周杰良 閆文德 王建湘

摘要測(cè)定了7種常見(jiàn)室內(nèi)觀葉植物在室內(nèi)環(huán)境中的葉片滯塵能力,并利用數(shù)碼相機(jī)對(duì)葉片拍照,研究葉片分形維數(shù)同滯塵能力的關(guān)系。結(jié)果表明:滯塵量大小依次為小天使>燕子掌>綠蘿>發(fā)財(cái)樹(shù)>吊蘭>小葉榕>虎尾蘭。分行維數(shù)大小依次為虎尾蘭>小天使>燕子掌>綠蘿>發(fā)財(cái)樹(shù)>吊蘭>小葉榕。對(duì)于一般的葉片而言,分形維數(shù)越大,葉面越粗糙,單位滯塵量越大;但不適用于葉片上有亮斑紋的虎尾蘭,算法的局限性造成分形維數(shù)的增加。

關(guān)鍵詞滯塵;觀葉植物;分形維數(shù)

中圖分類號(hào)Q948.116文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào) 1007-5739(2009)08-0007-02

室內(nèi)空氣的污染程度超過(guò)室外5~20倍[1],這已引起人們的高度重視。粉塵是室內(nèi)環(huán)境污染源之一,主要包括三方面:室外粉塵通過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)和自然通風(fēng)帶入;人的日?；顒?dòng)如活動(dòng)、烹調(diào)、吸煙產(chǎn)生;書籍、衣物、建筑物本身產(chǎn)生的粉塵。目前,人們?cè)诶弥参镂綁m埃,減少空氣中顆粒物污染方面做了很多研究[2],但基本集中在室外環(huán)境下的不同綠化樹(shù)種和綠化類型的滯塵效益研究,在葉片滯塵機(jī)理研究方面,普遍認(rèn)同葉片表面粗糙程度同滯塵能力呈正相關(guān)。但對(duì)葉片表面粗糙度的描述,主要用肉眼判讀和對(duì)植物葉片進(jìn)行電鏡掃描后判讀[3-5]。屬于直觀的定性表達(dá),未量化,加上電鏡價(jià)格較貴,給研究帶來(lái)了一定的局限性。本文研究室內(nèi)環(huán)境中7種盆栽植物的滯塵能力,由于粗糙表面具有明顯的分形特征[6],探討利用普通數(shù)碼相機(jī)對(duì)葉片拍照,通過(guò)計(jì)算圖像分形維數(shù),來(lái)量化描述葉片的粗糙度,研究葉片分形維數(shù)同滯塵能力的關(guān)系。

1材料與方法

1.1供試植物

測(cè)試植物選擇虎尾蘭(Sansevieria trifasciata)、燕子掌(Cr-assula argentea)、小葉榕(Ficus microcarpa var. pusillifolia)、發(fā)財(cái)樹(shù)(Pachira macrocarpa)、綠蘿(Scindapsus aurens var.Wilcoxii)、小天使(Philodendron cv. Xanadu)和吊蘭(Chlorophytum comosum)。

1.2試驗(yàn)地點(diǎn)和時(shí)間

試驗(yàn)設(shè)在湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)樓1樓3間南向的空房間,每間面積90m2。試驗(yàn)前將房間衛(wèi)生打掃干凈,實(shí)驗(yàn)期間僅開(kāi)副窗通風(fēng),除采樣、澆水外,基本無(wú)人進(jìn)出。試驗(yàn)時(shí)間:2008年10~11月。

1.3分析方法

1.3.1滯塵量測(cè)定。試驗(yàn)前先用水沖洗測(cè)試植物的葉片,并用紗布擦干凈,除去已有灰塵。每種植物重復(fù)5次,采樣間隔時(shí)間為3d、6d、9d。從樹(shù)冠上、中、下各部位均勻采集葉樣5片,先用萬(wàn)分之一的電子天平稱重,然后用干凈的棉紗將葉片擦拭干凈后稱重[7],將2次稱量差值近似看作葉片滯塵量,同時(shí)測(cè)量葉片的面積[8],求出單位面積滯塵量(g/m2)。

1.3.2葉片分形維數(shù)的分析。使用NIKONS700數(shù)碼照相機(jī)(1 210萬(wàn)像素)對(duì)葉片進(jìn)行拍攝,為了保證拍攝圖像的精確,先將葉片擦干凈,盡量保持拍攝的角度垂直。每種植物拍攝3個(gè)表面圖像,圖像的像素為2 816×2 112。將圖像切割為512×512,并對(duì)圖像進(jìn)行中值濾波去噪。將圖像轉(zhuǎn)變成灰度圖,計(jì)算圖像的直方圖,確定圖像中灰度的取值范圍,最后將灰度值進(jìn)行20等分,把等分的每個(gè)灰度值作為閾值對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理,用像素點(diǎn)覆蓋法,計(jì)算每個(gè)二值圖像的物理計(jì)盒維數(shù)(di)[9],根據(jù)公式[10]:D=1+(■=di)/n,得到比較接近實(shí)際葉片三維計(jì)盒維數(shù)的近似值D。

2結(jié)果與分析

2.1不同植物的滯塵量

從表1可以看出,7種植物的單位葉面積滯塵量具有顯著差異,滯塵量的大小依次是小天使>燕子掌>綠蘿>發(fā)財(cái)樹(shù)>吊蘭>小葉榕>虎尾蘭。滯塵量最大的小天使是虎尾蘭的61倍,一般認(rèn)為不同植物滯塵能力的差異與葉片的表面特性、葉片著生角度、冠形等有密切關(guān)系[11],虎尾蘭的滯塵量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他幾種植物,其原因可能如下:一是虎皮蘭的冠形修剪為長(zhǎng)圓柱形,其他6種盆栽觀葉植物冠形基本為近圓球形;虎尾蘭葉片光滑,葉片著生角度小,基本垂直于水平面,而其他植物的葉片著生角度大,葉片相對(duì)粗糙。說(shuō)明冠形、葉面質(zhì)地、葉片著生角度對(duì)滯塵量影響較大。由圖1可以看出,隨著時(shí)間的推移,植物的滯塵量緩慢上升,小天使上升幅度最大,其他變化不明顯,原因可能是在室內(nèi)條件下,植物的生長(zhǎng)很容易變?nèi)?滯塵能力下降,室內(nèi)相對(duì)室外灰塵量小,而一般在污染嚴(yán)重的環(huán)境條件下測(cè)定的滯塵量要相對(duì)大些。

2.2植物滯塵能力同葉片分形維數(shù)的關(guān)系

當(dāng)觀察物體表面的灰度圖像時(shí),若圖像的各點(diǎn)亮度或灰度均勻一致,則物體表面光滑。反之,圖像各點(diǎn)亮度或灰度發(fā)生變化,表面凸起的部分發(fā)亮(灰度值較高),表面下凹的部分光線變暗(灰度值較低)。因此,根據(jù)表面各點(diǎn)的明暗差異(灰度值差異)可區(qū)分表面凸凹不平的程度[12,13]?；谠摾碚?近年來(lái)有人利用圖像分形維數(shù)分析,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體表面粗糙度的研究[14-15],韓靖玉[10]提出基于圖像分形分析三維計(jì)盒維數(shù)的近似算法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)路面不平度的測(cè)定。本文借助此法來(lái)分析不同植物葉片表面粗糙度,考慮植物滯塵能力和葉片結(jié)構(gòu)受環(huán)境的影響較大,由于沒(méi)查到有關(guān)長(zhǎng)沙植物滯塵能力的資料,選用緊鄰長(zhǎng)沙的2個(gè)城市株州和岳陽(yáng)的植物滯塵能力研究數(shù)據(jù)[16-17],選取文獻(xiàn)中滯塵量基本相同,同時(shí)葉片質(zhì)地粗糙有明顯差異的4種2類植物,作物先期檢測(cè)樣本:一類是葉小、紙質(zhì)、表面粗糙有毛的春鵑、紅檵木;另一類是革質(zhì)、表面相對(duì)光滑的桂花、山茶。由表2可以看出,2類檢測(cè)植物的葉片的分形維數(shù)值差異顯著,分形維數(shù)越大,葉面越粗糙,單位滯塵量越大。說(shuō)明葉面類型和分形維數(shù)有相關(guān)性。從圖2可以看出,7種觀葉植物的分形維數(shù)大小依次為:虎尾蘭>小天使>燕子掌>綠蘿>發(fā)財(cái)樹(shù)>吊蘭>小葉榕。滯塵量最少的虎尾蘭分形維數(shù)卻最大,可能因?yàn)榛⑽蔡m葉上有黃色、白色條紋(見(jiàn)圖3),灰度圖表面各點(diǎn)的明暗差異就不僅僅是表面凸凹不平引起反光不同造成的,其亮斑在圖像二值化后,會(huì)造成計(jì)算的分形維數(shù)增加。而其他葉片,則是分形維數(shù)越大,葉面越粗糙,單位滯塵量越大。

3結(jié)論及建議

(1)不同植物的滯塵能力差異比較大,生活中應(yīng)有意識(shí)地選擇滯塵能力強(qiáng)的植物。植物滯塵能力的差異與葉片的表面特性、葉片著生角度、冠狀等有密切關(guān)系,室內(nèi)盆栽冠形基本人工塑造,如何塑造既美觀又利于生長(zhǎng)同時(shí)滯塵量又大的冠形,應(yīng)該做進(jìn)一步的研究。

(2)利用數(shù)碼像機(jī)對(duì)葉片進(jìn)行拍照,進(jìn)行三維計(jì)盒維數(shù)的計(jì)算,是量化植物葉片粗糙度的一種可行途徑。一般而言分形維數(shù)越大,葉面越粗糙,單位滯塵量越大。但對(duì)于那些葉片上有亮色斑點(diǎn)的植物,其亮斑會(huì)造成分形維數(shù)的增加?？梢?jiàn)盡管粗糙表面具有明顯的分形特征,但三維計(jì)盒維數(shù)無(wú)法唯一表達(dá)葉片的粗糙度水平,構(gòu)造一個(gè)指標(biāo)以更加準(zhǔn)確全面的表達(dá)各種葉表面的粗糙度水平,值得進(jìn)一步深入研究。

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