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迄今为止,对森林景观美学质量的研究多是以现实森林为对象,面对错综复杂的构景要素和环境条件,一般需要选择足够数量的典型样地,进行多指标综合分析[1]。借助景观模拟技术,有望对试验条件进行控制,以较少的典型样本来研究某些目标因子对景观质量的影响规律,同时有利于比较不同的景观预案,寻找最佳目标景观和相应的标准参数。
森林景观的模拟以植物建模和可视化为基础。自上世纪70年代以来,植物建模和可视化研究持续发展,研究的出发点大致可分为两类,一是从生物学研究的需求出发,采用一定的数字化模型模拟植物的形态、生长和群落发展[2-4];二是从视觉模拟的角度出发,通过给定参数对植物的几何结构进行控制,生成几何表达[5]。与之相应,众多植被建模的专业软件被开发出来,然而,面向生物学研究的软件,可较好地解释生物学机理[6],但人机交互能力弱,难以生成自然真实的几何模型。而面向视觉模拟的软件,视觉效果好,参数控制更为直接有效[7],但其生物学含义不严格,且从几何到图像表达、从单体建模到群体场景组装,不同的软件都有针对性优化方向,很少集各种所长于一体。
目前,森林景观模拟已越来越多地应用于林业生产和研究实践,包括景观设计[8-9]、生长模拟[10-11]、群落演替[12]、经营管理决策[13-17]等领域,但在景观质量评价研究上还很少应用[18],原因之一可能是因为以评价为目的的森林场景模拟,一方面要求真实的视觉效果,另一方面需要方便记录到树木与林分参数,而目前市面上还没有一款能够同时满足这些要求的软件产品。综合使用多种软件、插件[19-20],发挥各自所长,是开展森林景观模拟与评价的一条可行途径。本文从一个枫香林密度调控与林相改造工程的实际需要出发,应用PhotoShop、AutoCAD、SpeedTree[21]等图形学软件,进行森林场景模拟,开展森林构景因子的控制性试验,以期为森林美学研究尝试一种新的方式,为工程实践提供指导。
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模拟的森林景观以小乌坑林区的枫香(Liquidambar formosana Hance)林为参考。小坞坑林区位于浙江省杭州市富阳区城郊,森林起源于伐薪迹地上发生的次生林和人工林,总面积70 hm2,其中枫香林比例较大,约占10%,其龄林、胸径及密度分布范围较广,长势与林相参差不齐。林区于2011年纳入了杭州市西郊森林公园后,开辟为城市游憩林,设置了步游道,提出了彩色化、珍贵化的森林景观改造方向。枫香被称为先锋顶极树种,存在于森林群落的各个演替阶段,是我国亚热带地区重要的秋色叶树种和优良的用材树种。为此小坞坑森林景观规划拟对现有枫香林进行抚育改造,并于步游道两侧山谷平地营建连片新林。从观赏角度,如何针对不同林龄与胸径提出最佳调控密度成为现实需要。
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以枫香为模拟对象,2016年夏季于小坞坑林区选择胸径为10 cm、20 cm、30 cm的自然、健康的枫香各5株,现场测量其胸径、树高、冠幅、枝下高、一级分枝角度与粗度等测树数据,为建模提供几何参数。
为将树皮、树叶等有机生命体的影像映射在树木干、枝、叶等几何模型表面,构成直观形象的实体,需准备贴图素材[22]。分胸径级(树龄)野外摄取枫香树干与一级分枝表皮照片若干,导入Photoshop;采集叶片若干,扫描导入Photoshop。从中各选取典型图像3张,制作带有Alpha通道的纹理贴图,再通过CrazyBump软件转换,导出法线贴图、高光贴图。
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为实现视觉效果逼真、树木与林分参数可测量的总体目标,采用多种软件综合应用方案,从中分别抽取一部分所需要的功能,通过数据和文件交换实现功能集成,流程(图 1)和主要应用软件如下:(1)纹理贴图制作:Adobe Photoshop CC2014、CrazyBump1.2;(2)树木三维建模:SpeedTree Cinema v7.0.5、SpeedTree5.1;(3)森林景观场景平面布局:Random Coordinate、AutoCAD 2007、Sketchup 8.0;(4)森林场景合成:Lumion 6.0。
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利用SpeedTree模型编辑器(Speedtree modeler),通过人机交互进行树木参数化建模。建模从一个树木初始模型开始,确定树木的基本骨架;再编辑树木的主干、分枝参数,分枝级数为3级;最后添加叶片,调节其形状、大小以及方向等。
利用编译器(Speedtree compiler),将材质贴图打包为包括材质和纹理参数信息、细节层次和布告板距离信息、风和碰撞体数据等的程序代码,生成SRT格式文件备用。
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模拟场景设为平坦地形,大小为60×60 m。林型设为枫香同龄纯林,种群分布采用自然界普遍存在的随机分布形式。为实现随机分布,并控制树木之间的合理间距,编写Random Coordinate自定义过程生成坐标点,据此绘制CAD平面分布图。
将CAD平面图通过Sketchup进行格式转换,导入Lumion, 布置树木模型;将Speedtree生成的SRT文件导入Lumion植物模型库,进行森林场景构建,最后导出JPG格式模拟结果图像。
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影响森林林内景观美学质量的主要有形貌、色彩、结构和整体状况几方面的因素[23],其中树木胸径、林分密度等是十分重要的构景因子[24]。因此,本文以胸径与密度为例,参照随机区组设计,进行两因素、单因素控制试验。首先是保证其它构景要素与环境条件一致,即统一类型(静态景观)、地形(平坦)、场景大小(60×60 m)、林型(枫香同龄纯林)、分布(随机)及林下层(草)。然后分胸径(因素A)3个水平、密度(因素B)10个水平,共30个处理分别制作场景(表 1),每个场景设3个固定视角摄取3张图片(即3个重复),以减少树木平面分布格局对视觉的影响,结果共得到模拟场景图片90个。
密度/(株·hm-2) 78 222 389 556 833 1111 1389 1667 2222 2778 Density/(Plants·hm-2) B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B10 10 A1 A1B1 A1B2 A1B3 A1B4 A1B5 A1B6 A1B7 A1B8 A1B9 A1B10 胸径DBH /cm 20 A2 A2B1 A2B2 A2B3 A2B4 A2B5 A2B6 A2B7 A2B8 A2B9 A2B10 30 A3 A3B1 A3B2 A3B3 A3B4 A3B5 A3B6 A3B7 A3B8 A3B9 A3B10 注:试验共3个区组,表中所列为其中一个。
Note: The test consisted of 3 blocks, one of which was listed in the table.Table 1. Control experimental design of DBH-density control
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以景观美景度(SBE)评判结果作为试验的观察值。考虑不同群体的审美态度具有一致性[25],组织园林学、林学、生态学等专业的学生,每组人数大致相等,共160名参与评价,采用平均值法计算美景度值[26]。
根据不同的试验目标,采用不同的评价样本和记分方式:
胸径-密度两因素试验:为研究胸径、密度两个因素对景观质量的影响,寻找最佳组合,将90张图片全部混合进行比较评价。评价采用7分制[27],操作时将全部照片排成活动展板,让评判人充分比较,按质量高低依次归为7档。
密度单因素试验:为揭示密度对景观质量的影响规律,将胸径因子作为背景值,即在同一胸径条件下,对10个不同密度的场景图片进行比较评价(表 1),操作时同样制作活动展板,排序归档,但为计分方便,采用10分制。该比较分3个胸径、3个重复共有9组。
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采用DPS7.05、SPSS19.0软件进行两因素方差分析、多重比较分析和单因素回归分析。
1.1. 模拟景观概况
1.2. 试验材料
1.3. 研究方法
1.3.1. 森林场景构建流程
1.3.2. 树木三维建模
1.3.3. 森林场景构建
1.3.4. 控制试验
1.3.5. 景观质量评价
1.3.6. 统计分析
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枫香为单轴分枝的大乔木,干形通直,在适生地区,树高可达30 m,胸径达1 m。枫香的形体受树冠形状、冠幅、分枝角度及枝干粗细的影响,幼树冠形为三角形,成熟时为圆卵形。树皮幼龄时为青绿色,质地光滑,成熟时灰褐色,呈方块状剥落。枫香的分枝级数随着树龄的增大而增加,但一般不超过4级;分枝角度随树龄的增大而增大,这主要是受自然重力作用的结果(表 2)。
胸径
DBH /cm高度
Height/m枝下高
Under-branch
Height/m冠幅
Crown width/
(m×m)分枝级数
Branchgrades一级树枝粗度
Degree of primary
branch/cm一级树枝着生角度
The angle of the first level branch/(°)10 5 1.5 2×2 2~3 2.5 30 20 12 4.5 4.5×4.5 3~4 4 30~75 30 20 8 7×7 3~4 8 60~90 Table 2. Liquidambar form parameter statistics
树木的三维模型含有详细的形态参数,是实现树木测量的基本条件,但其视觉效果往往不如二维图像直接贴图。基于综合软件平台和实测形态参数的模拟结果显示,枫香三维模型与现实树体图片的效果十分接近,以10 cm胸径的为例,对比见图 2。
以胸径20 cm,密度556株·hm-2的森林场景为例,随机平面分布格局及透视场景模拟结果如图 3所示,模拟森林与枫香同龄纯林现实景观较为接近,基于模拟结果实施的景观质量评价工作进展顺利,表明模拟结果良好。
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园林、林学、生态学3组学生两轮评价的SBE均值分别为4.10(7分制)/5.49(10分制)、4.11/5.50、4.07/5.50,单因素方差分析结果显示3组学生差异不显著(P=0.991/P=1.000),以总体平均结果作为观测值可以满足分析要求。控制试验中,林分密度变化总是伴随着分布格局的变化,两者无法分离,因此,将格局变化设为重复区组,即从模拟场景的3个视角得到3种不同的布局效果,作为3个区组设置,但方差分析结果显示,区组间的差异不显著(F=0.88,对应的概率P=0.356 3>0.050 0),表明在随机分布条件下,种群格局的微小变化对评价结果的影响不大(表 3)。试验因素A(胸径)对美景度的影响也不显著(F=3.094 7,P=0.070 0),而因素B(密度,F=4.545 6,P=0.003 1)、胸径与密度的交互效应A×B(F=6.129 8,P=0.000 0)对美景度的影响均达到极显著。
变异来源
Source of variation平方和
Sum of squares自由度
Degrees of freedom均方
Mean squareF值
F valueP值
P value区组间
Between blocks0.114 4 2 0.114 4 0.878 5 0.356 3 A因素间
Between factor A4.940 4 2 2.470 2 3.094 7 0.070 0 B因素间
Between factor B32.655 2 9 3.628 4 4.545 6 0.003 1 A×B 14.367 7 18 0.798 2 6.129 8 0.000 0 误差
Error3.776 3 58 0.130 2 总变异
Total variation55.854 0 89 Table 3. Variance Analysis of the effect of diameter at breast height A and Density B on SBE(stochastic model)
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试验因素间Tukey多重比较结果显示,不同胸径(A)对美景度的影响不同,其中A2即胸径20 cm的枫香林平均美景度最高,与其它径级的差异极显著;而A3、A1,即30 cm和10 cm胸径的美景度较低且差异不显著(表 4)。此结果与“林分美学质量随胸径增大而提高”[28]的现有结论有所不同,这与试验中不同胸径级采取了同一套密度水平设置有关,适应两极、折中的密度范围更有利于中等胸径林分表现良好景观,说明胸径-美景度问题的研究也离不开密度,现有研究事实上以各自的最佳密度为前提。
处理
Handing均值
Mean5%显著水平
5% significant level1%极显著水平
1% significant levelA2 4.498 0 a A A3 3.979 0 b B A1 3.828 0 b B B3 4.901 7 a A B4 4.893 3 a A B5 4.846 7 a A B6 4.521 7 a AB B7 4.498 3 a AB B2 4.250 0 ab ABC B9 3.785 0 bc BCD B8 3.440 0 cd CDE B10 3.058 3 d DE B1 2.821 7 d E Table 4. Tukey multiple comparison between experiment factors
从密度(B)因素看,密度适中的B3、B4、B5为第一类,美景度最高,密度偏离中值的B6、B7、B2为第二类,美景度稍低,但这两类并无显著差异;处于两端,即密度过高或过低如B9、B8、B10、B1的效果最差,与第一类存在显著差异(表 5)。
处理组合
Treatment combination美景度均值
Mean value of SBE处理组合
Treatment combination美景度均值
Mean value of SBE处理组合
Treatment combination美景度均值
Mean value of SBEA3B3 5.49A A2B2 4.54ABCDE A2B10 3.47BCDEFGH A2B5 5.37A A1B4 4.54ABCDE A1B10 3.43CDEFGH A3B4 5.25A A2B8 4.47ABCDEF A3B1 3.32 DEFGH A3B2 5.18AB A1B6 4.46ABCDEF A1B8 3.29DEFGH A2B3 5.11ABC A3B6 4.46ABCDEF A1B2 3.04EFGH A2B7 5.00ABCD A1B7 4.39ABCDEF A2B1 2.97EFGH A2B4 4.90ABCD A3B5 4.36ABCDEF A3B9 2.79FGH A1B5 4.82ABCD A1B3 4.11ABCDEFG A3B8 2.57GH A2B6 4.65ABCDE A3B7 4.11ABCDEFG A3B10 2.29H A2B9 4.54ABCDE A1B9 4.04ABCDEFG A1B10 2.18H 注:各处理间比较ABCDE为0.01差异水平。
Note: The difference levelsof ABCDE between treatment comparison was 0.01.Table 5. Tukey Multiple Comparisons Between DBH and Density
胸径-密度组合对美景度的影响计算结果见表 5。不同组合的美学质量存在差异。其中A3B3、A2B5、A3B4的组合景观效果最佳,可推荐采用;其次是A3B2、A2B3、A2B7;景观效果最差的是A3B8、A3B10、A1B10,在实践中应避免出现。
从表 5还可看出,较优组合有向胸径增大、密度居中方向集中的趋势,如按胸径级分别选取前3个最优组合A3B3、A3B4、A3B2,A2B5、A2B3、A2B7,A1B5、A1B4、A1B6,比较最大值与平均美景度值(图 4),胸径30 cm的美景度最高,胸径20 cm的其次,胸径10 cm的最差。胸径10 cm到胸径20 cm的美景度值变化大,而胸径20 cm到30 cm的美景度值变化较小,可见胸径越大越有可能获得最佳景观效果,而且枫香林的胸径在试验范围内达到一定程度后,趋于稳定,对美景度的影响平缓,与张荣[24]、李俊英等[29]的研究结果相似。
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不同胸径枫香林的美景度-密度分布见图 5。3个胸径级的美景度随密度变化趋势相似,均为先升高,到达一定值后再下降。但三者峰值出现的位置不同,总体上随着树体的增大,峰值密度向左偏移。以SBE=6为基准线,胸径10 cm的枫香林峰值密度在1 389株·hm-2,较佳密度在389~1 667株·hm-2;20 cm的峰值密度在833株·hm-2时,较佳密度在360~1 389株·hm-2;30 cm的峰值密度在389株·hm-2,较佳范围在186~833株·hm-2,这些可作为密度调控的参考依据。
总之,林分过稀,会产生空虚感,过密则会压缩透视距离,给人以压抑感;适中的密度最为舒适,有利于形成良好的空间结构,满足人们的游赏需求,与前人的研究结果一致[30-32]。图 6为大众评判筛选的最适密度森林景观。
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曲线以密度为自变量,美景度为因变量,进行单因素曲线拟合,结果以二次曲线为最优(图 7)。曲线为开口向下的倒钟形,调整后决定系数R2>0.700,表明密度-美景度关系密切,经检验各方程差异均极显著(P<0.05),故均具有统计学意义。方程为平坦地形枫香单层林相应胸径条件下的密度-美景度关系提供了一个预测工具。