基于層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡的景觀設(shè)計評估

張潔， 張林

(商洛學院 數(shù)學與計算機應用學院， 陜西 商洛 726000)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展提高，人們生活水平不斷地提高，家庭、公共場所均進行了一些園林景觀設(shè)計，園林景觀設(shè)計可以給人們帶來更加舒適的感覺，而每一個人對園林景觀設(shè)計要求不一樣，因此需要對園林景觀設(shè)計效果進行準確評估，以更好地為人們提供最佳生活、工作、休閑環(huán)境，因此園林景觀設(shè)計效果評估一直是人們關(guān)注的焦點[1-3]。

針對景觀設(shè)計效果評估問題，國內(nèi)外研究機構(gòu)進行了深入的研究，當前存在許多有效的景觀設(shè)計效果評估方法[4]。當前景觀設(shè)計效果評估方法分為定性分析和定量分析兩種，其中定性分析方法最具代表性的為層次分析法[5]，其對景觀設(shè)計效果評估指標進行根據(jù)，根據(jù)各種指標的權(quán)值得到景觀設(shè)計效果評估結(jié)果，該方法比較簡單，屬于線性建模方法，而景觀設(shè)計效果與評價指標是一種非線性的映射關(guān)系，導致景觀設(shè)計效果評估偏差比較大，實際應用價值低[6]；定量分析方法最具代表性的為人工神經(jīng)網(wǎng)絡[7]，如RBF神經(jīng)網(wǎng)絡、BP神經(jīng)網(wǎng)絡、極限學習機網(wǎng)絡等，人工神經(jīng)網(wǎng)絡具有較強的非線性建模能力，得到比較好的景觀設(shè)計效果評估結(jié)果[8-9]。由于景觀設(shè)計效果評估十分復雜，單一層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡均存在自己的不足，無法全面、準確描述景觀設(shè)計效果，因此景觀設(shè)計效果評估面臨巨大的挑戰(zhàn)[10]。

為了獲得理想的景觀設(shè)計效果評估結(jié)果，設(shè)計了層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡的景觀設(shè)計效果評估方法，該方法具有層次分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡的優(yōu)點，克服了它們的不足，仿真實驗結(jié)果表明，本文方法獲得了理想的景觀設(shè)計效果評估結(jié)果，而且景觀設(shè)計效果評估效率也明顯優(yōu)于層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡的景觀設(shè)計效果評估方法。

1 層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡的景觀設(shè)計效果評估方法

1.1 建立景觀評估指標體系

為了高精度地對景觀設(shè)計效果進行評估，必須建立最優(yōu)的景觀評估指標體系，本文基于代表性、可測性、可比性、有效性和科學性的原則，建立一個景觀評估指標體系，如表1所示。

表1 景觀設(shè)計效果綜合評估指標體系

對景觀設(shè)計效果進行量化操作，采用100分制形式，它們具體描述如表2所示。

表2 景觀設(shè)計效果綜合評估結(jié)果的評分標準

1.2 層次分析法確定景觀設(shè)計評估指標的權(quán)重

(1) 對景觀設(shè)計效果評估指標進行量化處理，并建立景觀設(shè)計效果評估指標判斷矩陣，具體形式如式(1)。

(1)

式中，ai,j為指標i相對于j的相對權(quán)重。

(2) 計算式(1)每一行元素的乘積，具體為式(2)。

(2)

(3) 計算Mi的n次方根，即有式(3)。

(3)

(4)

1.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡

BP神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入、隱含和輸出節(jié)點數(shù)分別為N、L和M，輸入向量為X=[x0,x1,…,xN-1]，隱含層點j與輸入層點i、輸出層節(jié)點k之間的權(quán)重分別為Vij和Wik，輸出層和隱含層的閾值分別為θk和φj。隱含層節(jié)點和輸出層的輸出計算式為式(5)、式(6)。

(5)

(6)

計算yk與目標輸出dk的偏差，具體如式(7)、式(8)。

δk=(dk-yk)yk(1-yk)

(7)

(8)

權(quán)重調(diào)整大小為式(9)、式(10)。

ΔWjk(n)=ηδkhj

(9)

(10)

權(quán)重的調(diào)整式為式(11)、式(12)。

Wjk(n+1)=

Wjk(n)+ΔWjk(n)+μΔWjk(n-1)

(11)

Vij(n+1)=Vij(n)+ΔVij(n)+μΔVij(n-1)

(12)

1.4 層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡的景觀設(shè)計評估流程

(1) 建立景觀設(shè)計評估的指標體系。

(2) 采用層次分析法確定景觀設(shè)計評估的指標的權(quán)值。

(3) 采集景觀設(shè)計評估樣本數(shù)據(jù)，并采用專家對景觀設(shè)計評估效果進行打分，與其景觀設(shè)計評估指標組成樣本集合。

(4) 采用景觀設(shè)計評估指標數(shù)量確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入節(jié)點數(shù)，景觀設(shè)計評估效果作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡的輸出，并根據(jù)一定的公式確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡的隱含節(jié)點數(shù)，從而建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)。

(5) 初始化BP神經(jīng)網(wǎng)絡的相關(guān)參數(shù)。

(6) 采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡對景觀設(shè)計評估的訓練樣本進行學習，以景觀設(shè)計評估精度為訓練目標，確定最優(yōu)參數(shù)。

(7) 根據(jù)最優(yōu)參數(shù)建立景觀設(shè)計評估模型，并采用景觀設(shè)計評估測試樣本對模型性能進行測試。

綜合上述，層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡的景觀設(shè)計評估具體流程如圖1所示。

圖1 層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡的景觀設(shè)計評估流程

2 景觀設(shè)計評估方法的性能測試

2.1 測試環(huán)境的設(shè)置

為了測試層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡的景觀設(shè)計評估性能，采用具體實驗對其性能進行測試，其測評環(huán)境如表3所示。

表3 測試環(huán)境的設(shè)置

為了使層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡的景觀設(shè)計評估結(jié)果具有可比性，選擇層次分析法的景觀設(shè)計評估、BP神經(jīng)網(wǎng)絡的景觀設(shè)計評估方法進行對比測試，選擇評估精度和評價時間作為性能評價指標。

2.2 測試對象

對于50個景觀設(shè)計方案的效果，采用多個專家，多個同行根據(jù)景觀設(shè)計指標的值以及自身的經(jīng)驗和知識進行打分，并統(tǒng)計每一種景觀設(shè)計打分的結(jié)果，具體如圖2所示。

圖2 50個景觀設(shè)計效果的得分值

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，不同景觀設(shè)計效果的評分結(jié)果不一樣，說明景觀設(shè)計效果具有一定的隨機性和非線性變化特點。

2.3 景觀指標層評估精度對比

隨機選擇10個景觀設(shè)計方案作為測試樣本，其他作為訓練樣本，每一種方法進行5次仿真測試，以體現(xiàn)實驗結(jié)果的公平性，景觀設(shè)計效果評估精度如圖3所示。

圖3 不同方法的景觀設(shè)計效果評估精度對比

對圖3的景觀設(shè)計效果評估精度進行對比可以知道，本文方法的景觀設(shè)計效果評估精度平均值為91.52%，層次分析的景觀設(shè)計效果評估精度平均值為84.20%，BP神經(jīng)網(wǎng)絡的景觀設(shè)計效果評估精度平均值為86.3%，相對于對比方法，本文方法的景觀設(shè)計效果評估誤差大幅度下降，這主要是本文方法集成了層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡的優(yōu)點，解決當前景觀設(shè)計效果評估誤差大的缺陷，驗證了本文景觀設(shè)計效果評估方法的優(yōu)越性。

2.4 景觀指標層評估效率對比

統(tǒng)計每一種方法的5次仿真測試的景觀設(shè)計效果評估時間，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，本文方法的景觀設(shè)計效果評估時間明顯少于對比方法，克服當前景觀設(shè)計效果評估效率低的弊端，提升了景觀設(shè)計效果評估速度。

圖4 不同方法的景觀設(shè)計效果評估時間對比

3 總結(jié)

針對當前景觀設(shè)計評估過程中存在的缺陷，基于組合優(yōu)化理論，利用層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡的各自優(yōu)勢，提出了層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡的景觀設(shè)計效果評估方法，采用層次分析法建立科學、客觀的景觀設(shè)計評估指標體系，采用神經(jīng)網(wǎng)絡的非線性擬合能力跟蹤景觀設(shè)計的變化特點，它們克服了單一層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡的缺陷，最后測試結(jié)果表明，本文方法是一種精度高、速度快的景觀設(shè)計效果評估方法，評估結(jié)果可以為景觀設(shè)計工作人員提供有價值的參考意見，具有十分廣泛的應用前景。