基于小生境遺傳算法的生態(tài)景觀格局空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化

朱江

摘 ?要： 為了提高傳統(tǒng)建筑景觀的直觀性，提高居民的滿意度，并且實現(xiàn)綠色環(huán)保的設(shè)計，提出基于小生境遺傳算法的生態(tài)景觀格局空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化目的主要包括建筑成本、綠化帶等公共設(shè)備。對景觀格局優(yōu)化的目標(biāo)進行分析，主要包括提高生物多樣性、維持能量、物質(zhì)的流通、維持景觀格局的穩(wěn)定性、提高生活環(huán)境品質(zhì);實現(xiàn)景觀規(guī)劃的優(yōu)化，包括確定生態(tài)廊道、不同高度城市風(fēng)速模擬、不同高度城市溫度場空間擴散模擬;實現(xiàn)基于小生境遺傳算法的優(yōu)化，并且對優(yōu)化結(jié)果進行測試。測試結(jié)果表明，人們對于大部分建筑景觀評價因子都表示比較滿意，說明人們對景觀優(yōu)化之后的空間布局認可，證明所提算法能夠優(yōu)化建筑景觀空間，提高居民滿意度。

關(guān)鍵詞： 小生境遺傳算法; 生態(tài)景觀; 空間結(jié)構(gòu); 結(jié)構(gòu)優(yōu)化; 景觀格局優(yōu)化; 優(yōu)化結(jié)果測試

中圖分類號： TN99?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）19?0086?04

Abstract： In order to improve the intuitiveness of traditional architectural landscape， enhance the satisfaction of residents， and realize the design of green environmental protection， the objectives of landscape pattern optimization are analyzed， including improvement of biodiversity， maintenance of energy and material circulation， maintenance of landscape pattern stability， and improvement of living environment quality. After that， the optimization of landscape planning is realized， including determination of ecological corridors， simulation of urban wind speed at different heights， and spatial diffusion simulation of urban temperature field at different heights. And then the optimization of the niche genetic algorithm is realized， and the optimization result is tested. The test result， that the people′s satisfaction for most of the building landscape evaluation factors is expressed， shows that the space layout of the landscape optimization is accepted， so the proposed algorithm can optimize the building landscape space and improve the residents′ satisfaction degree.

Keywords： niche genetic algorithm; ecological landscape; spatial structure; structural optimization; landscape pattern optimization; optimization result test

0 ?引 ?言

景觀功能指的是不同單元結(jié)構(gòu)間產(chǎn)生的復(fù)雜關(guān)系，每個結(jié)構(gòu)單元均具有發(fā)生特殊情況的背景、存在價值、優(yōu)勢等。與傳統(tǒng)景觀網(wǎng)絡(luò)進行對比，景觀功能網(wǎng)絡(luò)對功能之間的相互銜接較為重視[1]。景觀功能網(wǎng)絡(luò)概念是基于景觀生態(tài)學(xué)格局進行的假設(shè)，重點是加強景觀結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，從而提高景觀功能。比如，動植物的生長與繁殖不僅要具備足夠數(shù)量生境，棲息地斑塊也需具備連續(xù)性。大部分的生態(tài)學(xué)過程都會受到斑塊距離及排列格局影響，城市內(nèi)部還要求內(nèi)部經(jīng)濟活動運行、交通網(wǎng)和密集建成區(qū)對其開展支持[2]。本文通過考慮多方面因素，對現(xiàn)代生態(tài)景觀格局空間結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

1 ?景觀格局優(yōu)化的目標(biāo)

景觀的形成、空間分布與類型差異和自然環(huán)境地域分布具有密切關(guān)系。相關(guān)研究表明，生態(tài)景觀空間結(jié)構(gòu)形態(tài)和城市地貌格局吻合，半自然和近自然的景觀斑塊大部分都是在山丘區(qū)分布，自然林帶類型沿江河地區(qū)分布。但是在人類活動強烈干擾中，城市森林景觀斑塊數(shù)量不斷增加，面積不斷縮小，內(nèi)部生境逐漸減少，隔離度不斷提高，降低了城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的功能，對于維護城市生物多樣性功能影響比較明顯，景觀斑塊功能越來越單一[3]。

基于景觀生態(tài)學(xué)的景觀格局連通度和景觀功能連續(xù)程度進行假設(shè)，對于現(xiàn)代城市所出現(xiàn)的對生態(tài)功能聯(lián)系造成影響的問題，結(jié)合生態(tài)學(xué)原理及規(guī)劃理論，利用強化生態(tài)功能空間目標(biāo)相互連接，優(yōu)化景觀格局。主要目標(biāo)就是保證景觀格局的穩(wěn)定性，使生物多樣性得到提高，維持物質(zhì)來源，實現(xiàn)能量流通，提高生活環(huán)境品質(zhì)等。同時，在空間實際優(yōu)化的過程中，要充分考慮到景觀類型作用和景觀功能的沖突范圍。景觀格局優(yōu)化的目標(biāo)、方法和指針如表1所示。

2 ?景觀規(guī)劃的優(yōu)化過程

通過以上分析可以看出，優(yōu)化方案和原本的景觀構(gòu)成相互對應(yīng)關(guān)系，表明優(yōu)化方案中的物品設(shè)置合理。在綠地系統(tǒng)規(guī)劃過程中，要以綠地優(yōu)化方案數(shù)值模擬分析結(jié)構(gòu)，使用相應(yīng)量化分析方法，基于不同尺度的優(yōu)化方案實現(xiàn)調(diào)整，從而構(gòu)成系統(tǒng)性的城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，將景觀的最大生態(tài)效能充分發(fā)揮出來。

2.1 ?不同高度城市風(fēng)速模擬

圖1，圖2為不同垂直高度中的城市風(fēng)速擴散分析結(jié)構(gòu)，在高度不斷增加的過程中，城市風(fēng)速也在不斷增加，城市最大風(fēng)速覆蓋區(qū)持續(xù)擴大，但是空間擴散范圍增加的趨勢并不明顯，城市通風(fēng)情況良好。底部風(fēng)速場為1.5 m時，城市內(nèi)部空間風(fēng)速為0～0.375 m/s，面積比率為15.87%，2.625～3 m/s風(fēng)速的面積比例為32.06%。如果建筑在被封面，那么城市風(fēng)速比較低，城市建筑物對于風(fēng)速擴散過程具有空間阻力[4]。

2.2 ?不同高度城市溫度場空間擴散模擬

圖3，圖4為不同垂直高度中城市溫度場擴散分析結(jié)構(gòu)，在高度不斷增加的過程中，溫度也在持續(xù)降低，在城市風(fēng)速不斷增加的過程中，擴散能力不斷提高。底部溫度場為1.5 m時，因為受到風(fēng)速影響，高溫情況能夠擴散到城市外圍，不會影響到城市。渾河、綠地和周邊綠地都能夠?qū)崿F(xiàn)城市調(diào)溫，其對城市熱島效應(yīng)緩解非常有利。在城市范圍中，最高溫度為42.75～46 ℃，面積比率為0.56%。中部溫度場為50 m時，城市最高溫度為39.5～42.75 ℃，面積比率為4.72%。在頂部溫度場為100 m時，城市溫度為39.5～42.75 ℃，面積比率為2.07%。在此方案中，雖然城市高度不斷提高，最低溫度面積比率也得到了提高，并且降低了城市整體溫度，城市熱環(huán)境的運行效果良好[5]。

2.3 ?確定生態(tài)廊道

在景觀結(jié)構(gòu)中，廊道屬于較為特殊的元素，具有聯(lián)系及分割的功能。廊道有無斷開是確定屏障功能及通道效果的主要因素，因此根據(jù)連通性對廊道功能強度進行測定，廊道效應(yīng)其實就是根據(jù)廊道一定范圍中具有的效益梯度場，從中心逐漸對外衰減，滿足距離衰減率需求。

[4] 陸禹，佘濟云，羅改改，等.基于粒度反推法和GIS空間分析的景觀格局優(yōu)化[J].生態(tài)學(xué)雜志，2018，37（2）：534?545.

LU Yu， SHE Jiyun， LUO Gaigai， et al. Landscape pattern optimization based on granularity inverse method and GIS spatial analysis [J]. Chinese journal of ecology， 2018， 37（2）： 534?545.

[5] 呂東蓬.高原、山地生態(tài)學(xué)研究前瞻——“社會?生態(tài)”景觀鑲嵌體格局空間優(yōu)化和可持續(xù)性研討會：聚焦山地區(qū)域[J].大眾文藝，2018（8）：245?246.

L? Dongpeng. Prospect of plateau and mountainous ecology research—seminar on spatial optimization and sustainability of landscape mosaic patterns of "society?ecology"： focusing on mountain areas [J]. Popular literature and art， 2018（8）： 245?246.

[6] 周媛，石鐵矛.基于數(shù)值模擬的城市綠地景觀格局優(yōu)化研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2017，40（11）：167?174.

ZHOU Yuan， SHI Tiemao. Landscape pattern optimization of green space based on numerical simulation [J]. Environmental science and technology， 2017， 40（11）： 167?174.

[7] 孟曉惠.基于模糊理論的建筑景觀空間優(yōu)化設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（23）：64?68.

MENG Xiaohui. Optimization design of architectural landscape space based on fuzzy theory [J]. Modern electronics technique， 2017， 40（23）： 64?68.

[8] 杜娟，唐岱.基于圖像識別的山地城市綠色空間景觀生態(tài)破損區(qū)域監(jiān)測技術(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018，41（12）：67?70.

DU Juan， TANG Dai. Image recognition based ecological damage area monitoring technology for green space landscape of mountainous cities [J]. Modern electronics technique， 2018， 41（12）： 67?70.