基于數(shù)據(jù)量化分析的動(dòng)態(tài)視覺景觀規(guī)劃仿真

劉曉青，芮 瀟

(東南大學(xué)成賢學(xué)院，江蘇 南京 210088)

1 引言

景觀一般可以理解為某地區(qū)的綜合特征，其中包括人文、經(jīng)濟(jì)以及自然等方面[1]；一般的自然綜合體：主要是指地理各要素間互相聯(lián)系，互相制約、采用有規(guī)律結(jié)合所形成的內(nèi)部一致整體，分為不同等級(jí)區(qū)域或者是類型單位；區(qū)域概念，作為個(gè)體區(qū)域單位，就是相當(dāng)于綜合自然區(qū)域等級(jí)系統(tǒng)內(nèi)最小的一級(jí)自然區(qū)，是對(duì)應(yīng)一致發(fā)生與形態(tài)結(jié)構(gòu)同一個(gè)區(qū)域；類型概念主要是用來分類任何區(qū)域單位，即指互相合理地段按照外部特征類似性，將其歸成相同類型單位，例如森林景觀、草原景觀等[2]。

景觀規(guī)劃主要是指區(qū)域范圍內(nèi)完成景觀規(guī)劃，從區(qū)域基本屬性以及特征出發(fā)。其中設(shè)計(jì)規(guī)劃都包括：大眾行為心理主要從人類心理精神感受出發(fā)，依據(jù)人類在環(huán)境內(nèi)的行為心理以及精神活動(dòng)規(guī)律，采用心理文化引導(dǎo)，設(shè)計(jì)出令人積極向上、浮想聯(lián)翩以及賞心悅目的景觀；環(huán)境生態(tài)則是隨著現(xiàn)代環(huán)境的意識(shí)運(yùn)動(dòng)發(fā)展，從而深入景觀設(shè)計(jì)規(guī)劃的內(nèi)容，依據(jù)自然界內(nèi)生物學(xué)原理，采用人工材料、水體、土壤、動(dòng)植物、陽光以及氣候等，設(shè)計(jì)規(guī)劃出舒服良好的物理環(huán)境；而視覺景觀則是從人類視覺感受出發(fā)，通過實(shí)體空間景觀和美學(xué)規(guī)律，創(chuàng)造出賞心悅目的環(huán)境形象。這三種元素對(duì)于景觀感受起到的作用是密不可分、相輔相成的，采用以視覺為主的感受通道是借助與景觀環(huán)境的形狀，從而在心理引發(fā)觸景生情、心曠神怡等效果[3]。

景觀設(shè)計(jì)規(guī)劃還要以做到保護(hù)資源節(jié)約資源、尊重自然顯露資源和以人為本的體現(xiàn)博愛等原則。因?yàn)榫坝^設(shè)計(jì)規(guī)劃較為繁瑣，如果只是通過語言敘述，可能會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)者理解錯(cuò)誤、敘述不清等情況發(fā)生，很難獲得系統(tǒng)性設(shè)計(jì)，這樣很有可能導(dǎo)致在進(jìn)行規(guī)劃時(shí)出現(xiàn)偏差，甚至是失誤。所以需要通過數(shù)據(jù)量化分析的方式，進(jìn)行系統(tǒng)整理，使其更加嚴(yán)謹(jǐn)。為此本文提出一種基于數(shù)據(jù)量化分析的動(dòng)態(tài)視覺景觀規(guī)劃仿真方法，能夠很好保護(hù)景觀生態(tài)環(huán)境，降低空氣污染。

2 數(shù)據(jù)量化分析算法下景觀空間參數(shù)計(jì)算

2.1 景觀空間格局指標(biāo)

空間格局分析法主要是用來研究空間配置關(guān)系與景觀構(gòu)造組成特征的分析方法，對(duì)于景觀空間格局和異質(zhì)性的定量描述是對(duì)景觀過程、功能以及結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)。在通過異質(zhì)性與格局將景觀的時(shí)間過程以及空間特征相連接。即可分析與描述景觀的規(guī)律性[4]。

而景觀格局通常是指很多景觀過程長期作用產(chǎn)物，可以直接影響景觀過程，而不同的景觀格局對(duì)于景觀生態(tài)系統(tǒng)、種群或者是某個(gè)個(gè)體作用較大。具體計(jì)算方法如下所示：

1)人均綠地的面積MG，具體公式為

MG=Ai/P

(1)

式中：Ai代表綠地系統(tǒng)內(nèi)i類景觀面積，P代表所在地區(qū)人口。

2)綠地率G0，具體公式為

G0=Ai/S×100%

(2)

式中：S代表研究區(qū)域的總面積[5]。

3)多樣性的指數(shù)為H，其數(shù)值大小能夠反映出各景觀要素占據(jù)的比例變化以及景觀要素多少。在景觀利用單一要素所構(gòu)成時(shí)，則景觀為均質(zhì)的，多樣性的指數(shù)即為0；而利用兩個(gè)以上要素所構(gòu)成的景觀，在景觀類型占據(jù)的比例相等時(shí)，那么景觀多樣即為最高，導(dǎo)致各個(gè)景觀的類型占據(jù)的差異比例增大，具體計(jì)算公式為

(3)

上式中：H代表某地區(qū)景觀的多樣性指數(shù)，Pi代表此地區(qū)各個(gè)景觀面積以及此地區(qū)總面積比，m代表此地區(qū)內(nèi)景觀類型個(gè)數(shù)。

4)優(yōu)勢度指數(shù)代表景觀多樣性以及最大多樣性偏離的程度，或者敘述景觀是由少數(shù)幾個(gè)重要景觀類型所控制的程度，其優(yōu)勢度指數(shù)越大，那么說明偏離的程度就越大，組成各景觀的類型占據(jù)點(diǎn)的比例差異越大，或者說某種或者少數(shù)景觀種類占據(jù)優(yōu)勢；而優(yōu)勢度越小就越表明偏離的程度越小，組成景觀的各種類占據(jù)比例幾乎相同，如果優(yōu)勢度是0，代表構(gòu)成各景觀類型占據(jù)的比例是相等的，它的景觀全是均質(zhì)的，就是采用一種景觀類型構(gòu)成的。具體計(jì)算公式為

(4)

式中：D代表優(yōu)勢度指數(shù)，Pi代表景觀種類i所占據(jù)的面積比例，i代表景觀類型的總數(shù)，Hmax代表研究區(qū)域的多樣性指數(shù)最大值，而均勻度與優(yōu)勢度在其本質(zhì)上是相同的，其差異為生態(tài)學(xué)上的意義不相同，在實(shí)際上能夠任選其一。

5)均勻度指數(shù)E，主要是描述景觀內(nèi)不同景觀種類所分配的均勻程度，數(shù)值越大，則說明各組成的成分分配就越均勻。具有計(jì)算公式為

E=(H/Hmax)×100%

(5)

優(yōu)勢度與均勻度是相同的，同樣是敘述景觀通過極少數(shù)幾個(gè)主要景觀類控制程度，此兩個(gè)指數(shù)能夠互相彼此驗(yàn)證。

6)破碎度的指數(shù)表示被分割破碎程度，其在一定程度上能夠反映出人為對(duì)于景觀的干擾程度。利用斑塊密度的指數(shù)對(duì)破碎化程度進(jìn)行定量分析，而破碎度高低證明綠地對(duì)于城市生物的保護(hù)貢獻(xiàn)大小以及多樣性的維持，同樣能夠代表城市綠地的功能高低，具體公式公式為

Ci=Ni/A

(6)

式中：Ni代表景觀種類i斑塊的個(gè)數(shù)，A代表景觀總面積。

7)分離度指數(shù)表示某景觀種類內(nèi)斑塊個(gè)體分布或者不同元素的分離程度。其中分離程度越大，則說明在地域中的分布越分散，所采用的同類景觀距離最近指標(biāo)表示分離程度。具體計(jì)算公式為

ENN=Hij

(7)

式中：ENN代表景觀種類i分離程度，Hij代表某種景觀種類斑塊至距離最近的斑塊，該指標(biāo)廣泛應(yīng)用于衡量斑塊分離程度。

8)分維度的指數(shù)代表存在不規(guī)則形狀的對(duì)象復(fù)雜性，主要用來測試形狀復(fù)雜的程度。具體公式為

D=2log(P/4)/log(A)

(8)

在分維幾何內(nèi)，斑塊的周長與面積關(guān)系可以被定義成P=K(AD/2)。

式中：D代表分形的維數(shù)，P代表斑塊的周長，A代表斑塊的面積，它的常數(shù)K等于4。實(shí)際計(jì)算內(nèi)，D值通常位于1～2間，實(shí)際意義存在兩個(gè)方面：一是D值越趨近于1，那么斑塊自我的相似性就越強(qiáng)，形狀就越具有規(guī)律；二是D值越趨近于2，那么斑塊幾何形狀就越簡單，說明受干擾程度就越大。造成這個(gè)原因的是，人類干擾的斑塊通常是幾何形狀，比較規(guī)則。所以容易發(fā)生斑塊的形狀類似情況。若只從分維數(shù)自身的數(shù)學(xué)公式證明。其僅表示斑塊自我類似性而已[7]。

9)連通性指數(shù)代表景觀聚集程度，它的范圍是0～100間，具體公式為

(9)

關(guān)鍵種類占據(jù)景觀比例降低，且分成不連接的斑塊，斑塊結(jié)合度指數(shù)值趨近于0，在關(guān)鍵類型占據(jù)景觀比例增加，一直至漸進(jìn)于滲透理論閾值[8]。

2.2 景觀可達(dá)性影響因素

1)城市景觀可達(dá)性通常是指綠地服務(wù)效率和景觀綠地服務(wù)進(jìn)行體現(xiàn)，景觀綠地服務(wù)的規(guī)模以及服務(wù)的半徑等，現(xiàn)對(duì)于服務(wù)水平具有一定作用。具體景觀綠地的服務(wù)指標(biāo)含有服務(wù)面積比以及服務(wù)人口比，公式如下

(10)

(11)

2)景觀的服務(wù)效率作為衡量城市景觀綠地服務(wù)水平重要指標(biāo)，主要通過服務(wù)面積百分比形式所體現(xiàn)，具體公式為

(12)

3)人口密度是作為衡量城市的公共服務(wù)重要指標(biāo)，一般也用來評(píng)價(jià)景觀綠地服務(wù)能力指標(biāo)之一，而人口的密度是景觀綠地服務(wù)的面積和服務(wù)區(qū)域總面積比，具體公式為

(13)

4)城市路網(wǎng)作為一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造體系，因人口流量、交通流速以及道路等級(jí)等實(shí)際情況差異。所以路網(wǎng)密度是指景觀服務(wù)面積中道路的總長度和此服務(wù)區(qū)域的總面積比，具體計(jì)算公式為

(14)

5)景觀綠地的形狀指數(shù)作為空間構(gòu)造重要指標(biāo)，主要用來反映景觀的形狀特征，具體公式為

(15)

式中：Q代表景觀綠地的周長，M代表景觀綠地的面積，B代表形狀指數(shù)，而數(shù)值代表景觀綠地形狀和圓形相差程度，最小值是1。其中形狀的指數(shù)越大，代表綠地的形狀復(fù)雜程度就越大，且越不規(guī)則[9]。

3 動(dòng)態(tài)視覺景觀規(guī)劃

假設(shè)n″代表城市綠地景觀圖像像素最大至，p(i″，j″)代表景觀圖像的共生矩陣內(nèi)第i″行第j″列元素，(i″，j″)代表共生矩陣的灰度值，通過選擇4種應(yīng)用比較廣泛紋理特征敘述向量，以此對(duì)城市生態(tài)景觀進(jìn)行分析，而選擇的敘述向量分別是角二階矩ASM、相關(guān)系數(shù)COR、信息熵ENT以及對(duì)比度CON，具體計(jì)算公式為

(16)

(17)

(18)

(19)

式中：μx、μy與σx、σy分別代表景觀圖像處于x軸與y軸上均值以及標(biāo)準(zhǔn)差，式(19)代表景觀圖像粗糙紋理的部分，若元素p(i″，j″)集中于主對(duì)角線的附近，這時(shí)景觀圖像的對(duì)比度CON比較小[10]。若元素p(i″，j″)與景觀圖像的主對(duì)角線比較遠(yuǎn)，那么對(duì)比度CON值則比較大；式(18)可以度量景觀圖像的紋理特征向量；式(17)能夠衡量景觀灰度共生矩陣的每個(gè)元素間類似程度重要指標(biāo)；式(16)主要是用來評(píng)價(jià)景觀灰度分布程度度量的標(biāo)準(zhǔn)[11]。

相對(duì)于景觀系統(tǒng)圖像的各個(gè)方向灰度矩陣全都能夠計(jì)算上述，獲得4個(gè)紋理特征值，而景觀圖像四個(gè)方向灰度的共生矩，各個(gè)紋理特征全有和值所對(duì)應(yīng)的四個(gè)不同方向值，如果M(d)代表以上所計(jì)計(jì)算的4個(gè)紋理特征敘述向量處于4個(gè)方向上均值，那么就能夠獲得城市景觀系統(tǒng)的角二階矩、相關(guān)系數(shù)、信息熵以及對(duì)比度。具體計(jì)算公式如下所示

(20)

(21)

(22)

(23)

依據(jù)以上計(jì)算統(tǒng)計(jì)城市系統(tǒng)各種景觀4個(gè)紋理特征值間的差異狀況，并且與上述的空間格局指標(biāo)相結(jié)合，利用最大似然法實(shí)現(xiàn)分類，完成景觀布布局規(guī)劃，具體計(jì)算公式為

(24)

式中：We代表景觀類別集合，X代表景觀紋理特征的敘述向量，P(We/X)代表X掉落在We概率，在依據(jù)式(24)概率值大小，即可實(shí)現(xiàn)景觀布局的最佳規(guī)劃[12]。

4 仿真證明

4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

為驗(yàn)證本文方法的有效性，在MAT-LAB平臺(tái)下構(gòu)建景觀布局規(guī)劃模型，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真測試。將實(shí)際數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上構(gòu)建的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，觀察構(gòu)建的模型是否準(zhǔn)確，作為后續(xù)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)測試的基礎(chǔ)。

具體模型數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間的對(duì)比結(jié)果，如圖1所示，能夠看出，構(gòu)建的模型數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)幾乎相同，雖然會(huì)存在些許的偏差，不過總體上并不會(huì)影響數(shù)據(jù)的實(shí)際結(jié)果，以此說明在平臺(tái)上構(gòu)建的模型，可以用來進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。

圖1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

利用上述在平臺(tái)上構(gòu)建的模型，分析本文的布局規(guī)劃方法，同時(shí)預(yù)測未來6年內(nèi)的景觀植被面積，將預(yù)測結(jié)果數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，通過觀察植被的規(guī)劃面積驗(yàn)證本文方法的效果。

二者具體對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

圖2 景觀綠地植被的面積預(yù)測

通過觀察圖2能夠看出，經(jīng)過本文方法規(guī)劃后的景觀植被面積，呈現(xiàn)逐年上漲的趨勢，不過由于植被的面積與城市人類活動(dòng)的面積存在反比的關(guān)系，植被數(shù)據(jù)的增加，反之人類活動(dòng)的面積則減少，所以植被雖然逐年增加，不過后期增加的趨勢會(huì)較慢。

因?yàn)橹脖坏脑黾?，?huì)導(dǎo)致空氣中的二氧化碳含量降低，因此通過測試二氧化碳的含量，能夠反映出空氣環(huán)境的變化效果。所以在采用本文方法規(guī)劃后空氣中的二氧化碳含量，與歷史數(shù)據(jù)對(duì)比，觀察環(huán)境的改變。

具體對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 二氧化碳的含量預(yù)測

通過圖3能夠看出，作為實(shí)際樣本數(shù)據(jù)二氧化碳的含量較高，不過隨著本文方法對(duì)景觀進(jìn)行規(guī)劃后，植被的面積增加，二氧化碳的含量隨之在逐年的降低，最終趨向于穩(wěn)定。

通過以上實(shí)驗(yàn)證明：本文方法對(duì)于景觀規(guī)劃具有良好的效果，能夠改善地區(qū)生態(tài)環(huán)境，降低空氣污染。

5 結(jié)束語

本文所提的基于數(shù)據(jù)量化分析的動(dòng)態(tài)視覺景觀規(guī)劃仿真方法，可以有效改善景觀環(huán)境，降低空氣污染，提升居民的居住環(huán)境，保證健康。不過由于社會(huì)環(huán)境不斷變化，同樣布局規(guī)劃的方法也需要不斷更新變化，所以本文需要進(jìn)一步深入研究，確?？梢詫?shí)時(shí)與社會(huì)環(huán)境相結(jié)合，避免環(huán)境受到污染。