基于无人机影像的四川米亚罗景区彩叶景观林色彩特征变化

张小晶 李巧玉 陈娟 刘锦春 陶建平

摘要：色彩是植物配置和景观呈现的重要方面。文章通过无人机对四川米亚罗景区内12个彩叶景观林进行跟踪拍摄，并量化图像色彩，以定性和定量相结合的方法研究其色彩属性现状及变化特征。结果表明：米亚罗彩叶景观林的色彩季相变化明显，色彩饱和度和明度集中在中间等级。春夏季为非彩色期，主色调以绿色为主;秋季为彩色期，绿色与红橙黄三色构成对比色，能够营造出强烈的视觉效应。纯林和混交林在变色初期以绿色为主，色彩空间格局尚未形成，随着一些落叶树种的叶色变红变黄，色彩组成以及色彩空间格局方面的差异逐渐被体现出来，在变色盛期纯林和混交林色彩特征差异最明显。彩叶景观林的最佳观赏期在10月中旬，前后持续20 d，游客在此期间出行可以观赏到叶色丰富、层次明显的景观。研究可为彩叶景观林配置等提供一些理论参考。

关键词：色彩量化，色彩组成，色彩空间格局，最佳观赏期，米亚罗彩叶景观林

DOI： 10.12169/zgcsly.2020.02.28.0002

Abstract： Color is an important aspect of plant configuration and landscape presentation. In this paper， unmanned aerial vehicle （UAV） is used to track and shoot 12 colorful landscape forests in Miyaluo Scenic Spot， Sichuan Province， and the image color is quantified. The qualitative and quantitative methods are used to study the status quo and changing characteristics of color attributes. The results show that the colors of the colorful landscape forests in Miyaluo Scenic Spot change distinctly in different seasons， and the color saturation and brightness fall in the middle range. Spring and summer are green leaf periods in which green is the dominating color， while autumn is the color leaf period in which the contrasting colors of green and red， orange and yellow can create a strong visual effect. In the early stage of color change， the color dominating pure forests and mixed forests is mainly green， and the color space pattern has yet formed， but as the leaves of some deciduous tree species turns red and yellow， the differences emerge in color composition and color space pattern， especially the difference in color characteristics between pure forest and mixed forest， which is the most obvious at the peak of color change. The best viewing period of colorful landscape forest is in the middle of October and will last about 20 days. Tourists should travel to view the landscape with rich leaf colors and evident color layers. This study would provide reference for colorful landscape forest configuration.

Keywords： color quantization， color composition， color space pattern， best viewing period， Miyaluo colorful landscape forest

植物是森林的組成部分之一，植物在森林美学功能中扮演着重要角色[1]。色彩是植物最富活力的物理特征，是人眼视觉接收植物的第一信息[2]。色彩作为构建美丽城镇景观的重要载体[3-4]，对于色彩的研究常常集中在彩叶植物的呈色机理、观赏价值、资源现状、园林应用等方面[5-6]。利用植物进行园林造景时，大多是“从无到有”的构建过程，而对彩叶景观林的建设大多是“从有到优”的过程，彩叶景观林因其面积大且叶色丰富多样带给人震撼的感受。

色彩在视觉景观中的表现不是单一的，常常由多种色相、饱和度和明度所决定[7]。随着温度和光照时间的变化，叶片内叶绿素、类胡萝卜素和花青素等色素的比例也随之发生变化，植物呈现出不同的色彩[8]，正是植物叶色的变化使景观林的色彩变化万千、丰富多彩。对于彩叶景观林打造者而言，由于对色彩缺乏定性和定量的认识，很难掌握某一区域景观林一年中色彩的变化，且对同一色相由于饱和度或明度不同而造成的色彩差异的认识也存在一定误差。因此，在景观色彩研究中从整体上把握色彩的种类以及色彩变化特点是进行景观预测的重要手段。

色彩的种类组成与发生位置随时间的推移而不同，并带给人变化莫测的观景感受。本研究通过无人机对米亚罗彩叶景观林进行跟踪拍摄，并量化图像色彩，以定性和定量相结合的方法研究其色彩属性现状及变化特征，以期为彩叶景观林配置等提供理论参考。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

米亚罗风景区位于四川省理县境内，理县地处青藏高原东南缘（31°11′～31°54′ N，102°36′～103°30′ E），具有典型的高山峡谷地貌。亚高山暗针叶林是该区域原有的主要森林类型，在20世纪50—80年代，该区域经历了大规模的砍伐利用，随后进行了以粗枝云杉（Picea asperata）为主的人工更新，同时岷江冷杉（Abies faxoniana）、高山栎（Quercus semicarpifolia）、白桦（Betula platyphylla）、日本落叶松（Larix kaempferi），以及槭树科（Aceraceae）植物等的天然更新也大量发生，许多天然次生林分布于亚高山暗针叶林中，形成多样的彩叶景观林类型[9-10]。

1.2 研究方法

1.2.1 景观样本的收集

通过野外勘察选择了12个具有代表性的彩叶景观林，其中包括阔叶混交林、针阔混交林、针叶纯林、阔叶纯林，基本包含米亚罗景区中的所有彩叶景观林类型。冬季的景观林由于被冰雪覆盖，不作为本研究对象。米亚罗风景区彩叶景观林的叶色在5—9月无明显变化，入秋后逐渐开始变化。本研究在2018年5月上旬、9月下旬、10月整月和11月上旬利用无人机对12个彩叶景观林进行拍摄，共获取72张景观照片，拍摄高度为样地上空约50 m，拍摄面积共约42 000 m2。拍摄过程中尽量避免如光照强度、能见度等外界因子的影响。

1.2.2 室内图像的解译

HSV颜色空间能较好地反映人眼对色彩的感知能力[11]。本研究基于HSV颜色模式对彩叶景观林的色彩进行阈值量化，通过自拟程序对

色相（Hue，H）、饱和度（Saturation，S）、明度（Value，V）三通量值进行非等隔均匀量化（8∶4∶4）简化色彩数量，进一步对极端值归一化处理，最终简化为72个色彩（图1）。

1.2.3 色彩特征指数的计算

色彩特征包括色彩组成和色彩空间格局。本研究从H、S、V以及色彩数量等色彩属性中选择21个色彩组成因子，从色彩空间格局方面选择了斑块数量（Number of patches，NP）、最大斑块指数（Largest patch index，LPI）、景观形状指数（Landscape shape index，LSI）、蔓延度指数（Contagion index，CONTAG）、分离度指数（Division index，DIVISION）、斑块多样性指数（Patch diversity index，SHDI）、斑块均匀度指数（Patch evenness index，SIEI）、聚合度指数（Aggregation index，AI）8个指标[12-13]。

1） 色相比例（H0、H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7、H8、H9、H10）：Hi=NHi/N，式中NHi为照片中第i个色相所占的像元数，N为照片的总像元数。

2） 饱和度比例（S0、S1、S2、S3）：Si=NSi/N，式中Si为照片中第i个饱和区间所占的像元数，N为照片的总像元数。

3） 明度比例（V0、V1、V2、V3）：Vi=NVi/N，式中NVi为照片中第i个明度区间所占的像元数，N为照片的总像元数。

4） 色彩数量（Number of colors，NC）：NC=SUM（HxSyVz）， HxSyVz≥1%; x=[0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10]， y=[0，1，2，3]， z=[0，1，2，3]，在提取的色彩中，除黑、白、灰三色外，像素占比不小于1%的色彩个数。

5） 彩色指数（color index，CI）：CI=H0+H1+H2。

1.2.4 数据处理

通过MATLAB 2018a提取图像各像素点的色相、饱和度和明度;利用FRAGSTATS 4.3计算色彩斑块空间格局指数;采用Excel 2010和SPSS 22.0软件对数据进行统计分析;使用CAD 2014和Origin 9.0作图。

2 结果与分析

2.1 景观林色彩属性的分布

通过自拟程序非等隔均匀划分色彩（图2a）可知，米亚罗彩叶景观林的色彩季相变化明显，其中非彩色期（春夏季）色相覆盖范围窄（23°～155°），包含3个色相中的18个色彩，以綠色系为主（图2b）;彩色期（秋季）色相覆盖范围广（0°～360°），包含8个色相中的56个色彩，以红色、橙色、黄色和绿色系为主（图2c）。

无论是彩色期还是非彩色期，米亚罗风景区景观林中的色彩饱和度和明度（均集中在中间等级（图3、图4），取值范围0.15～0.75。在非彩色期（图3），米亚罗风景区景观林的绿色色彩占比高达80 %;在彩色期（图4），米亚罗风景区景观林中的绿色占比（H3）>橙色占比（H1）>黄色占比（H2）>红色占比（H0）>其他。

2.2 景观林色彩属性的变化特征

2.2.1 色相变化特征

通过色相变化曲线（图5）可以看出，5月上旬至9月下旬，每一类色相占比无明显变化。从10月上旬开始，H0、H1和H2呈现先增加后减少的趋势，在10月中旬达到最大值，分别为5.57 %、22.42 %、17.50 %。对H3而言，总体呈平稳—下降—平稳—下降的变化趋势。10月下旬以前，H8较小且无明显波动，10月下旬后呈现较大增幅，增长范围0.09 %～24.72 %。10月中旬以前，H9较小且处于平稳波动状态，10月中旬至下旬呈现上升趋势，10月下旬后呈现下降趋势。H4、H5、H6、H7、H10无明显波动。

2.2.2 饱和度和明度变化特征

由图6可以看出，随着时间的推移，10月中旬前，无论是饱和度还是明度均无明显变化;10月中旬后，S0呈缓慢增加趋势，S3呈急剧减少趋势，S2、V1和V2呈先增加后减少的趋势，V3呈先减少后增加的趋势，S1和V0无明显变化。

2.2.3 色彩数量变化特征

选择变色初期Ⅰ（10月上旬）、变色盛期Ⅱ（10月中旬）、变色末期Ⅲ（11月上旬）3个时段的景观林作为研究对象，方差分析不同时期不同林型色彩数量间的差异（图7）。结果发现，无论是纯林（pure forest ，PF）还是混交林（mixed forest ，MF），色彩数量在不同时期均存在显著差异（P<0.05）。在变色初期、变色末期，色彩数量在纯林与混交林间差异不显著（P<0.05）;在变色盛期，色彩数量在纯林与混交林存在显著差异（P<0.05）。整体看，米亚罗彩叶景观林的色彩数量呈现先增加后减少的趋势，在10月中旬（变色盛期）达到最大值。

2.3 最佳观赏期的确定

同一林型不同时期的彩色指数（CI）存在显著差异（P<0.05）（图8）。除样本二（橿子栎林）外，随着时间的推移其他景观样本的彩色指数呈现先增加后减少的趋势，在10月中旬达到最大值，范围为26.24%～61.81%;10月下旬的彩色指数较10月上旬有明显下降，但仍具有较大彩色指数，其范围为14.28%～52.03%;11月上旬至次年9月下旬，彩色指数较小且保持稳定。综上，米亚罗彩叶景观林的最佳观赏期为10月中旬，且观赏期前后持续20 d。

2.4 彩叶景观林秋季变色期色彩差异性比较

2.4.1 色彩组成的差异性

选择变色初期Ⅰ、变色盛期Ⅱ、变色末期Ⅲ 3个时段的彩叶景观林作为研究对象，方差分析其变色过程中色彩组成的差异。结果（表1）表明，除S1和S2外，其余指标在3个变色阶段均存在显著差异（P<0.05）。

方差分析同一时期不同林型（纯林和混交林）色彩组成的差异，结果（表1）表明：变色初期，仅S0和S3在纯林和混交林间存在显著差异（P<0.05）;变色盛期，仅NC、H0和S2在纯林和混交林间存在显著差异;变色末期，所有指数在纯林和混交林间差异均不显著（P<0.05）。

2.4.2 色彩空间格局的差异性

根据斑块分类分析结果，秋季3个时期（变色初期Ⅰ、变色盛期Ⅱ、变色末期Ⅲ）色彩的空间布局具有明显变化。通过方差分析3个时期色彩空间格局指数间的差异，结果（表1）表明，NP、LPI、LSI、CONTAG、DIVISION、SHDI、SIEI和AI在3个时期均具有显著差异（P<0.05）。

方差分析同一时期不同林型色彩空间格局指数间的差异，结果（表1）表明：在变色初期，所有指数在纯林与混交林间差异不显著;在变色盛期和变色末期，LPI、CONTAG、DIVISION、SHDI和SIEI在纯林与混交林间存在显著差异（P<0.05）。

3 结论

米亚罗彩叶景观林的色彩季相变化明显，春夏季为绿叶期，秋季为彩叶期，彩叶期从10月上旬开始至11月上旬结束;在整个彩叶期，游客出行观赏彩叶景观林的最佳时期为10月中旬。除秋季变色期外，在年内其他时间未见其他典型的彩叶景观，景观打造者应考虑弥补其他时段色彩单一的现状，利用景观色彩属性变化规律提升区域色彩设计效果与质量，使米亚罗彩叶景观形成丰富的季相变化，创造出具有层次、富于变化的景观林。

4 讨论

4.1 无人机拍摄的优缺点

无人机影像作为景观样本已经被大量运用于各研究领域[14-15]。本文的研究对象为彩叶景观林的叶色，使用传统相机拍摄时会使近景占比增大，从而影响整体景观中色彩特征指数的准确度。本研究采用无人机高空摄影采集彩叶景观林图像，不仅可以获取大面积的景观，也能避免近景的干扰，同时还保证了样本间的可比较性。但无人机拍摄极易受到能见度、光照强度等天气因素的影响，拍摄条件难控制且难统一。

4.2 色彩特征变化

本研究通过ArcGIS重分类划分色彩斑块，不仅能减少斑块分类的工作量，也能提高色彩特征指数计算的精度。米亚罗彩叶景观林春夏两季的色彩主要集中在绿色系，虽归属于绿色系，但由于饱和度和明度的不同，使其涵盖了绿色中的深绿、中绿、浅绿，不显单调泛味。该区植物色彩饱和度和明度处于中间等级，使其不至于过暗而呈现出压抑沉闷的色彩。时间进入秋季后，随着气候因素的变化，米亚罗风景区景观林逐渐形成红橙黄等五彩斑斓的彩叶景观，视觉景观中红、橙、黄3色与绿色形成鲜明的对比，具有强烈的视觉效应[16-17]。米亚罗彩叶景观林的绿色在变色过程中会出现增加、不变、下降3种变化：增加可能是由于落叶树种的落叶使低矮的常绿树种暴露出来;不变是由于落叶物种已经全部变色完成，后期不再进一步变色;下降是由于一些变色较晚的树种陆续变色。在变色初期无论是纯林还是混交林色彩均呈绿色系，色彩空间格局尚未形成，随着一些落叶树种的叶色逐渐变红变黄，色彩空间格局逐渐体现出来，纯林和混交林间色彩空间格局的差异也变得明显。

4.3 最佳观赏期

色相在色环上距离的远近决定着色相对比的强弱，色相间距离越长，对比效果越强烈醒目[18]。在10月中旬，米亚罗风景区景观林色相间的距离最长。景观异质性是决定景观观赏价值的重要因素，且二者間呈显著正相关关系[19]。与其他时段相比，变色盛期的景观异质性程度最大，说明从变色初期到变色盛期，再到变色末期，彩叶景观林的观赏价值呈现低—高—低的变化趋势，变色盛期（10旬中旬）为最佳观赏期。也有研究表明[16]，当景观林中彩色占比达整个彩叶林外貌画面比例的1/3～2/3时为彩叶景观林的最佳观赏期。本研究中，变色盛期彩色指数达到最大值（26.24 %～61.81 %），说明变色盛期景观林的观赏价值最高。综上，建议游客在10月中下旬出行欣赏最具观赏价值的秋季景观，此时米亚罗风景区景观林的整体感染力最强，游人在观赏的过程中可感受到最大程度的视觉冲击。

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