基于LIM分析的城市公園植物色彩配置應用研究
——以杭州西湖曲院風荷為例

章晶晶，胡 廣，梁木風

(浙江理工大學建筑工程學院，浙江 杭州 310018)

植物色彩是園林植物最重要的觀賞特征之一，具有第一視覺特性[1]。在園林環(huán)境中，植物的葉、花、果、枝干、根等部位所呈現(xiàn)的各種顏色即為園林植物的色彩[2]。園林植物色彩豐富，同時具有季相動態(tài)變化，其色彩搭配的效果能夠直接影響景觀整體效果，是構建景觀多樣性的重要成分，在園林環(huán)境的規(guī)劃設計中有著舉足輕重的地位。然而，在植物景觀營造實踐中，設計師更多地側重于植物群落的層次性、季節(jié)性、空間感和意境，對植物色彩應用的關注相對較少。

近年來，學者們從審美、生態(tài)、文化、感官體驗等不同視角對植物色彩景觀開展了研究，內容主要集中在色彩造景[3-5]、色彩特征分析和評價[6-9]、色彩變化[10-13]及其對人的心理影響[14-15]等方面，但針對植物景觀色彩的定量化、數(shù)字化和信息化技術應用方面相對匱乏。風景園林信息模型(LIM)是建筑信息模型(BIM)在風景園林領域的拓展和延伸，在風景園林及其構成元素的量化研究、參數(shù)化設計、可視化表達、信息化管理和全周期運營等方面具有強大的優(yōu)勢，利用LIM開展輔助設計、效果展示、施工指導和后期管護是風景園林行業(yè)發(fā)展的趨勢[16-18]。同時，借助LIM數(shù)字化和定量化的特點，也可為現(xiàn)有園林設計風格與特點的研究提供強大的分析工具。

曲院風荷公園位于杭州西湖西側，占地面積14.0萬m2。曲院風荷不僅是杭州西湖的十大景點之一，也是城市居民休閑游憩的綜合性公園。本研究以曲院風荷公園為研究對象，對公園的植物色彩進行記錄和分析，結合GIS技術構建包含植物個體色彩和個體空間定位信息的景觀信息模型(LIM)，并在此基礎上采用緩沖區(qū)分析、優(yōu)化熱點分析、PCA分析、t檢驗等方法探究不同色彩植物在曲院風荷公園中的季相變化、空間分布，以及在不同功能空間的色彩配置規(guī)律，為分析特定園林植物景觀特征提供參考。

1 材料與方法

1.1 實地調查與色彩分類

2017—2018年，對杭州西湖曲院風荷公園內所有陸生植物個體進行了實地調查，記錄喬木植物的種類、位置、冠幅、株數(shù)、高度等；灌木、草本植物的種類、位置、高度、面積等基本信息，并利用網(wǎng)格法對所有被調查植物的空間位置進行定位。

利用英國皇家園藝協(xié)會(RHS)植物比色卡[11]的色彩大類對各種植物進行色彩分類。基于GIS技術將曲院風荷公園的總平面圖信息，以及上述所有樹木個體的基本屬性、色彩信息(含季相變化)和空間定位進行整合，構建曲院風荷公園景觀信息LIM模型，以此來分析公園中植物色彩配置的季相變化和空間格局。

1.2 植被面劃分與功能分區(qū)

植物景觀往往由多種植物組合形成，為了便于對植物色彩特征開展定量化的統(tǒng)計分析，研究引入“植被面”這一概念，即公園中一個由連續(xù)植被覆蓋，內部景觀相對均質的空間單元。植被面是指公園中由水體、道路和圍墻分隔的獨立林地、草坪、綠化帶等；同時內部沒有明顯隔離物，若連續(xù)植被中的植物配置和景觀效果發(fā)生明顯變化，也可劃分為不同植被面。最終在公園中劃定了262個植被面，并根據(jù)植被類型分為喬木、灌木和草本3種。植被面信息同步導入構建的色彩LIM中參與分析。

綜合性公園的規(guī)劃設計中一般具有較明確的功能內容要求。本研究根據(jù)GB 51192—2016《公園施工規(guī)范》對于綜合性公園設計內容和公園總體布局的基本要求[19]，結合曲院風荷公園原有的景觀分區(qū)及其是否與西湖主湖面相接壤，將曲院風荷分成生態(tài)園區(qū)、觀賞瀏覽區(qū)、濱水區(qū)和休閑活動區(qū)等4個功能區(qū)，并在此基礎上開展植被色彩配置規(guī)律研究。

1.3 色彩組合分析

1)喬木色彩組合分析采用鄰域分析法。基于個體鄰域關系，采用ArcGIS軟件中的緩沖區(qū)(Buffer)工具判斷公園中的喬木色彩組合。

以單個喬木個體為中心，以公園內喬木樹冠直徑中位數(shù)的兩倍(8 m)作為緩沖區(qū)半徑進行緩沖區(qū)計算，統(tǒng)計該緩沖區(qū)內其他鄰近喬木個體色彩的類型及數(shù)量，計算該喬木個體周邊的色彩組合；最后，依次計算所有喬木個體的鄰域色彩組合，得到整個公園的喬木色彩組合格局。

2)喬灌草色彩組合分析采用疊層法。將喬木色彩組合點數(shù)據(jù)與具有灌木、草本色彩及數(shù)量屬性的植被分類面進行疊加，分析不同色彩組合在公園內的面積、比例等空間分布差異及物種組合，從而得出公園喬灌草四季色彩配置規(guī)律。

1.4 色彩數(shù)量特征分析

以植被面為分析單元，選取喬木色彩密度和相對多度對各季節(jié)的喬木色彩數(shù)量特征進行統(tǒng)計、分析和比較。

由于灌草較難統(tǒng)計植株數(shù)量，選擇了面積比和相對面積比兩個指標。與喬木色彩密度和相對多度相對應，進行統(tǒng)計計算，同時比較不同功能區(qū)之間植物色彩在數(shù)量分布上的差異。

色彩密度=單一色彩個體數(shù)量/植被面面積；

相對色度=單一色彩個體數(shù)量/總個體數(shù)量；

面積比=單一色彩面積/植被面面積；

相對面積比=單一色彩相對面積/所有色彩相對面積之和。

利用t檢驗以及鄧肯新復極差法對不同植物色彩的數(shù)量差異進行兩兩比較和顯著性檢驗。利用SPSS 12.0進行統(tǒng)計分析。

1.5 色彩組成結構及空間格局分析

利用主成分分析(PCA)[20-21]對各植被面的色彩組成結構進行相似性比較，計算PCA各軸對色彩組成差異的解釋能力，以及各植物色彩對組成結構的相對貢獻。PCA圖中的點表示每個植被面的色彩組成結構，兩點距離越近，說明兩個植被面的色彩組成結構越相似。

利用PCA分析，評估各功能區(qū)中植物色彩組成結構是否具有特異性和偏好性。采用Spearman秩相關分析檢驗色彩組成結構是否受到植被面的面積影響。

統(tǒng)計分析用R語言軟件完成。

ArcGIS軟件的優(yōu)化熱點分析工具用于識別具有統(tǒng)計顯著性的高值(熱點)和低值(冷點)的空間聚類[22-23]。利用該技術對植物色彩空間聚集性的分析，可識別四季的植物色彩空間分布狀況以及疏密程度，探索色彩空間格局與景觀效果之間的內在聯(lián)系。

2 結果與分析

2.1 曲院風荷植被色彩及面積分布

曲院風荷公園內共有植物67科118屬181種，其中喬木81種，灌木64種，草本26種，其他(包括藤本、水生植物)10種。采用RHS植物比色卡進行色彩歸類后發(fā)現(xiàn)，公園內常見植物色彩主要有綠、紅、粉、黃、白和紫6種，植物種與植物色彩對照見參照文獻[24]。在本研究中，除綠色之外的其他色彩統(tǒng)稱為“彩色”，表現(xiàn)出這些“彩色”的植物稱為“彩色植物”。而“色彩”則包括了綠色和其他彩色。

分析曲院風荷公園植物色彩面積比的季相變化，結果(圖1)表明，整體而言，綠色植物的應用面積在各個季節(jié)中的占比均較大，尤其是春、夏、冬3季(圖1)，分別達到了87.63%、92.26%和91.86%，秋季除綠色(63.21%)外，黃色植物的面積占比也達到29.86%。除此之外的其他顏色如紅、粉、白、紫等的面積在各個季節(jié)中占比都非常小，但是色彩在垂直層次細節(jié)上則表現(xiàn)出了一定的差異。

喬木層綠色植物在春、夏、冬季的面積占據(jù)絕對主導地位。然而秋季黃色喬木的面積占比超過綠色，達到46.75%，紅色喬木面積也占8.09%。灌木層綠色植物面積占比低于喬木層，夏季和冬季分別是76.91%和76.93%，而秋季和春季占比更下降至 54.76%和42.85%。春季灌木層植被色彩中粉色占21.30%、黃色占19.53%、紅色占14.50%、白色占1.82%。黃色灌木面積占比在4個季節(jié)中均較大，秋季占比30.58%，其他3季占比也接近20%。草本層中，4季均呈現(xiàn)出綠色草本面積占絕對優(yōu)勢的情況。

總體而言，曲院風荷秋季彩色植物應用面積最大，而春、夏兩季色彩種類最豐富，但應用面積小，說明曲院風荷公園中春、夏兩季的彩色植物多為點綴式種植，空間分布廣但數(shù)量相對較少。

2.2 杭州曲院風荷公園植被色彩在不同功能空間的配置

2.2.1 色彩數(shù)量分布格局

LIM分析發(fā)現(xiàn)，隨著季相的變化，色彩最為豐富的區(qū)域在不同功能區(qū)之間發(fā)生遷移(圖2)。春季色彩種類最豐富的區(qū)域為觀賞游覽區(qū)，夏季為生態(tài)園區(qū)，秋季為濱水區(qū)，而冬季各功能區(qū)之間則無明顯差異。其中觀賞游覽區(qū)及休閑活動區(qū)的色彩季相變化最為明顯(圖2)。春、夏季彩色植物在觀賞游覽區(qū)和休閑活動區(qū)的面積占比最大，在生態(tài)園區(qū)2的面積占比最??；秋季生態(tài)園區(qū)2的彩色面積占比最大，且以黃色為主；冬季各彩色在4個功能區(qū)之間的空間分布無顯著差異。

對曲院風荷公園不同功能區(qū)不同色彩喬木的個體密度與相對多度進行t檢驗和鄧肯新復極差法分析，結果表明，生態(tài)園區(qū)1中的綠色喬木四季的數(shù)量特征基本穩(wěn)定，密度一般低于其他區(qū)域，而相對多度高于其他區(qū)域(圖3)，其他色彩喬木的密度和相對多度則均顯著低于其他區(qū)域，說明生態(tài)園區(qū)1為整個曲院風荷“最綠”的區(qū)域。同時由于該園區(qū)中配置較為高大的綠色喬木，導致單位面積上植株數(shù)量較少。而在生態(tài)園區(qū)2中，秋季黃色植物的密度及相對多度均顯著高于其他區(qū)域，形成曲院風荷公園特有的秋色森林景觀。其他功能區(qū)中綠色植物和其他各類彩色植物的運用在各個季節(jié)中表現(xiàn)出的數(shù)量差異則相對較小，秋季黃色應用較多，而春夏季則以紅色、粉色應用較廣。

生態(tài)園區(qū)綠色植物的應用顯著多于其他功能區(qū)，這與生態(tài)園區(qū)借鑒自然植被結構，構建建群種的設計概念相一致，因此生態(tài)園區(qū)的色彩以建群種的色彩季相變化為主導，與其他區(qū)域相比，色彩構成相對單一。觀賞游覽區(qū)和休閑活動區(qū)的四季色彩變化最為豐富，這與觀賞游覽區(qū)、休閑活動區(qū)的游人聚集特性相契合，設計上要求色彩鮮明，突出空間，凸顯活力和變化，因而色彩多元，季相明顯。

2.2.2 植被面色彩組成相似性分析

1)喬木色彩組成結構。PCA分析的第1軸解釋了色彩組合結構的一半變異(春季33.0%，夏季40.2%，秋季62.3%，冬季48.7%)，而第2軸則解釋了四分之一左右的變異(春季18.3%，夏季22.6%，秋季27.0%，冬季27.0%)。第1軸的變化主要由綠色植物的比例決定，分布在右側的點說明綠色植物在對應的植被面中占的比例較高，其他彩色植物比例較低；分布在左側的點則說明彩色植物比例較高，其中夏季以紅色為主導，秋季以黃色為主導，春季和冬季沒有占優(yōu)勢的彩色(圖4A)。第2軸的變化則主要由粉色和紅色的比例決定。PCA結果同時揭示，春夏兩季盡管各功能區(qū)的色彩組合特征則沒有表現(xiàn)出區(qū)別于其他功能區(qū)的特定模式，但是生態(tài)區(qū)1和2各植被面的色彩組合更為接近，主要以綠色為主，與自然植被的色彩類似；而濱水區(qū)、觀賞游覽區(qū)和休閑活動區(qū)的各點分布半徑較大，彼此互相交錯，這類人類活動較頻繁的區(qū)域有更為豐富多元的色彩配置模式(圖4Aa-b)。秋季各功能區(qū)的色彩組合特征的分析結果和春、夏季色彩組合不同，各功能區(qū)沒有特別的配置模式(圖4Ac)。冬季的分析結果和前季存在差異，觀賞游覽區(qū)的色彩組合結構表現(xiàn)出特有的配置模式，色彩較為豐富，其他功能區(qū)的色彩組合特征則沒有表現(xiàn)出特定模式，色彩相對單調(圖4Ad)。

PCA各軸得分和植被面面積的Spearman相關分析發(fā)現(xiàn)，春、夏、冬季，兩者存在極顯著負相關(P<0.001)，面積會影響春、夏、冬季色彩組合的比例，面積越大，綠色植物比例越低，彩色植物的比例越高。而秋季色彩組合則與植被面面積無關。

2)灌草色彩組成結構。灌草色彩組成結構分析和喬木類似，仍采用主成分分析(PCA)方法，只是區(qū)別于喬木使用的多度數(shù)據(jù)，灌草使用了面積數(shù)據(jù)來進行分析，結果見圖4B。

PCA分析的第1軸解釋了灌草層四季色彩組合結構變異的31.0%～64.8%，第2軸解釋了17.3%～31.8%。第1軸的變化主要由綠色植物的比例決定，圖4B中，分布在右側的點說明綠色植物在植被面中占的比例較高，彩色植物比例較低；分布在左側的點則說明彩色植物比例較高，其中秋冬季以黃色為主導，春夏季則沒有占優(yōu)勢的彩色類型。第2軸變化的主導色彩在不同季節(jié)差異較大，春季主要由白色和黃色的比例決定，夏季由紫色主導，秋冬季則以紅色主導(圖4B)。春秋兩季中，休閑活動區(qū)的點更為分散，且大部分遠離綠色端，說明在灌木層，強調游客和景觀互動的休閑活動區(qū)，色彩配置更為豐富。

Spearman相關分析的結果與喬木相反，植被面面積與春、夏、冬季灌草色彩組合結構的比例無關，而秋季灌草色彩組合和植被面面積存在顯著負相關(P=0.037)，植被面面積越大，秋季灌草綠色植物比例越低，彩色植物的比例越高。

2.3 曲院風荷植物色彩的時空分布格局

2.3.1 單色彩時空分布格局

曲院風荷彩色植物的空間分布具有顯著的不均衡性，季相差異也較明顯(圖5)。其中，綠色植物在不同季相的空間分布較一致，集中分布于生態(tài)園區(qū)2與休閑活動區(qū)交界處；春夏季紅色和粉色的分布空間位置分離，而秋冬季兩者位置重合。春夏季紅色集中分布于觀賞游覽區(qū)紅綃翠蓋亭旁的大草坪周圍，粉色集中分布于休閑活動區(qū)的友好公園周圍；秋季紅色和粉色均集中分布于觀賞游覽區(qū)和休閑活動區(qū)交界處的蓼汀亭和真趣亭之間區(qū)域；冬季紅色和粉色均集中分布于觀賞游覽區(qū)紅綃翠蓋亭旁的大草坪片區(qū)。黃色在春、夏、冬季無明顯分布規(guī)律，秋季黃色存在明顯的熱點區(qū)與冷點區(qū)，主要聚集在生態(tài)園區(qū)2的水杉林片區(qū)，為曲院風荷秋季游人游玩的主要場所之一，作為行道樹的銀杏和無患子也增加了公園的黃色景觀；而生態(tài)園區(qū)1為秋季黃色分布最少的區(qū)域。

2.3.2 喬木色彩組合時空分布格局

色彩LIM的鄰域分析發(fā)現(xiàn)各植物個體對應的色彩組合特征與空間分布，各季節(jié)色彩組合的優(yōu)化熱點結果(圖5)表明，曲院風荷綠+紅組合在春季與冬季的空間分布位置相一致，夏季與秋季的空間分布位置相近，春冬兩季均集中分布于觀賞游覽區(qū)紅綃翠蓋亭旁的大草坪周圍，夏秋兩季集中分布于休閑活動區(qū)的友好公園附近；綠+粉組合在春、夏、冬季均集中分布于休閑活動區(qū)的友好公園周圍，秋季則無明顯的分布規(guī)律；紅+粉組合春夏兩季的空間分布規(guī)律相一致，均集中分布于休閑活動區(qū)的友好公園附近，冬季則集中分布于觀賞游覽區(qū)紅綃翠蓋亭旁的大草坪周圍，而秋季無明顯的分布規(guī)律。黃色組合在秋季運用最多，在春、夏、冬季中均無明顯分布規(guī)律，秋季集中分布于觀賞游覽區(qū)和休閑活動區(qū)交界處的水杉林附近(圖5B)。

3 結論與展望

利用LIM分析以及相關的統(tǒng)計和空間分析，發(fā)現(xiàn)植物色彩的應用面積、色彩的組成結構和空間分布均會隨植物季相的變化而發(fā)生改變，這種色彩的時空變化構建了曲院風荷公園四季不同的植物景觀。曲院風荷公園的四季植物色彩配置具有以下具體特征：

1)公園整體色彩格局中，常見植物色彩分為綠、紅、粉、黃4類。綠色為4季色彩基調，其他色彩為點綴，體現(xiàn)了統(tǒng)一與變化的原則。紅、粉、黃3色應用面積最大，主要以花灌木為主，灌木層春秋兩季的彩色面積占比分別為57.15%和45.24%；紅色為春季喬木層應用面積最大的彩色，面積占比達4.19%，粉色為灌木層應用面積最大的彩色，面積占比達21.30%；黃色為秋季應用面積最大的彩色，面積占比達29.86%，喬木層黃色面積比甚至超過綠色，占46.75%。

2)從色彩組合應用數(shù)量來看，從大到小依次為秋季>春季>夏季>冬季。從色彩應用的種類來看，春季最豐富，多為紅、粉、黃、綠4色的組合；夏、冬季常用的組合為紅、粉、綠3色間的組合；秋季多為黃、紅、綠3色間的組合。綠+紅組合在春、冬季主要集中分布于觀賞游覽區(qū)的草坪周圍，夏、秋季主要分布于休閑活動區(qū)的水岸；綠+粉組合均集中分布于休閑活動區(qū)；綠+黃組合主要分布于生態(tài)園區(qū)2。

3)不同功能區(qū)表現(xiàn)出了不同的植物色彩配置模式。生態(tài)園區(qū)中綠色植物的應用頻率顯著高于其他功能區(qū)，色彩季相變化相對單調。而人類活動較為頻繁的功能區(qū)，其季相變化則有一定區(qū)別。以觀景為主的觀賞游覽區(qū)，在喬木層的色彩配置較為豐富，特別是在冬季，具有最為豐富的色彩多樣性。而以游客互動為主的休閑活動區(qū)，和游客活動尺度相近的灌木層的色彩種類及季相變化最為豐富。各功能區(qū)色彩的差異和季相變化主要表現(xiàn)在色彩的體量和空間分布上，色彩組成比例在各功能區(qū)之間則無明顯差異。

4)植被面的面積會影響喬木的色彩組成比例，面積越大，綠色植物比例越低，彩色植物的比例越高；但是對于色彩更為豐富的灌草層，面積僅影響秋季的色彩組成比例。

5)本研究通過實地調查和GIS平臺構建了一個較為簡化的LIM模型，盡管該模型仍無法直接應用于景觀設計，但是可以較好地滿足特定的園林植物景觀的研究和分析，快速歸納植物色彩配置規(guī)律和空間特征。這類基于植物個體，突出研究目標特征的簡易LIM模型，對于不同園林要素的定量化，或者園林要素的特定屬性在園林中的景觀和生態(tài)效應研究，具有較好的實用價值。在統(tǒng)一的地理參考坐標和測量標準下，可以實現(xiàn)不同單位、不同研究項目的成果組合，將多個簡易LIM模型構成完整的LIM模型，輔助景觀規(guī)劃和設計。

本研究提出了一種在公園植物參數(shù)化基礎上，對園林植物色彩配置格局進行量化的LIM分析方法。在此數(shù)字化基礎上，可以通過比較不同年代、地區(qū)園林的色彩配置特點，分析園林設計思潮的歷史變遷和文化差異；也可以將色彩設計師主觀設計思想進行客觀的參數(shù)化轉換，便于具體的園林工程施工和植物選擇。此外，本研究區(qū)別于以園林要素或植物種為中心的LIM，而利用以個體為中心的簡易LIM模型進行植物特征配置的量化研究和統(tǒng)計分析，擴展了LIM的科研價值和設計指導價值。

由于調查時間和方法的局限，本研究也存在一些不足：如對研究中的數(shù)據(jù)多以喬木點要素進行分析，而灌木、草本多以片植、帶植的方式配置，無法形成點數(shù)據(jù)，只能通過將其顏色、數(shù)量等信息賦值于相應植被面，與喬木層點數(shù)據(jù)進行疊層分析，數(shù)據(jù)結構的不匹配對垂直層植物色彩的整體性研究具有一定的影響。

盡管在本研究中將公園植物分為喬木層和灌木層兩類，在定性水平上初步探討了植物色彩配置中的垂直差異。但是LIM模型中的植物數(shù)據(jù)重點關注對水平空間的量化，并沒有對植物色彩的垂直分布進行精確量化，無法考查植物色彩的垂直分布格局和景觀效果之間的關系。近年來，對城市景觀空間的研究已開發(fā)出了一系列3D景觀指數(shù)，在未來的研究中，可以考慮將3D景觀分析引入風景園林研究中，定量分析植物色彩在園林垂直空間中的景觀效應。

本研究對象為西湖曲院風荷公園的植物色彩，未來對植物色彩組合規(guī)律及空間分布規(guī)律的研究還可以從不同地域和園林類型進一步補充及驗證，并從人體工學、心理學、生態(tài)學等方面對其機制進行深入探討，或在色彩的基礎上，開展對游客生理和心理影響等研究，從而得出一個具有科學依據(jù)、能得到廣泛認同，并能對植物造景設計起到直接指導作用的園林植物色彩配置規(guī)律。未來還可以采用相同的方法對植物的其他要素進行研究，如植物形態(tài)間的組合規(guī)律，植物要素與其他景觀要素間的組合規(guī)律，如植物與建筑、水體等要素的組合規(guī)律。