大數(shù)據(jù)下植物景觀空間層次化規(guī)劃系統(tǒng)設計

宋全昌

摘? 要： 針對傳統(tǒng)植物景觀空間層次化規(guī)劃系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量偏小的問題，設計大數(shù)據(jù)下植物景觀空間層次化規(guī)劃系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用MSO430系列的單片機作為管控核心發(fā)布各項程序指令，數(shù)據(jù)采集器收集植物景觀數(shù)據(jù)，傳感器將得到的結果上傳到數(shù)據(jù)處理單元，以此構成規(guī)劃系統(tǒng)硬件體系。采用大數(shù)據(jù)分析算法對景觀中的植物和空間結構數(shù)據(jù)進行采集、篩選，并根據(jù)植物屬性設置判別函數(shù)。根據(jù)植物在地平面、垂直面和頂平面的生長態(tài)勢設置景觀空間層次，以此建立一個植物景觀模型。實驗結果表明，所設計的植物景觀規(guī)劃系統(tǒng)數(shù)據(jù)凈吞吐量大于傳統(tǒng)規(guī)劃系統(tǒng)，該植物景觀規(guī)劃系統(tǒng)獲取、處理數(shù)據(jù)的能力更強。

關鍵詞： 植物景觀; 空間層次規(guī)劃; 系統(tǒng)設計; 數(shù)據(jù)處理; 大數(shù)據(jù)分析; 景觀模型

中圖分類號： TN919?34; TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）10?0100?03

Design of plant landscape spatial hierarchical planning system processing big data

SONG Quanchang

（Guilin University of Aerospace Technology， Guilin 541004， China）

Abstract： A plant landscape spatial hierarchical planning system processing big data is designed since the data throughput of traditional plant landscape spatial hierarchical planning system is small. In the system， the MCU of MSO430 series is used as the management and control core to issue various program instructions， the data collector is used to collect plant landscape data， and the sensor is adopted to upload the collected results to the data processing unit， so as to constitute the hardware system of the planning system. The plant and spatial structure data in the landscape are collected and filtered by means of the big data analysis algorithm. The discrimination function is set according to the plant attributes. The landscape spatial hierarchy is set according to the growth situation of plants on the ground， vertical plane and top plane to establish a plant landscape model. The experimental results show that the net data throughput of the designed plant landscape planning system is larger than that of the traditional planning system，? and the plant landscape planning system has stronger ability of data acquisition and data processing.

Keywords： plant landscape; spatial hierarchical planning; system design; data processing; big data analysis; landscape model

0? 引? 言

當前城市化水平不斷加深，人們的審美也隨之提高，因而針對住宅區(qū)域、濕地公園以及其他景點中的植物景觀規(guī)劃設計要求也越來越高[1]。

設計者利用設計軟件將設計對象進行三維虛擬成像，利用空間層次感進行植物景觀規(guī)劃，以此設計出更加美觀的景觀[2]。但由于地形的復雜程度不一、周圍建筑格局不同會令各項計算數(shù)據(jù)相對復雜，再加上植物以及其他自然條件的多變性，也使數(shù)據(jù)的收集處理等過程相當困難，因此傳統(tǒng)的植被景觀空間層次化規(guī)劃系統(tǒng)面對龐大且復雜的現(xiàn)實數(shù)據(jù)，由于其吞吐量過低而不能得到更加精準的數(shù)據(jù)。

為此，提出大數(shù)據(jù)下植物景觀規(guī)劃系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)中的硬件設施進行數(shù)據(jù)采集，并利用大數(shù)據(jù)分析這些原始數(shù)據(jù)的特點，實現(xiàn)對于區(qū)域中植物景觀的空間層次化設計。所設計的系統(tǒng)解決了數(shù)據(jù)量大、繁雜的問題，為植物景觀的美化提供了更為有力的技術支持。

1? 植物景觀空間層次化規(guī)劃系統(tǒng)硬件設計

在傳統(tǒng)設計的基礎上，設計植物景觀空間層次化規(guī)劃系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件組織框架如圖1所示。

該硬件系統(tǒng)選用型號為MSO430系列的單片機，將其與中央處理單元中的中央處理器、隨機數(shù)據(jù)存儲器、只讀存儲器通過數(shù)據(jù)接送端口建立連接，形成一個數(shù)據(jù)處理主控模塊，以此進行植物景觀數(shù)據(jù)的采集、篩選、預測以及處理[3]。

該單品機采用雙12位A/D帶采樣保持內(nèi)部參考源，同時具有雙12位A/D同步轉(zhuǎn)換能力，通過SPI接口控制系統(tǒng)硬件的不同工作模式，并將緩沖數(shù)據(jù)上傳保存。該儀器根據(jù)單片機發(fā)出的數(shù)據(jù)采集指令，通過數(shù)據(jù)采集模塊對植被景觀現(xiàn)場整體建筑結構、植被覆蓋程度以及路徑等相關數(shù)據(jù)進行信息化采集[4]。

該采集器收集所需規(guī)劃空間的整體面積、長度寬度高度、地面坡度、四周其他建筑體積等數(shù)據(jù)，再對植物進行數(shù)據(jù)采集。選用的傳感器型號為MILONT?MPSS1000A2，其線性精度為0.05%～0.08%FS，利用該硬件將收集到的上述數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)中央處理單元中，處理實時數(shù)據(jù)。以上述數(shù)據(jù)采集傳送系統(tǒng)硬件作為植物景觀空間層次化系統(tǒng)設計的基礎，為所提系統(tǒng)提供硬件支持[5]。

2? 系統(tǒng)軟件設計

2.1? 大數(shù)據(jù)分析算法處理數(shù)據(jù)

該規(guī)劃系統(tǒng)軟件的數(shù)據(jù)采集單元，主要以數(shù)據(jù)采集器為媒介，采用數(shù)字化掃描的方法進行植物景觀數(shù)據(jù)收集[6]。設置數(shù)據(jù)采集器的采樣頻率為[fit]，其中[i]表示儀器從采集點到景觀整體空間之間的環(huán)形弧線，每一弧線之間的距離為[di]，且每一弧線范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)均作為一個數(shù)據(jù)采集子集，根據(jù)植物景觀的空間大小設置儀器頻率，儀器采樣頻率越大所產(chǎn)生的弧線越遠，所能采集的數(shù)據(jù)距離越遠;而[t]則表示數(shù)據(jù)采集的總體時間[7]。系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)據(jù)采集表達式為：

[Q=i=1nk1x1+k2x2+…+knxn+kwwsd-dnfit]? ? （1）

式中：[s]表示每一采樣范圍內(nèi)的空間面積;[d]表示數(shù)據(jù)采集器的位置點;[dn]表示[n]段采集頻率[fit]下的數(shù)據(jù)采集位置;[x1，x2，…，xn]表示景觀中需要進行層次規(guī)劃的植被類型;[k1，k2，…，kn]表示每一植被類型的特征系數(shù);[w]表示其他固體建筑;[kw]表示固體建筑的特征系數(shù)[8]。

根據(jù)采集結果設置大數(shù)據(jù)分析算法對植物景觀空間數(shù)據(jù)進行分析，以這些植物景觀的空間姿態(tài)構建大數(shù)據(jù)庫。假設大數(shù)據(jù)分布的序列狀態(tài)為[Tx]，植物景觀特征的總體特征屬性用[A=a1，a2，…，an]來表示，植物景觀的植物自身生長特征屬性用[B=b1，b2，…，bm]來表示，則所需規(guī)劃的植物景觀判別函數(shù)為：

[fω=γ·i=1ni=1nQsgnAsgnBtTx·j]? ? （2）

式中：[γ]表示園林景觀中植物狀態(tài)緊密性權重系數(shù);[sgnA]表示模糊分類下的植物景觀總體特征;[sgnBt]表示植物在[t]時間下的生長程度;[j]表示預測判別系數(shù)，此時植物景觀的空間數(shù)據(jù)處理完畢[9]。將上述結果利用傳感器進行數(shù)據(jù)上傳，規(guī)劃空間層次。

2.2? 設置空間層次規(guī)劃程序

設置一個空間層次規(guī)劃程序，利用該程序?qū)⑸鲜鲇嬎愕玫降臄?shù)據(jù)進行三維可視化建模，實現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)分析的景觀空間層次規(guī)劃[10]。

在地平面上的植被包括草地、灌木等，這些植被通過不同的高度和植被表現(xiàn)來表示空間邊界[11];而空間垂直面上，高大直立的樹干類似于空間中的支柱，此時的空間圍合程度隨著枝干的高度、樹枝的外擴程度以及樹葉的茂密程度的變化而改變，樹葉越密集圍合感越強，而頂平面同樣也受到植物的影響[12]。根據(jù)式（2）生成該模型的函數(shù)表達式為：

[fX=1-fω·i=1nTnXiV]? ? ? （3）

式中：[Xi]表示模型第[i]階段的自動生成進度值;[Tn]表示[n]個數(shù)據(jù)的上傳時間;[V]表示模型儲存速度。

3? 仿真實驗

為驗證所提系統(tǒng)的性能，與傳統(tǒng)植被景觀規(guī)劃系統(tǒng)進行對比，比較兩個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量。

3.1? 實驗準備

搭建仿真實驗平臺，該平臺中存在兩臺型號配置完全相同的電子計算機，仿真實驗環(huán)境參數(shù)如表1所示。

將所設計的規(guī)劃系統(tǒng)和傳統(tǒng)規(guī)劃系統(tǒng)分別裝入該實驗平臺的電子計算機中并初始化，打開無線區(qū)域網(wǎng)絡與計算機相連，并將此次系統(tǒng)測試中的數(shù)據(jù)采集端與路由器LAN端相連接，設置系統(tǒng)硬件的IP地址為192.168.1.200，指定端口為4619。利用Ping因特網(wǎng)包探測器測試網(wǎng)絡連接量。在進行測試時Ping會發(fā)出一個因特網(wǎng)信報控制協(xié)議，通過回聲請求將消息傳送到目的地，并告知是否收到所希望的ICMP應答，得到的測試結果如圖2所示。

根據(jù)圖2可以看出，在連續(xù)發(fā)送出4次Ping 192.168.1.200指令下，該仿真實驗電子計算機的測試系統(tǒng)共回復4次Ping指令，測試結果表明兩者之間的網(wǎng)絡連接穩(wěn)定正常沒有問題。由于本測試利用TCP工具來完成，在上述連接建立完畢后，計算機中的兩種植物景觀規(guī)劃系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集模塊會發(fā)送數(shù)據(jù)到計算機的服務器主控站，連接完成后可以在接收區(qū)域打印出connect ok字樣，此時所有軟硬件全部連接完畢。針對植物景觀進行仿真實驗，將運行所設計的植物景觀規(guī)劃系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)記入實驗組A;傳統(tǒng)規(guī)劃系統(tǒng)運行下得到的實驗數(shù)據(jù)記入實驗組B。

3.2? 結果分析

利用兩種植物景觀空間層次規(guī)劃系統(tǒng)進行植物景觀規(guī)劃，將采集到的植物景觀數(shù)據(jù)通過它們的傳送模塊上傳到中央處理模塊中，此時的硬件接口參數(shù)如表2所示。根據(jù)表2可知，所設計的景觀規(guī)劃系統(tǒng)通過重新定義的通信接口，將傳輸速度提升到2 Mb/s以上、通信距離延長到了4 900 ft，可見設計的規(guī)劃系統(tǒng)增加了多點雙向的通信能力，拓展了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理量，從而得到如圖3所示的對比結果。

通過圖3可以看出，在對140 GB的數(shù)據(jù)信息進行規(guī)劃設計的前提下，所設計的規(guī)劃系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)凈吞吐量隨著植物景觀數(shù)據(jù)信息量的增加而穩(wěn)步上升，說明所設計的規(guī)劃系統(tǒng)能夠快速地將數(shù)據(jù)量巨大且類型復雜的植物景觀數(shù)據(jù)進行分析處理，以此實現(xiàn)對景觀的空間層次化規(guī)劃設計;而傳統(tǒng)的規(guī)劃系統(tǒng)數(shù)據(jù)凈吞吐量并沒有隨著數(shù)據(jù)量的增加而提升，說明傳統(tǒng)的規(guī)劃系統(tǒng)沒能將龐大的景觀數(shù)據(jù)進行處理。

4? 結? 語

針對植物景觀的空間層次化設計大數(shù)據(jù)下規(guī)劃系統(tǒng)，令實體景觀更加美觀的同時加快了景觀設計速度。而當前只解決了景觀數(shù)據(jù)信息量龐大的問題，今后還要完善其空間層次自動規(guī)劃的能力。

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