一种基于环境效应场模型的城市绿地形态格局优化方法

摘要

本发明公开了一种基于环境效应场模型的城市绿地形态格局优化方法，首先确定环境效应的表征指数；接着通过现场调研绘制绿地及周边情况矢量图纸，然后以格栅法确定绿地周边环境效应的观测点，并确定各观测点的坐标，在现场同时测量各观测点的各表征指数的具体数据；接着根据观测数据计算各观测点的环境效应指数，并构建环境效应场模型；最后根据获得模型，调整绿地的形态格局，优化提升绿地周边环境效应。本发明充分考虑绿地带来的环境效应变化，能使城市绿地发挥更大的环境调节作用。本发明构筑了较为简捷直观的模型，数据较易获得，也较为准确，客观性较强，并能直接用于指导城市绿地形态格局的优化调整。

说明书

技术领域

本发明属于城市规划技术领域，涉及一种基于环境效应场模型的城市绿地形态格局 优化方法。

背景技术

背景技术主要涉及2个方面内容，分别为环境效应技术和绿地形态格局设计技术。

这里的环境效应指的是绿地带来的环境的变化，就城市这一特定地域而言，绿地的 环境效应主要体现在调节温度、湿度、风速、噪音等几个方面。对于环境效应的研究主 要采用以下几个方法：

1.人体舒适度指数分析法

人体所感受到外界环境的舒适度主要由环境中的温度、湿度、噪声和风速决定。其 中温度、湿度在特定时空中是较为稳定，便于测量；噪音强度次之，风速最难测定，但 噪音随机性较大，测量意义不大，因此人体舒适度指数主要考虑温度、湿度及风速的影 响，计算公式如下：

S＝0.6(|Ta-24|)+0.07(|RH-70|)+0.5(|V-2|)

式中，S为综合舒适度指标，Ta为空气温度(℃)，RH为空气相对湿度(％)，V为风 速(m/s)。当:S≤4.55为舒适；4.55<S≤6.95为较舒适；6.95<S≤9.00为不 舒适；S>9.00为极不舒适，难以忍受。

在实际的观测中发现，风速受观测高度、周围人车的移动等影响较大，数据随机性 较大，难以作为一个评价标准，且人体舒适度为感性指标，受生活习惯、成长环境等因 素影响较大，对其的界定难以形成统一标准。

2.绿量分析法

基于植物蒸腾理论，通过计算绿色生长量估测不同结构绿地内的小气候效应。该方 法认为绿色植物的环境效益不仅取决于绿化的面积和植物的覆盖面积，而且取决于绿化 的结构形式，植物的覆盖层次和配置的类型，如乔木、灌木、地被、草皮等多层次的结 构，其生态功能和供游憩与观赏的功能高于结构单一的树林或草地。三维量促进城市绿 色量指标的进一步完善，有利于分析和衡量城市绿化的环境效益和经济价值，有利于改 善城市绿化结构，提高环境质量。但绿量分析仅限于植被本身的观测，所的结果为基于 既有绿量的理论推导结果，没有考虑实际的环境影响。

3.CO₂吸收率分析法

该方法认为大气中CO₂的浓度是直接影响空气温度及湿度的关键要素，也是植物光 合作用的主要吸收物质，植物通过吸收空气中的CO₂来达到调节温度及湿度的作用。主 要计算公式为：

$D=1/6\underset{i=1}{\overset{6}{\Sigma }}\left(\frac{D_1-D_2}{T_1}\right)\times 100\%$

式中，D₁为远离绿地的空旷点的CO₂浓度，D₂为树木阴影中心点的CO₂浓度，T₁为远 离绿地的空旷点的温度。

在实际的使用中发现，CO₂浓度受周边道路车行量及周边活动人群密度有很大关系， 较适用于环境干扰较小的郊区等空旷地带，在城市内部使用是会存在较大偏差。

4.温湿指数法

由于噪音、风速的随机性较大，变化毫无规律，因此在测定环境效应时，以较为稳 定，且较为易于测量的温度及湿度作为主要指标。对于温湿指数的计算方法较多，比较 常用的，得到广发认可及使用的是美国国家气象局推荐的温湿指数公司：

THI＝T-(0.55-0.55RH)×(T-14.5)

式中，THI为环境效应指数，RH为相对湿度，T为温度(℃)。

这一方法测量相对稳定的环境数据，客观的反应环境的变化情况，并被诸多专家学 者广泛使用，是较为成熟的环境效应测量方法。

在此基础上，本发明的另一技术背景为绿地形态格局的优化方法。对于绿地形态格 局的研究主要体现在以下3个方面：

1.基于美学设计方法

根据地形条件及现状基础，运用景观美学的方法，通过人为的判断进行绿地、植被 的布局设计，设计的成果完全取决于设计师个人的素质，属于一种感性的设计方式，难 以评价与比较，生态效应也难以衡量与评价。

2.基于生态学的布局方法

根据当地的气候及水土条件，选择合适的植被，并根据植被间的生态共生关系，不 同的生长环境需求，及不同的生产空间需求，进行有效的布局，具有一定的科学基础， 但重点考虑的是绿地内部的生态效果，缺乏绿地对周边环境效应的影响评价，而绿地的 环境效应是否符合周边的实际情况，也难以评价。

3.基于行为的布局方法

根据人在绿地内活动的一般规律及活动需求，安排不同的活动空间及活动线路，并 根据活动方式的不同，配置不同的植被，以达到分隔不同活动，塑造灵活多变的活动空 间，提供良好的活动观赏景观的目的。这一方法几乎不考虑绿地的生态效应，忽视了绿 地对周边环境的影响。

在现有技术中采用的绿地形态格局的优化方法，主观性强，不能直观的获得优化的 绿地形态格局。

发明内容

发明目的：本发明为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种以客观的理性 数据为基础，较为简化的评价及提升方式，且数据较易获得，精确度高，有效提升城市 绿地的环境效应的基于环境效应场模型的城市绿地形态格局优化方法。

技术方案：为了达到上述发明目的，本发明提供了一种基于环境效应场模型的城市 绿地形态格局优化方法，包括以下步骤：

步骤1：设定环境效应的表征指数为温度和湿度；

步骤2：通过现场调研、测绘，利用AUTOCAD软件绘制绿地边界、绿地内植被情况 及绿地周边城市建设情况矢量图纸；

步骤3：以矢量图为基础，利用矢量编辑软件，采用格栅法确定绿地环境效应的观 测点；

步骤4：测量各观测点的环境效应的表征指数的具体数据；

步骤5：根据环境效应计算公式THI＝T-(0.55-0.55RH)×(T-14.5)，结合步骤4中 测量的具体数据计算各观测点的环境效应指数；式中，THI为环境效应指数，RH为观测 点的相对湿度，T为光测点的温度；

步骤6：以环境效应指数为基础，构建绿地环境效应场模型；其中，绿地环境效应 场模型是将绿地周边相同环境效应指数的点依次相连，形成以绿地为中心的，反应周边 环境效应场变化情况的模型；

步骤7：根据构建的绿地环境效应场模型，调整绿地边界形态及植被配置情况。

进一步，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1：通过全站仪进行现场测绘，获取绿地及周边道路、建筑、构筑物的坐标 点及各类尺寸数据；

步骤2.2：利用GPS定位仪器，现场标注绿地内植被现状情况及坐标，；

步骤2.3：通过AUTOCAD将步骤2.1和步骤2.2中获取的测绘数据绘制为矢量图纸， 图中坐标与实际坐标保持一致。获取绿地及周边情况的详细矢量图纸，可以较为准确的 获取绿地环境效应的实际影响区域，便于观测实际的温度湿度数据，也能较为明确的得 到绿地形态格局的可调整范围，便于后期的绿地形态格局的调整。

进一步，所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1：利用AUTOCAD的OFFSET命令，根据绿地周边的实际情况，将绿地边界向 外扩展50-100m形成一个新的边界，所述新的边界与绿地边界之间形成绿地环境效应的 观测范围；一般城市中的绿地基本都被城市建设所包围，绿地环境效应影响范围受建筑 阻碍较大，特别是连续的建筑界面，一般城市内绿地到周边建筑的距离不大，可根据实 际情况选择观测的边界范围，同时城市内环境影响因素较多，绿地的影响范围一般不会 超过100米，所以将绿地边界向外扩展50-100m形成绿地环境效应的观测范围最为合适。

步骤3.2：利用AUTOCAD的PLINE命令，在观测范围内绘制正交的栅格网络，形成 间距为10-20米的方格网络，栅格网络的每一个交汇点即为一个观测点，如遇建筑物、 构筑物等阻挡，则该观测点取消；可以根据绿地及观测范围的大小确定栅格网络间距， 一般以10-20米为宜，如果栅格网络间距过小，则观测的数据变化不大；如果栅格网络 间距过大，则难以反映数据变化情况。

步骤3.3：利用AUTOCAD的PROPERTIES命令，获取每一个观测点的坐标。

进一步，所述步骤4包括以下步骤：

步骤4.1：选择风速≤0.5m/s的白天，在9:00-17:00之间进行实测；

步骤4.2：设定空气温度、空气湿度观测高度为1.5m；因为人类大部分户外活动 是在离地2m的范围内进行，而地面温度又受地面铺装材质等影响较大，所以选择1.5m 作为温度、湿度的观测高度最为适宜。

步骤4.3：采用Thermo Recorder TR-72U型数显温湿度测量仪，测定空气温度与湿 度，并记录相关数据。

步骤4.4：数据每1小时观测记录一次，并输入EXCEL软件，制作成数据表格。

进一步，所述步骤5包括以下步骤：

步骤5.1：计算获得得各观测点一天的平均温度及湿度数据；

步骤5.2：将得到的平均温度及湿度数据输入环境效应计算公式，求得各观测点的 环境效应指数。

进一步，所述步骤6包括以下步骤：

步骤6.1：将求得的环境效应指数输入AUTOCAD软件，作为各观测点的纵向坐标；

步骤6.2：将指数相同的观测点依次相连，形成环境效应场模型。

工作原理：本发明首先确定环境效应的表征指数；接着通过现场调研绘制绿地及周 边情况矢量图纸，然后以格栅法确定绿地周边环境效应的观测点，并确定各观测点的坐 标，在现场同时测量各观测点的各表征指数的具体数据；接着根据观测数据计算各观测 点的环境效应指数，并构建环境效应场模型；最后根据获得模型，调整绿地的形态格局， 优化提升绿地周边环境效应。

有益效果：与现有技术相比，本发明提供的一种基于环境效应场模型的城市绿地形 态格局优化方法，提出了有效的针对城市绿地形态格局的量化评价及调整方法，提升了 传统的以美学等感性方法为主的绿地设计方法，并充分考虑绿地带来的环境效应变化， 能使城市绿地发挥更大的环境调节作用。本发明构筑了较为简捷直观的模型，数据较易 获得，也较为准确，客观性较强，并能直接用于指导城市绿地形态格局的优化调整。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程图；

图2为本发明实施例石家庄中心区某绿地及观测点分布图；

图3为本发明实施例环境效应场模型图；

图4为本发明实施例调整后绿地植被配置图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

以下将结合石家庄中心区某绿地和附图来详细地说明本发明的技术方案。

如图1所示，基于环境效应场模型的城市绿地形态格局优化方法具体方法如下：

步骤1：确定环境效应的表征指数；其中，包括温度和湿度。绿地的环境效应主要 体现在调节温度、湿度、噪音及风速等几个方面。而在具体的实践中发现，噪音受周边 环境变化影响较大，难以寻找其中的规律性变化，数据变化较为随机，难以作为一个科 学评价的标准；风速数据也存在类似的问题，且随着测量高度的不同也会发生风速的变 化，数据变化随机、无序，也难以作为一个科学的评价标准；温度与湿度数据则较为稳 定，变化具有一定的规律性，被普遍用来作为观测环境效应变化的数据，因此本实施例 中选择温度与湿度数据来体现绿地的环境效应。

步骤2：通过现场调研、测绘，利用AUTOCAD软件绘制绿地边界、绿地内植被情况 及绿地周边城市建设情况矢量图纸。获取绿地及周边情况的详细矢量图纸，可以较为准 确的获取绿地环境效应的实际影响区域，便于观测实际的温度湿度数据，也能较为明确 的得到绿地形态格局的可调整范围，便于后期的绿地形态格局的调整。具体获取过程为：

步骤2.1：通过专业测绘仪器全站仪进行现场测绘，获取绿地及周边道路、建筑、 构筑物等坐标点及各类尺寸数据，其中各类尺寸数据包括道路宽度、走向，建筑面宽、 进深，构筑物的位置、大小等数据；

步骤2.2：利用GPS定位仪器，现场标注绿地内植被现状情况及坐标，其中绿地内 植被现状情况包括各类地被植物的种植范围，乔木的树干位置、高度及树冠覆盖范围， 灌木的种植宽度、高度及范围等情况。本实施例中绿地为完全的草地，没有乔木、灌木 的种植。

步骤2.3：通过矢量绘图软件AUTOCAD将测绘数据绘制为矢量图纸，图中坐标与实 际坐标保持一致。

步骤3：以矢量图为基础，利用矢量编辑软件，如图2所示，采用格栅法确定绿地 环境效应的观测点。具体过程如下：

步骤3.1：根据绿地周边的城市建设情况，利用矢量编辑软件AUTOCAD的OFFSET 命令，将绿地边界向外扩展100m，形成一个新的边界，这一边界与绿地边界之间的范围 即是绿地环境效应的观测范围；

步骤3.2：根据观测范围的实际大小及范围内城市建设情况，利用矢量编辑软件 AUTOCAD的PLINE命令，在观测范围内绘制正交的栅格网络，形成间距为20米的方格网 络，栅格网络的每一个交汇点即为一个观测点，如遇建筑物、构筑物等阻挡，则该观测 点取消；

步骤3.3：利用矢量编辑软件AUTOCAD的PROPERTIES命令，获取每一个观测点的坐 标。

步骤4：现场同时测量各观测点的环境效应指标。只有保证测量数据的同步性，才 能保证数据之间的可比较性，及科学性，准确判断各观测点之间的环境效应变化情况。 具体过程如下：

步骤4.1：选择对市民工作影响最大的白天进行观测，且应排除气象条件的干扰， 因此选择晴朗、静风(风速≤0.5m/s)的白天(9:00-17:00)进行实测；

步骤4.2：鉴于人类大部分户外活动是在离地2m的范围内进行，而地面温度又受地 面铺装材质等影响较大，选择1.5m作为温度、湿度的观测高度；

步骤4.3：采用Thermo Recorder TR-72U型数显温湿度测量仪，测定空气温度与湿 度，并记录相关数据。

步骤4.4：数据每1小时观测记录一次，并输入EXCEL软件，制作成数据表格。

步骤5：根据环境效应计算公式THI＝T-(0.55-0.55RH)×(T-14.5)，结合步骤4中 测量的具体数据计算各观测点的环境效应指数；式中，THI为环境效应指数，RH为观测 点的相对湿度，T为观测点的温度；其具体方法为：

步骤5.1：利用EXCEL软件的公式，求得各观测点一天的平均温度及湿度数据；

步骤5.2：将得到的平均温度及湿度数据输入环境效应计算公式，求得各观测点的 环境效应指数。

步骤6：如图3所示，以环境效应指数为基础，构建绿地环境效应场模型。在各观 测点环境效应指数的基础上，构筑模型，能够更为清晰的反映出绿地周边的环境效应变 化情况。具体过程如下：

步骤6.1：将求得的环境效应指数输入AUTOCAD软件，作为各观测点的纵向坐标；

步骤6.2：将指数相同的观测点依次相连，形成环境效应场模型。

步骤7：根据构建的绿地环境效应场模型，调整绿地边界形态及植被配置情况，以 提高绿地周边环境效应，其中调整绿地边界形态及植被配置情况主要是增加或减少绿地 面积，调整乔木、灌木、地被等的种植位置及搭配组合方式。在本实施例中，从绿地的 环境效应场模型来看，绿地周边空旷地带环境效应变化较为平稳；而距离道路等级较高、 有建筑影响的一侧，环境效应变化较快，因此应主要强化这一侧的环境效应。由于这一 绿地四周被城市道路所环绕，边界难以向外拓展，应考虑通过增加植被的方式来增加环 境效应。如图4所示，考虑到绿地的实际情况，应通过在绿地西侧及南侧边界种植乔木 的方式优化提升绿地周边的环境效应，这样既能保证绿地的可进入性，又能增加绿地的 环境效应，提升西侧及南侧环境品质。