基于叶片拍照的城市绿地灌草植物绿量的测定方法研究

于 静 / YU Jing

徐永荣* / XU Yong-rong

摘要：灌草层植物绿量是城市绿地中不可忽略的部分，但是灌草植物绿量的测定较为困难。采用采集样方叶片粘贴在透明板上拍照，然后应用软件矢量化的方法计算叶面积。结果表明：Nikon p60数码相机，控制模式5m—Fine模式，关闭闪关灯状态，摄影距离>1m能获得较好的效果；照片用R2V软件矢量化后，应用ArcGIS和AutoCAD计算叶面积无显著差异，但ArcGIS更为方便快捷；马蹄金、白三叶和结缕草可以采用10cm×10cm的小样方；样方数量一般需要达到35~40个，才能保证结果的可靠性。

关键词：风景园林；灌草植物；绿量；测定方法

Abstract: Green quantity of shrub and herb plants is an important part of urban green land. But it is difficult to measure directly because of small leaves. Leaves were collected in small samples and pasted on transparent plate, then a photograph was taken in this paper. Leaves areas were calculated by software after vectorization. The results showed as the following: Camera model was Nikon p60, shooting mode was 5m-Fine, shooting distance was up 1m and the flash should be turn off. Photos were vectorizated by R2V, and then calculated by ArcGIS, which was much simpler than AutoCAD. The suitable quadrat size was 10cm×10cm for Dichondra repens , Trifolium repens and Zoysia japonica . A suitable sample number was 35-40 in order to ensure the reliability of the results.

Key words: landscape architecture; shrub and herbage; green volume; measurement

生态功能的量化估算是未来城市绿地生态规划和生态设计的重要依据，而城市绿地生态功能的基础是绿地绿量的高低。用叶面积指数( L A I)来衡量绿量的高低已经获得共识。对于LAI的测定，农业上大多采用直接测量法，现在采用激光叶面积仪的较多，可以直接测定活体叶片，较为方便快捷，适合做小面积单叶测定，但是激光叶面积仪很容易疲劳，不适合大量和长时间测定，且价格较为昂贵。森林群落LAI的测定在光学法普及之前主要是比叶法，现在多用冠层分析系统测定乔木层有效LAI，林下植物忽略不计。城市绿地群落较为复杂，如果采用激光叶面积仪测定，不仅工作量巨大，而且很多叶片细小的植物，如狗牙根，叶片基本无法用激光叶面积仪测量。如果采用森林群落的方法，则灌草层的绿量及其生态功能会被忽略不计，而且诸多研究表明，有效叶面积往往低于实际叶面积。笔者的研究结果表明，城市绿地大多数乔木层覆盖度不大，灌草层发达，尤其是现在强调复层结构群落更利于发挥绿地各项生态功能，灌草层绿量的精确测定和生态功能的估算日益重要。

本研究试图采用样方采集灌草层植物叶片拍照及相关软件处理获取LAI的方法，对城市绿地灌草层植物绿量拍照法测定中图形软件的选择及样方大小、样方数量进行了研究，从而为城市绿地灌草层绿量的获取提供直接参考。

1 研究方法

1.1 物种选择

选择武汉市常见的草本植物： 马蹄金(Dichondra repens)、白三叶(Trifolium repens)、结缕草(Zoysia japonica)、阿拉伯婆婆纳(Veronica persica)、狗牙根(Cynodon dactylon)、吉祥草(Reineckia carnea) 及灌木： 杜鹃(Rhododen dronsimsii)作为试验材料。所有供试材料均处于人工或自然形成的绿地中。

1.2 采样与拍照

在不同的绿地中选择不同盖度等级的供试物种样方，采用正方形标准框(40cm×40cm和10cm×10cm 2种尺寸)框选样方，用统计法测定样方内的盖度，多点平均法测定样方内植株高度及叶层厚度。然后将样方内叶片全部采下，无重叠地平整铺于透明板上，用数码相机进行拍照，参照物为1cm×1cm面积的正方形。相机为Nikon p60数码相机5m-Fine模式，关闭闪光灯状态，摄影距离应>1m。镜头>1m对照板中心，调节视框范围，尽量排除其他附属物后半按下快门，等取景框出现绿色的聚焦框后按下快门拍照。

1.3 试验设计

1)不同软件提取计算LAI方法的比较试验。

选择马蹄金、白三叶和杜鹃3个物种，将各样方照片先导入Photoshop中，使其成为R2V可分析的合格数据——即无杂质，叶片矢量数据清晰。采用R2V矢量化之后分别用AutoCAD和ArcGIS软件计算叶面积和样方LAI。比较2种方法提取和计算的LAI的差异。

2)草本植物LAI测定中不同小样方面积的比较。

选择马蹄金、白三叶、结缕草、阿拉伯婆婆纳、狗牙根和吉祥草，每种植物分别采用40cm×40cm和10cm×10cm的样方进行采样，比较2种样方面积测定结果的差异。

3)灌草植物LAI测定样方数量的确定。

选择马蹄金、白三叶和杜鹃3个物种，分别采用15、20、25、30、35、40、45、5 0、5 5、6 0不同的样方数， 样方面积为40cm×40cm，控制各样方数平均样方盖度误差在±1%范围内，其中马蹄金各样方数量下平均盖度为81%~82%，白三叶各样方数量下平均盖度为80%~81%，杜鹃各样方数量下平均盖度为77%~78%。利用R2V+ArcGIS法求得样方LAI，通过比较不同样方数量获取的平均LAI值的变化趋势来判断适宜的样方数量。

1.4 数据计算与处理

通过样方叶片采集、拍照、矢量化、提取和计算，获得样方内叶片面积，计算样方LAI，样方LAI=样方内叶片面积/样方面积。方差分析采用SPSS软件进行。

2 结果与分析

2.1 AutoCAD和ArcGIS软件计算LAI的比较

将R2V+AutoCAD法和R2V+ArcGIS法对白三叶、吉祥草和杜鹃各样方叶片照片进行矢量化处理和面积计算的结果，用SPSS17.0分析软件进行方差分析(表1)，结果表明2种方法计算的样方LAI值差异性不显著(pr>0.05)。说明运用R2V矢量化处理后，采用AutoCAD法和ArcGIS法对白三叶、吉祥草和杜鹃进行处理所获得的LAI值没有显著性的差异。从表1可以看出，AutoCAD法计算出的LAI值稍低于ArcGIS法。由于R2V+ArcGIS法具备更加快速、高效的优势，所以在实际应用中采取R2V+ArcGIS法求算LAI值更方便和高效。

2.2 草本种测量样方面积的确定

对于像白三叶、马蹄金、结缕草、狗牙根和阿拉伯婆婆纳等这种小叶草本，分别采用盖度相同的1 600cm2(40cm×40cm)的大样方法和100cm2(10cm×10cm)的小样方法进行采样，拍照后统一用R2V+ArcGIS法求算LAI值，对LAI结果的方差分析见表2。

由表2可知，对于白三叶、马蹄金和结缕草3个物种，采用大样方和小样方2种测量方法，获取的LAI值差异不显著，因此基于方便快捷考虑，采用10cm×10cm的小样方就可以获得较好的结果。

对于狗牙根和阿拉伯婆婆纳，试验采用的40cm×40cm和10cm×10cm这2种样方面积，计算得出的LAI差异达到极显著水平，需要进一步研究。

总体上，小样方法测定最后获得的LAI值高于大样方法。

2.3 样方数量的确定

一般来说，测定的样本数量越多，结果会越准确，但是样本越多，测定时间、费用、工作量等成本就越高。因此，既要保证测定结果的可靠度，又要尽量降低测定成本，确定一个合适的样本数量，就显得至关重要。

吉祥草分别采用15、20、25、30、35、40、45、50、55和60个小样方测定结果计算得到的平均LAI值见图1，可以看出，在样方数量为15-30的时候，测定结果波动幅度较大，当样方数量达到35及以上时，测定结果的平均值变化幅度很小，基本处于稳定状态。因此，可以认为，对于吉祥草LAI的野外测定数据，采用样方法，样方数达到35即可满足测定结果的可靠度要求。

图2为白三叶在不同样方数量下的测定结果计算得到的LAI值变化图，图2表明，当样方数量在15-35时，LAI值的变化幅度较大，样方数达到40及以上，LAI值比较平稳，变化幅度较小。所以白三叶LAI野外测定数据，样方数达到40即可满足要求。

图3为杜鹃在不同样方数量下测定结果计算得到的样方平均LAI值，由图3可以看出，样方数量在15~35时，LAI值有一定起伏，样方数量达到40以上时，LAI值基本趋于平稳，因此，杜鹃LAI野外数据的获取，样方数为40比较适宜。

3 结论与讨论

3.1 结论

1)对于叶片细小的灌草植物，既不能采用冠层分析系统测定有效叶面积，也很难用激光叶面积仪直接测定叶面积，可以通过样方法采集叶片后，粘贴在透明板上，参照物为1cm×1cm的正方形，用数码相机拍照，然后应用R2V软件矢量化+ArcGIS软件计算叶面积，获取样方LAI值。

2)白三叶、马蹄金和结缕草可以采用10cm×10cm的小样方法采样；对于叶片更细小的狗牙根和阿拉伯婆婆纳，本研究采用的2种样方大小结果差异显著，究竟应该采用多大的样方，尚需进一步研究。

3)对于灌草植物LAI野外测定的小样方数量，大多数物种达到40个即可满足数据可靠度的要求。

3.2 讨论

1)拍照数码相机的控制模式对于不同品牌不同型号的相机，需要进行不同模式的对比之后才能确定。本研究采用的是Nikon p60数码相机，控制模式是5m—Fine，关闭闪光灯状态，摄影距离>1m。

2)城市绿地灌草植物种类繁多，本研究只选择了几种植物，是否适用所有灌草类植物，尚需进一步深入研究。

注：文中图片均由作者绘制。

 

作者简介：

于 静/1983年生/女/黑龙江人/硕士/工程师/棕榈园林股份有限公司(武汉 430017)

徐永荣/1970年生/女/安徽人/华中农业大学园艺林学学院副教授/研究方向为园林生态(武汉 430070)