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(guān)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(guān)設計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(guān)角度考慮景觀(guān)布局規劃的協(xié)調性、統一性，滿(mǎn)足用戶(hù)獲取生態(tài)效益與心理效益的雙重需求[1]。此種改變需要結合傳統的景觀(guān)設計理論，綜合分析氣候、水文、植被、人文等環(huán)境因素對景觀(guān)規劃的影響，重新構造一套具有豐富內涵與功能的景觀(guān)配置布局方案[2]。分形理論在景觀(guān)設計中的實(shí)踐加深了生態(tài)環(huán)境可持續設計的嚴謹程度[3]，近幾年廣泛應用在各類(lèi)景觀(guān)設計與配置領(lǐng)域。本研究基于分形理論構建園林觀(guān)賞植物高效益配置模式，借助GIS平臺完成可持續生態(tài)景觀(guān)的配置布局仿真，從分形結構、分形組織、分形元素3個(gè)方面對園林景觀(guān)植物進(jìn)行配置，景觀(guān)設計過(guò)程中遵循自相似性準則，實(shí)現有序與無(wú)序生態(tài)元素的特定組合，該方法完全滿(mǎn)足研究區域生態(tài)景觀(guān)可持續發(fā)展的目標，可以吸引更多體驗者參與到城市生態(tài)建設中來(lái)。
分形理論用于空間內景觀(guān)配置與布局需從3個(gè)方面著(zhù)手：平面、立面、裝飾[4]。在遵循空間景觀(guān)設計的基本原則基礎上，盡力縮短構建思想與現實(shí)應用之間的誤差，針對景觀(guān)配置布局的基本特征整合整體與局部：規劃景觀(guān)空間的整體功能；
為具有差異性功能的區域實(shí)施分形，基于分形理論中的自相似性對研究對象的內部形態(tài)實(shí)施分解、實(shí)現內部形態(tài)再生。劃分研究對象的塊面，明確塊面結構，循序漸進(jìn)地完善立面各部細節，將平面結構設計與立面細節設計相統一。
基于功能分區層次性、植物配置生態(tài)化、植物種植多樣性3個(gè)基本目標，從分形結構、分形組織、分形元素3個(gè)方面對園林植物進(jìn)行配置[5]。本研究以分形結構理論為指導規劃園林觀(guān)賞植物配置的結構，凸顯功能分區層次性；
以分形組織理論為指導計算植物配置的分形維數，實(shí)現植物配置的生態(tài)化；
以分形元素理論為指導設計植物配置，彰顯園林觀(guān)賞植物配置的多樣性。該模式將結構規劃、維數計算、物種配置作為中介機制，實(shí)現植物高效益配置。
基于分形理論中的縮放并置布局法與嵌套布局法對園林植物景觀(guān)的整體結構進(jìn)行規劃。
1.1.1 縮放并置布局法
在形尺度層級原理指導下，以特定的方法組合那些形態(tài)存在差異但外觀(guān)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(guān)上看來(lái)具有統一性，從內部結構看來(lái)形態(tài)多元。
1.1.2 嵌套布局法
嵌套是對于同一元素而言，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)現空間層次上的嵌套與迭代，局部與整體自相似的統一。這樣打造的景觀(guān)空間具有較強的趣味性與創(chuàng )新性，符合當代景觀(guān)空間審美標準。
從分形組織理論來(lái)看，植物配置過(guò)程中合理的穩定性與復雜性是凸顯其生態(tài)化特征的關(guān)鍵指標，而分形維數可用以描述園林觀(guān)賞植物配置的穩定性與復雜性[6]，為此構建分形維數模型實(shí)現植物配置的生態(tài)化設計，進(jìn)而評估景觀(guān)配置方案有效與否。
本研究構建的景觀(guān)分形維數模型：
(1)
式中，D表示景觀(guān)分形維數；
r表示研究尺度；
A和P為景觀(guān)圖斑面積與周長(cháng)；
C是常數項。
場(chǎng)所空間結構的分形維數是影響空間內景觀(guān)穩定性與復雜性的主要因素，根據經(jīng)驗得知，景觀(guān)斑塊較為規則其遭受人為活動(dòng)的影響越大，因為斑塊受到破壞其邊緣形狀漸趨簡(jiǎn)單，規則的景觀(guān)斑塊遭受人為活動(dòng)影響的景觀(guān)斑塊之間的相似程度越大?？臻g內土地類(lèi)型的分形維數可以表述土地利用的穩定性與復雜性情況，穩定性與分形維數的關(guān)系：
SI=|1.5-D|
(2)
此公式基于計算直線(xiàn)斜率獲得分形維數D，在理論上講，分形維數的取值區間為[1，2]，較為復雜的景觀(guān)斑塊的D值越大?；谏鲜龉娇芍?，分形維D與取值1.5的關(guān)系：當D值無(wú)限趨近于1.5時(shí)，其對應的空間結構穩定性越差，若D值在1.5以上說(shuō)明當前景觀(guān)斑塊形狀趨向復雜；
當D值不超過(guò)1.5時(shí)，代表當前景觀(guān)斑塊的形狀較為規則、邊界簡(jiǎn)單；
設定分形維D為1.5，表明所研究的景觀(guān)斑塊的狀態(tài)為隨機性質(zhì)。
式(2)定義了穩定性指數與維數的計算關(guān)系，穩定性指數SI描述了景觀(guān)配置結構的穩定程度，指數越大景觀(guān)空間結構越穩定；
相反，指數越小空間結構越不穩定。
植物多樣性是園林觀(guān)賞植物配置的關(guān)鍵目標之一，從微觀(guān)層次而言，分形元素是植物實(shí)現多樣化設計的切入點(diǎn)。園林觀(guān)賞植物配置中的亭廊建筑、植物植被、硬質(zhì)設施、山水小品都屬于分形元素?；诜中卧氐闹参锒鄻有栽O計即通過(guò)提煉設計主題與園林文化背后的深層次內涵，將分形手法和技術(shù)原理融會(huì )貫通，在分散、重構、組合分形元素的前提下獲得新的符合園林觀(guān)賞植物配置的文化分形，并將這種文化分形作為主要設計支撐不斷放大，形成創(chuàng )新性的園林觀(guān)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。
在GIS平臺中完成景觀(guān)布局中的地形設計、植物仿真等工作，輔助研究區景觀(guān)達到可持續、多樣性的布局效果。
完成原始場(chǎng)地與設計的等高線(xiàn)相關(guān)數據向GIS平臺的導入工作，在3D Analyst模塊下操作生成不規則三角網(wǎng)模式的TIN地形數據視圖，完成視圖像向柵格地表模型的轉變[7]；
在柵格計算器內求取地形設計的填挖柵格，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型才能按照其取值屬性表添加字段，進(jìn)而完成填挖方計算，因此需要在此步驟之前將上一步驟獲取的高程模型轉換為以厘米為單位的，計算完成之后再將高程單位轉換為以米為單位。遵循上述步驟在GIS平臺中完成研究區域地形景觀(guān)的設計，此外，植物、水流等生態(tài)元素同樣在GIS平臺中模擬實(shí)現，過(guò)程不做贅述。
景觀(guān)配置布局過(guò)程中，需將景觀(guān)元素原始CAD模型導入GIS平臺內處理并轉換為景觀(guān)仿真所需的三維模型待用，同時(shí)各類(lèi)模型柵格數據的處理工作也在GIS平臺內完成[8]；
圖件處理與數據統計借助Arc Map 10.2工具完成[9]。
選取一個(gè)待建設開(kāi)發(fā)的城市公園作為研究對象，對這個(gè)小型綠色開(kāi)放空間進(jìn)行景觀(guān)規劃設計，研究基于GIS平臺與分形設計理論實(shí)現。公園屬于城市景觀(guān)的核心構成，關(guān)乎城市生態(tài)系統構造的優(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，因此研究區生態(tài)景觀(guān)配置布局既要滿(mǎn)足景觀(guān)布局的多樣性，也要實(shí)現景觀(guān)的可持續發(fā)展。景觀(guān)“多樣性”要求規劃設計后的公園包含多樣性植物群落景觀(guān)、山石布景、水流、小型休閑建筑、人文景觀(guān)等景觀(guān)元素；
“可持續性”要求規劃設計后的公園通過(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(guān)布局的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益、社會(huì )效益。
本研究應用分形理論中的縮放配置與嵌套配置法布局公園景觀(guān)，見(jiàn)圖1。具體步驟：設計公園景觀(guān)的平面構圖，以分形結構為依據對景觀(guān)中的個(gè)體元素進(jìn)行微調、縮放、旋轉等操作，基于縮放與嵌套法配置景觀(guān)，呈現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)系統化的生態(tài)景觀(guān)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、體育鍛煉區、人文景觀(guān)區、文化交流區，對各區域進(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功能區域的邊界信息進(jìn)行提取，得到最終的景觀(guān)功能區域規劃結果，如圖1b所示。此舉令公園內部的4大功能分區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，這是分形理論對景觀(guān)配置規劃的主要特征之一。分形設計后公園人文景觀(guān)與自然景觀(guān)實(shí)現了明顯的功能區分，為植物分區層次性打下良好基礎。
使用分形結構理論除了規劃研究區的功能外，同時(shí)實(shí)現了園林觀(guān)賞植物的科學(xué)配置與布局，基于分形理論呈現的植物景觀(guān)布局情況如圖2所示。布局公園植物景觀(guān)過(guò)程中，以“植物樹(shù)葉”為原型設計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(guān)布局的雛形；
以葉片的底部為植物景觀(guān)布局的起點(diǎn)，將葉片主脈絡(luò )作為植物景觀(guān)布局的主路線(xiàn)，經(jīng)過(guò)層層縮放與嵌套操作，形成“葉脈式”的植物景觀(guān)規劃格局。
圖2 基于分形理論的園林植物景觀(guān)布局圖
研究區以“葉脈”作為植物景觀(guān)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(cháng)條形狀，“葉脈式”植物景觀(guān)格局減少了植物沿著(zhù)豎向直線(xiàn)布局植物群落的單調與乏味，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(guān)布局中的重要意義所在，既保障植物種植的可持續性又維持了植物布局的多樣性，也凸顯了植物分區的層次性。
由表1可知，基于本方法配置布局后的植物景觀(guān)格局的分形維數差異較小，休閑娛樂(lè )區、人文景觀(guān)區和文化交流區的分形維數均達到1.3，體育鍛煉區域分形維數達到1.2。該數據表明，公園的4個(gè)功能區域中體育鍛煉區域板塊形狀相對簡(jiǎn)單，其他3個(gè)區域景觀(guān)斑塊形狀相對復雜；
由于體育鍛煉區域需要一定的空閑區域作為居民活動(dòng)的空間，景觀(guān)斑塊形狀簡(jiǎn)單降低了空間布局的復雜性，這一點(diǎn)與公園區域的實(shí)際功能劃分相符，驗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(guān)分形維數情況
此外，人文景觀(guān)區分形維數相對其他3個(gè)區域更接近于1.5，基于穩定性指數計算公式得知，人文景觀(guān)區空間結構的穩定性相對較差，體育鍛煉區域的空間結構的穩定性相對突出?？蓞⒖荚摂祿珗@的4個(gè)功能區域進(jìn)行規劃與功能更新，通過(guò)優(yōu)化植物景觀(guān)、人文景觀(guān)布局來(lái)不斷提升人文景觀(guān)區的穩定性，實(shí)現整個(gè)公園的可持續發(fā)展。
本研究基于分形理論構建了園林觀(guān)賞植物高效益配置模式，以GIS技術(shù)為載體實(shí)現了可持續生態(tài)景觀(guān)仿真布局，在園林景觀(guān)配置實(shí)驗中取得了理想的布局效果，該方法優(yōu)勢：由于園林觀(guān)賞植物配置的目標是多元化的，所以本研究利用分形理論中的分形結構、分形組織、分形元素等分別指導植物的結構規劃、維數計算、物種配置，實(shí)現了植物種植功能分區層次性、植物配置生態(tài)化、植物種植多樣性等基本目標；
使用分形理論中的自相似性特征布局公園空間內的植物景觀(guān)，綜合運用縮放并置布局法與嵌套布局法實(shí)現了空間層次上的嵌套與迭代規律，達到公園局部植物與整體景觀(guān)格局的自相似統一。如，以“葉脈”作為公園植物景觀(guān)布局的路徑，充分展現了分形理論的自相似性特征，這種布局方法既保障了景觀(guān)可持續設計的基本要求，又滿(mǎn)足了當代城市景觀(guān)設計的個(gè)性化需求。
