【PR】山水環(huán)境場地分析與選址的參數(shù)化方法研究

幻雪生平 2016-12-05

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隨著當代山水環(huán)境規(guī)劃設計方法的不斷深化，依據(jù)場地—環(huán)境生態(tài)因素的相互作用規(guī)律，運用量化分析技術輔助進行場地設計已成為參數(shù)化規(guī)劃設計的重要趨勢之一。作者東南大學建筑學院副教授李哲，東南大學建筑學院本科生卓百會，劉海濱，鄭振婷，張穎在《規(guī)劃師》2016年第9期撰文，文章以南京市湯山紫清湖區(qū)域為研究對象，以GIS空間分析技術為主要手段，系統(tǒng)整合 Landsat TM 遙感影像數(shù)據(jù)、AHP、Model Builder 等參數(shù)化研究方法，進行環(huán)境解析與綜合因子評價，為建設項目選址提供參數(shù)化分析依據(jù)。

山水環(huán)境場地分析的參數(shù)化方法

自麥克哈格創(chuàng)立生態(tài)適宜性評價的理論基礎以來，生態(tài)學和環(huán)境科學的工作方法逐漸成為現(xiàn)代規(guī)劃設計的技術內核之一?？枴に固鼓崞?、斯坦納和魯茲卡相繼突破了地圖疊加技術的機械性及局限性，使基于參數(shù)化理念的場地規(guī)劃由物理疊圖向數(shù)據(jù)化、綜合化、多元化的方向發(fā)展。在理論研究不斷積累、技術手段不斷更新的時代背景下，數(shù)字化場地分析方法的推陳出新，使得規(guī)劃師能夠在復雜的地形地貌條件下進行科學、理性的方案設計，并不斷推敲設計方案與自然地形環(huán)境的契合關系，實現(xiàn)從二維平面到三維空間的交互研究，力求全方位準確把握設計各個環(huán)節(jié)(圖1)。任何山水環(huán)境規(guī)劃建設均集生態(tài)修復、發(fā)展與利用于一體，需要結合地理學、地圖學、遙感、生態(tài)學與計算機科學等學科知識。其場地環(huán)境解析可以充分利用參數(shù)化手段，通過分析與處理信息數(shù)據(jù)，建立分析數(shù)據(jù)庫，并以數(shù)據(jù)庫為基礎，實現(xiàn)多種功能強大的專項分析方法，如空間統(tǒng)計分析、視域分析和最佳路徑分析等。本文的研究方法以場地的構成要素集成解析為基礎，運用層次分析法確定相關參數(shù)，通過加權疊加獲取綜合因子；繼而通過對建設項目選址條件的因子化處理，綜合運用參數(shù)化空間分析技術進行集成分析，生成選址地理邊界，調整選址條件直到確定適宜范圍，最終得出場地選址規(guī)劃圖 ( 圖 2) 。

場地信息的數(shù)字化采集與量化

科學認知環(huán)境特征是當代城市規(guī)劃的顯著特點，也是山水環(huán)境規(guī)劃分析與設計的重要前提，其基礎是場地要素的數(shù)字化采集與信息量化。當前，越來越多的技術途徑可以將原本限于描述性的環(huán)境特征轉化為數(shù)字語言，從而為進一步開展的參數(shù)化設計構建理性的數(shù)字平臺。例如，利用全站儀獲取場域環(huán)境信息，通過三維掃描獲取點陣云數(shù)據(jù)，憑借RS系統(tǒng)對場地進行柵格化處理等，為規(guī)劃設計基礎條件的數(shù)字化生成發(fā)揮了重要作用。

山水環(huán)境普遍具有環(huán)境資源好、空間尺度大和變化豐富等特點，傳統(tǒng)的實地踏勘往往無法獲得完整的場地信息，小型數(shù)字化測繪工具也因受采集范圍的限制，難以在整體規(guī)劃范圍內普遍使用。比較而言，遙感影像技術是山水環(huán)境場地信息數(shù)字化采集的重要而有效的技術手段，它視域廣泛，能夠客觀真實地反映地表、地貌各構成要素的交互關系。

遙感影像，英文為 Landsat TM，其中，Landsat是美國陸地探測衛(wèi)星系統(tǒng)；TM是Landsat衛(wèi)星上安裝的成像設備，可以對地球表面進行成像。在光譜分辨率方面，TM采用7個波段來記錄遙感器獲取的目標地物信息，基于目前廣泛使用的光譜分析軟件Erdas Imagine，人們可以對遙感影像進行信息解析和量化處理。例如，通過對山水環(huán)境衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)不同波段的圖像進行分類解析，獲取矢量數(shù)據(jù)(Shape格式)，可以用于場地內植被的分層解析，進而獲取喬木、灌木與地被的分布地理邊界和面積；在此基礎上，結合CAD測繪高程，可以進行場地豎向信息轉化，錄入GIS進行更高精度的三維模型建模，用于隨后的場地分析。

分析平臺的建立與可視化

山水環(huán)境場地的分析與評估是一個閉合的、完整的信息集成處理流程，且不同建設項目選址的基本解析流程一致，所用到的工具具有重復性和交叉性。為使場地分析方法更具實用價值，必須構建一種適用性分析平臺。

從目前的情況看，基于ArcGIS系統(tǒng)的Model Builder平臺能夠滿足這一工作要求。Model Builder是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎，兼容遙感影像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)場地數(shù)據(jù)的存儲、分析與三維再現(xiàn)，為規(guī)劃分析與空間決策提供良好服務的人機交互平臺。Model Builder具備從場地信息錄入、單因子分析到綜合因子分析全過程的定量分析與可視化能力，同時具有數(shù)據(jù)處理體系清晰、可交互反饋、便于反復調試的特點，適用于山水環(huán)境場地問題的量化分析、規(guī)劃預測與優(yōu)化模擬。

Model Builder平臺可以把分析工具和數(shù)據(jù)集成在一起，實現(xiàn)自動處理。利用ArcGIS操作系統(tǒng)，將場地數(shù)據(jù)分類錄入，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫并生成Model Builder模型。

通過 Model Builder 對場地分析與評估流程的整體建模，可以在綜合因子疊加、典型場地分析(如建筑選址、道路選址、水域選址等)中有效簡化分析步驟，提高分析效率與準確性。

分析平臺的建立與可視化

參數(shù)化設計是在量化設計基礎上產生的，是在原有的分析要素數(shù)據(jù)化的基礎上，強調用“參數(shù)”確定各個要素之間的線性邏輯，使得局部的數(shù)據(jù)變化都能通過“參數(shù)”來影響整體，并確保整體因子的數(shù)字化協(xié)同。山水環(huán)境是一個復雜系統(tǒng)，具有深層次的邏輯結構和空間秩序。發(fā)現(xiàn)、理解并利用這種動態(tài)的邏輯關系是參數(shù)化設計的前提。山水環(huán)境分析要素眾多，如高程、坡度、坡向、地表曲率、道路(距離)、水體(面積)、喬木覆蓋密度、灌木覆蓋密度、草地覆蓋密度及人工設施(含建筑物、市政設施等)，一方面使得參數(shù)化設計有了用武之地，另一方面也使得其參數(shù)的設定難以簡單采用感性的判斷，必須借助于專業(yè)算法。

山水環(huán)境參數(shù)化分析與評價方法包括層次分析法、模糊綜合評價方法、SPSS(社會科學統(tǒng)計程序)統(tǒng)計分析和聚類分析等，以及基于GIS的網絡分析法、疊加分析法等。其中，“層次分析法是由美國運籌學家薩蒂(A.L.Aaaty)于20 世紀70年代提出的一種定性與定量相結合的決策分析方法，通過建立層次體系來確定每個影響因子對綠地系統(tǒng)整體的影響程度，并在不同層次上將各因子或要素兩兩對比，構建判斷矩陣，經過矩陣運算確定各因子權重，反映整個區(qū)域生態(tài)環(huán)境總體及各個不同側面的質量狀況”。

在本文中，該方法主要應用于單因子疊加建立綜合因子的過程。當前，考察單個生態(tài)因子的做法早已過時，對于綜合因子的參數(shù)解析成為參數(shù)化設計的技術優(yōu)勢。AHP的深化應用大大推動了參數(shù)化評價技術的發(fā)展，使其成為現(xiàn)代城市規(guī)劃、景觀規(guī)劃和環(huán)境保護等領域中重要的分析手段之一。在具備場地高程、植被分布和建設情況等數(shù)據(jù)的基礎之上，通過AHP方法獲得各類因子的權重，運用GIS提供的表面分析、疊加分析等信息處理工具，可快速得到場地評價結果。同時，通過對項目策劃報告的分析，能夠將具體建設項目的選址條件進行歸類分析并按照同一數(shù)學關系因子化，以確定其參數(shù)。

基于選址導向的分析技術集成化

在構建山水環(huán)境場地分析平臺的基礎上，整合 Landsat TM 遙感影像等數(shù)據(jù)并將其構成要素體系化與數(shù)字化，利用層次分析法將各因子參數(shù)化，以環(huán)境—場地的形態(tài)關系為圖式語言，運用數(shù)字集成的方法開展以建設項目選址為導向的參數(shù)化選址工作。應用的主要分析方法有疊加分析、鄰域分析、選擇和提取、表面分析、距離分析、水文分析和網絡分析等，其中疊加分析技術和表面分析技術的運用最為廣泛。

在場地信息集成與選址條件齊備的條件下，可綜合運用疊加分析、緩沖區(qū)分析、表面分析和水文分析等方法進行場地分析，生成場地生態(tài)敏感度解析圖、建設適宜度解析圖和空間密度解析圖；分析項目策劃報告，將選址條件因子與上述三張基礎圖紙進行二次疊加，生成建設選址圖。在此基礎上，進一步評估分析結果是否合理，并通過改變選址條件參數(shù)的方法不斷優(yōu)化條件，從而獲得最為合理的建設選址圖。該成果表現(xiàn)為二維矢量彩色圖紙，能夠清晰、準確地判定建設場地的位置、范圍等地理條件，為建設項目選址的確定及深化設計提供科學依據(jù)。

綜合而言，通過參數(shù)來動態(tài)控制山水環(huán)境規(guī)劃設計中“場地—建設”的生成、變化邏輯關系，促成了場地客觀條件與建設內容高度吻合的狀態(tài)，在提高設計“精度”、提升規(guī)劃設計的合理性的同時，加強了設計與場地之間的“耦合度”，促進了山水環(huán)境規(guī)劃設計數(shù)字化水平的提高。

案例研究：紫清湖度假區(qū)參數(shù)化

場地分析與選址

紫清湖度假區(qū)位于南京江寧經濟開發(fā)區(qū)東部，規(guī)劃面積約為80hm2。規(guī)劃以保護與修復山水環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)為基本目標，通過科學合理的策劃定位，為游人提供高品質的生態(tài)旅游、度假休閑和環(huán)?？破盏仍O施，為此規(guī)劃要求充分調查研究與分析基地現(xiàn)狀生態(tài)環(huán)境，對山水環(huán)境及其場地資源進行詳細調研與評估，充分發(fā)揮自然景觀優(yōu)勢，結合現(xiàn)有地形地貌處理好建設項目的空間選址。

對區(qū)域環(huán)境信息的數(shù)字化采集

依托江蘇省城鄉(xiāng)與景觀數(shù)字技術工程中心的技術平臺，開展紫清湖度假區(qū)項目場地環(huán)境信息的數(shù)據(jù)采集與量化工作，主要包括：①紫清湖度假區(qū)Landsat TM 遙感影像數(shù)據(jù)，通過對紫清湖航片不同波段信息的解析與分類，主要用于地形地貌、植被覆蓋情況的圖像解析與信息采集；②紫清湖度假區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖，主要用于配合遙感影像數(shù)據(jù)進行該地塊數(shù)字高程、地表信息和水域緩沖區(qū)信息的采集等(圖3)；③江寧區(qū)總體規(guī)劃圖，主要用于獲得紫清湖度假區(qū)空間發(fā)展、旅游產業(yè)發(fā)展的相關要求；④紫清湖度假區(qū)策劃報告，主要用于歸納整理建設項目的功能要求、場地要求及其對周邊環(huán)境的控制性要求，并按照統(tǒng)一標準進行數(shù)據(jù)匯總；⑤現(xiàn)場調研獲取資料，如已有建設情況、用地現(xiàn)狀和現(xiàn)狀動植物資源分布等，進一步修測與完善場地數(shù)據(jù)庫。將上述數(shù)據(jù)統(tǒng)一標準，建立數(shù)據(jù)庫，供后續(xù)分析使用。

生成豎向解析模型，建立可視化

的分析平臺

基于采集數(shù)據(jù)，本次研究遴選了10項數(shù)字化分析要素—高程、坡度、坡向、地表曲率、道路(距離)、水體(面積)、喬木覆蓋密度、灌木覆蓋密度、草地覆蓋密度及人工設施(含建筑物、市政設施等)，將相關數(shù)據(jù)分層錄入ArcGIS，生成Model Builder豎向解析模型(圖4)。該模型可以直接對場地情況進行單因子分析，如對山水環(huán)境豎向、坡度、坡向和柵格化等具備直接獲取數(shù)據(jù)的要素進行圖紙轉化(圖5)。需要說明的是，本研究單因子分析僅為綜合分析的基礎性工作，根據(jù)建設需要選取有關因子并賦予參數(shù)，進而獲取的綜合因子解析圖才對山水環(huán)境分析與建設選址具有指導意義。

對分析因子進行參數(shù)化處理，復合

生成場地綜合因子

綜合因子是指由單因子疊加而成的復合因子，可以被理解為若干個單因子在不同程度上綜合作用的結果。所謂單因子是指GIS工具箱中的各類一級工具，這類工具只能對數(shù)據(jù)進行第一層級的分析。利用AHP方法，基于耦合原理可系統(tǒng)、高效地進行單因子向場地綜合因子的參數(shù)化復合疊加與轉化。風景旅游建筑與場地的耦合度評價是進行方案設計階段的方案對比、設計調整及實際工程項目評估的重要手段，運用AHP方法進行耦合度評價體系的建構，其評價過程建立在專家學者對現(xiàn)有案例或設計方案的主觀打分之上，外界影響的干預性較小，簡單易行且清晰明確。

在紫清湖度假區(qū)山水環(huán)境的場地分析與設計中，為了簡化場地分析方法，增強可操作性，規(guī)劃提出空間密度、生態(tài)敏感度和建設適宜度3個綜合評價因子，通過對相關單因子群落進行AHP分析并獲得其參數(shù)，可以在 Model Builder 模型中進行疊合分析并確定相應的選址范圍。

（1）空間密度

空間密度反映場地表層在三維空間上的疏密程度，并與人的行為、感受有著密切的關系?？臻g密度對規(guī)劃項目選址的影響較大，場地內不同區(qū)域的空間開朗程度具有明顯差異的空間氛圍；同時，空間密度對建設活動也有著明顯的影響，空間密度較大的區(qū)域應當避免設置過多設施，降低建設難度和成本。空間密度對紫清湖度假區(qū)建設項目的選址具有一定的參考意義。本次研究選取能夠反映場地豎向變化的高程、坡度、坡向和地表曲率4個因子(水面被視為空間密度最低的區(qū)域)，以及能夠反映植被密度變化的喬木覆蓋密度、灌木覆蓋密度和草地覆蓋密度3個因子進行綜合疊加。上述因子參數(shù)采用AHP方法獲取，通過圖紙疊加得到空間密度的分類圖。

（2）生態(tài)敏感度

生態(tài)敏感度是指生態(tài)系統(tǒng)對人類活動干擾和自然環(huán)境變化的反映程度，說明發(fā)生生態(tài)環(huán)境問題的難易程度和可能性大小。通過生態(tài)敏感度的分類可以清晰地掌握一個地區(qū)的自然環(huán)境狀況，能夠劃分優(yōu)先重點保護及資源開發(fā)與利用的對象。決定山水環(huán)境條件下生態(tài)敏感度大小的基礎因子很多，本次研究選取與場地豎向關系密切的高程、坡度、坡向、水體和植被5個基本因子，對各因子環(huán)境影響程度進行分析與評價，應用AHP方法對各因子進行參數(shù)計算，得出各因子的參數(shù)值大小；通過GIS加權疊加工具對各因子進行疊加分析，設定不同敏感度的識別范圍，導入Model Builder模型并生成地理邊界 ( 圖 6) 。

（3）建設適宜度

從廣義上看，建設適宜度的概念常常被等同于生態(tài)敏感度，本文中的建設適宜度是指山水環(huán)境場地中建設人工設施(如建筑、道路、景觀裝置等構筑物)的工程適宜程度，并初步將建設適宜度分為了3個等級：S1(禁止建設區(qū))、S2(限制建設區(qū) )、S3( 適宜建設區(qū) )。本次研究選取高程、坡度、坡向、地表曲率4個影響工程的因子及道路、水體、人工設施3個建設現(xiàn)狀因子，進行綜合疊加，所得建設適宜度等級主要用于該項目內人工構筑物的場地選址及建設范圍邊界劃定。

通過分析技術的集成化，實現(xiàn)建設

項目的參數(shù)化選址

（1）建設項目選址要求提取

紫清湖度假區(qū)策劃報告是根據(jù)相關城市規(guī)劃、旅游市場調研和人文資源分析等條件獲得的。它反映了業(yè)主希望增加哪些經營項目的意愿，但無法對環(huán)境能否適應這些建筑進行合理的判斷。因此，需要在確定建設項目對場地要求的特殊因子的基礎上，與前文的豎向解析基礎圖紙進行二次疊加解析。需要注意的是，各建設項目的場地要求往往具有關聯(lián)性，因此需要把握好權重的關系。

紫清湖度假區(qū)項目共設置了5個規(guī)劃分區(qū)(入口區(qū)、養(yǎng)生溫泉區(qū)、濕地景觀區(qū)、鱷魚觀光區(qū)、深林探險區(qū))，每個分區(qū)進一步設置了3~4個建設項目，在項目策劃報告中需對這些建設項目的選址條件進行提取、歸納。以“養(yǎng)生溫泉區(qū)”為例，規(guī)劃在“養(yǎng)生溫泉區(qū)”共設置野外露營、溫泉別墅、度假酒店和室外溫泉4個建設項目，其中野外露營區(qū)為游客提供室外餐飲功能，結合功能需要選址在平緩的草坡之上，日照要求較高，并以南向坡度的場地為佳；溫泉別墅區(qū)旨在向該景區(qū)的游客提供具有溫泉體驗功能的別墅，選址要求為環(huán)境優(yōu)美、遠離車行道路、較為清凈的地點；度假酒店主要為游客提供住宿，選址在坡度平緩且有變化的地方，以利于度假酒店凸顯山地特色；室外溫泉區(qū)是該景區(qū)的核心景點，以溫泉為特色，要求濱水、幽靜 ( 表 1)。

（2）參數(shù)化選址技術操作

“養(yǎng)生溫泉區(qū)”的具體選址操作步驟如下：①依據(jù)“養(yǎng)生溫泉景區(qū)”選址條件，對空間密度、生態(tài)敏感度和建設適宜度3個綜合因子進行二次疊加，選取同時滿足生態(tài)敏感度較低、建設適宜度較高和空間密度較低 3 個條件的區(qū)域。②根據(jù)建設項目選址要求，選取同時滿足坡度在0％～5％、近水(距水體100m)、坡向南向和光照較好的區(qū)域；通過對綜合因子選區(qū)和建設項目選址要求進行疊加，得到項目初級選址圖。③篩選出場地面積≥3000m2(根據(jù)策劃報告要求的建筑規(guī)模反推)的區(qū)域，得到養(yǎng)生溫泉區(qū)選址圖。該圖紙反映了規(guī)劃區(qū)域內符合要求的所有地塊，需結合其他分區(qū)的選址結果進行進一步遴選 ( 圖 7)。④在此基礎上，以同樣方式分析其他規(guī)劃分區(qū)內容，獲得對應選址區(qū)域，對各選區(qū)進行綜合比選，歸納整合后形成最終選址圖(圖8)。該圖反映了紫清湖度假區(qū)內各規(guī)劃建設項目的最佳規(guī)劃位置，基于該圖可以開展后續(xù)設計。目前，本項目已完成設計、建成并投入使用。