基于LIM分析的城市公园植物色彩配置应用研究——以杭州西湖曲院风荷为例

章晶晶，胡 广，梁木风

(浙江理工大学建筑工程学院，浙江 杭州 310018)

植物色彩是园林植物最重要的观赏特征之一，具有第一视觉特性[1]。在园林环境中，植物的叶、花、果、枝干、根等部位所呈现的各种颜色即为园林植物的色彩[2]。园林植物色彩丰富，同时具有季相动态变化，其色彩搭配的效果能够直接影响景观整体效果，是构建景观多样性的重要成分，在园林环境的规划设计中有着举足轻重的地位。然而，在植物景观营造实践中，设计师更多地侧重于植物群落的层次性、季节性、空间感和意境，对植物色彩应用的关注相对较少。

近年来，学者们从审美、生态、文化、感官体验等不同视角对植物色彩景观开展了研究，内容主要集中在色彩造景[3-5]、色彩特征分析和评价[6-9]、色彩变化[10-13]及其对人的心理影响[14-15]等方面，但针对植物景观色彩的定量化、数字化和信息化技术应用方面相对匮乏。风景园林信息模型(LIM)是建筑信息模型(BIM)在风景园林领域的拓展和延伸，在风景园林及其构成元素的量化研究、参数化设计、可视化表达、信息化管理和全周期运营等方面具有强大的优势，利用LIM开展辅助设计、效果展示、施工指导和后期管护是风景园林行业发展的趋势[16-18]。同时，借助LIM数字化和定量化的特点，也可为现有园林设计风格与特点的研究提供强大的分析工具。

曲院风荷公园位于杭州西湖西侧，占地面积14.0万m2。曲院风荷不仅是杭州西湖的十大景点之一，也是城市居民休闲游憩的综合性公园。本研究以曲院风荷公园为研究对象，对公园的植物色彩进行记录和分析，结合GIS技术构建包含植物个体色彩和个体空间定位信息的景观信息模型(LIM)，并在此基础上采用缓冲区分析、优化热点分析、PCA分析、t检验等方法探究不同色彩植物在曲院风荷公园中的季相变化、空间分布，以及在不同功能空间的色彩配置规律，为分析特定园林植物景观特征提供参考。

1 材料与方法

1.1 实地调查与色彩分类

2017—2018年，对杭州西湖曲院风荷公园内所有陆生植物个体进行了实地调查，记录乔木植物的种类、位置、冠幅、株数、高度等；灌木、草本植物的种类、位置、高度、面积等基本信息，并利用网格法对所有被调查植物的空间位置进行定位。

利用英国皇家园艺协会(RHS)植物比色卡[11]的色彩大类对各种植物进行色彩分类。基于GIS技术将曲院风荷公园的总平面图信息，以及上述所有树木个体的基本属性、色彩信息(含季相变化)和空间定位进行整合，构建曲院风荷公园景观信息LIM模型，以此来分析公园中植物色彩配置的季相变化和空间格局。

1.2 植被面划分与功能分区

植物景观往往由多种植物组合形成，为了便于对植物色彩特征开展定量化的统计分析，研究引入“植被面”这一概念，即公园中一个由连续植被覆盖，内部景观相对均质的空间单元。植被面是指公园中由水体、道路和围墙分隔的独立林地、草坪、绿化带等；同时内部没有明显隔离物，若连续植被中的植物配置和景观效果发生明显变化，也可划分为不同植被面。最终在公园中划定了262个植被面，并根据植被类型分为乔木、灌木和草本3种。植被面信息同步导入构建的色彩LIM中参与分析。

综合性公园的规划设计中一般具有较明确的功能内容要求。本研究根据GB 51192—2016《公园施工规范》对于综合性公园设计内容和公园总体布局的基本要求[19]，结合曲院风荷公园原有的景观分区及其是否与西湖主湖面相接壤，将曲院风荷分成生态园区、观赏浏览区、滨水区和休闲活动区等4个功能区，并在此基础上开展植被色彩配置规律研究。

1.3 色彩组合分析

1)乔木色彩组合分析采用邻域分析法。基于个体邻域关系，采用ArcGIS软件中的缓冲区(Buffer)工具判断公园中的乔木色彩组合。

以单个乔木个体为中心，以公园内乔木树冠直径中位数的两倍(8 m)作为缓冲区半径进行缓冲区计算，统计该缓冲区内其他邻近乔木个体色彩的类型及数量，计算该乔木个体周边的色彩组合；最后，依次计算所有乔木个体的邻域色彩组合，得到整个公园的乔木色彩组合格局。

2)乔灌草色彩组合分析采用叠层法。将乔木色彩组合点数据与具有灌木、草本色彩及数量属性的植被分类面进行叠加，分析不同色彩组合在公园内的面积、比例等空间分布差异及物种组合，从而得出公园乔灌草四季色彩配置规律。

1.4 色彩数量特征分析

以植被面为分析单元，选取乔木色彩密度和相对多度对各季节的乔木色彩数量特征进行统计、分析和比较。

由于灌草较难统计植株数量，选择了面积比和相对面积比两个指标。与乔木色彩密度和相对多度相对应，进行统计计算，同时比较不同功能区之间植物色彩在数量分布上的差异。

色彩密度=单一色彩个体数量/植被面面积；

相对色度=单一色彩个体数量/总个体数量；

面积比=单一色彩面积/植被面面积；

相对面积比=单一色彩相对面积/所有色彩相对面积之和。

利用t检验以及邓肯新复极差法对不同植物色彩的数量差异进行两两比较和显著性检验。利用SPSS 12.0进行统计分析。

1.5 色彩组成结构及空间格局分析

利用主成分分析(PCA)[20-21]对各植被面的色彩组成结构进行相似性比较，计算PCA各轴对色彩组成差异的解释能力，以及各植物色彩对组成结构的相对贡献。PCA图中的点表示每个植被面的色彩组成结构，两点距离越近，说明两个植被面的色彩组成结构越相似。

利用PCA分析，评估各功能区中植物色彩组成结构是否具有特异性和偏好性。采用Spearman秩相关分析检验色彩组成结构是否受到植被面的面积影响。

统计分析用R语言软件完成。

ArcGIS软件的优化热点分析工具用于识别具有统计显著性的高值(热点)和低值(冷点)的空间聚类[22-23]。利用该技术对植物色彩空间聚集性的分析，可识别四季的植物色彩空间分布状况以及疏密程度，探索色彩空间格局与景观效果之间的内在联系。

2 结果与分析

2.1 曲院风荷植被色彩及面积分布

曲院风荷公园内共有植物67科118属181种，其中乔木81种，灌木64种，草本26种，其他(包括藤本、水生植物)10种。采用RHS植物比色卡进行色彩归类后发现，公园内常见植物色彩主要有绿、红、粉、黄、白和紫6种，植物种与植物色彩对照见参照文献[24]。在本研究中，除绿色之外的其他色彩统称为“彩色”，表现出这些“彩色”的植物称为“彩色植物”。而“色彩”则包括了绿色和其他彩色。

分析曲院风荷公园植物色彩面积比的季相变化，结果(图1)表明，整体而言，绿色植物的应用面积在各个季节中的占比均较大，尤其是春、夏、冬3季(图1)，分别达到了87.63%、92.26%和91.86%，秋季除绿色(63.21%)外，黄色植物的面积占比也达到29.86%。除此之外的其他颜色如红、粉、白、紫等的面积在各个季节中占比都非常小，但是色彩在垂直层次细节上则表现出了一定的差异。

乔木层绿色植物在春、夏、冬季的面积占据绝对主导地位。然而秋季黄色乔木的面积占比超过绿色，达到46.75%，红色乔木面积也占8.09%。灌木层绿色植物面积占比低于乔木层，夏季和冬季分别是76.91%和76.93%，而秋季和春季占比更下降至 54.76%和42.85%。春季灌木层植被色彩中粉色占21.30%、黄色占19.53%、红色占14.50%、白色占1.82%。黄色灌木面积占比在4个季节中均较大，秋季占比30.58%，其他3季占比也接近20%。草本层中，4季均呈现出绿色草本面积占绝对优势的情况。

总体而言，曲院风荷秋季彩色植物应用面积最大，而春、夏两季色彩种类最丰富，但应用面积小，说明曲院风荷公园中春、夏两季的彩色植物多为点缀式种植，空间分布广但数量相对较少。

2.2 杭州曲院风荷公园植被色彩在不同功能空间的配置

2.2.1 色彩数量分布格局

LIM分析发现，随着季相的变化，色彩最为丰富的区域在不同功能区之间发生迁移(图2)。春季色彩种类最丰富的区域为观赏游览区，夏季为生态园区，秋季为滨水区，而冬季各功能区之间则无明显差异。其中观赏游览区及休闲活动区的色彩季相变化最为明显(图2)。春、夏季彩色植物在观赏游览区和休闲活动区的面积占比最大，在生态园区2的面积占比最小；秋季生态园区2的彩色面积占比最大，且以黄色为主；冬季各彩色在4个功能区之间的空间分布无显著差异。

对曲院风荷公园不同功能区不同色彩乔木的个体密度与相对多度进行t检验和邓肯新复极差法分析，结果表明，生态园区1中的绿色乔木四季的数量特征基本稳定，密度一般低于其他区域，而相对多度高于其他区域(图3)，其他色彩乔木的密度和相对多度则均显著低于其他区域，说明生态园区1为整个曲院风荷“最绿”的区域。同时由于该园区中配置较为高大的绿色乔木，导致单位面积上植株数量较少。而在生态园区2中，秋季黄色植物的密度及相对多度均显著高于其他区域，形成曲院风荷公园特有的秋色森林景观。其他功能区中绿色植物和其他各类彩色植物的运用在各个季节中表现出的数量差异则相对较小，秋季黄色应用较多，而春夏季则以红色、粉色应用较广。

生态园区绿色植物的应用显著多于其他功能区，这与生态园区借鉴自然植被结构，构建建群种的设计概念相一致，因此生态园区的色彩以建群种的色彩季相变化为主导，与其他区域相比，色彩构成相对单一。观赏游览区和休闲活动区的四季色彩变化最为丰富，这与观赏游览区、休闲活动区的游人聚集特性相契合，设计上要求色彩鲜明，突出空间，凸显活力和变化，因而色彩多元，季相明显。

2.2.2 植被面色彩组成相似性分析

1)乔木色彩组成结构。PCA分析的第1轴解释了色彩组合结构的一半变异(春季33.0%，夏季40.2%，秋季62.3%，冬季48.7%)，而第2轴则解释了四分之一左右的变异(春季18.3%，夏季22.6%，秋季27.0%，冬季27.0%)。第1轴的变化主要由绿色植物的比例决定，分布在右侧的点说明绿色植物在对应的植被面中占的比例较高，其他彩色植物比例较低；分布在左侧的点则说明彩色植物比例较高，其中夏季以红色为主导，秋季以黄色为主导，春季和冬季没有占优势的彩色(图4A)。第2轴的变化则主要由粉色和红色的比例决定。PCA结果同时揭示，春夏两季尽管各功能区的色彩组合特征则没有表现出区别于其他功能区的特定模式，但是生态区1和2各植被面的色彩组合更为接近，主要以绿色为主，与自然植被的色彩类似；而滨水区、观赏游览区和休闲活动区的各点分布半径较大，彼此互相交错，这类人类活动较频繁的区域有更为丰富多元的色彩配置模式(图4Aa-b)。秋季各功能区的色彩组合特征的分析结果和春、夏季色彩组合不同，各功能区没有特别的配置模式(图4Ac)。冬季的分析结果和前季存在差异，观赏游览区的色彩组合结构表现出特有的配置模式，色彩较为丰富，其他功能区的色彩组合特征则没有表现出特定模式，色彩相对单调(图4Ad)。

PCA各轴得分和植被面面积的Spearman相关分析发现，春、夏、冬季，两者存在极显著负相关(P<0.001)，面积会影响春、夏、冬季色彩组合的比例，面积越大，绿色植物比例越低，彩色植物的比例越高。而秋季色彩组合则与植被面面积无关。

2)灌草色彩组成结构。灌草色彩组成结构分析和乔木类似，仍采用主成分分析(PCA)方法，只是区别于乔木使用的多度数据，灌草使用了面积数据来进行分析，结果见图4B。

PCA分析的第1轴解释了灌草层四季色彩组合结构变异的31.0%～64.8%，第2轴解释了17.3%～31.8%。第1轴的变化主要由绿色植物的比例决定，图4B中，分布在右侧的点说明绿色植物在植被面中占的比例较高，彩色植物比例较低；分布在左侧的点则说明彩色植物比例较高，其中秋冬季以黄色为主导，春夏季则没有占优势的彩色类型。第2轴变化的主导色彩在不同季节差异较大，春季主要由白色和黄色的比例决定，夏季由紫色主导，秋冬季则以红色主导(图4B)。春秋两季中，休闲活动区的点更为分散，且大部分远离绿色端，说明在灌木层，强调游客和景观互动的休闲活动区，色彩配置更为丰富。

Spearman相关分析的结果与乔木相反，植被面面积与春、夏、冬季灌草色彩组合结构的比例无关，而秋季灌草色彩组合和植被面面积存在显著负相关(P=0.037)，植被面面积越大，秋季灌草绿色植物比例越低，彩色植物的比例越高。

2.3 曲院风荷植物色彩的时空分布格局

2.3.1 单色彩时空分布格局

曲院风荷彩色植物的空间分布具有显著的不均衡性，季相差异也较明显(图5)。其中，绿色植物在不同季相的空间分布较一致，集中分布于生态园区2与休闲活动区交界处；春夏季红色和粉色的分布空间位置分离，而秋冬季两者位置重合。春夏季红色集中分布于观赏游览区红绡翠盖亭旁的大草坪周围，粉色集中分布于休闲活动区的友好公园周围；秋季红色和粉色均集中分布于观赏游览区和休闲活动区交界处的蓼汀亭和真趣亭之间区域；冬季红色和粉色均集中分布于观赏游览区红绡翠盖亭旁的大草坪片区。黄色在春、夏、冬季无明显分布规律，秋季黄色存在明显的热点区与冷点区，主要聚集在生态园区2的水杉林片区，为曲院风荷秋季游人游玩的主要场所之一，作为行道树的银杏和无患子也增加了公园的黄色景观；而生态园区1为秋季黄色分布最少的区域。

2.3.2 乔木色彩组合时空分布格局

色彩LIM的邻域分析发现各植物个体对应的色彩组合特征与空间分布，各季节色彩组合的优化热点结果(图5)表明，曲院风荷绿+红组合在春季与冬季的空间分布位置相一致，夏季与秋季的空间分布位置相近，春冬两季均集中分布于观赏游览区红绡翠盖亭旁的大草坪周围，夏秋两季集中分布于休闲活动区的友好公园附近；绿+粉组合在春、夏、冬季均集中分布于休闲活动区的友好公园周围，秋季则无明显的分布规律；红+粉组合春夏两季的空间分布规律相一致，均集中分布于休闲活动区的友好公园附近，冬季则集中分布于观赏游览区红绡翠盖亭旁的大草坪周围，而秋季无明显的分布规律。黄色组合在秋季运用最多，在春、夏、冬季中均无明显分布规律，秋季集中分布于观赏游览区和休闲活动区交界处的水杉林附近(图5B)。

3 结论与展望

利用LIM分析以及相关的统计和空间分析，发现植物色彩的应用面积、色彩的组成结构和空间分布均会随植物季相的变化而发生改变，这种色彩的时空变化构建了曲院风荷公园四季不同的植物景观。曲院风荷公园的四季植物色彩配置具有以下具体特征：

1)公园整体色彩格局中，常见植物色彩分为绿、红、粉、黄4类。绿色为4季色彩基调，其他色彩为点缀，体现了统一与变化的原则。红、粉、黄3色应用面积最大，主要以花灌木为主，灌木层春秋两季的彩色面积占比分别为57.15%和45.24%；红色为春季乔木层应用面积最大的彩色，面积占比达4.19%，粉色为灌木层应用面积最大的彩色，面积占比达21.30%；黄色为秋季应用面积最大的彩色，面积占比达29.86%，乔木层黄色面积比甚至超过绿色，占46.75%。

2)从色彩组合应用数量来看，从大到小依次为秋季>春季>夏季>冬季。从色彩应用的种类来看，春季最丰富，多为红、粉、黄、绿4色的组合；夏、冬季常用的组合为红、粉、绿3色间的组合；秋季多为黄、红、绿3色间的组合。绿+红组合在春、冬季主要集中分布于观赏游览区的草坪周围，夏、秋季主要分布于休闲活动区的水岸；绿+粉组合均集中分布于休闲活动区；绿+黄组合主要分布于生态园区2。

3)不同功能区表现出了不同的植物色彩配置模式。生态园区中绿色植物的应用频率显著高于其他功能区，色彩季相变化相对单调。而人类活动较为频繁的功能区，其季相变化则有一定区别。以观景为主的观赏游览区，在乔木层的色彩配置较为丰富，特别是在冬季，具有最为丰富的色彩多样性。而以游客互动为主的休闲活动区，和游客活动尺度相近的灌木层的色彩种类及季相变化最为丰富。各功能区色彩的差异和季相变化主要表现在色彩的体量和空间分布上，色彩组成比例在各功能区之间则无明显差异。

4)植被面的面积会影响乔木的色彩组成比例，面积越大，绿色植物比例越低，彩色植物的比例越高；但是对于色彩更为丰富的灌草层，面积仅影响秋季的色彩组成比例。

5)本研究通过实地调查和GIS平台构建了一个较为简化的LIM模型，尽管该模型仍无法直接应用于景观设计，但是可以较好地满足特定的园林植物景观的研究和分析，快速归纳植物色彩配置规律和空间特征。这类基于植物个体，突出研究目标特征的简易LIM模型，对于不同园林要素的定量化，或者园林要素的特定属性在园林中的景观和生态效应研究，具有较好的实用价值。在统一的地理参考坐标和测量标准下，可以实现不同单位、不同研究项目的成果组合，将多个简易LIM模型构成完整的LIM模型，辅助景观规划和设计。

本研究提出了一种在公园植物参数化基础上，对园林植物色彩配置格局进行量化的LIM分析方法。在此数字化基础上，可以通过比较不同年代、地区园林的色彩配置特点，分析园林设计思潮的历史变迁和文化差异；也可以将色彩设计师主观设计思想进行客观的参数化转换，便于具体的园林工程施工和植物选择。此外，本研究区别于以园林要素或植物种为中心的LIM，而利用以个体为中心的简易LIM模型进行植物特征配置的量化研究和统计分析，扩展了LIM的科研价值和设计指导价值。

由于调查时间和方法的局限，本研究也存在一些不足：如对研究中的数据多以乔木点要素进行分析，而灌木、草本多以片植、带植的方式配置，无法形成点数据，只能通过将其颜色、数量等信息赋值于相应植被面，与乔木层点数据进行叠层分析，数据结构的不匹配对垂直层植物色彩的整体性研究具有一定的影响。

尽管在本研究中将公园植物分为乔木层和灌木层两类，在定性水平上初步探讨了植物色彩配置中的垂直差异。但是LIM模型中的植物数据重点关注对水平空间的量化，并没有对植物色彩的垂直分布进行精确量化，无法考查植物色彩的垂直分布格局和景观效果之间的关系。近年来，对城市景观空间的研究已开发出了一系列3D景观指数，在未来的研究中，可以考虑将3D景观分析引入风景园林研究中，定量分析植物色彩在园林垂直空间中的景观效应。

本研究对象为西湖曲院风荷公园的植物色彩，未来对植物色彩组合规律及空间分布规律的研究还可以从不同地域和园林类型进一步补充及验证，并从人体工学、心理学、生态学等方面对其机制进行深入探讨，或在色彩的基础上，开展对游客生理和心理影响等研究，从而得出一个具有科学依据、能得到广泛认同，并能对植物造景设计起到直接指导作用的园林植物色彩配置规律。未来还可以采用相同的方法对植物的其他要素进行研究，如植物形态间的组合规律，植物要素与其他景观要素间的组合规律，如植物与建筑、水体等要素的组合规律。