自然的審美：園林藝術、景觀建筑和環境保護的交匯點

王蓓，王艷

武漢理工大學 藝術與設計學院，武漢 430070

美學一詞源自希臘語“aisthētikos”,意思是“感官的感知”,代表通過身體愉悅獲得美感的初始點．幾個世紀以來,“美”這個詞一直被用來表達人類對美學的欣賞．1750年,德國哲學家亞歷山大·鮑姆加滕(Alexander Baumgarten)正式將美學與美的品味聯系起來,這是審美判斷發展和追求美的基本原理的基礎[1]．這個時代被稱為“啟蒙運動”時期,影響了現代對美學的理解和測量．

自然審美是人類對自然界美的感知和賞識．人們對自然環境美感和保護意識的提升,促使我們對自然審美在園林藝術、景觀建筑和環境保護這些領域中的作用進行深入研究．園林藝術通過景觀設計、植物布局和藝術創作,將自然元素與人工結構融合,創造出具有和諧、平衡和美感的園林景觀[2]．景觀建筑將建筑與周圍自然環境融為一體,通過合理的空間規劃和建筑形式,創造與自然相協調的建筑景觀．環境保護關注自然資源保護和生態平衡維護,通過可持續的資源管理和環境保護措施,確保自然環境可持續性和健康發展．

園林藝術、景觀建筑和環境保護之間存在緊密的交匯點．園林藝術與景觀建筑交匯,通過創造性設計和藝術手法,將自然元素融入到建筑和園林中,使其在形式和功能上與自然環境相協調．環境保護與園林藝術及景觀建筑交匯,通過環境監測、生態修復和可持續發展策略,確保設計和建設過程中對自然環境的尊重和保護．

園林藝術、景觀建筑和環境保護之間存在密切關系和相互影響．在園林藝術和景觀建筑設計和實施過程中,環境保護原則和可持續發展理念被納入考慮范疇,通過科學管理和有效措施,保護和維護自然生態系統,創造出持久、可持續的自然環境．同時,園林藝術和景觀建筑的美學價值和環境意識也可以促進公眾對環境保護的認識和參與．

城市公園作為這3個領域的交匯產物,在城市空間中相互依存、相互影響．園林藝術、景觀建筑和環境保護的綜合應用在城市公園設計中發揮重要作用．通過它們的交匯點,城市公園得以實現美學價值創造、空間功能優化及生態環境保護．

城市公園中的各種景觀是客觀存在的主體,而人作為這些自然景觀的參與者和欣賞者,在進行公園設計時,要讓園林景觀藝術美與自然美融合在一起,從而使藝術美更藝術,自然美更自然．因此,對于城市公園美學質量研究具有重要的現實意義．本文使用人工神經網絡對城市公園的景觀美學質量進行建模,并從自然審美視角對其美學價值進行分析研究．研究結果有助于指導城市公園規劃和設計,以創造出更具自然美感和可持續性的公共空間．

1 文獻綜述

城市公園作為城市綠地系統的重要組成部分,是人們與自然交流的紐帶,它保護和改善城市生態環境,提高城市人居環境水平,促進現代城市的良性可持續發展[3-4]．保護自然環境和生態系統是實現可持續發展的重要目標,而城市公園的園林藝術和景觀建筑設計考慮了生態保護的原則和要求．通過采用環保材料、節能設計和生態系統恢復等策略,可以最大程度地減少對自然資源的消耗,保護生物多樣性和生態平衡．因此,園林藝術、景觀建筑和環境保護在實踐中相互依存,共同推動可持續發展．

城市公園通過藝術性景觀設計和環境保護實施,將園林藝術、景觀建筑和環境保護有機地融合,能夠為居民提供優美環境和豐富體驗,提升城市居民生活質量和幸福感．在園林藝術方面,城市公園通過將自然元素融入設計中,創造出和諧而富有藝術性的景觀．通過合理的植物選擇、布局和景觀構思,公園能夠呈現出不同季節的變化和色彩,使人們在欣賞自然美景的同時體驗到園林藝術的魅力．景觀建筑在城市公園中扮演著重要角色,通過巧妙的設計和藝術性的景觀創作,景觀建筑能夠為公園增添獨特的魅力和視覺效果．建筑元素選擇、材料運用及形式創新,都能夠為公園帶來獨特的景觀魅力,并與自然環境相互融合,提升人們的審美體驗．環境保護是城市公園設計中不可或缺的一部分．通過保護和合理利用自然資源,城市公園能夠實現生態平衡和可持續發展．在設計過程中,應注重生態系統保護、水資源利用和循環利用、垃圾處理等環境保護措施,以確保公園的可持續性和環境友好性．同時,自然審美作為城市公園設計的指導原則之一,強調將自然元素與藝術創作相結合,創造出與自然環境和諧共存的美學空間．通過充分理解和利用自然美感,城市公園能夠提供令人愉悅的環境,滿足人們對自然美的追求．

目前,針對城市公園景觀美學質量的評價方法多樣,研究對象也各有側重．如基于層次分析(AHP)、美景度(SBE)、GIS技術等評價方法的公園植物景觀群落及季象景觀評價[5-8];基于層次分析(AHP)等多種方法的城市公園老年活動區、適老性景觀、兒童活動區、城市公園濱水景觀、聲景觀及康養景觀評價[9-11];基于語義分析法(SD)的城市公園、城市森林空間、濕地景觀評價等[12-14]．此外,人工智能和神經網絡也已成功應用于公園景觀美學質量預測評價．Jahani等[15]開發了一個貝葉斯網絡來優先考慮影響城市公園審美質量感知的景觀屬性,貝葉斯網絡等先進方法成功預測了景觀審美品質．唐藝家等[16]的研究發現了其他先進的人工智能技術,該研究開發了一種人工智能系統來評估圖像的美感并過濾在線照片,從而為用戶提供更令人愉悅的內容．Havinga等[17]使用深度卷積神經網絡對公園風景圖像進行分層美學質量評估．Pourmohammad等[18]比較了人工神經網絡和多元回歸兩種方法在預測公園景觀美學質量方面的結果,證明人工神經網絡方法在結構變量景觀美學質量建模和預測方面更加準確．Kang等[19]使用人工神經網絡技術來評估和建模城市公園的審美偏好和心理恢復．從以往的研究結果來看,人工神經網絡模型具有顯著的預測審美品質的能力．

2 材料和方法

2.1 研究材料

本研究在廣州10個面積超過20 hm2的公園中進行．廣州屬亞熱帶海洋性季風氣候,具有溫暖多雨、光熱充足的特征,十分適宜植物生長,一年四季到處鮮花綻放、花團錦簇,因此廣州也被稱作“花城”．廣州城市綠地景觀規劃成熟,公園資源豐富且大多具有優秀的文化藝術遺產．綜合考慮廣州各城市公園的分布情況、建成年份等因素,選取具有普遍代表性的越秀公園、東山湖公園在內的10個公園作為研究樣本,其概括信息如表1所示．

表1 研究中使用的城市公園概況

在10個選定的公園中,根據各種自然和人工標準選擇100個景觀,確定風景并拍攝照片后,影響人們審美感知的客觀標準被記錄在每張照片中作為自變量,用于建模景觀的美學價值(用戶感知)．在本研究中,根據公園的3個主要標準：① 公園植物植被形態的多樣性;② 公園景觀建筑中自然元素和人造結構的多樣性;③ 公園環境保護和可持續性設計．將景觀要素分為9個標準(即變量),用于景觀美學評價的建模(表2)．

在本研究中,為了評估城市公園景觀的審美質量,結合用戶感知和人工神經網絡建模方法來對景觀美學價值進行建模．

表2 用于評價城市公園美學價值的景觀要素

2.2 研究方法

2.2.1 數據收集

本研究共有200人參與城市公園景觀美學價值評估．受訪者中男性和女性比例相當,其年齡、職業和受教育程度等綜合背景信息見表3．

2.2.2 拍攝設置

本文采用照片、幻燈片和視頻剪輯等多種視覺記錄技術評估城市公園的美學價值．為了確保照片質量一致,對所有照片設置了一些基于景觀質量評估常用方法的條件：即所有照片均使用同一臺相機拍攝,并保持恒定的分辨率．相機距地面高度為1.7 m,視野范圍位于照片上部三分之一位置;所有照片均在夏季相同天氣條件下拍攝,以確保植物生長季節一致．

2.2.3 審美質量評估

選擇以上10個公園,并采集100張風景照片作為評估樣本,由200名觀察者進行景觀美學價值評估．將照片中的景觀美學價值定義為以下問題：“通過觀察這張照片,您覺得該景觀的美感程度如何?”受訪者從經常游覽這些公園的人中隨機抽取．回答從1到5,即景觀美學質量從非常低到非常高．每張照片200名觀察者的平均得分被記錄為每個景觀的美學價值．在實際操作中,對每20人的評論進行登記后計算出方差和平均分．在完成200份問卷后,平均分的變化沒有超過分數的方差．

2.2.4 數據處理

為了分析數據,本文使用了MATLAB2020軟件中的人工神經網絡智能工具．以往的學者比較了3種繪圖方法,即多層感知器(Multi-Layer Perceptron,MLP)、多標準評價和邏輯回歸,用于景觀美學適宜性繪圖．結果發現與其他兩種方法相比,MLP 具有更高的準確性．MLP是復雜現象預測中最準確的神經網絡之一．因此,本文選擇MLP作為模型網絡．

設定裸露表面、山林景觀、水體景觀、園林植被、公園設備、規劃布局、生態環保、園林建筑及文化歷史等景觀要素為自變量,作為模型輸入對景觀美學價值進行建模．同時,受訪者的景觀美學評分或意見值被標記為因變量,作為模型輸出．為了進行人工神經網絡(ANN)訓練,樣本被隨機分為3類：網絡訓練(占總數據的60%)、驗證(占總數據的20%)和模型測試(占總數據的20%)．利用訓練數據建立最優模型,并利用訓練過程中的驗證數據測量模型的精度;使用測試數據來衡量模型在新數據中的泛化性和適用性,并確定模型的真實精度．在優化模型精度的過程中,應用了多層隱藏層的數量、每層不同的神經元數量及各種激活函數．模型精度根據以下指標估算：決定系數(R2)、平均絕對誤差(MAE)和均方誤差(MSE),如式(1)-式(3)所示．其中,MAE和MSE是常用的預測評價指標．決定系數(Coefficient of Determination)是一種統計指標,用于衡量一個回歸模型對觀測數據的擬合程度,表示因變量的變異性能夠被模型所解釋的比例,即回歸模型所能解釋的方差占總方差的比例．決定系數的取值范圍從0到1,越接近于1表示模型對數據的擬合程度越好．例如,決定系數為0.8,意味著模型可以解釋80%因變量的變異性．

(1)

(2)

(3)

式(1)-式(3)中,Ox表示測量數據,Oave表示平均測量數據,Ux表示預測數據,Uave表示預測平均數據,x表示數據的索引或數據點的標識,t表示數據個數．

優化的MLP模型可在一個具有對數sigmoid傳遞函數的隱藏層和一個具有線性傳遞函數的輸出層結構中實現,如式(4)所示．該方程在 MATLAB 2020 軟件中運行,輸入變量的值經過神經元加權,通過傳遞函數生成輸出結果．整個計算過程在不同的神經元中同時進行,神經元的輸出被匯總到加權隱藏層中,并計算出網絡的最終輸出結果．

MLP=Purelin(Logsig(∑XW1,1ux+h1))

(4)

式(4)中,ux表示輸入變量的值,W1,1表示神經元的權重,MLP表示模型的輸出．Purelin表示輸出層的線性傳遞函數,Logsig表示隱藏層的對數-sigmoid傳遞函數．

根據人工神經網絡建模的傳統方法,將輸入變量的變化固定在其標準偏差范圍內,并測量模型輸出的變化值,對模型變量進行敏感性分析．分別對每個輸入變量重復此過程,并根據其對模型輸出變化的影響程度進行優先排序．

3 結果與分析

3.1 最優模型結構

對不同結構的神經網絡進行測試和比較,得到最優神經網絡結構(表4)．

表4 評價模型中的最優神經網絡結構

3.2 模型精度評估

使用決定系數(R2)、平均絕對誤差(MAE)和均方誤差(MSE)等指標對模型精度進行評估,通過對訓練、驗證和測試數據的分析,得出模型的真實精度(表5)．表5列出了精度最高的5個結構的結果．其中,R2表示基于輸入變量的網絡預測景觀美學價值的精確度．根據表5中訓練網絡的結果,模型A的結構為15-8-1(15個輸入變量、8個隱層神經元和1個輸出變量),其在訓練數據、驗證數據和測試數據上的R2值最大,分別為0.98、0.89和0.91,說明人工神經網絡的優化性能最好．

表5 模型精度評估結果

輸入值等于100個具有9個變量的景觀樣本,輸出值等于每個景觀200名參與者的平均分數．圖1顯示了在訓練、驗證和測試3類數據中,景觀美學的真實值(目標值)與模型輸出值(預測值)之間的差異．

圖1 目標值與預測值對比結果

由圖1可知,目標值和預測值之間幾乎看不出明顯的差異,表明根據輸入變量預測公園景觀美學價值的神經網絡具有較高的準確性．

3.3 變量敏感性分析

由最優網絡在測試數據中的判定系數(0.91)可知,神經網絡預測城市公園景觀美學價值的準確性效果非常理想．本文的目的是研究城市公園景觀變量與美學價值之間的關系,因此對模型中各變量的敏感性系數進行了分析排序,結果如圖2所示．其中,規劃布局、園林植被、園林建筑和生態環保對城市公園美學價值的影響最大,敏感系數分別為0.48,0.35,0.29,0.27,其余變量對模型輸出的影響不大．

圖2 模型變量預測景觀美學價值的敏感性系數

對規劃布局、園林植被、園林建筑和生態環保這些變量的變化趨勢進行研究,實驗結果如圖3-圖6所示．

圖3中景觀美學價值隨公園規劃布局變化的趨勢表明,隨著規劃布局檔次增加,美學價值呈非線性增加狀態．規劃布局每增加1個規劃檔次,景觀美學價值就增加2度．因此,通過對城市公園結構進行合理規劃布局,例如將公園布局與自然地形相適應;考慮公園空間層次、道路系統、景點布置和景觀廊道,提供豐富的觀賞和休憩場所;規劃布局注重整體環境,以水為中心,有機地融合山、水、林、石、花等多種元素,可以極大地增加感知美感．

首先,從自然審美的角度分析,城市公園規劃布局可以影響公園內景觀景色和景觀元素的分布．一個精心規劃的布局可以創造出豐富多樣的自然景觀,如起伏的地形、曲折的小徑、水體景觀等,這些元素合理組合可以營造出自然和諧、生態平衡的環境,給人們帶來愉悅和放松的感受．其次,規劃布局可以提供不同的觀景點和視角．通過合理設置觀景點,使人們可以從不同角度欣賞到公園內的自然景觀,如山景、湖泊、花園等．觀景點的設置可以優化景觀觀賞效果,增強人們對自然美的感知和體驗．再次,規劃布局還可以考慮自然流線和空間連貫性,通過合理布置景觀元素和道路系統,使人們在公園內自由流動,感受到自然環境的連貫性和流動性．這種流線性和連貫性可以增加人們對景觀美學的欣賞度,從而更好地融入自然環境中．

由圖4可知,植被面積每增加22%,景觀美學價值就增加1個度．圖4的變化趨勢表明,隨著公園內花卉、灌木和植被面積增加,公園美學價值呈非線性增加狀態．園林植被對城市公園美學價值的影響具有多方面性．首先,園林植被可以創造出自然氛圍和美感．通過植被選擇和布局,城市公園可以打造出豐富多樣的植物景觀,包括樹木、花草、灌木、藤蔓等,這些植被的綠色色調和豐富形態給人們帶來一種和諧、宜人的感覺,與自然環境相融合．其次,園林植被可以為人們提供舒適和宜人的環境．植被具有調節氣溫、凈化空氣、降低噪音等功能,能夠改善公園的微氣候和環境質量．樹木的樹蔭可以為游客提供遮陽和納涼的場所,花草的芳香和色彩可以刺激人們感官,營造出宜人的環境氛圍．這種舒適和宜人的環境使人們可以在公園中放松身心,享受大自然的美好．同時,植被的變化和季節性特征也為景觀帶來不同的色彩和景象,讓人們在不同時間和季節感受到不同的美麗．

圖3 規劃布局對城市公園美學價值影響的變化圖

圖4 園林植被對城市公園美學價值影響的變化圖

圖5中城市公園美學價值隨園林建筑的變化趨勢表明,隨著園內建筑物比例增加,公園美學價值先呈非線性下降,當超過35%的建筑覆蓋率時,其美學價值開始不斷上升,說明雖然這些建筑物會占據環境很大一部分空間,對園區景觀造成一定的影響,但如果將這些建筑物合理設計和布局,可以為城市公園增添獨特的韻味和藝術氛圍,譬如可以將這些建筑的獨特形式、材料和細節與自然環境相互融合,形成一種獨特的景觀風景．園林建筑的存在為公園增添了人文和藝術元素,給人們帶來一種美學上享受．通過建筑物高度、形狀、比例和位置安排,可以引導人們視線和注意力,使其集中在特定的景觀要素上．園林建筑可以成為公園的標志性建筑,如鐘樓、塔樓、雕塑等給人們留下深刻的印象．這些建筑物的存在提供了一個引人入勝的視覺焦點,讓人們在公園中欣賞和體驗獨特的景觀美．在園林建筑的選擇和設計中,可以考慮使用環保材料、可持續設計和綠色技術,減少對環境的影響．例如,采用可再生材料、綠色建筑、節能照明等,使建筑物與周圍自然環境協調一致．這種生態友好的設計理念可以提高公園的可持續性,減少資源消耗,保護生態系統,給人們帶來一種與自然和諧共生的美感．

圖6的變化趨勢表明,隨著公園生態環保力度增加,城市公園的美學價值呈非線性增加狀態．生態環保力度增加2個單位,公園美學價值提升0.1度,且隨著生態環保力度增加呈倍數上升．公園生態環保措施對美學價值的影響非常重要．首先,生態環保措施可以營造出綠色、清新和自然的環境氛圍．通過保護和恢復公園內的自然生態系統,例如濕地、森林、草地等,可以創造出豐富多樣的植被和野生動物棲息地．公園中綠色植物、鮮花和清澈的水體,以及鳥類鳴叫和昆蟲活動都為人們帶來一種自然審美的享受．其次,生態環保措施可以改善空氣質量,凈化環境．通過植被吸收和過濾,可以消除空氣中的污染物,并增加氧氣含量,對于改善城市環境和人們健康非常重要．清新的空氣和清澈的水體給人們一種舒適和寧靜的感覺,使人們更加享受在公園中的時光．這種清新的環境也為人們提供了更好的拍攝和欣賞自然景觀的機會,增加了公園的美學價值．生態環保措施還可以促進生物多樣性和生態平衡．公園中的植被和野生動物是一個完整的生態系統,它們相互依存和相互作用．通過保護和提供適宜的棲息地,公園可以吸引各種野生動物,如鳥類、昆蟲和小型哺乳動物．這種生態友好設計和管理方式增強了公園的景觀美學價值,讓人們在欣賞自然美景的同時也體驗到了環境保護的重要性．

圖5 園林建筑對城市公園美學價值影響的變化圖

圖6 生態環保對城市公園美學價值影響的變化圖

4 結論

為了探究園林藝術、景觀建筑和環境保護之間的相互聯系和相互影響,本研究從自然審美角度對城市公園進行深入研究和分析．① 通過參考相關文獻,探討了城市公園景觀的審美評價方法．② 采用人工神經網絡對城市公園審美質量進行建模,預測景觀的美學價值．③ 通過敏感性系數排序分析,得出規劃布局、園林植被、建筑物和生態環保等幾個變量對城市公園美學價值的影響最大,這些結果也突顯了園林藝術、景觀建筑和環境保護在自然美學中的重要性．本研究的結果表明,將園林藝術、景觀建筑和生態環保緊密結合,在設計和實踐中進行綜合考慮,有助于推進美學價值、環境保護和可持續發展目標．然而,由于時間限制,本研究中省略了一些與審美相關的其他影響因素,例如季節性變化、植物年齡、土壤類型、環境光照條件、水質狀況和垃圾處理等,未來的研究方向是將這些變量盡可能齊全地考慮在內,進一步探索更準確的模型用以分析園林藝術、景觀建筑和環境保護之間的交互影響關系．