一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的植物景觀規(guī)劃設(shè)計方案評價與修正方法
——以長蕩湖旅游度假區(qū)為例

陳國棟

邱 冰

王 浩*

生態(tài)文明建設(shè)背景下風景園林規(guī)劃設(shè)計被賦予了新要求，高質(zhì)量的城市綠地是人們遠離城市喧囂、回歸自然、緩解身心疲勞的重要載體，同時也成為促進地方經(jīng)濟、社會發(fā)展的重要驅(qū)動力之一[1]。植物景觀是綠地的核心組成部分，是景觀風貌最重要的影響因素。在實際操作過程中，相比一切均可以數(shù)據(jù)化的硬質(zhì)空間，植物景觀空間因其素材的自然性與動態(tài)性特征，顯得難以把握。植物景觀方案平面圖中的植物圖例及其組合具有一定的抽象性，要求設(shè)計者具備隨時能將二維平面圖形與現(xiàn)實三維空間聯(lián)系起來的想象力，并能夠預計緩苗期過后的植物景觀效果。當規(guī)劃設(shè)計場地的尺度較大時，特別是線性空間，往往存在植物景觀規(guī)劃設(shè)計方案的實施效果與預期效果相差甚遠的問題。隨著綠道、風景道等依賴于植物景觀的實踐不斷開展，如何對植物景觀規(guī)劃設(shè)計方案進行科學有效的評價及修正，成為一個重要問題。本項研究借助于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，旨在設(shè)計出一種能夠定量評估、優(yōu)化植物景觀規(guī)劃設(shè)計方案的方法。

1 相關(guān)研究概述

1.1 景觀評價

景觀評價研究已形成4個公認的學術(shù)流派：專家學派、心理物理學派、認知學派和經(jīng)驗學派，其中心理物理學派應(yīng)用最廣。目前景觀評價常用的方法，如美景度評價(SBE)法、比較評判(LCJ)法、語義分析(SD)法、灰色統(tǒng)計(GST)法等都是以心理物理學派為理論基礎(chǔ)[2-5]。國外研究主要關(guān)注森林景觀、濱海景觀、山地景觀、農(nóng)田景觀等大尺度地理環(huán)境的景觀評估，聚焦景觀資源評價及其影響評價[6-9]。國內(nèi)相關(guān)研究主要以建成環(huán)境如濱水空間、校園環(huán)境、道路綠地、城市街區(qū)等為評價對象，較少涉及景觀方案的評價[10-13]。少數(shù)濕地公園、農(nóng)業(yè)觀光園、綠道的研究涉及了景觀規(guī)劃方案的總體評價，但基本未觸及植物景觀方案[14-16]。

1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)最初是由拉尼爾(Jaron Lanier)于20世紀80年代提出，其工作機制是先通過建模軟件構(gòu)建出三維虛擬模型；再應(yīng)用渲染軟件對模型進行渲染，以模擬真實環(huán)境；最后邀請體驗者通過虛擬現(xiàn)實體驗設(shè)備獲得全方位的、浸入式的交互體驗。在風景園林教學與實踐領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)被應(yīng)用于虛擬仿真實驗教學項目(國家五大金課之一)、輔助空間設(shè)計教學、景觀綜合評價、視覺景觀評價[17-20]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)使景觀評價從建成環(huán)境拓展至擬建環(huán)境，使規(guī)劃設(shè)計方案的科學性判斷與驗證從依靠專業(yè)經(jīng)驗轉(zhuǎn)變?yōu)閷μ摂M環(huán)境的專業(yè)感知，同時也適用于公眾參與。

在傳統(tǒng)的風景園林實踐中，植物景觀季相與林分的動態(tài)性、植物景觀規(guī)劃設(shè)計的抽象性要求專業(yè)技術(shù)人員具有豐富的經(jīng)驗和空間想象力，而且很難實現(xiàn)公眾參與。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的引入將植物景觀規(guī)劃設(shè)計方案評價從專業(yè)技術(shù)人員對圖紙的經(jīng)驗性判斷轉(zhuǎn)向多元參與的體驗式評價變?yōu)榭赡堋Ｕn題組利用虛擬現(xiàn)實三維建模技術(shù)，從視覺感知的角度，以長蕩湖旅游度假區(qū)道路植物景觀規(guī)劃設(shè)計方案為例，嘗試設(shè)計一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的植物景觀規(guī)劃設(shè)計方案評價與修正方法。

2 材料與方法

2.1 研究材料

長蕩湖旅游度假區(qū)位于江蘇省常州市金壇區(qū)，是以長蕩湖為依托，集湖鮮美食、禪修養(yǎng)生、濕地休閑于一體的省級旅游度假區(qū)。本次設(shè)計范圍包括長蕩湖北路、長蕩湖大道和長蕩湖西路3條道路，長度分別約為10、8、12km，總設(shè)計面積為286.5hm2(圖1、2)。選取3條道路中25個典型路段進行評價，涵蓋方案中各類植物種植空間模式。根據(jù)道路性質(zhì)、人視觀賞節(jié)奏以及相關(guān)研究資料將每個樣本段長度定為80m。通過SketchUP 2018軟件建出各樣本段地形模型，導入Mars軟件，嚴格按照植物景觀規(guī)劃設(shè)計方案平面進行種植。這個過程必須將建模人員偏好影響降到最低，形成虛擬現(xiàn)實場景環(huán)境，最大限度還原植物景觀規(guī)劃設(shè)計方案(圖3)。

圖1 地理區(qū)位

圖2 設(shè)計范圍

圖3 場景四季模擬圖

2.2 數(shù)據(jù)采集與分析方法

2.2.1 植物景觀視覺質(zhì)量評價

運用審美評判測量(BIB-LCJ)法對方案植物景觀視覺質(zhì)量進行評價。該方法吸收了美景度評價(SBE)法與比較評判(LCJ)法的優(yōu)點，彌補了SBE法中各樣本之間缺乏相互比較和LCJ法中難以實現(xiàn)對大量景觀樣本進行評價的缺點，同時該方法還能探討不同社會群體的審美偏好及其相互關(guān)系[21]。BIB-LCJ法被廣泛應(yīng)用于植物園、園博園、濱水綠地以及禪寺園林等各類園林植物景觀評價當中[4，10，22-23]。具體評價步驟可以分為5步：

1)對評價對象進行隨機編號；

2)依據(jù)評價材料數(shù)量，參照數(shù)理統(tǒng)計表，確定不平衡完全區(qū)組表；

3)將評價樣本依據(jù)不平衡完全區(qū)組表分為若干組，考慮到個人認知能力，每組樣本數(shù)不宜超過7；

4)評價主體對每組評價材料進行等級排序；

5)根據(jù)不平衡完全區(qū)組重復進行若干次實驗。

2.2.2 植物景觀視覺特征要素評價

為進一步探究影響植物景觀視覺質(zhì)量的視覺因子，研究采用語義分析法(SD)對植物景觀視覺特征要素進行評價。該方法主要是通過不同的語言尺度，定量描述研究對象的概念和構(gòu)造，用以表示評價者對評價要素最直觀的感受。SD法提出的初衷是用于心理學研究，但20世紀之后被更多地應(yīng)用在規(guī)劃、建筑以及景觀等人居環(huán)境領(lǐng)域的評價調(diào)查研究[4，22-23]。具體評價步驟如下。

1)形容詞對確定。形容詞對是對分析評價要素的不同尺度進行描述，每對形容詞對互為正反兩面。本次研究在查閱國內(nèi)外植物景觀評價相關(guān)文獻基礎(chǔ)上[9，24-25]，同時結(jié)合公眾訪談意見，初步確定24項與植物景觀視覺感知相關(guān)的影響因子，并采用德爾菲法征詢植物學與風景園林學等領(lǐng)域20位專家意見，最終確定14對形容詞來對植物景觀視覺環(huán)境特征進行描述(表1)。

表1 形容詞對表

2)評級尺度確定。采取里克特五點量表法，分級為：非常低、較低、一般、較高、非常高5段。

3)評價人員對場景環(huán)境各特征要素進行評級打分。

2.2.3 評價模型構(gòu)建

首先，運用SPSS 22.0軟件對評價數(shù)據(jù)進行檢驗，若統(tǒng)計量W的值無限接近1，且概率P值大于0.05，則說明數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布，說明數(shù)據(jù)真實有效。在此基礎(chǔ)上通過Excel 2016軟件對數(shù)據(jù)進行處理，具體公式如下，式中，A為每個樣本段場景的評價等級和；N為評價者人數(shù)；通過查閱PZO轉(zhuǎn)換表，可得出Z值，Z值表示每段樣本段的植物景觀視覺質(zhì)量。同時運用SPSS 22.0軟件對不同類型群體的評價數(shù)據(jù)進行相關(guān)性與回歸分析，進一步探究不同群體的審美偏好及其相互關(guān)系。

第二步，在驗證數(shù)據(jù)真實有效的基礎(chǔ)上計算得出每個樣本特征要素的平均分值，作為該樣本特征要素的最終分值。

第三步，運用SPSS 22.0軟件對視覺質(zhì)量分數(shù)和各特征要素進行相關(guān)性分析，得出特征要素概率P值，若大于0.05，則說明與視覺質(zhì)量相關(guān)性不顯著，將其剔除，不參與模型構(gòu)建；接著將視覺質(zhì)量作為因變量，剩余的視覺特征要素作為自變量，分別進行向前回歸分、逐步回歸分析和向后回歸分析，進一步排除P值大于0.05的視覺特征要素。

最后，對比上述3種回歸分析，通過共線診斷，保留P值小于0.05的視覺特征線要素，對保留的特征要素進行基于特征值的主成分回歸分析，構(gòu)建出最終的評價模型。

3 實驗設(shè)計與過程

3.1 實驗一——長蕩湖植物景觀規(guī)劃設(shè)計方案視覺質(zhì)量評價

3.1.1 實驗對象

選取風景園林專業(yè)學生50人、非風景園林專業(yè)學生50人、專家20人(在校風景園林專業(yè)老師以及風景園林行業(yè)從業(yè)人員(教授10人，副教授5人，高工5人)和公眾30人(度假區(qū)內(nèi)正常旅游時段隨機選取的游客群體)4類群體共300人。

3.1.2 實驗過程

通過Mars軟件四季模擬功能，各樣本段生成春、夏、秋、冬四季共計100個植物場景環(huán)境。根據(jù)不平衡完全區(qū)組實驗，將25個樣本段進行隨機編號(圖4)，確定BIB設(shè)計表，根據(jù)設(shè)計表將每5個同季節(jié)的場景環(huán)境設(shè)為一組，按照5×5矩陣編排，進行6次重復編排；評價者佩戴型號為VIVE-VR的虛擬眼鏡套裝，全方位地感知三維虛擬植物景觀場景環(huán)境，體驗時間設(shè)定為45s，根據(jù)個人審美，將每組5個植物景觀場景環(huán)境進行排序，從好到差分為5級，植物景觀視覺質(zhì)量最優(yōu)對應(yīng)1級，最差對應(yīng)5級；根據(jù)BIB設(shè)計表進行6次重復試驗(圖5)。

圖4 樣本段分布圖

圖5 評價者VR體驗

3.2 實驗二——長蕩湖植物景觀規(guī)劃設(shè)計方案視覺特征要素評價

3.2.1 實驗對象

SD法評價人數(shù)控制在20～50范圍內(nèi)比較合適，所以綜合考慮評價者需要有較好的認知能力、對相關(guān)專業(yè)名詞有準確的理解，根據(jù)實際情況，選擇風景園林專業(yè)的25名碩士研究生作為評價主體。

3.2.2 實驗過程

從25個植物場景虛擬現(xiàn)實環(huán)境中篩選出植物景觀視覺質(zhì)量得分較高和較低的20個植物場景環(huán)境，評價者佩戴VR設(shè)備，對每個植物景觀場景四季環(huán)境進行全方位浸入式的體驗，每個場景體驗時間為120s。體驗完畢后，組織評價者填寫問卷，對視覺特征要素進行評級打分。

4 結(jié)果與分析

4.1 植物景觀視覺質(zhì)量評價結(jié)果

4.1.1 不同群體審美相關(guān)性分析

運用SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進行Shapiro-Wilk檢驗，評價數(shù)據(jù)真實有效，進一步對4類人群的評價數(shù)據(jù)進行相關(guān)性和回歸分析。結(jié)果表明：專家、專業(yè)學生與非專業(yè)學生3類群視覺審美標準更加接近，專家的視覺審美標準高于其他3類群體，更為嚴格。但總體看相關(guān)系數(shù)大部分都在0.7以上，說明4類評價群體的視覺審美趨勢具有一致性，因此本次實驗選擇4類不同社會背景人群作為評價主體，能夠真實有效地反映方案的景觀視覺質(zhì)量。

4.1.2 視覺質(zhì)量評價結(jié)果

視覺質(zhì)量評價結(jié)果見圖6，四季道路植物景觀視覺質(zhì)量從高到低大體趨勢是秋季＞夏季＞春季＞冬季。全年各樣本段道路植物景觀視覺質(zhì)量從高到低依次是：場景21＞場6＞場景13＞場景4＞場景8＞場景22＞場景3＞場景10＞場景9＞場景19＞場景25＞場景2＞場景18＞場景14＞場景5＞場景17＞場景1＞場景24＞場景20＞場景7＞場景12＞場景16＞場景1＞場景23，數(shù)據(jù)表明長蕩湖旅游度假區(qū)道路植物景觀全年各樣本段景觀視覺質(zhì)量差異較大，分布不均。

圖6 四季各樣本段植物景觀視覺質(zhì)量Z值均值分布圖

4.2 植物景觀視覺特征要素評價結(jié)果

通過Shapiro-Wilk檢驗，評價數(shù)據(jù)真實有效，具體評價結(jié)果見圖7，3條道路各項植物景觀視覺特征要素分值分布趨勢是：長蕩湖大道＞長蕩湖西路＞長蕩湖北路，長蕩湖大道和長蕩湖西路相較于長蕩湖北路在季相特征、植物群落空間尺度以及植物景觀風貌這3項上優(yōu)勢明顯；長蕩湖北路除植物群落豐富度這一項處于其他2條道路分值之間，其余各項分值均低于長蕩湖大道和長蕩湖西路，其中視線開敞性、植物群落空間層次、植物群落空間尺度以及植物景觀風貌這4項劣勢明顯。

圖7 3條道路各項植物景觀視覺特征要素平均分值

4.3 植物景觀方案評價模型構(gòu)建

4.3.1 主要視覺特征要素篩選

運用SPSS 22.0數(shù)據(jù)處理軟件對度假區(qū)道路植物景觀視覺質(zhì)量和視覺特征要素進行相關(guān)性分析，視線開敞性、植物形態(tài)這2項要素的P值分別為0.544和0.648，均大于0.05，與景觀視覺質(zhì)量相關(guān)性不顯著；其他各項要素P值均小于0.05，與景觀視覺質(zhì)量呈顯著正相關(guān)，因此將視線開敞性、植物形態(tài)這2項特征要素剔除在外，不參與模型構(gòu)建。將剩余的12項視覺特征要素，作為方案視覺質(zhì)量影響因子，進行向前、逐步以及向后回歸分析。結(jié)果表明：向前和逐步回歸分析保留了植物群落豐富度、色彩對比度、植被多樣性、植物群落空間層次4項植物視覺特征要素。進一步通過向后回歸分析，篩選出植物群落豐富度、色彩對比度、季相特征、植物配置模式、植被多樣性、林冠線變化6項特征要素，雖然這6項植物視覺特征要素概率值均小于0.05，但是其中5項的特征容差小于0.1，說明各要素之間多重共線性影響嚴重，尚不能構(gòu)建出有效的評價模型。

4.3.2 主成分分析

綜合上述3種回歸分析結(jié)果，考慮到共線性影響，需對篩選出的6項植物景觀視覺特征要素進行主成分回歸分析。首先對數(shù)據(jù)進行KMO和巴特利特檢驗(表2)，檢驗值為0.874(大于0.7)，說明適合做主成分分析。分析結(jié)果表明：只有第一主成分特征值大于1，為4.569，對這6項特征要素的總方差貢獻率為76.157%，因此只選取第一主成分作為主成分回歸分析的自變量。

表2 KMO和巴特利特檢驗

根據(jù)成分得分系數(shù)矩陣(表3)，可以將第一主成分(F1)表達為：

表3 成分得分系數(shù)矩陣

F1=0.181StdX1+0.173StdX2+0.19StdX3+0.189StdX4+0.203StdX5+0.207StdX6

式中，StdXi(i=1，2，3，4，5，6)代表標準化后的各因子，因子順序依次為植物群落豐富度、色彩對比度、季相特征、植物配置模式、植被多樣性、林冠線變化。因子標準化處理的公式為原變量減去相應(yīng)均值再除以標準差(均值和標準差可根據(jù)輸出的描述統(tǒng)計量表獲得)，具體計算如下：

StdX1=(X1-0.464)/0.563

StdX2=(X2-0.510)/0.486

StdX3=(X3-0.716)/0.406

StdX4=(X4-0.206)/0.369

StdX5=(X5-0.540)/0.368

StdX6=(X6-0.312)/0.535

將上述幾項算式帶入F1表達式中，最終F1表達為Xi的函數(shù)關(guān)系式。將第一主成分的6項特征要素作為視覺質(zhì)量的影響因子進行回歸分析。回歸模型的擬合優(yōu)度為0.694，代表因變量的變異有69.4%可以有解釋變量所解釋。表4為回歸模型的方差分析表，回歸模型方差分析的F值為40.774，且在1%的顯著性水平下顯著，代表回歸模型設(shè)定合理。表5為回歸系數(shù)表，由此結(jié)果可以得出回歸模型Y=0.833F1，將F1的表達式代入方程，最終得出長蕩湖旅游度假區(qū)道路植物景觀規(guī)劃設(shè)計方案的景觀視覺質(zhì)量(Y)與顯著植物景觀視覺特征要素(X)的函數(shù)關(guān)系模型為：Y=0.268X1+0.297X2+0.390X3+0.427X4+0.460X5+0.322X6-0.991(式中，X1表示植物群落豐富度，X2表示色彩對比度，X3表示季相特征，X4表示植物配置模式，X5表示植被多樣性，X6表示林冠線變化)。

表4 方差分析表

表5 回歸系數(shù)和表

根據(jù)模型得出6項對景觀視覺質(zhì)量有顯著影響的景觀視覺特征要素：植物群落豐富度、色彩對比度、季相特征、植物配置模式、植被多樣性以及林冠線變化。模型的6項景觀視覺特征要素按其影響性可分為3個梯度：第一梯度是植被多樣性和植物配置模式，兩者影響系數(shù)均大于0.4；第二梯度為季相特征和林冠線變化，兩者影響系數(shù)分別為0.390和0.322；最后一梯度是色彩對比度和植物群落豐富度，影響系數(shù)分別為0.297和0.268。

5 方案修正與表現(xiàn)

上述評價模型能夠為方案的進一步修正優(yōu)化提供指導依據(jù)，以場景7為例。場景7位于長蕩湖西路，其視覺質(zhì)量分數(shù)為1.437，低于全段平均水平1.490。根據(jù)評價模型進一步分析可得，原方案前排種植烏桕，后排列植中山杉，地被觀賞草以狼尾草為主，植被配置模式單一，缺少常綠樹種以及水生植物；林冠線僵硬平直，易產(chǎn)生視覺疲勞，秋季色彩對比不明顯。借助虛擬現(xiàn)實三維建模技術(shù)，從植物群落豐富度、色彩對比度、季相特征、植物配置模式、植被多樣性以及林冠線變化6項顯著特征要素入手，擬做出以下調(diào)整，常綠樹種增加香樟、女貞作為背景樹，增強秋季季相特點；同時上層喬木增加垂柳，下層補種雪柳、迎春、連翹等灌木，形成植物組團，取代之前的列植模式，豐富林冠線變化；進一步豐富濱水植物群落，補植再力花、蔥蘭、菖蒲等水生植物，調(diào)整后如圖8、9所示。

圖8 場景7方案修正優(yōu)化對比

6 結(jié)論與討論

基于虛擬現(xiàn)實三維建模技術(shù)，以視覺感知為評價依據(jù)，對長蕩湖旅游度假區(qū)道路植物景觀規(guī)劃設(shè)計方案進行了植物景觀視覺質(zhì)量評價與植物景觀視覺質(zhì)量關(guān)鍵因素提取，構(gòu)建了長蕩湖旅游度假區(qū)道路植物景觀函數(shù)關(guān)系模型。雖然模型僅針對評價長蕩湖旅游度假區(qū)道路植物景觀規(guī)劃設(shè)計方案而建構(gòu)，但其建構(gòu)過程具有普適性，可用于其他類型大尺度、線性植物景觀規(guī)劃設(shè)計實踐，為植物景觀規(guī)劃設(shè)計方案的優(yōu)化提升提供依據(jù)。

圖9 場景7最終效果圖

模型篩選出6項顯著植物景觀視覺特征要素，其中植被多樣性、植物配置模式以及植被群落豐富度是形成其他視覺特征要素的基礎(chǔ)，帶給觀賞者對場景環(huán)境最直觀的感受；季相特征突出植物景觀動態(tài)變化過程，隨著四季時序變化，植物的花、莖、葉以及表皮都會呈現(xiàn)出不同的視覺觀感；林冠線主要體現(xiàn)植物景觀立面上的變化，由植物樹冠形態(tài)、高度及前后搭配層次決定；植物景觀色彩對比度體現(xiàn)在同一時期環(huán)境條件下葉色與花色的對比，以及同種植物在不同時期因時序、氣候、溫差等因素所造成的葉色與花色變化。但研究無法排除其他特征要素的影響，后續(xù)研究中可進一步完善回歸分析方法，探究其他特征要素以及這14項特征要素之外的要素對于植物景觀視覺質(zhì)量的影響。

研究引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為視覺評價的媒介，突破了時空限制，將擬建環(huán)境的景觀評價變?yōu)榭赡堋Ｌ摂M現(xiàn)實技術(shù)在風景園林領(lǐng)域的應(yīng)用尚處在起步階段，本研究所使用的軟件植物庫也在不斷地完善與更新中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將會逐步突破三維空間維度的限制，融入觸覺、聽覺等非空間屬性元素，使得三維虛擬場景環(huán)境無限趨近于真實環(huán)境，進一步保證景觀模擬的精度與深度。

注：文中圖片均由作者繪制。