基于特征約束的鄉(xiāng)村景觀植物布局規(guī)劃模型

鄒 初 紅

(皖西學(xué)院 藝術(shù)學(xué)院，安徽 六安 237012)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化建設(shè)逐漸加快，農(nóng)民對(duì)自己的生活提出了更高的要求，鄉(xiāng)村發(fā)展迎來(lái)了自己的春天，鄉(xiāng)村生態(tài)建設(shè)被提上了日程[1]。鄉(xiāng)村地域和鄉(xiāng)村人口在全國(guó)總?cè)丝谥姓紦?jù)了大部分，加快鄉(xiāng)村生態(tài)建設(shè)勢(shì)在必行，建設(shè)必須以人們的需求為基礎(chǔ)，對(duì)鄉(xiāng)村景觀植物進(jìn)行重新整合和規(guī)劃，提高廣大鄉(xiāng)村地域群眾的滿意度和生活幸福感[2]。

針對(duì)這一研究課題，國(guó)內(nèi)眾多研究學(xué)者根據(jù)鄉(xiāng)村自然景觀資源的不同，歸納總結(jié)出了目前比較常見(jiàn)的幾種布局規(guī)劃模型，如基于實(shí)景三維的景觀布局規(guī)劃模型、基于植被分布特征的布局規(guī)劃模型以及基于層次分析法的布局規(guī)劃模型。國(guó)外研究中，一些歐美國(guó)家為了實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村可持續(xù)化發(fā)展，將鄉(xiāng)村旅游作為研究重點(diǎn)，從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，西方歐洲國(guó)家的研究更加成熟，經(jīng)過(guò)幾十年研究發(fā)展，布局規(guī)劃模型越來(lái)越完善，對(duì)鄉(xiāng)村景觀植物規(guī)劃起到了很好的推動(dòng)作用[3-5]。無(wú)論是國(guó)內(nèi)研究的布局規(guī)劃模型還是國(guó)外的布局規(guī)劃模型，這些規(guī)劃布局模型的提出幫助鄉(xiāng)村生態(tài)建設(shè)進(jìn)一步加強(qiáng)。但是這幾種模型在實(shí)際應(yīng)用中，受到限制性因子溫度的影響，很難在布局規(guī)劃中兼顧環(huán)境效益問(wèn)題和美觀程度，在限制性因子的限制下布局規(guī)劃模型的適宜性需要進(jìn)一步提高[6-8]。因此，提出基于特征約束的鄉(xiāng)村景觀植物布局規(guī)劃模型，解決上述傳統(tǒng)的布局規(guī)劃模型中存在的問(wèn)題。

1 基于特征約束的鄉(xiāng)村景觀植物布局規(guī)劃模型設(shè)計(jì)

1.1 鄉(xiāng)村景觀植物特征提取

鄉(xiāng)村景觀植物的布局規(guī)劃與村莊地域范圍內(nèi)的人類生活、生產(chǎn)活動(dòng)息息相關(guān)，為了更好地提取鄉(xiāng)村景觀特征，從多個(gè)方面提取景觀植物特征，一般情況下，鄉(xiāng)村景觀分為自然景觀和人為景觀，其中自然景觀能夠直接反映鄉(xiāng)村區(qū)域的植物自然生長(zhǎng)環(huán)境和生長(zhǎng)狀況；人為景觀往往人為干預(yù)比較多，多數(shù)是由人類活動(dòng)產(chǎn)生，是自然環(huán)境與人類活動(dòng)相互作用的結(jié)果[9]。

基于地理信息系統(tǒng)動(dòng)態(tài)采集鄉(xiāng)村景觀植物特征，確定所需要的固定樣點(diǎn)數(shù)量，計(jì)算公式為

(1)

公式中η表示可靠性指標(biāo)，P表示所設(shè)固定樣點(diǎn)的理論值，實(shí)際工作中一般增加10%～20%的安全系數(shù)，Z表示資源變動(dòng)值，也是資源凈增量的變動(dòng)系數(shù)，e表示相對(duì)誤差[10]。確定固定樣點(diǎn)后，采用系統(tǒng)抽樣的方法，將固定樣點(diǎn)均勻地布設(shè)在總體范圍內(nèi)，布設(shè)完成后，將樣點(diǎn)坐標(biāo)輸入GPS，利用GPS找到樣點(diǎn)，通過(guò)這些樣點(diǎn)采集到鄉(xiāng)村景觀植物特征，將采集的特征結(jié)果錄入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，完成鄉(xiāng)村景觀植物特征數(shù)據(jù)庫(kù)的建立。

上述特征采集的實(shí)現(xiàn)主要依據(jù)地理信息系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)，特征采集中數(shù)據(jù)庫(kù)采用Oracle，遙感圖像處理軟件為ER MAPPER，該軟件主要提供衛(wèi)星圖像的校正、判讀和信息提取等工作，能夠?qū)崿F(xiàn)多視角、多光照角的圖像顯示，地理信息系統(tǒng)軟件主要使用Mapinfo，可以提供空間數(shù)據(jù)的快速訪問(wèn)以及圖像信息的分析功能[11]。具體的鄉(xiāng)村景觀特征提取動(dòng)態(tài)采集技術(shù)體系如圖1所示。

圖1 動(dòng)態(tài)采集技術(shù)體系

將采集的特征作為輸入，在特征約束關(guān)系下，建立鄉(xiāng)村景觀植物布局規(guī)劃模型。

1.2 建立模型中特征信息的約束關(guān)系

在鄉(xiāng)村景觀植物布局規(guī)劃模型中，景觀植物的特征之間主要通過(guò)特征約束進(jìn)行聯(lián)系，在建立約束過(guò)程前，將特征約束分為特征內(nèi)約束和特征間約束，用于區(qū)分模型內(nèi)景觀植物特征信息。特征間約束主要分為定位約束、依存約束和形狀依賴3種約束關(guān)系，特征類約束為定性約束[12]。對(duì)于特征類約束，定義一對(duì)主、子特征，在景觀植物特征類內(nèi)的某一子特征子集中存在(w1,w2,…,wn)，對(duì)應(yīng)的關(guān)系為K(w1，…，wn)=0，其中K表示特征信息子集(w1,w2,…,wn)上的定性約束。對(duì)于特征間約束，同樣是在一對(duì)主、子特征之間，如果刪除主特征a，主特征對(duì)應(yīng)的子特征b在特征空間內(nèi)將失去存在意義，面對(duì)這種情況，定義子特征b對(duì)主特征a存在依存約束，此時(shí)主特征與子特征之間為依存約束關(guān)系；另外，刪除主特征后，子特征能夠自己尋求新的主特征或者使自己進(jìn)化為根特征，能夠在特征空間內(nèi)確定子特征的位置，則說(shuō)明子特征b對(duì)于主特征a存在定位約束，兩者之間為定位約束關(guān)系；對(duì)于主、子特征，主特征a的某一特征屬性子集與特征b的某一特征屬性子集(wb1,wb2,…,wbn)之間存在關(guān)系：

K((wa1,wa2,…，wan),(wb1,wb2,…,wbn))=0

(2)

限定(wa1,wa2,…，wan)為主動(dòng)屬性集，(wb1,wb2,…，wbn)表示被動(dòng)屬性集，則定義特征b對(duì)于特征a存在形狀依賴[13]。特征間坐標(biāo)變換關(guān)系如圖2所示。

圖2 特征間坐標(biāo)變換關(guān)系

在鄉(xiāng)村景觀植物布局規(guī)劃模型中，特征內(nèi)約束和特征間約束的約束關(guān)系確定后映射到布局規(guī)劃模型中，實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村景觀植物布局規(guī)劃。

1.3 構(gòu)建特征信息布局規(guī)劃模型

以特征來(lái)表示景觀植物，在規(guī)劃布局中不僅需要景觀完整信息，還需要景觀植物的幾何信息，考慮到布局規(guī)劃模型涉及的應(yīng)用需求比較多，為了建立相對(duì)通用的布局規(guī)劃模型，依據(jù)特征約束關(guān)系將景觀植物特征信息分為3個(gè)層次結(jié)構(gòu)，分別是空間信息層、特征層以及幾何層[14],如圖3所示。

圖3 景觀植物信息的數(shù)據(jù)層次結(jié)構(gòu)

依據(jù)模型中的約束關(guān)系，可知幾何特征的約束度見(jiàn)表1。

表1 景觀植物幾何特征的約束度

在布局規(guī)劃中，綜合考慮景觀植物的各項(xiàng)信息，結(jié)合植物周圍生態(tài)環(huán)境之間的綜合作用，建立布局規(guī)劃模型：

(3)

公式中，S(β)表示植物的溫度適宜度，S(δ)表示景觀植物的位置適應(yīng)度，S(ω)表示景觀植物的角度適應(yīng)度[15]。在得到計(jì)算結(jié)果后，從景觀植物格局上對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。相關(guān)計(jì)算公式如下：

(4)

(5)

(6)

公式中，R表示景觀植物密度指數(shù)，d表示規(guī)劃布局區(qū)長(zhǎng)度，S表示規(guī)劃布局區(qū)總面積，η表示規(guī)劃布局區(qū)域環(huán)通度，M表示規(guī)劃布局區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際存在的景觀植物環(huán)通節(jié)點(diǎn)，Mmax表示最大可能的環(huán)通節(jié)點(diǎn)數(shù)，ξ表示衡量景觀植物布局連通度，D表示布局規(guī)劃中實(shí)際存在的連接數(shù)，Dmax表示最大可能的連接數(shù)，V表示節(jié)點(diǎn)數(shù)。密度指數(shù)主要從數(shù)量上描述布局規(guī)劃區(qū)內(nèi)景觀植物的布置情況，在考量實(shí)際景觀布局情況，景觀植物之間的最適宜距離為100～150 cm；環(huán)通度及連接數(shù)表示景觀植物的實(shí)際布局情況，是結(jié)合規(guī)劃布局區(qū)域內(nèi)的道路設(shè)施或建筑設(shè)施確定的布局情況。當(dāng)公式(3)計(jì)算結(jié)果滿足公式(4)的要求即為最佳布局規(guī)劃結(jié)果，反之重新計(jì)算。

2 鄉(xiāng)村景觀植物布局規(guī)劃模型實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

鄉(xiāng)村景觀植物布局規(guī)劃模型實(shí)驗(yàn)研究中，選取某鄉(xiāng)村風(fēng)景區(qū)為案例區(qū)進(jìn)行實(shí)證，該地區(qū)環(huán)境優(yōu)越，地形地貌復(fù)雜多樣，自然景觀類型豐富。實(shí)驗(yàn)研究主要以對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究為主，選擇傳統(tǒng)的基于實(shí)景三維的景觀布局規(guī)劃模型、基于植被分布特征的布局規(guī)劃模型以及基于層次分析法的布局規(guī)劃模型與提出的基于特征約束的布局規(guī)劃模型進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括環(huán)境效益與景觀美學(xué)評(píng)估，實(shí)驗(yàn)中為避免外在因素影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)置統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，具體內(nèi)容見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)設(shè)置

2.2 環(huán)境效益實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在科學(xué)合理的景觀植物布局下，其環(huán)境效益比較高，在環(huán)境效益實(shí)驗(yàn)中，主要從碳氧平衡效益、吸收SO2效益、滯塵效益分析、蓄水效益、調(diào)溫效益5個(gè)方面進(jìn)行分析論證。使用不同的景觀植物布局規(guī)劃模型，以表1中指標(biāo)作為基礎(chǔ)，在第三方軟件上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，以上述5個(gè)方面的月度變化作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)完成后通過(guò)第三方軟件輸出結(jié)果。具體結(jié)果如圖3所示。

圖中標(biāo)記的數(shù)字分別對(duì)應(yīng)著碳氧平衡效益、吸收吸收SO2效益、滯塵效益分析、蓄水效益、調(diào)溫效益。對(duì)比觀察圖中結(jié)果，從圖4a中結(jié)果可以看出該模型吸收SO2效益和滯塵效益分析比較差；圖4b中結(jié)果顯示整體效益增長(zhǎng)比較緩慢，其中以吸收SO2效益和滯塵效益最差；圖4c中結(jié)果顯示整體效益偏低，與前兩組結(jié)果相比，碳氧平衡效益增長(zhǎng)差比較明顯；圖4d中結(jié)果顯示，整體效益水平較高，與前三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，效益增長(zhǎng)快。綜上所述，提出的基于特征約束的鄉(xiāng)村景觀植物布局規(guī)劃模型規(guī)劃效果滿足環(huán)境效益需求，環(huán)境效益高。

(a)基于實(shí)景三維的布局規(guī)劃模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (b)基于植被分布特征的布局規(guī)劃模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 景觀美學(xué)評(píng)估結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)主要的景觀有草本植物、松柏植物、灌木、喬木、園路、假石以及各類花卉，在使用不同的景觀植物布局規(guī)劃模型進(jìn)行布局規(guī)劃后，對(duì)規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行美學(xué)評(píng)估。評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同景觀植物布局規(guī)劃模型景觀美學(xué)評(píng)估結(jié)果

表中的3種不同的角度分別是觀察景觀布局的左視角度、俯視角度和主視角度。從表中數(shù)據(jù)可以看出，在3種不同的角度下，左視角度美學(xué)評(píng)估分?jǐn)?shù)比較低，主視角度的美學(xué)評(píng)分最高，對(duì)比不同布局規(guī)劃模型的結(jié)果可知，在不同角度下，提出的基于特征約束的布局規(guī)劃模型美學(xué)評(píng)分均在9.0以上，相比之下，傳統(tǒng)的布局規(guī)劃模型美學(xué)評(píng)分比較低。結(jié)合環(huán)境效益結(jié)果可知，提出的基于特征約束的鄉(xiāng)村景觀植物布局規(guī)劃模型能夠在布局時(shí)同時(shí)保證較高水平的環(huán)境效益和高水平的審美，該模型優(yōu)于傳統(tǒng)的布局規(guī)劃模型。

3 結(jié)束語(yǔ)

為了提高鄉(xiāng)村景觀植物布局規(guī)劃的合理性，設(shè)計(jì)基于特征約束的鄉(xiāng)村景觀植物布局規(guī)劃模型，從理論與實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)模型的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。運(yùn)用該模型進(jìn)行鄉(xiāng)村景觀植物布局規(guī)劃，具有較高的環(huán)境效益與景觀美學(xué)評(píng)分。因此，說(shuō)明此次設(shè)計(jì)模型能夠更好地滿足鄉(xiāng)村景觀布局規(guī)劃的要求。但是研究過(guò)程受到時(shí)間和能力的限制，模型不夠完美，還存在一些不足之處，在后續(xù)研究中還需要更深入細(xì)致的分析與討論。