吳健生,袁 甜,王 彤,*

1 北京大學深圳研究生院,城市人居環(huán)境科學與技術重點實驗室,深圳 5180552 北京大學,城市與環(huán)境學院地表過程與模擬教育部重點實驗室,北京 100871

基于三維景觀指數的城市景觀美學特征定量表達
——以深圳市為例

吳健生1,2,袁 甜1,王 彤1,*

1 北京大學深圳研究生院,城市人居環(huán)境科學與技術重點實驗室,深圳 5180552 北京大學,城市與環(huán)境學院地表過程與模擬教育部重點實驗室,北京 100871

城市景觀由自然元素與人工元素構成,以建筑為主體,輔以外部空間環(huán)境。對城市景觀美學價值的研究有利于探討如何提升城市形象及居民生活環(huán)境,為城市規(guī)劃設計納入了感性與理性結合的合理途徑。景觀美學特征以不同方式影響整體景觀質量,合理運用景觀指數對城市景觀美學特征進行量化表達,是評估景觀質量的重要前提。在整理借鑒景觀美學相關研究的基礎上,結合景觀生態(tài)學理論基礎,以城市空間內部審美者的角度將城市景觀五大美學特征,包括自然性、開闊性、多樣性、奇特性和協(xié)調性,轉化為可定量表達的二維及三維景觀指數。量化指標易使用數據進行快速評估,對于城市規(guī)劃設計有著積極意義。

城市景觀美學；三維景觀指數；定量表達

城市景觀包括城市中所有的戶外場所,是自然元素與人工元素的組合。其美學質量直接影響到城市形象和居民的生活環(huán)境,因而對于城市景觀美學的研究有利于探討如何提升景觀資源的美觀度及其在公眾當中的感知度[1]。由于城市景觀的組成元素較自然景觀更為復雜,目前國內外對于城市景觀美學的研究相對較少。

景觀美學特征主要基于人類感受進行定性描述,難以進行科學評估,因此定量化研究始終是景觀美學領域需要探索的話題。鑒于景觀生態(tài)學理論在城市景觀及景觀美學評估中的應用逐漸增多,兩個領域擁有可探索的共同理論基礎,本文在整理相關景觀美學研究的基礎上,突破傳統(tǒng)美學領域,以深圳市為例,探討通過三維景觀指數對城市景觀美學特征進行定量表達的基本理念與方法。

1 城市景觀美學的概念及意義

1.1 城市景觀美學的概念

城市景觀由自然元素與人工元素構成,其中房屋建筑構成其主體,輔以建筑外部空間環(huán)境,是一個復雜的有機體。建筑景觀表現(xiàn)過于剛硬,自然景觀相對柔和,二者和諧統(tǒng)一、相輔相成。城市景觀具有功能性、審美性、自然性和文化性幾大特點[2],在為人們提供不同活動空間的同時,也滿足了人們精神層面的多樣性需求。

隨著科技進步和社會發(fā)展,景觀美學這一研究內容涉及了多個學科領域,因此對于城市景觀美學的理解,不同學科也賦予其不同的內涵。從美學角度來看,城市景觀并非單純的由視覺感受所構成的畫面,而是經過人的主觀感知并融入思想與情感后所獲得的審美形象[2],是主體與客體相結合的結果。地理學方面可將其看作整個城市的總體特征,在強調美學含義的同時,更注重城市的自然、經濟、人文等因素的綜合[3]。生態(tài)學則著眼于城市內部各因素之間的相互平衡和作用,形成具有一定結構、格局和動態(tài)變化特征的統(tǒng)一體[4, 5],而對于城市景觀的美學研究更加側重于土地的生態(tài)美學表現(xiàn),目前已有部分研究探索并證明了景觀格局指數與景觀美學特征反映之間的關聯(lián)性。本文側重從景觀生態(tài)學的角度,結合傳統(tǒng)景觀美學審視標準,探討衡量城市景觀美學特征的定量指標。

1.2 城市景觀美學評估的意義

城市景觀的美學質量直接影響著人們的居住環(huán)境,它不僅取決于視覺審美感受,也受環(huán)境、文化等因素的影響。景觀審美價值越高,往往越具有自然科學價值[6],受到破壞或視覺污染時引起的反應也越強烈[1]。因此科學的景觀美學評估為保護和利用景觀資源提供了合理依據。

1.3 城市景觀美學表現(xiàn)特征

景觀所給予人們的美學感受可以概括為九個方面的特征：連貫性、干擾性、自然性、歷史性、復雜度、人工管理、視覺尺度、可辨識度以及動態(tài)變化[7]。各個美學特征對景觀美學價值擁有不同的影響方式,其中自然性對景觀美學的影響程度較為公認,通常景觀自然性越高、自然景觀所占比重越大,所帶來的視覺美感度也越強烈[8]；干擾性體現(xiàn)在自然植被所受干擾較少,能提供更多生態(tài)服務功能時,其美學價值也相應有所增加[9]；作為城市景觀歷史性的體現(xiàn),文化底蘊越高的景觀其美學價值也越大[10]；景觀的多樣性對美學價值的最大貢獻則體現(xiàn)在色彩、景觀種類構成等方面較為豐富且協(xié)調時,此外,較為開闊的視覺尺度也會帶給人們良好的美學感受[11]。但景觀特征內部存在著復雜的影響關系,基于不同景觀對象與尺度,人們所注重的視覺美學特征會有所變化,例如經過人工干預而整齊精致的景觀較受人們喜愛,但總體上人們又更傾向于自然性較高、人為干擾較少的景觀,即干擾性與自然性的矛盾[12]。

目前美學研究也多是圍繞這九方面特征進行拓展深化并對景觀對象進行美學評價分析,例如,蔣丹群等[13]針對土地整治景觀美學從七方面的評判標準來構建指標體系,包括自然性、多樣性、開闊性、整潔性、寧靜性、運動性和奇特性；周根苗[14]等對風景林美學評價進行指標體系的探討,分別從自然性、奇特性、多樣性、神秘性、環(huán)境協(xié)調性五方面來解釋具體指標；潘影等[15]結合農業(yè)景觀的特征,在上述相關美學特征的基礎上增加了生態(tài)系統(tǒng)功能這一評價準則；董冬等[16]則將風景區(qū)古樹群落分解為樹木形態(tài)、視線開闊度等多個景觀要素進行美學評價,這些景觀要素也可歸納為對上述美學特征的描述。

1.4 城市景觀美學的定量評價方法

景觀美學特征逐漸采用量化表達方式,定量指標的數據容易獲得且計算較為方便,例如植被覆蓋率可表現(xiàn)景觀的自然性、斑塊聚集度可衡量景觀開闊性等等,從而可以方便有效地對景觀整體美學價值進行評估。目前該領域主要的研究思路是將景觀美學特征要素進行分解,并逐一尋找相關定量指標來描述對應的美學特征。對于難以用其他指標替代的美學特征,研究通常對其進行定性描述,按照人們的喜好程度劃分等級并依次進行打分[17- 20]。但是該類研究著重于整體景觀美景度的評價,對于景觀特征如何定量表達以及這些特征對景觀美學感受的貢獻程度研究較少。

近年來景觀美學研究領域不斷向景觀的生態(tài)美學方向發(fā)展,并融入景觀生態(tài)學理論分析二維層面上的景觀格局指數能否反映人類對景觀美學的感知程度[15, 21-22],證明景觀格局指數與景觀視覺美學的相關性。景觀生態(tài)與景觀美學之間有很多相互重疊的理論概念[23],城市景觀也應當在正確理解景觀指數含義的基礎上,結合自身景觀特征,構建可用于定量評估的指標體系。隨著城市立體化的加快,景觀要素的構成在三維層面上的特點日益顯著,對于景觀的研究需要加強對于垂直方向變化的關注,即三維景觀的整體特征[24]。

2 城市景觀美學特征指數構建

2.1 城市景觀美學特征的定量表達

城市為人們提供了生存及活動的空間,因此對于城市景觀美學需要從城市內部參與者的角度來審視。城市中以建筑景觀為主體,輔以植被、道路、廣場等其他景觀要素,而其中建筑及自然景觀對人的審美評判影響尤為重要。根據前文所提及的景觀美學特征,結合城市景觀自身特點,從自然性、開闊性、多樣性、奇特性、協(xié)調性共五方面特征來選取可量化表達的二維及三維景觀指數(表1)。

表1 城市景觀美學特征的指數表達

2.2 景觀指數內涵及標準

2.2.1 自然性

自然性主要指城市中自然植物的分布情況及生長狀態(tài)。人類天生對自然存在著親近感,因而城市景觀中的自然景觀對美學質量的影響尤為顯著,城市景觀的自然性主要由植被覆蓋率和植被空間擁擠度來表達。

(1)植被覆蓋率

指喬木、灌木、地被草坪等自然植物所覆蓋的面積占研究區(qū)域總面積的百分比,反映了城市景觀中水平方向上的植物密度,植被覆蓋率越高則景觀的自然性越強。其計算公式為：

(1)

式中,Cv為植被覆蓋率,Sv為植被覆蓋總面積,A為研究區(qū)總面積。

2.2.2 開闊性

城市景觀的開闊性主要指人身處景觀空間之中的視野開闊程度,過于擁擠雜亂的建筑空間會降低空間活動功能,陰暗狹小的建筑空隙影響著局部的熱環(huán)境,同時給人帶來負面的精神與視覺美學感受。因此用建筑密度與建筑空間擁擠度來衡量城市景觀的開闊性。

(1)建筑密度

指建筑底面所覆蓋的面積占研究區(qū)域總面積的百分比,反映了建筑景觀在水平方向上的密集程度,建筑密度越大則開闊性越低。其公式如下：

(2)

式中，Cb為建筑密度,Sbi為第i個建筑的底面積,n為研究區(qū)內建筑物總數,A為研究區(qū)總面積。

(2)建筑空間擁擠度

建筑密度是人們行走于空間之中所更為關注的水平方向的視野開闊度,而當人們以一種全面的視角審視建筑群體空間時,建筑空間擁擠度則能更好的描述三維空間中的視野開闊度,它較好的反映了景觀在三維空間的分布密度,指標值越大則擁擠度越高、開闊性越低。計算公式如下：

(3)

式中,SCb為建筑空間擁擠度,Vbi為第i個建筑的體積,n為研究區(qū)內建筑物總數,max{Hb}為建筑物最大高度值,A為研究區(qū)總面積。

2.2.3 多樣性

景觀美學要求景觀整體在變化中保持一致,在整齊中蘊含不同。多樣的景觀要素能夠給人們帶來新鮮感與視覺沖擊,滿足不同背景審美者的需求。景觀要素的多樣性包括構成成分、色彩豐富度等,因此本文提出利用景觀的色彩和組分構成,即景觀組分復雜度用來表征多樣性特征。

(1)景觀組分復雜度

景觀組分復雜度可反映出景觀色彩及構成元素上的多樣化,計算公式如下：

F=CR×TY

(4)

式中,F為景觀組分復雜度,CR為景觀的主要色彩種類數,L為主要景觀類型數。

(2)建筑平均分維數

景觀分維數可表示景觀形狀的復雜度,城市中的建筑擁有越來越多樣化的形狀體,給城市景觀增添了不少特色。建筑平均分維數的計算公式如下,值越大表示建筑形狀越復雜：

(5)

式中,FDb為建筑平均分維數,Pbi為建筑i的底面積周長,Sbi為建筑i的底面積,n為研究區(qū)內建筑體總數。

2.2.4 奇特性

奇特性這一因素影響景觀對人們的吸引力。城市景觀由大量建筑群體組成,易形成同質的空間風格,因而采用建筑體積優(yōu)勢度來衡量城市建筑景觀的奇特性。

(1)建筑體積優(yōu)勢度

景觀優(yōu)勢度表示景觀多樣性對最大多樣性的偏離程度。建筑體塊優(yōu)勢度則描述建筑群由少數幾個體量較大的建筑體控制的程度,值越大,表示其中某一建筑體或少數幾個建筑占優(yōu)勢。通常體積優(yōu)勢度較大的建筑具有一定的社會文化功能,成為區(qū)域的標志性建筑。參考景觀優(yōu)勢度的定義及計算方法,該指數的計算公式為：

(6)

式中,Db為建筑體積優(yōu)勢度,Hmax為最大多樣性指數,即研究區(qū)內各建筑體積所占比例相等時的多樣性指數,Pbi為建筑i的體積占研究區(qū)建筑總體積的比例,n為研究區(qū)內建筑體總數。

2.2.5 協(xié)調性

城市景觀內部的協(xié)調性是指各元素之間的協(xié)調性,包括建筑物與自然植被之間的合理搭配等。可用自然與人工景觀體積比例來表征。

(1)自然與人工景觀體積比例

城市景觀由自然元素與人工元素共同構成,房屋建筑構成人工元素的主體,植被則為自然元素的主要內容,二者一剛一柔、相輔相成。雖然人們本性上有親近于自然的特質,但建筑景觀中蘊含了更多的人文精神并滿足多種活動功能需求,景觀空間內部建筑與植被比例的協(xié)調搭配顯得尤為重要。自然與人工景觀的所占空間比例的相宜性能夠帶給人們最佳的美學感受。其計算公式為：

(7)

式中,CO為自然與人工景觀的相宜指數,Vv為自然景觀的總體積,Vb為人工景觀的總體積。

3 基于景觀指數的城市景觀美學特征評價

本研究的景觀美學特征評價主要包括三個過程：(1)以幻燈片為媒介,采用打分法測定公眾對于景觀美學特征的評價；(2)計算各個景觀樣本所對應的景觀指數；(3)分析景觀美學特征評價值與指數之間的關系。

3.1 城市景觀美學特征評價

3.1.1 照片拍攝與樣本選取

在深圳市內隨機選取25個點,在每個點的位置上分別對周圍四個不同角度的景觀拍照,共得到照片100張。拍攝時保證光線充足,一律橫向構圖,照片內盡量只保留建筑與植物景觀。對所有照片進行篩選,選取拍攝質量較好、景觀具有代表性的照片共20張用作評價樣本。圖1顯示20張評價樣本的樣片,圖2顯示20個采樣點的空間分布,主要分散在特區(qū)內的各個街道,在功能上包括居住區(qū)、商業(yè)區(qū)等,在社會經濟條件上考慮了市中心商業(yè)區(qū)或中高檔住宅區(qū)與城中村等區(qū)域的對比。

圖1 景觀美學特征樣本照片選取Fig.1 20 samples of landscape esthetic assessment

3.1.2 評判方式與結果處理

在景觀美景度評價中,目前常采用心理物理學的美景度評估法(SBE法)進行評定,即使用照片代替真實景觀場所,依靠公眾而非少數專家來對所有景觀樣本按照美景度高低打分。本文以幻燈片為媒介進行公眾評判調查。評價采用5分制標度衡量各個美學特征,即“很低”、“低”、“一般”、“高”、“很高”,對應的分值依次為1、2、3、4、5分。評判開始前向評判者說明調查目的及評分規(guī)則,并對其展示所有的景觀樣本以供對評價標準擁有初步的感性認知。而后依據大眾審美,分別對自然性、開闊性、多樣性、奇特性、協(xié)調性這五個特征對所有樣本進行打分。此次調查一共收回24份有效問卷,其中男性10人,女性14人。大量研究已表明不同群體之間對于景觀的審美態(tài)度存在著普遍的一致性[26],因此本文未考慮調查人群背景的差異。

圖2 景觀美學特征樣本空間分布Fig.2 Location of 20 samples of landscape esthetic assessment

景觀美學評價結果同時受到景觀自身特征和評判者個人審美標準的影響,因而不同個人的審美標準會直接影響評分尺度。為消除這種審美尺度的差異影響,將評分結果進行標準化處理,得到不同景觀特征的所有樣本的評價值,具體公式如下：

(8)

(9)

將標準化之后的打分分值作為每一樣本各項景觀美學特征的評價結果,圖3顯示了各樣本景觀美學特征評價得分的變化情況,可見樣本之間各項特征的分值變化很大。同時在樣本內部,不同景觀美學特征的得分也存在差異。部分樣本的五項特征的總體得分相對而言體現(xiàn)出較低或較高的特征。如總體得分較低的樣本5、10、20均為建筑物高度密集、植被稀少的城中村地區(qū),在視覺上有較為單一、老舊、擁擠的特征,各項美學特征的評分均較低。觀察各項評分都較高的樣本9、11、16,包括科技園區(qū)的房屋,以及CBD的摩天大樓,周邊有足夠的植被覆蓋,說明公眾對這類區(qū)域的美景程度評價較高。

圖3 景觀美學特征評價標準化分值Fig.3 Standardized scores of landscape esthetic features

3.2 景觀指數計算

景觀指數計算的總體思路為：在房屋普查數據中將樣本點視野可見的景觀劃定為選區(qū)范圍(圖4),在各選區(qū)內計算上述用于表征景觀美學特征的景觀指數。景觀指數計算中相關建筑數據皆來源于深圳市2012年房屋普查數據,通過ArcGIS軟件進行分析。其余需測量的植被覆蓋面積、景觀占地面積等指標均從天地圖及百度地圖上利用面積測量工具獲得。

3.3 數據分析與結果

根據各項基礎數據計算得到各選區(qū)的景觀指數后,在各項指數與其所代表的景觀美學特征指標之間建立散點圖(圖5)。根據散點圖趨勢線可大致判斷景觀指數與美學特征指標的關聯(lián)趨勢,而是否存在顯著的相關關系還需要通過計算相關系數來進行驗證。將五個景觀美學特征的標準化評分結果與對應樣本的景觀指數輸入到SPSS軟件中進行皮爾森相關性檢驗,得到結果如表2所示。

表2 景觀指數與景觀美學特征的相關性檢驗

*:在0.05水平(雙側)上顯著相關,**:在0.01水平上(雙側)顯著相關,-表示無顯著相關

圖4 景觀指數計算樣本選區(qū)Fig.4 Areas of landscape indicator calculation of 20 samples

圖5 景觀指數與對應美學特征指標散點圖Fig.5 Scatter plots of landscape indicators and corresponding esthetic features

由檢驗結果可知,自然性特征通常由自然植物景觀所占的比例決定,其中該特征與植被覆蓋率呈正相關,同時與建筑密度呈顯著負相關關系。景觀開闊性與建筑密度的相關性最高,驗證了前文所提出的建筑密度影響開闊性這一特征。同時景觀開闊性也與建筑平均分維數以及建筑體積優(yōu)勢度有關,這兩項指標能夠表征區(qū)域內建筑高度、底面積、體積等形態(tài)差異程度,從而影響公眾在視覺上感受到的天空視域范圍。而開闊性與建筑空間擁擠度的相關程度并不顯著,這與前文的假設也存在一定的出入,說明建筑空間擁擠度這一數值指標對開闊性的代表程度還需要得到進一步的驗證。與多樣性特征顯著相關的指標較多,說明公眾對于這一特征的判斷受到多種因素的影響。多樣性與建筑平均分維數以及景觀組分復雜度呈現(xiàn)出較顯著的正相關,表明建筑形態(tài)、色彩與景觀類型的多元化也影響著人們對多樣性特征的衡量。而公眾對多樣性的感知也與建筑密度、建筑空間擁擠度呈現(xiàn)一定的負相關關系,說明建筑在空間上的分布越密集越不利于體現(xiàn)建筑本身的形態(tài)差異。奇特性與建筑體積優(yōu)勢度、建筑平均分維數以及建筑密度有關,驗證了前文所提及的建筑景觀的突出體量會帶來區(qū)別于其他景觀的特性。而影響景觀協(xié)調性的指標也很多,由于協(xié)調性更注重景觀整體的美學感受,密度更大的建筑區(qū)往往被賦予較低的協(xié)調性。同時植物景觀對審美的沖擊力更大,因此自然與人工景觀體積比例以及植被覆蓋率有助于提升景觀協(xié)調性。

4 結語

景觀美學特征的相關研究多是側重于自然和農業(yè)景觀,對于構成較為復雜的城市景觀的定量研究較少。國內外學者不斷地探索景觀指數與景觀美學之間的關聯(lián)性,合理運用定量景觀指標對城市景觀美學進行評價仍是一個需要不斷拓展并挖掘的潛在領域。在整理借鑒景觀美學評價相關研究的基礎上,本文以城市空間內部審美者的角度,從景觀生態(tài)學理論出發(fā),結合景觀生態(tài)學領域的景觀指數的科學概念,將城市景觀五大美學特征(自然性、開闊性、多樣性、奇特性和協(xié)調性)轉化為二維及三維景觀指數進行定量表達。量化指標易使用數據進行快速評估,對于城市規(guī)劃設計有著積極意義?？茖W的景觀美學評估為保護、利用以及提升景觀資源提供依據,也為城市的規(guī)劃設計納入了感性與理性結合的合理途徑。

從美學角度分析,任何景觀要素都要保持在一個適宜的尺度,才能帶來最大的美學價值。例如,人們對于狹小的建筑空間較為抵觸,但自然景觀有時營造一種幽深郁閉空間也會帶來良好的美學感受；景觀的多樣性如果達到過高的程度且不能夠合理地組織協(xié)調,將會影響景觀整體的整潔度。因此,任何景觀美學特征與整體景觀質量之間都不是絕對的線性關系,每個景觀特征具體如何影響美學感受,將需要進行更深入的研究與探索。

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Preliminary theory of urban landscape esthetics based on three-dimensional landscape indicators

WU Jiansheng1,2, YUAN Tian1, WANG Tong1,*

1 Key Laboratory for Urban Habitat Environmental Science and Technology, Shenzhen Graduate School, Peking University, Shenzhen 518055, China2 Key Laboratory for Earth Surface Processes, Ministry of Education, College of Urban and Environmental Sciences, Peking University, Beijing 100871, China

Urban landscapes are defined as the outdoor space of whole cities, which consist of natural and artificial elements. Building landscapes, including the vegetation around the construction, are the main subject of urban environment. Urban landscape esthetics have been studied to improve urban appearances and protect the living environment, and provide a quantitative approach for urban planning. Most of the existing research has focused on esthetics evaluations of the natural landscape, whereas urban landscapes were more difficult to quantitatively assess because of their complex compositions. It is important to explore how different esthetic features influence the visual quality of landscapes and to quantify the features by using landscape ecology indicators to evaluate the landscape quality. Considerable research has verified the relationships between quantitative landscape indices and esthetics. Based on the results of the esthetic assessment of landscapes, we summarized five urban landscape esthetics features (naturalness, openness, diversity, peculiarity and harmony) from the view in urban spaces, and combined the two and three-dimensional landscape indices concepts from landscape ecology to develop quantitative indicators of urban landscape esthetics features. We used landscape indices as references, and explained the definition and formula of each index clearly. Quantitative indices provide rapid ecological evaluations for effective urban planning and design.

urban landscape esthetics; three-dimensional landscape indicators; quantitative expression

國家自然科學基金面上資助項目(41271101)

2015- 12- 23; 網絡出版日期:2017- 02- 23

10.5846/stxb201512232552

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wangtong@sz.pku.edu.cn

吳健生,袁甜,王彤.基于三維景觀指數的城市景觀美學特征定量表達——以深圳市為例.生態(tài)學報,2017,37(13):4519- 4528.

Wu J S, Yuan T, Wang T.Preliminary theory of urban landscape esthetics based on three-dimensional landscape indicators.Acta Ecologica Sinica,2017,37(13):4519- 4528.