基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的低碳城市規(guī)劃生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)

摘 要：適宜性評(píng)價(jià)是低碳城市規(guī)劃前期工作中的重要內(nèi)容，可以為低碳城市規(guī)劃決策提供依據(jù)，但是現(xiàn)行方法評(píng)價(jià)與實(shí)際一致性系數(shù)較低，無法達(dá)到預(yù)期的評(píng)價(jià)效果，因此本文提出基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的低碳城市規(guī)劃生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)。選取地形、生物和安全作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立低碳城市規(guī)劃生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立低碳城市規(guī)劃虛擬模型，量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，確定生態(tài)適宜度和適宜性等級(jí)，實(shí)現(xiàn)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的低碳城市規(guī)劃生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)。試驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)方法的評(píng)價(jià)與實(shí)際一致性系數(shù)水平比較高，能夠進(jìn)行低碳城市規(guī)劃生態(tài)適宜性精準(zhǔn)評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；低碳城市規(guī)劃；生態(tài)適宜性；評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；虛擬模型

中圖分類號(hào)：S 731 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

全球氣候變化和環(huán)境問題日益嚴(yán)重，低碳城市規(guī)劃已成為城市發(fā)展的重要趨勢(shì)。低碳城市是指通過減少碳排放、提高能源利用效率和促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展來實(shí)現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型的城市。在低碳城市規(guī)劃中，生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它可以幫助城市規(guī)劃者了解城市生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀和潛力，為城市規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。目前，城市規(guī)劃生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)問題受到研究領(lǐng)域的重視與關(guān)注，國內(nèi)一些學(xué)者提出了一些評(píng)價(jià)方法和思路，主要是利用層次分析法、主成分分析法等對(duì)其進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)。這些方法的應(yīng)用雖然在一定程度上提高了低碳城市規(guī)劃生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)工作效率，但是傳統(tǒng)的生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)方法存在一些局限性，例如主觀性強(qiáng)、評(píng)價(jià)結(jié)果不夠客觀等，并且在實(shí)際應(yīng)用中評(píng)價(jià)與實(shí)際一致性系數(shù)較低，已經(jīng)無法滿足實(shí)際需求。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)逐漸成為研究熱點(diǎn)。該技術(shù)能夠構(gòu)建虛擬環(huán)境，模擬城市生態(tài)環(huán)境，為城市規(guī)劃者提供更真實(shí)、客觀的評(píng)價(jià)結(jié)果，因此本文提出基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的低碳城市規(guī)劃生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)。

1 低碳城市理念與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)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(jīng)濟(jì)為發(fā)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(wù)管理層以低碳社會(huì)為建設(shè)標(biāo)本與藍(lán)圖的城市。低碳城市的理念主要體現(xiàn)在2個(gè)方面。其一，在現(xiàn)代城市規(guī)劃和建設(shè)中，減少碳排放是設(shè)計(jì)的主題與目的，基于城市空間發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，落實(shí)綠色交通與建筑的現(xiàn)代城市發(fā)展理念。其二，利用市民消費(fèi)觀念的改變與低碳技術(shù)的創(chuàng)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(shè)計(jì)道路交通設(shè)計(jì)以及綠色景觀設(shè)計(jì)。在低碳城市的規(guī)劃與發(fā)展中，應(yīng)該利用有針對(duì)性的技術(shù)，構(gòu)建低能耗、低排放和高循環(huán)的城市運(yùn)行模式，加深居民對(duì)低碳城市的認(rèn)識(shí)。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡稱VR）屬于集成技術(shù)領(lǐng)域，融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子信息技術(shù)、傳感與測(cè)量技術(shù)以及仿真技術(shù)，囊括了人工智能、信息網(wǎng)絡(luò)等學(xué)科。在虛擬仿真技術(shù)中，環(huán)境建模技術(shù)具有重要作用。該技術(shù)能夠呈現(xiàn)極為詳細(xì)的3D環(huán)境數(shù)據(jù)，并結(jié)合具體的應(yīng)用需求及其各項(xiàng)數(shù)據(jù)來建立環(huán)境模型。

與早期的模擬技術(shù)相比，VR技術(shù)能夠創(chuàng)設(shè)更生動(dòng)、形象而具體的虛擬環(huán)境，具有比較強(qiáng)大的交互性特征。在低碳城市生態(tài)性規(guī)劃設(shè)計(jì)中，科學(xué)合理地引入VR技術(shù)能夠使受眾群體與仿真環(huán)境有機(jī)融合，從而發(fā)揮交互性作用。設(shè)計(jì)人員能夠結(jié)合本身的感知力與認(rèn)知力，從虛擬城市生態(tài)環(huán)境中獲取設(shè)計(jì)思路，進(jìn)而借助虛擬環(huán)境中的空間與邏輯信息進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。VR技術(shù)具有3個(gè)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(huán)境中，感知環(huán)境的真實(shí)程度即為沉浸感。如果具有較強(qiáng)的沉浸感，那么表明所創(chuàng)建的場(chǎng)景具有較高真實(shí)度，最佳的虛擬環(huán)境會(huì)使用戶無法辨別真假。所創(chuàng)建的虛擬場(chǎng)景能夠隨用戶視角改變而進(jìn)行改變，疊加照明與音響的混合作用，可以獲得最佳的體驗(yàn)效果。2） 交互性。交互性主要是指使用者對(duì)虛擬環(huán)境中物體的可操作性和從環(huán)境中獲取反饋的自然程度。例如，虛擬環(huán)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(zhì)感均會(huì)隨觸碰力度而產(chǎn)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(rèn)知力得到大量信息后，調(diào)動(dòng)潛在的思維能力，根據(jù)所處的時(shí)空環(huán)境形成現(xiàn)實(shí)環(huán)境的構(gòu)想，從而積極主動(dòng)地去想象。

2 低碳城市規(guī)劃生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

低碳城市規(guī)劃生態(tài)適宜性主要與規(guī)劃區(qū)域地形、生物和安全這3個(gè)因素有關(guān)[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(zhì)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(guī)劃生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)，并建立指標(biāo)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(guī)劃生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；X1、X2和X3分別表示一級(jí)指標(biāo)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(jí)指標(biāo)；b表示植被覆蓋率二級(jí)指標(biāo)；c1、c2分別表示地質(zhì)安全程度、水域覆蓋率二級(jí)指標(biāo)。

在生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中還應(yīng)該設(shè)置目標(biāo)層，使其配合一級(jí)指標(biāo)層與二級(jí)指標(biāo)層的落實(shí)。其中，一級(jí)指標(biāo)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(tài)環(huán)境資源、城市空間資源以及城市社會(huì)資源。二級(jí)指標(biāo)涉及高程與坡度、植被覆蓋率、地質(zhì)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(biāo)層就是低碳城市的生態(tài)適宜性。本文涉及多項(xiàng)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，這樣能夠更好地進(jìn)行量化分析，并且構(gòu)建的低碳城市生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系可以應(yīng)用在各種類型的低碳城市規(guī)劃評(píng)價(jià)中。結(jié)合城市對(duì)應(yīng)的類型，將目標(biāo)、一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)有機(jī)結(jié)合，可以使評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的實(shí)用性更強(qiáng)。

3 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)量化

為了進(jìn)行低碳城市規(guī)劃生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)，需要收集評(píng)價(jià)區(qū)域的地形、地貌和水文等數(shù)據(jù)[2]，這些數(shù)據(jù)可以從各種地理信息系統(tǒng)（Geographical Information System，GIS）軟件中獲取[3]。收集完數(shù)據(jù)后，使用AutoCAD軟件進(jìn)行地形等高線繪制，并以此為基礎(chǔ)完成低碳城市規(guī)劃區(qū)域的輪廓提取。此外，還需要利用AutoCAD對(duì)規(guī)劃區(qū)域的植被分布進(jìn)行定位，以便為后續(xù)的生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)提供依據(jù)[4]。完成初步的地形和植被定位后，使用Sketchup軟件進(jìn)一步細(xì)化規(guī)劃區(qū)域的虛擬場(chǎng)景。Sketchup軟件提供了豐富的材質(zhì)庫和繪圖工具，可以根據(jù)實(shí)際地形、植被和水域信息進(jìn)行顏色填充和垂直布局。還可以使用Sketchup調(diào)整空間大小和比例，保證虛擬場(chǎng)景與實(shí)際場(chǎng)景的一致性。

完成低碳城市規(guī)劃生態(tài)虛擬場(chǎng)景的初步構(gòu)建后，使用Lumion軟件進(jìn)行植物的種植調(diào)整、虛擬場(chǎng)景的渲染和VR全景的渲染[5]。Lumion軟件具有強(qiáng)大的渲染引擎和逼真的植物庫，能夠根據(jù)實(shí)際地形和植被分布情況，為虛擬場(chǎng)景添加適當(dāng)?shù)闹参铮?duì)植物進(jìn)行位置、高度和形態(tài)等方面的調(diào)整[6]。此外，Lumion還支持VR全景渲染，使評(píng)價(jià)者能夠身臨其境地感受虛擬場(chǎng)景中的生態(tài)環(huán)境。利用上述軟件生成虛擬場(chǎng)景，逼真地呈現(xiàn)出光影關(guān)系、空間體量和地形特點(diǎn)，以此構(gòu)建低碳城市規(guī)劃生態(tài)虛擬模型。進(jìn)而利用構(gòu)建的虛擬模型對(duì)指標(biāo)體系中的指標(biāo)進(jìn)行量化處理，將虛擬模型中節(jié)點(diǎn)的縱坐標(biāo)作為該點(diǎn)的高程，根據(jù)圖形中的勾股定理確定規(guī)劃區(qū)域坡度，并根據(jù)虛擬模型中植被所占面積計(jì)算出規(guī)劃區(qū)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(jù)虛擬模型中地質(zhì)災(zāi)害所占面積，計(jì)算出規(guī)劃區(qū)域地質(zhì)安全程度，如公式（3）所示。

c1=v/e （3）

式中：c1表示地質(zhì)安全程度；v表示虛擬模型中地質(zhì)災(zāi)害面積[7]；e表示虛擬模型的總面積。

同理，計(jì)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(xiàng)指標(biāo)單位不同、數(shù)據(jù)來源不同，為了保證低碳城市規(guī)劃生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)的精度，對(duì)量化的指標(biāo)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，如公式（5）所示。

（5）

式中：xi表示標(biāo)準(zhǔn)化處理后的第i個(gè)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)；maxXi、minXi分別表示第i個(gè)指標(biāo)的最大值和最小值；Xi表示第i個(gè)指標(biāo)的原始值。

對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使指標(biāo)值處于0～1，消除指標(biāo)數(shù)據(jù)量綱，完成評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化處理。

4 低碳城市規(guī)劃生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)

利用綜合分析法對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算出低碳城市規(guī)劃生態(tài)適應(yīng)度?？紤]每個(gè)指標(biāo)對(duì)低碳城市規(guī)劃生態(tài)適應(yīng)性的影響程度不同，根據(jù)標(biāo)度值，為每個(gè)指標(biāo)賦權(quán)。從指標(biāo)體系中隨機(jī)選取2個(gè)指標(biāo)n1、n2，比較二者的重要程度。如果指標(biāo)n1相對(duì)指標(biāo)n2的重要程度為非常重要，那么將n1標(biāo)度值取值為1，n2標(biāo)度值取值為9；如果為明顯重要，那么將n1標(biāo)度值取值為3，n2標(biāo)度值取值為7；如果為同等重要，那么將n1標(biāo)度值取值為5，n2標(biāo)度值也取值為5。根據(jù)上述規(guī)則確定每個(gè)指標(biāo)的標(biāo)度值，計(jì)算出指標(biāo)權(quán)重，如公式（6）所示。

?i=εi×μi （6）

式中：?i表示第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)；εi表示第i個(gè)指標(biāo)的標(biāo)度值；μi表示第i個(gè)指標(biāo)的專家評(píng)分值。

利用評(píng)價(jià)函數(shù)計(jì)算出城市規(guī)劃生態(tài)適宜度，如公式（7）所示。

（7）

式中：h表示低碳城市規(guī)劃生態(tài)適宜度。

根據(jù)計(jì)算所得城市規(guī)劃生態(tài)適宜度，確定適宜性等級(jí)。根據(jù)需求，將此次設(shè)計(jì)適宜性分為非常低、比較低、一般、比較高和非常高5個(gè)等級(jí)。如果適宜度在0.0～0.2，那么生態(tài)適宜性等級(jí)為非常低；如果適宜度在0.2～0.4，那么生態(tài)適宜性等級(jí)為比較低；如果適宜度在0.4～0.6，那么生態(tài)適宜性等級(jí)為一般；如果適宜度在0.6～0.8，那么生態(tài)適宜性等級(jí)為比較高；如果適宜度在0.8～1.0，那么生態(tài)適宜性等級(jí)為非常高。根據(jù)生態(tài)適宜度所屬區(qū)間確定等級(jí)，以此實(shí)現(xiàn)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的低碳城市規(guī)劃生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)。

5 試驗(yàn)論證

5.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備與設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證本文方法在低碳城市規(guī)劃生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)方面的性能，選取7個(gè)城市，收集城市規(guī)劃數(shù)據(jù)信息，利用該方法對(duì)7個(gè)低碳城市規(guī)劃的生態(tài)適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

在生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)過程中，每個(gè)生態(tài)性指標(biāo)均需要根據(jù)權(quán)重分析來確定，權(quán)重決定生態(tài)性指標(biāo)的適宜性程度。本次試驗(yàn)中的生態(tài)性指標(biāo)涉及一定的生態(tài)敏感性因子，其權(quán)重確定采用取大原則，以反映城市生態(tài)環(huán)境對(duì)城市中人員活動(dòng)的敏感性。根據(jù)其重要程度，將敏感性級(jí)別劃分為5個(gè)級(jí)別，一是超高生態(tài)敏感區(qū)，二是高生態(tài)敏感區(qū)，三是中度生態(tài)敏感區(qū)，四是低生態(tài)敏感區(qū)，五是非生態(tài)敏感區(qū)，依次對(duì)這些敏感區(qū)級(jí)別進(jìn)行賦值（見表1）。

根據(jù)7個(gè)城市生態(tài)敏感區(qū)級(jí)別與賦值情況，將生態(tài)適宜性分為5個(gè)等級(jí)，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(chǔ)上進(jìn)行生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)，具體評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

試驗(yàn)的目的是測(cè)評(píng)本文方法的性能，為了使試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一定說明性，將本文方法與基于層次分析法的評(píng)價(jià)方法和基于主成分分析法的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行比較。低碳城市規(guī)劃生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)對(duì)精度要求比較高，因此將評(píng)價(jià)與實(shí)際一致性系數(shù)作為方法性能測(cè)評(píng)指標(biāo)。一致性系數(shù)是指評(píng)價(jià)值與實(shí)際值的相符程度，如公式（8）所示。

（8）

式中：δ表示低碳城市規(guī)劃生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)與實(shí)際一致性系數(shù)；c表示適宜性實(shí)際值；c0表示適宜性評(píng)價(jià)值。

將從7個(gè)城市中收集與計(jì)算獲取的數(shù)值代入公式（8），可以獲得每個(gè)城市的適宜性評(píng)價(jià)與實(shí)際一致性系數(shù)，具體數(shù)據(jù)見表3。

比較表3中的數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)方法的評(píng)價(jià)與實(shí)際一致性系數(shù)為0.96～0.99，是基于層次分析法的評(píng)價(jià)方法的1.25倍，是基于主成分分析法的評(píng)價(jià)方法的1.16倍，遠(yuǎn)高于這2種主流方法。因此本文設(shè)計(jì)方法可以真實(shí)反映出低碳城市規(guī)劃的生態(tài)適宜性，具有良好的可行性與可靠性。

6 結(jié)語

本文將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于低碳城市規(guī)劃生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在城市規(guī)劃領(lǐng)域的應(yīng)用起到了推動(dòng)和促進(jìn)作用，也為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了有益參考和借鑒。除了上文提到的應(yīng)用價(jià)值外，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的低碳城市規(guī)劃生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)還具有廣泛的研究前景。例如，該方法可以進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)學(xué)模型和算法，提高評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和可靠性；可以結(jié)合GIS技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，進(jìn)行更全面、系統(tǒng)的生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)；還可以擴(kuò)展到其他類型的城市規(guī)劃項(xiàng)目，例如交通規(guī)劃、景觀規(guī)劃等，為城市規(guī)劃的各個(gè)領(lǐng)域提供技術(shù)支持。

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