基于小生境遗传算法的生态景观格局空间结构优化

朱江

摘  要： 为了提高传统建筑景观的直观性，提高居民的满意度，并且实现绿色环保的设计，提出基于小生境遗传算法的生态景观格局空间结构优化，优化目的主要包括建筑成本、绿化带等公共设备。对景观格局优化的目标进行分析，主要包括提高生物多样性、维持能量、物质的流通、维持景观格局的稳定性、提高生活环境品质;实现景观规划的优化，包括确定生态廊道、不同高度城市风速模拟、不同高度城市温度场空间扩散模拟;实现基于小生境遗传算法的优化，并且对优化结果进行测试。测试结果表明，人们对于大部分建筑景观评价因子都表示比较满意，说明人们对景观优化之后的空间布局认可，证明所提算法能够优化建筑景观空间，提高居民满意度。

关键词： 小生境遗传算法; 生态景观; 空间结构; 结构优化; 景观格局优化; 优化结果测试

中图分类号： TN99?34                           文献标识码： A                          文章编号： 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单元结构间产生的复杂关系，每个结构单元均具有发生特殊情况的背景、存在价值、优势等。与传统景观网络进行对比，景观功能网络对功能之间的相互衔接较为重视[1]。景观功能网络概念是基于景观生态学格局进行的假设，重点是加强景观结构之间的联系，从而提高景观功能。比如，动植物的生长与繁殖不仅要具备足够数量生境，栖息地斑块也需具备连续性。大部分的生态学过程都会受到斑块距离及排列格局影响，城市内部还要求内部经济活动运行、交通网和密集建成区对其开展支持[2]。本文通过考虑多方面因素，对现代生态景观格局空间结构进行优化。

1  景观格局优化的目标

景观的形成、空间分布与类型差异和自然环境地域分布具有密切关系。相关研究表明，生态景观空间结构形态和城市地貌格局吻合，半自然和近自然的景观斑块大部分都是在山丘区分布，自然林带类型沿江河地区分布。但是在人类活动强烈干扰中，城市森林景观斑块数量不断增加，面积不断缩小，内部生境逐渐减少，隔离度不断提高，降低了城市生态环境质量的功能，对于维护城市生物多样性功能影响比较明显，景观斑块功能越来越单一[3]。

基于景观生态学的景观格局连通度和景观功能连续程度进行假设，对于现代城市所出现的对生态功能联系造成影响的问题，结合生态学原理及规划理论，利用强化生态功能空间目标相互连接，优化景观格局。主要目标就是保证景观格局的稳定性，使生物多样性得到提高，维持物质来源，实现能量流通，提高生活环境品质等。同时，在空间实际优化的过程中，要充分考虑到景观类型作用和景观功能的冲突范围。景观格局优化的目标、方法和指针如表1所示。

2  景观规划的优化过程

通过以上分析可以看出，优化方案和原本的景观构成相互对应关系，表明优化方案中的物品设置合理。在绿地系统规划过程中，要以绿地优化方案数值模拟分析结构，使用相应量化分析方法，基于不同尺度的优化方案实现调整，从而构成系统性的城市绿地生态网络，将景观的最大生态效能充分发挥出来。

2.1  不同高度城市风速模拟

图1，图2为不同垂直高度中的城市风速扩散分析结构，在高度不断增加的过程中，城市风速也在不断增加，城市最大风速覆盖区持续扩大，但是空间扩散范围增加的趋势并不明显，城市通风情况良好。底部风速场为1.5 m时，城市内部空间风速为0～0.375 m/s，面积比率为15.87%，2.625～3 m/s风速的面积比例为32.06%。如果建筑在被封面，那么城市风速比较低，城市建筑物对于风速扩散过程具有空间阻力[4]。

2.2  不同高度城市温度场空间扩散模拟

图3，图4为不同垂直高度中城市温度场扩散分析结构，在高度不断增加的过程中，温度也在持续降低，在城市风速不断增加的过程中，扩散能力不断提高。底部温度场为1.5 m时，因为受到风速影响，高温情况能够扩散到城市外围，不会影响到城市。浑河、绿地和周边绿地都能够实现城市调温，其对城市热岛效应缓解非常有利。在城市范围中，最高温度为42.75～46 ℃，面积比率为0.56%。中部温度场为50 m时，城市最高温度为39.5～42.75 ℃，面积比率为4.72%。在顶部温度场为100 m时，城市温度为39.5～42.75 ℃，面积比率为2.07%。在此方案中，虽然城市高度不断提高，最低温度面积比率也得到了提高，并且降低了城市整体温度，城市热环境的运行效果良好[5]。

2.3  确定生态廊道

在景观结构中，廊道属于较为特殊的元素，具有联系及分割的功能。廊道有无断开是确定屏障功能及通道效果的主要因素，因此根据连通性对廊道功能强度进行测定，廊道效应其实就是根据廊道一定范围中具有的效益梯度场，从中心逐渐对外衰减，满足距离衰减率需求。

[4] 陆禹，佘济云，罗改改，等.基于粒度反推法和GIS空间分析的景观格局优化[J].生态学杂志，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] 呂东蓬.高原、山地生态学研究前瞻——“社会?生态”景观镶嵌体格局空间优化和可持续性研讨会：聚焦山地区域[J].大众文艺，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，石铁矛.基于数值模拟的城市绿地景观格局优化研究[J].环境科学与技术，2017，40（11）：167?174.

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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.