城市園林觀賞植物高效益配置模式構建

端偉彬 羅維勝 皇甫璁 郝恒波

(中材克普(北京)生態(tài)環(huán)境有限公司，北京 100068)

生態(tài)景觀是城市活動空間與自然生態(tài)環(huán)境營造的重要方式，生態(tài)景觀設計目的早已不局限于植物、流水空間的簡單配置，更要從宏觀角度考慮景觀布局規(guī)劃的協(xié)調性、統(tǒng)一性，滿足用戶獲取生態(tài)效益與心理效益的雙重需求[1]。此種改變需要結合傳統(tǒng)的景觀設計理論，綜合分析氣候、水文、植被、人文等環(huán)境因素對景觀規(guī)劃的影響，重新構造一套具有豐富內涵與功能的景觀配置布局方案[2]。分形理論在景觀設計中的實踐加深了生態(tài)環(huán)境可持續(xù)設計的嚴謹程度[3]，近幾年廣泛應用在各類景觀設計與配置領域。本研究基于分形理論構建園林觀賞植物高效益配置模式，借助GIS平臺完成可持續(xù)生態(tài)景觀的配置布局仿真，從分形結構、分形組織、分形元素3個方面對園林景觀植物進行配置，景觀設計過程中遵循自相似性準則，實現有序與無序生態(tài)元素的特定組合，該方法完全滿足研究區(qū)域生態(tài)景觀可持續(xù)發(fā)展的目標，可以吸引更多體驗者參與到城市生態(tài)建設中來。

1 園林觀賞植物高效益配置模式

分形理論用于空間內景觀配置與布局需從3個方面著手：平面、立面、裝飾[4]。在遵循空間景觀設計的基本原則基礎上，盡力縮短構建思想與現實應用之間的誤差，針對景觀配置布局的基本特征整合整體與局部：規(guī)劃景觀空間的整體功能；為具有差異性功能的區(qū)域實施分形，基于分形理論中的自相似性對研究對象的內部形態(tài)實施分解、實現內部形態(tài)再生。劃分研究對象的塊面，明確塊面結構，循序漸進地完善立面各部細節(jié)，將平面結構設計與立面細節(jié)設計相統(tǒng)一。

基于功能分區(qū)層次性、植物配置生態(tài)化、植物種植多樣性3個基本目標，從分形結構、分形組織、分形元素3個方面對園林植物進行配置[5]。本研究以分形結構理論為指導規(guī)劃園林觀賞植物配置的結構，凸顯功能分區(qū)層次性；以分形組織理論為指導計算植物配置的分形維數，實現植物配置的生態(tài)化；以分形元素理論為指導設計植物配置，彰顯園林觀賞植物配置的多樣性。該模式將結構規(guī)劃、維數計算、物種配置作為中介機制，實現植物高效益配置。

1.1 基于分形結構的功能分區(qū)層次性設計

基于分形理論中的縮放并置布局法與嵌套布局法對園林植物景觀的整體結構進行規(guī)劃。

1.1.1 縮放并置布局法

在形尺度層級原理指導下，以特定的方法組合那些形態(tài)存在差異但外觀較為一致的形體，這種并置關系是有序的，因此形成的群體具有自相似性且尺度層次豐富；從外觀上看來具有統(tǒng)一性，從內部結構看來形態(tài)多元。

1.1.2 嵌套布局法

嵌套是對于同一元素而言，這種變換要求同一個元素以差異性尺度空間為場所進行重復性的疊加行為，疊加行為可以是相同也可以是不同的，最終實現空間層次上的嵌套與迭代，局部與整體自相似的統(tǒng)一。這樣打造的景觀空間具有較強的趣味性與創(chuàng)新性，符合當代景觀空間審美標準。

1.2 基于分形組織的植物配置生態(tài)化設計

從分形組織理論來看，植物配置過程中合理的穩(wěn)定性與復雜性是凸顯其生態(tài)化特征的關鍵指標，而分形維數可用以描述園林觀賞植物配置的穩(wěn)定性與復雜性[6]，為此構建分形維數模型實現植物配置的生態(tài)化設計，進而評估景觀配置方案有效與否。

本研究構建的景觀分形維數模型：

(1)

式中，D表示景觀分形維數；r表示研究尺度；A和P為景觀圖斑面積與周長；C是常數項。

場所空間結構的分形維數是影響空間內景觀穩(wěn)定性與復雜性的主要因素，根據經驗得知，景觀斑塊較為規(guī)則其遭受人為活動的影響越大，因為斑塊受到破壞其邊緣形狀漸趨簡單，規(guī)則的景觀斑塊遭受人為活動影響的景觀斑塊之間的相似程度越大?？臻g內土地類型的分形維數可以表述土地利用的穩(wěn)定性與復雜性情況，穩(wěn)定性與分形維數的關系：

SI=|1.5-D|

(2)

此公式基于計算直線斜率獲得分形維數D，在理論上講，分形維數的取值區(qū)間為[1，2]，較為復雜的景觀斑塊的D值越大。基于上述公式可知，分形維D與取值1.5的關系：當D值無限趨近于1.5時，其對應的空間結構穩(wěn)定性越差，若D值在1.5以上說明當前景觀斑塊形狀趨向復雜；當D值不超過1.5時，代表當前景觀斑塊的形狀較為規(guī)則、邊界簡單；設定分形維D為1.5，表明所研究的景觀斑塊的狀態(tài)為隨機性質。

式(2)定義了穩(wěn)定性指數與維數的計算關系，穩(wěn)定性指數SI描述了景觀配置結構的穩(wěn)定程度，指數越大景觀空間結構越穩(wěn)定；相反，指數越小空間結構越不穩(wěn)定。

1.3 基于分形元素的植物多樣性設計

植物多樣性是園林觀賞植物配置的關鍵目標之一，從微觀層次而言，分形元素是植物實現多樣化設計的切入點。園林觀賞植物配置中的亭廊建筑、植物植被、硬質設施、山水小品都屬于分形元素。基于分形元素的植物多樣性設計即通過提煉設計主題與園林文化背后的深層次內涵，將分形手法和技術原理融會貫通，在分散、重構、組合分形元素的前提下獲得新的符合園林觀賞植物配置的文化分形，并將這種文化分形作為主要設計支撐不斷放大，形成創(chuàng)新性的園林觀賞植物配置方案，同時兼顧元素與周邊環(huán)境的自相似特性與動態(tài)平衡。

2 園林觀賞植物配置的GIS平臺技術支撐

在GIS平臺中完成景觀布局中的地形設計、植物仿真等工作，輔助研究區(qū)景觀達到可持續(xù)、多樣性的布局效果。

2.1 景觀布局中的地形設計

完成原始場地與設計的等高線相關數據向GIS平臺的導入工作，在3D Analyst模塊下操作生成不規(guī)則三角網模式的TIN地形數據視圖，完成視圖像向柵格地表模型的轉變[7]；在柵格計算器內求取地形設計的填挖柵格，填方處于柵格單元超過0的位置，挖方處于柵格單元低于0的位置，前者顏色較淺，后者顏色較深。高程模型需要為整數型才能按照其取值屬性表添加字段，進而完成填挖方計算，因此需要在此步驟之前將上一步驟獲取的高程模型轉換為以厘米為單位的，計算完成之后再將高程單位轉換為以米為單位。遵循上述步驟在GIS平臺中完成研究區(qū)域地形景觀的設計，此外，植物、水流等生態(tài)元素同樣在GIS平臺中模擬實現，過程不做贅述。

2.2 基于GIS的矢量數據分析與處理

景觀配置布局過程中，需將景觀元素原始CAD模型導入GIS平臺內處理并轉換為景觀仿真所需的三維模型待用，同時各類模型柵格數據的處理工作也在GIS平臺內完成[8]；圖件處理與數據統(tǒng)計借助Arc Map 10.2工具完成[9]。

3 案例分析

3.1 研究區(qū)概況

選取一個待建設開發(fā)的城市公園作為研究對象，對這個小型綠色開放空間進行景觀規(guī)劃設計，研究基于GIS平臺與分形設計理論實現。公園屬于城市景觀的核心構成，關乎城市生態(tài)系統(tǒng)構造的優(yōu)劣，旨在為城市居民提供一個體育休閑、人際交往、文化交流的生態(tài)場所，因此研究區(qū)生態(tài)景觀配置布局既要滿足景觀布局的多樣性，也要實現景觀的可持續(xù)發(fā)展。景觀“多樣性”要求規(guī)劃設計后的公園包含多樣性植物群落景觀、山石布景、水流、小型休閑建筑、人文景觀等景觀元素；“可持續(xù)性”要求規(guī)劃設計后的公園通過各種生態(tài)元素的協(xié)同作用提高生態(tài)環(huán)境質量，最大化利用有限的公園土地，提高公園景觀布局的經濟效益、生態(tài)效益、社會效益。

3.2 基于分形結構的功能分區(qū)層次性設計結果

本研究應用分形理論中的縮放配置與嵌套配置法布局公園景觀，見圖1。具體步驟：設計公園景觀的平面構圖，以分形結構為依據對景觀中的個體元素進行微調、縮放、旋轉等操作，基于縮放與嵌套法配置景觀，呈現的公園平面布局效果有整有零卻不散亂，給人一種看似不同但相互存在相似性的布局特征，形成一個系統(tǒng)化的生態(tài)景觀布局網絡，突出了植物種植層次性。

基于城市居民生活需求將此公園的功能劃分為4個類型：休閑娛樂區(qū)、體育鍛煉區(qū)、人文景觀區(qū)、文化交流區(qū)，對各區(qū)域進行大概的分形處理，效果如圖1a所示；基于縮放并置布局法與嵌套布局法對功能區(qū)域的邊界信息進行提取，得到最終的景觀功能區(qū)域規(guī)劃結果，如圖1b所示。此舉令公園內部的4大功能分區(qū)的輪廓維度與公園邊界輪廓、四周環(huán)境輪廓維度形成一致，這是分形理論對景觀配置規(guī)劃的主要特征之一。分形設計后公園人文景觀與自然景觀實現了明顯的功能區(qū)分，為植物分區(qū)層次性打下良好基礎。

使用分形結構理論除了規(guī)劃研究區(qū)的功能外，同時實現了園林觀賞植物的科學配置與布局，基于分形理論呈現的植物景觀布局情況如圖2所示。布局公園植物景觀過程中，以“植物樹葉”為原型設計植物在空間上的序列，借鑒樹葉的形狀初步得到植物景觀布局的雛形；以葉片的底部為植物景觀布局的起點，將葉片主脈絡作為植物景觀布局的主路線，經過層層縮放與嵌套操作，形成“葉脈式”的植物景觀規(guī)劃格局。

圖2 基于分形理論的園林植物景觀布局圖

研究區(qū)以“葉脈”作為植物景觀布局的原型，充分考慮了公園中各個角落的地理位置重要性，沒有忽略公園邊緣位置與角落位置植物的配置工作。由于公園為長條形狀，“葉脈式”植物景觀格局減少了植物沿著豎向直線布局植物群落的單調與乏味，增添了植物布局的個性化意味，這也是分形理論在植物景觀布局中的重要意義所在，既保障植物種植的可持續(xù)性又維持了植物布局的多樣性，也凸顯了植物分區(qū)的層次性。

3.3 基于分形組織的植物配置生態(tài)化設計結果

由表1可知，基于本方法配置布局后的植物景觀格局的分形維數差異較小，休閑娛樂區(qū)、人文景觀區(qū)和文化交流區(qū)的分形維數均達到1.3，體育鍛煉區(qū)域分形維數達到1.2。該數據表明，公園的4個功能區(qū)域中體育鍛煉區(qū)域板塊形狀相對簡單，其他3個區(qū)域景觀斑塊形狀相對復雜；由于體育鍛煉區(qū)域需要一定的空閑區(qū)域作為居民活動的空間，景觀斑塊形狀簡單降低了空間布局的復雜性，這一點與公園區(qū)域的實際功能劃分相符，驗證了本方法的有效性。

表1 本研究方法布局的園林植物景觀分形維數情況

此外，人文景觀區(qū)分形維數相對其他3個區(qū)域更接近于1.5，基于穩(wěn)定性指數計算公式得知，人文景觀區(qū)空間結構的穩(wěn)定性相對較差，體育鍛煉區(qū)域的空間結構的穩(wěn)定性相對突出?？蓞⒖荚摂祿珗@的4個功能區(qū)域進行規(guī)劃與功能更新，通過優(yōu)化植物景觀、人文景觀布局來不斷提升人文景觀區(qū)的穩(wěn)定性，實現整個公園的可持續(xù)發(fā)展。

4 結論

本研究基于分形理論構建了園林觀賞植物高效益配置模式，以GIS技術為載體實現了可持續(xù)生態(tài)景觀仿真布局，在園林景觀配置實驗中取得了理想的布局效果，該方法優(yōu)勢：由于園林觀賞植物配置的目標是多元化的，所以本研究利用分形理論中的分形結構、分形組織、分形元素等分別指導植物的結構規(guī)劃、維數計算、物種配置，實現了植物種植功能分區(qū)層次性、植物配置生態(tài)化、植物種植多樣性等基本目標；使用分形理論中的自相似性特征布局公園空間內的植物景觀，綜合運用縮放并置布局法與嵌套布局法實現了空間層次上的嵌套與迭代規(guī)律，達到公園局部植物與整體景觀格局的自相似統(tǒng)一。如，以“葉脈”作為公園植物景觀布局的路徑，充分展現了分形理論的自相似性特征，這種布局方法既保障了景觀可持續(xù)設計的基本要求，又滿足了當代城市景觀設計的個性化需求。