彭先敏， 唐麗玉， 于大宇

(福州大學(xué)空間數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福州大學(xué)地理空間信息技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心, 福建 福州 350108)

0 引言

綠地系統(tǒng)具有生態(tài)、 文化、 社會(huì)和審美等多重功能[1]. 通過“適地適樹， 適樹適地[2]”， 科學(xué)選擇不同樹種， 合理進(jìn)行配置， 形成適宜的生物群落結(jié)構(gòu)和季相變化， 最大化發(fā)揮綠地景觀的生態(tài)效益， 對(duì)城市可持續(xù)發(fā)展有著至關(guān)重要的作用. 園林景觀規(guī)劃中， 專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)已發(fā)揮了重要作用， 隨著數(shù)據(jù)和知識(shí)的價(jià)值不斷受到重視和應(yīng)用， 利用知識(shí)工程的工具和系統(tǒng)， 可以提高規(guī)劃的自動(dòng)化程度[3].

由于城市綠地規(guī)劃的特殊性， 在樹種選擇方面， 主要考慮植物區(qū)系、 種植區(qū)立地條件、 樹木外觀、 生態(tài)服務(wù)功能、 植物多樣性、 綠化管理等方面[4-5]. Voget等[5]建立了溫帶氣候區(qū)城市綠化樹種選擇庫CiTree， 選擇綠地規(guī)劃樹木時(shí)， 可根據(jù)立地條件從數(shù)據(jù)庫搜索， 結(jié)合園林規(guī)劃目標(biāo)， 利用地理知識(shí)， 建立規(guī)則， 形成規(guī)劃方案. 地理知識(shí)集合通過地理對(duì)象、 關(guān)系、 結(jié)構(gòu)、 本體論、 地名錄、 規(guī)則和數(shù)學(xué)模型描述， 然后建立知識(shí)推理機(jī)， 可應(yīng)用于城市規(guī)劃[6-7].

城市綠地設(shè)計(jì)具有復(fù)雜度高、 實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)， 規(guī)律性知識(shí)不能完全表達(dá)規(guī)劃方案， 需要結(jié)合經(jīng)驗(yàn)知識(shí)， 而交互式三維可視化工具能夠結(jié)合兩種知識(shí)來輔助表達(dá)設(shè)計(jì)方案. 為實(shí)現(xiàn)綠地空間與其相關(guān)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)的三維可視化， Neuenschwander等[8]將綠地空間類型和模式設(shè)計(jì)圖集成到ESRI CiytEngine的建模和可視化過程中. Santosa等[9]開發(fā)了交互式三維可視化系統(tǒng)， 通過視覺評(píng)價(jià)， 為輔助決策者提高街道景觀的質(zhì)量. 景觀設(shè)計(jì)需要好的用戶交互和沉浸感體驗(yàn)， Hou等[10]利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)與用戶的交互； 周向戈[11]采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)表達(dá)三維園林景觀效果. Lovett等[12]對(duì)景觀可視化呈現(xiàn)信息的能力進(jìn)行評(píng)估， 認(rèn)為三維可視化技術(shù)應(yīng)用要根據(jù)不同目的和受眾特點(diǎn)選擇不同的方式.

基于知識(shí)的規(guī)劃系統(tǒng)， 通過整合以往城市綠地設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)， 建立推理引擎， 提出新的設(shè)計(jì)模型， 并選擇適宜的樹種， 增加城市植物的多樣性與可持續(xù)性利用. 本研究以O(shè)SG[13-15]三維渲染引擎為基礎(chǔ)搭建原型系統(tǒng)， 建立綠地景觀規(guī)劃的規(guī)則表達(dá)， 實(shí)現(xiàn)規(guī)劃方案的推薦和三維交互式展示.

1 城市綠地景觀設(shè)計(jì)知識(shí)庫

1.1 知識(shí)的提取

1.1.1城市綠化植物適應(yīng)性條件

科學(xué)性是城市綠地景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)必須遵循的基本原則. 按照研究區(qū)域所處的氣候帶、 植被帶和立地環(huán)境條件， 再根據(jù)規(guī)劃目標(biāo)和植物景觀的“四性”進(jìn)行設(shè)計(jì). 而植物長(zhǎng)期處于特定環(huán)境， 受該環(huán)境的影響， 通過相互作用， 形成固有的適應(yīng)屬性. 如生長(zhǎng)在水中的植物水芋、 睡蓮， 耐干旱的如皂莢、 合歡. 在不同地域、 坡向、 群落位置結(jié)構(gòu)等光照情況不同， 也造就了不同植物對(duì)光照需求不同. 如楊、 柳等陽性植物在植物群落常為上層就需要全日照. 城市道路由于車輛長(zhǎng)期碾壓， 土壤密實(shí)度較高、 透氣性差， 加上空氣中充斥二氧化硫、 粉塵等有害物質(zhì)， 導(dǎo)致行道樹的選擇就要考慮其生態(tài)習(xí)性能否適應(yīng)城市較為惡劣的生長(zhǎng)環(huán)境.

不同的地域決定植物生長(zhǎng)的氣候環(huán)境， 形成各具特色的植被帶景觀和適宜當(dāng)?shù)厣L(zhǎng)的樹種. 城市綠地樹種在選擇方面， 更多考慮的是植物固有的生態(tài)習(xí)性， 如對(duì)光照、 水分的需求， 能否吸收空氣中有害氣體等. 如If “福州， 行道樹、 吸收尾氣” Then “夾竹桃、 樟樹等”.

1.1.2觀賞性與功能

植物種類豐富多彩， 其觀賞特性也大不相同. 如冠型整齊或怪異、 樹姿雄偉或秀麗、 枝葉鮮艷或多彩、 花繁葉茂、 香氣四溢、 果實(shí)誘人等都是植物的觀賞特性. 如行道樹的選擇就需要樹冠整齊、 姿態(tài)優(yōu)美、 可為行人及車輛庇蔭的樹種.

城市綠地的功能各不相同， 樹種選擇上也存在差異. 如道路綠地應(yīng)滿足道路交通安全的需求， 再兼顧景觀和生態(tài)防護(hù)等功能. 以致選擇樹種通常是樹干通直的落葉闊葉大喬木， 夏天可為行人遮陰， 冬天亦不遮擋陽光.

因此， 規(guī)劃樹種選擇需從形態(tài)特征和生態(tài)功能如凈化空氣、 調(diào)溫調(diào)濕， 社會(huì)功能如美化環(huán)境、 引導(dǎo)車流等方面考慮.

1.1.3植物空間配置

按照《城市綠地分類標(biāo)準(zhǔn)》[16]， 以典型綠地， 道路和居住綠地為例. 再按照綠地植物種植方式在計(jì)算機(jī)中表達(dá)的形式是面狀或沿線種植和綠地的主要功能， 將種植用途分為風(fēng)景樹和行道樹.

利用地理知識(shí)， 可以確定已知地理特征的位置信息， 如確定路徑方向、 兩處距離、 目標(biāo)位置和幾何形狀[17]. 城市道路根據(jù)其寬度和功能可劃分為主、 次和支干道. ① 主干道： 連接各功能區(qū)， 寬度可達(dá)40 m. 機(jī)動(dòng)車道和非機(jī)動(dòng)車道分開， 道路每側(cè)一般會(huì)有兩個(gè)種植帶， 即“三板四帶式”； ② 次干道： 不同區(qū)域內(nèi)部骨干道路， 如居民區(qū)， 寬度可達(dá)20～30 m. 道路中心設(shè)置寬度2 m以上綠化帶作為分車帶， 嚴(yán)格區(qū)分上、 下行車輛， 即“兩板三帶式”； ③ 支干道： 一般寬度為10～20 m， 路面不劃分車道. 綠化方式是人行道和車道之間各植一排樹， 可單一樹種也可喬灌間植， 即“一板兩帶式”. 設(shè)計(jì)樣式如圖1所示， 其中：d1表示距離道路中心線距離；d2表示株距. 如If “支干道” Then “種植方式為 ‘一板兩帶式’，d1=5.5 m，d2=3 m”.

圖1 行道樹空間配置示意Fig.1 Spatial configuration of street trees

居住綠地園林植物造景， 其主要種植點(diǎn)配置方式有孤植、 叢植、 群植. 孤植的樹木要求姿態(tài)優(yōu)美、 色彩鮮明、 體型較大. 叢植即幾株同種或異種花木不等距離地種植在一起形成樹叢效果. 群植即同種或多種花木的群體組合， 以表現(xiàn)群體美為主. 圖2是孤植、 叢植、 群植示意圖， 其中紅色曲線為種植塊區(qū)域，m是行距，n是株距. 如If “福州、 風(fēng)景林、 觀花” Then “黃花雞蛋花和紅葉石楠、 叢植”.

圖2 風(fēng)景林空間配置示意Fig.2 Spatial configuration of scenic forest

1.2 知識(shí)庫構(gòu)建

通過閱讀大量文獻(xiàn)資料和參考《植物景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)》[2]、 《園林綠化樹種選擇技術(shù)引導(dǎo)》[18]等綜合植物群落景觀分布特色、 植物立地條件、 植物觀賞性與功能、 空間配置等多個(gè)方面構(gòu)建城市綠地景觀規(guī)劃的知識(shí)庫， 其中通用樹種描述因子如表1所示.

表1 城市綠地樹種描述因子

續(xù)表1

根據(jù)表1的樹種描述因子， 設(shè)計(jì)城市綠地景觀樹種推理知識(shí)庫， 其關(guān)系結(jié)構(gòu)如下：

知識(shí)庫(適用地區(qū)， 用途， 觀賞特性， 生態(tài)習(xí)性， …， 基調(diào)樹種， 小喬， 灌木， 地被， 營(yíng)造模式， 種植點(diǎn)配置形式， 株行距， …).

樹種選擇和空間配置時(shí)考慮到， 同一樹種可能會(huì)滿足多種條件， 即選擇條件存在多值. 假設(shè)適用地區(qū)條件a1， 觀賞特性a2， 生態(tài)習(xí)性a3， …， 那么規(guī)則就有a1×a2×a3×…×an條. 為了有效減少同一樹種選擇的規(guī)則條數(shù)， 將每條規(guī)則中每個(gè)條件的多個(gè)值用“， ”分隔開， 使得獲得該樹種的規(guī)則數(shù)由a1×a2×a3×…×an條變成只有一條. 這樣的存儲(chǔ)方式不僅減少規(guī)則條數(shù)， 而且符合樹種選擇專家的知識(shí)構(gòu)成， 同時(shí)讓知識(shí)庫的更新也較為便捷， 更加快后續(xù)的推理工作.

2 基于知識(shí)推理的城市綠地景觀方案生成

2.1 知識(shí)推理

城市綠地景觀規(guī)劃根據(jù)研究區(qū)立地條件、 藝術(shù)效果和特定的實(shí)用性功能等要求， 由產(chǎn)生式規(guī)則來表達(dá)規(guī)劃方案， 并基于規(guī)則推理得到研究區(qū)域不同的設(shè)計(jì)方案. 在規(guī)則推理中， 規(guī)則是以產(chǎn)生式的形式編碼.

表2 規(guī)劃設(shè)計(jì)目標(biāo)集

其基本形式是“IfPThenQ”，P是產(chǎn)生式的前提條件， 它給出了先決條件是由實(shí)際情況的邏輯組合構(gòu)成；Q是得出的一組結(jié)論或者操作， 即當(dāng)滿足前提條件P時(shí)， 應(yīng)該推出的結(jié)論或者要執(zhí)行的操作. 研究采用基于規(guī)則的正向推理方法， 規(guī)劃設(shè)計(jì)目標(biāo)集是條件， 樹種選擇和空間配置方式作為結(jié)果. 基于VS2010開發(fā)環(huán)境， 研發(fā)規(guī)則推理機(jī)， 通過交互式界面輸入條件， 利用規(guī)則推理機(jī)獲得設(shè)計(jì)方案. 通過結(jié)合《福建省城市綠地建設(shè)導(dǎo)則》[19]和地域特點(diǎn)確定針對(duì)福建省特定區(qū)域的規(guī)劃目標(biāo). 再結(jié)合綠地規(guī)劃的樹種通用描述因子進(jìn)行目標(biāo)集設(shè)定， 列于表2.

2.2 方案推薦

推理機(jī)核心即規(guī)則的存儲(chǔ)與遍歷， 為了減少不必要的系統(tǒng)開銷， 以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中深度優(yōu)先遍歷算法中的先根次序遍歷為基礎(chǔ)， 采用帶雙標(biāo)記的先根次序表示法來存儲(chǔ)規(guī)則. 將規(guī)則結(jié)點(diǎn)排成先根序列， 存放于靜態(tài)鏈表中， 用Itag來標(biāo)記結(jié)點(diǎn)是否有子女， rtag來標(biāo)記是否有右兄弟. 其中0表示結(jié)點(diǎn)有子女/有右兄弟， 1表示結(jié)點(diǎn)無子女/無右兄弟. 通過各個(gè)結(jié)點(diǎn)的Itag、 rtag值可以快速從左到右求出它們長(zhǎng)子和右兄弟結(jié)點(diǎn)的位置. 當(dāng)Itag=0且rtag=1時(shí)表明當(dāng)前結(jié)點(diǎn)有子女無右兄弟， 根據(jù)先根次序遍歷原則， 其長(zhǎng)子一定緊跟它后面的下一位置. 當(dāng)Itag = 1且rtag = 1時(shí)， 表明當(dāng)前結(jié)點(diǎn)既無子女也無右兄弟， 這個(gè)結(jié)點(diǎn)必然是某棵子樹在先根次序里面的最后結(jié)點(diǎn). 該子樹的根節(jié)點(diǎn)若有右兄弟， 必定在此結(jié)點(diǎn)的下一位置.

基于此， 以規(guī)劃方案為中心， 開展植物適應(yīng)性條件-觀賞性與功能-空間配置、 植物適應(yīng)性條件-觀賞性與功能、 植物適應(yīng)性條件等方面推理， 以達(dá)到規(guī)劃設(shè)計(jì)目標(biāo)， 推理流程如圖3所示.

圖3 基于規(guī)則推理示意圖Fig.3 Rule-based reasoning schematic

3 設(shè)計(jì)方案三維模擬及交互調(diào)整

傳統(tǒng)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)主要以二維、 靜態(tài)方式表達(dá)設(shè)計(jì)成果， 難以詮釋設(shè)計(jì)者價(jià)值取向和審美觀念， 而且公眾參與度不高， 更是存在方案更新不便、 “一改動(dòng)全身”的問題. 研究采用產(chǎn)生式來表達(dá)規(guī)劃方案， 結(jié)合交互式種植設(shè)計(jì)等， 其形式靈活便捷、 方便修改， 并通過三維展示給從業(yè)人員提供強(qiáng)有力的輔助設(shè)計(jì)工具， 也能讓用戶更直觀地感受規(guī)劃效果.

3.1 城市綠地景觀三維模擬

基于OSG三維渲染引擎， 結(jié)合產(chǎn)生式表達(dá)規(guī)劃方案以及交互式空間配置技術(shù)， 研發(fā)設(shè)計(jì)方案的推薦和三維模擬的原型系統(tǒng). 主要有三大模塊： ① 場(chǎng)景數(shù)據(jù)組織與管理模塊， 即調(diào)用ArcEngine組件對(duì)地形、 地形紋理、 樹種三維模型庫等進(jìn)行二維組織與管理； ② 三維場(chǎng)景模塊主要由真實(shí)地形、 樹模型及建筑物等構(gòu)成； ③ 基于規(guī)則推理， 實(shí)現(xiàn)城市綠地景觀規(guī)劃方案的推薦， 結(jié)合推薦方案和交互式調(diào)整來最終進(jìn)行綠地景觀的三維展示， 如圖4所示.

圖4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程Fig.4 System implementation process

3.2 方案三維模擬

圖5為行道樹種植方案推薦過程. 具體步驟如下： ① 進(jìn)入植物配置規(guī)則庫， 獲取相應(yīng)規(guī)則； ② 從第一條規(guī)則開始， 逐條匹配“適用地區(qū)”選項(xiàng)， 記錄能夠匹配的規(guī)則編號(hào)； ③ 從上面保存能夠匹配第一個(gè)條件的規(guī)則中逐條匹配下一個(gè)條件， 再次保存能夠完全匹配兩個(gè)條件的規(guī)則編號(hào)； ④ 重復(fù)步驟③直到所有條件匹配完成， 輸出能夠完全匹配所有條件的配置或中途匹配失敗， 退出.

3.2.1行道樹模擬

城市道路植物景觀一般是沿道路線來設(shè)計(jì)， 即按照道路線的線狀矢量圖層進(jìn)行種植設(shè)計(jì). 設(shè)計(jì)流程如下： ① 通過在ArcEngine組織管理的多個(gè)圖層中， 選擇道路的線狀矢量圖層， 選取要進(jìn)行模擬種植的道路線； ② 根據(jù)推理方案得到空間配置規(guī)則和樹種進(jìn)行模擬； ③ 通過TreeEngine[20]加載參數(shù)化建立的三維樹模型. 樹模型具有多細(xì)節(jié)層次(levels of detail, LOD)結(jié)構(gòu)， 可以在三維場(chǎng)景中根據(jù)遠(yuǎn)近不同的視點(diǎn)實(shí)現(xiàn)真實(shí)感場(chǎng)景的自適應(yīng)可視化等， 且有效削減程序開銷； ④ 根據(jù)株距和離道路中心線距離確定種植點(diǎn)， 渲染樹實(shí)例到每個(gè)種植點(diǎn). 圖6以支干道為例， 采用錦葉欖仁與紅花繼木球間植方式在道路兩側(cè)種植， 用以模擬行道樹種植.

圖5 行道樹種植方案推理界面Fig.5 Reasoning interface of street trees planting scheme

圖6 行道樹三維模擬Fig.6 3D simulation of street trees

3.2.2風(fēng)景林模擬

城市居住綠地設(shè)計(jì)主要有規(guī)則式和自然式， 自然式可選擇規(guī)則種植并結(jié)合交互式調(diào)整實(shí)現(xiàn). 其中規(guī)則種植流程如下： ① 選擇進(jìn)行種植設(shè)計(jì)的shapefile圖層， 選中種植塊； ② 獲取種植塊的外接矩形， 由設(shè)定的株、 行距對(duì)外接矩形進(jìn)行網(wǎng)格剖分， 并判斷網(wǎng)格點(diǎn)是否位于種植塊內(nèi)部； ③ 根據(jù)網(wǎng)格點(diǎn)的平面坐標(biāo)獲取對(duì)應(yīng)高程， 并判斷每個(gè)點(diǎn)需種植的樹種， 最后在三維場(chǎng)景進(jìn)行渲染. 圖7以小葉榕孤植、 黃花雞蛋花和紅花繼木叢植、 美麗異木棉與羊蹄甲群植分別進(jìn)行三維模擬.

圖7 城市居住綠地三維模擬Fig.7 3D simulation of urban residential green space

3.3 交互式調(diào)整

圖8 群植交互式展示Fig.8 Group planting interactive display

園林景觀設(shè)計(jì)通過規(guī)律性知識(shí)進(jìn)行產(chǎn)生式表達(dá)來控制方案， 但植物配置更多體現(xiàn)的是隨意性與靈活性等方面. 如圖7的群植植物空間配置不均勻， 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)， 通過交互式操作， 在停車場(chǎng)附近選點(diǎn)種植樹木， 移動(dòng)樹木. 而旋轉(zhuǎn)植物、 縮放比例使其呈現(xiàn)不同角度和比例， 讓整個(gè)植物空間配置更具合理性. 交互式操作在三維場(chǎng)景中， 主要是對(duì)樹模型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行矩陣的乘法操作， 實(shí)現(xiàn)模型的移動(dòng)、 旋轉(zhuǎn)、 縮放. 圖8展示交互式操作群植的植物空間配置.

4 結(jié)語

研究針對(duì)目前園林景觀規(guī)劃中缺少利用規(guī)律性知識(shí)進(jìn)行形式化表達(dá)、 交互式設(shè)計(jì)和規(guī)劃方案三維展示等問題， 初步提出利用產(chǎn)生式表達(dá)種植方案， 并根據(jù)研究區(qū)域特定條件， 利用規(guī)則推理的方式得到規(guī)劃方案； 基于OSG三維渲染引擎和真實(shí)地形數(shù)據(jù)構(gòu)建基礎(chǔ)三維場(chǎng)景， 并以園林植物的選擇和空間配置方式為例， 通過交互式種植實(shí)現(xiàn)城市綠地景觀的三維展示， 從而驗(yàn)證整體研究的有效性. 通過三維場(chǎng)景、 交互式工具等方式展示規(guī)劃設(shè)計(jì)效果， 供決策者、 設(shè)計(jì)者以及公眾從任意角度、 通過實(shí)時(shí)互動(dòng)真實(shí)地看到設(shè)計(jì)的效果， 身臨其境地掌握周圍環(huán)境， 并理解和體驗(yàn)設(shè)計(jì)師的意圖. 但鑒于城市綠地系統(tǒng)的多樣性、 復(fù)雜性以及景觀規(guī)劃實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)， 提出的整體方案還需要在園林景觀規(guī)劃行業(yè)的實(shí)踐中進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化.