基于無人機影像的四川米亞羅景區(qū)彩葉景觀林色彩特征變化

張小晶 李巧玉 陳娟 劉錦春 陶建平

摘要：色彩是植物配置和景觀呈現(xiàn)的重要方面。文章通過無人機對四川米亞羅景區(qū)內(nèi)12個彩葉景觀林進行跟蹤拍攝，并量化圖像色彩，以定性和定量相結(jié)合的方法研究其色彩屬性現(xiàn)狀及變化特征。結(jié)果表明：米亞羅彩葉景觀林的色彩季相變化明顯，色彩飽和度和明度集中在中間等級。春夏季為非彩色期，主色調(diào)以綠色為主;秋季為彩色期，綠色與紅橙黃三色構(gòu)成對比色，能夠營造出強烈的視覺效應。純林和混交林在變色初期以綠色為主，色彩空間格局尚未形成，隨著一些落葉樹種的葉色變紅變黃，色彩組成以及色彩空間格局方面的差異逐漸被體現(xiàn)出來，在變色盛期純林和混交林色彩特征差異最明顯。彩葉景觀林的最佳觀賞期在10月中旬，前后持續(xù)20 d，游客在此期間出行可以觀賞到葉色豐富、層次明顯的景觀。研究可為彩葉景觀林配置等提供一些理論參考。

關(guān)鍵詞：色彩量化，色彩組成，色彩空間格局，最佳觀賞期，米亞羅彩葉景觀林

DOI： 10.12169/zgcsly.2020.02.28.0002

Abstract：?Color is an important aspect of plant configuration and landscape presentation.?In this paper， unmanned aerial vehicle （UAV） is used to track and shoot 12 colorful landscape forests in Miyaluo Scenic Spot， Sichuan Province， and the image color is quantified.?The qualitative and quantitative methods are used to study the status quo and changing characteristics of color attributes.?The results show that the colors of the colorful landscape forests in Miyaluo Scenic Spot change distinctly in different seasons， and the color saturation and brightness fall in the middle range.?Spring and summer are green leaf periods in which green is the dominating color， while autumn is the color leaf period in which the contrasting colors of green and red， orange and yellow can create a strong visual effect.?In the early stage of color change， the color dominating pure forests and mixed forests is mainly green， and the color space pattern has yet formed， but as the leaves of some deciduous tree species turns red and yellow， the differences emerge in color composition and color space pattern， especially the difference in color characteristics between pure forest and mixed forest， which is the most obvious at the peak of color change.?The best viewing period of colorful landscape forest is in the middle of October and will last about 20 days.?Tourists should travel to view the landscape with rich leaf colors and evident color layers.?This study would provide reference for colorful landscape forest configuration.

Keywords： color quantization， color composition， color space pattern， best viewing period， Miyaluo colorful landscape forest

植物是森林的組成部分之一，植物在森林美學功能中扮演著重要角色[1]。色彩是植物最富活力的物理特征，是人眼視覺接收植物的第一信息[2]。色彩作為構(gòu)建美麗城鎮(zhèn)景觀的重要載體[3-4]，對于色彩的研究常常集中在彩葉植物的呈色機理、觀賞價值、資源現(xiàn)狀、園林應用等方面[5-6]。利用植物進行園林造景時，大多是“從無到有”的構(gòu)建過程，而對彩葉景觀林的建設大多是“從有到優(yōu)”的過程，彩葉景觀林因其面積大且葉色豐富多樣帶給人震撼的感受。

色彩在視覺景觀中的表現(xiàn)不是單一的，常常由多種色相、飽和度和明度所決定[7]。隨著溫度和光照時間的變化，葉片內(nèi)葉綠素、類胡蘿卜素和花青素等色素的比例也隨之發(fā)生變化，植物呈現(xiàn)出不同的色彩[8]，正是植物葉色的變化使景觀林的色彩變化萬千、豐富多彩。對于彩葉景觀林打造者而言，由于對色彩缺乏定性和定量的認識，很難掌握某一區(qū)域景觀林一年中色彩的變化，且對同一色相由于飽和度或明度不同而造成的色彩差異的認識也存在一定誤差。因此，在景觀色彩研究中從整體上把握色彩的種類以及色彩變化特點是進行景觀預測的重要手段。

色彩的種類組成與發(fā)生位置隨時間的推移而不同，并帶給人變化莫測的觀景感受。本研究通過無人機對米亞羅彩葉景觀林進行跟蹤拍攝，并量化圖像色彩，以定性和定量相結(jié)合的方法研究其色彩屬性現(xiàn)狀及變化特征，以期為彩葉景觀林配置等提供理論參考。

1?研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

米亞羅風景區(qū)位于四川省理縣境內(nèi)，理縣地處青藏高原東南緣（31°11′～31°54′ N，102°36′～103°30′ E），具有典型的高山峽谷地貌。亞高山暗針葉林是該區(qū)域原有的主要森林類型，在20世紀50—80年代，該區(qū)域經(jīng)歷了大規(guī)模的砍伐利用，隨后進行了以粗枝云杉（Picea asperata）為主的人工更新，同時岷江冷杉（Abies faxoniana）、高山櫟（Quercus semicarpifolia）、白樺（Betula platyphylla）、日本落葉松（Larix kaempferi），以及槭樹科（Aceraceae）植物等的天然更新也大量發(fā)生，許多天然次生林分布于亞高山暗針葉林中，形成多樣的彩葉景觀林類型[9-10]。

1.2 研究方法

1.2.1?景觀樣本的收集

通過野外勘察選擇了12個具有代表性的彩葉景觀林，其中包括闊葉混交林、針闊混交林、針葉純林、闊葉純林，基本包含米亞羅景區(qū)中的所有彩葉景觀林類型。冬季的景觀林由于被冰雪覆蓋，不作為本研究對象。米亞羅風景區(qū)彩葉景觀林的葉色在5—9月無明顯變化，入秋后逐漸開始變化。本研究在2018年5月上旬、9月下旬、10月整月和11月上旬利用無人機對12個彩葉景觀林進行拍攝，共獲取72張景觀照片，拍攝高度為樣地上空約50 m，拍攝面積共約42 000 m2。拍攝過程中盡量避免如光照強度、能見度等外界因子的影響。

1.2.2?室內(nèi)圖像的解譯

HSV顏色空間能較好地反映人眼對色彩的感知能力[11]。本研究基于HSV顏色模式對彩葉景觀林的色彩進行閾值量化，通過自擬程序?qū)?/p>

色相（Hue，H）、飽和度（Saturation，S）、明度（Value，V）三通量值進行非等隔均勻量化（8∶4∶4）簡化色彩數(shù)量，進一步對極端值歸一化處理，最終簡化為72個色彩（圖1）。

1.2.3 色彩特征指數(shù)的計算

色彩特征包括色彩組成和色彩空間格局。本研究從H、S、V以及色彩數(shù)量等色彩屬性中選擇21個色彩組成因子，從色彩空間格局方面選擇了斑塊數(shù)量（Number of patches，NP）、最大斑塊指數(shù)（Largest patch index，LPI）、景觀形狀指數(shù)（Landscape shape index，LSI）、蔓延度指數(shù)（Contagion index，CONTAG）、分離度指數(shù)（Division index，DIVISION）、斑塊多樣性指數(shù)（Patch diversity index，SHDI）、斑塊均勻度指數(shù)（Patch evenness index，SIEI）、聚合度指數(shù)（Aggregation index，AI）8個指標[12-13]。

1） 色相比例（H0、H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7、H8、H9、H10）：Hi=NHi/N，式中NHi為照片中第i個色相所占的像元數(shù)，N為照片的總像元數(shù)。

2） 飽和度比例（S0、S1、S2、S3）：Si=NSi/N，式中Si為照片中第i個飽和區(qū)間所占的像元數(shù)，N為照片的總像元數(shù)。

3） 明度比例（V0、V1、V2、V3）：Vi=NVi/N，式中NVi為照片中第i個明度區(qū)間所占的像元數(shù)，N為照片的總像元數(shù)。

4） 色彩數(shù)量（Number of colors，NC）：NC=SUM（HxSyVz）， HxSyVz≥1%; x=[0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10]， y=[0，1，2，3]， z=[0，1，2，3]，在提取的色彩中，除黑、白、灰三色外，像素占比不小于1%的色彩個數(shù)。

5） 彩色指數(shù)（color index，CI）：CI=H0+H1+H2。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

通過MATLAB 2018a提取圖像各像素點的色相、飽和度和明度;利用FRAGSTATS 4.3計算色彩斑塊空間格局指數(shù);采用Excel 2010和SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析;使用CAD 2014和Origin 9.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 景觀林色彩屬性的分布

通過自擬程序非等隔均勻劃分色彩（圖2a）可知，米亞羅彩葉景觀林的色彩季相變化明顯，其中非彩色期（春夏季）色相覆蓋范圍窄（23°～155°），包含3個色相中的18個色彩，以綠色系為主（圖2b）;彩色期（秋季）色相覆蓋范圍廣（0°～360°），包含8個色相中的56個色彩，以紅色、橙色、黃色和綠色系為主（圖2c）。

無論是彩色期還是非彩色期，米亞羅風景區(qū)景觀林中的色彩飽和度和明度（均集中在中間等級（圖3、圖4），取值范圍0.15～0.75。在非彩色期（圖3），米亞羅風景區(qū)景觀林的綠色色彩占比高達80 %;在彩色期（圖4），米亞羅風景區(qū)景觀林中的綠色占比（H3）>橙色占比（H1）>黃色占比（H2）>紅色占比（H0）>其他。

2.2 景觀林色彩屬性的變化特征

2.2.1 色相變化特征

通過色相變化曲線（圖5）可以看出，5月上旬至9月下旬，每一類色相占比無明顯變化。從10月上旬開始，H0、H1和H2呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，在10月中旬達到最大值，分別為5.57 %、22.42 %、17.50 %。對H3而言，總體呈平穩(wěn)—下降—平穩(wěn)—下降的變化趨勢。10月下旬以前，H8較小且無明顯波動，10月下旬后呈現(xiàn)較大增幅，增長范圍0.09 %～24.72 %。10月中旬以前，H9較小且處于平穩(wěn)波動狀態(tài)，10月中旬至下旬呈現(xiàn)上升趨勢，10月下旬后呈現(xiàn)下降趨勢。H4、H5、H6、H7、H10無明顯波動。

2.2.2 飽和度和明度變化特征

由圖6可以看出，隨著時間的推移，10月中旬前，無論是飽和度還是明度均無明顯變化;10月中旬后，S0呈緩慢增加趨勢，S3呈急劇減少趨勢，S2、V1和V2呈先增加后減少的趨勢，V3呈先減少后增加的趨勢，S1和V0無明顯變化。

2.2.3 色彩數(shù)量變化特征

選擇變色初期Ⅰ（10月上旬）、變色盛期Ⅱ（10月中旬）、變色末期Ⅲ（11月上旬）3個時段的景觀林作為研究對象，方差分析不同時期不同林型色彩數(shù)量間的差異（圖7）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論是純林（pure forest ，PF）還是混交林（mixed forest ，MF），色彩數(shù)量在不同時期均存在顯著差異（P<0.05）。在變色初期、變色末期，色彩數(shù)量在純林與混交林間差異不顯著（P<0.05）;在變色盛期，色彩數(shù)量在純林與混交林存在顯著差異（P<0.05）。整體看，米亞羅彩葉景觀林的色彩數(shù)量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，在10月中旬（變色盛期）達到最大值。

2.3 最佳觀賞期的確定

同一林型不同時期的彩色指數(shù)（CI）存在顯著差異（P<0.05）（圖8）。除樣本二（橿子櫟林）外，隨著時間的推移其他景觀樣本的彩色指數(shù)呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，在10月中旬達到最大值，范圍為26.24%～61.81%;10月下旬的彩色指數(shù)較10月上旬有明顯下降，但仍具有較大彩色指數(shù)，其范圍為14.28%～52.03%;11月上旬至次年9月下旬，彩色指數(shù)較小且保持穩(wěn)定。綜上，米亞羅彩葉景觀林的最佳觀賞期為10月中旬，且觀賞期前后持續(xù)20 d。

2.4 彩葉景觀林秋季變色期色彩差異性比較

2.4.1 色彩組成的差異性

選擇變色初期Ⅰ、變色盛期Ⅱ、變色末期Ⅲ 3個時段的彩葉景觀林作為研究對象，方差分析其變色過程中色彩組成的差異。結(jié)果（表1）表明，除S1和S2外，其余指標在3個變色階段均存在顯著差異（P<0.05）。

方差分析同一時期不同林型（純林和混交林）色彩組成的差異，結(jié)果（表1）表明：變色初期，僅S0和S3在純林和混交林間存在顯著差異（P<0.05）;變色盛期，僅NC、H0和S2在純林和混交林間存在顯著差異;變色末期，所有指數(shù)在純林和混交林間差異均不顯著（P<0.05）。

2.4.2 色彩空間格局的差異性

根據(jù)斑塊分類分析結(jié)果，秋季3個時期（變色初期Ⅰ、變色盛期Ⅱ、變色末期Ⅲ）色彩的空間布局具有明顯變化。通過方差分析3個時期色彩空間格局指數(shù)間的差異，結(jié)果（表1）表明，NP、LPI、LSI、CONTAG、DIVISION、SHDI、SIEI和AI在3個時期均具有顯著差異（P<0.05）。

方差分析同一時期不同林型色彩空間格局指數(shù)間的差異，結(jié)果（表1）表明：在變色初期，所有指數(shù)在純林與混交林間差異不顯著;在變色盛期和變色末期，LPI、CONTAG、DIVISION、SHDI和SIEI在純林與混交林間存在顯著差異（P<0.05）。

3 結(jié)論

米亞羅彩葉景觀林的色彩季相變化明顯，春夏季為綠葉期，秋季為彩葉期，彩葉期從10月上旬開始至11月上旬結(jié)束;在整個彩葉期，游客出行觀賞彩葉景觀林的最佳時期為10月中旬。除秋季變色期外，在年內(nèi)其他時間未見其他典型的彩葉景觀，景觀打造者應考慮彌補其他時段色彩單一的現(xiàn)狀，利用景觀色彩屬性變化規(guī)律提升區(qū)域色彩設計效果與質(zhì)量，使米亞羅彩葉景觀形成豐富的季相變化，創(chuàng)造出具有層次、富于變化的景觀林。

4 討論

4.1 無人機拍攝的優(yōu)缺點

無人機影像作為景觀樣本已經(jīng)被大量運用于各研究領域[14-15]。本文的研究對象為彩葉景觀林的葉色，使用傳統(tǒng)相機拍攝時會使近景占比增大，從而影響整體景觀中色彩特征指數(shù)的準確度。本研究采用無人機高空攝影采集彩葉景觀林圖像，不僅可以獲取大面積的景觀，也能避免近景的干擾，同時還保證了樣本間的可比較性。但無人機拍攝極易受到能見度、光照強度等天氣因素的影響，拍攝條件難控制且難統(tǒng)一。

4.2 色彩特征變化

本研究通過ArcGIS重分類劃分色彩斑塊，不僅能減少斑塊分類的工作量，也能提高色彩特征指數(shù)計算的精度。米亞羅彩葉景觀林春夏兩季的色彩主要集中在綠色系，雖歸屬于綠色系，但由于飽和度和明度的不同，使其涵蓋了綠色中的深綠、中綠、淺綠，不顯單調(diào)泛味。該區(qū)植物色彩飽和度和明度處于中間等級，使其不至于過暗而呈現(xiàn)出壓抑沉悶的色彩。時間進入秋季后，隨著氣候因素的變化，米亞羅風景區(qū)景觀林逐漸形成紅橙黃等五彩斑斕的彩葉景觀，視覺景觀中紅、橙、黃3色與綠色形成鮮明的對比，具有強烈的視覺效應[16-17]。米亞羅彩葉景觀林的綠色在變色過程中會出現(xiàn)增加、不變、下降3種變化：增加可能是由于落葉樹種的落葉使低矮的常綠樹種暴露出來;不變是由于落葉物種已經(jīng)全部變色完成，后期不再進一步變色;下降是由于一些變色較晚的樹種陸續(xù)變色。在變色初期無論是純林還是混交林色彩均呈綠色系，色彩空間格局尚未形成，隨著一些落葉樹種的葉色逐漸變紅變黃，色彩空間格局逐漸體現(xiàn)出來，純林和混交林間色彩空間格局的差異也變得明顯。

4.3 最佳觀賞期

色相在色環(huán)上距離的遠近決定著色相對比的強弱，色相間距離越長，對比效果越強烈醒目[18]。在10月中旬，米亞羅風景區(qū)景觀林色相間的距離最長。景觀異質(zhì)性是決定景觀觀賞價值的重要因素，且二者間呈顯著正相關(guān)關(guān)系[19]。與其他時段相比，變色盛期的景觀異質(zhì)性程度最大，說明從變色初期到變色盛期，再到變色末期，彩葉景觀林的觀賞價值呈現(xiàn)低—高—低的變化趨勢，變色盛期（10旬中旬）為最佳觀賞期。也有研究表明[16]，當景觀林中彩色占比達整個彩葉林外貌畫面比例的1/3～2/3時為彩葉景觀林的最佳觀賞期。本研究中，變色盛期彩色指數(shù)達到最大值（26.24 %～61.81 %），說明變色盛期景觀林的觀賞價值最高。綜上，建議游客在10月中下旬出行欣賞最具觀賞價值的秋季景觀，此時米亞羅風景區(qū)景觀林的整體感染力最強，游人在觀賞的過程中可感受到最大程度的視覺沖擊。

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