基于GIS光照因子分析的園林植物選擇和配置以浙江省桐鄉(xiāng)市某小區(qū)為例

魏合義 黃正東 楊和平

基于GIS光照因子分析的園林植物選擇和配置以浙江省桐鄉(xiāng)市某小區(qū)為例

魏合義 黃正東 楊和平

光照是園林植物正常生長、發(fā)育、繁殖及群落穩(wěn)定的重要生態(tài)因子?；诘乩硇畔⑾到y(tǒng)（GIS）空間分析功能對光照條件進行精確模擬和量化分析，結合園林植物對光照的需求標準，探討園林植物的精細配置方法。以浙江省桐鄉(xiāng)市金盛花園小區(qū)為案例進行定量研究。結果表明數(shù)字模擬方法可提高園林植物的選用和配置水平。

園林植物；種植設計；光照因子；GIS；

修回日期：2015-03-20

1 前言

光照是一切綠色植物進行光合作用所必須的生態(tài)因子。具體講，光照的作用主要表現(xiàn)為影響植物的正常生長、發(fā)育、繁殖以及其群落的穩(wěn)定性［1-2］。通常情況下，不同區(qū)域在選用植物進行景觀營造、生態(tài)或物種保護時，常會根據(jù)當?shù)氐纳鷳B(tài)條件盡可能滿足植物所必需的的生態(tài)因子或生態(tài)位（Ecological Niche）［3-4］，這也是城市植物選擇和應用中適地適樹的基本原則［5-6］?，F(xiàn)代城市發(fā)展研究或實踐中，在“優(yōu)先滿足城市功能”這一思想導向下，植物生命過程中所必需的生態(tài)因子均受到不同程度的影響。除了環(huán)境溫度和土壤條件外［7-8］，太陽輻射也有較大改變［9-10］。

在城市區(qū)域，建筑類型、建筑高度和布局是造成太陽輻射發(fā)生變化的主要因素，相關研究較多關注城市的“污染”、“通風”或“熱”問題［11-15］。然而，相關研究較少探討城市植物的選擇和配置應如何響應光照條件的變化。造成這一現(xiàn)象的主要原因是城市設計進程中，一般將建筑、道路、公共設施等硬質景觀作為設計的主體，園林植物常作為這些城市要素的點綴。近些年來，城鎮(zhèn)化的推進使一些城市問題愈發(fā)突出，如：城市熱島、大氣污染、能源消耗、城市噪音和城市雨洪等，而園林植物在緩解這些問題時所體現(xiàn)的生態(tài)價值也開始受到重視［16-18］。為使園林植物發(fā)揮最佳的生態(tài)功能和美化作用，風景園林師應更多關注如何在城市環(huán)境中，促使各類植物的成活和健康生長。

北美地區(qū)，在確定適合城市植物的種類和配置方式時，常采用對種植場地評價的方法［19］，包括地上的光照、風、空間，地下的管網、土壤pH和透氣性等?，F(xiàn)代居住小區(qū)中，由于完善的植被養(yǎng)護措施，使一些環(huán)境脅迫因子在一定程度上得到了極大的改善，如：水肥管理、病蟲害防治和土壤改良。但是，居住區(qū)中高層建筑的增多使光照成為限制植物選擇和配置的重要脅迫因素，而且這一生態(tài)因子也很難通過人為方式得以改善。目前的問題是，如何在有限的光照條件下，更加科學、合理的選擇植物種類和優(yōu)化植物配置。

在我國，早期已有學者探討建筑對光照的影響，將研究結果用于指導園林植物的選擇和配置［20］。限于當時數(shù)字技術及計算能力的落后，對光照條件的分析還僅限于光照時數(shù)，其方法在定量應用層面上也受到一定的限制。在現(xiàn)今的科學研究中，計算機運算能力的提高和相關數(shù)字軟件的開發(fā)，極大的滿足了對光照模擬、分析、評價的需要。數(shù)字軟件中，CAD和Sketch-up系列軟件，可以模擬不同樹木布局對建筑采光和通風的影響［21-22］；光照和長波環(huán)境輻射模型（SOLWEIG），可用于模擬城市環(huán)境中的陰影格局、光照時數(shù)和平均輻射溫度［23-24］；GIS軟件對太陽輻射的模擬也具有較好的表現(xiàn)［25-26］。綜合分析，GIS不僅可以用于各種尺度場地的光照模擬和分析，還可以用于植物數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)庫建設，在數(shù)字模擬軟件中具有較突出的優(yōu)勢。

根據(jù)目前的研究現(xiàn)狀，本研究提出利用GIS技術模擬光照環(huán)境，結合常用園林植物的生態(tài)習性建立植物數(shù)據(jù)庫，根據(jù)不同的光照條件，科學合理的檢索植物種類和群落組合。該技術體系可為園林綠地的植物選擇和配置提供基礎支持。

2 材料與方法

2.1 研究地概況

金盛花園小區(qū)位于浙江省桐鄉(xiāng)市迎鳳新村東側，北港河南側，迎鳳路北側，東鄰商業(yè)步行街。小區(qū)總占地50畝（33 350m2），配套會所、物管、商業(yè)用房及其它相關設施，總建筑面積約5萬m2，規(guī)劃住宅371戶。主題建筑共17棟：建筑高度最低為2層，最高為11層。居住小區(qū)植物選用和配置應適應當?shù)貧夂驐l件，反映地域文化，并保證植物群落的穩(wěn)定性。

桐鄉(xiāng)市位于浙江省北部杭嘉湖平原，地理位置為北緯30°28′至30°47′，東經120°17′至120°39′。該區(qū)域屬于典型的亞熱帶季風氣候。溫暖濕潤，四季分明，雨水豐沛，光照充足。

2.2 研究工具及參數(shù)設置

本研究主要利用ArcGIS軟件，采用由Fu和Rich開發(fā)并形成的Solar Analyst分析模塊［25］。在ArcGIS9.2及之后的版本中，Solar Analyst模塊將集成在空間分析工具中［27］。本方法在應用過程中，需要對一些相關參數(shù)進行設置，若設置不當會導致模擬結果失真，或使計算機運行時間過長。綜合考慮本研究的目的、場地概況、計算機性能、模擬時間和模擬精度，經過測試將本研究的參數(shù)設置如下（表1）。

2.3 數(shù)據(jù)處理和分析

本研究主要使用的數(shù)據(jù)有建筑數(shù)據(jù)、路網數(shù)據(jù)和植物數(shù)據(jù)。建筑數(shù)據(jù)和路網數(shù)據(jù)為居住小區(qū)前期規(guī)劃成果。植物數(shù)據(jù)是根據(jù)已有研究成果，將常用的園林植物按照光照需求差異，建立植物數(shù)據(jù)庫。

首先，將建筑數(shù)據(jù)和路網數(shù)據(jù)添加至ArcGIS，一般在CAD軟件環(huán)境中編輯的數(shù)據(jù)是缺少相應屬性的。因此，可以通過查看數(shù)據(jù)屬性窗口將這些數(shù)據(jù)賦予單位、參考比例和地理坐標等屬性，以便于在GIS中應用。其次，設定模擬邊界。將潛在的植物種植區(qū)域作為模擬邊界，模擬高度設置為地面（值為0）。再次，將設置完成的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)格式轉換功能，由矢量數(shù)據(jù)轉換為柵格數(shù)據(jù)。在設置象元大小時，應平衡計算機運行時間和模擬精度。最后，將研究區(qū)域常用的園林植物根據(jù)光照生態(tài)習性，按照喬木、灌木和地被等類別統(tǒng)計至表。再將完成的植物數(shù)據(jù)轉換為GIS能夠支持的數(shù)據(jù)庫，以供光照模擬結果的檢索。

2.4 光照綜合評價模型

光照時數(shù)和光照強度是光照條件的綜合反映。對光照條件的綜合評價，可以使用以下模型：

〖Sun〗_con=〖w_1*Sun〗_t+〖w_2*Sun〗_i

公式中：〖Sun〗_con為光照綜合條件；〖Sun〗_t為光照時數(shù)等級；〖Sun〗_i為光照強度等級；w_1和w_2為各加權項的權重。

研究中，采用層次分析方法（AHP）結合專家打分賦值［28］，根據(jù)計算將光照時數(shù)的權重設為0.4，將光照強度的權重設為0.6。在ArcGIS空間分析中，對光照時數(shù)和光照強度等級圖進行疊加分析處理，生成光照條件綜合評價適宜圖。將綜合評價值從高到低劃分5個等級，植物種類適宜性上，分別可選擇強陽性植物、陽性植物、中性植物、耐陰植物和喜陰植物。

3 結果與分析

3.1 光照條件分析

3.1.1 四個日時的光照面積比分析

不同時間的光照強度是有差異的。同一天內，光照強度隨太陽方位角的增大而增強。模擬2014年春分、夏至、秋分和冬至的日期分別設定為3月21、6月21、9月23和12月 22日。根據(jù)設定的相應參數(shù)（表1），對研究區(qū)域在4個特殊日時的光照時數(shù)和光照強度進行分析和對比（圖1-2）。

光照時數(shù)的對比結果顯示：研究區(qū)域中不同等級光照時數(shù)的面積比例在春分和秋分時分布較均勻，光照時數(shù)在4-6小時和6-8小時的面積比例相當。而在春分、秋分和冬至時，區(qū)域中大于8小時的面積比例接近一致。夏至和冬至因太陽高度角的差值達到最大，不同光照時數(shù)的面積比例變化也較大。夏至時，除了在6-8小時、大于8小時的面積比例大于冬至時外，小于2小時、2-4小時和4-6小時的面積比例均小于冬至時。由此可以說明，夏至時的光照時數(shù)整體較好，冬至時的光照時數(shù)為最差。

光照強度的對比結果顯示：春分和秋分不同等級的光照強度面積比例同樣較為一致，而夏至和冬至時變化較大。夏至時，不同光照強度等級中，“極強”、“較強”和“一般”的面積比例均超過春分、秋分和冬至。春分和秋分時，不同等級的光照強度面積比例也較為一致。冬至時，“極弱”光照強度的面積比例遠超過春分、夏至和秋分，但在“極強”、“較強”、“一般”和“較弱”等級上均低于其他3個日時。

值得關注的是，4個日時的光照強度在“極強”等級的面積比例也較為相似。主要原因是本次分析包含了樓頂光照，而樓頂對該“極強”等級的面積比例貢獻最大，除7號樓樓頂光照強度的面積比例在4個日時有變化外，其他樓頂均未變化。以上分析結果可以說明，通過該方法對光照時數(shù)和光照強度的分析，具有較強的科學性和穩(wěn)定性，其分析結果可用于指導植物的選擇和配置實踐。

3.1.2 年平均光照時數(shù)和光照強度分布

1 不同等級光照時數(shù)的面積比例對比

2 不同等級光照強度的面積比例對比

光照時數(shù)和光照強度是影響植物生長的2個重要指標，二者既有一定的聯(lián)系又是不同性質的因子。研究區(qū)域中，全年平均光照條件的分析對植物選用和配置的指導意義更大。因此，本研究將時間設置為365天，對全年的光照條件進行模擬。同時，將模擬的光照時數(shù)和光照強度按照5個等級進行劃分。

研究結果顯示（圖3），年均光照時數(shù)“嚴重不足”的區(qū)域主要集中在1號樓與3號樓、3號樓與5號樓圍合的區(qū)域，6號樓房北側也是光照時數(shù)“嚴重不足”的區(qū)域。1號樓、2號樓因南側未有建筑影響，光照時數(shù)“極充足”。9號樓南側、西南側因與7號樓間距較大且7號樓樓層較低，因此也具有較大面積的“極充足”、“充足”的年均光照時數(shù)。而10號樓、13號樓北側具較大面積的光照時數(shù)“嚴重不足”區(qū)域。研究區(qū)域的西側和東側，因未考慮外圍建筑的影響，年均光照時數(shù)“充足”的區(qū)域占了較大面積。

從光照強度的分析來看（圖4），年平均光照強度為“極強”等級的區(qū)域主要分布在建筑頂部。地面上，年均光照強度為“極強”的區(qū)域則未有分布。而“較強”區(qū)域主要分布在1號樓、2號樓南側，8號樓和11號樓東南側，9號樓南側及西南側，12號樓和15號樓西側。研究區(qū)域內，年均光照強度為“一般”等級的面積占了最高的比例。光照強度“較弱”、“極弱”的區(qū)域，與年均光照時數(shù)的“不足”、“嚴重不足”的分布相似，但是所占面積更大，并具有北向擴展的特點。

綜合分析，當研究區(qū)域的經緯度、模擬時間和海拔高度一定時，研究區(qū)域內的光照條件僅受建筑高度、建筑間距和建筑布局的影響。通過降低樓層高度、增加樓間距、減少建筑之間的圍合度可有效增加區(qū)域內的年均光照時數(shù)和光照強度；反之，光照時數(shù)和強度將會降低。由此可見，建筑物是改變光照空間分布的主要因素，在植物選用和配置時，應根據(jù)具體立地條件選擇合適的植物類型。以上研究，尚未考慮喬木和灌木種植后相互之間的影響。另外，地形對光照條件的影響也較為顯著，因本案例研究區(qū)域內的地面較為平坦，故將地面DEM設為均值。

3.2 桐鄉(xiāng)市金盛花園植物選用與配置

根據(jù)本研究設置的相關參數(shù)，首先生成年均光照強度和光照時數(shù)的空間分布，利用光照條件綜合評價模型，形成光照條件適宜圖。最終，可結合具有光照需求習性的植物數(shù)據(jù)庫，確定較適宜的植物類型和配置方案（圖5和、表2）。

3.2.1 基調樹種和骨干樹種

基調樹種和骨干樹種可作為該小區(qū)的行道樹或獨賞樹，種植方式上可采用孤植、對植、列植、叢植或群植，這些樹種可反映當?shù)貧夂驐l件、地域文化和區(qū)域特點，以喬木為主。在種類選擇上不宜過多，選用3-5種為宜。

適宜類型：落葉喬木可選擇銀杏、楓香、欒樹、鵝掌楸和三角楓；常綠喬木可選擇香樟、黑松、樂昌含笑、廣玉蘭、杜英和桂花。

具體立地條件上（圖5和、表2），對于銀杏、黑松和鵝掌楸等喜充足光照的園林植物，較適合種植在綜合評價為“強陽性”或“喜陽”植物種植區(qū)，這些區(qū)域可滿足其對光照的需求。如種植在1號、2號建筑南側，9號、12、和15號建筑西側，及2號、4號和6樓東側。通過這些喬木的列植或群植，形成較好的植物景觀。也可在銀杏和鵝掌楸下種植較耐半陰的夾竹桃，達到噪音防護及隔離污染的目的。9號建筑之前較大面積的“喜陽植物”種植區(qū)域，可以群植形成季相景觀，也可通過孤植大樹營造獨賞景點。但這些區(qū)域，需注意常綠樹高度及與北側建筑的距離，避免造成冬季的過度遮陰。三角楓、香樟、杜英，以及幼苗期的樂昌含笑和廣玉蘭均較耐陰，在立地條件的選擇上較自由，可在“中性植物”、“耐陰植物”種植區(qū)域栽植?！跋碴幹参铩狈N植區(qū)主要分布建筑北側以及建筑圍合區(qū)域，可選用紅豆杉、大葉冬青、海桐或南天竹，但喜陰或耐陰植物多為常綠，同樣需要控制數(shù)量，以免造成過度陰暗潮濕。

3 不同等級年均光照時數(shù)的空間分布

4 不同等級年均光照強度的空間分布

5 光照綜合評價適宜圖

3.2.2 植物群落

園林植物中的喬木、灌木、草本的選擇和垂直結構的構建，可以發(fā)揮較高的生態(tài)價值，同時也可形成良好的藝術效果。鑒于浙江省桐鄉(xiāng)市的氣候條件，結合園林植物光照耐受特點，可在各適宜的植物種植區(qū)域構建合理的植物群落（圖5和、表2）。

植物群落配置方案1、方案2、方案3和方案4中（圖5和、表2），該植物群落上層喬木較喜光照直射，中層灌木喜陰濕涼爽，地被植物既能接受陽光直射（大吳風草除外），又有很好的耐陰性。在立地選擇上，可在各建筑東側、南側或西側種植。在光照評價圖中可選擇“強陽性”、“喜陽”植物種植區(qū)，上層喬木宜群植、叢植，以達到對中層灌木的遮陰效果?！爸行浴敝参锓N植區(qū)具有最大的面積比例，在植物選擇和群落構建上相對靈活?？蛇x擇方案5作為植物群落，但需注意群落上層桂花的光照，選擇光照時數(shù)以超過6小時的立地條件為宜，否則將造成桂花開花量的下降。“耐陰”和“喜陰”植物種植區(qū)，可選擇方案7和方案8，上、中、下層植物均耐陰或喜陰，可較好的適應光照時數(shù)和強度不佳的區(qū)域。種植方式上，喬木層以孤植、列植為主，灌木層以孤植、組團，地被層可大面積成片種植以形成開闊景觀。

表2 植物種類選擇和配置適宜性方案

綜合分析，本研究的植物選用和配置方案是以光照條件分析為基礎，以適宜性評價為原則的優(yōu)選方案。實踐中，還應結合園林小品及其它景觀要素，體現(xiàn)風景園林師的設計思想，在保障植物正常生長的前提下，發(fā)揮最佳景觀和生態(tài)功能。

4 結論和討論

4.1 光照因子分析與植物選擇

植物在城市中發(fā)揮著重要的生態(tài)、文化和美學功能，特別是近年來野生植物的選育和外來植物的引入，更加豐富了城市街道、公園、學校及居住小區(qū)的景觀。為了解各類園林植物的生態(tài)習性，大量的研究實證了各種植物的生態(tài)因子需求特征［29-32］，并最終匯編成植物學著作或手冊，為其適宜性選擇和種植提供了基礎數(shù)據(jù)。

本文依據(jù)植物對光照的這些生態(tài)需求特征，結合植物種植場地的光照條件，針對性地選擇植物類型和配置方式。研究結果發(fā)現(xiàn)，建筑物對光照條件影響較大，造成了強陽性或喜陽植物種植區(qū)域受限。耐陰或喜陰的常綠植物具有較廣的種植區(qū)域，但是這些植物的過度應用，在一定程度上，又會造成物種多樣性和景觀多樣性的降低。同時，建筑采光也會受到一定的影響。

較早時期，有研究曾對自然植物群落中光照強度進行測定，分析不同光照強度對植物生長和開花的影響［29，31］。城市化的發(fā)展使植物的立地條件發(fā)生了改變，如高層建筑對光照條件的影響。針對這一問題，也有學者探討建筑物對光照時數(shù)的影響，并根據(jù)不同建筑區(qū)位的光照條件，選擇合適的園林植物［20］?？傊?，前期的研究已經開始重視植物的光照需求，并在定量分析上進行了一定的探索。

與已有的研究相比，本研究建立了具有植物光照需求屬性的數(shù)據(jù)庫，結合GIS技術對光照條件進行分析和評價，從而可以方便的選擇植物種類和配置方式。另外，該方法在定量分析、評價和應用實踐上，也更具有優(yōu)勢。

4.2 光照條件評價模型在植物配置中的應用

光照評價模型結合計算機軟件，為不同尺度的光照模擬和應用提供了便利?；跀?shù)字軟件的光照分析，常用于太陽能利用、建筑采光和土地生產潛力評估等領域。在太陽能量的分析上，GIS技術可以根據(jù)地理緯度、地形以及相關設定的參數(shù)，計算單位面積上不同時間區(qū)間積累的能量。光照時數(shù)和光照強度是光照條件的主要特征，本研究采用AHP方法結合專家賦權重，使用線性加權的光照綜合評價模型。在后續(xù)的工作中，將探討微分模型在光照模擬中的應用，針對性的解決因不同植物具有不同的生長周期，從而產生對光照需求的差異性問題。

光照條件的優(yōu)劣對園林植物的選擇影響較大，但是，目前還未有針對這一研究的評價模型出現(xiàn)。從植物對光照的生理需求角度講，光照強度分析可以指引不同光照補償點的植物選擇和配置。而光照時數(shù)的分析則可以指引不同開花習性的植物選擇和配置。因此，為了綜合評價光照條件，本研究根據(jù)光照強度和光照時數(shù)的分析結果，將二者通過評價權重疊加，生成光照綜合評價適宜圖，用于指導園林植物的種類選擇和配置。

總之，光照評價模型可結合數(shù)字軟件對不同尺度、地域和高度進行模擬，并將模擬結果用于植物設計或施工設計。由于植物具有生命力，且樹冠形態(tài)也相差很大，目前數(shù)字模擬方法較難模擬上層喬木對下層植物受光的影響。

4.3 光照與植物配置的關系

在園林植物應用中，植物設計師根據(jù)長期的實踐經驗，在植物選擇和配置工作中，較好的關注了植物的生態(tài)習性。如：根據(jù)植物的適宜氣候、區(qū)域、土壤、水肥條件等因素，選擇較適合的植物。在建成區(qū)進行植物規(guī)劃時，設計師也會根據(jù)建筑方位的差異，選擇光照需求不同的植物。一般情況下，選擇耐陰性較強的植物，其適應較強，植物的生長很少受到影響。而對陽性植物選擇和配置時，應更多考慮種植區(qū)域的光照條件，若配置不當將造成植物的生長不良。然而，因建筑物高度、形態(tài)和布局的多樣性，以及人類感知能力的限制，設計師很難定量的判斷光照的優(yōu)良程度。

數(shù)字模擬方法，可以準確分析植物種植區(qū)的光照分布格局。強陽性植物，根據(jù)模擬結果，種植在直射輻射較強的區(qū)域較為合適。喜光但又忌陽光直射的植物，可以配置在散射輻射較充足的區(qū)域。光照條件較差的區(qū)域，選擇耐陰或喜陰植物較為合適。群落構建上，也可根據(jù)光照條件進行合理的搭配。例如：光照條件較好的區(qū)域，可供選擇的植物種類較豐富，層次構建上也較為自由。光照不良區(qū)域，僅能在耐陰或喜陰植物中選取，群落構建上也受到一定限制。

對于中緯度或高緯度地區(qū)，由于太陽高度角的變化導致一年中有較大的光照時數(shù)差異。因此，對光照時數(shù)敏感的開花植物，在種植區(qū)域上也需要特別關注。長日照植物，種植在春季至夏季的光照時數(shù)超過12個小時的區(qū)域為佳，這些區(qū)域光照條件豐富，有利于植物的生長和開花。短日照植物的種植范圍較廣，但同樣需要光照充足的種植區(qū)域，以滿足光合產物的積累。不過，對光周期敏感的植物多數(shù)為草本，大部分木本植物或不以觀花為主的植物則不受光照時數(shù)的影響。

在今后的研究中，將加入地形要素對光照條件的影響分析，以及不同模擬高度之間光照環(huán)境的差異。同時，結合植物數(shù)據(jù)庫、光照評價模型、邏輯檢索、智能算法等技術，探討植物選擇的自動匹配方法，最終形成植物選擇和配置的決策支持系統(tǒng)。

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Landscape plant selection and configuration based on light factor analysis using GIS
A Case Study of A Residential District in Tongxiang City， Zhejiang Province， China

WEI He-yi HUANG Zheng-dong YANG He-ping

Light is a key ecological factor for plant growth， development， reproduction and plant community stability. With reference to the light requirement standard of landscape plants， the paper explores fine landscape plant arrangement method through sunshine simulation and quantitative analysis in geography information system （GIS）. A case study has been carried out in a residential area in Tongxiang city， Zhejiang province. Results show that GIS-based sunshine simulation method can improve landscape plant selection and configuration.

Landscape Plants； Planting design； Light Factor； GIS；

TU986

A

1673-1530（2015）06-0060-07

10.14085/j.fjyl.2015.06.0060.07

2014-09-21

魏合義/1982年生/男/河南人/武漢大學城市設計學院博士生/研究方向：數(shù)字景觀規(guī)劃（武漢 430072）

黃正東/1968年生/男/湖北人/武漢大學城市設計學院教授/博士生導師（武漢 430072）

楊和平/1983年生/男/湖北人/深圳市北林苑景觀及建筑規(guī)劃設計院規(guī)劃師/研究方向：城鄉(xiāng)規(guī)劃與景觀生態(tài)（深圳518045）