Designing UGIs as dynamic processes

Heutzutage berücksichtigen Pflanzstrategien in städtischen Gebieten oft zuerst Mobilität, Gebäude und andere städtische Infrastrukturen; anschließend werden Bäume entsprechend anderen Komponenten und Landnutzungen gepflanzt. Darüber hinaus wird der Wachstumsprozess von Bäumen zur Erreichung des Endziels der Pflanzstrategien in diesen Ansätzen nicht angemessen berücksichtigt. Das Baumwachstum und die Konkurrenz von Bäumen beim Wachsen in städtischen Gebieten werden jedoch von verschiedenen Faktoren wie dem Mikroklima beeinflusst, die in früheren Studien nicht ausreichend berücksichtigt wurden. Außerdem fehlt es an Baumwachstums- und Pflanzmodellen in Bezug auf die Auswirkungen des urbanen Mikroklimas auf Bäume, wie etwa Gebäudeschatten usw. Die Untersuchung des Mikroklimafaktors in städtischen Gebieten zur Entwicklung eines umfassenden Vorhersagemodells für das Wachstum des Kronenvolumens könnte ein iteratives, zielbasiertes Pflanzdesignverfahren hervorbringen, das Designer und Planer unterstützt. Diese dreijährige Doktorarbeit hat zwei Hauptschritte: 1. ein mikroklimabasiertes Baumwachstumsmodell und 2. ein zielorientiertes Planungsmodell. Nach der Bewertung des CityTree-Modells anhand der mikroklimatischen Merkmale wird ein zielbasiertes, datengetriebenes Pflanzmodell entwickelt. Schließlich unterstützt dieses Modell Designer und Stadtplaner bei der Entscheidungsfindung im Pflanzdesign. Das Ergebnis ist ein Design-Workflow für Pflanzvorschläge entsprechend der angestrebten Blattfläche. Das Modell bietet die Möglichkeit, mehr Daten aus anderen Klimazonen und städtischen Strukturen hinzuzufügen, um die Genauigkeit der Vorhersagephase zu erhöhen und den Workflow auch für verschiedene Länder mit unterschiedlichen Baumarten zu nutzen. Zur Vervollständigung der iterativen Designschleife zur Erreichung der angestrebten Blattfläche konzentriert sich ein ergänzendes Forschungsprojekt auf das Management und die Manipulation des Baumwachstums mittels Beschneidung und Biegen von Ästen.

Dieses Forschungsziel schlägt einen neuartigen Ansatz zur Gestaltung von UGI aus einer 3D-Voxel-Perspektive in Städten und zur Maximierung der Blattflächen entsprechend den Einschränkungen vor. Es hat die folgenden Ziele:

Schritt 1: Erstellung eines konzeptionellen Voxelmodells

O1: Ziel-Blattfläche

Dieser Schritt schlägt einen konzeptionellen neuartigen Ansatz zur Gestaltung von UGIs aus einer 3D-Voxel-Perspektive in Städten vor, um die Blattfläche unter Berücksichtigung bestehender räumlicher Bedingungen und Ziele zu maximieren. Ein 3D-Voxelmodell speist das endgültige Baum-Pflanzdesign-Tool als beabsichtigte Verteilung von Blattflächen oder Blattdichten im Raum. Abbildung 1 zeigt einen Überblick über den Projekt-Workflow, der die folgenden Ziele hat:

Schritt 2: Baumwachstumsrate und abiotische Umwelteinflüsse (Q1)

O2: Optimierung des CityTree-Modells mit Mikroklimadaten

Obwohl es mehrere Baumwachstumsmodelle zur Simulation der Wachstumsrate von Bäumen in Wald- und Stadtgebieten gibt, fehlt es bei Baumwachstumsmodellen in Städten an der Berücksichtigung des urbanen Mikroklimas. Ziel dieses Schritts ist es, die Auswirkungen von Mikroklimafaktoren in Baumwachstumsmodellen, wie dem CityTree-Modell, zu bewerten.

O3: Musterextraktion des Baumwachstums in Städten

Durch die Berücksichtigung der Auswirkungen von Mikroklimafaktoren auf die Baumwachstumsrate können die wichtigen abiotischen Umweltfaktoren extrahiert werden. Ziel ist es, anhand experimenteller und simulierter Daten aus O2 ein spezielles Muster zwischen angrenzenden Gebäuden und den geometrischen Merkmalen umliegender Bäume sowie Veränderungen der Baumwachstumsrate zu finden. Die Veränderungen der Wachstumsrate werden durch Modelle des maschinellen Lernens (ML) auf Grundlage der Auswirkungen der angrenzenden Gebäude und der geometrischen Merkmale der Bäume vorhergesagt.

Schritt 3: Baum-Pflanzdesign-Tool basierend auf dem Baumwachstumsprozess (Q2)

O4: Simulation des Baumkronenwachstums auf Grundlage angrenzender Objekte

Integration von A. dem ML-basierten Modell der Veränderungen der Wachstumsrate (O3) und B. der Wachstumskonkurrenz zwischen zwei Bäumen in ein Simulationsmodell.

O5: Pflanzvorschlag

Entwicklung eines Baum-Pflanzdesign-Tools auf Grundlage des Baumwachstumsmodells in (O4). Das Modell verwendet das 3D-Voxelmodell als Ziel-Blattfläche zur Erreichung des Ziels (ESS).