基于GIS光照因子分析的园林植物选择和配置以浙江省桐乡市某小区为例

魏合义 黄正东 杨和平

基于GIS光照因子分析的园林植物选择和配置以浙江省桐乡市某小区为例

魏合义 黄正东 杨和平

光照是园林植物正常生长、发育、繁殖及群落稳定的重要生态因子。基于地理信息系统（GIS）空间分析功能对光照条件进行精确模拟和量化分析，结合园林植物对光照的需求标准，探讨园林植物的精细配置方法。以浙江省桐乡市金盛花园小区为案例进行定量研究。结果表明数字模拟方法可提高园林植物的选用和配置水平。

园林植物；种植设计；光照因子；GIS；

修回日期：2015-03-20

1 前言

光照是一切绿色植物进行光合作用所必须的生态因子。具体讲，光照的作用主要表现为影响植物的正常生长、发育、繁殖以及其群落的稳定性［1-2］。通常情况下，不同区域在选用植物进行景观营造、生态或物种保护时，常会根据当地的生态条件尽可能满足植物所必需的的生态因子或生态位（Ecological Niche）［3-4］，这也是城市植物选择和应用中适地适树的基本原则［5-6］。现代城市发展研究或实践中，在“优先满足城市功能”这一思想导向下，植物生命过程中所必需的生态因子均受到不同程度的影响。除了环境温度和土壤条件外［7-8］，太阳辐射也有较大改变［9-10］。

在城市区域，建筑类型、建筑高度和布局是造成太阳辐射发生变化的主要因素，相关研究较多关注城市的“污染”、“通风”或“热”问题［11-15］。然而，相关研究较少探讨城市植物的选择和配置应如何响应光照条件的变化。造成这一现象的主要原因是城市设计进程中，一般将建筑、道路、公共设施等硬质景观作为设计的主体，园林植物常作为这些城市要素的点缀。近些年来，城镇化的推进使一些城市问题愈发突出，如：城市热岛、大气污染、能源消耗、城市噪音和城市雨洪等，而园林植物在缓解这些问题时所体现的生态价值也开始受到重视［16-18］。为使园林植物发挥最佳的生态功能和美化作用，风景园林师应更多关注如何在城市环境中，促使各类植物的成活和健康生长。

北美地区，在确定适合城市植物的种类和配置方式时，常采用对种植场地评价的方法［19］，包括地上的光照、风、空间，地下的管网、土壤pH和透气性等。现代居住小区中，由于完善的植被养护措施，使一些环境胁迫因子在一定程度上得到了极大的改善，如：水肥管理、病虫害防治和土壤改良。但是，居住区中高层建筑的增多使光照成为限制植物选择和配置的重要胁迫因素，而且这一生态因子也很难通过人为方式得以改善。目前的问题是，如何在有限的光照条件下，更加科学、合理的选择植物种类和优化植物配置。

在我国，早期已有学者探讨建筑对光照的影响，将研究结果用于指导园林植物的选择和配置［20］。限于当时数字技术及计算能力的落后，对光照条件的分析还仅限于光照时数，其方法在定量应用层面上也受到一定的限制。在现今的科学研究中，计算机运算能力的提高和相关数字软件的开发，极大的满足了对光照模拟、分析、评价的需要。数字软件中，CAD和Sketch-up系列软件，可以模拟不同树木布局对建筑采光和通风的影响［21-22］；光照和长波环境辐射模型（SOLWEIG），可用于模拟城市环境中的阴影格局、光照时数和平均辐射温度［23-24］；GIS软件对太阳辐射的模拟也具有较好的表现［25-26］。综合分析，GIS不仅可以用于各种尺度场地的光照模拟和分析，还可以用于植物数据管理和数据库建设，在数字模拟软件中具有较突出的优势。

根据目前的研究现状，本研究提出利用GIS技术模拟光照环境，结合常用园林植物的生态习性建立植物数据库，根据不同的光照条件，科学合理的检索植物种类和群落组合。该技术体系可为园林绿地的植物选择和配置提供基础支持。

2 材料与方法

2.1 研究地概况

金盛花园小区位于浙江省桐乡市迎凤新村东侧，北港河南侧，迎凤路北侧，东邻商业步行街。小区总占地50亩（33 350m2），配套会所、物管、商业用房及其它相关设施，总建筑面积约5万m2，规划住宅371户。主题建筑共17栋：建筑高度最低为2层，最高为11层。居住小区植物选用和配置应适应当地气候条件，反映地域文化，并保证植物群落的稳定性。

桐乡市位于浙江省北部杭嘉湖平原，地理位置为北纬30°28′至30°47′，东经120°17′至120°39′。该区域属于典型的亚热带季风气候。温暖湿润，四季分明，雨水丰沛，光照充足。

2.2 研究工具及参数设置

本研究主要利用ArcGIS软件，采用由Fu和Rich开发并形成的Solar Analyst分析模块［25］。在ArcGIS9.2及之后的版本中，Solar Analyst模块将集成在空间分析工具中［27］。本方法在应用过程中，需要对一些相关参数进行设置，若设置不当会导致模拟结果失真，或使计算机运行时间过长。综合考虑本研究的目的、场地概况、计算机性能、模拟时间和模拟精度，经过测试将本研究的参数设置如下（表1）。

2.3 数据处理和分析

本研究主要使用的数据有建筑数据、路网数据和植物数据。建筑数据和路网数据为居住小区前期规划成果。植物数据是根据已有研究成果，将常用的园林植物按照光照需求差异，建立植物数据库。

首先，将建筑数据和路网数据添加至ArcGIS，一般在CAD软件环境中编辑的数据是缺少相应属性的。因此，可以通过查看数据属性窗口将这些数据赋予单位、参考比例和地理坐标等属性，以便于在GIS中应用。其次，设定模拟边界。将潜在的植物种植区域作为模拟边界，模拟高度设置为地面（值为0）。再次，将设置完成的数据通过数据格式转换功能，由矢量数据转换为栅格数据。在设置象元大小时，应平衡计算机运行时间和模拟精度。最后，将研究区域常用的园林植物根据光照生态习性，按照乔木、灌木和地被等类别统计至表。再将完成的植物数据转换为GIS能够支持的数据库，以供光照模拟结果的检索。

2.4 光照综合评价模型

光照时数和光照强度是光照条件的综合反映。对光照条件的综合评价，可以使用以下模型：

〖Sun〗_con=〖w_1*Sun〗_t+〖w_2*Sun〗_i

公式中：〖Sun〗_con为光照综合条件；〖Sun〗_t为光照时数等级；〖Sun〗_i为光照强度等级；w_1和w_2为各加权项的权重。

研究中，采用层次分析方法（AHP）结合专家打分赋值［28］，根据计算将光照时数的权重设为0.4，将光照强度的权重设为0.6。在ArcGIS空间分析中，对光照时数和光照强度等级图进行叠加分析处理，生成光照条件综合评价适宜图。将综合评价值从高到低划分5个等级，植物种类适宜性上，分别可选择强阳性植物、阳性植物、中性植物、耐阴植物和喜阴植物。

3 结果与分析

3.1 光照条件分析

3.1.1 四个日时的光照面积比分析

不同时间的光照强度是有差异的。同一天内，光照强度随太阳方位角的增大而增强。模拟2014年春分、夏至、秋分和冬至的日期分别设定为3月21、6月21、9月23和12月 22日。根据设定的相应参数（表1），对研究区域在4个特殊日时的光照时数和光照强度进行分析和对比（图1-2）。

光照时数的对比结果显示：研究区域中不同等级光照时数的面积比例在春分和秋分时分布较均匀，光照时数在4-6小时和6-8小时的面积比例相当。而在春分、秋分和冬至时，区域中大于8小时的面积比例接近一致。夏至和冬至因太阳高度角的差值达到最大，不同光照时数的面积比例变化也较大。夏至时，除了在6-8小时、大于8小时的面积比例大于冬至时外，小于2小时、2-4小时和4-6小时的面积比例均小于冬至时。由此可以说明，夏至时的光照时数整体较好，冬至时的光照时数为最差。

光照强度的对比结果显示：春分和秋分不同等级的光照强度面积比例同样较为一致，而夏至和冬至时变化较大。夏至时，不同光照强度等级中，“极强”、“较强”和“一般”的面积比例均超过春分、秋分和冬至。春分和秋分时，不同等级的光照强度面积比例也较为一致。冬至时，“极弱”光照强度的面积比例远超过春分、夏至和秋分，但在“极强”、“较强”、“一般”和“较弱”等级上均低于其他3个日时。

值得关注的是，4个日时的光照强度在“极强”等级的面积比例也较为相似。主要原因是本次分析包含了楼顶光照，而楼顶对该“极强”等级的面积比例贡献最大，除7号楼楼顶光照强度的面积比例在4个日时有变化外，其他楼顶均未变化。以上分析结果可以说明，通过该方法对光照时数和光照强度的分析，具有较强的科学性和稳定性，其分析结果可用于指导植物的选择和配置实践。

3.1.2 年平均光照时数和光照强度分布

1 不同等级光照时数的面积比例对比

2 不同等级光照强度的面积比例对比

光照时数和光照强度是影响植物生长的2个重要指标，二者既有一定的联系又是不同性质的因子。研究区域中，全年平均光照条件的分析对植物选用和配置的指导意义更大。因此，本研究将时间设置为365天，对全年的光照条件进行模拟。同时，将模拟的光照时数和光照强度按照5个等级进行划分。

研究结果显示（图3），年均光照时数“严重不足”的区域主要集中在1号楼与3号楼、3号楼与5号楼围合的区域，6号楼房北侧也是光照时数“严重不足”的区域。1号楼、2号楼因南侧未有建筑影响，光照时数“极充足”。9号楼南侧、西南侧因与7号楼间距较大且7号楼楼层较低，因此也具有较大面积的“极充足”、“充足”的年均光照时数。而10号楼、13号楼北侧具较大面积的光照时数“严重不足”区域。研究区域的西侧和东侧，因未考虑外围建筑的影响，年均光照时数“充足”的区域占了较大面积。

从光照强度的分析来看（图4），年平均光照强度为“极强”等级的区域主要分布在建筑顶部。地面上，年均光照强度为“极强”的区域则未有分布。而“较强”区域主要分布在1号楼、2号楼南侧，8号楼和11号楼东南侧，9号楼南侧及西南侧，12号楼和15号楼西侧。研究区域内，年均光照强度为“一般”等级的面积占了最高的比例。光照强度“较弱”、“极弱”的区域，与年均光照时数的“不足”、“严重不足”的分布相似，但是所占面积更大，并具有北向扩展的特点。

综合分析，当研究区域的经纬度、模拟时间和海拔高度一定时，研究区域内的光照条件仅受建筑高度、建筑间距和建筑布局的影响。通过降低楼层高度、增加楼间距、减少建筑之间的围合度可有效增加区域内的年均光照时数和光照强度；反之，光照时数和强度将会降低。由此可见，建筑物是改变光照空间分布的主要因素，在植物选用和配置时，应根据具体立地条件选择合适的植物类型。以上研究，尚未考虑乔木和灌木种植后相互之间的影响。另外，地形对光照条件的影响也较为显著，因本案例研究区域内的地面较为平坦，故将地面DEM设为均值。

3.2 桐乡市金盛花园植物选用与配置

根据本研究设置的相关参数，首先生成年均光照强度和光照时数的空间分布，利用光照条件综合评价模型，形成光照条件适宜图。最终，可结合具有光照需求习性的植物数据库，确定较适宜的植物类型和配置方案（图5和、表2）。

3.2.1 基调树种和骨干树种

基调树种和骨干树种可作为该小区的行道树或独赏树，种植方式上可采用孤植、对植、列植、丛植或群植，这些树种可反映当地气候条件、地域文化和区域特点，以乔木为主。在种类选择上不宜过多，选用3-5种为宜。

适宜类型：落叶乔木可选择银杏、枫香、栾树、鹅掌楸和三角枫；常绿乔木可选择香樟、黑松、乐昌含笑、广玉兰、杜英和桂花。

具体立地条件上（图5和、表2），对于银杏、黑松和鹅掌楸等喜充足光照的园林植物，较适合种植在综合评价为“强阳性”或“喜阳”植物种植区，这些区域可满足其对光照的需求。如种植在1号、2号建筑南侧，9号、12、和15号建筑西侧，及2号、4号和6楼东侧。通过这些乔木的列植或群植，形成较好的植物景观。也可在银杏和鹅掌楸下种植较耐半阴的夹竹桃，达到噪音防护及隔离污染的目的。9号建筑之前较大面积的“喜阳植物”种植区域，可以群植形成季相景观，也可通过孤植大树营造独赏景点。但这些区域，需注意常绿树高度及与北侧建筑的距离，避免造成冬季的过度遮阴。三角枫、香樟、杜英，以及幼苗期的乐昌含笑和广玉兰均较耐阴，在立地条件的选择上较自由，可在“中性植物”、“耐阴植物”种植区域栽植。“喜阴植物”种植区主要分布建筑北侧以及建筑围合区域，可选用红豆杉、大叶冬青、海桐或南天竹，但喜阴或耐阴植物多为常绿，同样需要控制数量，以免造成过度阴暗潮湿。

3 不同等级年均光照时数的空间分布

4 不同等级年均光照强度的空间分布

5 光照综合评价适宜图

3.2.2 植物群落

园林植物中的乔木、灌木、草本的选择和垂直结构的构建，可以发挥较高的生态价值，同时也可形成良好的艺术效果。鉴于浙江省桐乡市的气候条件，结合园林植物光照耐受特点，可在各适宜的植物种植区域构建合理的植物群落（图5和、表2）。

植物群落配置方案1、方案2、方案3和方案4中（图5和、表2），该植物群落上层乔木较喜光照直射，中层灌木喜阴湿凉爽，地被植物既能接受阳光直射（大吴风草除外），又有很好的耐阴性。在立地选择上，可在各建筑东侧、南侧或西侧种植。在光照评价图中可选择“强阳性”、“喜阳”植物种植区，上层乔木宜群植、丛植，以达到对中层灌木的遮阴效果。“中性”植物种植区具有最大的面积比例，在植物选择和群落构建上相对灵活。可选择方案5作为植物群落，但需注意群落上层桂花的光照，选择光照时数以超过6小时的立地条件为宜，否则将造成桂花开花量的下降。“耐阴”和“喜阴”植物种植区，可选择方案7和方案8，上、中、下层植物均耐阴或喜阴，可较好的适应光照时数和强度不佳的区域。种植方式上，乔木层以孤植、列植为主，灌木层以孤植、组团，地被层可大面积成片种植以形成开阔景观。

表2 植物种类选择和配置适宜性方案

综合分析，本研究的植物选用和配置方案是以光照条件分析为基础，以适宜性评价为原则的优选方案。实践中，还应结合园林小品及其它景观要素，体现风景园林师的设计思想，在保障植物正常生长的前提下，发挥最佳景观和生态功能。

4 结论和讨论

4.1 光照因子分析与植物选择

植物在城市中发挥着重要的生态、文化和美学功能，特别是近年来野生植物的选育和外来植物的引入，更加丰富了城市街道、公园、学校及居住小区的景观。为了解各类园林植物的生态习性，大量的研究实证了各种植物的生态因子需求特征［29-32］，并最终汇编成植物学著作或手册，为其适宜性选择和种植提供了基础数据。

本文依据植物对光照的这些生态需求特征，结合植物种植场地的光照条件，针对性地选择植物类型和配置方式。研究结果发现，建筑物对光照条件影响较大，造成了强阳性或喜阳植物种植区域受限。耐阴或喜阴的常绿植物具有较广的种植区域，但是这些植物的过度应用，在一定程度上，又会造成物种多样性和景观多样性的降低。同时，建筑采光也会受到一定的影响。

较早时期，有研究曾对自然植物群落中光照强度进行测定，分析不同光照强度对植物生长和开花的影响［29，31］。城市化的发展使植物的立地条件发生了改变，如高层建筑对光照条件的影响。针对这一问题，也有学者探讨建筑物对光照时数的影响，并根据不同建筑区位的光照条件，选择合适的园林植物［20］。总之，前期的研究已经开始重视植物的光照需求，并在定量分析上进行了一定的探索。

与已有的研究相比，本研究建立了具有植物光照需求属性的数据库，结合GIS技术对光照条件进行分析和评价，从而可以方便的选择植物种类和配置方式。另外，该方法在定量分析、评价和应用实践上，也更具有优势。

4.2 光照条件评价模型在植物配置中的应用

光照评价模型结合计算机软件，为不同尺度的光照模拟和应用提供了便利。基于数字软件的光照分析，常用于太阳能利用、建筑采光和土地生产潜力评估等领域。在太阳能量的分析上，GIS技术可以根据地理纬度、地形以及相关设定的参数，计算单位面积上不同时间区间积累的能量。光照时数和光照强度是光照条件的主要特征，本研究采用AHP方法结合专家赋权重，使用线性加权的光照综合评价模型。在后续的工作中，将探讨微分模型在光照模拟中的应用，针对性的解决因不同植物具有不同的生长周期，从而产生对光照需求的差异性问题。

光照条件的优劣对园林植物的选择影响较大，但是，目前还未有针对这一研究的评价模型出现。从植物对光照的生理需求角度讲，光照强度分析可以指引不同光照补偿点的植物选择和配置。而光照时数的分析则可以指引不同开花习性的植物选择和配置。因此，为了综合评价光照条件，本研究根据光照强度和光照时数的分析结果，将二者通过评价权重叠加，生成光照综合评价适宜图，用于指导园林植物的种类选择和配置。

总之，光照评价模型可结合数字软件对不同尺度、地域和高度进行模拟，并将模拟结果用于植物设计或施工设计。由于植物具有生命力，且树冠形态也相差很大，目前数字模拟方法较难模拟上层乔木对下层植物受光的影响。

4.3 光照与植物配置的关系

在园林植物应用中，植物设计师根据长期的实践经验，在植物选择和配置工作中，较好的关注了植物的生态习性。如：根据植物的适宜气候、区域、土壤、水肥条件等因素，选择较适合的植物。在建成区进行植物规划时，设计师也会根据建筑方位的差异，选择光照需求不同的植物。一般情况下，选择耐阴性较强的植物，其适应较强，植物的生长很少受到影响。而对阳性植物选择和配置时，应更多考虑种植区域的光照条件，若配置不当将造成植物的生长不良。然而，因建筑物高度、形态和布局的多样性，以及人类感知能力的限制，设计师很难定量的判断光照的优良程度。

数字模拟方法，可以准确分析植物种植区的光照分布格局。强阳性植物，根据模拟结果，种植在直射辐射较强的区域较为合适。喜光但又忌阳光直射的植物，可以配置在散射辐射较充足的区域。光照条件较差的区域，选择耐阴或喜阴植物较为合适。群落构建上，也可根据光照条件进行合理的搭配。例如：光照条件较好的区域，可供选择的植物种类较丰富，层次构建上也较为自由。光照不良区域，仅能在耐阴或喜阴植物中选取，群落构建上也受到一定限制。

对于中纬度或高纬度地区，由于太阳高度角的变化导致一年中有较大的光照时数差异。因此，对光照时数敏感的开花植物，在种植区域上也需要特别关注。长日照植物，种植在春季至夏季的光照时数超过12个小时的区域为佳，这些区域光照条件丰富，有利于植物的生长和开花。短日照植物的种植范围较广，但同样需要光照充足的种植区域，以满足光合产物的积累。不过，对光周期敏感的植物多数为草本，大部分木本植物或不以观花为主的植物则不受光照时数的影响。

在今后的研究中，将加入地形要素对光照条件的影响分析，以及不同模拟高度之间光照环境的差异。同时，结合植物数据库、光照评价模型、逻辑检索、智能算法等技术，探讨植物选择的自动匹配方法，最终形成植物选择和配置的决策支持系统。

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Landscape plant selection and configuration based on light factor analysis using GIS
A Case Study of A Residential District in Tongxiang City， Zhejiang Province， China

WEI He-yi HUANG Zheng-dong YANG He-ping

Light is a key ecological factor for plant growth， development， reproduction and plant community stability. With reference to the light requirement standard of landscape plants， the paper explores fine landscape plant arrangement method through sunshine simulation and quantitative analysis in geography information system （GIS）. A case study has been carried out in a residential area in Tongxiang city， Zhejiang province. Results show that GIS-based sunshine simulation method can improve landscape plant selection and configuration.

Landscape Plants； Planting design； Light Factor； GIS；

TU986

A

1673-1530（2015）06-0060-07

10.14085/j.fjyl.2015.06.0060.07

2014-09-21

魏合义/1982年生/男/河南人/武汉大学城市设计学院博士生/研究方向：数字景观规划（武汉 430072）

黄正东/1968年生/男/湖北人/武汉大学城市设计学院教授/博士生导师（武汉 430072）

杨和平/1983年生/男/湖北人/深圳市北林苑景观及建筑规划设计院规划师/研究方向：城乡规划与景观生态（深圳518045）