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)劃方案已經使得人們出現審美疲勞的現象,為提高城市景觀建設水平,需要設計者利用三維軟件設計將景觀對象按照設計理念進行虛擬成像,根據現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,城市和植物數據收集困難且誤差較大,整體規(guī)劃過程難度較高,不易實現。

國內部分學者建立了一種大數據下植物景觀空間層次化規(guī)劃系統(tǒng),采用大數據技術采集植物景觀的現場數據,按照植物種類和數量等參數進行初步排列,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)數據覆蓋率較小,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,結合城市現場環(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。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)技術的城市植物景觀空間層次規(guī)劃方法。利用GIS技術具有的高效收集、存儲、管理、計算、分析、顯示和描述功能,將其應用在城市植物景觀數據采集中,可以對原始數據進行初步的劃分處理,降低因原始數據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。建立權重判定矩陣,計算不同類型、大小、基數植物在景觀空間中的占比,將該權重值作為下一步空間規(guī)劃函數的初步參考,用于約束規(guī)劃誤差。規(guī)劃函數以植物權重為依據,建立植物重要度序列,按照序列大小依次完成規(guī)劃,這種結合GIS技術的規(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 植物景觀數據采集

本文采用GIS技術采集待規(guī)劃城市植物景觀現場數據,設定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。將弧線范圍內的全部數據看作一個采集子集[4],按照現場植物景觀的特征參數來設置GIS采集頻率,這樣采樣頻率越大其產生弧線越遠,檢測范圍也就越大,得到的數據量越多。

用t2來代表數據采集所需的總時間,數據采集表達公式為:

(1)

式中,s表示最大采樣面積;dn表示采樣點位置參數;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)劃植被的對應特征系數;ζ表示植被特征權重[5];d表示中心采樣點位置;kw表示城市建筑特征系數。

將采集得到的數據全部按照實時狀態(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[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內的生長速度;j表示預測系數[7]。

通過上述過程可將城市植物景觀數據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重為參照依據,重點考慮權重較大的植被數據,這樣得到的規(guī)劃結果更精準且與實際情況較為貼合,有利于提高規(guī)劃質量。城市植物景觀的種類和其它參數如表1所示。

表1 城市植物景觀空間植被參數

3 城市植物景觀空間層次權重確定

對于城市植物景觀空間層次的劃分與判定,植被所對應劃分權重是決定規(guī)劃精準度的直接因素,權重計算精準度高,那么后續(xù)規(guī)劃效率和質量也會很高。基于此,本文采用權重評價矩陣[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)劃時可按照占比權重實現高效規(guī)劃。操作步驟如下:

1)通過上述過程得到城市植被景觀數據的具體屬性參數后,建立影響權重矩陣,計算比較元素的相對權重值。采用方根法對同種植被的空間層次權重進行計算,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]驗證權重計算矩陣的精準性和實用性。計算權重矩陣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,即判定該植物權重計算矩陣U2具備一致性,權數分配較為合理,后續(xù)進行空間層次規(guī)劃時可為其提供重要幫助;反之,則需根據現場參數反復進行調整,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,可根據植物的敏感等級實現精準規(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重因子[13]為基礎,進行加權平衡后再進行規(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

在城市植物景觀空間權重計算和數據采集過程的基礎上,采用大數據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)域中的占比權重,以植物的相互位置對應度為基礎,按照對應度大小建立規(guī)劃函數,根據函數進行有序高效規(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]。

根據式(10)得到城市植物景觀在空間中的重要度大小數值,根據該數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,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 仿真設置

本文以某城市園區(qū)為規(guī)劃對象,以園區(qū)內植物位置擺放、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)內涉及的植物景觀數據如表4所示。

表4 城市園區(qū)植物詳細數據

5.2 城市植物景觀空間層次規(guī)劃結果

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)劃現場如圖1所示。

圖1 城市園區(qū)景觀空間層次規(guī)劃現場示意圖

5.3 空間層次規(guī)劃結果對比分析

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

圖2 層次化規(guī)劃系統(tǒng)法規(guī)劃結果

圖3 大數據法規(guī)劃結果

圖4 本文方法規(guī)劃結果

從圖2～4中可以看出,三種方法中本文方法的規(guī)劃結果是最合理的,以城市建設指標和人們的生活需求為基礎,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)域占據比例較為標準,不會出現比例不符合實際應用的情況;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,應用在實際情況中可為城市規(guī)劃提供幫助。

6 結論

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

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