光譜技術在園林景觀項目中的應用及前景①

曹 偉 王 雷 白恒勤

(內蒙古農業大學林學院 內蒙古呼和浩特 010018)

現如今全世界都在追求可持續發展，良好的生態環境作為與人類生存、發展和健康息息相關的資源越來越受到重視。我國也在不遺余力的改善生態環境，提高人們的生活質量[1]。硬質鋪裝、苗木栽植、小品、建筑、水景、微地形、附屬設施等，都是園林景觀項目中必不可少的元素，人們對于這樣的園林空間的要求越來越高，因為它不但是一個藝術空間，更是一個生活空間[2]。水體、植物、地形等園林要素不僅對當地的小氣候有一定的影響[3]，還對人的身心健康有一定的保健功能[4]。目前，光譜技術已在農業、醫療、石油化工、木材方面有廣泛應用[5]，但在園林景觀中尚缺乏全面的推廣。隨著光譜技術在城市綠地、城市水體等方面應用的不斷深入，其在園林景觀項目中的應用范圍必將擴大，前景勢必更加廣闊。

1 光譜技術的應用原理及特點

光譜法是在儀器分析中，依據物質發射、吸收電輻射以及物質與電輻射的相互作用而建立起來的分析方法[6]，通過輻射能與物質組成和結構之間產生的內在聯系及表現形式，以光譜測量為基礎的方法。近年來應用較廣泛的光譜分析技術是近紅外光譜分析技術(NIRS)[7]。有機化學物質在近紅外光譜區(波長780～2 526 nm之間)會展現不同的電磁波光學特性，近紅外光譜技術利用這種光學特性，通過在化學成分和光譜吸收之間建立定量的函數關系，可以快速檢測樣品中一種或幾種化學成分及含量的方法。近紅外光譜分析技術具有速度快、不破壞不消耗樣品、樣品不需預處理、遠距離測定和實時分析等優點[8]。

2 光譜技術在園林景觀規劃設計中的應用

當今的園林景觀規劃設計逐步將生態規劃理念融入景觀設計中，光譜技術作為一種快捷便利，客觀有效的技術手段，在景觀設計、城市綠地、城市水體及植物配置方面已有一定的應用。

2.1 光譜技術在園林景觀設計中的應用

一個成功的設計作品需要設計師綜合考慮規劃場地各種現有條件并配合獨特的設計理念，借助一定的分析方法快速高效的完成，而光譜技術是實現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，實現了對城市綠化景觀格局的光譜綠化廊道的分區處理方法的改進，為城市景觀和風景園林建設提供準確的數據支持。董仲奎等[10]研究了通過高分遙感數據開展城市園林綠化現狀調查和城市園林綠化規劃實施監測等內容。

2.2 光譜技術在城市綠地中的應用

遙感技術能快速準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]通過彩紅外航片，利用計算機進行分類識別和統計綠化面積，根據分類結果、實測數據及統計公式計算出所分析區域的綠量值，得到三維綠量統計值，較好地模擬了上海局部地區城市綠地的覆被變化狀況。遙感技術的關鍵是光譜分析，利用光譜技術可以對遙感影像的光譜數據進行分析。主要機理是各種地物構成要素及所占比例各有不同，所對應的波譜特性各異，據此可準確的反推地面的信息。

喬木、灌木、草坪和農田等綠地類型在波譜上的圖像色調、結構都所有不同，經過對比可以對具體的綠地類型進行研判。除此之外，航空遙感圖像還能反映出整片區域的綠地分布情況，例如對北京市的紅外彩色遙感圖進行分析可以得出城市綠色植被東南少西北多的結論，且綠地主要分布于公園、高校和科研單位，這些區域植被覆蓋量大，數量、種類眾多，環境相對優美；公園綠化較好，商業區綠化較差[13]。通過綠色植物種類分布和結構等信息可計算綠地植被覆蓋度[14]及綠化指數，從而分析出綠地植被空間分布特點。對城市綠地而言，影響波譜反射率的主要因素是葉綠素對波譜的反射和吸收，為了保證各類綠地盡可能多地在遙感圖像上得到呈現，應盡量采用樹木花草較茂盛、植被發育較好時期的衛星數據，此時試驗區落葉林較少，綠地可在遙感圖像上得到較好地反映。

在園林景觀規劃中，可以通過分析遙感圖像的光譜數據得到綠地率，綠地植物的分布、數量及組成情況，通過合理的綠地植物配置來改善人們的生活環境，更好地發揮園林綠地生態功能和景觀功能。

2.3 光譜技術在水體要素中的應用

水體在園林規劃中是重要的構景要素，人工湖、戲水池、噴泉等都是水體的表現形式，水體的顏色、透明度等是發揮其景觀效果的重要因素。通過對多光譜合成圖像的監測，遙感影像的光譜數據分析，綜合利用RS、GPS及常規監測手段，以GIS為信息平臺，可實現對城市水域分布變化和水體沼澤化、水體富營養化、泥沙污染等情況的監測，為及時改善和有效預防水體的污染及富營養化，確保水體水質提供可靠的技術支撐。

3 光譜技術在園林景觀工程管理中的應用

3.1 園林建植工程

3.1.1 光譜技術在土壤分析方面的應用

園林景觀工程規劃及施工之初，需要對景觀工程的立地條件進行仔細分析，土壤條件是園林景觀項目立地的核心基礎條件之一。土壤是培育園林植物的重要基質，由礦物質、有機物、土壤水分和空氣組成，這些要素是植物所需水、肥、氣、熱的主要來源，其中礦物質含量最大，是最基本物質，能向植物提供充足的營養。有機質不僅能為園林植物供應養分，還能改善土壤的理化性質和團粒結構，具有保水、供水、通風、保溫等作用。通過光譜分析法測定土壤中的水分、有機質和重金屬污染物含量等，判斷土壤狀況，為園林植物的生長提供數據參考。

劉燕德等[15]介紹了近紅外光譜技術監測土壤的基本流程和光譜數據處理方法、建模方法。彭玉魁等[16]等利用NIRS技術對黃土高原土壤所含水分、有機物和全氮含量進行了評估，證明NIRS技術完全可以勝任土壤有機質含量的測定。Wagner等[17]利用NIRS技術成功地預測了風干土的土壤有機碳和全碳含量。高揚等[18]采用重金屬光譜分析儀對土壤中的銅、鉛、鋅、砷4種金屬的含量進行了檢測，結果較為理想。可以看出，利用光譜分析法監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，為土壤污染的預防和治理提供了可靠的技術手段。光譜分析技術與遙感技術的結合運用將是土壤污染監控的主流手段[19]，為園林植物生長環境的監測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狀況判斷中的應用

植物組織中色素的含量和組成與植物的衰老、染病、營養不足及環境的影響密不可分，是衡量植物生理狀態的一項重要指標[20]。利用光譜分析法測定園林植物組織內色素含量具有效率高、速度快、簡便易行的優點。

植物葉綠素在紅光和藍光區有很強的吸收峰，當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成正比。由于葉片的結構和厚度均會影響葉綠素指數的敏感性，因此在前人研究的基礎上，Sims等[21]建立了改良紅邊歸一化植被指數和改良紅邊比值，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，而且比單純估計類胡蘿卜素的含量更穩定。李倫等[22]人對常綠樹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。通過對以上數據的分析測定可為后續改善園林植物生長環境提供支持。

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]綜述了光譜技術對草坪質量評價體系中的諸多指標如草坪蓋度、草坪色澤、草坪病害、草坪均一度等進行客觀測定的可行性，從而保證草坪質量評定更加理性化和標準化。李書英等[24]將近紅外光譜技術應用于高爾夫草坪中土壤養分和水分含量的檢測，可以及時獲取草坪草生長及環境狀態數據，有效提高了高爾夫草坪管理水平。

3.2 照明工程

對于照明在生態照明景觀園林設計中的應用，尤其要注意其對生態環境的影響，并盡量遵循生態、環保與節能的原則。一旦設計人員在設計階段缺少科學細致的思考，就會對整個工程的生態性和藝術性造成惡劣影響[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系，得出光譜連續的白光光源使園林夜間視覺效果較好，但會影響植物生長的結論。姚其等[27]通過對傳統光源以及LED的光譜進行光譜作用分析和采用單色光源光譜對景觀環境進行照射分析，探討了不同光源對于建筑照明設計效果的影響。陳仲林等[28]迪倫·姜[29]等研究了在市政道路中人眼對照明光源的相對視覺反應時間、光源的相對發光效率和乘法系數之間的關系，結果表明上述指標均可反映光源光譜功率分布對人的視覺影響。

3.3 鋼結構工程

在現代的園林景觀項目中，鋼材料以不同的表達形式出現，例如欄桿、鋼橋、燈、亭、構筑物，甚至是鋪地的材料。這主要是因為它具有強度高、剛度大、自重輕、良好的塑形和抗變形能力強等特點[30]。董軍[31]研究了鋼結構在園林小品中的應用，主要體現了鋼結構在細節處的技術優越性。同時，楊東峰[32]也提出可把鋼結構和石材等結合起來制作欄桿、燈柱等，能夠使景觀小品具有良好的風格，展現出人工美和自然美之間相互交融的情景。應用光譜技術測定鋼材料中所含的碳(C)、硫(S)、硅(Si)等元素的含量，對鋼材的質量控制起到了很好的作用。在鋼材的測試分析中主要采用原子發射光譜分析法，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直接氣化并被激發而發射出各元素的特征波長，用光柵分光后，成為按波長排列的“光譜”，這些元素的特征光譜線通過出射狹縫，攝入各自的光電倍增管，光信號變成電信號，經儀器的控制測量系統將電信號積分并進行模/數轉換，然后由計算機處理，并打印出各元素的百分含量[33]，通過測出的各元素含量高低來判斷鋼材的質量。

在21世紀，由于鋼材料的應用已經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特性也暗示了它在景觀領域應用上的潛力。利用光譜分析法更深入地對鋼材料的物理性能和化學成分進行檢測分析，為鋼結構在園林設計中的發展提供了技術支持，擴大了其應用范圍。

4 光譜技術在園林景觀養護管理中的應用

植物在園林中擔任著舉足輕重的作用，不僅可以美化環境、陶冶情操，而且對于保護和凈化環境也有重要意義。植物產生的小氣候效應，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輻射，緩解風速等；部分園林植物可以吸附粉塵及細顆粒物(PM2.5)[34]，減少粉塵污染，還能吸收有毒氣體；植物遇到有害物質時的表現，可以作為環境污染指示和監測方面的指標。植物三分靠種，七分靠養，只有長期的養護好園林中的植物才能有效的發揮其景觀生態效益，但在養護過程中養分及病蟲害對植物的影響缺乏較好的響應機制[35]。

傳統的病蟲害監測多數都是依靠個人經驗進行人工調查，調查結果往往會隨人的主觀性、工作量的大小、調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微表現不易為人察覺。近年來光譜技術的發展使其在植物病蟲害方面的應用越來越深入。通過監測受害植物各種外部形態或內部生理參數變化引起的相應光譜特性變異信息，可以及時知曉病蟲害的危害時間，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環境或發育階段遭受病蟲害的侵襲，其體內的各種色素和水分含量以及生理生化狀況都會發生相應的變化，將受害植物的光譜特性與健康植物的光譜特性進行對比，可為植物病蟲害發生情況及發展動向提供及時、可靠的信息。

草坪是園林景觀植物的重要組成部分，光譜技術在其病蟲害防護方面有廣泛應用。利用NIRS技術研究高爾夫球場草坪冠層反射與冷季型草坪褐斑病和幣斑病之間的關系，結果表明可見光光譜及近紅外光譜傳感器能及時有效地判定草坪草褐斑病和幣斑病的發生情況。還可采用NIRS技術，對在整個生長季內匍莖翦股穎(Agrostis palustris )的草坪草屑含氮量與錢斑病的發病程度進行分析，結果表明匍莖翦股穎隨著草坪草屑含氮量的升高，錢斑病的發病程度減輕，但當草屑含氮量接近5%時，對病害發生的抑制作用明顯變小。NIRS技術還可以用來監測導致匍莖翦股穎產生病蟲害的枯草層成分，效果很好。用NIRS技術評估高羊茅(Festuca arundinacea Schreb.)的真菌感染水平，對于監測、控制高羊茅草坪的病害發生效果明顯。另外，通過測量近紅外光波下草坪的反光性，可以預測草坪腐霉病和褐斑病的發生情況，通常腐霉病的發生可在病害癥狀出現的3 h前得到預報。總之，光譜技術在草坪病蟲害監測和控制方面所體現出的及時性和準確性，是其他監控手段難以完成的。在松、杉及蘋果等其他樹種的病蟲害檢測中，高光譜遙感技術也有一定的應用前景，近紅外光譜技術及高光譜遙感技術檢測病蟲害的方法也可以運用在其他園林植物中，為養護人員進行園林植物病蟲害防治提供指導。

5 結束語

光譜技術作為一種快速高效準確的分析測定手段，已經廣泛運用于食品安全、中藥生產等領域，并且在園林工程和植物養護方面也有一定的應用，但是在規劃設計以及園林要素中的研究和應用有待進一步加深。隨著技術手段以及檢測裝置的不斷更新，光譜技術與園林景觀工程的結合勢必會創造出更大、更廣泛的效益，從而加快園林景觀的發展進程。