基于模糊聚類準則的低碳環保植物美景度優化設計路徑
——以廣州市為例

王 琦

(長春電子科技學院，吉林 長春 130000)

1 引言

聚類分析是多元分析統計的一種方式，也是無監督模式的重要分支，其處理規則已在眾多領域中獲得了廣泛的應用。基于模糊聚類準則下低碳環保植物美景度的優化分析，更符合“雙碳”目標等環保理念。2021年10月，《中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》中明確指出：為推進經濟社會發展綠色轉型，各地要處理好發展和減排整體及局部的發展關系，將碳達峰和碳中和納入經濟社會發展全局中，堅定不移地走生態優先、綠色低碳的高質量發展道路[1]。因此，在“雙碳”目標的加持下，園林景觀設計也應積極選用低碳環保植物，以此提高園林景觀的觀賞質量。而在景觀設計中，如何對低碳環保植物美景度進行精準評價，并根據園林的類型不同選擇適宜的植物種類，已成為園林設計者首要解決的問題之一。

2 基于模糊聚類準則下低碳環保植物美景度的優化原理

綠色植物可通過光合作用將大氣中的二氧化碳轉化為植物體中的有機物，整個過程被稱為植物的固碳過程。在低碳環保植物的選擇中，要將植物的固碳性作為評價的重要標準[2]。通過對226種園林中常見植物(包括110種喬木、85種灌木、12種藤本植物、10種地被草本植物和9種竹類)進行光合速率測定，并將其轉化為單位面積的固碳量。從數據中可直觀看出，烏岡櫟、垂柳、糙葉樹、醉魚草、木芙蓉、烏桕等植物對二氧化碳的日吸收量較高，固碳能力較強；而另一些植物如欏木石楠、山茶、玉簪、蔓長春花等對二氧化碳的日吸收量較低，固碳能力則相對較弱。因此，在園林景觀設計中，要根據園林的類型不同，選擇適宜的低碳植物類型，以保證低碳環保植物在園林中落地生根，發揮凈化空氣的根本作用。基于低碳環保植物的固碳能力，在園林景觀設計中，低碳環保植物的美景度分析則是評價園林觀賞質量的重要標準。園林景觀設計低碳環保植物美景度的優化過程，是通過明確低碳環保植物美景度的數據集，針對不同觀賞者的觀賞標準進行數據化處理，計算出低碳環保植物美景度優化因素的母集，并給出單個植物景觀美景度在低碳環保植物美景度中的子集，組成園林景觀設計植物美景度優化矩陣，引入不同的低碳環保植物類型和評價因素，模擬美景度的評判標準，最終得出園林景觀設計中低碳環保植物美景度的具體得分。其優化原理的計算步驟如下。

在計算過程中，假設Qn代表在園林景觀設計中對低碳環保植物美景度有影響的第n個因素，Wnm代表第m個觀賞者對第n個景觀的評價數據，Enm代表第m個觀賞者對第n個景觀的評價等級，Tm代表第m個觀賞者所有觀賞評分的平均值，美景度的評價得分[3]公式:

(1)

式(1)中，Ym代表第m個觀賞者的評價者標準差，Um代表第n個低碳環保植物景觀的標準化得分。假設，由p代表園林景觀設計中低碳環保植物優化路徑的評價矩陣。p中第n行pn所代表的是被評價的美景度第n個評價因素的評價標準，低碳環保植物美景度優化因素母集[4]公式:

(2)

式(2)中，δ(v)代表低碳環保植物美景度的多元化因素，Wq代表不同低碳環保植物美景度的評價標準，knl代表在園林設計中低碳環保植物的配置層次，μm代表不同類別低碳環保植物美景的屬性特征。基于此，計算不同低碳環保植物搭配下的美景度數據，通過數據的對比，選擇最優的低碳環保植物搭配方式，完成對園林景觀設計中低碳環保植物美景度優化，以此提高園林景觀的觀賞質量。

3 基于模糊聚類準則下低碳環保植物美景度的優化路徑

3.1 低碳環保植物美景度評價因子的確定

設計人員要做到對園林景觀設計中低碳環保植物美景度的精準評析，首先應確定低碳環保植物美景度評價因子。其評價因子的主要類型、評價內容、評分占比見表1[5]。

表1 低碳環保植物美景度評價因子

從表1中可以看出，低碳環保植物美景度評價因子的評價共分為植物形態的判定、色彩與季節的適應、植物層次的構建、植物種類的選擇、視線吸引性的對比5大類型。在優化園林景觀低碳環保植物美景度的探索路徑中，設計人員應客觀性地評價低碳環保植物的美景度，立足與植物的生長情況，結合植物的生長特征，確保結果數據準確，切實提高園林景觀的觀賞質量[6]。

3.2 低碳環保植物美景度優化路徑

在探究園林景觀設計中低碳環保植物美景度的優化路徑中，設計人員要基于模糊聚類準則，對低碳環保植物美景度因子進行聚類，比較植物美景度因子之間的相似程度，并根據模糊聚類準則推斷出各類低碳環保植物美景度因子之間的輕重關系，構建美景度因子的劃分目標，具體優化路徑及計算過程如下所示[7]。

(1)假設，由D代表低碳環保植物美景度因子集的類型數量，利用式(3)計算出低碳環保植物美景度因子集a，b之間的相異度。公式為：

(3)

(2)假設，由S代表低碳環保植物美景度其中的因子集，利用式(4)計算出園林景觀設計中美景度模式空間Z的有限數據集：

(4)

其(4)中，sl代表低碳環保植物美景度的特征矢量，slm代表低碳環保制度美景度模式矢量的第m個特征。

(3)假設，由G代表低碳環保植物美景度因子的模糊聚類矩陣，vit代表矩陣G第i行第t列的元素，利用式(5)計算出G矩陣的實際數值:

(5)

式(5)中，μ(ω)代表低碳環保植物美景度值于園林景觀設計中其他要素之間的線性關系，η(F)代表影響低碳環保植物美景度美感的關鍵因素。

(4)假設，Mi由代表一個任意整數，利用式(6)計算低碳環保植物美景度因子模糊聚類準則函數:

(6)

式(6)中，σ(ω)代表低碳環保植物美景度量值，O(L)代表各類植物的組織結構特征，μ(M)代表各類植物種群的群落特征。

(5)假設，由X代表低碳環保植物美景度因子聚類的中心數，(x1,x2,x3,…,xn)代表模糊聚類準則的中心矩陣，prt代表第t組數據對第r個聚類中心的距離，利用式(7)計算出低碳環保植物美景度因子之間的輕重關系，構建植物分類的劃分函數:

(7)

式(7)中，Rs代表拉格朗日算子，η(i)代表滿足公式函數成立的最小值條件，α(t)代表模糊指數。

收集式(3)～式(7)所得出的計算數據后可以看出：在針對園林景觀設計中低碳環保植物美觀度的優化過程中，基于模糊聚類準則下的構建思想，更符合園林景觀設計的理念初衷。設計人員通過公式計算，將低碳環保植物的美景度因子進行聚類，總結了美景度因子的計算函數，明確了低碳環保植物美景度因子之間的輕重關系，為優化提升園林景觀設計中低碳環保植物的美景度提供理論基礎[8]。

4 實驗證明與討論——以廣州市公園為例

為證明基于模糊聚類準則下的構建思想能夠有效提升園林景觀設計中低碳環保植物的美景度，利用BIM技術中的3D模擬，以廣州市城市公園作為搭建背景，構建園林景觀設計中低碳環保植物美景度優化的仿真平臺。廣州市地處廣東省的中南部，珠江三角洲的北緣。東連惠州市博羅、龍門兩縣,西鄰佛山市的三水、南海和順德區,北靠清遠市市區、佛岡縣及韶關市的新豐縣,南接東莞市和中山市,隔海與香港、澳門特別行政區相望。廣州市地處亞熱帶沿海，屬于海洋性亞熱帶季風氣候，以溫暖多雨，光熱充足，夏季時間長，霜期時間短為特征，全面的平均氣溫在20～22 ℃左右，是中國年平均溫差最小的大城市之一，具有花城之城的美譽[9]。基于廣州市地理位置和氣候特點的鮮明特性，以廣州市為例所總結出的實驗結果更具說服力。因此，本實驗所需數據資源來自于2021年廣州市城市公園低碳環保植物美景度優化數據集，其實驗結果數據的對比分析如下所示[10]。

4.1 不同優化路徑下園林景觀的美景度對比

在園林景觀設計仿真平臺中，分別利用模糊聚類準則法和文獻[7]的操作方法，進行園林景觀設計中低碳環保植物美景度的優化實驗，對比2種方法下園林景觀設計中低碳環保植物美景度的可靠度與不同方法評價的正確率、工作效率以及時間復雜度，對比結果見圖1～圖4[11]。

圖1 不同方法下低碳環保植物美景度的可靠度對比

首先，從圖1中可以看出，基于模糊聚類準則進行園林景觀設計中低碳環保植物美景度優化的可靠度要遠高于文獻[7]中的設計方法[12]。因為，設計人員在利用基于模糊聚類準則的園林景觀設計中低碳環保植物美景度的優化方法時，一方面，明確了模糊聚類理論思想，并對園林景觀設計的美景度因子詳細分類；另一方面，將各類低碳環保植物的美景度因子進行聚類，得到了模糊聚類準則函數，后通過數據展示，清晰地反應出美景度因子之間的重要性關系，使低碳環保植物的美景度樣本清晰明確，從而保障了園林景觀設計中低碳環保植物美景度優化的可靠度。其次，從圖2～圖4的數據對比圖中可以看出，基于模糊聚類準則的優化方法的整體優勢要遠高于文獻[7]中優化方法。基于模糊聚類準則的優化方法具有評價正確率高、評價效率高、時間復雜度低的顯著特點。因為設計人員在利用基于模糊聚類準則的園林景觀設計中低碳環保植物美景度的優化方法時，建立了低碳環保植物美景度評價觀賞指標集，將觀賞者的評價轉化為了實際的數據分析，并獲取了園林景觀設計中的矩陣數據，使得設計人員在提高園林景觀中低碳環保植物優越度時，就可通過隨機的數據代入，得出最終的仿真結果，提高了優化路徑的工作效率[13]。

圖2 不同方法評價正確率對比

圖3 不同方法評價工作效率對比

圖4 不同方法評價時間復雜度對比

4.2 不同園林景觀類型下模擬前后美景度對比

基于廣州市城市公園的不同類型，選取越秀公園、火爐山森林公園、黃山魯森林公園作為模擬試驗對象，隨機選擇5塊樣地，對比基于模糊聚類準則下不同園林類型下模擬前后美景度數值，匯總數據如表2所示[14]。

從表2數據中可以看出，基于模糊聚類準則下，不同類型園林景觀設計中低碳環保植物的美景度數值較模擬前有了大幅度地提升。這說明，基于模糊聚類準則的園林景觀設計中低碳環保植物的優化方法適用于不同類型的園林景觀，是提升城市景觀美景度的全新嘗試，是提高當地園林景觀公園觀賞質量的必要手段[15]。

表2 不同園林景觀類型下的美景度對比

5 結論與討論

在探究園林景觀設計中低碳環保植物美景度的優化路徑中，要嚴格遵循模糊聚類準則，切實提升園林景觀的觀賞質量。

(1)利用公式(1)、(2)可計算得出城市公園的美景度評價得分和美景度優化因素母集，通過結果數據的對比分析，選擇最優的低碳環保植物搭配方式，以此提高園林景觀設計中低碳環保植物美景度數值。

(2)在基于模糊聚類準則下低碳環保植物美景度的優化路徑中，要確立低碳環保植物美景度評價因子，再通過假設低碳環保植物美景度因子集的類型數量、因子集、模糊聚類矩陣等方式，將低碳環保植物的美景度因子進行聚類，以此總結美景度因子的計算函數，明確低碳環保植物美景度因子間的輕重關系。

(3)通過利用BIM技術3D模擬搭建園林景觀設計平臺，進行對比試驗。經實驗結果表明：基于模糊聚類準則的園林景觀設計中低碳環保植物的優化方法，能有效提高園林景觀的觀賞質量。并在保證園林功能的前提下，選用喬木、灌木、地被等多層次的低碳環保植物種植，可為風景園林產業發展奠定良好基礎。