植物种类及视觉面积对河岸景观的影响

张昶 王涵 王成

摘要：文章针对北京平原城市河岸森林资源景观功能与视觉质量提升的需求，结合主观美景度评价方法，重点利用客观的眼动分析方法分析景观视觉质量及其植物影响，结果表明：1）增加水生植物能够提高河岸杨柳景观的美景度，作用最好的是芦苇，其次是荷花、千屈菜;2）河岸杨柳景观美景度值从春季到冬季在季节内波动式上升，但在3月、8月、11月季节交替月份出现下降拐点，且冬季至次年春季是美景度值最低的时段;3）河岸杨柳景观有叶期（4-11月）比落叶期（12月一次年3月）视觉注视时间长，且水生植物群落比杨柳群落能够获得更多的注视（其中芦苇、荷花、千屈菜的视觉吸引力依次递减）;4）杨柳景观的观赏视线范围广泛，但注视点长时间停留在水體、杨树、柳树、水生植物群落的交界区域;5）减少杨树视觉面积比例能够提升河岸杨柳景观林的视觉质量，但存在28%的临界值，低于该值时，观测者持续注视集中点会向杨柳树群落范围外转移，杨柳群落会失去河岸景观的主体优势。

关键词：美景度，眼动分析法，水生植物，视觉面积比例，河岸杨柳景观

DOI： 10.12169/zgcsly.2019.09.16.0002

河岸带指河水与陆地交界处的两边，具有独特的空间结构和生态与景观功能[1]。目前对于河岸带植被的研究已形成较多的理论与实践成果，理论研究主要集中在河岸带群落植被的区系[2-3]、植物组成及其多样性[4-6]、植被景观格局[7-8]等方面，实践成果主要集中在河岸带植被生态系统与生境修复[9]等方面，这些研究很好地揭示了河岸带植被结构与功能的基本问题及生态重建及管理[10]的理论与技术。目前对于河岸森林景观视觉质量的研究大部分仍沿用较为主观的心理物理学派方法（包括SBE、LCJ、SD）[11]，这些评价方法能够反映出观测者主观审美的景观感知，虽也有对构成景观要素的解析[12-13]，但对于景观构成元素所起作用或对美景度产生的影响解释较弱。眼动分析法通过追踪、记录人观赏景观时客观的视觉行为，从而解释观测者对景观的感受认知，是景观研究的一种强有力工具[14-17]，并且通过兴趣区的划分与眼动数据分析，能够针对性地解释特定元素对整体视觉质量的影响。北京平原地区建设用地密度大、人口稠密、水资源与滨水游憩资源较为稀缺[18]，现阶段城市河岸以杨树与柳树为优势种的森林斑块比例较高[19]，无论从生态安全[20]还是从景观视觉质量方面都亟需改善和提升。因此，文章立足该需求，针对以杨柳为优势群落的北京平原河岸森林景观，从水生植物配置与杨柳比例调控方面人手，结合主流的景观视觉质量SBE主观评价方法，核心利用客观的眼动分析方法，通过记录和分析人的眼动数据，实现对于景观视觉质量及其植物影响的客观判定与解析，以期对城市杨柳河岸景观视觉质量的提升提供技术参考与实际操作的理论数据支撑。

1研究区概况及研究方法

基于研究目的，选择通州运河森林公园作为研究地点。通州运河森林公园是北京平原地区城市森林分布的典型区域，公园顺沿通州大运河主河道8. 6km，也是大运河主河道沿线的重要河岸森林斑块，其承载周边城市居民的主要户外游憩需求，具有较高的社会、生态、景观综合性功能。同时，从通州运河森林公园植物构成来看，全园优势乔木树种为毛白杨、垂柳、钻天杨，它们是北京平原森林最常见的树种[19，21].其河岸杨柳景观是北京平原典型河岸森林景观的代表，并配置了不同的常见水生观赏植物[19，21].具有研究平原河岸森林景观视觉质量及其植物影响的良好条件。

1.1样点设置与样本图像采集

针对通州运河森林公园内河岸森林，在实地植物调查并综合对比分析优势乔木种类、水生植物种类构成、岸线形态、观赏可达性等方面的基础上，选定垂柳+钻天杨、垂柳+钻天杨+荷花、垂柳+钻天杨+芦苇、垂柳+钻天杨+千屈菜4个样点，分别代表杨柳景观、杨柳景观+水生植物景观，4个样点依次记为P1，P2，P3，P4。

2018年全年12个月对样点进行不间断的逐月拍摄，每月月初重复利用同一单反相机，选择晴朗或少云的天气在当日的9点至15点之间对Pl，P2，P3，P4进行拍摄，均采用横向拍摄，将河岸植物景观居于画面中心，每次对同一样点的拍摄控制同一拍摄点、同一高度、同一角度，挑选4个样点4个季节没有摄影瑕疵的照片各一张作为实验评价照片，共计48个样本。

1.2样本视觉面积比例解析

首先，对样本的天空、水体进行色彩同质化处理，尽量排除植物因素以外元素对美景度评分与眼动行为的影响。其次，利用Matlab平台对各样本通过提取RGB分量、阈值分割、边界提取、边界链接，去除样本天空与水体，并结合经过人工校对提取钻天杨视觉区域（含树冠树叶范围与树干范围）、垂柳视觉区域（含树冠树叶范围与树干范围）、水生植物视觉区域，三者区域之和为样本所有植物视觉景观区域，在此基础上计算并读取钻天杨、垂柳、水生植物视觉面积占所有植物视觉景观面积的比例，其中杨树视觉面积比例=钻天杨视觉区域面积/所有植物视觉景观面积，柳树视觉面积比例=垂柳视觉区域面积/所有植物视觉景观面积。最后，基于如上提取区域设定眼动实验的兴趣区（ Area Of Interest）.将钻天杨与垂柳区域设定为AOI-I.水生植物区域设定为A01-2，为开展眼动实验做准备。

1.3美景度评价

已有研究成果表明不同人群审美无显著群体差异。依据Daniel等提出的美景度评价方法，对12个月的所有照片样本进行7分制评分，分值分别为3（极喜欢）、2（很喜欢）、1（喜欢）、0（一般）、-1（不喜欢）、-2（很不喜欢）、-3（极不喜欢），数量控制为100人/月;再采用Zij=（Rij -'Rj）/Sj，Zi= Zij /Ni标准化公式进行计算（式中Zij表示第j个评判者对第i个景观的评判标准化值;Rij表示第j个评判者对第i个景观的评判等级值;'Rj表示第j个评判者所有评判值的平均值;Sj表示第j评判者的评判值的标准差;Zi为第i景观的标准化得分值;Ni为第i景观的有效评判者数量），最后得出各样本的美景度值。

1.4眼动实验与眼动数据处理

利用Eyeso Ec80遥测式眼动仪（采集频率80fps）进行视觉追踪测试，应征选取了35名视觉正常、裸眼视力或矫正视力均在1.0以上的被试人员，对48个样本进行眼动测试，并通过Eyeso分析软件收集相应数据。重点选取表征视觉吸引的最基本眼动行为指标[22].包括注视持续时间、AOI-l与AOI-2注视持续时间指标，同时针对注视时间和注视点位置进行可视化形成注视点热点图（表1），提取相应数据展开后续分析。

2结果与分析

2.1河岸杨柳景观美景度值

按照上述美景度评价方法，计算统计各样点各月份的美景度值，結果见图1。

2.1.1不同样点河岸景观的美景度值

河岸景观各样点之间的美景度值从大到小依次为：3号样点（均值为0. 58）、2号样点（均值为0. 49）、4号样点（均值为0.45）、1号样点（均值为0. 28），即存在水生植物配置的2号样点、3号样点、4号样点的美景度值显著高于河岸仅杨柳景观的1号样点的美景度值。该结果说明，荷花、芦苇、千屈菜等水生植物所形成的水生植物景观能够提升河岸整体美景度，并且不同水生植物种类对河岸景观的提升作用也不同，芦苇对河岸杨柳景观的提升作用最为明显。进一步对2号样点、3号样点、4号样点进行方差多元比较可知，2号样点与4号样点的美景度值差异不明显，结合各样点美景度值可知，荷花与千屈菜对于河岸杨柳景观的提升效果差异不大，荷花略比千屈菜高。

2.1.2不同季节河岸景观的美景度值

河岸美景度各月份间存在一定的差别.10月、2月、7月河岸景观美景度值最高（0.4～0.5），其次为3-6月、1月、8-9月（0.2～0. 4），1 1月、12月美景度均值最低（0.2～0. 4）。从全年变化来看，河岸景观美景度值从冬季到次年冬季表现出“升（1 1月至次年1月）一降（3月）一升（3-7月）一降（8月）一升（8-10月）一降（11月）”的季相变化规律，3月、8月、11月是河岸景观美景度下降的拐点。结合北京地区季节分类标准[23]，河岸景观美景度在冬末春初（3月）、夏末秋初（8月）、秋末冬初（1 1月）的变化规律说明季节变换对河岸景观的美景度产生了影响，美景度值从春季到冬季在季节内波动式上升，在季节交替月份出现下降，冬季至次年春季是美景度值最低的时段。

2.2河岸杨柳景观注视时间

按照上述眼动测试的实验方法，统计各样点各月份样本整体，以及AOI-1（钻天杨与垂柳群落）、A01-2（水生植物群落）的注视持续时间，结果见图2。

2.2.1不同样点河岸景观的注视持续时间

不同样点河岸景观注视持续时间的差异不明显（F=0. 134，P>O. 900）。对于观赏者而言，这说明在4个岸线形态相似且土地利用属性相同的景观河岸样点获取并识别以杨柳为优势植物的河岸景观这一客观景观信息的难度没有显著差异。

进一步比较水生植物群落的注视持续时间可知，不同样点水生植物群落的注视持续时间存在显著差异（ F=23.930.P

2.2.2不同季节河岸景观的注视持续时间

不同季节河岸景观注视持续时间存在明显差异（F =148. 429.P

通过分析对比样点全年景观可知，钻天杨与垂柳的季相特征基本重合，其绿叶期、黄叶（枯叶）期、落叶期在月份时间梯度内基本一致。进一步利用Pearson相关系数检验注视持续时间与钻天杨、垂柳季相特征之间的关系，结果表明河岸景观与钻天杨（P<0.01）、垂柳季相特征（P<0.01）均存在显著相关性：而通过ANOVA多元对比可知，样本钻天杨、垂柳表现为绿叶、黄叶状态时（二者无显著差异）比表现为落叶状态的注视持续时间长。结合植物调查的结果，4-11月为钻天杨和垂柳有叶时期，能够获得更多的视觉关注.12月至次年3月为二者落叶时期，获得的视觉关注较少，观赏者对其美景度的综合感知也较弱。

2.3河岸杨柳景观注视热点

依据前述眼动实验方法，对杨柳景观注视位置和注视时间进行可视化，得到注视点热点图（表2）。从表2的热点图可以看出，观测者对不同季节不同样点的注视行为都表现出相同的特征，视线范围较为广泛，但注视停留位置存在集中区域，且这一集中区域基本在水体、杨柳树群落、配置景观植物的交界处，这是杨柳景观的视觉集中点。该结果反映出生态景观视觉特征的普遍规律[17]，即视觉集中点存在于各种生态构成元素的交汇区域。

2.4河岸杨柳视觉面积比例

前述分析通过主观美景度评价与客观注视特征度量对以钻天杨与垂柳为优势群落的河岸景观的视觉质量进行了分析，分析结果较为一致，水生植物（特别是芦苇，具有禾本科草本自然野趣的特征，更能够直观还原河岸带的原生景观，提升其美景度）以及杨柳的季相变化能够影响河岸景观的视觉质量，这对于实际河岸景观建设具有一定的指导意义。但某些以杨柳为河岸带优势植物的河流或河段，由于岸线用地属性、水质状况、水利安全等原因，无法通过配置水生植物途径提升河岸景观质量，只能通过调整杨树、柳树本身的面积比例来调控河岸景观质量，以后将进一步探讨杨柳群落本身的杨树视觉面积与柳树视觉面积，及其季相特征对于河岸视觉质量的影响。

结合统计Madab计算的各样点各月份杨树视觉面积比例和柳树视觉面积比例（图3）。Pearson相关检验表明，河岸景观SBE值与杨树面积比例、柳树面积比例都不具有显著的线性相关性（P>0.05），并且SBE主要描述景观的整体美景感，不能准确排除天空、水体等其他非植物元素对于河岸景观的影响，不便于独立分析杨树、柳树的作用，故重点以注视时间展开讨论。河岸景观注视持续时间与柳树面视觉积比例、杨树视觉特征的相关性分析表明，其具有显著负相关性（P<0.03），从该层面减少杨树视觉面积是提升视觉质量最直接的途径。

根据前述注视热点图及热点位置解析结果，统计各月份及各样点热点和杨树群落与柳树群落区域、水生植物区域、非植物景观区域位置关系解析结果，并通过Pearson相关检验表明，热点位置与杨树视觉面积存在显著相关性（P<0.02）。同时，分析热点位置在AOI-I、AOI-2、非植物景观区域时的杨树视觉面积比例，其结果表明，杨树视觉面积比例在上述3类情况之间存在显著差异（F=5. 943，P<0.002）;热点在AOI -1、A01-2、非植物景观区域的杨树视觉面积比例分别为34%.27%，28%，也即是说杨树视觉面积减少到28%以下时，热点会出现在杨柳树群落之外的水生植物区域或非植物景观区域。因此，结合上述减少杨树面积的河岸景观调控方法，杨树视觉面积减少的范围临界值为28%.若低于该值会使持续注视集中点向杨柳树群落范围外转移，失去了河岸杨柳景观的主体优势。该结果对于实际建设的指导意义较强，可作为提升河岸杨柳景观建设对策参考数据。

3结论与讨论

3.1结论

1）增加水生植物能够提高河岸杨柳景观的美景度，且水生植物种类对于河岸杨柳景观的提升作用由大到小依次为芦苇、荷花、千屈菜.。

2）杨柳河岸景观美景度值从春季到冬季在季节内波动式上升，在季节交替月份冬末春初3月、夏末秋初8月、秋末冬初11月美景度值出现下降，且冬季至次年春季是美景度值最低的时段。

3）钻天杨与垂柳景观在12月至次年3月，其落叶期视觉注视时间较短，在4-11月为有叶期，注视时间较短。但总体而言，水生植物群落比钻天杨与垂柳群落能够获得更多的视觉注视，且芦苇、荷花、千屈菜的视觉吸引力依次递减。

4）观测者观赏杨柳景观的视线范围较为广泛，但注视基本长时间停留在水体、杨树群落、柳树群落、水生植物群落的交界区域。

5）减少杨树视觉面积比例能够提升河岸杨柳景观林的视觉质量，但杨树视觉面积比例低于28%时，观测者持续注视集中点会向杨柳树群落范围外转移，杨柳群落会失去河岸景观的主体优势。

3.2讨论

上述分析主要基于主观美景度评价与客观眼动测试指标，对以钻天杨、垂柳为优势树种的河岸杨柳景观展开的研究，能够揭示水生植物配置对河岸杨柳景观视觉质量的影响，也能够为依据杨树、柳树群落视觉面积比例的调控途径提供数据支撑。但本研究存在的问题或后续研究需深化的内容在于：一是采用的照片作为各种眼动测试的对象材料，照片不能完全对实景进行替代，在实际景观中非视觉因素，如小气候环境、观测者情绪等身心因素均会对整体景观视觉感觉产生影响。因此，在今后的研究中可以采用头戴式遥测眼动仪在景观现场进行测试，并同步记录观测者的身心指标，形成更全面的分析结果。二是本研究仅以荷花、芦苇、千屈菜等作為水生或水岸生长的花卉及禾本科草本的代表进行了研究，后续应测试更多的常见水生植物;同时，杨柳群落的树种也只有钻天杨与垂柳，后续可纳入更多的植物种类进行分析，以实现对平原城市河岸森林景观植物最佳构成因素的全面解析。

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收稿日期：2019-09-16

基金项目：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目“京津冀”典型脆弱生态系统保护与恢复技术集成研究（ CAFYBB2017ZA007）

第一作者：张昶（1988-），女，博士，助理研究员，研究方向为城市森林景观、城市河流生态景观、城市森林生态文化。E-mail： song. yan. zheng@ 163. com.

通信作者：王成（1967 -），男，研究员，博士生导师，主要从事城市森林与城市生态方面的研究工作。E-mail： wch8361@ 163.com