基于GIS的城市植物景觀空間層次規(guī)劃模型仿真

劉曉青,張繼之

(1. 東南大學成賢學院,江蘇 南京 210088;2. 南京農(nóng)業(yè)大學,江蘇 南京 210095)

1 引言

由于目前城市化水平不斷加深,城市建設(shè)也越來越好,人們的審美觀也隨之提高,針對一般住宅區(qū)、公共活動區(qū)域、公園、濕地以及各種娛樂休閑場所中的植物景觀規(guī)劃設(shè)計的要求也逐漸提升[1]。常規(guī)的城市植物景觀空間規(guī)劃方案已經(jīng)使得人們出現(xiàn)審美疲勞的現(xiàn)象,為提高城市景觀建設(shè)水平,需要設(shè)計者利用三維軟件設(shè)計將景觀對象按照設(shè)計理念進行虛擬成像,根據(jù)現(xiàn)實情況所需的層次感和美感來逐步進行空間層次規(guī)劃,以此得到更具美感的植物景觀規(guī)劃。但由于實際環(huán)境中,地形復雜、植物景觀隨天氣變化的多變性,城市和植物數(shù)據(jù)收集困難且誤差較大,整體規(guī)劃過程難度較高,不易實現(xiàn)。

國內(nèi)部分學者建立了一種大數(shù)據(jù)下植物景觀空間層次化規(guī)劃系統(tǒng),采用大數(shù)據(jù)技術(shù)采集植物景觀的現(xiàn)場數(shù)據(jù),按照植物種類和數(shù)量等參數(shù)進行初步排列,將序列作為初始值輸入至規(guī)劃系統(tǒng)中,完成規(guī)劃。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)覆蓋率較小,且沒有考慮到環(huán)境中多種因素影響,存在誤差較大的問題;文獻[2]以未來城市健康為主題給出生態(tài)可持續(xù)性的景觀空間層次規(guī)劃方法。求解多種植物的可持續(xù)發(fā)展概率,結(jié)合城市現(xiàn)場環(huán)境概率值建立規(guī)劃矩陣,給出最貼合實際空間情況的規(guī)劃參數(shù)。由于城市景觀具有動態(tài)變化特性,導致概率計算誤差較大影響整體規(guī)劃精準度。

為此,考慮上述問題,本文提出一種基于基于GIS(Geographic Information Science,地理信息科學)技術(shù)的城市植物景觀空間層次規(guī)劃方法。利用GIS技術(shù)具有的高效收集、存儲、管理、計算、分析、顯示和描述功能,將其應(yīng)用在城市植物景觀數(shù)據(jù)采集中,可以對原始數(shù)據(jù)進行初步的劃分處理,降低因原始數(shù)據(jù)種類較多和特征難以捕捉查找,導致的層次規(guī)劃誤差大的問題。建立權(quán)重判定矩陣,計算不同類型、大小、基數(shù)植物在景觀空間中的占比,將該權(quán)重值作為下一步空間規(guī)劃函數(shù)的初步參考,用于約束規(guī)劃誤差。規(guī)劃函數(shù)以植物權(quán)重為依據(jù),建立植物重要度序列,按照序列大小依次完成規(guī)劃,這種結(jié)合GIS技術(shù)的規(guī)劃方法適用性較強,不用考慮其它影響因素,且效率高,實用價值高。

2 植物景觀數(shù)據(jù)采集

本文采用GIS技術(shù)采集待規(guī)劃城市植物景觀現(xiàn)場數(shù)據(jù),設(shè)定GIS采樣收集器的采樣頻率[3]為fg(t),其中,g為儀器采集點到觀景點之間的弧線,用di來表示每個弧線之間的距離。將弧線范圍內(nèi)的全部數(shù)據(jù)看作一個采集子集[4],按照現(xiàn)場植物景觀的特征參數(shù)來設(shè)置GIS采集頻率,這樣采樣頻率越大其產(chǎn)生弧線越遠,檢測范圍也就越大,得到的數(shù)據(jù)量越多。

用t2來代表數(shù)據(jù)采集所需的總時間,數(shù)據(jù)采集表達公式為:

(1)

式中,s表示最大采樣面積;dn表示采樣點位置參數(shù);x1,x2,…,xn表示城市植物景觀中需要進行層次規(guī)劃的植被位置;k1,k2,…,kn表示待規(guī)劃植被的對應(yīng)特征系數(shù);ζ表示植被特征權(quán)重[5];d表示中心采樣點位置;kw表示城市建筑特征系數(shù)。

將采集得到的數(shù)據(jù)全部按照實時狀態(tài)T(x)進行序列分布,植物景觀的整體特征屬性用A={a1,a2,…,an}來表示,植物生長屬性用B={b1,b2,…,bn}來表示,得到規(guī)劃判別函數(shù)[6]為:

(2)

式中,sgn(Ai)表示模糊分類下植物景觀的特征總值;sgn(Bi)T表示植被在時間范圍T內(nèi)的生長速度;j表示預測系數(shù)[7]。

通過上述過程可將城市植物景觀數(shù)據(jù)按照植被的生長速度、實時優(yōu)良狀態(tài)以及占比位置等參數(shù)進行初步劃分,后續(xù)空間層次規(guī)劃算法可以以劃分后植被占比權(quán)重為參照依據(jù),重點考慮權(quán)重較大的植被數(shù)據(jù),這樣得到的規(guī)劃結(jié)果更精準且與實際情況較為貼合,有利于提高規(guī)劃質(zhì)量。城市植物景觀的種類和其它參數(shù)如表1所示。

表1 城市植物景觀空間植被參數(shù)

3 城市植物景觀空間層次權(quán)重確定

對于城市植物景觀空間層次的劃分與判定,植被所對應(yīng)劃分權(quán)重是決定規(guī)劃精準度的直接因素,權(quán)重計算精準度高,那么后續(xù)規(guī)劃效率和質(zhì)量也會很高?；诖?本文采用權(quán)重評價矩陣[8],計算不同類型植被在景觀空間中的層次占比,后續(xù)進行規(guī)劃時可按照占比權(quán)重實現(xiàn)高效規(guī)劃。操作步驟如下:

1)通過上述過程得到城市植被景觀數(shù)據(jù)的具體屬性參數(shù)后,建立影響權(quán)重矩陣,計算比較元素的相對權(quán)重值。采用方根法對同種植被的空間層次權(quán)重進行計算,矩陣用U2來表示,求解矩陣中每一行植被元素的乘積[9]：

(3)

計算植被i在景觀空間中占比權(quán)重wi的n次方根,表達公式為:

(4)

(5)

式中,ai表示所求植被的特征向量值。

由于城市植物景觀存在一定的動態(tài)變化特性,考慮到由此導致的誤差問題,將采用隨機檢驗法[11]驗證權(quán)重計算矩陣的精準性和實用性。計算權(quán)重矩陣U2的最大特征根λmax：

(6)

式中,Ai表示第i個植物的影響元素,表達公式為:

(7)

求解矩陣U2的一致性影響指標C·I：

(8)

求解矩陣U2的隨機一致性比率[12]C·R：

(9)

式中,R·I表示矩陣的隨機一致性指標,當C·R?0.1時,即判定該植物權(quán)重計算矩陣U2具備一致性,權(quán)數(shù)分配較為合理,后續(xù)進行空間層次規(guī)劃時可為其提供重要幫助;反之,則需根據(jù)現(xiàn)場參數(shù)反復進行調(diào)整,直至達到一致性標準水平。

將上述過程求解得到的城市植物景觀權(quán)重,按照敏感性大小進行等級劃分,在后續(xù)空間層次規(guī)劃時,可根據(jù)植物的敏感等級實現(xiàn)精準規(guī)劃,提高規(guī)劃的精準度和實用性,植物敏感性分級標準如表2所示。

表2 城市植物景觀空間敏感性分級標準

根據(jù)表2得出植物景觀空間的敏感性等級,空間層次規(guī)劃需要以矩陣中每一層次的權(quán)重因子[13]為基礎(chǔ),進行加權(quán)平衡后再進行規(guī)劃,可在最大程度上保證規(guī)劃的精準性。

4 城市植物景觀空間層次規(guī)劃實現(xiàn)

在城市植物景觀空間權(quán)重計算和數(shù)據(jù)采集過程的基礎(chǔ)上,采用大數(shù)據(jù)分析景觀空間層次規(guī)劃方法,以城市地面植被(草地、灌木、樹林以及湖泊)等為規(guī)劃樣本,計算不同植物類型在不同空間區(qū)域中的占比權(quán)重,以植物的相互位置對應(yīng)度為基礎(chǔ),按照對應(yīng)度大小建立規(guī)劃函數(shù),根據(jù)函數(shù)進行有序高效規(guī)劃。植物景觀空間規(guī)劃模型[14]為:

(10)

式中,f(w)表示植物在景觀空間中的占比權(quán)重;Tn表示規(guī)劃時間;xi表示植物的整體重要度大小;|V2|表示重要度序列[15]。

根據(jù)式(10)得到城市植物景觀在空間中的重要度大小數(shù)值,根據(jù)該數(shù)值查找景觀空間各個區(qū)域中與之匹配度最高的位置函數(shù),由此完成符合重要度和匹配度的高效規(guī)劃。本文采用的層次分析法得到植物的重要度描述結(jié)果如表3所示。

表3 城市植物景觀空間敏感性分級標準

5 仿真研究

5.1 仿真設(shè)置

本文以某城市園區(qū)為規(guī)劃對象,以園區(qū)內(nèi)植物位置擺放、重要程度排列、各個區(qū)域規(guī)劃為目標進行城市植物景觀空間層次規(guī)劃。為了使實驗結(jié)果直觀、清晰易判定,通過Matlab仿真軟件以圖像的形式進行表達。城市園區(qū)內(nèi)涉及的植物景觀數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 城市園區(qū)植物詳細數(shù)據(jù)

5.2 城市植物景觀空間層次規(guī)劃結(jié)果

通常情況下,城市園區(qū)中包含湖泊、公園、樹林以及各種地形樣貌,考慮到生活和工業(yè)便利等問題,整體地勢較為平坦,觀感較為平淡。而本文的空間層次規(guī)劃方法,需要通過植物、周圍建筑兩者間的相互襯托來起到觀景塑造的作用。為保證美觀性和實用性,規(guī)劃方法從細節(jié)入手,優(yōu)先來考慮園區(qū)整體形態(tài)的和諧性,再通過植被添加等細節(jié)完成層次規(guī)劃最后補充,形成較好的公園景觀輪廓形態(tài),規(guī)劃現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 城市園區(qū)景觀空間層次規(guī)劃現(xiàn)場示意圖

5.3 空間層次規(guī)劃結(jié)果對比分析

為提高規(guī)劃結(jié)果的直觀性和清晰性,將本文方法與大數(shù)據(jù)下植物景觀空間層次化規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計方法、基于生態(tài)可持續(xù)性主導下的室內(nèi)景觀空間規(guī)劃與設(shè)計方法進行對比分析,具體實驗結(jié)果如圖2～4所示。

圖2 層次化規(guī)劃系統(tǒng)法規(guī)劃結(jié)果

圖3 大數(shù)據(jù)法規(guī)劃結(jié)果

圖4 本文方法規(guī)劃結(jié)果

從圖2～4中可以看出,三種方法中本文方法的規(guī)劃結(jié)果是最合理的,以城市建設(shè)指標和人們的生活需求為基礎(chǔ),將樹林觀景和草地區(qū)域規(guī)劃在湖泊周圍,保證其生長和人們的觀賞需求,并將主要活動區(qū)域安排在建筑附近,提升便利性。并且各個區(qū)域占據(jù)比例較為標準,不會出現(xiàn)比例不符合實際應(yīng)用的情況;反觀另外兩種方法,整體規(guī)劃方案不符合實際生活邏輯,重點安排錯誤,整體規(guī)劃效果較差,實用價值不高。

本次實驗采用SBE(Sce Beauty Estima)植物景觀美學評價指標進行層次規(guī)劃有效性評價,SBE美景度評價法是一種可靠、敏感、有效、方便的森林景觀評價,該指標數(shù)值越高,代表規(guī)劃效果和景觀空間美觀性越強,基于此,得到城市園區(qū)景觀SBE值柱形圖如圖5所示。

圖5

從圖5中可以看出,經(jīng)過層次規(guī)劃后,城市植物景觀的SBE明顯上升且對比未規(guī)劃前上升幅度較大。說明本文層次規(guī)劃方法精準度和實用價值很高,應(yīng)用在實際情況中可為城市規(guī)劃提供幫助。

6 結(jié)論

本文提出一種基于GIS技術(shù)的城市植物景觀空間層次規(guī)劃仿真方法,采用GIS技術(shù)采集城市植物景觀數(shù)據(jù),計算不同植被在空間中的占比權(quán)重,將該權(quán)重值作為后續(xù)層次規(guī)劃法的條件函數(shù),

可大大降低算法的規(guī)劃誤差,本文以實際應(yīng)用效果為目的,將現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)與植物權(quán)重進行匹配,得到最佳的規(guī)劃策略,實驗結(jié)果表明,本文規(guī)劃方法的整體適用性較強,規(guī)劃方案符合邏輯。