基于維數特征的園林植物林冠線和色彩分析

段傳宏 張敬麗 王曉云 晏燕 胡潔 閏婧

摘要：為提高園林植物配植水平，從植物群落林冠線和色彩2個方面對景觀外貌進行量化分析。研究選取3處居住區中心綠地，測算樣本材料的林冠線分形維數和色彩信息維數。研究發現，所選樣本植物群落林冠線分形維數組內變異差別較大而組間較小，樣本景觀塑造以植物群落為主搭配園林建筑分形維數較高，完全以植物造景林冠線較連續，更具自然韻味，群落內部不同層次植物的林冠輪廓分形維數變異性較大，林冠線不連續且以建筑輪廓線為主的景觀分形維數較低；色彩的信息維數體現了色彩分布的復雜和不均勻性，維數較高是園林植物群落接近自然群落的特征之一。3個樣本植物種類的雷同性較高，樣本內部植物配植的層次和齡級較單調，需加強鄉土景觀植物資源開發和植物配植水平，以營造近自然人工植物群落。

關鍵詞：維數；園林植物；群落；林冠線；色彩

中圖分類號：TU986.2文獻標志碼：A論文編號：cjas2020-0178

Analysis of the Canopy Lines and Color of Landscape Plant Communities Based on Dimension Characteristics

DUAN Chuanhong1， ZHANG Jingli2， WANG Xiaoyun1， YAN Yan1， HU Jie1， RUN Jing3（1The Forest Science Research Institute of Xinyang， Xinyang 464031， Henan， China； 2College of Landscape and Horticulture， Yunnan Agricultural University， Kunming 650000， Yunnan， China； 3Gushi County Forestry Technology Promotion Station， Gushi 465200， Henan， China）

Abstract： To improve the level of planting arrangements， the landscape was quantitatively analyzed from canopy lines and color of plant communities. 3 residential green spaces were selected to measure the fractal dimension of canopy lines and the information dimension of color. The study revealed that the variation in fractal dimension of canopy lines was large within the same group and the variation was small between different groups in the sample communities. The community landscape formed by the combination of garden buildings and plants had high fractal dimension， and canopy lines entirely formed by plant landscape were continuous and had more natural charm. The variation of the canopy contour at different levels within the community was of great fractal dimension， while the canopy lines with discontinuity and mainly based on buildings had low landscape fractal dimension. The information dimension of color reflected the complexity and non-uniformity of color distribution， and the relatively high dimension was one of the characteristics of garden plant community close to the natural community. The comparison and analysis of the 3 sample communities indicated that the plant species were relatively similar， and the planting arrangements in the samples were monotonous.Therefore， it is suggested to strengthen the development of local plant resources and plant configuration level， so as to build near-natural artificial plant communities.

Keywords： fractal dimension； landscape plant； community； canopy line； color

0引言

目前植物配植評價常采用的方法有層次分析法（AHP）、美景度評價法（SBE）、審美評判測量法（BIBLCJ）、語義分析法（SD）等。雷金睿[1]根據海口地區高爾夫球場植物景觀AHP評價結果，得出瀾湖、月亮灣、三公里和東山高爾夫球場植物景觀的優劣排序；于守超[2]用SBE法量化評價聊城市公園植物景觀，并結合園林植物和景觀生態學相關理論分析公園植物景觀實例；朱志鵬[3]用SD法對閩西地區鄉村道路景觀進行美學質量評價分析，選擇具有典型代表意義的閩西鄉村，結合游覽者視覺感觀及心理感受評價閩西地區鄉村道路景觀美學質量。上述評價方法側重于審美層次，評價過程主觀性較強，評價手段以主觀判斷、語言表達為依據，客觀性不足。所以探討景觀的客觀量化評價分析十分必要。分形理論是現代幾何學的分支，傳統的歐式幾何學空間的特征標度是長度，對應的線、面、立體特征量為長度的一次方、二次方、三次方，所以傳統的幾何維數都是整數，空間維數劃分為一維、二維、三維[4]。分形理論突破了傳統的歐式幾何學，認為曲折的海岸線、山川、巖石等形狀具有自相似性和標度不變性，認為維數可以是分數，維數反映復雜形體不規則性的量度[5]。分形維數理論進一步擴展，產生了信息維數、譜維數等概念[6]。分形理論在植物學領域有著廣泛的運用，目前已運用于植物分枝形態、植物種群格局[7-8]、群落格局和景觀斑塊格局的研究中[9-10]。通過研究植物種群分布的分形維數分析其占據空間生態位的能力和種群發展狀態。分形理論對于城市景觀的研究主要表現在城市建筑格局肌理和城市市政建筑、水體等邊際線研究。如嚴軍[11]應用分形理論對馬鞍山雨山湖濱水天際線的研究，劉杰[12]基于分形模型的城市綠地系統時空進化分析等。本研究以3處居住小區中心綠地林冠線分形維數和色彩信息維數為研究對象，對植物配植進行評價研究，旨在探索一種景觀的客觀量化評價分析方法。

1材料與方法

1.1研究樣本及研究材料獲取

研究區域位于河南省信陽市，選取3處居住區中心綠地作為觀測樣本，樣本建設年代為2006—2008年，樣方為小區中心綠地標志性景觀，于2019年3月進行居民隨訪，每個樣本選擇1幅照片作為評價樣本，編號Ⅰ～Ⅲ號（圖1）。

1.2研究方法

1.2.1研究內容對樣本植物群落林冠線和色彩維數特征研究分3個方面進行，包括樣本植物群落植物種類數量調查、樹木林冠線分形維數測算、植物配植色彩信息維數測算。

1.2.2分形維數計算方法

（1）樹木林冠線分形維數測算，自上而下計算喬木、灌木、地被3個層次的植物群叢林冠線分形維數。對選取的評價材料沿林冠線畫一條曲線，將其放入不同規格的方格網中，與曲線相交的方格個數為N，對應的方格邊長計R，共選取20組數，按式（1）計算分形維數。

（2）植物配植色彩信息維數測算，依次按照2n（n= 0，1，2，3，4，5，6）比例均分所選照片材料為若干小格，查詢并統計每個小格內植物色彩的NCS色號，計算不同小格內色號的出現頻率fn，按式（2）計算信息熵，然后按式（1）計算信息維數。NCS色號為瑞典國家色彩語言系統標準NCS（Natural Colour System，自然色彩系統），在歐洲使用最為廣泛，主要應用于各種設計、科學研究和教育等領域，是進行景觀植物色彩的量化分析[13-16]常用指標。

1.3數據處理分析

運用AutoCAD 2014進行圖像處理與數據采集。采用盒維數法計算分形維數并計算信息維數。采用NCS A-6 index1950比色系統進行色彩色號比對。數據處理分析和制圖采用Excel 2007。

2結果與分析

2.1樣本植物種類數量調查

2.1.1樣本植物種類植物配植種類上以樣本Ⅰ最多（19種），樣本Ⅲ最少（8種）。調查樣地中主要喬木有銀杏（Ginkgo biloba）、辛夷（Magnolia liliiflora）、桂花（Osmanthusfragrans）、大葉女貞（Ligustrum compactum）、香樟（Cinnamomum camphora）、欒樹（Koelreuteriapaniculata）、馬褂木（Liriodendron chinense）等；主要灌木有海棠（Malus spectabilis）、杜鵑（Rhododendron radendum）、紅花檵木（Loropetalum chinense var. rubrum）、紅瑞木（Cornus alba）、紅楓（Acer palmatum f. atropurpureum）、金森女貞（Ligustrum japonicum‘Howardii’）、金葉女貞（Ligustrum vicaryi）、金心黃楊（Euonymus japonicus var. aurea-marginatus）、紅葉石楠（Photina fraseri）、小葉女貞（Ligustrum quihoui）、灑金桃葉珊瑚（Aucuba japonica var. variegate）等；草坪植物主要是馬尼拉（Zoysia matrella）。樣本植物數量如表1。

2.1.2樣本植物群叢外貌特點群落外貌主要表現為地被植物較為平整，灌木層以人工修剪植物造型為主，喬木層林冠線較為接近林木的自然形態。植物色彩特征上，春季園林植物色相中紅色最突出，夏季綠色最突出，秋季黃色最突出，冬季則較單調。其中Ⅰ號樣本景觀線條和色彩以植物造景為主，Ⅱ號植物和建筑相配合，Ⅲ號則以建筑為主。

2.2樣本植物群叢分形維數

樣本植物群叢林冠線函數方程決定系數（R2）最小值為0.967，方程擬合性較好（表2）。

樣本植物群叢分形維數（表3）平均值為0.986，最大值為1.073，最小值為0.914。植物群叢3個層次的林冠線分形維數平均值表現為喬木層>灌木層>地被層。3個樣本組間變異性較小，變異系數為0.046，3個樣本組內林冠線分形維數平均值以Ⅱ號樣本最大為1.0120，Ⅰ號樣本和Ⅲ號值較接近，組間林冠線分形維數表現為Ⅱ號樣本>Ⅰ號樣本>Ⅲ號樣本。各組內分形維數變異系數表現為Ⅰ號樣本>Ⅱ號樣本>Ⅲ號樣本。表明植物和建筑共同塑造的景觀線條分形維數值更高，單純的植物或建筑都較低，豐富的植物種類增強了不同層次間的林冠線的曲線變異性，單純植物群落不同層次維數的變異性最高。

2.3樣本植物色號信息維數

樣本植物群落色號信息熵函數方程決定系數（R2）最小值為0.892，方程擬合性較好（表4）。

樣本植物群叢色號信息維數平均值為1.374，最大值為1.484，最小值為1.167（表5）。3個樣本信息維數表現為Ⅱ號樣本>Ⅰ號樣本>Ⅲ號樣本。Ⅲ號樣本植物色彩變化略低，原因是植物種類的復雜性較低，綠地以大面積草坪為主。Ⅰ號與Ⅱ號樣本接近，兩者之間變異性較小，原因在于體現色彩與季相變化的季節特征植物基本雷同，春季的紅色相主要來源于海棠、杜鵑、辛夷等植物；秋季色相來源于欒樹、紅楓、銀杏等；地被植物以金森女貞、紅葉石楠、小葉女貞、灑金桃葉珊瑚為主；常綠喬木主要有桂花、大葉女貞、香樟等。色彩的信息維數顯示了色彩的空間分布形態不均勻的程度，信息維數較高的Ⅱ號樣本在色彩組合上更具復雜性，而信息維數較低的Ⅲ號樣本植物景觀的色彩搭配相對簡單規整。

3結論

景觀線條塑造以植物群落為主配以園林建筑從視覺上更符合人們的審美觀念，維數也較高；完全以植物群落造景表現為林冠線連續，更具自然韻味，植物群落內部不同層次植物的林冠輪廓分形維數變異性較大；以建筑輪廓為主則分形維數較低。

色彩的信息維數表現了植物群落色彩的復雜和不均勻程度，是園林植物群落接近自然群落的特征之一。

3個樣本植物種類的雷同性較高，缺乏變化，樣本內部植物配植的層次和齡級較單調，需加強鄉土景觀植物資源開發和植物配植水平，以創造近自然人工植物景觀群落。

4討論

不同植物群叢的分形維數、色彩信息維數特征反映了設計師對景觀設計的理解、場所的認識和植物學知識的積累[17]。Ⅰ號樣本、Ⅱ號樣本在居住環境的塑造中更多地種植植物，而Ⅲ號樣本則較多的利用園林建筑和建筑物外形、線條和色彩進行景觀和空間的構建。Ⅰ號樣本、Ⅱ號樣本群叢外貌表現為林冠線連續，過渡和緩，不同層次植物之間參差錯落，林冠線變化更具自然韻味；而Ⅲ號樣本群叢組外貌表現為林冠線斷斷續續，不同層次植物之間變化較少，植物群叢林冠線和建筑物外形線條輪廓交叉出現。體現在維數特征上Ⅰ號樣本、Ⅱ號樣本林冠線分形維數絕對值和組內變異性較大，Ⅲ號樣本則絕對值和組內變異性較小。分形維數反映了曲線占據空間的有效性，分形維數較高則景觀曲線占據空間資源的能力強，產生的視覺沖擊力更大，是植物配植合理的表現。

人工植物配植追求近自然的植物景觀群落是園林學科的熱點研究方向，眾多專家學者開展了相關研究。例如吳瑾[18]從演替視角對深圳近自然社區綠道植物配植進行實踐分析。蔡嬋靜[19]在武漢市后官湖綠道植物景觀研究中也提出均衡選用植物種類，增加鄉土植物應用，營建近自然群落。韓軼[20]在居住小區生態型綠地模式的研究中則認為，應將典型鄉土闊葉植物和針葉植物的生態效益測試結果作為生態型綠地建設依據。劉志紅[21]在武漢園博園山西三園植物配植中提出把鄉土植物如構樹、狼尾草應用于園林中，以體現晉中地區植被的自然面貌等。對園林綠地植物在景觀特征和功能結構向自然的植物群落模擬程度的評價度量是實現這一過程的重要技術保證，作為客觀化指標的度量，基于維數特征的園林植物林冠線和色彩分析，具有重要意義。以本研究樣本為例，該地域景觀植被型層級主要為常綠落葉闊葉林，與研究樣地配植特色基本一致，而在植物群落的群系、群叢分類上，研究樣地和自然群落之間相比變異性較大。通過維數分析表明，樣本林冠線和色彩變化愈接近原生自然群落的復雜性，其分形維數值愈高，樣本內部不同層次間的變異性愈大。色彩規整、簡單大方是人工綠地的典型代表，而色彩的復雜且不均勻性是近自然群落的標志之一[22-23]。對于植物群落色彩的季相變化和復雜性定性研究較多，例如張哲[24]對深圳公園綠地植物景觀評價和朱云辰[25]對浙江大學紫金港東區植物景觀評價中均認為，植被層次豐富、植物品種多樣是提高景觀質量的重要因素。孟佳[26]在上海辰山水生植物園植物色彩分析中提出著重于運用適宜色的建議。陳麗飛[27]在長春市高校植物秋季色彩調查認為應增加橙紅色系、藍紫色系植物種類，均衡不同色系植物色彩NCS值，以更好地呈現季相色彩與景觀變化。通過植物群落的色彩信息維數評價分析能很好地量化植物群落色彩的季相變化和復雜性。

園林植物群落的維數取值是以林冠線的曲折性和色彩的變化與復雜性為基礎的，適用于自然式生態園林和較大尺度區域的景觀評價分析，具有客觀性且可重復性強，但對于道路、廣場等有特殊場所功能的區域綠化配植則要結合其他因素綜合考慮。同時需要指出植物生長的不同階段，園林植物林冠線和色彩是不同的，植物群落內部不同個體之間也會出現此消彼長的變化，只有通過長期多次的園林植物群落林冠線和色彩的維數特征分析才能對于植物配植做出客觀真實的評價。

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