基于元胞自动机方法与景观参数化设计的近自然植物群落形态设计模拟
摘要：植物设计作为景观设计的重要组成部分，随着参数化设计的成熟与完善，形态设计模拟在景观设计中的应用价值逐步显现后，但对于植物景观参数化设计的研究仍寥寥无几。本研究提出将目前广泛应用在人流分析模拟、建筑外立面形态设计、景观空间形态分析中的元胞自动机与近自然植物设计有机结合，探索植物景观参数化设计的新途径。总结了近自然植物群落形态设计的研究进展、群落组成、空间关系、规划方法等内容；然后利用二维元胞自动机模拟方法，讨论在景观参数化设计中如何模拟近自然植物群落自然演替形态的技术方法，进而得出近自然植物群落设计的形态模拟；最后结合景观参数化设计将模拟结果进行设计表达。研究将植物群落形态设计与计算机技术耦合，以期提出一种更科学更直观的设计方式。
中国传统园林主要由山石、水体、植物、建筑构成，其中植物是改善自然环境、提升游览体验的重要因素。植物群落形态设计又是植物造景中不可或缺的部分，分析模拟植物群落空间布局、科学规划园林植物群落的空间形态，是风景园林规划设计的难点，也是参数设计应用于景观设计的重要方向。随着大数据时代的发展，园林景观设计不再是设计师个人的主观表达，更多的是科学地计算与多因素分析结果所得出的。
对此，蔡凌豪[1]提出了风景园林数字化策略纲要，并总结了景观设计中参数化设计的全流程以及相关操作软件，指出了Grasshopper平台数据分析的优势[2]。但目前对于景观设计前期分析方法研究数量最多，多以GIS等方面的技术为主[3]；元胞自动机模拟多是研究人流分析、建筑外立面设计为主[4]；植物景观设计的参数化多是以计算机辅助园林制图的方法研究[5]，且种植设计局限于平面填充、植物景观的形态布局进行讨论[6]，对近自然植物群落设计模拟等方面研究较少。因此，本研究拟从元胞自动机模拟植物群落演替得出近自然植物群落设计的形态模拟，并结合景观参数化设计得出近自然植物群落设计结果。
1近自然园林植物群落
植物群落是指在某一地段内，所有植物在时空分布上的综合表现，它在一定的生境条件下，具有相对的种类组成与数量比例和特定的结构与外貌，并发挥一定的功能。根据其形成方式，植物群落可以分为自然植物群落和人工植物群落。在本研究中，讨论的近自然植物群落属于人工植物群落，是景观设计师在模仿和借鉴自然植物群落结构的基础上，通过对植物进行选择、配置、营造和管理而形成的。近自然植物群落从美学角度出发，是利用不同植物的体型、色彩、线条等方面的空间组合的植物群体[7]。从生态学角度看，包括植物个体的聚集程度、空间组合关系、形态上的分化程度，群落进化和演替的程度[8]。因此，在近自然植物群落形态设计中应当充分考虑植物种类、个体体量大小、水平分布、垂直结构、林冠线、植物密度与多度等多个方面。
2近自然植物群落形态设计方法
当前，对于近自然植物群落形态设计方法多是基于园林植物配置与造景理论、生态学理论与植物群落学理论来探索植物群落设计与构建。我国的近自然植物群落设计可以追溯至魏晋南北朝时期的自然山水园，从“本于自然”的简单模仿自然山水，到“高于自然”的以小见大，近自然植物群落设计一直都是造园者与景观设计师所追求向往的。
近来，有大量学者关注生境营造，通过模拟生境条件，研究植物群落生境营造[9]，通过构建密林、疏林、灌草、湖泊等多种生境进行近自然植物群落设计[10]，也有学者针对不同水体形态与不同光照条件下的湿地植物景观营造进行了探索[11]，还有学者通过模拟郊野自然环境，研究郊野环境独特的植物群落结构，用以郊野公园设计[12]。综上所述，近自然植物群落设计的本质就是解决“种什么（种类）、种多少（数量）、如何种（组合）”的问题。
传统的园林景观植物群落形态设计：一是需要确定边界（林缘线），极力模拟自然状态下的植物群落；二是选择植物种类，通过植物高度、形态、季相等完成植物配置。上述2点均由设计师的主观意识与设计经验所完成。随着计算机与人工智能的大力发展，模拟自然的多智能体以及非线性参数设计广泛应用，本研究试图通过元胞自动机构建模拟植物群落演替模型，得出近自然植物群落设计的形态模拟，进而辅助近自然植物群落设计。
3元胞自动机模拟近自然植物群落形态演替
3.1元胞自动机模型构建环境
本研究中元胞自动机模型调试与运行使用的软件版本为Netlogo6.0forWindows（64－bit）（UriWilenskyhttp://ccl.northwestern.edu/netlogo/download.shtml）。为模拟植物群落的自然演替规律，简化代码、提升运行效率，将模式设置如下:一是每个方格（patch）只能容纳1个植物个体（plant），设置该范围内所有植物个体数量总和为该植物种群大小。二是将植物群落中的环境容纳量设置为世界大小（即patches总数）。如世界大小设置为100×100，对应环境容纳量为10000。三是在Netlogo中添加setup和go2个按钮，其中setup为开始建立模型环境，go为持续执行。通过添加监视器控件、绘图控件，实时反映植物群落模拟情况，即植物自然演替过程中的植物个体分布状况分布（图1所示）。
3.2元胞自动机形态演替原理
采用的二维元胞自动机是以二维平面的形式排布初始方格（patch），将每个方格在二维世界上的植物个体（plant）设置为只有“生”或“死”的2种状态。将3×3个的9个方格看作一个小整体，即中部方格与相邻8个方格组成的小整体，其中中间方格中的植物个体状态（“生”或“死”）根据周边方格中的植物个体的状态而决定。将上述规则对应植物群落演替中，即1株植物个体的周边植物数量过多会因为种群竞争资源匮乏而死亡，或是周边植物数量过少会因为对外界干扰抗性较弱而死亡。每个方格中的植物个体状态都有可能根据初始格的排布状态和迭代规则进行运算迭代而改变，整体单元格的排布会处于一个动态的变化过程中，但不管经过多少次迭代，都会满足既定的迭代规则，即单元格的数量和密度都会控制在一定范围内。
通过执行search-for-chip寻找黄色碎片（植物个体种子），即白蚁（传播种子的生物或其他传播种子的自然条件）踏入植物个体种子放置的方格区域，将植物个体设置为基础颜色，并将白蚁标为橘色（橘色表示已经携带植物个体种子）代表该白蚁已经拾取1个植物个体种子。白蚁的不断运动和寻找传播植物个体种子，执行find-new-pile找到新的种子放置的方格区域，执行put-down-ship放置橘色白蚁携带的植物种子，并将自身恢复为白色，开始再次执行search-for-ship。通过上述规则的不断迭代，植物个体种子就发生了位移，即植物群落演替中植物个体的位置会发生不断的改变，最终形成相对稳定的群落演替结果，以及植物个体的分布情况（图2）。
4近自然植物群落形态设计的参数化设计表达
将上述Netlogo模拟的植物群落数据利用Grasshopper读取，使其在Rhino中显示，此时的图像仅为植物个体的分布情况，尚未形成植物物种的划分。通过Grasshopper拾取植物个体点数据获得植物群落种植点，并生成林缘线，导入景观规划设计中给定的该区域植物种类及数量，按照香樟（9%）、女贞（60%）、银杏（9.1%）、马尾松（21.9%）的种植比例，通过赋予植物不同颜色区分植物类别，随机调入识别，最终近自然植物群落规划成果（图3）。
5结论与不足
基于元胞自动机方法与景观参数化设计的近自然植物群落形态设计模拟，尝试通过元胞自动机模拟植物群落演替生成自然式植物群落、林缘线形态、植物种植点分布，将模拟结果导入参数化设计程序Grasshop-per中，将模拟生成的群落种植点调入对应植物，通过调整该群落内植物种类与植物数量等参数，生成群落植物分布图，以期为景观设计中的园林植物群落设计提供一个新的探索方向。
本研究不足之处，一是利用NetLogo及Grasshopper模拟植物群落还处于探索阶段，未能结合相关群落构成方面的知识；二是在NetL-ogo规则编写过程中，仍然只是考虑最终图式与形态，而没有结合真实环境研究对群落相关的影响；三是在Grasshopper中设置物种比例时未能结合实际场地影响及植物特性。
