基于数码影像的林木景观美学价值评价

汪光胜 储雪梅 梁勤 邢菊 王琪

摘要为了丰富林木景观评价方法，促进林木景观评价研究，通过对琅琊山森林景观的研究，提出了一种基于数码影像的林木景观美学价值评价的方法。按照数据获取、数据处理、计算评价的研究思路进行了方法论述，提出采用评分转换法消除评价指标正、负向作用和单位差异，采用层次分析法构建评价指标的权重体系，建立评价模型，并针对评分转换标准中可能出现的3种情况进行了探讨。该方法具有一定的实用性。

关键词景观评价；数码影像 ；林木景观；琅琊山

中图分类号S731.3文献标识码

A文章编号0517-6611（2017）12-0157-03

AbstractIn order to enrich forest landscape evaluation methods and promote the research of forest landscape evaluation，based on the study of forest landscape in Langya Mountain，a method based on digital image was proposed to evaluate the aesthetic value of forest landscape.The feasibility of this method was expounded by data acquisition，data processing and evaluation of calculation in sequence，and then grades converting method was put forward to eliminate both the positive and the negative effects as well as unit difference in evaluation indexes.Analytic Hierarchy Process （AHP） was used to construct the evaluation index system and to establish assessment model.In addition，three conditions that may appear in grades converting were discussed.The method was applied to the Langya Mountain National Forest Park and the feasibility of the method was validated.

Key wordsLandscape evaluation；Digital image；Forest landscape；Langya Mountain

林木景观作为森林景观的主体部分，在森林景观中占有重要地位。随着经济的发展，人们对森林景观关注度日益提升。国内外学者在森林景观方面进行了大量研究，其中就研究方法而言，国外研究较多，形成了四大学派[1]，并逐渐发展出了3种主要研究方法[2-4]。国内学者多在国外四大学派研究的基础上进行进一步的研究，取得了丰富的成果[5-7]，也有部分学者进行了方法创新[8-9]，丰富了森林景观的研究方法。在具体的研究方法上，除了四大学派的研究方法外，近些年，随着计算机技术的发展，利用计算机建立景观模型进行可视化的方法在森林景观研究中得以应用[10]，但是这种现实景观模拟的方法目前还不够成熟，存在诸多问题[10-11]。传统的研究方法多是现场评价、放映照片等，参与者较多，耗时费力[12]。如今，各种数码摄影产品低价易操作，而且图像编辑技术已经相当成熟。因此，笔者在考虑各种方法优缺点的基础上，基于对滁州市琅琊山林木景观的研究，提出了一种基于数码影像的林木景观美学价值评价的研究方法，以期为更加科学简便地评价林木景观提供新思路。

1研究区概况

琅琊山国家森林公园位于安徽省滁州市东南部琊山区，是国家4A级风景名胜区。琅琊山为皖东第一名山，安徽省五大风景区之一。琅琊山森林面积约为240 km2，最高峰海拔317 m。琅琊山处于亚热带和暖温带的过渡区，季风气候明显，山林间气候温和，降雨充沛，四季分明，无霜期长，气候条件良好，适宜于林木生长，现有各类植物150多科，其中乔灌木60科左右。另外还有琅琊榆、醉翁榆等特有的珍贵树种，景区林地植被为天然次生林和人工林、针叶林和阔叶林相互交错呈块状、带状混交体系。混交的树种繁多，各具特色，有很高的观赏和科研价值。

2基于数码影像的评价方法

2.1数据获取与预处理

2.1.1数据获取。基于数码影像评价林木景观，其数据获取应采用数码产品拍摄的方式，主要是使用数码相机。但是数码产品拍摄的影像易受自然环境和人为因素影响，为保证影像数据的可比性，应考虑各种影响因素。为了能够提供较好的数据获取方案，在林木研究经验的基础上，咨询摄影及林木等相关专业的专家，对各种影响因素进行了分析，并给出相关解决方案（表1）。

2.1.2数据预处理。逐一检查每幅影像，对效果较差的影像进行重拍或更换样区。使用专业修图软件，對影像中多余的数据进行清除。对处理后的影像按照拍摄的顺序进行重新编号，保存为常用的图片格式（JPG、PNG等），按样区编号保存在不同的文件夹中。目前，国内使用较好的修图软件是Photoshop软件，主要是对影像中目标物以外的背景物进行清理。

2.2构建评价模型

2.2.1评价因子选取。

林木景观美学评价是笼统复杂的概念，需要将其具体化、简单化，因而需要选取具体的评价因子和评价指标，通过建立一个层次结构实现评价的目的。在国内学者的研究中，评价指标的选择主要是进行问卷调查[13]和咨询专家[7]，再结合研究区的实际情况进行确定。问卷调查的对象主要是游客、学生，对林木景观的认识多从主观印象出发，与林木景观美学评价的目标相契合，在林木景观美学价值评价中较为实用。专家意见多从专业经验出发，但不同研究方向的专家之间的评判结果存在较大差异。不同地区，由于其条件的差异，林木景观差异也较大，因而根据研究区的实际情况进行评价指标调整是必要的辅助措施。

2.2.2评分转换标准。

由于不同指标之间存在正、负向作用和单位上的差异，无法进行统一评价，因此需要使用某种方法对评价因子进行处理，使评判结果能够进行运算使用。该研究提出采用较为简单的评分转换的方法，将不同单位的评价结果转换到统一的评分评价体系中，按百分制进行评分计算。但是，在具体指标评价结果转换时会出现最佳值确定问题，也就是每个指标一百分确定问题，所以在建立评分转换标准之前，需要对最佳值进行判定，而前人的研究并没有直接讨论过这个问题。因此，笔者对可能存在的3种情况进行了探讨，为以后的研究提供借鉴。

（1）评判指标以比值形式计算，计算结果在0～1，且其美景度与比值呈线性相关时，按下列公式计算。

正向作用指标：

式中，X′i为转换后的评分，Xi为评价指标原始计算值。

（2）不以比值形式出现，但可以简单判断时，直接赋予评分值，进行评分转换，例如整体林木评价中的层次丰富度因子和层次组合指标，根据乔木、灌木、草被的组合情况结合专家意见直接给定评分转换标准。

（3）无法简单判断时，笔者提出采取对各個因子进行测试的方法寻找各指标最佳值，具体方法如下：提取某一指标，按一定变化顺序（递减或递增）逐步改变指标的自变量，直到指标因变量达到最大（正向作用指标）或是最小（负向作用指标）时，即可得到最佳值。然后根据指标值变化情况计算或直接确定评分标准。

通过评分转换，将定性指标也转换为定量指标，与定量指标相结合，从而做到对林木景观美学价值的定量评价。

2.2.3权重系数。

该研究的定量综合评价中，评价指标较多，对指标权重的确定就十分必要。目前，地理学研究中，应用于简化评分标准、确定指标权重的方法较多，该研究以层次分析法为例进行探讨。

层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）将复杂问题分解为多个因素，是多因素定量综合评价中使用较为普遍、有效的方法。运用层次分析法构建一个3层次结构的评价指标体系，即A目标层（林木景观美学价值）、B准则层、C因子层，构造判断矩阵。根据判断矩阵，求出其最大特征根所对应的特征向量W，得到权重分配，为确定得到的权重分配是否合理，需要对判断矩阵进行一致性检验，最终得到各层次指标的权重值[14]。

2.2.4美学价值模型。基于处理好的数码影像，结合部分实地调查数据，对各个指标进行评判，由指标评分结果和权重系数计算林木景观的美学价值。采用逐层递进的计算方法，由因子层计算准则层，再计算得到目标层评分结果，具体计算过程见公式（3）（4）。

式中，s为因子的个数，t为准则的个数，Bq表示第q（q=1，2，…，t）个准则的得分值，Cm表示第m（m=1，2，…，s）个因子的得分，cm表示第m个因子的权重，bq表示第q个准则的权重，Z表示最终得分值。将公式（3）（4）结合，即得到林木景观美学价值评价的评价模型。

将原始得分数据代入林木景观美学价值评价模型中，即可计算各样点林木景观美学价值的最终得分值，为进一步研究林木景观相关问题提供定量参考。

3琅琊山森林景观评价

基于数码影像的林木景观评价方法进行景观价值评价，考虑表1中的影响因素，实地获取60处整体林木景观的数码影像，其中40处数据用于模型构建，20处用于模型验证。通过阅读文献及问卷调查等方法确定整体林木景观评价指标并进行修正，得评价指标及评分转换标准（表2）。通过问卷调查（实际问卷数为374份，主要调查对象为在校本科生及琅琊山游客），并使用层次分析软件yaahp进行权重确定。其中方案层以假设同样重要的P、Q代替，具体权重见表2，进而构建了林木景观美学价值评价模型，模型公式见公式（5）。

式中，Z为景观评价得分值，cij表示对应因子的评分转换得分值。

将20处验证数据的评分转换结果代入模型公式中，得出预估美景度值。将20幅数码影像编号，随机请琅琊山游客及在校师生采用百分制评分标准进行美景度评价，将各幅数码影像的评分结果取平均值，得到20幅数码影像数据对应的真实美景度值。使用SPSS 19.0软件将预估美景度值和实际美景度值进行回归分析，相关性系数为R=0.779，且通过了0.01的显著性水平检验。图1为真实值与预测值的散点图。

由图1可知，该景观评价模型得到的预测值与人们评价的真实值之间存在明显的正向相关性，但预测值整体上大于真实值，有一部分值存在较大的偏差，差值最大的达到了15.41。其偏差的主要原因可能有如下2个方面：①模型构建过程中存在一定的不完善的地方，特别是因子选择与权重选择上存在较大的主观性；②由于个体在审美上的差异，对同一景观的评价可能会出现较大差异，导致最终评价值偏移。

4研究总结与展望

4.1研究总结

研究提出的基于数码影像的林木景观美学价值评价的方法，在原有的关于林木景观评价方法的基础上，着重突出数码影像的优势特点，结合定量与定性的评价方法进行景观评价，并以琅琊山国家森林公园为例进行了景观评价，相关性系数为0.779，且通过了0.01的显著性水平检验，说明该方法具有实用性。

4.2研究展望

研究提出林木景观评价方法，虽然较传统研究方法节省了人力和时间，但是也无法完全脱离实地调查，并且在实际研究过程中仍然存在大量不确定因素和难以克服的问题，特别是评分转换标准建立中无法简单判断因子最佳值时，最佳值寻找可能会耗费较多精力，增加研究成本，或者不存在确定的最佳值。因此，进一步解决评分转换标准问题、研究模型相关误差、验证本研究方法科学性、适用性将是下一步研究的重点。

在实际的研究过程中也发现，由于自然森林内部的复杂性，基于数码影像对个体林木的评价较难实现，宜从整体角度进行评价，而人工林或半人工林的林木组成较为单一，可以很好地对个体林木进行评价，为林木建设提供科学决策的依据。因此，将在后续研究中将该方法应用到个体林木景观价值评价中。

目前计算机使用普遍，各种软件开发技术也较为成熟，而且数码影像便于在计算机中处理，因此结合林木景观评价方法，开发专门的林木景观评价软件，充分发挥计算机的客观、快速的优势，实行人机交互的方式评价林木景观价值，也是一个值得研究的方向。

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