劉曉青，芮 瀟

(東南大學成賢學院，江蘇 南京 210088)

1 引言

景觀一般可以理解為某地區(qū)的綜合特征，其中包括人文、經(jīng)濟以及自然等方面[1]；一般的自然綜合體：主要是指地理各要素間互相聯(lián)系，互相制約、采用有規(guī)律結(jié)合所形成的內(nèi)部一致整體，分為不同等級區(qū)域或者是類型單位；區(qū)域概念，作為個體區(qū)域單位，就是相當于綜合自然區(qū)域等級系統(tǒng)內(nèi)最小的一級自然區(qū)，是對應一致發(fā)生與形態(tài)結(jié)構(gòu)同一個區(qū)域；類型概念主要是用來分類任何區(qū)域單位，即指互相合理地段按照外部特征類似性，將其歸成相同類型單位，例如森林景觀、草原景觀等[2]。

景觀規(guī)劃主要是指區(qū)域范圍內(nèi)完成景觀規(guī)劃，從區(qū)域基本屬性以及特征出發(fā)。其中設計規(guī)劃都包括：大眾行為心理主要從人類心理精神感受出發(fā)，依據(jù)人類在環(huán)境內(nèi)的行為心理以及精神活動規(guī)律，采用心理文化引導，設計出令人積極向上、浮想聯(lián)翩以及賞心悅目的景觀；環(huán)境生態(tài)則是隨著現(xiàn)代環(huán)境的意識運動發(fā)展，從而深入景觀設計規(guī)劃的內(nèi)容，依據(jù)自然界內(nèi)生物學原理，采用人工材料、水體、土壤、動植物、陽光以及氣候等，設計規(guī)劃出舒服良好的物理環(huán)境；而視覺景觀則是從人類視覺感受出發(fā)，通過實體空間景觀和美學規(guī)律，創(chuàng)造出賞心悅目的環(huán)境形象。這三種元素對于景觀感受起到的作用是密不可分、相輔相成的，采用以視覺為主的感受通道是借助與景觀環(huán)境的形狀，從而在心理引發(fā)觸景生情、心曠神怡等效果[3]。

景觀設計規(guī)劃還要以做到保護資源節(jié)約資源、尊重自然顯露資源和以人為本的體現(xiàn)博愛等原則。因為景觀設計規(guī)劃較為繁瑣，如果只是通過語言敘述，可能會出現(xiàn)設計者理解錯誤、敘述不清等情況發(fā)生，很難獲得系統(tǒng)性設計，這樣很有可能導致在進行規(guī)劃時出現(xiàn)偏差，甚至是失誤。所以需要通過數(shù)據(jù)量化分析的方式，進行系統(tǒng)整理，使其更加嚴謹。為此本文提出一種基于數(shù)據(jù)量化分析的動態(tài)視覺景觀規(guī)劃仿真方法，能夠很好保護景觀生態(tài)環(huán)境，降低空氣污染。

2 數(shù)據(jù)量化分析算法下景觀空間參數(shù)計算

2.1 景觀空間格局指標

空間格局分析法主要是用來研究空間配置關(guān)系與景觀構(gòu)造組成特征的分析方法，對于景觀空間格局和異質(zhì)性的定量描述是對景觀過程、功能以及結(jié)構(gòu)分析的基礎。在通過異質(zhì)性與格局將景觀的時間過程以及空間特征相連接。即可分析與描述景觀的規(guī)律性[4]。

而景觀格局通常是指很多景觀過程長期作用產(chǎn)物，可以直接影響景觀過程，而不同的景觀格局對于景觀生態(tài)系統(tǒng)、種群或者是某個個體作用較大。具體計算方法如下所示：

1)人均綠地的面積MG，具體公式為

MG=Ai/P

(1)

式中：Ai代表綠地系統(tǒng)內(nèi)i類景觀面積，P代表所在地區(qū)人口。

2)綠地率G0，具體公式為

G0=Ai/S×100%

(2)

式中：S代表研究區(qū)域的總面積[5]。

3)多樣性的指數(shù)為H，其數(shù)值大小能夠反映出各景觀要素占據(jù)的比例變化以及景觀要素多少。在景觀利用單一要素所構(gòu)成時，則景觀為均質(zhì)的，多樣性的指數(shù)即為0；而利用兩個以上要素所構(gòu)成的景觀，在景觀類型占據(jù)的比例相等時，那么景觀多樣即為最高，導致各個景觀的類型占據(jù)的差異比例增大，具體計算公式為

(3)

上式中：H代表某地區(qū)景觀的多樣性指數(shù)，Pi代表此地區(qū)各個景觀面積以及此地區(qū)總面積比，m代表此地區(qū)內(nèi)景觀類型個數(shù)。

4)優(yōu)勢度指數(shù)代表景觀多樣性以及最大多樣性偏離的程度，或者敘述景觀是由少數(shù)幾個重要景觀類型所控制的程度，其優(yōu)勢度指數(shù)越大，那么說明偏離的程度就越大，組成各景觀的類型占據(jù)點的比例差異越大，或者說某種或者少數(shù)景觀種類占據(jù)優(yōu)勢；而優(yōu)勢度越小就越表明偏離的程度越小，組成景觀的各種類占據(jù)比例幾乎相同，如果優(yōu)勢度是0，代表構(gòu)成各景觀類型占據(jù)的比例是相等的，它的景觀全是均質(zhì)的，就是采用一種景觀類型構(gòu)成的。具體計算公式為

(4)

式中：D代表優(yōu)勢度指數(shù)，Pi代表景觀種類i所占據(jù)的面積比例，i代表景觀類型的總數(shù)，Hmax代表研究區(qū)域的多樣性指數(shù)最大值，而均勻度與優(yōu)勢度在其本質(zhì)上是相同的，其差異為生態(tài)學上的意義不相同，在實際上能夠任選其一。

5)均勻度指數(shù)E，主要是描述景觀內(nèi)不同景觀種類所分配的均勻程度，數(shù)值越大，則說明各組成的成分分配就越均勻。具有計算公式為

E=(H/Hmax)×100%

(5)

優(yōu)勢度與均勻度是相同的，同樣是敘述景觀通過極少數(shù)幾個主要景觀類控制程度，此兩個指數(shù)能夠互相彼此驗證。

6)破碎度的指數(shù)表示被分割破碎程度，其在一定程度上能夠反映出人為對于景觀的干擾程度。利用斑塊密度的指數(shù)對破碎化程度進行定量分析，而破碎度高低證明綠地對于城市生物的保護貢獻大小以及多樣性的維持，同樣能夠代表城市綠地的功能高低，具體公式公式為

Ci=Ni/A

(6)

式中：Ni代表景觀種類i斑塊的個數(shù)，A代表景觀總面積。

7)分離度指數(shù)表示某景觀種類內(nèi)斑塊個體分布或者不同元素的分離程度。其中分離程度越大，則說明在地域中的分布越分散，所采用的同類景觀距離最近指標表示分離程度。具體計算公式為

ENN=Hij

(7)

式中：ENN代表景觀種類i分離程度，Hij代表某種景觀種類斑塊至距離最近的斑塊，該指標廣泛應用于衡量斑塊分離程度。

8)分維度的指數(shù)代表存在不規(guī)則形狀的對象復雜性，主要用來測試形狀復雜的程度。具體公式為

D=2log(P/4)/log(A)

(8)

在分維幾何內(nèi)，斑塊的周長與面積關(guān)系可以被定義成P=K(AD/2)。

式中：D代表分形的維數(shù)，P代表斑塊的周長，A代表斑塊的面積，它的常數(shù)K等于4。實際計算內(nèi)，D值通常位于1～2間，實際意義存在兩個方面：一是D值越趨近于1，那么斑塊自我的相似性就越強，形狀就越具有規(guī)律；二是D值越趨近于2，那么斑塊幾何形狀就越簡單，說明受干擾程度就越大。造成這個原因的是，人類干擾的斑塊通常是幾何形狀，比較規(guī)則。所以容易發(fā)生斑塊的形狀類似情況。若只從分維數(shù)自身的數(shù)學公式證明。其僅表示斑塊自我類似性而已[7]。

9)連通性指數(shù)代表景觀聚集程度，它的范圍是0～100間，具體公式為

(9)

關(guān)鍵種類占據(jù)景觀比例降低，且分成不連接的斑塊，斑塊結(jié)合度指數(shù)值趨近于0，在關(guān)鍵類型占據(jù)景觀比例增加，一直至漸進于滲透理論閾值[8]。

2.2 景觀可達性影響因素

1)城市景觀可達性通常是指綠地服務效率和景觀綠地服務進行體現(xiàn)，景觀綠地服務的規(guī)模以及服務的半徑等，現(xiàn)對于服務水平具有一定作用。具體景觀綠地的服務指標含有服務面積比以及服務人口比，公式如下

(10)

(11)

2)景觀的服務效率作為衡量城市景觀綠地服務水平重要指標，主要通過服務面積百分比形式所體現(xiàn)，具體公式為

(12)

3)人口密度是作為衡量城市的公共服務重要指標，一般也用來評價景觀綠地服務能力指標之一，而人口的密度是景觀綠地服務的面積和服務區(qū)域總面積比，具體公式為

(13)

4)城市路網(wǎng)作為一個錯綜復雜網(wǎng)絡構(gòu)造體系，因人口流量、交通流速以及道路等級等實際情況差異。所以路網(wǎng)密度是指景觀服務面積中道路的總長度和此服務區(qū)域的總面積比，具體計算公式為

(14)

5)景觀綠地的形狀指數(shù)作為空間構(gòu)造重要指標，主要用來反映景觀的形狀特征，具體公式為

(15)

式中：Q代表景觀綠地的周長，M代表景觀綠地的面積，B代表形狀指數(shù)，而數(shù)值代表景觀綠地形狀和圓形相差程度，最小值是1。其中形狀的指數(shù)越大，代表綠地的形狀復雜程度就越大，且越不規(guī)則[9]。

3 動態(tài)視覺景觀規(guī)劃

假設n″代表城市綠地景觀圖像像素最大至，p(i″，j″)代表景觀圖像的共生矩陣內(nèi)第i″行第j″列元素，(i″，j″)代表共生矩陣的灰度值，通過選擇4種應用比較廣泛紋理特征敘述向量，以此對城市生態(tài)景觀進行分析，而選擇的敘述向量分別是角二階矩ASM、相關(guān)系數(shù)COR、信息熵ENT以及對比度CON，具體計算公式為

(16)

(17)

(18)

(19)

式中：μx、μy與σx、σy分別代表景觀圖像處于x軸與y軸上均值以及標準差，式(19)代表景觀圖像粗糙紋理的部分，若元素p(i″，j″)集中于主對角線的附近，這時景觀圖像的對比度CON比較小[10]。若元素p(i″，j″)與景觀圖像的主對角線比較遠，那么對比度CON值則比較大；式(18)可以度量景觀圖像的紋理特征向量；式(17)能夠衡量景觀灰度共生矩陣的每個元素間類似程度重要指標；式(16)主要是用來評價景觀灰度分布程度度量的標準[11]。

相對于景觀系統(tǒng)圖像的各個方向灰度矩陣全都能夠計算上述，獲得4個紋理特征值，而景觀圖像四個方向灰度的共生矩，各個紋理特征全有和值所對應的四個不同方向值，如果M(d)代表以上所計計算的4個紋理特征敘述向量處于4個方向上均值，那么就能夠獲得城市景觀系統(tǒng)的角二階矩、相關(guān)系數(shù)、信息熵以及對比度。具體計算公式如下所示

(20)

(21)

(22)

(23)

依據(jù)以上計算統(tǒng)計城市系統(tǒng)各種景觀4個紋理特征值間的差異狀況，并且與上述的空間格局指標相結(jié)合，利用最大似然法實現(xiàn)分類，完成景觀布布局規(guī)劃，具體計算公式為

(24)

式中：We代表景觀類別集合，X代表景觀紋理特征的敘述向量，P(We/X)代表X掉落在We概率，在依據(jù)式(24)概率值大小，即可實現(xiàn)景觀布局的最佳規(guī)劃[12]。

4 仿真證明

4.1 實驗模型

為驗證本文方法的有效性，在MAT-LAB平臺下構(gòu)建景觀布局規(guī)劃模型，進行實驗仿真測試。將實際數(shù)據(jù)與實驗平臺上構(gòu)建的模型數(shù)據(jù)進行對比，觀察構(gòu)建的模型是否準確，作為后續(xù)進一步實驗測試的基礎。

具體模型數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)之間的對比結(jié)果，如圖1所示，能夠看出，構(gòu)建的模型數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)幾乎相同，雖然會存在些許的偏差，不過總體上并不會影響數(shù)據(jù)的實際結(jié)果，以此說明在平臺上構(gòu)建的模型，可以用來進行下一步實驗。

圖1 實驗數(shù)據(jù)對比結(jié)果

4.2 實驗結(jié)果對比分析

利用上述在平臺上構(gòu)建的模型，分析本文的布局規(guī)劃方法，同時預測未來6年內(nèi)的景觀植被面積，將預測結(jié)果數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進行對比，通過觀察植被的規(guī)劃面積驗證本文方法的效果。

二者具體對比結(jié)果如圖2所示。

圖2 景觀綠地植被的面積預測

通過觀察圖2能夠看出，經(jīng)過本文方法規(guī)劃后的景觀植被面積，呈現(xiàn)逐年上漲的趨勢，不過由于植被的面積與城市人類活動的面積存在反比的關(guān)系，植被數(shù)據(jù)的增加，反之人類活動的面積則減少，所以植被雖然逐年增加，不過后期增加的趨勢會較慢。

因為植被的增加，會導致空氣中的二氧化碳含量降低，因此通過測試二氧化碳的含量，能夠反映出空氣環(huán)境的變化效果。所以在采用本文方法規(guī)劃后空氣中的二氧化碳含量，與歷史數(shù)據(jù)對比，觀察環(huán)境的改變。

具體對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 二氧化碳的含量預測

通過圖3能夠看出，作為實際樣本數(shù)據(jù)二氧化碳的含量較高，不過隨著本文方法對景觀進行規(guī)劃后，植被的面積增加，二氧化碳的含量隨之在逐年的降低，最終趨向于穩(wěn)定。

通過以上實驗證明：本文方法對于景觀規(guī)劃具有良好的效果，能夠改善地區(qū)生態(tài)環(huán)境，降低空氣污染。

5 結(jié)束語

本文所提的基于數(shù)據(jù)量化分析的動態(tài)視覺景觀規(guī)劃仿真方法，可以有效改善景觀環(huán)境，降低空氣污染，提升居民的居住環(huán)境，保證健康。不過由于社會環(huán)境不斷變化，同樣布局規(guī)劃的方法也需要不斷更新變化，所以本文需要進一步深入研究，確?？梢詫崟r與社會環(huán)境相結(jié)合，避免環(huán)境受到污染。