基于模糊聚类准则的低碳环保植物美景度优化设计路径——以广州市为例

王 琦

(长春电子科技学院，吉林 长春 130000)

1 引言

聚类分析是多元分析统计的一种方式，也是无监督模式的重要分支，其处理规则已在众多领域中获得了广泛的应用。基于模糊聚类准则下低碳环保植物美景度的优化分析，更符合“双碳”目标等环保理念。2021年10月，《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》中明确指出：为推进经济社会发展绿色转型，各地要处理好发展和减排整体及局部的发展关系，将碳达峰和碳中和纳入经济社会发展全局中，坚定不移地走生态优先、绿色低碳的高质量发展道路[1]。因此，在“双碳”目标的加持下，园林景观设计也应积极选用低碳环保植物，以此提高园林景观的观赏质量。而在景观设计中，如何对低碳环保植物美景度进行精准评价，并根据园林的类型不同选择适宜的植物种类，已成为园林设计者首要解决的问题之一。

2 基于模糊聚类准则下低碳环保植物美景度的优化原理

绿色植物可通过光合作用将大气中的二氧化碳转化为植物体中的有机物，整个过程被称为植物的固碳过程。在低碳环保植物的选择中，要将植物的固碳性作为评价的重要标准[2]。通过对226种园林中常见植物(包括110种乔木、85种灌木、12种藤本植物、10种地被草本植物和9种竹类)进行光合速率测定，并将其转化为单位面积的固碳量。从数据中可直观看出，乌冈栎、垂柳、糙叶树、醉鱼草、木芙蓉、乌桕等植物对二氧化碳的日吸收量较高，固碳能力较强；而另一些植物如椤木石楠、山茶、玉簪、蔓长春花等对二氧化碳的日吸收量较低，固碳能力则相对较弱。因此，在园林景观设计中，要根据园林的类型不同，选择适宜的低碳植物类型，以保证低碳环保植物在园林中落地生根，发挥净化空气的根本作用。基于低碳环保植物的固碳能力，在园林景观设计中，低碳环保植物的美景度分析则是评价园林观赏质量的重要标准。园林景观设计低碳环保植物美景度的优化过程，是通过明确低碳环保植物美景度的数据集，针对不同观赏者的观赏标准进行数据化处理，计算出低碳环保植物美景度优化因素的母集，并给出单个植物景观美景度在低碳环保植物美景度中的子集，组成园林景观设计植物美景度优化矩阵，引入不同的低碳环保植物类型和评价因素，模拟美景度的评判标准，最终得出园林景观设计中低碳环保植物美景度的具体得分。其优化原理的计算步骤如下。

在计算过程中，假设Qn代表在园林景观设计中对低碳环保植物美景度有影响的第n个因素，Wnm代表第m个观赏者对第n个景观的评价数据，Enm代表第m个观赏者对第n个景观的评价等级，Tm代表第m个观赏者所有观赏评分的平均值，美景度的评价得分[3]公式:

(1)

式(1)中，Ym代表第m个观赏者的评价者标准差，Um代表第n个低碳环保植物景观的标准化得分。假设，由p代表园林景观设计中低碳环保植物优化路径的评价矩阵。p中第n行pn所代表的是被评价的美景度第n个评价因素的评价标准，低碳环保植物美景度优化因素母集[4]公式:

(2)

式(2)中，δ(v)代表低碳环保植物美景度的多元化因素，Wq代表不同低碳环保植物美景度的评价标准，knl代表在园林设计中低碳环保植物的配置层次，μm代表不同类别低碳环保植物美景的属性特征。基于此，计算不同低碳环保植物搭配下的美景度数据，通过数据的对比，选择最优的低碳环保植物搭配方式，完成对园林景观设计中低碳环保植物美景度优化，以此提高园林景观的观赏质量。

3 基于模糊聚类准则下低碳环保植物美景度的优化路径

3.1 低碳环保植物美景度评价因子的确定

设计人员要做到对园林景观设计中低碳环保植物美景度的精准评析，首先应确定低碳环保植物美景度评价因子。其评价因子的主要类型、评价内容、评分占比见表1[5]。

表1 低碳环保植物美景度评价因子

从表1中可以看出，低碳环保植物美景度评价因子的评价共分为植物形态的判定、色彩与季节的适应、植物层次的构建、植物种类的选择、视线吸引性的对比5大类型。在优化园林景观低碳环保植物美景度的探索路径中，设计人员应客观性地评价低碳环保植物的美景度，立足与植物的生长情况，结合植物的生长特征，确保结果数据准确，切实提高园林景观的观赏质量[6]。

3.2 低碳环保植物美景度优化路径

在探究园林景观设计中低碳环保植物美景度的优化路径中，设计人员要基于模糊聚类准则，对低碳环保植物美景度因子进行聚类，比较植物美景度因子之间的相似程度，并根据模糊聚类准则推断出各类低碳环保植物美景度因子之间的轻重关系，构建美景度因子的划分目标，具体优化路径及计算过程如下所示[7]。

(1)假设，由D代表低碳环保植物美景度因子集的类型数量，利用式(3)计算出低碳环保植物美景度因子集a，b之间的相异度。公式为：

(3)

(2)假设，由S代表低碳环保植物美景度其中的因子集，利用式(4)计算出园林景观设计中美景度模式空间Z的有限数据集：

(4)

其(4)中，sl代表低碳环保植物美景度的特征矢量，slm代表低碳环保制度美景度模式矢量的第m个特征。

(3)假设，由G代表低碳环保植物美景度因子的模糊聚类矩阵，vit代表矩阵G第i行第t列的元素，利用式(5)计算出G矩阵的实际数值:

(5)

式(5)中，μ(ω)代表低碳环保植物美景度值于园林景观设计中其他要素之间的线性关系，η(F)代表影响低碳环保植物美景度美感的关键因素。

(4)假设，Mi由代表一个任意整数，利用式(6)计算低碳环保植物美景度因子模糊聚类准则函数:

(6)

式(6)中，σ(ω)代表低碳环保植物美景度量值，O(L)代表各类植物的组织结构特征，μ(M)代表各类植物种群的群落特征。

(5)假设，由X代表低碳环保植物美景度因子聚类的中心数，(x1,x2,x3,…,xn)代表模糊聚类准则的中心矩阵，prt代表第t组数据对第r个聚类中心的距离，利用式(7)计算出低碳环保植物美景度因子之间的轻重关系，构建植物分类的划分函数:

(7)

式(7)中，Rs代表拉格朗日算子，η(i)代表满足公式函数成立的最小值条件，α(t)代表模糊指数。

收集式(3)～式(7)所得出的计算数据后可以看出：在针对园林景观设计中低碳环保植物美观度的优化过程中，基于模糊聚类准则下的构建思想，更符合园林景观设计的理念初衷。设计人员通过公式计算，将低碳环保植物的美景度因子进行聚类，总结了美景度因子的计算函数，明确了低碳环保植物美景度因子之间的轻重关系，为优化提升园林景观设计中低碳环保植物的美景度提供理论基础[8]。

4 实验证明与讨论——以广州市公园为例

为证明基于模糊聚类准则下的构建思想能够有效提升园林景观设计中低碳环保植物的美景度，利用BIM技术中的3D模拟，以广州市城市公园作为搭建背景，构建园林景观设计中低碳环保植物美景度优化的仿真平台。广州市地处广东省的中南部，珠江三角洲的北缘。东连惠州市博罗、龙门两县,西邻佛山市的三水、南海和顺德区,北靠清远市市区、佛冈县及韶关市的新丰县,南接东莞市和中山市,隔海与香港、澳门特别行政区相望。广州市地处亚热带沿海，属于海洋性亚热带季风气候，以温暖多雨，光热充足，夏季时间长，霜期时间短为特征，全面的平均气温在20～22 ℃左右，是中国年平均温差最小的大城市之一，具有花城之城的美誉[9]。基于广州市地理位置和气候特点的鲜明特性，以广州市为例所总结出的实验结果更具说服力。因此，本实验所需数据资源来自于2021年广州市城市公园低碳环保植物美景度优化数据集，其实验结果数据的对比分析如下所示[10]。

4.1 不同优化路径下园林景观的美景度对比

在园林景观设计仿真平台中，分别利用模糊聚类准则法和文献[7]的操作方法，进行园林景观设计中低碳环保植物美景度的优化实验，对比2种方法下园林景观设计中低碳环保植物美景度的可靠度与不同方法评价的正确率、工作效率以及时间复杂度，对比结果见图1～图4[11]。

图1 不同方法下低碳环保植物美景度的可靠度对比

首先，从图1中可以看出，基于模糊聚类准则进行园林景观设计中低碳环保植物美景度优化的可靠度要远高于文献[7]中的设计方法[12]。因为，设计人员在利用基于模糊聚类准则的园林景观设计中低碳环保植物美景度的优化方法时，一方面，明确了模糊聚类理论思想，并对园林景观设计的美景度因子详细分类；另一方面，将各类低碳环保植物的美景度因子进行聚类，得到了模糊聚类准则函数，后通过数据展示，清晰地反应出美景度因子之间的重要性关系，使低碳环保植物的美景度样本清晰明确，从而保障了园林景观设计中低碳环保植物美景度优化的可靠度。其次，从图2～图4的数据对比图中可以看出，基于模糊聚类准则的优化方法的整体优势要远高于文献[7]中优化方法。基于模糊聚类准则的优化方法具有评价正确率高、评价效率高、时间复杂度低的显著特点。因为设计人员在利用基于模糊聚类准则的园林景观设计中低碳环保植物美景度的优化方法时，建立了低碳环保植物美景度评价观赏指标集，将观赏者的评价转化为了实际的数据分析，并获取了园林景观设计中的矩阵数据，使得设计人员在提高园林景观中低碳环保植物优越度时，就可通过随机的数据代入，得出最终的仿真结果，提高了优化路径的工作效率[13]。

图2 不同方法评价正确率对比

图3 不同方法评价工作效率对比

图4 不同方法评价时间复杂度对比

4.2 不同园林景观类型下模拟前后美景度对比

基于广州市城市公园的不同类型，选取越秀公园、火炉山森林公园、黄山鲁森林公园作为模拟试验对象，随机选择5块样地，对比基于模糊聚类准则下不同园林类型下模拟前后美景度数值，汇总数据如表2所示[14]。

从表2数据中可以看出，基于模糊聚类准则下，不同类型园林景观设计中低碳环保植物的美景度数值较模拟前有了大幅度地提升。这说明，基于模糊聚类准则的园林景观设计中低碳环保植物的优化方法适用于不同类型的园林景观，是提升城市景观美景度的全新尝试，是提高当地园林景观公园观赏质量的必要手段[15]。

表2 不同园林景观类型下的美景度对比

5 结论与讨论

在探究园林景观设计中低碳环保植物美景度的优化路径中，要严格遵循模糊聚类准则，切实提升园林景观的观赏质量。

(1)利用公式(1)、(2)可计算得出城市公园的美景度评价得分和美景度优化因素母集，通过结果数据的对比分析，选择最优的低碳环保植物搭配方式，以此提高园林景观设计中低碳环保植物美景度数值。

(2)在基于模糊聚类准则下低碳环保植物美景度的优化路径中，要确立低碳环保植物美景度评价因子，再通过假设低碳环保植物美景度因子集的类型数量、因子集、模糊聚类矩阵等方式，将低碳环保植物的美景度因子进行聚类，以此总结美景度因子的计算函数，明确低碳环保植物美景度因子间的轻重关系。

(3)通过利用BIM技术3D模拟搭建园林景观设计平台，进行对比试验。经实验结果表明：基于模糊聚类准则的园林景观设计中低碳环保植物的优化方法，能有效提高园林景观的观赏质量。并在保证园林功能的前提下，选用乔木、灌木、地被等多层次的低碳环保植物种植，可为风景园林产业发展奠定良好基础。