張潔， 張林

(商洛學(xué)院 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)院， 陜西 商洛 726000)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展提高，人們生活水平不斷地提高，家庭、公共場(chǎng)所均進(jìn)行了一些園林景觀設(shè)計(jì)，園林景觀設(shè)計(jì)可以給人們帶來(lái)更加舒適的感覺(jué)，而每一個(gè)人對(duì)園林景觀設(shè)計(jì)要求不一樣，因此需要對(duì)園林景觀設(shè)計(jì)效果進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，以更好地為人們提供最佳生活、工作、休閑環(huán)境，因此園林景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)[1-3]。

針對(duì)景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究，當(dāng)前存在許多有效的景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估方法[4]。當(dāng)前景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估方法分為定性分析和定量分析兩種，其中定性分析方法最具代表性的為層次分析法[5]，其對(duì)景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行根據(jù)，根據(jù)各種指標(biāo)的權(quán)值得到景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估結(jié)果，該方法比較簡(jiǎn)單，屬于線性建模方法，而景觀設(shè)計(jì)效果與評(píng)價(jià)指標(biāo)是一種非線性的映射關(guān)系，導(dǎo)致景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估偏差比較大，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值低[6]；定量分析方法最具代表性的為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[7]，如RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、極限學(xué)習(xí)機(jī)網(wǎng)絡(luò)等，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的非線性建模能力，得到比較好的景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估結(jié)果[8-9]。由于景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估十分復(fù)雜，單一層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)均存在自己的不足，無(wú)法全面、準(zhǔn)確描述景觀設(shè)計(jì)效果，因此景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估面臨巨大的挑戰(zhàn)[10]。

為了獲得理想的景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估結(jié)果，設(shè)計(jì)了層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估方法，該方法具有層次分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，克服了它們的不足，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法獲得了理想的景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估結(jié)果，而且景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估效率也明顯優(yōu)于層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估方法。

1 層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估方法

1.1 建立景觀評(píng)估指標(biāo)體系

為了高精度地對(duì)景觀設(shè)計(jì)效果進(jìn)行評(píng)估，必須建立最優(yōu)的景觀評(píng)估指標(biāo)體系，本文基于代表性、可測(cè)性、可比性、有效性和科學(xué)性的原則，建立一個(gè)景觀評(píng)估指標(biāo)體系，如表1所示。

表1 景觀設(shè)計(jì)效果綜合評(píng)估指標(biāo)體系

對(duì)景觀設(shè)計(jì)效果進(jìn)行量化操作，采用100分制形式，它們具體描述如表2所示。

表2 景觀設(shè)計(jì)效果綜合評(píng)估結(jié)果的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

1.2 層次分析法確定景觀設(shè)計(jì)評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重

(1) 對(duì)景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行量化處理，并建立景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估指標(biāo)判斷矩陣，具體形式如式(1)。

(1)

式中，ai,j為指標(biāo)i相對(duì)于j的相對(duì)權(quán)重。

(2) 計(jì)算式(1)每一行元素的乘積，具體為式(2)。

(2)

(3) 計(jì)算Mi的n次方根，即有式(3)。

(3)

(4)

1.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入、隱含和輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為N、L和M，輸入向量為X=[x0,x1,…,xN-1]，隱含層點(diǎn)j與輸入層點(diǎn)i、輸出層節(jié)點(diǎn)k之間的權(quán)重分別為Vij和Wik，輸出層和隱含層的閾值分別為θk和φj。隱含層節(jié)點(diǎn)和輸出層的輸出計(jì)算式為式(5)、式(6)。

(5)

(6)

計(jì)算yk與目標(biāo)輸出dk的偏差，具體如式(7)、式(8)。

δk=(dk-yk)yk(1-yk)

(7)

(8)

權(quán)重調(diào)整大小為式(9)、式(10)。

ΔWjk(n)=ηδkhj

(9)

(10)

權(quán)重的調(diào)整式為式(11)、式(12)。

Wjk(n+1)=

Wjk(n)+ΔWjk(n)+μΔWjk(n-1)

(11)

Vij(n+1)=Vij(n)+ΔVij(n)+μΔVij(n-1)

(12)

1.4 層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的景觀設(shè)計(jì)評(píng)估流程

(1) 建立景觀設(shè)計(jì)評(píng)估的指標(biāo)體系。

(2) 采用層次分析法確定景觀設(shè)計(jì)評(píng)估的指標(biāo)的權(quán)值。

(3) 采集景觀設(shè)計(jì)評(píng)估樣本數(shù)據(jù)，并采用專(zhuān)家對(duì)景觀設(shè)計(jì)評(píng)估效果進(jìn)行打分，與其景觀設(shè)計(jì)評(píng)估指標(biāo)組成樣本集合。

(4) 采用景觀設(shè)計(jì)評(píng)估指標(biāo)數(shù)量確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)，景觀設(shè)計(jì)評(píng)估效果作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出，并根據(jù)一定的公式確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含節(jié)點(diǎn)數(shù)，從而建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

(5) 初始化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)參數(shù)。

(6) 采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)景觀設(shè)計(jì)評(píng)估的訓(xùn)練樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)，以景觀設(shè)計(jì)評(píng)估精度為訓(xùn)練目標(biāo)，確定最優(yōu)參數(shù)。

(7) 根據(jù)最優(yōu)參數(shù)建立景觀設(shè)計(jì)評(píng)估模型，并采用景觀設(shè)計(jì)評(píng)估測(cè)試樣本對(duì)模型性能進(jìn)行測(cè)試。

綜合上述，層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的景觀設(shè)計(jì)評(píng)估具體流程如圖1所示。

圖1 層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的景觀設(shè)計(jì)評(píng)估流程

2 景觀設(shè)計(jì)評(píng)估方法的性能測(cè)試

2.1 測(cè)試環(huán)境的設(shè)置

為了測(cè)試層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的景觀設(shè)計(jì)評(píng)估性能，采用具體實(shí)驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)評(píng)環(huán)境如表3所示。

表3 測(cè)試環(huán)境的設(shè)置

為了使層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的景觀設(shè)計(jì)評(píng)估結(jié)果具有可比性，選擇層次分析法的景觀設(shè)計(jì)評(píng)估、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的景觀設(shè)計(jì)評(píng)估方法進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，選擇評(píng)估精度和評(píng)價(jià)時(shí)間作為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.2 測(cè)試對(duì)象

對(duì)于50個(gè)景觀設(shè)計(jì)方案的效果，采用多個(gè)專(zhuān)家，多個(gè)同行根據(jù)景觀設(shè)計(jì)指標(biāo)的值以及自身的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)進(jìn)行打分，并統(tǒng)計(jì)每一種景觀設(shè)計(jì)打分的結(jié)果，具體如圖2所示。

圖2 50個(gè)景觀設(shè)計(jì)效果的得分值

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，不同景觀設(shè)計(jì)效果的評(píng)分結(jié)果不一樣，說(shuō)明景觀設(shè)計(jì)效果具有一定的隨機(jī)性和非線性變化特點(diǎn)。

2.3 景觀指標(biāo)層評(píng)估精度對(duì)比

隨機(jī)選擇10個(gè)景觀設(shè)計(jì)方案作為測(cè)試樣本，其他作為訓(xùn)練樣本，每一種方法進(jìn)行5次仿真測(cè)試，以體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的公平性，景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估精度如圖3所示。

圖3 不同方法的景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估精度對(duì)比

對(duì)圖3的景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估精度進(jìn)行對(duì)比可以知道，本文方法的景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估精度平均值為91.52%，層次分析的景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估精度平均值為84.20%，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估精度平均值為86.3%，相對(duì)于對(duì)比方法，本文方法的景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估誤差大幅度下降，這主要是本文方法集成了層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，解決當(dāng)前景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估誤差大的缺陷，驗(yàn)證了本文景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估方法的優(yōu)越性。

2.4 景觀指標(biāo)層評(píng)估效率對(duì)比

統(tǒng)計(jì)每一種方法的5次仿真測(cè)試的景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估時(shí)間，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，本文方法的景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估時(shí)間明顯少于對(duì)比方法，克服當(dāng)前景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估效率低的弊端，提升了景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估速度。

圖4 不同方法的景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估時(shí)間對(duì)比

3 總結(jié)

針對(duì)當(dāng)前景觀設(shè)計(jì)評(píng)估過(guò)程中存在的缺陷，基于組合優(yōu)化理論，利用層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各自優(yōu)勢(shì)，提出了層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估方法，采用層次分析法建立科學(xué)、客觀的景觀設(shè)計(jì)評(píng)估指標(biāo)體系，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性擬合能力跟蹤景觀設(shè)計(jì)的變化特點(diǎn)，它們克服了單一層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的缺陷，最后測(cè)試結(jié)果表明，本文方法是一種精度高、速度快的景觀設(shè)計(jì)效果評(píng)估方法，評(píng)估結(jié)果可以為景觀設(shè)計(jì)工作人員提供有價(jià)值的參考意見(jiàn)，具有十分廣泛的應(yīng)用前景。