传统聚落景观基因信息单元表达机制

胡 最,刘沛林,申秀英,邓运员,李伯华

(衡阳师范学院资源环境与旅游管理系,湖南衡阳421008)

传统聚落景观基因信息单元表达机制

胡 最,刘沛林,申秀英,邓运员,李伯华

(衡阳师范学院资源环境与旅游管理系,湖南衡阳421008)

传统聚落景观基因信息单元的表达机制主要包含了逻辑表达机制、数据模型表达机制和自动提取机制。结合聚落景观基因的相关理论和构建景观基因信息图谱的研究实践,探讨了传统聚落景观基因信息单元的表达机制,并以湘西凤凰古城和江永女书为例,进行了表达机制的实验。研究结果表明,表达机制对于构建景观基因图谱不仅具有重要科学意义,而且能极大地提高传统聚落景观信息管理的水平。

传统聚落;景观基因;信息单元;表达机制

0 引言

我国的传统聚落是历史先民适应环境、改造自然所形成的历史文化的物质遗存,积淀了数百年乃至上千年古老的聚居文化和艺术,以其深厚的历史渊源、纯朴的民俗民风、如画的自然和人文景观[1]而著称于世。国外学者从不同的角度进行传统聚落的研究,如1979年Lew is提出利用基因研究和解释景观,Taylo r提出利用基因分析研究聚落空间布局规律,Conzen创立了著名的“康泽恩形态研究学派”。结合国外研究成果和我国传统聚落的历史文化,我国学者在生物学基因概念的启发下,从“文化景观基因”的角度开展了传统聚落景观的文化基因形态研究,并逐步引入了 GIS技术进行传统聚落景观文化基因的提取与分析[2-10]。刘沛林等在研究传统聚落景观基因概念及其特性的基础上[3,4],建立了景观文化基因信息单元[3-5],提出了传统聚落景观基因信息图谱,划分了图谱单元模型并构建了原型系统[4,5]。景观基因信息单元是依据传统聚落某一特征文化因子(如建筑因子)而建立的基因信息结构,是构建景观基因信息图谱时不可再细分的基本单元。研究表明,构建景观基因信息图谱时必须建立准确的传统聚落景观基因要素指标体系,建立景观基因信息单元模型[4]。景观基因信息单元的表达机制及其在计算机中的实现方法则是建立基因信息单元模型的关键。

本文提出景观基因信息单元表达机制的概念及其研究内容,从理论和实现方法上探讨了景观基因信息单元表达机制的一般问题,并结合湖南江永女书村落、湘西凤凰古镇等知名古村镇中的景观信息个案,开展了景观基因信息单元构建工作。

1 表达机制的概念

1.1 景观基因信息单元的表达机制

景观基因信息单元是构建景观基因信息图谱的基本单位,也是图谱平台系统中建立的传统聚落景观实体。基因信息单元的组织、存储、运算、查询和显示过程的管理与实现构成了基因信息单元的表达机制。基因信息单元是描述传统聚落所包含的文化景观因素的基本结构体,包含了主体基因、附着基因、混合基因和变异基因,此外还包含了基因指标要素的索引值、基因单元表达方式及查询接口(图1)。基因单元的表达机制主要研究基因信息单元在图谱系统中的定义与实现过程和方法;属性信息的查询与接口的定义及实现原理和方法;景观基因内在表达机制和数理逻辑机制的定义与实现。

图1 景观基因信息单元表达机制Fig.1 Expressmechanism of landscape-gene-unit

1.2 表达机制的研究内容

景观基因单元表达机制包括景观基因信息单元模型的定义、建立与查询和表达的基本原理与一般实现方法,研究内容主要有:1)传统聚落景观文化基因“形、数、理”的内在逻辑机制。景观基因信息图谱系统的主要特征是“形、数、理”一体化,传统聚落所包含的景观基因要素之间存在着内在的“形、数、理”之间的逻辑关系。2)景观基因信息单元的数据表达机制。基因单元的数据成员构成及表现方式是用户与图谱系统之间的接口,了解景观基因要素的存储、管理和查询方法非常必要。3)景观基因的自动提取技术流程与方法。景观基因特征要素的自动提取与识别是构建景观基因图谱系统的关键技术之一,提取实现方法与技术手段需要不断完善。

2 逻辑表达机制

2.1 景观基因的特点

景观基因是对传统聚落所包含的文化特征和物质形态特征的抽象与概括,是描述传统聚落特征最有效的工具。各种景观要素均存在于传统聚落中,通过有机的排列方式体现出精彩纷呈的聚落景观特色。聚落景观基因要素的确认,可以从构成形式和基因形态两方面加以分析(表1)。从景观基因的构成看,可以分为主体基因、附着基因、混合基因、变异基因;从景观基因的表现形态看,可以分为显式基因(主要有民居景观、街区形态、平面布局、立体空间结构)和隐式基因(主要有图腾、傩戏、神话传说、语言文字等)。聚落景观基因的构成要素与形态特征相互依存(图2)。

表1 聚落景观基因的分类Table 1 Categories of landscape-gene

图2 景观基因的内在关系Fig.2 Internal relationship of landscape-gene

2.2 景观基因单元表达

根据文献[2],景观基因在聚落中的表现形式主要有二维、三维、视觉、结构。对于特定的传统聚落,主要从民居特征、图腾标志、主体性公共建筑、环境因子、布局形态5方面进行景观基因要素的识别与提取。结合笔者构建的景观基因信息单元模型[4],可以通过建筑特色(民居特征、布局形态、主体性公共建筑)、文化特征、环境因子等指标体系实现景观基因单元的属性在图谱中的表达。但该方法存在一定的不足,即无法建立多个在某一景观基因上有空间关联的传统聚落(区)的相关性,显然不能满足传统聚落空间特征的分析应用。为此,本文试图通过如下方法实现上述目标:1)定义并实现基因单元的属性查询接口,接口定义了基因单元在数据库中的检索方式,查询结果包含主体基因的类型、表现方式等;2)划分基因要素之间的逻辑关系,建立编码指标体系;3)通过图层复合机制允许跨图层之间进行基因单元的拷贝、复制与粘贴等操作;4)采用散点图、柱状图、离散曲线图等辅助表达方式完善表达方法。

2.3 逻辑表达机制

将传统聚落按照景观基因特征划分不同的群落与区系是构建传统聚落景观基因图谱的前提。研究表明,构建景观基因图谱数据库需要根据传统聚落区划的特点建立景观基因的逻辑表达机制。结合已有研究基础,本文借助数理逻辑方法说明景观基因的逻辑机制。

设G是已经提取的景观基因要素的所有元素的集合,对于任意的i(i∈N),都有 gi∈G。令 G′是G的一个子集,则G′可以表达一个传统聚落。

设L是由l1,l2,…,ln构成的一个集合,每个元素都代表集合G的一个子集。显然,对于区域A,每个子区域Ai都可以包含一个集合L,即{Ai(L)|Ai∈A,i∈N,L∈G}。所以,对于某个区域 A内的传统聚落进行区划,其实质就是找到一组规则 R,使得基于R的每一组划分LM都是集合G的一个子集。

规则R的定义与标准的选取,对于传统聚落的区划至关重要。根据文献[7],划分规则R可以定义为在某一定义域上的函数f。显然,f是一个多值函数,在不同的区间有不同的取值,每个区间上的取值都是一个值集LM(图3)。

图3 景观基因的逻辑机制Fig.3 Logicalmechanism of landscape-gene

2.4 “图”与“形”表达机制

“图”的表达机制指通过构建图形或特定的图形符号来描述传统聚落景观基因,在表现形式上可以是二维平面图形、三维立体图形。“形”的表达机制指针对某一特定的传统聚落,对其立体空间结构进行描述而采用的表达方法,如立面图、透视图、正面图、景观照片等。建立“图”与“形”的基因表达机制的目的在于充分利用 GIS软件的空间分析功能,对区域范围内的传统聚落的空间分布模式或者空间关联特征进行分析。笔者认为,通过识别单一传统聚落的特征景观基因要素,从中分离出主体基因、附着基因、混合基因、变异基因等特征要素,然后通过一定的分析评价方法,建立景观基因指标层次体系,对基因要素进行聚类与合并,据此设计适当的图形符号进行表达。具体技术流程如图4所示。

图4 “图”与“形”表达技术处理流程Fig.4 Procedure of graph&figure expressing

3 数据模型表达机制

3.1 多媒体表达机制

多媒体数据在电子地图和GIS软件中的应用较为广泛[11-14]。目前,GIS软件中已经开始集成超媒体视频数据[12-14]。多媒体数据直观形象,表现能力强,构建传统聚落景观基因信息图谱时,恰当地运用多媒体数据可以更好地描述传统聚落的特征。但视频、音频、动画等多媒体数据占有较大的存储空间,且在GIS软件中嵌入这些多媒体数据的播放器会耗费较大的内存。可以通过选取表现传统聚落主体文化特征的景观图片进行展示,如云南著名民居“一颗印”就可使用空中俯瞰的照片展示其特色。

3.2 时空表达机制

传统聚落具有丰富的历史文化底蕴与民族特色,跨越了较大尺度的时空。因此,建立完整的时间和空间特征具有较大的难度。一般采取以下方法进行补充性描述:1)查阅历史文献资料,对于某些广泛分布的特殊景观特征要素进行标注,记录其发生、发展和迁移变化的时间跨度和空间范围,如马头墙建筑风格的变化即可建立其迁移和变化的时间和空间范围;2)参考历史地理资料划定某些特征文化要素的大致空间分布范围,如苗族、佤族都是崇尚牛的民族,在其村寨民居建筑中都有以牛为特色的建筑装饰,参照其分布范围可大致划定这一文化因子的空间范围;3)建立某些聚落景观文化因素的空间分布特征对比数据,如伊斯兰教在传入我国的过程中出现了汉族建筑风格与伊斯兰建筑风格结合的清真寺,可建立这一景观要素的空间对比特征。

3.3 尺度依赖表达机制

尺度是指对地理空间的观测粒度或者约束,是数据表达空间范围的相对大小和时间的相对长短。尺度是空间数据的重要特性,在不同的尺度条件下可以观察到空间数据的不同特征。对于传统聚落及其景观基因要素,在微观尺度条件下主要是观测某项主要景观特征指标要素,在中观尺度条件下则是识别某个区域内传统聚落的景观基因,在宏观尺度条件下就是按照某种标准进行传统聚落景观的区划并建立其区划体系及群系图谱。在景观基因信息图谱系统中,多尺度表达是其基本特征。景观基因的尺度依赖特性主要表现在随着GIS空间数据的尺度由小变大,传统聚落由群系表达逐渐变为以某项或某些主要的特征景观要素指标表达。显然,景观基因的尺度变化并不是严格依赖于 GIS的尺度变换,而是取决于图谱系统对于景观基因尺度的定义与约束条件,在尺度变换中表现出来的要素分布、基因包团、斑块、区划、群系等特征形态也不是一种严格的尺度变化特征。结合前期研究[3-5],笔者认为景观基因的尺度依赖机制是“景观基因要素→基因包团→斑块→聚落区划→聚落群系”(图5)。其中,基因包团是借助生物学中细胞的概念,用于描述一定区域内某几种景观特征要素并列分布的结构体;斑块则是借用景观生态学中的斑块的概念,用于描述区域内景观特征基因并列分布的结构体,是基因包团与聚落区划的过渡结构。

图5 景观基因的尺度依赖机制Fig.5 Detail of how to rely on scale transformation for landscape-gene

3.4 数据库机制

传统聚落不同于 GIS中的普通空间对象,是历史文化的物质载体。传统聚落除像普通空间对象那样具有空间位置特征、时间特征之外,还具有唯一性、不可复制性。在构建景观基因信息图谱系统时,传统聚落所包含的景观特征要素及其基因是最主要的属性特征,也是进行聚落区划与群系划分的依据。因此,数据库设计非常重要。结合已有研究基础,笔者认为在数据库中表示一个传统聚落实体,可以将几何图形属性与空间位置数据存储于地理数据库,将景观特征要素按照显式要素与隐式要素分类,分别存储于显式基因库与隐式基因库中;数据库中的传统聚落实体,可以通过相关字段与其对应的景观基因符号图形的关联,达到表示一个图谱单元的目的(图6)。

图6 数据库逻辑结构Fig.6 Logical structure of dataset

4 自动提取机制

4.1 提取思路

景观基因的自动提取是实现在图谱数据库中查询传统聚落景观属性和景观分析的前提。在前期研究中[4],主要考虑了运用建筑因子、生态因子和文化特征要素指标体系进行景观基因的自动提取,不足之处在于:首先是考虑的指标要素太少,划分聚落景观区划时不能明显区别某些聚落所属的区划;其次是可使用的提取方法有限,对于图案提取、文字提取等方法不适用,如凤凰神鸟图案可以作为湘西凤凰古城的主体基因,而前述方法无法完成景观的准确提取。考虑到传统聚落的主体景观基因表现形态的多样性,本文在改进文献[4]提取方法的基础上提出传统聚落景观基因要素自动提取思路(图7)。其中,内在机制主要是指传统聚落或聚落区所包含的所有景观特征因子间的关系;数理逻辑则是这些景观特征因子所呈现的逻辑关系、包含关系、相似关系等。在把握景观总体特征的基础上,构建景观基因信息单元模型,结合指标特征要素体系,综合运用指标要素编码法、特征图案法、形态结构法等方法进行基因提取,并将结果存储到景观基因数据库中。

图7 景观基因自动提取机制Fig.7 Mechan ism of self-extracting landscape-gene

4.2 提取方法

在景观基因信息图谱系统中,可以采用图形、照片、符号、文本等方式表达传统聚落的景观基因。因此,可以通过指标要素编码方法、特征图案法、形态结构法、文本描述法、多因子矩阵法提取景观基因要素。指标要素编码方法是指根据构成传统聚落的生态环境、建筑结构、文化特征分离出相关特征因子,然后按照一定的规则编码,从而达到表示景观基因的方法。特征图案法是针对某些以图腾为主要识别标志的传统聚落,在构建其景观特征描述时直接采集图腾图案标志的方法。形态结构法指根据传统聚落建筑的外观形态进行提取的方法,如福建南靖的土楼群中,土楼呈现方形、圆、椭圆等空间形态,对此分别以正方形、圆和椭圆等平面几何图形加以提取。文本描述法是对某些景观成分复杂、难以直接进行单要素或者主体特征识别的传统聚落直接以简短的文本描述其特征。多因子矩阵法是根据传统聚落所呈现的多个景观要素特征因子,依据一定的计量方法(如专家打分法)确定每个特征因子的权值,由此构建特征值矩阵(其中每个元素的值都是固定的),矩阵便于参与数值运算与比较,对于某些在景观特征要素上具有空间自相似关系的传统聚落的对比分析比较适用,以我国贵州、湖南、上海、内蒙古的城隍庙为例,考虑城隍庙的建筑外观、布局形态、环境因子、建筑材料、建筑立面等因素,可构建特征矩阵(表2)。

表2 基于多因子矩阵法的城隍庙景观基因提取Table 2 Extracting landscape-gene of Chenghuang Temple usingmulti-element′smatrix

5 研究实例分析

5.1 研究实例概述

本文选取湖南省凤凰古城和江永女书作为研究实例[10],识别其景观主体基因与附着基因并建立景观指标要素体系。凤凰古城位于湖南省凤凰县城,为国家历史文化名城,交通便利,风景秀丽,历史悠久,名胜古迹众多,古建筑保存较完好。江永女书所在的古村落位于湖南省江永县,地处岭南山脉和萌诸岭山脉的山谷深处,相对较为闭塞。江永在历史发展过程中逐步形成了独特的习俗和文化,形成了“女书”,这是世界上唯一的女性专用文字,现已成为中国非物质文化遗产。

5.2 表达机制构建

5.2.1 基因的识别 根据景观基因的相关理论,基因的识别从民居特征、图腾、主体性公共建筑、环境因子、布局形态5个层面进行。凤凰古城的得名源于当地关于天方国神鸟“菲尼克司”的神话传说,确定其主体基因为凤凰神鸟。江永女书主要文化特征为独特的女书文字,确定其主体识别基因为女书文字。两者的基因识别结果如表3所示。

5.2.2 指标体系 根据分离和识别的景观基因,以建筑因子、环境因子和文化因子为例,采用指标要素编码方法进行四级编码,结果如表4所示。本文定义编码法则为:一级指标按建筑因子、环境因子、文化因子3个大类划分,分别编码为01、02、03;在一级指标下划分二级指标,二级指标下按照基因的特性再划分出三级指标;三级指标再根据基因的构成划分为各种特征要素;每级划分按照划分顺序进行编码。按照上述法则,如女书属于文化因子中的主体文化标识中的女书文字,其编码结果为03010303。这种编码方法的优点在于每个编码都对应唯一的景观基因特征要素,编码直接反映出景观基因类别与属性,便于进行查询和管理。

表3 研究实例的基因识别Table 3 The landscape-gene identifying of study cases

表4 研究实例指标要素体系Table 4 Indices system of gene-element of the study cases

6 结论与展望

本文结合前期研究,从景观基因信息单元的组织、存储、运算、查询过程的管理角度,提出了景观基因信息单元表达机制的概念,讨论了其研究内容。以此为基础,从基因单元的逻辑机制、数据模型表达机制与自动提取机制三方面研究了景观基因单元表达机制的特点和技术方法。研究结论有:1)景观基因单元的表达机制是解决景观基因信息图谱系统中基因单元的组织和管理的关键技术,景观基因单元的属性查询与可视化是表达机制应用的重要体现; 2)景观基因单元的“形”和“理”特征决定了景观基因单元的逻辑表达机制和数据模型的组织与存储特点;3)传统聚落的景观基因要素识别、指标要素体系的建立是基因自动提取的重要前提,指标要素编码方法、特征图案法、形态结构法、文本描述法、多因子矩阵法是进行基因提取的有效方法。

我国的传统聚落在经济社会发展中发挥着越来越重要的作用,其景观基因的研究是目前文化地理学的研究热点之一,在 GIS技术、地学信息图谱、数理方法等影响下日益成为多学科交叉渗透的综合性课题。深入解决景观基因在图谱系统中的传播、表达机制具有重要的科学意义。本研究的不足之处在于尚未解决景观基因的自动识别问题。今后将结合区域传统聚落群系基因信息图谱系统及其数据库的建立,深入探讨景观基因单元的自动识别与分析应用问题。

[1] 刘源,李晓峰.旅游开发与传统聚落保护的现状与思考[J].新建筑,2003(2):29-31.

[2] 刘沛林,刘春腊,邓运员,等.客家传统聚落景观基因识别及其地学视角的解析[J].人文地理,2009,110(6):40-43.

[3] 胡最,刘沛林.基于 GIS的南方传统聚落景观基因信息图谱的探索[J].人文地理,2008,104(6):13-16.

[4] 胡最,刘沛林,陈影.传统聚落景观基因信息图谱单元研究[J].地理与地理信息科学,2009,25(5):79-83.

[5] 胡最,刘沛林,申秀英,等.古村落基因图谱的平台系统设计[J].地球信息科学学报,2010,12(1):83-88.

[6] 邓运员,代侦勇,刘沛林.基于GIS的中国南方传统聚落景观保护管理信息系统初步研究[J].测绘科学,2006,31(4):74-77.

[7] 申秀英,刘沛林,邓运员,等.中国南方传统聚落景观区划及其利用价值[J].地理研究,2006,25(3):485-494.

[8] 申秀英,刘沛林,邓运员.景观“基因图谱”视角的聚落文化景观区系研究[J].人文地理,2006,90(4):109-112.

[9] 刘沛林.“景观信息链”理论及其在文化旅游地规划中的运用[J].经济地理,2008,28(6):1035-1039.

[10] 刘沛林.中国古村落之旅[M].长沙:湖南大学出版社,2007. 160-164.

[11] 任忠斌,孙庆珍.基于可用性的多媒体电子地图集界面设计研究[J].测绘科学,2010,35(2):145-146.

[12] 孔云峰.基于Web服务的地理超媒体系统设计开发与应用[J].地球信息科学学报,2010,12(1):76-82.

[13] 孔云峰.地理视频数据模型设计及网络视频 GIS实现[J].武汉大学学报(信息科学版),2010,35(2):133-137.

[14] 孔云峰.地理视频数据模型及其应用开发研究[J].地理与地理信息科学,2009,25(5):12-16.

Abstract:In this paper,the concept of Exp ression Mechanism of Landscape-Gene Information Unit of Traditional Settlement (EMLGIU TS)is put fo rward based on p revious researches.EMLGIUTS is composed of three parts:exp ression mechanism of logic,exp ression mechanism of data model,mechanism of auto-extracting elements of gene,respectively.This paper goes deep into EMLGIU TSw ith the autho r′s creative research of constructing Landscape-Gene Information A tlas System and the theo ry of landscape-gene.In o rder to demonstrate the EMLGIU TS,Xiangxi Phenix Tow n and Jiangyong Women′s Language have been taken for an experimental examp le of EMLGIU TS.The experiment results show that EMLGIUTS is very important to construct Landscape-Gene Information A tlas System.

Key words:traditional settlement;landscape-gene;info rmation units;exp ression mechanism

Expression Mechan ism of Landscape-Gene Information Un it of Traditional Settlemen t

HU Zui,L IU Pei-lin,SHEN Xiu-ying,DENG Yun-yuan,L IBo-hua
(Department of Resources&Environment and Tourism M anagement, Hengyang N ormal University,Hengyang 421008,China)

TP283.1

A

1672-0504(2010)06-0096-06

2010-06-26;

2010-08-30

国家自然科学基金项目(40771050);国家科技支撑计划项目(2008BAJ08B18-01);湖南省哲学社会科学2010年度重大招标项目;湖南省人文地理学重点建设学科项目;湖南省科技创新团队项目和湖南省教育厅一般项目(08C153)

胡最(1977-),男,讲师,研究方向为地学图谱。E-mail:fuyanghuzui@163.com