FAMeLeS : A multispecies and fully automated method to measure morphological leaf traits

Nicolas Montès (1, 2) , Lorène Tosini (1) , Isabelle Laffont‐schwob (1) , Yoann Le Bagousse‐pinguet (3) , Hélène Folzer (3)

1 LPED - Laboratoire Population-Environnement-Développement
2 AMU - Aix Marseille Université
3 IMBE - Institut méditerranéen de biodiversité et d'écologie marine et continentale

Leaf shape parameters are of key importance to explain the role of energy balance and water economy in plant species distribution, plant productivity and, more generally, in plant–environment interactions. Yet, leaf shape measurements based on image processing are still challenging due to the high diversity of leaf shapes, colours and sizes leading to the development of time‐consuming methods with a narrow field of applicability, sometimes species‐specific or often limited to a few species. We developed a fully automated method for measuring multiple leaf shape parameters (area, perimeter, length, width, circularity and solidity) based on a large image sampling of leaf diversity (including litter) belonging to 587 species and spread over 232 countries worldwide. To evaluate the accuracy of the method to detect small objects, the sampling particularly targeted Mediterranean ecosystems (32 species and 25,205 leaves), in which small leaves often represent methodological challenges. We compared our approach and found that its mean error in leaf area measurement (+0.46%) was 1.7–148 times lower than four existing methods. It was also the only one capable of detecting and measuring all leaves in the test data set, even variegated and small leaves (less than 1 mm 2 ). Its reliability was extensively checked on the largest and most diversified data set ever used. Our method, accessible to the broader scientific community, was simple, rapid and effective on multiple image file types and on a high diversity of leaf size, shape and colour. As such, our approach allows measurement not only on fresh leaves but also on dry leaves, such as leaf litter or leaves from herbaria. This tolerance to leaf characteristics is crucial to increase large‐scale sampling efforts and paves the way for a standardized multispecies approach to measuring leaf morphological traits for ecological and agricultural studies.

Résumé Les paramètres décrivant de la forme des feuilles sont d'une importance cruciale pour expliquer le rôle de l'équilibre énergétique et de l'économie d'eau dans la distribution des espèces végétales, la productivité des plantes, et, plus généralement, dans les interactions plante‐environnement. Cependant, les mesures de la forme des feuilles basées sur le traitement d'image restent difficiles en raison de la grande diversité des formes, des couleurs et des tailles de feuilles, conduisant au développement de méthodes chronophages et souvent valables sur une nombre limité d'espèces. Nous avons mis au point une méthode entièrement automatisée pour mesurer plusieurs paramètres de la forme des feuilles (surface, périmètre, longueur, largeur, circularité et solidité) basée sur un vaste échantillon d'images illustrant une grande diversité foliaire (y compris des feuilles de litière) appartenant à 587 espèces, dont l'aire de répartition couvre 232 pays. Pour évaluer la précision de la méthode dans la détection des petits objets, l'échantillonnage ciblait particulièrement les écosystèmes méditerranéens (32 espèces et 25,205 feuilles), dans lesquels les petites feuilles représentent souvent des défis méthodologiques. Nous avons comparé notre approche avec les résultats obtenus par quatre méthodes existantes, et avons constaté que l'erreur moyenne dans la mesure de la surface des feuilles (+0,46%) était de 1,7 à 148 fois inférieure. C'était également la seule méthode capable de détecter et de mesurer toutes les feuilles de l'ensemble du jeu de données de test, y compris les feuilles panachées et les petites feuilles (moins de 1 mm 2 ). Sa fiabilité a pu être attestée sur le jeu de données le plus grand et le plus diversifié jamais utilisé. Notre méthode, accessible à l'ensemble de la communauté scientifique, est simple, rapide et efficace sur plusieurs types de fichiers image et sur une grande diversité de tailles, formes et couleurs de feuilles. En tant que telle, notre approche permet des mesures non seulement sur des feuilles fraîches, mais aussi sur des feuilles sèches, telles que la litière ou les feuilles d'herbier. Cette tolérance aux caractéristiques des feuilles est cruciale pour accroître les efforts d'échantillonnage à grande échelle et ouvre la voie à une approche plurispécifique standardisée pour mesurer les traits morphologiques des feuilles dans le cadre d'études écologiques ou agricoles.

Mots clés: fully automated method; leaf shape diversity; litter; morphological leaf traits; multispecies validity; Leaf Area

Domaines: Ecologie, Environnement; Biodiversité et Ecologie

Nicolas Montès, Lorène Tosini, Isabelle Laffont‐schwob, Yoann Le Bagousse‐pinguet, Hélène Folzer. FAMeLeS : A multispecies and fully automated method to measure morphological leaf traits. Methods in Ecology and Evolution, 2024, 15 (3), pp.484-492. ⟨10.1111/2041-210X.14287⟩. ⟨hal-04422306v2⟩