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【PR】山水环境场地分析与选址的参数化方法研究

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随着当代山水环境规划设计方法的不断深化,依据场地—环境生态因素的相互作用规律,运用量化分析技术辅助进行场地设计已成为参数化规划设计的重要趋势之一。作者东南大学建筑学院副教授李哲,东南大学建筑学院本科生卓百会,刘海滨,郑振婷,张颖在《规划师》2016年第9期撰文,文章以南京市汤山紫清湖区域为研究对象,以GIS空间分析技术为主要手段,系统整合 Landsat TM 遥感影像数据、AHP、Model Builder 等参数化研究方法,进行环境解析与综合因子评价,为建设项目选址提供参数化分析依据。
山水环境场地分析的参数化方法
自麦克哈格创立生态适宜性评价的理论基础以来,生态学和环境科学的工作方法逐渐成为现代规划设计的技术内核之一。卡尔·斯坦尼兹、斯坦纳和鲁兹卡相继突破了地图叠加技术的机械性及局限性,使基于参数化理念的场地规划由物理叠图向数据化、综合化、多元化的方向发展。在理论研究不断积累、技术手段不断更新的时代背景下,数字化场地分析方法的推陈出新,使得规划师能够在复杂的地形地貌条件下进行科学、理性的方案设计,并不断推敲设计方案与自然地形环境的契合关系,实现从二维平面到三维空间的交互研究,力求全方位准确把握设计各个环节(图1)。任何山水环境规划建设均集生态修复、发展与利用于一体,需要结合地理学、地图学、遥感、生态学与计算机科学等学科知识。其场地环境解析可以充分利用参数化手段,通过分析与处理信息数据,建立分析数据库,并以数据库为基础,实现多种功能强大的专项分析方法,如空间统计分析、视域分析和最佳路径分析等。本文的研究方法以场地的构成要素集成解析为基础,运用层次分析法确定相关参数,通过加权叠加获取综合因子;继而通过对建设项目选址条件的因子化处理,综合运用参数化空间分析技术进行集成分析,生成选址地理边界,调整选址条件直到确定适宜范围,最终得出场地选址规划图 ( 图 2) 。
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场地信息的数字化采集与量化
科学认知环境特征是当代城市规划的显著特点,也是山水环境规划分析与设计的重要前提,其基础是场地要素的数字化采集与信息量化。当前,越来越多的技术途径可以将原本限于描述性的环境特征转化为数字语言,从而为进一步开展的参数化设计构建理性的数字平台。例如,利用全站仪获取场域环境信息,通过三维扫描获取点阵云数据,凭借RS系统对场地进行栅格化处理等,为规划设计基础条件的数字化生成发挥了重要作用。
山水环境普遍具有环境资源好、空间尺度大和变化丰富等特点,传统的实地踏勘往往无法获得完整的场地信息,小型数字化测绘工具也因受采集范围的限制,难以在整体规划范围内普遍使用。比较而言,遥感影像技术是山水环境场地信息数字化采集的重要而有效的技术手段,它视域广泛,能够客观真实地反映地表、地貌各构成要素的交互关系。
遥感影像,英文为 Landsat TM,其中,Landsat是美国陆地探测卫星系统;TM是Landsat卫星上安装的成像设备,可以对地球表面进行成像。在光谱分辨率方面,TM采用7个波段来记录遥感器获取的目标地物信息,基于目前广泛使用的光谱分析软件Erdas Imagine,人们可以对遥感影像进行信息解析和量化处理。例如,通过对山水环境卫星影像数据不同波段的图像进行分类解析,获取矢量数据(Shape格式),可以用于场地内植被的分层解析,进而获取乔木、灌木与地被的分布地理边界和面积;在此基础上,结合CAD测绘高程,可以进行场地竖向信息转化,录入GIS进行更高精度的三维模型建模,用于随后的场地分析。
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分析平台的建立与可视化
山水环境场地的分析与评估是一个闭合的、完整的信息集成处理流程,且不同建设项目选址的基本解析流程一致,所用到的工具具有重复性和交叉性。为使场地分析方法更具实用价值,必须构建一种适用性分析平台。
从目前的情况看,基于ArcGIS系统的Model Builder平台能够满足这一工作要求。Model Builder是以地理空间数据库为基础,兼容遥感影像数据,实现场地数据的存储、分析与三维再现,为规划分析与空间决策提供良好服务的人机交互平台。Model Builder具备从场地信息录入、单因子分析到综合因子分析全过程的定量分析与可视化能力,同时具有数据处理体系清晰、可交互反馈、便于反复调试的特点,适用于山水环境场地问题的量化分析、规划预测与优化模拟。
Model Builder平台可以把分析工具和数据集成在一起,实现自动处理。利用ArcGIS操作系统,将场地数据分类录入,创建数据库并生成Model Builder模型
通过 Model Builder 对场地分析与评估流程的整体建模,可以在综合因子叠加、典型场地分析(如建筑选址、道路选址、水域选址等)中有效简化分析步骤,提高分析效率与准确性。
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分析平台的建立与可视化
参数化设计是在量化设计基础上产生的,是在原有的分析要素数据化的基础上,强调用“参数”确定各个要素之间的线性逻辑,使得局部的数据变化都能通过“参数”来影响整体,并确保整体因子的数字化协同。山水环境是一个复杂系统,具有深层次的逻辑结构和空间秩序。发现、理解并利用这种动态的逻辑关系是参数化设计的前提。山水环境分析要素众多,如高程、坡度、坡向、地表曲率、道路(距离)、水体(面积)、乔木覆盖密度、灌木覆盖密度、草地覆盖密度及人工设施(含建筑物、市政设施等),一方面使得参数化设计有了用武之地,另一方面也使得其参数的设定难以简单采用感性的判断,必须借助于专业算法。
山水环境参数化分析与评价方法包括层次分析法、模糊综合评价方法、SPSS(社会科学统计程序)统计分析和聚类分析等,以及基于GIS的网络分析法、叠加分析法等。其中,“层次分析法是由美国运筹学家萨蒂(A.L.Aaaty)于20 世纪70年代提出的一种定性与定量相结合的决策分析方法,通过建立层次体系来确定每个影响因子对绿地系统整体的影响程度,并在不同层次上将各因子或要素两两对比,构建判断矩阵,经过矩阵运算确定各因子权重,反映整个区域生态环境总体及各个不同侧面的质量状况”
在本文中,该方法主要应用于单因子叠加建立综合因子的过程。当前,考察单个生态因子的做法早已过时,对于综合因子的参数解析成为参数化设计的技术优势。AHP的深化应用大大推动了参数化评价技术的发展,使其成为现代城市规划、景观规划和环境保护等领域中重要的分析手段之一。在具备场地高程、植被分布和建设情况等数据的基础之上,通过AHP方法获得各类因子的权重,运用GIS提供的表面分析、叠加分析等信息处理工具,可快速得到场地评价结果。同时,通过对项目策划报告的分析,能够将具体建设项目的选址条件进行归类分析并按照同一数学关系因子化,以确定其参数。
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基于选址导向的分析技术集成化
在构建山水环境场地分析平台的基础上,整合 Landsat TM 遥感影像等数据并将其构成要素体系化与数字化,利用层次分析法将各因子参数化,以环境—场地的形态关系为图式语言,运用数字集成的方法开展以建设项目选址为导向的参数化选址工作。应用的主要分析方法有叠加分析、邻域分析、选择和提取、表面分析、距离分析、水文分析和网络分析等,其中叠加分析技术和表面分析技术的运用最为广泛。
在场地信息集成与选址条件齐备的条件下,可综合运用叠加分析、缓冲区分析、表面分析和水文分析等方法进行场地分析,生成场地生态敏感度解析图、建设适宜度解析图和空间密度解析图;分析项目策划报告,将选址条件因子与上述三张基础图纸进行二次叠加,生成建设选址图。在此基础上,进一步评估分析结果是否合理,并通过改变选址条件参数的方法不断优化条件,从而获得最为合理的建设选址图。该成果表现为二维矢量彩色图纸,能够清晰、准确地判定建设场地的位置、范围等地理条件,为建设项目选址的确定及深化设计提供科学依据。
综合而言,通过参数来动态控制山水环境规划设计中“场地—建设”的生成、变化逻辑关系,促成了场地客观条件与建设内容高度吻合的状态,在提高设计“精度”、提升规划设计的合理性的同时,加强了设计与场地之间的“耦合度”,促进了山水环境规划设计数字化水平的提高。
案例研究:紫清湖度假区参数化
场地分析与选址
紫清湖度假区位于南京江宁经济开发区东部,规划面积约为80hm²。规划以保护与修复山水环境和生态系统为基本目标,通过科学合理的策划定位,为游人提供高品质的生态旅游、度假休闲和环保科普等设施,为此规划要求充分调查研究与分析基地现状生态环境,对山水环境及其场地资源进行详细调研与评估,充分发挥自然景观优势,结合现有地形地貌处理好建设项目的空间选址。
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对区域环境信息的数字化采集
依托江苏省城乡与景观数字技术工程中心的技术平台,开展紫清湖度假区项目场地环境信息的数据采集与量化工作,主要包括:①紫清湖度假区Landsat TM 遥感影像数据,通过对紫清湖航片不同波段信息的解析与分类,主要用于地形地貌、植被覆盖情况的图像解析与信息采集;②紫清湖度假区土地利用现状图,主要用于配合遥感影像数据进行该地块数字高程、地表信息和水域缓冲区信息的采集等(图3);③江宁区总体规划图,主要用于获得紫清湖度假区空间发展、旅游产业发展的相关要求;④紫清湖度假区策划报告,主要用于归纳整理建设项目的功能要求、场地要求及其对周边环境的控制性要求,并按照统一标准进行数据汇总;⑤现场调研获取资料,如已有建设情况、用地现状和现状动植物资源分布等,进一步修测与完善场地数据库。将上述数据统一标准,建立数据库,供后续分析使用。
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生成竖向解析模型,建立可视化
的分析平台
基于采集数据,本次研究遴选了10项数字化分析要素—高程、坡度、坡向、地表曲率、道路(距离)、水体(面积)、乔木覆盖密度、灌木覆盖密度、草地覆盖密度及人工设施(含建筑物、市政设施等),将相关数据分层录入ArcGIS,生成Model Builder竖向解析模型(图4)。该模型可以直接对场地情况进行单因子分析,如对山水环境竖向、坡度、坡向和栅格化等具备直接获取数据的要素进行图纸转化(图5)。需要说明的是,本研究单因子分析仅为综合分析的基础性工作,根据建设需要选取有关因子并赋予参数,进而获取的综合因子解析图才对山水环境分析与建设选址具有指导意义。
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对分析因子进行参数化处理,复合
生成场地综合因子
综合因子是指由单因子叠加而成的复合因子,可以被理解为若干个单因子在不同程度上综合作用的结果。所谓单因子是指GIS工具箱中的各类一级工具,这类工具只能对数据进行第一层级的分。利用AHP方法,基于耦合原理可系统、高效地进行单因子向场地综合因子的参数化复合叠加与转化。风景旅游建筑与场地的耦合度评价是进行方案设计阶段的方案对比、设计调整及实际工程项目评估的重要手段,运用AHP方法进行耦合度评价体系的建构,其评价过程建立在专家学者对现有案例或设计方案的主观打分之上,外界影响的干预性较小,简单易行且清晰明确
在紫清湖度假区山水环境的场地分析与设计中,为了简化场地分析方法,增强可操作性,规划提出空间密度、生态敏感度和建设适宜度3个综合评价因子,通过对相关单因子群落进行AHP分析并获得其参数,可以在 Model Builder 模型中进行叠合分析并确定相应的选址范围。
(1)空间密度
空间密度反映场地表层在三维空间上的疏密程度,并与人的行为、感受有着密切的关系。空间密度对规划项目选址的影响较大,场地内不同区域的空间开朗程度具有明显差异的空间氛围;同时,空间密度对建设活动也有着明显的影响,空间密度较大的区域应当避免设置过多设施,降低建设难度和成本。空间密度对紫清湖度假区建设项目的选址具有一定的参考意义。本次研究选取能够反映场地竖向变化的高程、坡度、坡向和地表曲率4个因子(水面被视为空间密度最低的区域),以及能够反映植被密度变化的乔木覆盖密度、灌木覆盖密度和草地覆盖密度3个因子进行综合叠加。上述因子参数采用AHP方法获取,通过图纸叠加得到空间密度的分类图。
(2)生态敏感度
生态敏感度是指生态系统对人类活动干扰和自然环境变化的反映程度,说明发生生态环境问题的难易程度和可能性大小。通过生态敏感度的分类可以清晰地掌握一个地区的自然环境状况,能够划分优先重点保护及资源开发与利用的对象决定山水环境条件下生态敏感度大小的基础因子很多,本次研究选取与场地竖向关系密切的高程、坡度、坡向、水体和植被5个基本因子,对各因子环境影响程度进行分析与评价,应用AHP方法对各因子进行参数计算,得出各因子的参数值大小;通过GIS加权叠加工具对各因子进行叠加分析,设定不同敏感度的识别范围,导入Model Builder模型并生成地理边界 ( 图 6) 。
(3)建设适宜度
从广义上看,建设适宜度的概念常常被等同于生态敏感度,本文中的建设适宜度是指山水环境场地中建设人工设施(如建筑、道路、景观装置等构筑物)的工程适宜程度,并初步将建设适宜度分为了3个等级:S1(禁止建设区)、S2(限制建设区 )、S3( 适宜建设区 )。本次研究选取高程、坡度、坡向、地表曲率4个影响工程的因子及道路、水体、人工设施3个建设现状因子,进行综合叠加,所得建设适宜度等级主要用于该项目内人工构筑物的场地选址及建设范围边界划定。
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 通过分析技术的集成化,实现建设
项目的参数化选址
(1)建设项目选址要求提取
紫清湖度假区策划报告是根据相关城市规划、旅游市场调研和人文资源分析等条件获得的。它反映了业主希望增加哪些经营项目的意愿,但无法对环境能否适应这些建筑进行合理的判断。因此,需要在确定建设项目对场地要求的特殊因子的基础上,与前文的竖向解析基础图纸进行二次叠加解析。需要注意的是,各建设项目的场地要求往往具有关联性,因此需要把握好权重的关系。
紫清湖度假区项目共设置了5个规划分区(入口区、养生温泉区、湿地景观区、鳄鱼观光区、深林探险区),每个分区进一步设置了3~4个建设项目,在项目策划报告中需对这些建设项目的选址条件进行提取、归纳。以“养生温泉区”为例,规划在“养生温泉区”共设置野外露营、温泉别墅、度假酒店和室外温泉4个建设项目,其中野外露营区为游客提供室外餐饮功能,结合功能需要选址在平缓的草坡之上,日照要求较高,并以南向坡度的场地为佳;温泉别墅区旨在向该景区的游客提供具有温泉体验功能的别墅,选址要求为环境优美、远离车行道路、较为清净的地点;度假酒店主要为游客提供住宿,选址在坡度平缓且有变化的地方,以利于度假酒店凸显山地特色;室外温泉区是该景区的核心景点,以温泉为特色,要求滨水、幽静 ( 表 1)。
(2)参数化选址技术操作
“养生温泉区”的具体选址操作步骤如下:依据“养生温泉景区”选址条件,对空间密度、生态敏感度和建设适宜度3个综合因子进行二次叠加,选取同时满足生态敏感度较低、建设适宜度较高和空间密度较低 3 个条件的区域。根据建设项目选址要求,选取同时满足坡度在0%~5%、近水(距水体100m)、坡向南向和光照较好的区域;通过对综合因子选区和建设项目选址要求进行叠加,得到项目初级选址图。③筛选出场地面积≥3000m²(根据策划报告要求的建筑规模反推)的区域,得到养生温泉区选址图。该图纸反映了规划区域内符合要求的所有地块,需结合其他分区的选址结果进行进一步遴选 ( 图 7)。在此基础上,以同样方式分析其他规划分区内容,获得对应选址区域,对各选区进行综合比选,归纳整合后形成最终选址图(图8)。该图反映了紫清湖度假区内各规划建设项目的最佳规划位置,基于该图可以开展后续设计。目前,本项目已完成设计、建成并投入使用。

文章全文详见《规划师》2016年9期
山水环境场地分析与选址的参数化方法研究
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