UP-DSS：一種基于日照適應(yīng)性的景觀植物選擇與群落配置決策支持系統(tǒng)

魏合義，黃正東，劉學(xué)軍

（1.江西師范大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院；地理設(shè)計(jì)研究中心，江西 南昌 330022；2.深圳大學(xué) 智慧城市研究院，廣東 深圳 518060；3.武漢大學(xué) 城市設(shè)計(jì)學(xué)院，湖北 武漢 430070）

決策支持系統(tǒng)（decision support system，DSS）是基于計(jì)算機(jī)的信息系統(tǒng)，DSS 能夠讓非計(jì)算機(jī)專業(yè)的使用者快速適應(yīng)操作環(huán)境，由此體現(xiàn)出該工具的靈活性和較強(qiáng)的用戶適應(yīng)能力［1］。設(shè)計(jì)合理的DSS是一個(gè)可以互動(dòng)的數(shù)字軟件系統(tǒng)，通過原始的數(shù)據(jù)或?qū)＜抑R(shí)的檢索、匯編，幫助使用者識(shí)別問題并作出決策。隨著時(shí)代的發(fā)展，DSS 的概念和應(yīng)用領(lǐng)域也隨之改變［2］。DSS 針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域具有不同的特點(diǎn)，一般具有3 個(gè)基本組成部分，分別為：數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS）、基于模型的管理系統(tǒng)（MBMS）以及對(duì)話生成與管理系統(tǒng)（DGMS）［3］。DBMS 為DSS 提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，可使用戶與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和處理過程分開。MBMS 主要為DSS 提供集體模型，將數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一定規(guī)則的信息用于決策過程。不過，DSS 組成也可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行一定的調(diào)整。

由于DSS 在解決復(fù)雜問題時(shí)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于農(nóng)林、城鎮(zhèn)及景觀規(guī)劃管理等領(lǐng)域。在生態(tài)學(xué)和生物多樣性保護(hù)領(lǐng)域的大尺度研究中，SAURA 等［4］引入CS22 軟件系統(tǒng)（Conefor Sensinode 2.2），該系統(tǒng)可以量化生境斑塊的重要性，用于景觀連通性的維護(hù)與改善，是景觀規(guī)劃和生境保護(hù)工作的一個(gè)有效工具。在城市樹木管理與生態(tài)效益評(píng)價(jià)應(yīng)用上，BRACK［5］使用DSS 量化了澳大利亞堪培拉市樹木的生態(tài)功能，研究結(jié)果顯示，5年內(nèi)在綠色節(jié)能、污染防治以及碳匯功能等方面的經(jīng)濟(jì)價(jià)值預(yù)計(jì)能夠達(dá)到2.0 ～6.7 千萬(wàn)美元。

在景觀規(guī)劃領(lǐng)域，景觀尺度不同對(duì)決策者的要求也不盡相同，研究尺度越大，實(shí)踐中對(duì)科學(xué)方法與技術(shù)手段的需求也越強(qiáng)［6-7］。但是目前決策支持系統(tǒng)在城市植物選擇與管理領(lǐng)域中的應(yīng)用并不深入。KIRNBAUER 等［8］介紹了一種原型DSS，并認(rèn)為是DSS 首次應(yīng)用于城市樹木管理。該平臺(tái)是一個(gè)相對(duì)直觀的DSS 系統(tǒng)，可用于改善城市樹木冠幅微環(huán)境。

城鎮(zhèn)化快速發(fā)展導(dǎo)致了城市形態(tài)要素在密度和格局上的急劇變化，并逐漸形成了多樣化的日照輻射環(huán)境。由于設(shè)計(jì)師感知能力的局限，較難實(shí)現(xiàn)植物的日照需求與環(huán)境供給的準(zhǔn)確匹配，造成了城鎮(zhèn)植物適應(yīng)性選擇、群落配置及可持續(xù)管理的困難。隨著計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展以及可持續(xù)城市園林建設(shè)與管理的需要，設(shè)計(jì)基于場(chǎng)地適應(yīng)性的城市植物選擇與管理DSS 系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)決策工作從感性向科學(xué)理性的方向轉(zhuǎn)變將成為可能。

1 系統(tǒng)需求分析

本研究為解決城市植物選擇與群落配置問題，提出一個(gè)基于日照適應(yīng)性的城鎮(zhèn)景觀植物決策支持系統(tǒng)（urban plant decision support system，UP-DSS）。該系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要考慮的是在其他生態(tài)因子相似的前提下，確保不同日照輻射環(huán)境中的植物均能正常生長(zhǎng)。其次，根據(jù)植物的應(yīng)用目的與藝術(shù)審美，系統(tǒng)應(yīng)提供植物種類或群落方案選項(xiàng)。依據(jù)現(xiàn)實(shí)問題和實(shí)際需求，本研究提出的UP-DSS系統(tǒng)應(yīng)符合以下主要特征［9］：

1）根據(jù)植物種植區(qū)域的日照輻射數(shù)值，系統(tǒng)自動(dòng)篩選適應(yīng)于該日照條件的植物種類；

2）根據(jù)植物種植區(qū)域的日照輻射數(shù)值，系統(tǒng)自動(dòng)篩選適應(yīng)的植物群落類型；

3）根據(jù)景觀植物的不同應(yīng)用目的，系統(tǒng)自動(dòng)篩選具有相應(yīng)功能的植物種類；

4）根據(jù)植物的不同觀賞價(jià)值（色、香、味），系統(tǒng)篩選出具有相應(yīng)景觀特征的植物；

5）根據(jù)用戶的輸入與檢索，系統(tǒng)應(yīng)能夠以圖片、數(shù)據(jù)表、文本、視頻等多種形式的結(jié)果輸出，為植物規(guī)劃、設(shè)計(jì)和種植實(shí)踐提供決策依據(jù)。

2 UP-DSS總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究所提出的UP-DSS 系統(tǒng)（圖1）主要由用戶界面（GUI）、模型庫(kù)管理系統(tǒng)（MBMS）、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS）以及知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng)（KBMS）組成，通過邏輯關(guān)系結(jié)合計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言將功能模塊系統(tǒng)化與集成化。其借助GIS、MS Excel、搜索引擎、MATLAB 等多種數(shù)字技術(shù)、信息技術(shù)及編程語(yǔ)言，采用數(shù)據(jù)管理、空間分析、日照模擬、模型設(shè)計(jì)、模型管理以及知識(shí)搜索等技術(shù)手段完成，能夠輔助服務(wù)于城鎮(zhèn)園林綠化與管理，可以解決多樣化日照輻射環(huán)境與城鎮(zhèn)植物選擇、群落配置等不確定性問題。

圖1 UP-DSS 的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 Overall structural design for UP-DSS

2.1 模型庫(kù)管理系統(tǒng)

UP-DSS 系統(tǒng)的MBMS 主要包括樹冠參數(shù)模型、日照輻射模型、植物群落模型和植物選擇模型，這些模型可以通過MBMS 組織，依據(jù)決策支持平臺(tái)運(yùn)行。

2.1.1 樹冠參數(shù)模型 當(dāng)日照輻射穿過復(fù)層植物群落的冠層和干叢時(shí)，輻射強(qiáng)度和日照時(shí)數(shù)將顯著降低，即喬木層（上層）對(duì)灌木層（中層）有遮陰影響，喬木層（上層）、灌木層（中層）對(duì)地被植物（下層）有遮陰影響［10］。因此，實(shí)踐中若要成功實(shí)現(xiàn)復(fù)層植物群落建設(shè)應(yīng)該考慮樹冠透光系數(shù)。樹冠透光系數(shù)（transmission coefficient，TC，簡(jiǎn)寫為T）是樹冠底層日照輻射量（underling solar radiation）與全日照輻射量（total solar radiation）之比，即

式中，Sununderling為樹冠下層日照輻射強(qiáng)度，Suntotal為全日照輻射強(qiáng)度，單位均為kWh/m2。樹冠透光系數(shù)是無量綱常數(shù)，用于表示樹冠遮蔽日照的強(qiáng)度，其大小與樹種、樹齡以及個(gè)體差異均有關(guān)系，T值介于0 與1之間變化（0 ≤T＜1）。

若要準(zhǔn)確描述不同樹冠（樹種、樹齡）之間的T值，可通過數(shù)碼相機(jī)垂直放置于樹冠之下，獲取不同樹種樹冠的圖像數(shù)據(jù)，并提取圖像T值數(shù)據(jù)，取其平均值即可實(shí)現(xiàn)。

2.1.2 日照輻射模型 景觀植物具有多樣化的生長(zhǎng)和開花習(xí)性，日照輻射模型應(yīng)描述這些差異。對(duì)于落葉景觀植物來說，植物旺盛生長(zhǎng)的春季、夏季及早秋階段對(duì)日照輻射的需求最為關(guān)鍵，而冬季的日照輻射大小對(duì)其影響較弱。常綠植物具有較長(zhǎng)的生長(zhǎng)時(shí)期，全年的日照輻射對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育均有重要影響。為此，根據(jù)景觀植物的這些生理、生態(tài)習(xí)性，結(jié)合ArcGIS日照輻射模擬特點(diǎn)，構(gòu)建了4 種日照輻射模型用于解決這些問題［11］。本研究采用“二分二至”間隔方法將全年的日期劃分為春分、秋分、夏至和冬至。

對(duì)于常綠景觀植物，采用的日照輻射模型為

對(duì)于落葉景觀植物，采用的日照輻射模型為

式中，Scon為綜合日照輻射條件（kWh），表示每天的日照輻射數(shù)值的累加值，可反映某種植地點(diǎn)受到日照輻射的總量；Asol為日照輻射面積（m2）；t為一年中某個(gè)時(shí)間點(diǎn)；Sint為日照輻射強(qiáng)度（kWh/m2）。

當(dāng)景觀植物具有開花習(xí)性，且對(duì)光周期敏感時(shí)，存在4 種情況。

1）若該植物為常綠，且開花習(xí)性為長(zhǎng)日型，當(dāng)Scon符合該植物日照輻射需求即公式（2）時(shí)，日照時(shí)數(shù)模型為

且Sdur≥12。

2）若該植物為落葉或一、二年生植物時(shí)，且開花習(xí)性為長(zhǎng)日型，應(yīng)采用日照輻射模型即公式（3），且Sdur≥12。

3）若該植物為常綠，且開花習(xí)性為短日型，應(yīng)采用日照輻射模型即公式（2），且Sdur＜12。

4）若該植物為落葉或一、二年生植物時(shí)，且開花習(xí)性為短日型，應(yīng)采用日照輻射模型即公式（3），且Sdur＜12 。

以上日照輻射模型概括了所有城鎮(zhèn)景觀植物類型。當(dāng)植物是特殊植物類型，并具有特殊的生理習(xí)性時(shí)，應(yīng)綜合考慮日照輻射模型的適用性，并在模型庫(kù)中選擇合適的模型應(yīng)用于實(shí)踐。

2.1.3 植物群落模型 自然界未受干擾（自然因素或人為因素）的植物群落呈現(xiàn)一定的分布規(guī)律，在群落演替上也有章可循。根據(jù)自然群落演替理論以及植物日照需求特性，本文研究了不同日照輻射等級(jí)下的植物群落類型，并以華中地區(qū)常用植物種類作為物種組成。日照輻射（Y）從Ⅰ至Ⅴ劃分為5 個(gè)輻射等級(jí)，對(duì)應(yīng)植物群落（X）類型從SL_1_1 至SdL_2_10 共計(jì)100 種預(yù)置群落類型，植物群落隨日照輻射等級(jí)變化的映射（f）（Mapping）可表示為以下關(guān)系：

2.1.4 植物選擇模型 植物種類的信息檢索（IR）采用布爾模型（Boolean Model）［11］。布爾模型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、形式簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)，將布爾表達(dá)的方式與數(shù)據(jù)屬性相匹配，若匹配成功則顯示為“1”，不匹配則顯示為“0”。布爾檢索的主要檢索算法有“and”“or”“exclusive or”以及“not”。

通過檢索邏輯，可以將景觀植物按照應(yīng)用需求設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)屬性。將數(shù)據(jù)屬性的結(jié)構(gòu)設(shè)置與檢索形式相匹配，最后形成預(yù)置模型儲(chǔ)存。依據(jù)日照輻射是景觀植物的基礎(chǔ)限制條件，并結(jié)合實(shí)踐中植物發(fā)揮的生態(tài)功能和景觀功能，將數(shù)據(jù)庫(kù)中的植物屬性分為17 類，分別涵蓋了物種名稱、植物類型、觀賞特點(diǎn)、形態(tài)特征、生態(tài)作用、日照需求習(xí)性、開花和結(jié)實(shí)特征等，具體見表1。

不同綠化場(chǎng)地對(duì)景觀植物類型的需求不同，模塊化設(shè)計(jì)將提高工作效率。為實(shí)現(xiàn)此目的，本系統(tǒng)預(yù)設(shè)了相關(guān)植物選擇模型，針對(duì)性地用于普通場(chǎng)地綠化、多層植物結(jié)構(gòu)場(chǎng)地綠化、具有建筑及地形區(qū)域綠化、游憩休閑區(qū)綠化、街道及工廠污染區(qū)域綠化、居住區(qū)綠化以及鳥類與其他生物多樣性保護(hù)區(qū)綠化七大類常見綠地類型。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS）中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包含建筑、道路、水體、地形以及植物信息數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)類型上劃分，既包括圖形數(shù)據(jù)也涉及到屬性數(shù)據(jù)?？紤]到本研究需要使用建筑、地形等矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)模擬與分析，且相關(guān)數(shù)據(jù)還需要一定的格式轉(zhuǎn)化。根據(jù)這些現(xiàn)實(shí)需求，選擇基于GIS 平臺(tái)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)結(jié)合Excel數(shù)據(jù)表，實(shí)現(xiàn)了較為高效的數(shù)據(jù)讀取、編輯、更新和管理等操作（圖2）。

表1 景觀植物數(shù)據(jù)的主要檢索屬性Tab.1 Primary retrieval attributes of landscape plant data

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS）結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of Database Management Sytem（DBMS）

2.3 知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng)

本研究中KBMS 有兩個(gè)亞系統(tǒng)，分別為知識(shí)庫(kù)（Knowledge Base）和推理引擎（Inference Engine）。知識(shí)庫(kù)以本體的形式描述客觀世界，推論引擎是描述客觀世界的邏輯判斷和條件，常以IF-THEN 的規(guī)則表示（圖3）。

圖3 KBMS 的組成和工作路徑Fig.3 Composition and working route of Knowledge Base Management System（KBMS）

3 UP-DSS的GUI設(shè)計(jì)

本研究主要采用MATLAB程序，設(shè)計(jì)了UP-DSS決策支持系統(tǒng)的圖形用戶界面（graphical user interface，GUI），見圖4。

圖4 UP-DSS 的圖形用戶界面Fig.4 Graphical user interface of UP-DSS

3.1 GUI的總體組成

該系統(tǒng)主要服務(wù)于景觀規(guī)劃領(lǐng)域中的植物選擇與群落配置實(shí)踐。因此，在GUI 設(shè)計(jì)中主要考慮了景觀設(shè)計(jì)師選擇植物的特點(diǎn)和方法，設(shè)置了生態(tài)功能（Eco-functions）、植物類型（Plant Types）、觀賞特征（Landscape Features）3 大類，共計(jì)16 種選項(xiàng)。設(shè)計(jì)師可根據(jù)實(shí)際需要篩選合適的植物類型和種類。

日照條件（Sunshine Conditions）面板框中，主要設(shè)計(jì)了日照強(qiáng)度（Sunshine Intensity）、日照時(shí)數(shù)（Sunshine Duration）、綜合日照輻射（Comprehensive Solar Radiation-3D）等輸入或顯示功能窗口，可載入日照輻射模擬數(shù)據(jù)，通過“放大”或“縮小”工具，查看植物種植區(qū)域日照輻射狀況。在綜合日照輻射框中，也可以凸顯日照輻射的3D 特征。

依據(jù)設(shè)計(jì)師的使用習(xí)慣，本系統(tǒng)的GUI 主要功能按鈕設(shè)置了輸入（Input）、運(yùn)行（Running）、日照輻射結(jié)果（Result 1）、植物種類和類型檢索結(jié)果（Result 2）、關(guān)閉（Close）以及幫助（Help）6 種常用按鈕。

3.2 GUI的控件設(shè)計(jì)及其屬性

在MATLAB 環(huán)境中通過選擇或拖拽方式生成控件，并設(shè)置相關(guān)控件屬性。本系統(tǒng)的GUI 控件主要包含 10 個(gè)按鈕、16 個(gè)復(fù)選框、2 個(gè)軸、14 個(gè)靜態(tài)文本、3 個(gè)按鈕組、5 個(gè)框、2 個(gè)表，共計(jì)控件 52 個(gè)。

通過雙擊或右鍵控件，設(shè)置各個(gè)控件的屬性，主要設(shè)置背景顏色（Background Color）、字體型號(hào)（Font Size）、藝術(shù)效果（Font Angle/Font Weight）及控件名稱（String）等屬性。該控件可根據(jù)實(shí)踐需求進(jìn)行增減調(diào)整。

3.3 GUI的工具欄設(shè)計(jì)

通過選擇“工具欄編輯器”，設(shè)置了打開（Open）、新建（New）、打?。≒rint）、保存（Save）、放大（Zoom In）、縮?。╖oom Out）、平移（Pan）、數(shù)據(jù)游標(biāo)（Data Cursor）、顏色欄（Color Bar）、圖例（Legend）及切換工具（Toggle Tool）等。

3.4 GUI的執(zhí)行代碼實(shí)現(xiàn)

在MATLAB 環(huán)境中，選擇控件的回調(diào)函數(shù)（Callback）進(jìn)行相關(guān)代碼設(shè)計(jì)。在保存和運(yùn)行圖形時(shí)，可以自動(dòng)生成GUI 的初始代碼，根據(jù)控件的實(shí)際需求輸入相關(guān)函數(shù)代碼及執(zhí)行代碼，最終生成“.m 文件”和“.fig 文件”。

3.5 GUI的可執(zhí)行文件實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行的“.m 文件”和“.fig 文件”，可以將二者打包生成獨(dú)立的可執(zhí)行文件（.exe）。本系統(tǒng)通過安裝編譯器（MATLAB Complier）的方式生成可執(zhí)行文件。另外，也可以通過將MATLAB 生成的代碼文件轉(zhuǎn)化為C++程序，通過編譯的方式生成可執(zhí)行文件。在實(shí)踐中可以安裝該程序以及所需支持的語(yǔ)言，通過讀取日照模擬數(shù)據(jù)方便檢索適應(yīng)的植物類型和群落類型。

4 結(jié)語(yǔ)

多樣化的城鎮(zhèn)日照輻射環(huán)境，增加了植物選擇與群落配置工作的困難。筆者在綜合分析決策支持系統(tǒng)相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)城鎮(zhèn)植物選擇與群落配置工作的需求，設(shè)計(jì)了UP-DSS 決策支持系統(tǒng)的框架，詳細(xì)分析了該系統(tǒng)的模型庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)等分支管理系統(tǒng)，用戶可以通過該系統(tǒng)GUI 界面的互動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)更加科學(xué)、高效的植物種類選擇與群落配置。目前，該工具需結(jié)合日照分析技術(shù)使用，后期的研究將探索獨(dú)立運(yùn)行的桌面系統(tǒng)和移動(dòng)APP，以利于該系統(tǒng)的商業(yè)化推廣與應(yīng)用。