曹 偉 王 雷 白恒勤

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院 內(nèi)蒙古呼和浩特 010018)

現(xiàn)如今全世界都在追求可持續(xù)發(fā)展，良好的生態(tài)環(huán)境作為與人類生存、發(fā)展和健康息息相關(guān)的資源越來(lái)越受到重視。我國(guó)也在不遺余力的改善生態(tài)環(huán)境，提高人們的生活質(zhì)量[1]。硬質(zhì)鋪裝、苗木栽植、小品、建筑、水景、微地形、附屬設(shè)施等，都是園林景觀項(xiàng)目中必不可少的元素，人們對(duì)于這樣的園林空間的要求越來(lái)越高，因?yàn)樗坏且粋€(gè)藝術(shù)空間，更是一個(gè)生活空間[2]。水體、植物、地形等園林要素不僅對(duì)當(dāng)?shù)氐男夂蛴幸欢ǖ挠绊慬3]，還對(duì)人的身心健康有一定的保健功能[4]。目前，光譜技術(shù)已在農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、石油化工、木材方面有廣泛應(yīng)用[5]，但在園林景觀中尚缺乏全面的推廣。隨著光譜技術(shù)在城市綠地、城市水體等方面應(yīng)用的不斷深入，其在園林景觀項(xiàng)目中的應(yīng)用范圍必將擴(kuò)大，前景勢(shì)必更加廣闊。

1 光譜技術(shù)的應(yīng)用原理及特點(diǎn)

光譜法是在儀器分析中，依據(jù)物質(zhì)發(fā)射、吸收電輻射以及物質(zhì)與電輻射的相互作用而建立起來(lái)的分析方法[6]，通過(guò)輻射能與物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生的內(nèi)在聯(lián)系及表現(xiàn)形式，以光譜測(cè)量為基礎(chǔ)的方法。近年來(lái)應(yīng)用較廣泛的光譜分析技術(shù)是近紅外光譜分析技術(shù)(NIRS)[7]。有機(jī)化學(xué)物質(zhì)在近紅外光譜區(qū)(波長(zhǎng)780～2 526 nm之間)會(huì)展現(xiàn)不同的電磁波光學(xué)特性，近紅外光譜技術(shù)利用這種光學(xué)特性，通過(guò)在化學(xué)成分和光譜吸收之間建立定量的函數(shù)關(guān)系，可以快速檢測(cè)樣品中一種或幾種化學(xué)成分及含量的方法。近紅外光譜分析技術(shù)具有速度快、不破壞不消耗樣品、樣品不需預(yù)處理、遠(yuǎn)距離測(cè)定和實(shí)時(shí)分析等優(yōu)點(diǎn)[8]。

2 光譜技術(shù)在園林景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

當(dāng)今的園林景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)逐步將生態(tài)規(guī)劃理念融入景觀設(shè)計(jì)中，光譜技術(shù)作為一種快捷便利，客觀有效的技術(shù)手段，在景觀設(shè)計(jì)、城市綠地、城市水體及植物配置方面已有一定的應(yīng)用。

2.1 光譜技術(shù)在園林景觀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

一個(gè)成功的設(shè)計(jì)作品需要設(shè)計(jì)師綜合考慮規(guī)劃場(chǎng)地各種現(xiàn)有條件并配合獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念，借助一定的分析方法快速高效的完成，而光譜技術(shù)是實(shí)現(xiàn)快速分析的有效手段。羅舒雅[9]提出綠色景觀格局分析綠化廊道光譜特征提取算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市綠化景觀格局的光譜綠化廊道的分區(qū)處理方法的改進(jìn)，為城市景觀和風(fēng)景園林建設(shè)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。董仲奎等[10]研究了通過(guò)高分遙感數(shù)據(jù)開(kāi)展城市園林綠化現(xiàn)狀調(diào)查和城市園林綠化規(guī)劃實(shí)施監(jiān)測(cè)等內(nèi)容。

2.2 光譜技術(shù)在城市綠地中的應(yīng)用

遙感技術(shù)能快速準(zhǔn)確地獲取城市綠地的分布和綠化覆蓋度信息，了解城市綠地景觀組成、種類和布局[11]。葉勤等[12]通過(guò)彩紅外航片，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分類識(shí)別和統(tǒng)計(jì)綠化面積，根據(jù)分類結(jié)果、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算出所分析區(qū)域的綠量值，得到三維綠量統(tǒng)計(jì)值，較好地模擬了上海局部地區(qū)城市綠地的覆被變化狀況。遙感技術(shù)的關(guān)鍵是光譜分析，利用光譜技術(shù)可以對(duì)遙感影像的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。主要機(jī)理是各種地物構(gòu)成要素及所占比例各有不同，所對(duì)應(yīng)的波譜特性各異，據(jù)此可準(zhǔn)確的反推地面的信息。

喬木、灌木、草坪和農(nóng)田等綠地類型在波譜上的圖像色調(diào)、結(jié)構(gòu)都所有不同，經(jīng)過(guò)對(duì)比可以對(duì)具體的綠地類型進(jìn)行研判。除此之外，航空遙感圖像還能反映出整片區(qū)域的綠地分布情況，例如對(duì)北京市的紅外彩色遙感圖進(jìn)行分析可以得出城市綠色植被東南少西北多的結(jié)論，且綠地主要分布于公園、高校和科研單位，這些區(qū)域植被覆蓋量大，數(shù)量、種類眾多，環(huán)境相對(duì)優(yōu)美；公園綠化較好，商業(yè)區(qū)綠化較差[13]。通過(guò)綠色植物種類分布和結(jié)構(gòu)等信息可計(jì)算綠地植被覆蓋度[14]及綠化指數(shù)，從而分析出綠地植被空間分布特點(diǎn)。對(duì)城市綠地而言，影響波譜反射率的主要因素是葉綠素對(duì)波譜的反射和吸收，為了保證各類綠地盡可能多地在遙感圖像上得到呈現(xiàn)，應(yīng)盡量采用樹(shù)木花草較茂盛、植被發(fā)育較好時(shí)期的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，此時(shí)試驗(yàn)區(qū)落葉林較少，綠地可在遙感圖像上得到較好地反映。

在園林景觀規(guī)劃中，可以通過(guò)分析遙感圖像的光譜數(shù)據(jù)得到綠地率，綠地植物的分布、數(shù)量及組成情況，通過(guò)合理的綠地植物配置來(lái)改善人們的生活環(huán)境，更好地發(fā)揮園林綠地生態(tài)功能和景觀功能。

2.3 光譜技術(shù)在水體要素中的應(yīng)用

水體在園林規(guī)劃中是重要的構(gòu)景要素，人工湖、戲水池、噴泉等都是水體的表現(xiàn)形式，水體的顏色、透明度等是發(fā)揮其景觀效果的重要因素。通過(guò)對(duì)多光譜合成圖像的監(jiān)測(cè)，遙感影像的光譜數(shù)據(jù)分析，綜合利用RS、GPS及常規(guī)監(jiān)測(cè)手段，以GIS為信息平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)城市水域分布變化和水體沼澤化、水體富營(yíng)養(yǎng)化、泥沙污染等情況的監(jiān)測(cè)，為及時(shí)改善和有效預(yù)防水體的污染及富營(yíng)養(yǎng)化，確保水體水質(zhì)提供可靠的技術(shù)支撐。

3 光譜技術(shù)在園林景觀工程管理中的應(yīng)用

3.1 園林建植工程

3.1.1 光譜技術(shù)在土壤分析方面的應(yīng)用

園林景觀工程規(guī)劃及施工之初，需要對(duì)景觀工程的立地條件進(jìn)行仔細(xì)分析，土壤條件是園林景觀項(xiàng)目立地的核心基礎(chǔ)條件之一。土壤是培育園林植物的重要基質(zhì)，由礦物質(zhì)、有機(jī)物、土壤水分和空氣組成，這些要素是植物所需水、肥、氣、熱的主要來(lái)源，其中礦物質(zhì)含量最大，是最基本物質(zhì)，能向植物提供充足的營(yíng)養(yǎng)。有機(jī)質(zhì)不僅能為園林植物供應(yīng)養(yǎng)分，還能改善土壤的理化性質(zhì)和團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，具有保水、供水、通風(fēng)、保溫等作用。通過(guò)光譜分析法測(cè)定土壤中的水分、有機(jī)質(zhì)和重金屬污染物含量等，判斷土壤狀況，為園林植物的生長(zhǎng)提供數(shù)據(jù)參考。

劉燕德等[15]介紹了近紅外光譜技術(shù)監(jiān)測(cè)土壤的基本流程和光譜數(shù)據(jù)處理方法、建模方法。彭玉魁等[16]等利用NIRS技術(shù)對(duì)黃土高原土壤所含水分、有機(jī)物和全氮含量進(jìn)行了評(píng)估，證明NIRS技術(shù)完全可以勝任土壤有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定。Wagner等[17]利用NIRS技術(shù)成功地預(yù)測(cè)了風(fēng)干土的土壤有機(jī)碳和全碳含量。高揚(yáng)等[18]采用重金屬光譜分析儀對(duì)土壤中的銅、鉛、鋅、砷4種金屬的含量進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果較為理想?？梢钥闯?，利用光譜分析法監(jiān)控土壤污染具有一定的可行性，并且反映面更加宏觀和及時(shí)，為土壤污染的預(yù)防和治理提供了可靠的技術(shù)手段。光譜分析技術(shù)與遙感技術(shù)的結(jié)合運(yùn)用將是土壤污染監(jiān)控的主流手段[19]，為園林植物生長(zhǎng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)提供了一條可靠便捷的途徑。

3.1.2 光譜分析在園林植物生長(zhǎng)狀況判斷中的應(yīng)用

植物組織中色素的含量和組成與植物的衰老、染病、營(yíng)養(yǎng)不足及環(huán)境的影響密不可分，是衡量植物生理狀態(tài)的一項(xiàng)重要指標(biāo)[20]。利用光譜分析法測(cè)定園林植物組織內(nèi)色素含量具有效率高、速度快、簡(jiǎn)便易行的優(yōu)點(diǎn)。

植物葉綠素在紅光和藍(lán)光區(qū)有很強(qiáng)的吸收峰，當(dāng)葉片中葉綠素含量在680 nm處飽和之前，葉綠素含量與歸一化差值植被指數(shù)成正比。由于葉片的結(jié)構(gòu)和厚度均會(huì)影響葉綠素指數(shù)的敏感性，因此在前人研究的基礎(chǔ)上，Sims等[21]建立了改良紅邊歸一化植被指數(shù)和改良紅邊比值，廣泛用于多種植物葉綠素含量的估算。類胡蘿卜素與葉綠素的比值可以反映植物的衰老狀況，而且比單純估計(jì)類胡蘿卜素的含量更穩(wěn)定。李倫等[22]人對(duì)常綠樹(shù)葉自然衰老的紅外光譜研究證明紅外光譜可用于植物衰老生理變化的研究。通過(guò)對(duì)以上數(shù)據(jù)的分析測(cè)定可為后續(xù)改善園林植物生長(zhǎng)環(huán)境提供支持。

草坪作為特殊的園林植物，在園林綠化中種植面積廣泛。王雷等[23]綜述了光譜技術(shù)對(duì)草坪質(zhì)量評(píng)價(jià)體系中的諸多指標(biāo)如草坪蓋度、草坪色澤、草坪病害、草坪均一度等進(jìn)行客觀測(cè)定的可行性，從而保證草坪質(zhì)量評(píng)定更加理性化和標(biāo)準(zhǔn)化。李書英等[24]將近紅外光譜技術(shù)應(yīng)用于高爾夫草坪中土壤養(yǎng)分和水分含量的檢測(cè)，可以及時(shí)獲取草坪草生長(zhǎng)及環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)，有效提高了高爾夫草坪管理水平。

3.2 照明工程

對(duì)于照明在生態(tài)照明景觀園林設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，尤其要注意其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，并盡量遵循生態(tài)、環(huán)保與節(jié)能的原則。一旦設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段缺少科學(xué)細(xì)致的思考，就會(huì)對(duì)整個(gè)工程的生態(tài)性和藝術(shù)性造成惡劣影響[25]。楊春宇等[26]從光譜理論的角度分析了光源光譜與植物葉片反射光譜、植物光合有效輻射圖譜的關(guān)系，得出光譜連續(xù)的白光光源使園林夜間視覺(jué)效果較好，但會(huì)影響植物生長(zhǎng)的結(jié)論。姚其等[27]通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)光源以及LED的光譜進(jìn)行光譜作用分析和采用單色光源光譜對(duì)景觀環(huán)境進(jìn)行照射分析，探討了不同光源對(duì)于建筑照明設(shè)計(jì)效果的影響。陳仲林等[28]迪倫·姜[29]等研究了在市政道路中人眼對(duì)照明光源的相對(duì)視覺(jué)反應(yīng)時(shí)間、光源的相對(duì)發(fā)光效率和乘法系數(shù)之間的關(guān)系，結(jié)果表明上述指標(biāo)均可反映光源光譜功率分布對(duì)人的視覺(jué)影響。

3.3 鋼結(jié)構(gòu)工程

在現(xiàn)代的園林景觀項(xiàng)目中，鋼材料以不同的表達(dá)形式出現(xiàn)，例如欄桿、鋼橋、燈、亭、構(gòu)筑物，甚至是鋪地的材料。這主要是因?yàn)樗哂袕?qiáng)度高、剛度大、自重輕、良好的塑形和抗變形能力強(qiáng)等特點(diǎn)[30]。董軍[31]研究了鋼結(jié)構(gòu)在園林小品中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)在細(xì)節(jié)處的技術(shù)優(yōu)越性。同時(shí)，楊東峰[32]也提出可把鋼結(jié)構(gòu)和石材等結(jié)合起來(lái)制作欄桿、燈柱等，能夠使景觀小品具有良好的風(fēng)格，展現(xiàn)出人工美和自然美之間相互交融的情景。應(yīng)用光譜技術(shù)測(cè)定鋼材料中所含的碳(C)、硫(S)、硅(Si)等元素的含量，對(duì)鋼材的質(zhì)量控制起到了很好的作用。在鋼材的測(cè)試分析中主要采用原子發(fā)射光譜分析法，該分析法的原理是用電弧(或火化)的高溫使樣品中各元素從固態(tài)直接氣化并被激發(fā)而發(fā)射出各元素的特征波長(zhǎng)，用光柵分光后，成為按波長(zhǎng)排列的“光譜”，這些元素的特征光譜線通過(guò)出射狹縫，攝入各自的光電倍增管，光信號(hào)變成電信號(hào)，經(jīng)儀器的控制測(cè)量系統(tǒng)將電信號(hào)積分并進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，然后由計(jì)算機(jī)處理，并打印出各元素的百分含量[33]，通過(guò)測(cè)出的各元素含量高低來(lái)判斷鋼材的質(zhì)量。

在21世紀(jì)，由于鋼材料的應(yīng)用已經(jīng)成為景觀建筑中不可忽視的元素，其所具有的材料特性和美學(xué)特性也暗示了它在景觀領(lǐng)域應(yīng)用上的潛力。利用光譜分析法更深入地對(duì)鋼材料的物理性能和化學(xué)成分進(jìn)行檢測(cè)分析，為鋼結(jié)構(gòu)在園林設(shè)計(jì)中的發(fā)展提供了技術(shù)支持，擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。

4 光譜技術(shù)在園林景觀養(yǎng)護(hù)管理中的應(yīng)用

植物在園林中擔(dān)任著舉足輕重的作用，不僅可以美化環(huán)境、陶冶情操，而且對(duì)于保護(hù)和凈化環(huán)境也有重要意義。植物產(chǎn)生的小氣候效應(yīng)，可以降低周圍空氣溫度，增加空氣濕度，阻擋一定程度的太陽(yáng)輻射，緩解風(fēng)速等；部分園林植物可以吸附粉塵及細(xì)顆粒物(PM2.5)[34]，減少粉塵污染，還能吸收有毒氣體；植物遇到有害物質(zhì)時(shí)的表現(xiàn)，可以作為環(huán)境污染指示和監(jiān)測(cè)方面的指標(biāo)。植物三分靠種，七分靠養(yǎng)，只有長(zhǎng)期的養(yǎng)護(hù)好園林中的植物才能有效的發(fā)揮其景觀生態(tài)效益，但在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中養(yǎng)分及病蟲(chóng)害對(duì)植物的影響缺乏較好的響應(yīng)機(jī)制[35]。

傳統(tǒng)的病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)多數(shù)都是依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工調(diào)查，調(diào)查結(jié)果往往會(huì)隨人的主觀性、工作量的大小、調(diào)查范圍以及效率等因素的影響而有明顯的差異，并且夜晚微生物或是病菌侵入植物后的短期細(xì)微表現(xiàn)不易為人察覺(jué)。近年來(lái)光譜技術(shù)的發(fā)展使其在植物病蟲(chóng)害方面的應(yīng)用越來(lái)越深入。通過(guò)監(jiān)測(cè)受害植物各種外部形態(tài)或內(nèi)部生理參數(shù)變化引起的相應(yīng)光譜特性變異信息，可以及時(shí)知曉病蟲(chóng)害的危害時(shí)間，定量地分析危害程度[36]。不同植物或同一種植物在不同的生長(zhǎng)環(huán)境或發(fā)育階段遭受病蟲(chóng)害的侵襲，其體內(nèi)的各種色素和水分含量以及生理生化狀況都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，將受害植物的光譜特性與健康植物的光譜特性進(jìn)行對(duì)比，可為植物病蟲(chóng)害發(fā)生情況及發(fā)展動(dòng)向提供及時(shí)、可靠的信息。

草坪是園林景觀植物的重要組成部分，光譜技術(shù)在其病蟲(chóng)害防護(hù)方面有廣泛應(yīng)用。利用NIRS技術(shù)研究高爾夫球場(chǎng)草坪冠層反射與冷季型草坪褐斑病和幣斑病之間的關(guān)系，結(jié)果表明可見(jiàn)光光譜及近紅外光譜傳感器能及時(shí)有效地判定草坪草褐斑病和幣斑病的發(fā)生情況。還可采用NIRS技術(shù)，對(duì)在整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)匍莖翦股穎(Agrostis palustris )的草坪草屑含氮量與錢斑病的發(fā)病程度進(jìn)行分析，結(jié)果表明匍莖翦股穎隨著草坪草屑含氮量的升高，錢斑病的發(fā)病程度減輕，但當(dāng)草屑含氮量接近5%時(shí)，對(duì)病害發(fā)生的抑制作用明顯變小。NIRS技術(shù)還可以用來(lái)監(jiān)測(cè)導(dǎo)致匍莖翦股穎產(chǎn)生病蟲(chóng)害的枯草層成分，效果很好。用NIRS技術(shù)評(píng)估高羊茅(Festuca arundinacea Schreb.)的真菌感染水平，對(duì)于監(jiān)測(cè)、控制高羊茅草坪的病害發(fā)生效果明顯。另外，通過(guò)測(cè)量近紅外光波下草坪的反光性，可以預(yù)測(cè)草坪腐霉病和褐斑病的發(fā)生情況，通常腐霉病的發(fā)生可在病害癥狀出現(xiàn)的3 h前得到預(yù)報(bào)?？傊庾V技術(shù)在草坪病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)和控制方面所體現(xiàn)出的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，是其他監(jiān)控手段難以完成的。在松、杉及蘋果等其他樹(shù)種的病蟲(chóng)害檢測(cè)中，高光譜遙感技術(shù)也有一定的應(yīng)用前景，近紅外光譜技術(shù)及高光譜遙感技術(shù)檢測(cè)病蟲(chóng)害的方法也可以運(yùn)用在其他園林植物中，為養(yǎng)護(hù)人員進(jìn)行園林植物病蟲(chóng)害防治提供指導(dǎo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

光譜技術(shù)作為一種快速高效準(zhǔn)確的分析測(cè)定手段，已經(jīng)廣泛運(yùn)用于食品安全、中藥生產(chǎn)等領(lǐng)域，并且在園林工程和植物養(yǎng)護(hù)方面也有一定的應(yīng)用，但是在規(guī)劃設(shè)計(jì)以及園林要素中的研究和應(yīng)用有待進(jìn)一步加深。隨著技術(shù)手段以及檢測(cè)裝置的不斷更新，光譜技術(shù)與園林景觀工程的結(jié)合勢(shì)必會(huì)創(chuàng)造出更大、更廣泛的效益，從而加快園林景觀的發(fā)展進(jìn)程。