馬冰倩，徐程揚(yáng)，崔 義

(北京林業(yè)大學(xué) 省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,干旱半干旱地區(qū)森林培育和生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

城市森林建設(shè)快速發(fā)展的今天，尚有一些以風(fēng)景游憩為主的林分存在“有林缺景”等問題，八達(dá)嶺因長(zhǎng)城盛名已久，每年都匯集大量的游客，但長(zhǎng)城周邊的林分多以生態(tài)服務(wù)功能為主[1]，風(fēng)景吸引力不高，因此提高景觀美學(xué)質(zhì)量可促進(jìn)森林旅游。研究表明，植物色彩是影響森林美學(xué)質(zhì)量和促進(jìn)公眾身心健康的重要影響指標(biāo)[2]，相較聽覺、嗅覺和觸覺等感覺，視覺是景觀美學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)中最主要的途徑，而色彩是刺激最強(qiáng)烈的視覺語(yǔ)言，在傳達(dá)景觀視覺特征時(shí)要比景觀的其他要素更加直接和重要[3]公眾通過色彩引起的視覺反映和心理聯(lián)想來表達(dá)和評(píng)價(jià)對(duì)景觀的喜好程度[4]，可見，景觀色彩是連接公眾審美和美學(xué)質(zhì)量提升的重要紐帶。

國(guó)內(nèi)外對(duì)城鎮(zhèn)森林色彩的研究主要包括植物變色機(jī)理及影響因素[5-9]、景觀色彩搭配和運(yùn)用[10]、景觀色彩傳達(dá)尺度[3]、色彩斑塊特征[11-12]、景觀色彩主色相三要素[13]等對(duì)美學(xué)質(zhì)量的影響，總體來說，較大尺度、色彩組合較為復(fù)雜的景觀色彩對(duì)公眾心理影響的研究不足。其次，各研究中色彩解譯的方法也不盡相同，主要是目視對(duì)照[14]、儀器測(cè)量[15]以及軟件提取[13,17]。且盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者在色彩提取等方面做了許多探索與嘗試，但每種方法的研究力度不夠，重復(fù)度不高[3]。基于以上原因，本文從整體景觀色彩角度出發(fā)，利用Python軟件提取八達(dá)嶺林場(chǎng)秋季景觀色彩像素[16]、非等額劃分色彩空間[17]，構(gòu)建色彩組成和比例關(guān)系等指標(biāo)并解釋美景度，將色彩美學(xué)、色彩心理學(xué)融入景觀質(zhì)量評(píng)價(jià)中，探討八達(dá)嶺景觀整體美學(xué)質(zhì)量的提升策略。研究結(jié)果可為其他城鎮(zhèn)森林景觀質(zhì)量提升和可持續(xù)管理[18]提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

八達(dá)嶺林場(chǎng)位于北京市延慶縣境內(nèi)，地理坐標(biāo)為116°11′12″-116°11′33″E，39°57′38″-39°58′12″N，平均海拔780 m，年均氣溫10.8℃，無霜期160 d左右，年均降水量為454 mm，多集中在7、8月，且多暴雨，年均相對(duì)濕度56.2%，年均風(fēng)速約3.1 m/s。林場(chǎng)土壤主要是山地褐土，土層厚度30 cm左右，腐殖質(zhì)層2～4 cm。

研究區(qū)森林覆蓋率約為93.57%，各林分群落郁閉度都在0.7～1.0。喬木層中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的樹種是側(cè)柏、油松，其次為山桃、刺槐、黃櫨等樹種，據(jù)植物調(diào)查統(tǒng)計(jì)：蕨類植物有8科18種、裸子植物有3科8種、被子植物83科513種。研究區(qū)植被多為20世紀(jì)50～60年代營(yíng)造的人工林，由于當(dāng)時(shí)造林的出發(fā)點(diǎn)是考慮國(guó)際觀瞻需要，主要目的是調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、凈化城市空氣、減輕大氣污染、阻隔風(fēng)沙危害、控制水土流失、涵養(yǎng)山區(qū)水源，觀賞效果考慮的少，林分美景度相對(duì)較低。八達(dá)嶺是著名旅游區(qū)，人流量大，但現(xiàn)階段的景觀配置吸引力不高，因而對(duì)秋季景觀整體美學(xué)質(zhì)量的合理性研究十分有必要。

2 研究方法

2.1 照片拍攝、篩選與評(píng)判

拍攝八達(dá)嶺林外景觀作為美景度評(píng)價(jià)及色彩量化分析的基礎(chǔ)資料。拍攝原則：晴天，8:30-10:30，由同一個(gè)拍攝者使用同一臺(tái)相機(jī)，從不同觀測(cè)點(diǎn)拍攝研究樣地，順光拍攝；拍攝者直立拍攝，鏡頭位置與雙眼等高，一律采用橫拍。遵循以上原則并結(jié)合Photoshop@處理圖像，最終選擇54張景觀照片作為試驗(yàn)樣本。

2.2 照片的評(píng)價(jià)方法及美景度等級(jí)劃分

2.2.1 美景度SBE計(jì)算方法 照片的視覺美學(xué)評(píng)價(jià)采用Daniel & Boster(1976)[19]的美景度評(píng)判法(scenic beauty estimation，SBE)，評(píng)判者均來自網(wǎng)絡(luò)(https://www.wjx.cn/jq/18039909.aspx)，通過問卷星平臺(tái)發(fā)放問卷并進(jìn)行打分，共發(fā)放114份問卷，回收114份，有效問卷110份。

每個(gè)景觀的美景度值按照Daniel[19]等方法計(jì)算如下：

2.2.2 景觀美學(xué)質(zhì)量等級(jí)劃分 為直觀表達(dá)景觀色彩因子與美景度之間的關(guān)系，采用等差法將美景度劃分為5個(gè)等級(jí)[20]，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ分別代表景觀質(zhì)量最好、好、一般、差和最差，各景觀分類范圍如下：

Xi=[(SBEmax-SBEmin)(Ai-20%)+SBEmin，(SBEmax-SBEmin)Ai+SBEmin]

式中，X為等級(jí)，i分別取值Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，Ai為等差數(shù)，AⅠ=100%、AⅡ=80%、AⅢ=60%、AⅣ=40%、AⅤ=20%，SBEmax為美景度最大值，SBEmin為美景度最小值。

2.3 照片色彩采樣方法與色彩量化

2.3.1 樣點(diǎn)采集 照片均為4 200像素×2 800像素，分辨率為72 dpi，采用網(wǎng)格法(100像素×100像素)布設(shè)采樣點(diǎn)，提取像素點(diǎn)的H(色相)、S(飽和度)、V(明度)及每個(gè)像素點(diǎn)的坐標(biāo)值，每張景觀照片采集1 247個(gè)樣點(diǎn)。為避免極端像素(白色天空和照片中過暗像素)對(duì)景觀色彩數(shù)據(jù)造成影響，在計(jì)算時(shí)需要將其剔除[17]。

2.3.2 色彩量化理論依據(jù) 本文采用HSV色彩空間來描述圖像的整體顏色特征。HSV 色彩模式是基于人眼的一種顏色模式，主要依據(jù)人眼的視覺接受體系來進(jìn)行色彩空間描述，其中H代表色相；S代表飽和度；V代表明度，一幅圖的顏色一般很多，直接用HSV描述色彩比較復(fù)雜，本文量化3個(gè)顏色分量，合為一維特征矢量，具體方法參照田玉敏[17]，并依據(jù)八達(dá)嶺秋季景觀色彩特征，本研究把色調(diào)h分為16份，飽和度s和亮度v分別分成4份，量化后的色相、飽和度和明度值分別為H、S、V。

h、s、v取值區(qū)間均為前開后閉，按照以上的量化級(jí)把3個(gè)顏色分量合為一維特征矢量，即

L=H×Qs×Qv+S×Qv+V

(1)

式中，Qs、Qv分別是S、V的量化級(jí)數(shù)，取Qs=4，Qv=4，因此，最終表達(dá)式為：

L=16H+4S+V

(2)

從權(quán)重分布來看，色相是區(qū)分色彩特點(diǎn)的主要因素[5]。

2.3.3 色彩組成特征指標(biāo)量化 本研究選擇色相指數(shù)、飽和度指數(shù)、明度指數(shù)、主色相比例、鄰近色比例、互補(bǔ)色比例、冷、暖色調(diào)比例、色彩多樣性、色彩均勻度和天空比例等[3,13,21-23]量化整體景觀色彩(表1)。

2.4 數(shù)據(jù)處理

使用輔助軟件Python3.6從景觀照片中提取景觀色彩像各像素點(diǎn)的色相、明度和飽和度，利用R3.4.2和Orgin9.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計(jì)分析和ANVOA分析及繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀美學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)及等級(jí)劃分

八達(dá)嶺不同觀賞視點(diǎn)的景觀美學(xué)質(zhì)量得分范圍為-45.47～46.30，均值為6.22(圖1)，變異系數(shù)為3.744%<15%，柯爾莫哥羅夫-斯米爾諾夫檢驗(yàn)(Kolmogorov-Smirnov test)表明分析數(shù)據(jù)是正態(tài)分布的(D=0.089,P=0.358>0.05)，可直接進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

從美景度等級(jí)劃分特點(diǎn)來看(圖1)，美景值各等級(jí)箱線圖無特異值，表明該美景值分級(jí)方法適用，分級(jí)效果較合理；美景值散點(diǎn)主要分布在等級(jí)Ⅱ和等級(jí)Ⅲ中，Ⅰ、Ⅳ和Ⅴ等級(jí)分布較少，研究樣地中美景值最高為46.30，最低為-45.47；數(shù)量分布曲線峰值略偏左，可見美學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)多為一般及以上等級(jí)。綜合來看，評(píng)價(jià)者中多數(shù)比較喜愛八達(dá)嶺秋季景觀。

3.2 色彩指標(biāo)與景觀美學(xué)質(zhì)量之間的關(guān)系

3.2.1 ANOVA分析 不同等級(jí)景觀的美景值與景觀色彩因子的方差分析表明，景觀色彩明度(P=0.031)、色彩鄰近色(P=0.039)、互補(bǔ)色比例(P=0.025)、色彩多樣性指數(shù)(P=0.042)與色彩均勻度指數(shù)(P=0.029)對(duì)美景度值有顯著影響，而不同美景度等級(jí)之間的色彩色相(P=0.148)、飽和度(P=0.377)、主色相比例(P=0.790)、冷暖色調(diào)比(P=0.935)和天空比例(P=0.305)對(duì)景觀美學(xué)質(zhì)量無顯著影響。后續(xù)僅探究與美景度有顯著差異的景觀色彩因子。

表1 八達(dá)嶺秋季景觀色彩組成特征量化指標(biāo)

注：(1)主色相比例RM：主色相即林分色相面積比重最大的色相；(2)鄰近色比RN：色相環(huán)中相距60°或相隔五六個(gè)數(shù)位的兩色為鄰近色關(guān)系，本文取主色相的鄰近色；(3)互補(bǔ)色比RC：互補(bǔ)色指在色環(huán)上間隔180°的2種顏色，本文取主色相的互補(bǔ)色；(4)冷、暖色調(diào)比RT：紅、橙色給人以溫暖的感覺，而藍(lán)、青色則讓人覺得寒冷，因此常把紅、橙等顏色稱為暖色，而把青、藍(lán)等顏色當(dāng)作冷色[15]，本文中冷色調(diào)和暖色調(diào)像素點(diǎn)取值分別為135°～285°和345°～135°；(5)天空比例RS：通過Photoshop@軟件將景觀中的天空均處理為白色(h=0,s=0,v=1)并提取總面積。

圖1 八達(dá)嶺秋季景觀各等級(jí)美景值特點(diǎn)

多重比較表明(圖2)，RV在等級(jí)Ⅰ和Ⅱ時(shí)差異不顯著，而與其他等級(jí)之間有顯著差異，可見高明度景觀更受公眾喜愛；RN在等級(jí)I時(shí)其值最低，且與其他等級(jí)之間有顯著差異，RC在等級(jí)Ⅰ、Ⅱ時(shí)差異不顯著與其他3個(gè)等級(jí)之間差異顯著，整體上這兩個(gè)色彩指數(shù)隨著美景度等級(jí)降低，其值增加，從色彩心理學(xué)和色彩美學(xué)角度來看，在景觀主色調(diào)確定的情況下，適量的鄰近色和互補(bǔ)色可以提高色彩的醒目度，對(duì)比適宜，主次得當(dāng)，而不喧賓奪主，過高的鄰近色和互補(bǔ)色，使整個(gè)景觀趨于平和一致，缺乏視覺吸引力；HL和EL變化趨于一致，具體表現(xiàn)為隨美景度等級(jí)先降后升的特點(diǎn)，由此可見，多樣且均勻的色彩可以提高景觀美學(xué)質(zhì)量，但色彩過于繁多的景觀，視覺感知復(fù)雜，抓不到重點(diǎn)，反而降低了美景值。

3.2.2 景觀模型構(gòu)建 利用R.3.4.2中回歸分析法構(gòu)建景觀模型。為了確保結(jié)果的可信度，在回歸分析之前進(jìn)行了數(shù)據(jù)多重共線性檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)k<100，說明共線性程度小，如果1001 000，存在嚴(yán)重的多重共線性，本研究中，k=39.678<100，可見模型解釋變量之間共線程度小。

分別用線性回歸、逐步線性回歸、二次多項(xiàng)式和二次多項(xiàng)式逐步回歸進(jìn)行模型擬合。不同的回歸模型中，二次多項(xiàng)式模型的決定系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于線性模型(表2)，而二次多項(xiàng)式逐步回歸模型優(yōu)于二次多項(xiàng)式模型，其決定系數(shù)R2=56.48，P<0.001，方程線性F檢驗(yàn)中，F(xiàn)=10.83，檢驗(yàn)結(jié)果達(dá)到極顯著水平，本模型可作為八達(dá)嶺秋季景觀色彩組成美學(xué)質(zhì)量預(yù)測(cè)模型。

圖2 景觀色彩斑塊與美景度之間的關(guān)系

模型類型模型表達(dá)式R2FP線性模型回歸模型SBE=1.014-0.168V-0.312RN-0.438RC-0.402HL+0.186EL36.167.000.000逐步回歸模型SBE=0.969-0.305RN-0.288RC-0.315HL35.5010.730.000二次多項(xiàng)式模型回歸模型SBE=1.421-0.705V-1.036RC-0.238HL+0.553EL-2.237RN+0.356V2+0.736RC2+0.054HL2-0.613EL2+1.859RN255.097.500.000逐步回歸模型SBE=1.272-0.324V-1.338RN+0.624RC-2.074HL+1.061RN2-0.754RC2+1.738EL256.4810.830.000

表3 二次多項(xiàng)式逐步回歸法分析結(jié)果

4 討論

在美景度評(píng)價(jià)中，公眾對(duì)八達(dá)嶺秋季景觀的評(píng)價(jià)主要集中在等級(jí)II和等級(jí)III，這可能是因?yàn)榘诉_(dá)嶺秋季景觀以暖色調(diào)為主，目前公認(rèn)的色彩心理學(xué)說表示，暖色調(diào)比冷色調(diào)更具有生理刺激性[24]，對(duì)比秋季的蕭條，暖色給人以活力和親切感，人在心理上更愿意接近[25]，因而SBE美景度評(píng)價(jià)等級(jí)偏高。

不同的色彩組成要素對(duì)八達(dá)嶺林場(chǎng)景觀整體色彩美學(xué)質(zhì)量的影響不同。公眾是景觀質(zhì)量評(píng)價(jià)的參與者，心理學(xué)家認(rèn)為，人的第一感覺就是視覺，視覺可以感知物體的形態(tài)、紋理和色彩，而色彩是視覺重要的傳達(dá)語(yǔ)言[26]，本研究從整體景觀色彩出發(fā)，解譯景觀色彩像素，基于色彩三屬性構(gòu)建了一維色彩參數(shù)，將色彩分為非等額256類，構(gòu)建了整體色彩結(jié)構(gòu)要素與美景值之間的二次逐步回歸模型，模型解釋力達(dá)56.48%。研究表明，整體景觀色彩的綜合因子(色彩多樣性、色彩均勻度等)較單個(gè)色彩要素(色相、飽和度和明度)而言，前者對(duì)美景度的貢獻(xiàn)大。八達(dá)嶺景觀色彩跨度大，多樣性普遍偏高，在這一情況下，再提高景觀的色彩數(shù)量，反而會(huì)降低景觀質(zhì)量，而隨著色彩均勻度的提高，整體美學(xué)質(zhì)量呈上升趨勢(shì)，從公眾對(duì)色彩感知角度來看，一定數(shù)量的色彩保證了視覺美學(xué)體驗(yàn)，但過多的色彩會(huì)造成視覺的破碎，這時(shí)均勻分布的色彩會(huì)對(duì)景觀美學(xué)質(zhì)量有提升效果，簡(jiǎn)言之，相對(duì)破碎、不連續(xù)的色彩，人們更偏愛色彩聚集、層次均勻的整體景觀。另外兩個(gè)對(duì)美學(xué)質(zhì)量有顯著影響的色彩組成要素是主色相的鄰近色比例和互補(bǔ)色比例，在景觀整體基調(diào)色彩相對(duì)確定的情況下，較高比例的鄰近色和互補(bǔ)色會(huì)降低視覺美學(xué)效果，可見，適量的點(diǎn)綴鄰近色和互補(bǔ)色，可以引起視覺反差，形成視覺刺激和對(duì)比[3]，而占比較多的景觀，觀賞效果降低，這種結(jié)果反映了公眾心理上對(duì)互補(bǔ)色對(duì)比效果的認(rèn)可，但卻無法接受景觀中有大片的視覺對(duì)比，會(huì)造成視覺的疲憊和審美焦點(diǎn)不清晰[23]。研究中，明度指數(shù)對(duì)視覺美學(xué)質(zhì)量的影響最小，僅為4.10%，但它是視覺美學(xué)的負(fù)向影響因素，這可能是因?yàn)榘诉_(dá)嶺秋季景觀主要由黃櫨及油松等樹種組成，同一樹種的色相和飽和度相對(duì)一致[17]，而明度受光照影響比較明顯。

基于色彩組成的角度，進(jìn)行景觀視覺美學(xué)質(zhì)量改造和提升，需重視色彩的對(duì)比和調(diào)和[27]。對(duì)于整體景觀而言，營(yíng)建色彩數(shù)量適宜且色彩斑塊均勻的景觀可以提高美學(xué)質(zhì)量。此外，在確定景觀基調(diào)色的前提下，如北方秋季景觀林的橙紅色系，增加黃色系，形成了弱對(duì)比，讓人感覺柔和；增加綠色系，形成了強(qiáng)對(duì)比，讓人感覺興奮，這兩種對(duì)比不僅構(gòu)成色彩的調(diào)和，還豐富色彩多樣性，營(yíng)造了一種活潑歡快的氛圍，在蕭瑟秋景中，增添一份暖意。研究地八達(dá)嶺景區(qū)中，黃櫨、紅楓等樹種可以確定秋季景觀色彩基調(diào)，起主要觀賞作用，輔以國(guó)槐(鄰補(bǔ)色)、輔以油松、側(cè)柏(互補(bǔ)色)可實(shí)現(xiàn)視覺對(duì)比，但面積不宜過大，以防喧賓奪主。

此外，本研究?jī)H從視覺色彩組成特性研究討論了八達(dá)嶺整體色彩對(duì)美學(xué)質(zhì)量的影響，尚未考慮色彩結(jié)構(gòu)和森林生態(tài)功能等方面的影響，這些將在后續(xù)研究中進(jìn)一步討論。

5 結(jié)論

八達(dá)嶺秋季景觀整體色彩質(zhì)量提升建議：1)基于公眾評(píng)價(jià)：融合主色相、鄰近色和互補(bǔ)色并伴隨明度和飽和度變化的景觀，基本能滿足公眾對(duì)色彩數(shù)量的要求，過多的使用色彩，反而會(huì)適得其反，造成景觀的重點(diǎn)不突出，無法激發(fā)人們的美感體驗(yàn)；2)基于色彩調(diào)和理論：適量點(diǎn)綴互補(bǔ)色和鄰近色可以提高景觀質(zhì)量，但這些對(duì)比色的色塊應(yīng)均勻分布，不宜過于破碎，合理配置這幾種色彩關(guān)系，最終達(dá)到視覺的對(duì)比協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)整體景觀美學(xué)質(zhì)量的提升。