城鎮(zhèn)森林視覺景觀異質(zhì)性對美學(xué)質(zhì)量的影響

馬冰倩，徐程揚，劉 江，常 成，趙 凱，孔祥琦，龍嘉翼

（北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，北京100083）

建設(shè)城市森林是提高人居環(huán)境綜合質(zhì)量的重要途徑。在高人口密度的城市圍繞高層建筑構(gòu)建城市森林，不僅能夠在一定程度上滿足城市環(huán)境需求，也是美化建筑背景景觀的常見手法。在建筑物周邊建設(shè)城市森林通常要符合建筑景觀的空間和美學(xué)規(guī)則，如何驗證這些規(guī)則（如植被的空間配置等）的科學(xué)性仍是懸而未決的問題。部分學(xué)者通過評價建筑外觀的色彩、紋理及建筑與周圍環(huán)境整合的合理性［1］進行小尺度研究，認為建筑外觀、屋頂和植被顯著影響了視覺景觀質(zhì)量，植被可緩和建筑生硬、毫無生機的缺點［2］，有利于視覺感知的提高。為了從較大尺度上研究植被和建筑物的空間關(guān)系，有學(xué)者基于地理信息系統(tǒng)（GIS）等宏觀手段，依據(jù)人們的偏好，從景觀評價角度開展研究，探討在城市周邊環(huán)境景觀中融入適宜建筑的方法［3］。目前研究普遍認為植被與景觀美學(xué)質(zhì)量呈正相關(guān)，而不合理的建筑會干擾周圍環(huán)境整體秩序［4］，降低視覺景觀質(zhì)量［5］。植被在景觀中的空間位置通常會產(chǎn)生不同視覺構(gòu)景和空間界定等，對建筑物的采光、建筑外觀的遮擋、以及整體視覺景觀的虛實感知、色彩和景物協(xié)調(diào)性均產(chǎn)生影響。同時，植被覆蓋通過改變建筑的線條和形狀，打破規(guī)則的幾何特征，進而影響了鄉(xiāng)村建筑景觀整合的美學(xué)質(zhì)量［6］。盡管中國學(xué)者從藝術(shù)角度在建筑周邊植被的規(guī)劃建設(shè)［7］與管理［8］以及植被配置合理性和生態(tài)服務(wù)功能評價等［9-10］領(lǐng)域開展了系列研究，依然鮮見植被與建筑耦合關(guān)系對視覺景觀質(zhì)量影響的報道。空間位置變化是植被規(guī)模、位置及其色彩等對城市森林視覺質(zhì)量產(chǎn)生影響的根本原因，即空間異質(zhì)性。在景觀生態(tài)學(xué)中，異質(zhì)性是反映地理事物空間分異規(guī)律的重要標志［11］，直接影響資源、物種和干擾在景觀中的分配與傳播，對景觀整體功能及生態(tài)過程有重要調(diào)控作用［12-13］。對于城市森林景觀，視覺景觀異質(zhì)性可以理解為景觀內(nèi)各景物斑塊或者色彩斑塊的統(tǒng)計特性及其在空間上的關(guān)系。在城市森林景觀研究中，有關(guān)景觀結(jié)構(gòu)［14］和美學(xué)質(zhì)量評價［15-17］等報道較多，尤其是在中、大尺度上，采取景觀生態(tài)學(xué)手法對某一城市或區(qū)域的城市森林景觀開展景觀格局的研究［18-20］較多，但鮮見開展小尺度的城鎮(zhèn)森林視覺景觀異質(zhì)性的研究。鑒于此，本研究以高校具有建筑物背景的城鎮(zhèn)森林作為研究對象，采用美學(xué)質(zhì)量評價與景觀生態(tài)學(xué)異質(zhì)性相結(jié)合的方法，運用因子和聚類分析等方法，研究城鎮(zhèn)森林景物空間異質(zhì)性程度對公眾喜好度的影響，進而從美學(xué)和整體景觀特點揭示植被與建筑物空間的耦合關(guān)系，為提升具有建筑背景的城鎮(zhèn)森林的景觀質(zhì)量提供理論支撐。

1 樣地設(shè)置與調(diào)查

目前，城市森林景觀已經(jīng)基本穩(wěn)定成型，為保證有較遠的觀賞距離，篩選了北京市海淀區(qū)高校校園內(nèi)的典型景觀進行調(diào)查，將以建筑為背景的城市森林景觀作為研究對象，調(diào)查地點包括清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京科技大學(xué)、北京語言大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)等9所高校。景觀照片拍攝的原則是保證建筑物前或周邊的植被畫面完整，并保證觀賞距離（拍照點到建筑物的距離）相對一致。以所拍攝照片中景物的范圍為樣地范圍，對樣地范圍內(nèi)的所有植被做詳細調(diào)查。

2 研究方法

2.1 照片拍攝、篩選與評判

照片拍攝選用尼康D300s相機，參數(shù)設(shè)置：光圈優(yōu)先曝光、F11光圈、自動對焦模式；天氣為典型晴天，采取橫向拍攝，鏡頭高度為1.55 m。為了避免受觀察點與樓宇之間距離的限制，并使植被在照片取景范圍中最大化，統(tǒng)一在建筑物的側(cè)前方拍攝景觀照片。為避免景觀照片的視覺質(zhì)量強烈受光照的影響，統(tǒng)一在順光光照下進行景觀照片拍攝。共篩選了54張以建筑為背景的城鎮(zhèn)森林景觀照片。

采用美景度評判法［21］（scenic beauty estimation，SBE）對照片的視覺美學(xué)進行評價，采用網(wǎng)絡(luò)調(diào)查問卷形式（https://sojump.com/jq/10640099.aspx）進行評判，每張照片設(shè)置觀察時間為5 s，回收222份評判結(jié)果，得到有效問卷207份。

每個景觀的美景值（scenic beauty value）按照DANIEL等［21］方法計算：①按等級值大小順序統(tǒng)計各等級值的頻數(shù)（f）；②計算各等級值的累計頻數(shù)（fc）；③計算累計概率（pc）；④根據(jù)累計概率查正態(tài)分布單側(cè)分位數(shù)值（z）；⑤計算z的平均值）。隨機選取1張照片作為對照景觀，其美景度值Si計算公式為：Si=其他景觀的美景度值Sn為：Sn=（-）×100。 其中：n∈［1,54］，為對照景觀的平均值，為其他景觀平均值。Sn絕對值越大，與對照景觀的景觀質(zhì)量差距就越大。

2.2 照片中景觀斑塊信息提取

根據(jù)城鎮(zhèn)森林照片中視覺景觀要素的主要構(gòu)成成分，將景物類型劃分為植被（喬、灌、草）、建筑、道路和天空等4類。利用Arc GIS 10.3軟件手動勾畫出照片中每個景觀斑塊的邊界，將照片柵格化處理，然后采用FRAGSTATS 4.2軟件提取照片中的景物斑塊信息。手工勾繪照片中景物斑塊的原則是：在充分放大像素的基礎(chǔ)上，由目視直接判斷照片中的景物，區(qū)分明顯的景物斑塊邊界，并確定和勾繪邊界；對于邊界不十分明顯的景物，通過色彩和形態(tài)加以辨認，確定所屬類別后勾繪邊界。為了分析照片中景物斑塊的特性，本研究引入景觀生態(tài)學(xué)中景觀指標的概念，參考毛斌等［22］的方法選擇了10個景觀指標（表 1）。

表1 景觀指標的選擇Table 1 Choose of landscape indicators

2.3 數(shù)據(jù)處理

運用因子分析、聚類分析和簡單相關(guān)性分析方法，采用R 3.4.2軟件進行數(shù)據(jù)分析，Origin 8.0軟件繪制直方圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 視覺景觀異質(zhì)性模型構(gòu)建

森林景觀的綜合質(zhì)量是由景觀中斑塊指標綜合決定的，經(jīng)常有部分指標有顯著的間相關(guān)關(guān)系［23］。為此，通過主成分分析或因子分析實現(xiàn)降維，進而達到各因子軸間相互獨立的目的［24］。

從統(tǒng)計角度出發(fā)，部分景觀指標存在著顯著的間相關(guān)關(guān)系［23］，不滿足相互獨立的性質(zhì)，直接納入計算必會存有冗余。利用主成分分析法對10個景觀指標提取主成分，以消除指數(shù)對某些影響因素的重復(fù)表達。從表2可見：前3個主成分的累計貢獻率達94.06%，其中：LPI，CONTAG，SPLIT，SHDI，SIEI在第1組分有較高載荷，這類指數(shù)反映了景觀斑塊結(jié)構(gòu)特性，為組分F1，可描述景觀的穩(wěn)定性；PD，PLADJ，AI在第2組分有較高載荷，反映了斑塊分散與聚集的特點，為組分F2，可描述景觀的破碎化現(xiàn)象；SHAPE和FRAC在第3組分有較高載荷，反映了斑塊形態(tài)等信息，為組分F3，可用于描述景觀連通性。綜合這3個組分，構(gòu)建景觀異質(zhì)性（F）模型，描述景觀穩(wěn)定性的組分方差貢獻率為50.63%，描述景觀破碎化的組分方差貢獻率為32.84%，描述景觀連通性的組分方差貢獻率為16.53%，可見結(jié)構(gòu)是影響視覺景觀異質(zhì)性的主要方面。根據(jù)主成分得分矩陣確定3個主成分中每個變量所對應(yīng)的系數(shù)，形成結(jié)構(gòu)（F1）， 數(shù)量（F2）和形狀（F3）3 個視覺景觀異質(zhì)性組分方程：

視覺景觀異質(zhì)性3個組分的特征根分別為λ1=4.762，λ2=3.089和λ3=1.555（表2），以每個主成分所對應(yīng)的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權(quán)重［11］，可得到景觀異質(zhì)性綜合模型，即：

表2 景觀指數(shù)主成分分析結(jié)果Table 2 Results of principal component analysis of landscape indexes

3.2 視覺景觀異質(zhì)性和美學(xué)質(zhì)量綜合分區(qū)

基于因子分析的3個異質(zhì)性組分（F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3）以及各樣地的景觀美學(xué)質(zhì)量（SBE）進行聚類分析，采用R 3.4.2軟件的層次聚類方法，選擇3類為最終分類結(jié)果，按視覺景觀異質(zhì)性程度分為高異質(zhì)、低質(zhì)量視覺景觀（類型Ⅰ）；中等異質(zhì)、視覺景觀（類型Ⅱ）；低異質(zhì)、高質(zhì)量視覺景觀（類型Ⅲ）（圖1）。

圖1 聚類分析的3類景觀樣地Figure 1 Sample photographs representing the 3 types of landscape from cluster analysis

3.3 視覺景觀異質(zhì)性與美景度關(guān)聯(lián)分析

3.3.1 不同視覺景觀類型中景觀指標對美景度的影響 3種類型景觀的LPI，CONTAG，SPLIT，SHDI，SIEI，PD，SHAPE和FRAC景觀要素均有顯著或極顯著差異，PLADJ和AI無顯著差異（圖2）。①類型Ⅰ：高異質(zhì)、低質(zhì)量視覺景觀。該類型景觀視覺異質(zhì)性為0.82，顯著高于其他類型景觀，美景度為-41.90，顯著低于其他類型景觀。從景觀因子角度出發(fā)，LPI和CONTAG最低，分別為40.72和50.93，表明該類型景觀的最大斑塊小，連通性低；而PD，SPLIT，SHDI，SIEI，SHAPE和FRAC均最高，分別為6.96，3.62，1.24，0.91，1.62和1.09，可見該類型的景觀破碎程度嚴重，混雜程度高，邊界復(fù)雜、穩(wěn)定性最差，形狀和組成都很復(fù)雜，與另2種視覺景觀類型相比，該類型的景觀視覺感知差，美學(xué)質(zhì)量低。②類型Ⅱ：中等異質(zhì)質(zhì)量視覺景觀。該類型景觀視覺異質(zhì)性為-0.27，美景度為-20.45。F3組分因子SHAPE和FRAC在3種景觀類型中最低，分別為1.47和1.07，可見，該種類型景觀的斑塊形狀規(guī)則，邊緣線簡單。F1和F2組分中各因子值均居中等，相比景觀類型Ⅲ來看，斑塊連通性和穩(wěn)定性差，破碎化程度高，景物斑塊邊界簡單，但美學(xué)質(zhì)量顯著低于景觀類型Ⅲ?？梢姡坝^斑塊邊界連接過于簡單，對視覺感知來說，會降低景觀的美學(xué)質(zhì)量。③類型Ⅲ：低異質(zhì)、高質(zhì)量視覺景觀。該類型景觀視覺異質(zhì)性為-0.78，美景度為7.79，視覺異質(zhì)性程度最低，同時景觀的美學(xué)質(zhì)量最高。該類型的SHAPE和FRAC幾乎與類型Ⅰ相同，分別為1.61和1.09，斑塊的邊界復(fù)雜程度高，而LPI和CONTAG也最高，分別為68.16和61.85，表明該類型景觀的最大斑塊大，連通性強；而PD，SPLIT，SHDI和SIEI均最低，分別為3.47，2.09，0.91和0.64?？梢娫擃愋偷木坝^破碎程度低，景觀的結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，且形態(tài)和邊界富有一定的變化，景觀不顯單調(diào)，觀賞效果好。

圖2 不同視覺景觀類型景觀指標特征Figure 2 Characteristics of indicators for different types of visual landscape

3.3.2 不同視覺景觀類型中構(gòu)景要素對美景度的影響 對不同樣地的視覺構(gòu)景組分占比（植被比例VE，建筑比例BU，道路比例PA，天空比例SK和植被建筑比R）進行分析。從表3來看：不同的構(gòu)景組分與視覺景觀異質(zhì)性、美學(xué)質(zhì)量之間存在一定的相關(guān)性，其中視覺景觀異質(zhì)性與BU，PA呈顯著的正相關(guān)（P=0.009，P=0.007），與VE和R呈負相關(guān)（P＜0.001，P=0.001）；美景度與 VE，R呈顯著的正相關(guān)（P＜0.001，P=0.012），與BU呈顯著負相關(guān)（P＜0.001）；而隨著視覺景觀異質(zhì)性的提高，景觀的美學(xué)質(zhì)量呈顯著下降趨勢（P=0.007）。以建筑為背景的城鎮(zhèn)森林景觀主要由植被和建筑組成。從圖3可見：視覺景觀異質(zhì)性、美景度、植被比例、建筑比例、道路比例和植被建筑之比均有顯著差異，天空比例則無顯著差異，具體表現(xiàn)為：類型I中，視覺景觀異質(zhì)性最強且BU和PA最高，但美學(xué)質(zhì)量最差，VE及R均最低，分別為35.06%和122.31%；類型Ⅲ中，視覺景觀的異質(zhì)性程度降低，硬質(zhì)視覺景觀BU和PA的占比也降低（分別降低了20.46%和2.28%），而VE和R顯著提高（分別提高了33.57%和244.45%），景觀的美學(xué)質(zhì)量也顯著提高?？梢?，當植被比例占景觀視野68.63%且植被與建筑之比約為3.6倍左右時，以建筑為背景的城鎮(zhèn)森林景觀的視覺美學(xué)質(zhì)量最佳。結(jié)合相關(guān)性來看（表3），植被、建筑和道路都可能引起視覺景觀異質(zhì)性的顯著變化，而天空不是引起景觀美學(xué)質(zhì)量差異的關(guān)鍵因素［25］。

表3 構(gòu)景要素與視覺景觀異質(zhì)性和美景度之間的相關(guān)性Table 3 Correlation between factors and visual heterogeneity and SBE of landscape

4 結(jié)論與討論

圖3 不同視覺景觀類型的異質(zhì)性、構(gòu)景要素和美景度特征Figure 3 Characteristics of heterogeneity,constitutive elements and SBE for different types of visual landscape

本研究探索了以建筑為背景的城鎮(zhèn)森林景觀美學(xué)質(zhì)量特征，利用Arc GIS 10.3將研究對象分為植被、建筑、道路和天空等4種視覺景物類型，并用10個景觀指標描述整體視覺景觀及不同景物斑塊之間的特點。對景觀指標進行主成分分析降維，提取了結(jié)構(gòu)、組成和形態(tài)3個主成分，解釋率可達94.06%，經(jīng)由3個組分的特征值推導(dǎo)出視覺景觀異質(zhì)性F，其中結(jié)構(gòu)的方差貢獻率達50.63%，組成組分的方差貢獻率達32.84%，形態(tài)的方差貢獻率達16.53%。視覺景觀異質(zhì)性與美景度之間存在極顯著相關(guān)（P＜0.01），為探討各樣地視覺景觀異質(zhì)性與美景度之間的內(nèi)在聯(lián)系，對結(jié)構(gòu)、組成和形態(tài)3組分與美景度進行聚類分析，將這54塊樣地分為3類。類型Ⅰ：高異質(zhì)、低質(zhì)量景觀。視覺景觀異質(zhì)性最高，建筑比例高，植被比例低，視覺景觀連通性差、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定且復(fù)雜多變，整體美學(xué)質(zhì)量低。類型Ⅱ：中等異質(zhì)質(zhì)量景觀。視覺景觀異質(zhì)性中等，建筑、植被比例、穩(wěn)定性和連通性中等，但斑塊邊界和形狀復(fù)雜度最低，景觀美學(xué)質(zhì)量僅次于類型Ⅰ景觀。類型Ⅲ：低異質(zhì)、高質(zhì)量景觀。視覺景觀異質(zhì)性最低，景觀穩(wěn)定性強，連通性高，斑塊邊界和形狀富有一定的變化，美景度最高。

橫向比較3種視覺景觀類型，隨著視覺景觀異質(zhì)程度加深，景觀美學(xué)質(zhì)量顯著下降，主要體現(xiàn)在景觀指標和構(gòu)景要素的差異對城鎮(zhèn)森林景觀美學(xué)質(zhì)量的影響。

從景觀指標來看，PD，SPLIT，SHDI，SIEI與美學(xué)質(zhì)量呈負相關(guān)。隨著斑塊數(shù)量、分離程度和多樣性、均勻度的顯著增加，視野中的景觀復(fù)雜度提高，景觀群體龐大、數(shù)量多、色彩濃重和枝葉雜亂、植物茂盛，給人以沉重、壓抑或者不安的感覺［26］，造成公眾喜好度降低；LPI和CONTAG增加可提高美景度，可能是因為植被斑塊占主導(dǎo)，視覺色彩上連續(xù)性強，整體呈現(xiàn)比較均勻的綠色色塊，給人以視覺享受；SHAPE和FRAC變化有所不同，美景度最高和最低的景觀邊界和形狀都很復(fù)雜。一般情況下，復(fù)雜的斑塊邊界會降低視覺感知，但本研究表明：高美學(xué)質(zhì)量景觀的斑塊形狀及復(fù)雜的邊界反而能提高美景度，可能是因為該類型的景觀視野中主要是植被，植被邊界的變化來源于林冠線的起伏，而林冠線對林外景觀美景度的影響大［27］，相比建筑或道路等的復(fù)雜邊界，人們比較喜歡林冠線變化明顯的景觀［28］。由此可知，破碎化程度低、斑塊之間連通性高、整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且植被邊界具有一定變化的景觀，公眾的視覺感知效果好，喜好度評價高。

從構(gòu)景要素來看，植被（VE），建筑（BU）和植被建筑比例（R）與美景度顯著相關(guān)，其相關(guān)性由高到低分別為VE（0.773），BU（-0.714），R（0.478），即植被對以建筑為背景的城鎮(zhèn)森林景觀的美學(xué)質(zhì)量影響力度最強，建筑影響次之。前人在探究滑雪場等4類景觀要素時也發(fā)現(xiàn)，植物景觀與美景度高度相關(guān)，服務(wù)性建筑相關(guān)性略低［29］。研究表明［30-31］：植被是提高美景度的重要因素，隨著VE和R的增加，城鎮(zhèn)森林的美學(xué)質(zhì)量顯著提高，而視覺景觀中BU的增加反而降低了景觀美學(xué)效果。本研究中，視覺景觀均由建筑和植被構(gòu)成，更高的植被覆蓋比例，可以遮擋更多的建筑，在視覺上弱化建筑的生硬感［32］，提高了視覺美學(xué)質(zhì)量，類似研究也表明植被覆蓋程度高的建筑景觀，美學(xué)質(zhì)量得分更高［33］。天空和道路對美景度無顯著影響，這可能是因為天空和道路的形狀和色彩單一，公眾評價的關(guān)注點主要落在了植被和建筑上。

綜上，以建筑為背景的城鎮(zhèn)森林中，視覺景觀異質(zhì)性高，連通性差，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，建筑邊界復(fù)雜，植被林冠線過于單一的景觀，美景度低。因而在城鎮(zhèn)森林營建和景觀質(zhì)量提升過程中，不僅要遵循城市森林營建的基本原則（以鄉(xiāng)土樹種、地帶性植被為主，建設(shè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、配置合理的近自然森林景觀等［34］），還需考慮視覺上的協(xié)調(diào)以及植被覆蓋建筑面積的增加。本研究表明：當植被占視覺景觀的比例約68.00%，植被與建筑之比約3.6時，城鎮(zhèn)森林景觀更易得到人們的視覺認可。近些年，墻體綠化（墻面、屋頂?shù)龋?5-36］）備受關(guān)注。墻體綠化除了依靠植被的高度，還可以利用藤本植物縱向生長特性，形成墻體綠色景觀等，進而提高植被與建筑之間視覺比例，調(diào)節(jié)視覺體驗，提高城鎮(zhèn)宜居性。本研究尚未考慮城鎮(zhèn)森林的樹種組成、栽植目的、觀賞角度以及色彩等因素對城市森林景觀美學(xué)質(zhì)量的影響，擬在后續(xù)試驗中進一步探索和研究。