周杰良 闫文德 王建湘

摘要测定了7种常见室内观叶植物在室内环境中的叶片滞尘能力,并利用数码相机对叶片拍照,研究叶片分形维数同滞尘能力的关系。结果表明:滞尘量大小依次为小天使>燕子掌>绿萝>发财树>吊兰>小叶榕>虎尾兰。分行维数大小依次为虎尾兰>小天使>燕子掌>绿萝>发财树>吊兰>小叶榕。对于一般的叶片而言,分形维数越大,叶面越粗糙,单位滞尘量越大;但不适用于叶片上有亮斑纹的虎尾兰,算法的局限性造成分形维数的增加。

关键词滞尘;观叶植物;分形维数

中图分类号Q948.116文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)08-0007-02

室内空气的污染程度超过室外5~20倍[1],这已引起人们的高度重视。粉尘是室内环境污染源之一,主要包括三方面:室外粉尘通过通风系统和自然通风带入;人的日常活动如活动、烹调、吸烟产生;书籍、衣物、建筑物本身产生的粉尘。目前,人们在利用植物吸附尘埃,减少空气中颗粒物污染方面做了很多研究[2],但基本集中在室外环境下的不同绿化树种和绿化类型的滞尘效益研究,在叶片滞尘机理研究方面,普遍认同叶片表面粗糙程度同滞尘能力呈正相关。但对叶片表面粗糙度的描述,主要用肉眼判读和对植物叶片进行电镜扫描后判读[3-5]。属于直观的定性表达,未量化,加上电镜价格较贵,给研究带来了一定的局限性。本文研究室内环境中7种盆栽植物的滞尘能力,由于粗糙表面具有明显的分形特征[6],探讨利用普通数码相机对叶片拍照,通过计算图像分形维数,来量化描述叶片的粗糙度,研究叶片分形维数同滞尘能力的关系。

1材料与方法

1.1供试植物

测试植物选择虎尾兰(Sansevieria trifasciata)、燕子掌(Cr-assula argentea)、小叶榕(Ficus microcarpa var. pusillifolia)、发财树(Pachira macrocarpa)、绿萝(Scindapsus aurens var.Wilcoxii)、小天使(Philodendron cv. Xanadu)和吊兰(Chlorophytum comosum)。

1.2试验地点和时间

试验设在湖南生物机电职业技术学院实验楼1楼3间南向的空房间,每间面积90m2。试验前将房间卫生打扫干净,实验期间仅开副窗通风,除采样、浇水外,基本无人进出。试验时间:2008年10~11月。

1.3分析方法

1.3.1滞尘量测定。试验前先用水冲洗测试植物的叶片,并用纱布擦干净,除去已有灰尘。每种植物重复5次,采样间隔时间为3d、6d、9d。从树冠上、中、下各部位均匀采集叶样5片,先用万分之一的电子天平称重,然后用干净的棉纱将叶片擦拭干净后称重[7],将2次称量差值近似看作叶片滞尘量,同时测量叶片的面积[8],求出单位面积滞尘量(g/m2)。

1.3.2叶片分形维数的分析。使用NIKONS700数码照相机(1 210万像素)对叶片进行拍摄,为了保证拍摄图像的精确,先将叶片擦干净,尽量保持拍摄的角度垂直。每种植物拍摄3个表面图像,图像的像素为2 816×2 112。将图像切割为512×512,并对图像进行中值滤波去噪。将图像转变成灰度图,计算图像的直方图,确定图像中灰度的取值范围,最后将灰度值进行20等分,把等分的每个灰度值作为阈值对图像进行二值化处理,用像素点覆盖法,计算每个二值图像的物理计盒维数(di)[9],根据公式[10]:D=1+(■=di)/n,得到比较接近实际叶片三维计盒维数的近似值D。

2结果与分析

2.1不同植物的滞尘量

从表1可以看出,7种植物的单位叶面积滞尘量具有显著差异,滞尘量的大小依次是小天使>燕子掌>绿萝>发财树>吊兰>小叶榕>虎尾兰。滞尘量最大的小天使是虎尾兰的61倍,一般认为不同植物滞尘能力的差异与叶片的表面特性、叶片着生角度、冠形等有密切关系[11],虎尾兰的滞尘量远远小于其他几种植物,其原因可能如下:一是虎皮兰的冠形修剪为长圆柱形,其他6种盆栽观叶植物冠形基本为近圆球形;虎尾兰叶片光滑,叶片着生角度小,基本垂直于水平面,而其他植物的叶片着生角度大,叶片相对粗糙。说明冠形、叶面质地、叶片着生角度对滞尘量影响较大。由图1可以看出,随着时间的推移,植物的滞尘量缓慢上升,小天使上升幅度最大,其他变化不明显,原因可能是在室内条件下,植物的生长很容易变弱,滞尘能力下降,室内相对室外灰尘量小,而一般在污染严重的环境条件下测定的滞尘量要相对大些。

2.2植物滞尘能力同叶片分形维数的关系

当观察物体表面的灰度图像时,若图像的各点亮度或灰度均匀一致,则物体表面光滑。反之,图像各点亮度或灰度发生变化,表面凸起的部分发亮(灰度值较高),表面下凹的部分光线变暗(灰度值较低)。因此,根据表面各点的明暗差异(灰度值差异)可区分表面凸凹不平的程度[12,13]。基于该理论,近年来有人利用图像分形维数分析,来实现对物体表面粗糙度的研究[14-15],韩靖玉[10]提出基于图像分形分析三维计盒维数的近似算法,实现了对路面不平度的测定。本文借助此法来分析不同植物叶片表面粗糙度,考虑植物滞尘能力和叶片结构受环境的影响较大,由于没查到有关长沙植物滞尘能力的资料,选用紧邻长沙的2个城市株州和岳阳的植物滞尘能力研究数据[16-17],选取文献中滞尘量基本相同,同时叶片质地粗糙有明显差异的4种2类植物,作物先期检测样本:一类是叶小、纸质、表面粗糙有毛的春鹃、红檵木;另一类是革质、表面相对光滑的桂花、山茶。由表2可以看出,2类检测植物的叶片的分形维数值差异显著,分形维数越大,叶面越粗糙,单位滞尘量越大。说明叶面类型和分形维数有相关性。从图2可以看出,7种观叶植物的分形维数大小依次为:虎尾兰>小天使>燕子掌>绿萝>发财树>吊兰>小叶榕。滞尘量最少的虎尾兰分形维数却最大,可能因为虎尾兰叶上有黄色、白色条纹(见图3),灰度图表面各点的明暗差异就不仅仅是表面凸凹不平引起反光不同造成的,其亮斑在图像二值化后,会造成计算的分形维数增加。而其他叶片,则是分形维数越大,叶面越粗糙,单位滞尘量越大。

3结论及建议

(1)不同植物的滞尘能力差异比较大,生活中应有意识地选择滞尘能力强的植物。植物滞尘能力的差异与叶片的表面特性、叶片着生角度、冠状等有密切关系,室内盆栽冠形基本人工塑造,如何塑造既美观又利于生长同时滞尘量又大的冠形,应该做进一步的研究。

(2)利用数码像机对叶片进行拍照,进行三维计盒维数的计算,是量化植物叶片粗糙度的一种可行途径。一般而言分形维数越大,叶面越粗糙,单位滞尘量越大。但对于那些叶片上有亮色斑点的植物,其亮斑会造成分形维数的增加。可见尽管粗糙表面具有明显的分形特征,但三维计盒维数无法唯一表达叶片的粗糙度水平,构造一个指标以更加准确全面的表达各种叶表面的粗糙度水平,值得进一步深入研究。

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