基于水体颜色的景观定量评价方法

张美艳 蒲迅赤 常 欣 张菁菁

（四川大学水利水电学院 四川成都 610065）

1 研究背景

水体景观质量是环境质量中至关重要的一个部分[1]。在环境影响评价过程中，特别是当工程涉及到一些环境敏感区域，水体景观质量评价就成为环境影响评价中不可忽略的一个部分[2]。水体景观颜色变化又是水体景观质量变化的重要体现，对变化程度进行评价，若同一处水色由淡蓝色变为红褐色，则通常认为其变化显著；由浅绿变为深绿，则通常认为变化较小。但以上表述仅为肉眼定性结论，目前尚没有针对水体表观颜色变化的定量评价方法。

水的表观颜色是表征水体环境的重要因素，它与水体中的化学成分、物理性质等都有密切的关系[3]，而对于水体表观颜色尚无国标测量方法。故余娅丽等[4]提出了根据水体的反射光谱定量描述水体表观颜色的“光谱模型法”，该方法根据水体对可见光的反射、吸收和散射的光学特性，利用水体对自然光的反射光谱，建立了水体色刺激函数的计算方法，并在此基础上，建立了基于CIE色品图[5]的水体表观颜色光谱模型，可利用水体的反射光谱计算得不同色系不同深度水体表观颜色的CIE色品坐标。

本文在确定水体表观颜色的反射光谱模型法的基础上，根据水体表观颜色的色品坐标的变化，讨论建立适用于不同水体表观颜色变化的定量评价方法，为水体景观评价提供参考，提高其评价结果的严谨性与全面性。

2 水体表观颜色变化评价方法的建立

结合表观模型法和CIE色品图，建立水体颜色变化评价方法。整个体系包括五部分：计算水体颜色色品坐标、建立新的色品坐标系、色品图分区、确立评价指标和确立评价标准。

2.1 通过水体光谱模型法[4]计算水体表观颜色色品坐标[5]

根据辐射度学基本理论以及水体的光学特性，确定进入到人眼的光辐射的光谱组成，称为色刺激函数φ(λ)。在此基础上，采用CIE色度计算方法计算得到水体表观颜色色品坐标（x,y）。该光谱模型由方程(1)、方程(2)、方程(3)三组方程构成:

t1为光辐射由空气入射水体的透射率，t2为水中到空气中的双向辐射透过率，水面接近于正常的平面,典型的t1可取0.96，t2可取0.98；a(λ)为水体的光谱吸收系数，bb(λ)为光谱后向散射系数，均可通过查询经验值或进行相应的基理实验得到；Δh为垂向分层每层深度；i为层数;Фs(λ)为空气中入射水体的光谱辐射功率，计算中光源采用国际照明委员会（CIE）推荐采用的模拟日光时相的标准光源 D65P(λ)；x(λ)、y(λ)、z(λ)是 1931CIE 色度系统的光谱三刺激值，均可查询CIE标准色度观察者光谱三刺激值表得到；k为调整系

2.2 建立新的色品图坐标系

色品图是以不同的色品坐标（x,y）表示所有物理上可实现颜色的平面图[5]，本文所用为CIE1931标准色品图，其中心点O代表等能白光点，其色品坐标为x=0.3333，y=0.3333，见图2.2.1。为方便描述颜色变化程度，在上述色品图基础上重新建立极坐标系,以等能白光点O（0.3333，0.3333）为中心基点，正向x轴为极轴，逆时针方向为正向，色品图上任一点 A（x,y）极坐标表示为 0A（θ，r），θ 为正向极轴逆时针旋转至OA旋转角度，r为0A长度，见图2.2。根据数学方法将色品坐标（x,y）转化为极坐标（θ，r），见下式：

2.3 色品图分区

色品图上颜色变化不均匀[5]，为便于评价，将色品图分为红色系区域、绿色系区域、蓝色系区域和红绿渐变区、蓝绿渐变区、红蓝渐变区6个区域。分区方法为从正向x轴开始，以θ=10°为间隔，r=0.2为半径，形成36个交点。通过大量问卷调查[6][7]的方式选出颜色差异最明显的3组相邻点，其角平分线为分界线，各分界线前后各取10°构成各渐变带。具体分区结果见图2.3，表2.3。

图2.2 色品图极坐标系

图2.2 色品图极坐标系

表2.3 色品图分区结果

2.4 确定评价指标

颜色变化由两点在色品图上相对位置决定。在同一色系区域内，任意两点 A(θ1，r1)、B（θ2，r2）的颜色变化大小与 Δθ=|θ1-θ2|或360°-|θ1-θ2（|0°≤Δθ≤180°）和 Δr=|r1-r2|成正比；而不同色系区域内，任意两点的颜色大小与Δθ和R=r1+r2成正比。故选择Δθ、Δr与R为水体颜色变化的评价指标。

2.5 确立评价标准

由于色品图颜色变化复杂，无法用统一定量规律进行描述，故在色品图分区的基础上以问卷调查和数理统计[6][7]的方式确定评价标准。以白光点O为圆心分别令r=0.1、0.2、0.3……为半径在色品图区域内作同心圆，并在各区内以30°为尺度划分区域，形成交点。以问卷调查的方式确立评价标准，将调查过程分为同一区域与不同区域，评价等级分为较小、一般和显著三类，评价同一区域和不同区域内任意两点颜色差异，调查过程太过复杂此处不再赘述。整理各同色系区域与不同色系区域调查结果，确定评价标准见表2.5。

结语

对于任意两处水体，通过光谱模型法计算色品坐标，并根据公式转化为极坐标，经确定所在区域和计算评价指标后，查看评价标准表即可对该两处水体颜色差异做出评价。水体表观颜色定量评价方法的建立，突破了目前只能定性评价水体颜色变化的局限，为水体表观颜色变化的评价提供了新的研究方向和参考指标，提高了水体景观评价的准确性。

但由于实验条件有限，进行分区和问卷调查工作时不够精细，未考虑不同条件下人眼对颜色的敏感度等影响因素，且调查对象较少，故评价方法比较粗糙，可在加强实验条件下进一步细分，提高评价方法准确性；未进行实际水体评价，评价方法适用性需要进一步验证。