lebar. Simpangan baku 19,04 cm² terhadap rata-rata 43,84 cm² adalah koefisien variasi sekitar 43%. Sebagai perbandingan, itu jauh lebih besar daripada galat pengukuran metode luas daun mana pun yang masuk akal. Variasi yang Anda lihat adalah tanamannya, bukan alatnya — kabar baik bagi alat dan kabar buruk bagi siapa pun yang berharap membandingkan perlakuan dengan lima daun.

Keliling berperilaku berbeda dari luas. Ini efek daun majemuk yang perlu dipahami. Pada daun tunggal, keliling dan luas bergerak bersama dalam hubungan yang cukup rapat. Pada daun kentang, keliling menghitung garis luar setiap anak daun secara terpisah, sehingga daun dengan banyak anak daun interstisial kecil memiliki keliling jauh lebih panjang dibanding daun berluas identik dengan anak daun yang lebih sedikit dan lebih besar. Hal itu menjadikan nisbah luas terhadap keliling sebagai penanda tingkat pembagian daun yang murah dan berguna — dan menjadikan keliling sebagai proksi ukuran yang buruk pada tanaman ini.

Pada daun majemuk, luas memberi tahu berapa banyak yang dibangun tanaman. Keliling memberi tahu bagaimana ia memilih membaginya.

Apa arti keyakinan deteksi 0,982

Setiap pengukuran otomatis dalam eksperimen 006 membawa skor keyakinan deteksi — penilaian model itu sendiri tentang seberapa bersih ia memisahkan jaringan daun dari segala hal lainnya. Pada 53 daun tersebut, rata-ratanya 0,98226, mediannya 0,984515, persentil 25-nya 0,98007, dan minimumnya 0,967025.

Apa artinya: segmentasinya konsisten. Tidak ada himpunan bagian citra yang membuat model kesulitan — tak ada daun yang terpotong, tak ada latar yang merembes ke dalam kontur, tak ada anak daun yang hilang. Bahwa minimumnya 0,967 dan bukan, katakanlah, 0,61 adalah bagian yang penting: dalam satu lot, keyakinan terburuk jauh lebih banyak bercerita daripada rata-ratanya, karena satu daun yang tersegmentasi buruk saja dapat menggeser rata-rata perlakuan berukuran kecil secara nyata.

Apa yang bukan artinya: keyakinan bukanlah akurasi terhadap alat rujukan. Sebuah model bisa sepenuhnya yakin pada kontur yang ia gambar di sekeliling daun yang anak daunnya saling bertumpang tindih, atau daun yang difoto menyudut, atau daun yang rujukan kalibrasinya sebagian keluar dari bingkai. Keyakinan mengukur apakah pipeline menemukan objek yang bersih. Ia tidak dapat mengukur apakah Anda memberinya objek yang benar. Untuk itulah protokol di bawah ini ada, dan itulah sebabnya validasi terhadap alat ukur laboratorium — seperti pada studi kapas yang telah ditelaah sejawat — merupakan latihan yang terpisah dari penskoran keyakinan per citra.

Perlakukan keyakinan deteksi sebagai gerbang mutu, bukan sebagai hasil. Tetapkan ambang batas sebelum menganalisis — 0,95 adalah titik awal yang masuk akal untuk pengambilan gambar bersih berlatar hitam — terapkan secara identik pada setiap kelompok perlakuan, dan laporkan berapa banyak daun yang hilang dari tiap kelompok. Kelompok yang kehilangan citra jauh lebih banyak daripada yang lain punya masalah fotografi, bukan masalah biologi.

Berapa banyak daun kentang yang sebenarnya diperlukan?

Di sinilah koefisien variasi 43% itu berhenti menjadi statistik dan mulai menjadi anggaran. Ukuran sampel pada luas daun kentang bukan soal selera; ia jatuh langsung dari sebaran yang diukur di atas.

Mulailah dari pertanyaan yang lebih sederhana: seberapa tepat sebuah sampel menetapkan rata-ratanya? Dengan simpangan baku 19,04 cm², setengah lebar selang kepercayaan 95% di sekitar rata-rata adalah 1,96 × 19,04 / √n.

Bacalah baris teratas dengan saksama. Sampel lima daun dari populasi ini menghasilkan rata-rata yang selang 95%-nya membentang hampir 80% dari nilainya sendiri. Itu bukan pengukuran yang lemah — itu bukan pengukuran. Ke-53 daun eksperimen 006 menempatkan rata-rata di suatu titik antara kira-kira 38,7 dan 49,0 cm², yang berguna untuk menggambarkan kanopi namun masih terlalu kasar untuk mendeteksi pengaruh perlakuan yang sedang saja.

Untuk membandingkan dua kelompok, hitungannya lebih berat. Pada kuasa 80% dan taraf nyata 5%, jumlah daun yang dibutuhkan per kelompok untuk mendeteksi selisih dengan besaran tertentu, pada koefisien variasi 43%, kira-kira:

Bacaan praktisnya: pengaruh halus pada luas daun kentang menuntut ratusan daun per perlakuan, dan justru karena itulah pengukuran citra otomatis yang diproses secara borongan mengubah apa yang mungkin dikerjakan. Memotret 300 daun adalah pekerjaan satu sore. Melewatkan 300 daun melalui alat ukur laboratorium — setelah melepas ketiga ratusnya dari tanaman — adalah proyek dengan sifat yang sama sekali berbeda, dan ia mengakhiri deret waktunya.

Dua cara jujur untuk memperkecil kebutuhan itu. Bakukan posisi daun: mengambil sampel hanya dari daun termuda yang telah berkembang penuh pada setiap tanaman menghilangkan sebagian besar ragam yang digerakkan posisi buku, sehingga KV efektifnya turun cukup banyak. Gunakan rancangan berpasangan: mengukur daun bertanda yang sama sebelum dan sesudah perlakuan, atau tanaman yang sama pada tanggal berbeda, menyingkirkan ragam antardaun sepenuhnya dari perbandingan — dan hanya metode non-destruktif yang memungkinkannya.

Dari luas daun ke indeks luas daun

Luas daun per daun adalah angka fenotipe. Yang diinginkan agronomi adalah indeks luas daun (ILD) — meter persegi daun per meter persegi tanah — karena itulah yang menentukan berapa banyak radiasi datang yang ditangkap tanaman, dan penangkapan itulah yang menggerakkan pembesaran umbi.

Jembatannya berupa hitungan:

Dihitung dengan rata-rata eksperimen 006: sebuah tanaman dengan 40 daun majemuk seluas 43,84 cm² masing-masing memiliki sekitar 1.754 cm² — kira-kira 0,18 m² — daun. Pada kerapatan lapangan yang lazim, yakni sekitar empat tanaman per m², itu memberi ILD kira-kira 0,70. Lebih jauh dalam musim, dengan 60 daun per tanaman yang rata-ratanya mendekati 89 cm² di ujung atas rentang sampel ini, hitungan yang sama memberi ILD di atas 2.

Lintasan itulah pengukurannya. Satu nilai ILD adalah potret sesaat; kurva ILD sepanjang musim — seberapa cepat kanopi menutup, setinggi apa puncaknya, dan yang terpenting berapa lama ia bertahan di sana sebelum penuaan — itulah yang memisahkan pertanaman kentang berdaya hasil tinggi dari yang biasa saja. Durasi kanopi hanya dapat diukur dengan kembali ke tanaman yang sama, dan itulah argumen untuk pengukuran non-destruktif dalam satu kalimat.

Dua peringatan atas hitungan ini. Jumlah daun per tanaman harus dihitung, dan menghitungnya secara akurat di kanopi kentang yang rapat sungguh-sungguh sulit — perkirakan itulah sumber galat yang lebih besar, bukan luas daunnya. Dan luas daun rata-rata yang dipakai harus berasal dari sampel yang terstratifikasi dengan benar di sepanjang batang, bukan dari daun mana pun yang paling mudah dijangkau, kalau tidak perkaliannya akan meneruskan bias pengambilan sampel langsung ke ILD.

Untuk apa sebenarnya luas daun kentang

Luas daun jarang menjadi tujuan akhir. Ia adalah peubah antara yang dilewati oleh beberapa pertanyaan yang sangat berbeda.

Baris hawar dan kumbang layak diberi catatan, karena keduanya mengubah apa yang sedang Anda ukur. Daun berlubang bekas gigitan dan berlesi nekrotik mengembalikan luas yang lebih kecil daripada daun yang sama tanpa kerusakan — jaringan yang hilang memang benar-benar hilang dari proyeksinya. Itu perilaku yang benar bila pertanyaan Anda adalah “berapa banyak kanopi berfungsi yang tersisa”, dan ia menjadi pengganggu bila pertanyaan Anda adalah “seberapa besar daun ini tumbuh”. Beberapa daun di paruh bawah kisi eksperimen 006 membawa persis kerusakan semacam itu. Jika Anda perlu memisahkan kedua pertanyaan tersebut, pasangkan pengukuran luas dengan penilaian kerusakan yang eksplisit — panduan kami tentang penilaian luas daun nekrotik berbasis AI membahas alur kerja itu.

Protokol lapangan untuk kentang

Semua hal di atas mengerucut menjadi satu urutan yang dapat diulang. Inilah protokol yang diikuti eksperimen 006, dengan keputusan-keputusan khas kentang dinyatakan secara terbuka.

1. Nyatakan satuannya. Daun majemuk utuh atau anak daun tunggal. Tuliskan dalam berkas metode sebelum Anda ke lapangan. Jangan mengubahnya di tengah musim, di tengah percobaan, atau di tengah apa pun.
2. Nyatakan posisi daunnya. Daun termuda yang telah berkembang penuh adalah pilihan baku, karena ia dapat dikenali pada setiap tanaman tanpa peduli ukuran atau tahap pertumbuhannya. Menetapkan posisi adalah cara penurunan ragam termurah yang tersedia bagi Anda.
3. Bawa rujukan kalibrasinya. Daun kentang difoto dari jarak dekat di dalam kanopi tempat jarak kerja terus-menerus berubah. Pelat itulah yang mengubah piksel menjadi cm² — mengapa pelat kalibrasi bukan pilihan tambahan layak dibaca kalau Anda tergoda melewatkannya.
4. Lepas atau sangga, tetapi putuskan yang mana. Petiole Pro mengukur daun pada posisinya di atas pelat. Entah Anda melepas daunnya atau membawa pelatnya ke daun, lakukan dengan cara yang sama setiap kali — daun yang disangga di tempat dan daun yang dilepas lalu diratakan tidak terbaring dengan cara yang sama.
5. Pisahkan anak daunnya. Inilah langkah khas kentang. Bentangkan daun sehingga tak ada anak daun yang menimpa anak daun lain dan tak ada yang terlipat balik. Tumpang tindih adalah sumber terbesar penaksiran kurang yang sebenarnya bisa dihindari pada tanaman ini.
6. Ratakan. Tekan anak daun yang mencawan atau menggulung agar rata pada pelat. Anak daun kentang mencawan saat cekaman air dan panas, dan anak daun yang mencawan kehilangan luas proyeksi karena sebab yang sama sekali tidak berkaitan dengan seberapa besar ia tumbuh.
7. Potret tegak lurus, dalam cahaya baur. Kamera sejajar pelat, seluruh pelat masuk bingkai, di bawah bayangan atau langit mendung alih-alih matahari langsung. Dedaunan kentang berbulu dan memantulkan kilau spekular yang menggerogoti tepi hasil segmentasi.
8. Ambil sampel untuk sebarannya. Gunakan tabel ukuran sampel di atas. Ulangi antartanaman dan antarpetak, bukan antardaun pada satu tanaman — daun pada batang yang sama bukan pengamatan yang saling bebas.
9. Proses secara borongan dengan satu set parameter. Setiap citra dalam studi melalui pipeline yang sama, tanpa penalaan per citra. Inilah yang membuat perbandingan antarkelompok menjadi adil.
10. Terapkan gerbang keyakinan. Saring berdasarkan keyakinan deteksi pada ambang yang dinyatakan di muka, dan catat pengeluaran data untuk tiap kelompok.
11. Laporkan median, RAK, n, dan satuan. Bukan sekadar rata-rata. Hasil luas daun kentang tanpa sebaran dan tanpa definisi satuan tidak dapat ditafsirkan siapa pun, termasuk Anda sendiri enam bulan lagi.

Tujuh kesalahan khas kentang

1. Menyebut anak daun sebagai daun. Kesalahan terbesar. Anak daun terminal mungkin 15 cm² sementara daun utuhnya 45 cm². Kumpulan data yang mencampur keduanya tidak dapat diselamatkan setelah kejadian, karena tak ada apa pun dalam angkanya yang memberi tahu baris mana termasuk yang mana.
2. Mengambil sampel daun yang mudah dijangkau saja. Rentang 13,63–89,18 cm² dalam eksperimen 006 sebagian besar berasal dari posisi buku dan umur daun. Mengambil sampel daun terluar yang mudah dijangkau dari sebuah kanopi secara sistematis mengambil terlalu banyak dari satu bagian rentang itu.
3. Membiarkan anak daun bertumpang tindih. Piksel yang beririsan dihitung satu kali. Daun yang difoto dengan dua anak daun bersentuhan terukur lebih kecil daripada sebenarnya, dan galatnya tak terlihat pada keluaran — segmentasinya tampak sempurna.
4. Mengabaikan pencawanan anak daun. Di bawah panas atau cekaman air, anak daun kentang menggulung ke atas. Jika Anda memotretnya dalam keadaan menggulung, Anda mencatat sebuah respons cekaman seolah-olah ia perbedaan ukuran, padahal keduanya bukan peubah yang sama.
5. Tidak konsisten soal rakis. Apakah rakis hijau dan tangkai anak daun berada di dalam kontur atau tidak mengubah luas total beberapa persen — kecil, tetapi setara besarannya dengan pengaruh perlakuan yang berusaha dideteksi orang. Konsistensi lebih penting daripada pilihan mana yang Anda ambil.
6. Merata-ratakan daun rusak dan daun sehat tanpa menyebutkannya. Lesi hawar dan gigitan kumbang menghilangkan luas yang nyata. Hal itu termasuk dalam analisis kehilangan kanopi, bukan diam-diam berada di dalam rata-rata pertumbuhan.
7. Memotret di bawah sinar matahari langsung. Dedaunan kentang berbulu dan mengilap dalam cahaya kuat. Kilau spekular mendorong tepi hasil segmentasi ke dalam, dan bias yang muncul bersifat sistematis di seluruh sesi — yang menjadikannya jauh lebih berbahaya daripada derau acak.

Menjalankannya di Petiole Pro

Alur kerja dalam eksperimen 006 sengaja dibuat biasa saja: seorang pengguna memotret daun di lapangan dengan ponsel, lalu citra-citranya diproses sebagai satu lot di platform web Petiole Pro. Tak ada citra yang dikoreksi manual. Yang membuat keluarannya berguna bukanlah perkakas yang eksotis, melainkan tiga sifat pipeline-nya.

1. Satuan nyata dari rujukan di dalam bingkai. Pelat kalibrasi yang tampak pada foto lapangan di bagian atas artikel ini membawa penanda fidusial yang menetapkan skala, sehingga daun yang difoto sejauh rentang lengan dan daun yang difoto dari dekat mengembalikan luas yang sebanding.
2. Skor mutu yang melekat pada setiap pengukuran. Keyakinan deteksi ikut bersama setiap baris, sehingga gerbang mutu menjadi penyaring atas kumpulan data, bukan penilaian kasus per kasus atas citra tunggal.
3. Pemrosesan borongan dengan satu set parameter. Lima puluh tiga daun — atau lima ratus — melalui konfigurasi yang sama, diekspor sebagai baris berlabel yang dapat disaring, lengkap dengan luas, keliling, dan keyakinan per daun.

Pengambilan gambar yang sama juga mendukung pekerjaan warna: jika status nitrogen kanopi merupakan bagian dari pertanyaan, indeks kehijauan yang dihitung dari foto yang sama memberi peubah kedua tanpa tambahan kerja lapangan. Panduan lapangan kami untuk mengukur kehijauan dengan DGCI membahas sisi alur kerja tersebut.

Batasan yang jujur

Empat hal yang tidak dilakukan metode ini, dinyatakan terus terang.

Ia mengukur luas proyeksi, bukan luas permukaan sebenarnya. Setiap metode berbasis citra begitu. Untuk daun yang diratakan di atas pelat keduanya berdekatan; untuk daun dengan anak daun yang menggulung permanen keduanya tidak, dan selisihnya nyata dan bukan cacat. Jika pertanyaan Anda menyangkut luas permukaan sebenarnya — misalnya fisika lapisan batas — proyeksi adalah pengukuran yang keliru.

Ia tidak menghitung daun untuk Anda. Naik skala ke ILD memerlukan jumlah daun per tanaman, dan di kanopi kentang yang rapat, penghitungan itu adalah pengukuran yang lebih sulit di antara keduanya. Anggarkan galat di sana, bukan pada luas daunnya.

Keyakinan bukanlah akurasi. Eksperimen 006 menunjukkan segmentasi yang konsisten pada 53 daun. Ia bukan validasi terhadap alat ukur luas daun laboratorium pada kentang; itu adalah studi tersendiri dengan rancangan tersendiri, seperti yang telah diterbitkan pada kapas.

Satu sesi tetaplah satu sesi. Ke-53 daun ini berasal dari satu kali pengumpulan pada satu tanggal. Mereka menggambarkan seperti apa variasi ukuran daun kentang di kanopi tersebut — cukup untuk menentukan ukuran sampel dan merancang protokol, tetapi tidak cukup untuk dijadikan nilai rujukan bagi tanaman kentang secara umum. Garis dasar Anda sendirilah yang layak diukur.