基于數(shù)碼影像的林木景觀美學(xué)價值評價

汪光勝 儲雪梅 梁勤 邢菊 王琪

摘要為了豐富林木景觀評價方法，促進(jìn)林木景觀評價研究，通過對瑯琊山森林景觀的研究，提出了一種基于數(shù)碼影像的林木景觀美學(xué)價值評價的方法。按照數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、計算評價的研究思路進(jìn)行了方法論述，提出采用評分轉(zhuǎn)換法消除評價指標(biāo)正、負(fù)向作用和單位差異，采用層次分析法構(gòu)建評價指標(biāo)的權(quán)重體系，建立評價模型，并針對評分轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)中可能出現(xiàn)的3種情況進(jìn)行了探討。該方法具有一定的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞景觀評價；數(shù)碼影像 ；林木景觀；瑯琊山

中圖分類號S731.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼

A文章編號0517-6611（2017）12-0157-03

AbstractIn order to enrich forest landscape evaluation methods and promote the research of forest landscape evaluation，based on the study of forest landscape in Langya Mountain，a method based on digital image was proposed to evaluate the aesthetic value of forest landscape.The feasibility of this method was expounded by data acquisition，data processing and evaluation of calculation in sequence，and then grades converting method was put forward to eliminate both the positive and the negative effects as well as unit difference in evaluation indexes.Analytic Hierarchy Process （AHP） was used to construct the evaluation index system and to establish assessment model.In addition，three conditions that may appear in grades converting were discussed.The method was applied to the Langya Mountain National Forest Park and the feasibility of the method was validated.

Key wordsLandscape evaluation；Digital image；Forest landscape；Langya Mountain

林木景觀作為森林景觀的主體部分，在森林景觀中占有重要地位。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對森林景觀關(guān)注度日益提升。國內(nèi)外學(xué)者在森林景觀方面進(jìn)行了大量研究，其中就研究方法而言，國外研究較多，形成了四大學(xué)派[1]，并逐漸發(fā)展出了3種主要研究方法[2-4]。國內(nèi)學(xué)者多在國外四大學(xué)派研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的研究，取得了豐富的成果[5-7]，也有部分學(xué)者進(jìn)行了方法創(chuàng)新[8-9]，豐富了森林景觀的研究方法。在具體的研究方法上，除了四大學(xué)派的研究方法外，近些年，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用計算機(jī)建立景觀模型進(jìn)行可視化的方法在森林景觀研究中得以應(yīng)用[10]，但是這種現(xiàn)實(shí)景觀模擬的方法目前還不夠成熟，存在諸多問題[10-11]。傳統(tǒng)的研究方法多是現(xiàn)場評價、放映照片等，參與者較多，耗時費(fèi)力[12]。如今，各種數(shù)碼攝影產(chǎn)品低價易操作，而且圖像編輯技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。因此，筆者在考慮各種方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，基于對滁州市瑯琊山林木景觀的研究，提出了一種基于數(shù)碼影像的林木景觀美學(xué)價值評價的研究方法，以期為更加科學(xué)簡便地評價林木景觀提供新思路。

1研究區(qū)概況

瑯琊山國家森林公園位于安徽省滁州市東南部琊山區(qū)，是國家4A級風(fēng)景名勝區(qū)?，樼鹕綖橥顤|第一名山，安徽省五大風(fēng)景區(qū)之一?，樼鹕缴置娣e約為240 km2，最高峰海拔317 m?，樼鹕教幱趤啛釒Ш团瘻貛У倪^渡區(qū)，季風(fēng)氣候明顯，山林間氣候溫和，降雨充沛，四季分明，無霜期長，氣候條件良好，適宜于林木生長，現(xiàn)有各類植物150多科，其中喬灌木60科左右。另外還有瑯琊榆、醉翁榆等特有的珍貴樹種，景區(qū)林地植被為天然次生林和人工林、針葉林和闊葉林相互交錯呈塊狀、帶狀混交體系。混交的樹種繁多，各具特色，有很高的觀賞和科研價值。

2基于數(shù)碼影像的評價方法

2.1數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

2.1.1數(shù)據(jù)獲取。基于數(shù)碼影像評價林木景觀，其數(shù)據(jù)獲取應(yīng)采用數(shù)碼產(chǎn)品拍攝的方式，主要是使用數(shù)碼相機(jī)。但是數(shù)碼產(chǎn)品拍攝的影像易受自然環(huán)境和人為因素影響，為保證影像數(shù)據(jù)的可比性，應(yīng)考慮各種影響因素。為了能夠提供較好的數(shù)據(jù)獲取方案，在林木研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，咨詢攝影及林木等相關(guān)專業(yè)的專家，對各種影響因素進(jìn)行了分析，并給出相關(guān)解決方案（表1）。

2.1.2數(shù)據(jù)預(yù)處理。逐一檢查每幅影像，對效果較差的影像進(jìn)行重拍或更換樣區(qū)。使用專業(yè)修圖軟件，對影像中多余的數(shù)據(jù)進(jìn)行清除。對處理后的影像按照拍攝的順序進(jìn)行重新編號，保存為常用的圖片格式（JPG、PNG等），按樣區(qū)編號保存在不同的文件夾中。目前，國內(nèi)使用較好的修圖軟件是Photoshop軟件，主要是對影像中目標(biāo)物以外的背景物進(jìn)行清理。

2.2構(gòu)建評價模型

2.2.1評價因子選取。

林木景觀美學(xué)評價是籠統(tǒng)復(fù)雜的概念，需要將其具體化、簡單化，因而需要選取具體的評價因子和評價指標(biāo)，通過建立一個層次結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)評價的目的。在國內(nèi)學(xué)者的研究中，評價指標(biāo)的選擇主要是進(jìn)行問卷調(diào)查[13]和咨詢專家[7]，再結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行確定。問卷調(diào)查的對象主要是游客、學(xué)生，對林木景觀的認(rèn)識多從主觀印象出發(fā)，與林木景觀美學(xué)評價的目標(biāo)相契合，在林木景觀美學(xué)價值評價中較為實(shí)用。專家意見多從專業(yè)經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，但不同研究方向的專家之間的評判結(jié)果存在較大差異。不同地區(qū)，由于其條件的差異，林木景觀差異也較大，因而根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行評價指標(biāo)調(diào)整是必要的輔助措施。

2.2.2評分轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)。

由于不同指標(biāo)之間存在正、負(fù)向作用和單位上的差異，無法進(jìn)行統(tǒng)一評價，因此需要使用某種方法對評價因子進(jìn)行處理，使評判結(jié)果能夠進(jìn)行運(yùn)算使用。該研究提出采用較為簡單的評分轉(zhuǎn)換的方法，將不同單位的評價結(jié)果轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的評分評價體系中，按百分制進(jìn)行評分計算。但是，在具體指標(biāo)評價結(jié)果轉(zhuǎn)換時會出現(xiàn)最佳值確定問題，也就是每個指標(biāo)一百分確定問題，所以在建立評分轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)之前，需要對最佳值進(jìn)行判定，而前人的研究并沒有直接討論過這個問題。因此，筆者對可能存在的3種情況進(jìn)行了探討，為以后的研究提供借鑒。

（1）評判指標(biāo)以比值形式計算，計算結(jié)果在0～1，且其美景度與比值呈線性相關(guān)時，按下列公式計算。

正向作用指標(biāo)：

式中，X′i為轉(zhuǎn)換后的評分，Xi為評價指標(biāo)原始計算值。

（2）不以比值形式出現(xiàn)，但可以簡單判斷時，直接賦予評分值，進(jìn)行評分轉(zhuǎn)換，例如整體林木評價中的層次豐富度因子和層次組合指標(biāo)，根據(jù)喬木、灌木、草被的組合情況結(jié)合專家意見直接給定評分轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)。

（3）無法簡單判斷時，筆者提出采取對各個因子進(jìn)行測試的方法尋找各指標(biāo)最佳值，具體方法如下：提取某一指標(biāo)，按一定變化順序（遞減或遞增）逐步改變指標(biāo)的自變量，直到指標(biāo)因變量達(dá)到最大（正向作用指標(biāo)）或是最小（負(fù)向作用指標(biāo)）時，即可得到最佳值。然后根據(jù)指標(biāo)值變化情況計算或直接確定評分標(biāo)準(zhǔn)。

通過評分轉(zhuǎn)換，將定性指標(biāo)也轉(zhuǎn)換為定量指標(biāo)，與定量指標(biāo)相結(jié)合，從而做到對林木景觀美學(xué)價值的定量評價。

2.2.3權(quán)重系數(shù)。

該研究的定量綜合評價中，評價指標(biāo)較多，對指標(biāo)權(quán)重的確定就十分必要。目前，地理學(xué)研究中，應(yīng)用于簡化評分標(biāo)準(zhǔn)、確定指標(biāo)權(quán)重的方法較多，該研究以層次分析法為例進(jìn)行探討。

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）將復(fù)雜問題分解為多個因素，是多因素定量綜合評價中使用較為普遍、有效的方法。運(yùn)用層次分析法構(gòu)建一個3層次結(jié)構(gòu)的評價指標(biāo)體系，即A目標(biāo)層（林木景觀美學(xué)價值）、B準(zhǔn)則層、C因子層，構(gòu)造判斷矩陣。根據(jù)判斷矩陣，求出其最大特征根所對應(yīng)的特征向量W，得到權(quán)重分配，為確定得到的權(quán)重分配是否合理，需要對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，最終得到各層次指標(biāo)的權(quán)重值[14]。

2.2.4美學(xué)價值模型。基于處理好的數(shù)碼影像，結(jié)合部分實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，對各個指標(biāo)進(jìn)行評判，由指標(biāo)評分結(jié)果和權(quán)重系數(shù)計算林木景觀的美學(xué)價值。采用逐層遞進(jìn)的計算方法，由因子層計算準(zhǔn)則層，再計算得到目標(biāo)層評分結(jié)果，具體計算過程見公式（3）（4）。

式中，s為因子的個數(shù)，t為準(zhǔn)則的個數(shù)，Bq表示第q（q=1，2，…，t）個準(zhǔn)則的得分值，Cm表示第m（m=1，2，…，s）個因子的得分，cm表示第m個因子的權(quán)重，bq表示第q個準(zhǔn)則的權(quán)重，Z表示最終得分值。將公式（3）（4）結(jié)合，即得到林木景觀美學(xué)價值評價的評價模型。

將原始得分?jǐn)?shù)據(jù)代入林木景觀美學(xué)價值評價模型中，即可計算各樣點(diǎn)林木景觀美學(xué)價值的最終得分值，為進(jìn)一步研究林木景觀相關(guān)問題提供定量參考。

3瑯琊山森林景觀評價

基于數(shù)碼影像的林木景觀評價方法進(jìn)行景觀價值評價，考慮表1中的影響因素，實(shí)地獲取60處整體林木景觀的數(shù)碼影像，其中40處數(shù)據(jù)用于模型構(gòu)建，20處用于模型驗(yàn)證。通過閱讀文獻(xiàn)及問卷調(diào)查等方法確定整體林木景觀評價指標(biāo)并進(jìn)行修正，得評價指標(biāo)及評分轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)（表2）。通過問卷調(diào)查（實(shí)際問卷數(shù)為374份，主要調(diào)查對象為在校本科生及瑯琊山游客），并使用層次分析軟件yaahp進(jìn)行權(quán)重確定。其中方案層以假設(shè)同樣重要的P、Q代替，具體權(quán)重見表2，進(jìn)而構(gòu)建了林木景觀美學(xué)價值評價模型，模型公式見公式（5）。

式中，Z為景觀評價得分值，cij表示對應(yīng)因子的評分轉(zhuǎn)換得分值。

將20處驗(yàn)證數(shù)據(jù)的評分轉(zhuǎn)換結(jié)果代入模型公式中，得出預(yù)估美景度值。將20幅數(shù)碼影像編號，隨機(jī)請瑯琊山游客及在校師生采用百分制評分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行美景度評價，將各幅數(shù)碼影像的評分結(jié)果取平均值，得到20幅數(shù)碼影像數(shù)據(jù)對應(yīng)的真實(shí)美景度值。使用SPSS 19.0軟件將預(yù)估美景度值和實(shí)際美景度值進(jìn)行回歸分析，相關(guān)性系數(shù)為R=0.779，且通過了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)。圖1為真實(shí)值與預(yù)測值的散點(diǎn)圖。

由圖1可知，該景觀評價模型得到的預(yù)測值與人們評價的真實(shí)值之間存在明顯的正向相關(guān)性，但預(yù)測值整體上大于真實(shí)值，有一部分值存在較大的偏差，差值最大的達(dá)到了15.41。其偏差的主要原因可能有如下2個方面：①模型構(gòu)建過程中存在一定的不完善的地方，特別是因子選擇與權(quán)重選擇上存在較大的主觀性；②由于個體在審美上的差異，對同一景觀的評價可能會出現(xiàn)較大差異，導(dǎo)致最終評價值偏移。

4研究總結(jié)與展望

4.1研究總結(jié)

研究提出的基于數(shù)碼影像的林木景觀美學(xué)價值評價的方法，在原有的關(guān)于林木景觀評價方法的基礎(chǔ)上，著重突出數(shù)碼影像的優(yōu)勢特點(diǎn)，結(jié)合定量與定性的評價方法進(jìn)行景觀評價，并以瑯琊山國家森林公園為例進(jìn)行了景觀評價，相關(guān)性系數(shù)為0.779，且通過了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)，說明該方法具有實(shí)用性。

4.2研究展望

研究提出林木景觀評價方法，雖然較傳統(tǒng)研究方法節(jié)省了人力和時間，但是也無法完全脫離實(shí)地調(diào)查，并且在實(shí)際研究過程中仍然存在大量不確定因素和難以克服的問題，特別是評分轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)建立中無法簡單判斷因子最佳值時，最佳值尋找可能會耗費(fèi)較多精力，增加研究成本，或者不存在確定的最佳值。因此，進(jìn)一步解決評分轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)問題、研究模型相關(guān)誤差、驗(yàn)證本研究方法科學(xué)性、適用性將是下一步研究的重點(diǎn)。

在實(shí)際的研究過程中也發(fā)現(xiàn)，由于自然森林內(nèi)部的復(fù)雜性，基于數(shù)碼影像對個體林木的評價較難實(shí)現(xiàn)，宜從整體角度進(jìn)行評價，而人工林或半人工林的林木組成較為單一，可以很好地對個體林木進(jìn)行評價，為林木建設(shè)提供科學(xué)決策的依據(jù)。因此，將在后續(xù)研究中將該方法應(yīng)用到個體林木景觀價值評價中。

目前計算機(jī)使用普遍，各種軟件開發(fā)技術(shù)也較為成熟，而且數(shù)碼影像便于在計算機(jī)中處理，因此結(jié)合林木景觀評價方法，開發(fā)專門的林木景觀評價軟件，充分發(fā)揮計算機(jī)的客觀、快速的優(yōu)勢，實(shí)行人機(jī)交互的方式評價林木景觀價值，也是一個值得研究的方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 翟明普，張榮，閻海平.風(fēng)景評價在風(fēng)景林建設(shè)中應(yīng)用研究進(jìn)展[J].世界林業(yè)研究，2003，16（6）：16-19.

[2] BUHYOFF G J，LEUSCHNER W A，ARNDT L K.Replication of a scenic preference function[J].Forest science，1980，26（2）：227-230.

[3] DANIEL T C.Whither scenic beauty？ Visual landscape quality assessment in the 21th century[J].Landscape and urban planning，2001，54（1）：267-281.

[4] RODIEK S D，F(xiàn)RIED J T.Access to the outdoors：Using photographic comparison to assess preferences of assisted living residents[J].Landscape and urban planning，2005，73（2/3）：184-199.

[5] 楊鑫霞，亢新剛，杜志，等.基于SBE法的長白山森林景觀美學(xué)評價[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，40（6）：86-90，98.

[6] 毛斌，徐程揚(yáng)，陳瑜，等.AHP法在風(fēng)景林林內(nèi)景觀質(zhì)量評價中的應(yīng)用[J].西北林學(xué)院學(xué)報，2014，29（3）：204-209.

[7] 董冬，何云核，周志翔.基于AHP和FSE的九華山風(fēng)景區(qū)古樹名木景觀價值評價[J].長江流域資源與環(huán)境，2010，19（9）：1003-1009.

[8] 胡欣欣，王李進(jìn)，陳平留.基于投影尋蹤模型的森林景觀評價[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，31（2）：306-310.

[9] 陳秋華.森林旅游資源P-R評價法的研究[J].福建林學(xué)院學(xué)報，2003，23（1）：57-60.

[10] 奚為民，戴爾阜，賀紅士.森林景觀模型研究新進(jìn)展及其應(yīng)用[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2016，35（1）：35-46.

[11] PERRY G L W，ENRIGHT N J.Spatial modelling of vegetation change in dynamic landscapes：A review of methods and applications[J].Progress in physical geography，2006，30（1）：47-72.

[12] 王超，翟明普，金瑩杉，等.森林景觀質(zhì)量評價研究現(xiàn)狀及趨勢[J].世界林業(yè)研究，2006，19（6）：18-22.

[13] 夏蓮.AHP法在莽山森林公園林內(nèi)景觀質(zhì)量評價中的應(yīng)用[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，46（1）：86-90.

[14] 常建娥，蔣太立.層次分析法確定權(quán)重的研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報（信息與管理工程版），2007，29（1）：153-156.