王思陽(yáng),路 毅
(東北林業(yè)大學(xué),黑龍江哈爾濱 150000)
植物景觀設(shè)計(jì)是集藝術(shù)審美、社會(huì)服務(wù)、生態(tài)科學(xué)多維度的高度統(tǒng)一的科學(xué),是人與自然溝通的橋梁,也可以為生產(chǎn)生活添光加彩,不斷追求更科學(xué)合理的配置方案已經(jīng)成為設(shè)計(jì)者們永恒的議題。為此,學(xué)者們從不同角度出發(fā)提出了多樣的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),旨在為植物景觀評(píng)價(jià)提供科學(xué)的理論依據(jù)。
在植物景觀量化發(fā)展的過(guò)程中,傳統(tǒng)方式的局限性也愈加明顯,繁復(fù)冗雜的數(shù)據(jù)收集和處理流程與現(xiàn)今大數(shù)據(jù)時(shí)代下以Volume(大量)、Velocity(高速)、Variety(多樣)、Value(低價(jià)值密度)、Veracity(真實(shí)性)這5V特性為發(fā)展目標(biāo)的追求格格不入,亟須新技術(shù)的加入,將多元數(shù)據(jù)以科學(xué)的手段進(jìn)行高效精準(zhǔn)的表達(dá),從而為更多評(píng)價(jià)視角的擴(kuò)展提供技術(shù)支持[1]。
深度學(xué)習(xí),作為人工智能與數(shù)據(jù)科學(xué)的核心,將計(jì)算機(jī)科學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)融合,在“信息超載”的挑戰(zhàn)下能快速挖掘大數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的潛在價(jià)值,為植物景觀的量化注入了新動(dòng)力;而全景圖像則是深度學(xué)習(xí)與植物景觀聯(lián)合中成效突出的媒介,為真實(shí)場(chǎng)景的多維度呈現(xiàn)提供了可能[2]。然而由于植物景觀評(píng)價(jià)范圍較廣且新技術(shù)存在一定的應(yīng)用難度,在相關(guān)的研究中沒(méi)有得到很好的應(yīng)用。基于此,本研究從過(guò)往相關(guān)領(lǐng)域中深度學(xué)習(xí)與全景圖像技術(shù)的應(yīng)用出發(fā),結(jié)合其應(yīng)用特征,就在植物景觀量化中適用的范圍、條件特征與未來(lái)展望進(jìn)行多方面闡述與分析,旨在為今后深度學(xué)習(xí)與全景圖像技術(shù)和植物景觀評(píng)價(jià)指標(biāo)量化更為深入的實(shí)踐應(yīng)用提供參考。
采用內(nèi)容研究法,在中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫(kù)中以關(guān)鍵詞為植物景觀評(píng)價(jià)進(jìn)行檢索,時(shí)間為1995年10月—2022年10月,在核心期刊內(nèi)篩選建立植物景觀評(píng)價(jià)體系的文獻(xiàn)共147篇,分析文獻(xiàn)中各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)鍵詞、頻率及其所屬評(píng)價(jià)層次,并將詞義相同或相近的指標(biāo)進(jìn)行合并,利用Excel軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì),共提取評(píng)價(jià)指標(biāo)83個(gè),按照普萊斯公式M2=0.749 Nmax計(jì)算出核心關(guān)鍵詞頻次M=6.53,選取整數(shù)提取出詞頻大于7次的評(píng)價(jià)指標(biāo)26個(gè)。
為避免分析結(jié)果分散、變形,需要合并歸納相同或相近的指標(biāo),參考過(guò)往文獻(xiàn)中各評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究方向,根據(jù)表1所示的分類(lèi)依據(jù)進(jìn)行相似性歸類(lèi),統(tǒng)計(jì)各層次的應(yīng)用情況;將數(shù)據(jù)以圖表的形式進(jìn)行各個(gè)層次及總體評(píng)價(jià)體系中各評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)用頻次的可視化;比較每個(gè)同屬于2或3個(gè)準(zhǔn)則層的評(píng)價(jià)指標(biāo)在各個(gè)層次中出現(xiàn)的次數(shù),分析其應(yīng)用特征;在每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中選取出現(xiàn)頻次最高的準(zhǔn)則層,并記錄頻次及評(píng)價(jià)性質(zhì),生成植物景觀評(píng)價(jià)的共性評(píng)價(jià)指標(biāo)。
由于在中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫(kù)中應(yīng)用深度學(xué)習(xí)和全景圖像技術(shù)處理植物景觀評(píng)價(jià)的文獻(xiàn)較少,因此擴(kuò)大數(shù)據(jù)庫(kù),在中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫(kù)和Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)中以關(guān)鍵詞“深度學(xué)習(xí)”“全景圖像”“植物景觀評(píng)價(jià)”“景觀評(píng)價(jià)”以及“deep learning”“panoramic image”“plant landscape evaluation”“l(fā)andscape evaluation”為關(guān)鍵詞分別檢索并人工篩選使用深度學(xué)習(xí)和全景圖像技術(shù)處理植物景觀評(píng)價(jià)和其他相關(guān)景觀評(píng)價(jià)的研究文獻(xiàn),分析其在植物景觀評(píng)價(jià)指標(biāo)量化的現(xiàn)狀特征;討論在景觀評(píng)價(jià)中的研究方向、數(shù)據(jù)來(lái)源,記錄其在景觀數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)多種評(píng)價(jià)指標(biāo)中的應(yīng)用情況,并闡述深度學(xué)習(xí)的應(yīng)用形式;最后依據(jù)這些評(píng)價(jià)指標(biāo)和兩種技術(shù)的功能特征在傳統(tǒng)植物景觀高頻評(píng)價(jià)指標(biāo)中區(qū)分是否可以利用深度學(xué)習(xí)進(jìn)行處理,并探討各自難以操作的原因。
植物景觀評(píng)價(jià)體系大多從生態(tài)層次、景觀層次和社會(huì)層次3個(gè)準(zhǔn)則層進(jìn)行劃分,其中以視覺(jué)為評(píng)價(jià)依據(jù)的景觀層次應(yīng)用頻次最多(圖1),這是因?yàn)橐曈X(jué)能夠?qū)⑷说母杏X(jué)與知覺(jué)進(jìn)行“可成像”,從而達(dá)到感知與表達(dá)的良性互動(dòng)循環(huán),是人們感受植物景觀、度量環(huán)境體驗(yàn)的主體因素,此外國(guó)外對(duì)以視覺(jué)作為切入點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)的重視及相關(guān)評(píng)價(jià)方法的創(chuàng)新性與相對(duì)成熟性也有一定的影響[3-4]。
圖1 高頻評(píng)價(jià)指標(biāo)Figure 1 High-frequency evaluation indicators at all levels
由圖2可知,各評(píng)價(jià)層次的高頻評(píng)價(jià)指標(biāo)大多呈現(xiàn)兩種趨勢(shì):各層次內(nèi)均有3~6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)用頻次顯著,這些評(píng)價(jià)指標(biāo)廣泛適用于大多數(shù)的評(píng)價(jià)體系,是衡量植物景觀質(zhì)量的核心評(píng)價(jià)指標(biāo);一些評(píng)價(jià)指標(biāo)在多個(gè)評(píng)價(jià)層次中均有出現(xiàn),這表明每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)都可能存在多層的含義與側(cè)重點(diǎn),在建立評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)不宜生搬硬套,應(yīng)著眼于實(shí)際,因時(shí)制宜、因事制宜。探究各評(píng)價(jià)層次的研究熱點(diǎn),社會(huì)層次聚焦于經(jīng)濟(jì)性、可達(dá)性與安全性,重視植物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值及其他功能屬性;生態(tài)層次聚焦于植物物種適用性和群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,考慮植物能否在當(dāng)?shù)亟】瞪L(zhǎng)并促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性;而景觀層次則更關(guān)注于植物觀賞特征的多樣性、層次豐富度及與整體環(huán)境和諧性等,以植物更合理的配置形式為研究重點(diǎn)。
圖2 各層次高頻評(píng)價(jià)指標(biāo)Figure 2 High-frequency evaluation indicators at all levels
評(píng)價(jià)指標(biāo)量化的方法有定性和定量?jī)煞N(表2),其中定性評(píng)價(jià)占總體評(píng)價(jià)的比重更大,但居于前列的高頻評(píng)價(jià)指標(biāo)大多由定量評(píng)價(jià)進(jìn)行分析。定量評(píng)價(jià)運(yùn)用數(shù)量分析的方法,以數(shù)值的形式對(duì)某一數(shù)據(jù)進(jìn)行描述和價(jià)值判斷,具有強(qiáng)烈的客觀性[5]。傳統(tǒng)的植物景觀評(píng)價(jià)樣本數(shù)量少、調(diào)研精度低、普查難度大,在數(shù)據(jù)的獲取和數(shù)據(jù)處理中存在昂貴且耗時(shí)的問(wèn)題[5]。隨著多媒體數(shù)據(jù)、3S、計(jì)算機(jī)模擬等技術(shù)的滲透,植物景觀的定量評(píng)價(jià)正不斷向多維度、大尺度、高效率的評(píng)價(jià)方向發(fā)展和轉(zhuǎn)變[6]。定性分析則是一種非量化的手段,通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查的方式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)記錄的照片、文字、視頻等進(jìn)行人為評(píng)分,其實(shí)質(zhì)在于對(duì)數(shù)據(jù)“質(zhì)”的分析,受個(gè)人的相關(guān)學(xué)術(shù)水平、分析能力及主觀傾向等影響因素的制約[7];評(píng)價(jià)指標(biāo)多為社會(huì)層次,一般通過(guò)提供形容詞或劃分等級(jí)的方式供被調(diào)查者選擇[8-9];調(diào)查方式與分析方法較單一,調(diào)查難度大、影響因素多。由于研究方式不同,定性和定量?jī)煞N評(píng)價(jià)方法都能達(dá)到一定的評(píng)價(jià)效果,受因人而異的主觀評(píng)價(jià)進(jìn)行客觀性表達(dá)的影響,對(duì)傳統(tǒng)的定性評(píng)價(jià)進(jìn)行定量分析的更新開(kāi)始不斷出現(xiàn),客觀性進(jìn)一步增強(qiáng)??傮w來(lái)說(shuō),園林植物景觀評(píng)價(jià)角度多變、指標(biāo)分支繁多、評(píng)價(jià)方式彼此互補(bǔ)、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)尚不唯一。
表2 共性評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 2 Common evaluation indicators
由圖3可知,基于深度學(xué)習(xí)與全景圖像技術(shù)對(duì)植物景觀進(jìn)行量化分為4個(gè)步驟:(1)數(shù)據(jù)收集。全景圖像的獲取主要有兩種方式,即相機(jī)拍攝與采用專業(yè)的全景設(shè)備。普通相機(jī)和單反相機(jī)擁有操作簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)勢(shì),但拍攝方法要求嚴(yán)格,后期拼接過(guò)程難度大,適合小場(chǎng)景的使用。實(shí)地采集時(shí)通常采用加裝特殊鏡頭或使用球形相機(jī)的方式達(dá)到縮短焦距、擴(kuò)大成像視角的效果,無(wú)須經(jīng)過(guò)后期的拼接過(guò)程即可獲得完整的全景圖像,但由于透視角度的問(wèn)題,變形相對(duì)嚴(yán)重,且分辨率較低。專業(yè)全景設(shè)備可實(shí)現(xiàn)全景圖像的自動(dòng)、實(shí)時(shí)獲取與對(duì)應(yīng)的三維空間信息收集,采集速度快、圖片質(zhì)量高,適合虛擬環(huán)境下的圖像獲取,但公開(kāi)的全景圖像獲取系統(tǒng)多為街景圖像,如谷歌街景、百度街景等,構(gòu)建個(gè)人的全景獲取系統(tǒng)操作復(fù)雜且造價(jià)昂貴[10]。通過(guò)全景圖像的方式收集數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)場(chǎng)景多維度的實(shí)時(shí)再現(xiàn),為植物景觀的量化提供了更多評(píng)價(jià)依據(jù)。(2)圖像處理。通過(guò)圖像分割的方式提取全景圖像中的各個(gè)景觀要素,是圖像預(yù)處理的環(huán)節(jié)?,F(xiàn)有的有關(guān)場(chǎng)景解析的大規(guī)模圖像數(shù)據(jù)集,如 ADE20K Dataset、Cityscapes,等可直接應(yīng)用于一些景觀類(lèi)的圖像分割,均呈現(xiàn)出良好的分割效果,但一般應(yīng)用于街景圖像。在不同的場(chǎng)景圖片中,為追求更高的適應(yīng)性則需要訓(xùn)練更為精確的語(yǔ)義分割模型,其步驟分為圖像標(biāo)注、文件預(yù)處理、模型訓(xùn)練、模型檢驗(yàn)4個(gè)部分[11]。通過(guò)深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理圖片能削弱人工提取數(shù)據(jù)時(shí)的主觀性,減少冗雜的基礎(chǔ)工作,是科學(xué)性與高效性的高度展現(xiàn)。(3)指標(biāo)量化。將所提取的各個(gè)景觀要素通過(guò)數(shù)學(xué)方法計(jì)算為需要的評(píng)價(jià)指標(biāo)量化,分為定性與定量?jī)煞N。定量評(píng)價(jià)指標(biāo)量化結(jié)果可由圖像處理結(jié)果直接計(jì)算,計(jì)算公式與傳統(tǒng)植物景觀量化方式一致,同時(shí)由于全景圖像透視角度的不同,針對(duì)不同的全景圖像如等距圓柱全景圖像、魚(yú)眼圖像等需要進(jìn)行不同的圖像轉(zhuǎn)換與公式換算過(guò)程以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。定性評(píng)價(jià)指標(biāo)量化則需要通過(guò)新的模型訓(xùn)練,將人工評(píng)價(jià)的流程運(yùn)用數(shù)據(jù)標(biāo)注的方法建立評(píng)價(jià)模型,以達(dá)到大批量、高效率、客觀性的評(píng)價(jià)結(jié)果。大量實(shí)際案例表明,該量化方法能達(dá)到傳統(tǒng)量化方式的效果,且更具客觀、高效性。(4)綜合評(píng)價(jià)。即將評(píng)價(jià)指標(biāo)相互結(jié)合進(jìn)行植物景觀的綜合評(píng)價(jià),本研究的綜合評(píng)價(jià)方法和流程與傳統(tǒng)植物景觀綜合評(píng)價(jià)相同,但其中大量的計(jì)算過(guò)程可通過(guò)python等腳本進(jìn)行簡(jiǎn)化,降低使用門(mén)檻。
圖3 基于深度學(xué)習(xí)與全景圖像的植物景觀量化流程圖Figure 3 Quantitative flow chart of plant landscape based on deep learning and panoramic image
全景圖像技術(shù)能夠采集人雙眼有效視角外的周邊信息甚至更廣的圖像,打破了普通相機(jī)對(duì)完整環(huán)境要素轉(zhuǎn)述的局限性[12]。將全景圖像技術(shù)應(yīng)用于植物景觀評(píng)價(jià),植物個(gè)體要素的微小細(xì)節(jié)和植物景觀在整體大環(huán)境的配置模式均被鏡頭捕捉,海量的新型全景數(shù)據(jù)匯聚于評(píng)價(jià)模型中,帶來(lái)了數(shù)據(jù)調(diào)研中場(chǎng)景信息采集的全面化和便捷化,為更多評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。深度學(xué)習(xí)能夠以抽象的結(jié)構(gòu)將讀取的多層數(shù)據(jù)間復(fù)雜的映射關(guān)系加以分析學(xué)習(xí)、整合加工,將深度學(xué)習(xí)技術(shù)嵌入植物景觀評(píng)價(jià)鏈條,不僅能解決數(shù)據(jù)處理時(shí)操作難度大的問(wèn)題,起到高效準(zhǔn)確的效果,更能削弱人因狀態(tài)和偏好的不同所帶來(lái)的主觀感知偏差,在實(shí)際應(yīng)用中大大提升了評(píng)價(jià)的科學(xué)性[13]。深度學(xué)習(xí)與全景技術(shù)結(jié)合,達(dá)到了數(shù)據(jù)收集更完整和數(shù)據(jù)處理更科學(xué)兩方面的優(yōu)化,同時(shí)降低了操作難度并提升了工作效率,在植物景觀評(píng)價(jià)方面是行之有效、值得探索實(shí)踐的良好方式。
目前,深度學(xué)習(xí)與全景圖像的量化技術(shù)在純植物景觀評(píng)價(jià)中應(yīng)用較少,高頻評(píng)價(jià)指標(biāo)是針對(duì)綠視率和景觀開(kāi)闊度的評(píng)價(jià),在各個(gè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)中均有出現(xiàn),指標(biāo)量化大多停留在定量評(píng)價(jià)中[14-15]。由表3(各案例中采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)用“√”標(biāo)注,應(yīng)用形式用“O”標(biāo)注)可知,觀察既有的一些在景觀評(píng)價(jià)中的應(yīng)用案例,與純植物景觀評(píng)價(jià)一致,更為廣泛的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的便捷性在景觀客觀感知評(píng)價(jià)中得以體現(xiàn),例如通過(guò)對(duì)綠視率、天空開(kāi)敞指數(shù)、區(qū)域飽和度、色彩豐富度、道路機(jī)動(dòng)化程度等評(píng)價(jià)指標(biāo)量化對(duì)景觀的形態(tài)與空間規(guī)劃進(jìn)行具有科學(xué)性與全面性的評(píng)價(jià)研究;在此基礎(chǔ)上結(jié)合基于深度學(xué)習(xí)的行人數(shù)據(jù)、街道營(yíng)業(yè)時(shí)長(zhǎng)分布等評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠衡量居民對(duì)景觀的接觸,進(jìn)行更深層次的景觀規(guī)劃;結(jié)合其他來(lái)源的評(píng)價(jià)指標(biāo)如空間地理數(shù)據(jù)進(jìn)行景觀的格局分析以及結(jié)合網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)中用戶的圖像、語(yǔ)言與時(shí)空信息進(jìn)行景觀的意向認(rèn)知評(píng)價(jià),這些結(jié)合能夠在主觀感知評(píng)價(jià)中將專家評(píng)價(jià)的結(jié)果運(yùn)用深度學(xué)習(xí)推廣到大規(guī)模景觀評(píng)價(jià)當(dāng)中,達(dá)到公眾層面與專家層面兩方面主觀感知評(píng)價(jià)的多方法、多維度、少主觀、少工作量的轉(zhuǎn)變??傮w而言,基于深度學(xué)習(xí)與全景圖像技術(shù)的植物景觀評(píng)價(jià)是以傳統(tǒng)植物景觀評(píng)價(jià)為依據(jù)的,是傳統(tǒng)植物景觀評(píng)價(jià)在技術(shù)上的延伸,而各評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取也是在傳統(tǒng)植物景觀評(píng)價(jià)中選擇可操作的部分,并針對(duì)特定的評(píng)價(jià)角度達(dá)到客觀、高效、精準(zhǔn)的效果。
表3 既有基于深度學(xué)習(xí)的景觀評(píng)價(jià)案例Table 3 Existing cases of landscape evaluation based on deep learning
由表4、表5可知,深度學(xué)習(xí)與全景圖像技術(shù)對(duì)植物景觀于大部分的評(píng)價(jià)指標(biāo)量化都是適用的,而不適用的原因主要為全景圖像拍攝技術(shù)操作的困難性與圖像對(duì)真實(shí)場(chǎng)景展現(xiàn)的局限性所導(dǎo)致的圖像信息不足。拍攝難度大主要是因?yàn)槠胀ǖ娜皥D像在精度上難以展示出植物個(gè)體完整的生理細(xì)節(jié)、在拍攝過(guò)程中難以保證相同的時(shí)間與外界環(huán)境、在拍攝技術(shù)上難以達(dá)到任意角度的拍攝需求,這便導(dǎo)致了評(píng)價(jià)植物開(kāi)花情況、季相特征、郁閉度等評(píng)價(jià)指標(biāo)的困難性,但拍攝困難并非無(wú)法克服,一定的新興技術(shù)和科學(xué)手段可以達(dá)到縮減誤差的效果;圖像信息不足大多欠缺在對(duì)具體植物種類(lèi)、數(shù)量等信息和地形環(huán)境數(shù)據(jù)的掌握,需要實(shí)地調(diào)研進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充,如鄉(xiāng)土性、生態(tài)型、科普教育、地形環(huán)境多樣性、防震減災(zāi)效果等改善環(huán)境的這類(lèi)評(píng)價(jià)指標(biāo)則需要對(duì)整體環(huán)境和其他因素進(jìn)行統(tǒng)一評(píng)價(jià),局部的圖像信息難以達(dá)到良好的評(píng)價(jià)效果。
表5 難以處理的評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 5 Evaluation indicators that are difficult to address
在適用程度上,深度學(xué)習(xí)與全景圖像技術(shù)在植物景觀量化中的應(yīng)用范圍廣泛,大部分常用的植物景觀評(píng)價(jià)指標(biāo)都可以通過(guò)深度學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行處理,適應(yīng)性強(qiáng),在植物景觀評(píng)價(jià)不斷向數(shù)字化發(fā)展的今天依舊占據(jù)重要作用,尤其是在樣本數(shù)量過(guò)大的案例中均展現(xiàn)出突出效果。
在適用條件上,就目前研究現(xiàn)狀而言,大部分相關(guān)技術(shù)無(wú)法利用的原因均來(lái)自圖像信息無(wú)法完全表達(dá)。需要通過(guò)傳統(tǒng)調(diào)研等來(lái)補(bǔ)足信息,因此為保證評(píng)價(jià)指標(biāo)量化研究的全面發(fā)展,應(yīng)注重傳統(tǒng)方法與新興技術(shù)的融合,避免產(chǎn)生求數(shù)量而放棄質(zhì)量的負(fù)面效果。
在未來(lái)發(fā)展上,將強(qiáng)勢(shì)崛起的深度學(xué)習(xí)與全景圖像技術(shù)滲透到更多的評(píng)價(jià)指標(biāo)量化進(jìn)程,在傳統(tǒng)量化過(guò)程的千軍萬(wàn)馬中,深度學(xué)習(xí)技術(shù)的介入試驗(yàn)在其中只占寥寥,眾多未被嘗試的評(píng)價(jià)指標(biāo)正翹首企足地等待研究者們以新技術(shù)的方式進(jìn)行實(shí)踐,進(jìn)而挖掘深度學(xué)習(xí)對(duì)于植物景觀全景評(píng)價(jià)指標(biāo)量化在未知方面的契合度,并思考引入更多技術(shù)的可能性。
北方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)2023年2期