基于虛擬現實技術的低碳城市規劃生態適宜性評價

摘 要：適宜性評價是低碳城市規劃前期工作中的重要內容，可以為低碳城市規劃決策提供依據，但是現行方法評價與實際一致性系數較低，無法達到預期的評價效果，因此本文提出基于虛擬現實技術的低碳城市規劃生態適宜性評價。選取地形、生物和安全作為評價指標，建立低碳城市規劃生態適宜性評價指標體系，并利用虛擬現實技術建立低碳城市規劃虛擬模型，量化評價指標，對指標進行綜合分析，確定生態適宜度和適宜性等級，實現基于虛擬現實技術的低碳城市規劃生態適宜性評價。試驗證明，本文設計方法的評價與實際一致性系數水平比較高，能夠進行低碳城市規劃生態適宜性精準評價。

關鍵詞：虛擬現實技術；低碳城市規劃；生態適宜性；評價指標體系；虛擬模型

中圖分類號：S 731 " " 文獻標志碼：A

全球氣候變化和環境問題日益嚴重，低碳城市規劃已成為城市發展的重要趨勢。低碳城市是指通過減少碳排放、提高能源利用效率和促進可持續發展來實現綠色轉型的城市。在低碳城市規劃中，生態適宜性評價是一個關鍵環節，它可以幫助城市規劃者了解城市生態環境的現狀和潛力，為城市規劃提供科學依據。目前，城市規劃生態適宜性評價問題受到研究領域的重視與關注，國內一些學者提出了一些評價方法和思路，主要是利用層次分析法、主成分分析法等對其進行適宜性評價。這些方法的應用雖然在一定程度上提高了低碳城市規劃生態適宜性評價工作效率，但是傳統的生態適宜性評價方法存在一些局限性，例如主觀性強、評價結果不夠客觀等，并且在實際應用中評價與實際一致性系數較低，已經無法滿足實際需求。隨著虛擬現實技術發展，基于虛擬現實技術的生態適宜性評價逐漸成為研究熱點。該技術能夠構建虛擬環境，模擬城市生態環境，為城市規劃者提供更真實、客觀的評價結果，因此本文提出基于虛擬現實技術的低碳城市規劃生態適宜性評價。

1 低碳城市理念與虛擬現實技術概述

1.1 低碳城市理念

低碳城市（Low-carbon City）主要是指以低碳經濟為發展模式與方向、市民以低碳生活為理念與行為特征、政府公務管理層以低碳社會為建設標本與藍圖的城市。低碳城市的理念主要體現在2個方面。其一，在現代城市規劃和建設中，減少碳排放是設計的主題與目的，基于城市空間發展低碳經濟，落實綠色交通與建筑的現代城市發展理念。其二，利用市民消費觀念的改變與低碳技術的創新，最大化降低溫室氣體的排放。綜上所述，低碳城市融合了城市空間、設計道路交通設計以及綠色景觀設計。在低碳城市的規劃與發展中，應該利用有針對性的技術，構建低能耗、低排放和高循環的城市運行模式，加深居民對低碳城市的認識。

1.2 虛擬現實技術

虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR）屬于集成技術領域，融合了計算機技術、電子信息技術、傳感與測量技術以及仿真技術，囊括了人工智能、信息網絡等學科。在虛擬仿真技術中，環境建模技術具有重要作用。該技術能夠呈現極為詳細的3D環境數據，并結合具體的應用需求及其各項數據來建立環境模型。

與早期的模擬技術相比，VR技術能夠創設更生動、形象而具體的虛擬環境，具有比較強大的交互性特征。在低碳城市生態性規劃設計中，科學合理地引入VR技術能夠使受眾群體與仿真環境有機融合，從而發揮交互性作用。設計人員能夠結合本身的感知力與認知力，從虛擬城市生態環境中獲取設計思路，進而借助虛擬環境中的空間與邏輯信息進行分析與設計。VR技術具有3個基本特征，即沉浸感、交互性和想象力。1） 沉浸感。使用者能夠以本人的視角處在虛擬環境中，感知環境的真實程度即為沉浸感。如果具有較強的沉浸感，那么表明所創建的場景具有較高真實度，最佳的虛擬環境會使用戶無法辨別真假。所創建的虛擬場景能夠隨用戶視角改變而進行改變，疊加照明與音響的混合作用，可以獲得最佳的體驗效果。2） 交互性。交互性主要是指使用者對虛擬環境中物體的可操作性和從環境中獲取反饋的自然程度。例如，虛擬環境中的使用者如果直接觸碰物體，那么手反饋的觸感、物體的質感均會隨觸碰力度而產生變化。3） 想象力。使用者處在多維空間中，利用自身的感知力與認知力得到大量信息后，調動潛在的思維能力，根據所處的時空環境形成現實環境的構想，從而積極主動地去想象。

2 低碳城市規劃生態適宜性評價指標體系的建立

低碳城市規劃生態適宜性主要與規劃區域地形、生物和安全這3個因素有關[1]。其中地形方面主要包括高程、坡度，生物方面主要包括植被覆蓋率，安全方面主要包括地質安全程度、水域覆蓋率等。因此本文將以上因素作為低碳城市規劃生態適宜性評價指標，并建立指標體系，如公式（1）所示。

K={X1（a1，a2），X2（b），X3（c1，c2）} （1）

式中：K表示低碳城市規劃生態適宜性評價指標體系；X1、X2和X3分別表示一級指標層中的地形因素、生物因素和安全因素；a1、a2分別表示高程、坡度二級指標；b表示植被覆蓋率二級指標；c1、c2分別表示地質安全程度、水域覆蓋率二級指標。

在生態適宜性評價指標體系中還應該設置目標層，使其配合一級指標層與二級指標層的落實。其中，一級指標層涉及地形因素、生物因素與安全因素，即需要綜合考慮城市生態環境資源、城市空間資源以及城市社會資源。二級指標涉及高程與坡度、植被覆蓋率、地質安全程度與水域覆蓋率等因素，即需要綜合考慮城市碳排放程度、土地利用等方面的情況。目標層就是低碳城市的生態適宜性。本文涉及多項二級評價指標，這樣能夠更好地進行量化分析，并且構建的低碳城市生態適宜性評價指標體系可以應用在各種類型的低碳城市規劃評價中。結合城市對應的類型，將目標、一級指標和二級指標有機結合，可以使評價指標體系的實用性更強。

3 基于虛擬現實技術的評價指標量化

為了進行低碳城市規劃生態適宜性評價，需要收集評價區域的地形、地貌和水文等數據[2]，這些數據可以從各種地理信息系統（Geographical Information System，GIS）軟件中獲取[3]。收集完數據后，使用AutoCAD軟件進行地形等高線繪制，并以此為基礎完成低碳城市規劃區域的輪廓提取。此外，還需要利用AutoCAD對規劃區域的植被分布進行定位，以便為后續的生態適宜性評價提供依據[4]。完成初步的地形和植被定位后，使用Sketchup軟件進一步細化規劃區域的虛擬場景。Sketchup軟件提供了豐富的材質庫和繪圖工具，可以根據實際地形、植被和水域信息進行顏色填充和垂直布局。還可以使用Sketchup調整空間大小和比例，保證虛擬場景與實際場景的一致性。

完成低碳城市規劃生態虛擬場景的初步構建后，使用Lumion軟件進行植物的種植調整、虛擬場景的渲染和VR全景的渲染[5]。Lumion軟件具有強大的渲染引擎和逼真的植物庫，能夠根據實際地形和植被分布情況，為虛擬場景添加適當的植物，并對植物進行位置、高度和形態等方面的調整[6]。此外，Lumion還支持VR全景渲染，使評價者能夠身臨其境地感受虛擬場景中的生態環境。利用上述軟件生成虛擬場景，逼真地呈現出光影關系、空間體量和地形特點，以此構建低碳城市規劃生態虛擬模型。進而利用構建的虛擬模型對指標體系中的指標進行量化處理，將虛擬模型中節點的縱坐標作為該點的高程，根據圖形中的勾股定理確定規劃區域坡度，并根據虛擬模型中植被所占面積計算出規劃區域植被覆蓋率，如公式（2）所示。

b=s/e （2）

式中：s表示虛擬模型中植被面積；e表示虛擬模型總面積。

根據虛擬模型中地質災害所占面積，計算出規劃區域地質安全程度，如公式（3）所示。

c1=v/e （3）

式中：c1表示地質安全程度；v表示虛擬模型中地質災害面積[7]；e表示虛擬模型的總面積。

同理，計算出水域覆蓋率，如公式（4）所示。

c2=r/e （4）

式中：c2表示水域覆蓋率；r表示虛擬模型中水域面積；e表示虛擬模型的總面積。

考慮各項指標單位不同、數據來源不同，為了保證低碳城市規劃生態適宜性評價的精度，對量化的指標值進行標準化處理，如公式（5）所示。

（5）

式中：xi表示標準化處理后的第i個適宜性評價指標；maxXi、minXi分別表示第i個指標的最大值和最小值；Xi表示第i個指標的原始值。

對評價指標進行標準化處理，使指標值處于0～1，消除指標數據量綱，完成評價指標的量化處理。

4 低碳城市規劃生態適宜性評價

利用綜合分析法對各項指標進行評價，計算出低碳城市規劃生態適應度。考慮每個指標對低碳城市規劃生態適應性的影響程度不同，根據標度值，為每個指標賦權。從指標體系中隨機選取2個指標n1、n2，比較二者的重要程度。如果指標n1相對指標n2的重要程度為非常重要，那么將n1標度值取值為1，n2標度值取值為9；如果為明顯重要，那么將n1標度值取值為3，n2標度值取值為7；如果為同等重要，那么將n1標度值取值為5，n2標度值也取值為5。根據上述規則確定每個指標的標度值，計算出指標權重，如公式（6）所示。

?i=εi×μi （6）

式中：?i表示第i個指標的權重系數；εi表示第i個指標的標度值；μi表示第i個指標的專家評分值。

利用評價函數計算出城市規劃生態適宜度，如公式（7）所示。

（7）

式中：h表示低碳城市規劃生態適宜度。

根據計算所得城市規劃生態適宜度，確定適宜性等級。根據需求，將此次設計適宜性分為非常低、比較低、一般、比較高和非常高5個等級。如果適宜度在0.0～0.2，那么生態適宜性等級為非常低；如果適宜度在0.2～0.4，那么生態適宜性等級為比較低；如果適宜度在0.4～0.6，那么生態適宜性等級為一般；如果適宜度在0.6～0.8，那么生態適宜性等級為比較高；如果適宜度在0.8～1.0，那么生態適宜性等級為非常高。根據生態適宜度所屬區間確定等級，以此實現基于虛擬現實技術的低碳城市規劃生態適宜性評價。

5 試驗論證

5.1 試驗準備與設計

為了驗證本文方法在低碳城市規劃生態適宜性評價方面的性能，選取7個城市，收集城市規劃數據信息，利用該方法對7個低碳城市規劃的生態適宜性進行評價。

在生態適宜性評價過程中，每個生態性指標均需要根據權重分析來確定，權重決定生態性指標的適宜性程度。本次試驗中的生態性指標涉及一定的生態敏感性因子，其權重確定采用取大原則，以反映城市生態環境對城市中人員活動的敏感性。根據其重要程度，將敏感性級別劃分為5個級別，一是超高生態敏感區，二是高生態敏感區，三是中度生態敏感區，四是低生態敏感區，五是非生態敏感區，依次對這些敏感區級別進行賦值（見表1）。

根據7個城市生態敏感區級別與賦值情況，將生態適宜性分為5個等級，分別為非常高適宜、比較高適宜、一般適宜、比較低適宜以及非常低適宜。在此基礎上進行生態適宜性評價，具體評價結果見表2。

5.2 試驗結果與討論

試驗的目的是測評本文方法的性能，為了使試驗數據具有一定說明性，將本文方法與基于層次分析法的評價方法和基于主成分分析法的評價方法進行比較。低碳城市規劃生態適宜性評價對精度要求比較高，因此將評價與實際一致性系數作為方法性能測評指標。一致性系數是指評價值與實際值的相符程度，如公式（8）所示。

（8）

式中：δ表示低碳城市規劃生態適宜性評價與實際一致性系數；c表示適宜性實際值；c0表示適宜性評價值。

將從7個城市中收集與計算獲取的數值代入公式（8），可以獲得每個城市的適宜性評價與實際一致性系數，具體數據見表3。

比較表3中的數據，本文設計方法的評價與實際一致性系數為0.96～0.99，是基于層次分析法的評價方法的1.25倍，是基于主成分分析法的評價方法的1.16倍，遠高于這2種主流方法。因此本文設計方法可以真實反映出低碳城市規劃的生態適宜性，具有良好的可行性與可靠性。

6 結語

本文將虛擬現實技術應用于低碳城市規劃生態適宜性評價，對虛擬現實技術在城市規劃領域的應用起到了推動和促進作用，也為相關領域的研究提供了有益參考和借鑒。除了上文提到的應用價值外，基于虛擬現實技術的低碳城市規劃生態適宜性評價還具有廣泛的研究前景。例如，該方法可以進一步優化數學模型和算法，提高評價的準確性和可靠性；可以結合GIS技術、大數據分析等技術，進行更全面、系統的生態適宜性評價；還可以擴展到其他類型的城市規劃項目，例如交通規劃、景觀規劃等，為城市規劃的各個領域提供技術支持。

參考文獻

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