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(dòng)空間與自然生態(tài)環(huán)境營(yíng)造的重要方式，生態(tài)景觀設(shè)計(jì)目的早已不局限于植物、流水空間的簡(jiǎn)單配置，更要從宏觀角度考慮景觀布局規(guī)劃的協(xié)調(diào)性、統(tǒng)一性，滿(mǎn)足用戶(hù)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(jié)合傳統(tǒng)的景觀設(shè)計(jì)理論，綜合分析氣候、水文、植被、人文等環(huán)境因素對(duì)景觀規(guī)劃的影響，重新構(gòu)造一套具有豐富內(nèi)涵與功能的景觀配置布局方案[2]。分形理論在景觀設(shè)計(jì)中的實(shí)踐加深了生態(tài)環(huán)境可持續(xù)設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)程度[3]，近幾年廣泛應(yīng)用在各類(lèi)景觀設(shè)計(jì)與配置領(lǐng)域。本研究基于分形理論構(gòu)建園林觀賞植物高效益配置模式，借助GIS平臺(tái)完成可持續(xù)生態(tài)景觀的配置布局仿真，從分形結(jié)構(gòu)、分形組織、分形元素3個(gè)方面對(duì)園林景觀植物進(jìn)行配置，景觀設(shè)計(jì)過(guò)程中遵循自相似性準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)有序與無(wú)序生態(tài)元素的特定組合，該方法完全滿(mǎn)足研究區(qū)域生態(tài)景觀可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，可以吸引更多體驗(yàn)者參與到城市生態(tài)建設(shè)中來(lái)。

1 園林觀賞植物高效益配置模式

分形理論用于空間內(nèi)景觀配置與布局需從3個(gè)方面著手：平面、立面、裝飾[4]。在遵循空間景觀設(shè)計(jì)的基本原則基礎(chǔ)上，盡力縮短構(gòu)建思想與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用之間的誤差，針對(duì)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?qū)嵤┓中?，基于分形理論中的自相似性?duì)研究對(duì)象的內(nèi)部形態(tài)實(shí)施分解、實(shí)現(xiàn)內(nèi)部形態(tài)再生。劃分研究對(duì)象的塊面，明確塊面結(jié)構(gòu)，循序漸進(jìn)地完善立面各部細(xì)節(jié)，將平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與立面細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)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(gè)基本目標(biāo)，從分形結(jié)構(gòu)、分形組織、分形元素3個(gè)方面對(duì)園林植物進(jìn)行配置[5]。本研究以分形結(jié)構(gòu)理論為指導(dǎo)規(guī)劃園林觀賞植物配置的結(jié)構(gòu)，凸顯功能分區(qū)層次性；以分形組織理論為指導(dǎo)計(jì)算植物配置的分形維數(shù)，實(shí)現(xiàn)植物配置的生態(tài)化；以分形元素理論為指導(dǎo)設(shè)計(jì)植物配置，彰顯園林觀賞植物配置的多樣性。該模式將結(jié)構(gòu)規(guī)劃、維數(shù)計(jì)算、物種配置作為中介機(jī)制，實(shí)現(xiàn)植物高效益配置。

1.1 基于分形結(jié)構(gòu)的功能分區(qū)層次性設(shè)計(jì)

基于分形理論中的縮放并置布局法與嵌套布局法對(duì)園林植物景觀的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃。

1.1.1 縮放并置布局法

在形尺度層級(jí)原理指導(dǎo)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(guān)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(lái)具有統(tǒng)一性，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)看來(lái)形態(tài)多元。

1.1.2 嵌套布局法

嵌套是對(duì)于同一元素而言，這種變換要求同一個(gè)元素以差異性尺度空間為場(chǎng)所進(jìn)行重復(fù)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(shí)現(xiàn)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(qiáng)的趣味性與創(chuàng)新性，符合當(dāng)代景觀空間審美標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 基于分形組織的植物配置生態(tài)化設(shè)計(jì)

從分形組織理論來(lái)看，植物配置過(guò)程中合理的穩(wěn)定性與復(fù)雜性是凸顯其生態(tài)化特征的關(guān)鍵指標(biāo)，而分形維數(shù)可用以描述園林觀賞植物配置的穩(wěn)定性與復(fù)雜性[6]，為此構(gòu)建分形維數(shù)模型實(shí)現(xiàn)植物配置的生態(tài)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而評(píng)估景觀配置方案有效與否。

本研究構(gòu)建的景觀分形維數(shù)模型：

(1)

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

場(chǎng)所空間結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)是影響空間內(nèi)景觀穩(wěn)定性與復(fù)雜性的主要因素，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得知，景觀斑塊較為規(guī)則其遭受人為活動(dòng)的影響越大，因?yàn)榘邏K受到破壞其邊緣形狀漸趨簡(jiǎn)單，規(guī)則的景觀斑塊遭受人為活動(dòng)影響的景觀斑塊之間的相似程度越大?？臻g內(nèi)土地類(lèi)型的分形維數(shù)可以表述土地利用的穩(wěn)定性與復(fù)雜性情況，穩(wěn)定性與分形維數(shù)的關(guān)系：

SI=|1.5-D|

(2)

此公式基于計(jì)算直線斜率獲得分形維數(shù)D，在理論上講，分形維數(shù)的取值區(qū)間為[1，2]，較為復(fù)雜的景觀斑塊的D值越大?；谏鲜龉娇芍中尉SD與取值1.5的關(guān)系：當(dāng)D值無(wú)限趨近于1.5時(shí)，其對(duì)應(yīng)的空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越差，若D值在1.5以上說(shuō)明當(dāng)前景觀斑塊形狀趨向復(fù)雜；當(dāng)D值不超過(guò)1.5時(shí)，代表當(dāng)前景觀斑塊的形狀較為規(guī)則、邊界簡(jiǎn)單；設(shè)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(jī)性質(zhì)。

式(2)定義了穩(wěn)定性指數(shù)與維數(shù)的計(jì)算關(guān)系，穩(wěn)定性指數(shù)SI描述了景觀配置結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定程度，指數(shù)越大景觀空間結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定；相反，指數(shù)越小空間結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定。

1.3 基于分形元素的植物多樣性設(shè)計(jì)

植物多樣性是園林觀賞植物配置的關(guān)鍵目標(biāo)之一，從微觀層次而言，分形元素是植物實(shí)現(xiàn)多樣化設(shè)計(jì)的切入點(diǎn)。園林觀賞植物配置中的亭廊建筑、植物植被、硬質(zhì)設(shè)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(shè)計(jì)即通過(guò)提煉設(shè)計(jì)主題與園林文化背后的深層次內(nèi)涵，將分形手法和技術(shù)原理融會(huì)貫通，在分散、重構(gòu)、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(shè)計(jì)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(shí)兼顧元素與周邊環(huán)境的自相似特性與動(dòng)態(tài)平衡。

2 園林觀賞植物配置的GIS平臺(tái)技術(shù)支撐

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

2.1 景觀布局中的地形設(shè)計(jì)

完成原始場(chǎng)地與設(shè)計(jì)的等高線相關(guān)數(shù)據(jù)向GIS平臺(tái)的導(dǎo)入工作，在3D Analyst模塊下操作生成不規(guī)則三角網(wǎng)模式的TIN地形數(shù)據(jù)視圖，完成視圖像向柵格地表模型的轉(zhuǎn)變[7]；在柵格計(jì)算器內(nèi)求取地形設(shè)計(jì)的填挖柵格，填方處于柵格單元超過(guò)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(shù)型才能按照其取值屬性表添加字段，進(jìn)而完成填挖方計(jì)算，因此需要在此步驟之前將上一步驟獲取的高程模型轉(zhuǎn)換為以厘米為單位的，計(jì)算完成之后再將高程單位轉(zhuǎn)換為以米為單位。遵循上述步驟在GIS平臺(tái)中完成研究區(qū)域地形景觀的設(shè)計(jì)，此外，植物、水流等生態(tài)元素同樣在GIS平臺(tái)中模擬實(shí)現(xiàn)，過(guò)程不做贅述。

2.2 基于GIS的矢量數(shù)據(jù)分析與處理

景觀配置布局過(guò)程中，需將景觀元素原始CAD模型導(dǎo)入GIS平臺(tái)內(nèi)處理并轉(zhuǎn)換為景觀仿真所需的三維模型待用，同時(shí)各類(lèi)模型柵格數(shù)據(jù)的處理工作也在GIS平臺(tái)內(nèi)完成[8]；圖件處理與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(gè)待建設(shè)開(kāi)發(fā)的城市公園作為研究對(duì)象，對(duì)這個(gè)小型綠色開(kāi)放空間進(jìn)行景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)，研究基于GIS平臺(tái)與分形設(shè)計(jì)理論實(shí)現(xiàn)。公園屬于城市景觀的核心構(gòu)成，關(guān)乎城市生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)造的優(yōu)劣，旨在為城市居民提供一個(gè)體育休閑、人際交往、文化交流的生態(tài)場(chǎng)所，因此研究區(qū)生態(tài)景觀配置布局既要滿(mǎn)足景觀布局的多樣性，也要實(shí)現(xiàn)景觀的可持續(xù)發(fā)展。景觀“多樣性”要求規(guī)劃設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)后的公園通過(guò)各種生態(tài)元素的協(xié)同作用提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，最大化利用有限的公園土地，提高公園景觀布局的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益、社會(huì)效益。

3.2 基于分形結(jié)構(gòu)的功能分區(qū)層次性設(shè)計(jì)結(jié)果

本研究應(yīng)用分形理論中的縮放配置與嵌套配置法布局公園景觀，見(jiàn)圖1。具體步驟：設(shè)計(jì)公園景觀的平面構(gòu)圖，以分形結(jié)構(gòu)為依據(jù)對(duì)景觀中的個(gè)體元素進(jìn)行微調(diào)、縮放、旋轉(zhuǎn)等操作，基于縮放與嵌套法配置景觀，呈現(xiàn)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(gè)系統(tǒng)化的生態(tài)景觀布局網(wǎng)絡(luò)，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(gè)類(lèi)型：休閑娛樂(lè)區(qū)、體育鍛煉區(qū)、人文景觀區(qū)、文化交流區(qū)，對(duì)各區(qū)域進(jìn)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(duì)功能區(qū)域的邊界信息進(jìn)行提取，得到最終的景觀功能區(qū)域規(guī)劃結(jié)果，如圖1b所示。此舉令公園內(nèi)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(duì)景觀配置規(guī)劃的主要特征之一。分形設(shè)計(jì)后公園人文景觀與自然景觀實(shí)現(xiàn)了明顯的功能區(qū)分，為植物分區(qū)層次性打下良好基礎(chǔ)。

使用分形結(jié)構(gòu)理論除了規(guī)劃研究區(qū)的功能外，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了園林觀賞植物的科學(xué)配置與布局，基于分形理論呈現(xiàn)的植物景觀布局情況如圖2所示。布局公園植物景觀過(guò)程中，以“植物樹(shù)葉”為原型設(shè)計(jì)植物在空間上的序列，借鑒樹(shù)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(diǎn)，將葉片主脈絡(luò)作為植物景觀布局的主路線，經(jīng)過(guò)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(gè)角落的地理位置重要性，沒(méi)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(zhǎng)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(diào)與乏味，增添了植物布局的個(gè)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(shè)計(jì)結(jié)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(shù)差異較小，休閑娛樂(lè)區(qū)、人文景觀區(qū)和文化交流區(qū)的分形維數(shù)均達(dá)到1.3，體育鍛煉區(qū)域分形維數(shù)達(dá)到1.2。該數(shù)據(jù)表明，公園的4個(gè)功能區(qū)域中體育鍛煉區(qū)域板塊形狀相對(duì)簡(jiǎn)單，其他3個(gè)區(qū)域景觀斑塊形狀相對(duì)復(fù)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(dòng)的空間，景觀斑塊形狀簡(jiǎn)單降低了空間布局的復(fù)雜性，這一點(diǎn)與公園區(qū)域的實(shí)際功能劃分相符，驗(yàn)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(shù)情況

此外，人文景觀區(qū)分形維數(shù)相對(duì)其他3個(gè)區(qū)域更接近于1.5，基于穩(wěn)定性指數(shù)計(jì)算公式得知，人文景觀區(qū)空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性相對(duì)較差，體育鍛煉區(qū)域的空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性相對(duì)突出?？蓞⒖荚摂?shù)據(jù)對(duì)公園的4個(gè)功能區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃與功能更新，通過(guò)優(yōu)化植物景觀、人文景觀布局來(lái)不斷提升人文景觀區(qū)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)整個(gè)公園的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

本研究基于分形理論構(gòu)建了園林觀賞植物高效益配置模式，以GIS技術(shù)為載體實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)生態(tài)景觀仿真布局，在園林景觀配置實(shí)驗(yàn)中取得了理想的布局效果，該方法優(yōu)勢(shì)：由于園林觀賞植物配置的目標(biāo)是多元化的，所以本研究利用分形理論中的分形結(jié)構(gòu)、分形組織、分形元素等分別指導(dǎo)植物的結(jié)構(gòu)規(guī)劃、維數(shù)計(jì)算、物種配置，實(shí)現(xiàn)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(biāo)；使用分形理論中的自相似性特征布局公園空間內(nèi)的植物景觀，綜合運(yùn)用縮放并置布局法與嵌套布局法實(shí)現(xiàn)了空間層次上的嵌套與迭代規(guī)律，達(dá)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(xiàn)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(shè)計(jì)的基本要求，又滿(mǎn)足了當(dāng)代城市景觀設(shè)計(jì)的個(gè)性化需求。