基于小生境遺傳算法的生態(tài)景觀格局空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　摘 要： 為了提高傳統(tǒng)建筑景觀的直觀性，提高居民的滿意度，并且實現(xiàn)綠色環(huán)保的設(shè)計，提出基于小生境遺傳算法的生態(tài)景觀格局空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化目的主要包括建筑成本、綠化帶等公共設(shè)備。對景觀格局優(yōu)化的目標(biāo)進行分析，主要包括提高生物多樣性、維持能量、物質(zhì)的流通、維持景觀格局的穩(wěn)定性、提高生活環(huán)境品質(zhì);實現(xiàn)景觀規(guī)劃的優(yōu)化，包括確定生態(tài)廊道、不同高度城市風(fēng)速模擬、不同高度城市溫度場空間擴散模擬;實現(xiàn)基于小生境遺傳算法的優(yōu)化，并且對優(yōu)化結(jié)果進行測試。測試結(jié)果表明，人們對于大部分建筑景觀評價因子都表示比較滿意，說明人們對景觀優(yōu)化之后的空間布局認(rèn)可，證明所提算法能夠優(yōu)化建筑景觀空間，提高居民滿意度。

　　關(guān)鍵詞： 小生境遺傳算法; 生態(tài)景觀; 空間結(jié)構(gòu); 結(jié)構(gòu)優(yōu)化; 景觀格局優(yōu)化; 優(yōu)化結(jié)果測試

　　《生態(tài)學(xué)雜志》(月刊)創(chuàng)刊于1982年，是由中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會主管、中國生態(tài)學(xué)學(xué)會主辦、中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所承辦的綜合性學(xué)術(shù)期刊。

　　0 引 言

　　景觀功能指的是不同單元結(jié)構(gòu)間產(chǎn)生的復(fù)雜關(guān)系，每個結(jié)構(gòu)單元均具有發(fā)生特殊情況的背景、存在價值、優(yōu)勢等。與傳統(tǒng)景觀網(wǎng)絡(luò)進行對比，景觀功能網(wǎng)絡(luò)對功能之間的相互銜接較為重視[1]。景觀功能網(wǎng)絡(luò)概念是基于景觀生態(tài)學(xué)格局進行的假設(shè)，重點是加強景觀結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，從而提高景觀功能。比如，動植物的生長與繁殖不僅要具備足夠數(shù)量生境，棲息地斑塊也需具備連續(xù)性。大部分的生態(tài)學(xué)過程都會受到斑塊距離及排列格局影響，城市內(nèi)部還要求內(nèi)部經(jīng)濟活動運行、交通網(wǎng)和密集建成區(qū)對其開展支持[2]。本文通過考慮多方面因素，對現(xiàn)代生態(tài)景觀格局空間結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

　　1 景觀格局優(yōu)化的目標(biāo)

　　景觀的形成、空間分布與類型差異和自然環(huán)境地域分布具有密切關(guān)系。相關(guān)研究表明，生態(tài)景觀空間結(jié)構(gòu)形態(tài)和城市地貌格局吻合，半自然和近自然的景觀斑塊大部分都是在山丘區(qū)分布，自然林帶類型沿江河地區(qū)分布。但是在人類活動強烈干擾中，城市森林景觀斑塊數(shù)量不斷增加，面積不斷縮小，內(nèi)部生境逐漸減少，隔離度不斷提高，降低了城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的功能，對于維護城市生物多樣性功能影響比較明顯，景觀斑塊功能越來越單一[3]。

　　基于景觀生態(tài)學(xué)的景觀格局連通度和景觀功能連續(xù)程度進行假設(shè)，對于現(xiàn)代城市所出現(xiàn)的對生態(tài)功能聯(lián)系造成影響的問題，結(jié)合生態(tài)學(xué)原理及規(guī)劃理論，利用強化生態(tài)功能空間目標(biāo)相互連接，優(yōu)化景觀格局。主要目標(biāo)就是保證景觀格局的穩(wěn)定性，使生物多樣性得到提高，維持物質(zhì)來源，實現(xiàn)能量流通，提高生活環(huán)境品質(zhì)等。同時，在空間實際優(yōu)化的過程中，要充分考慮到景觀類型作用和景觀功能的沖突范圍。景觀格局優(yōu)化的目標(biāo)、方法和指針如表1所示。

　　2 景觀規(guī)劃的優(yōu)化過程

　　通過以上分析可以看出，優(yōu)化方案和原本的景觀構(gòu)成相互對應(yīng)關(guān)系，表明優(yōu)化方案中的物品設(shè)置合理。在綠地系統(tǒng)規(guī)劃過程中，要以綠地優(yōu)化方案數(shù)值模擬分析結(jié)構(gòu)，使用相應(yīng)量化分析方法，基于不同尺度的優(yōu)化方案實現(xiàn)調(diào)整，從而構(gòu)成系統(tǒng)性的城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，將景觀的最大生態(tài)效能充分發(fā)揮出來。

　　2.1 不同高度城市風(fēng)速模擬

　　圖1，圖2為不同垂直高度中的城市風(fēng)速擴散分析結(jié)構(gòu)，在高度不斷增加的過程中，城市風(fēng)速也在不斷增加，城市最大風(fēng)速覆蓋區(qū)持續(xù)擴大，但是空間擴散范圍增加的趨勢并不明顯，城市通風(fēng)情況良好。底部風(fēng)速場為1.5 m時，城市內(nèi)部空間風(fēng)速為0～0.375 m/s，面積比率為15.87%，2.625～3 m/s風(fēng)速的面積比例為32.06%。如果建筑在被封面，那么城市風(fēng)速比較低，城市建筑物對于風(fēng)速擴散過程具有空間阻力[4]。

　　2.2 不同高度城市溫度場空間擴散模擬

　　圖3，圖4為不同垂直高度中城市溫度場擴散分析結(jié)構(gòu)，在高度不斷增加的過程中，溫度也在持續(xù)降低，在城市風(fēng)速不斷增加的過程中，擴散能力不斷提高。底部溫度場為1.5 m時，因為受到風(fēng)速影響，高溫情況能夠擴散到城市外圍，不會影響到城市。渾河、綠地和周邊綠地都能夠?qū)崿F(xiàn)城市調(diào)溫，其對城市熱島效應(yīng)緩解非常有利。在城市范圍中，最高溫度為42.75～46 ℃，面積比率為0.56%。中部溫度場為50 m時，城市最高溫度為39.5～42.75 ℃，面積比率為4.72%。在頂部溫度場為100 m時，城市溫度為39.5～42.75 ℃，面積比率為2.07%。在此方案中，雖然城市高度不斷提高，最低溫度面積比率也得到了提高，并且降低了城市整體溫度，城市熱環(huán)境的運行效果良好[5]。

　　2.3 確定生態(tài)廊道

　　在景觀結(jié)構(gòu)中，廊道屬于較為特殊的元素，具有聯(lián)系及分割的功能。廊道有無斷開是確定屏障功能及通道效果的主要因素，因此根據(jù)連通性對廊道功能強度進行測定，廊道效應(yīng)其實就是根據(jù)廊道一定范圍中具有的效益梯度場，從中心逐漸對外衰減，滿足距離衰減率需求。

　　[4] 陸禹，佘濟云，羅改改，等.基于粒度反推法和GIS空間分析的景觀格局優(yōu)化[J].生態(tài)學(xué)雜志，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] 呂東蓬.高原、山地生態(tài)學(xué)研究前瞻——“社會?生態(tài)”景觀鑲嵌體格局空間優(yōu)化和可持續(xù)性研討會：聚焦山地區(qū)域[J].大眾文藝，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，石鐵矛.基于數(shù)值模擬的城市綠地景觀格局優(yōu)化研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2017，40(11)：167?174.