数·形·理：城市山水脉络信息图谱的建构三法

谭 瑛

陈潘婉洁

在中国辽阔大地上，地形地势类型丰富，山川形胜众多，这样的自然地理特征自古以来就深深影响着人们的空间意识与城市营造方略，形成了一套结合山水环境的独特城市设计方法[1]。钱学森先生提出的“山水城市”概念，引发社会各界的重视以及一系列研究工作，包括基于城市山水特征的城市特色研究等。近年来我国城镇化进程不断加快，人地矛盾日益凸显，景观虽然类型丰富，但其连续性与整体性遭到了极大冲击。2013年的中央城镇化工作会议提出要“依托现有山水脉络等独特风光，让城市融入大自然，让居民望得见山、看得见水、记得住乡愁”，强调人与自然的协调，体现出对未来城市景观发展的趋势构想。因此，如何科学处理山水环境与城市发展的关系，成为当今人地和谐的新型城镇化背景下的重要课题；梳理、分析城市山水本底，强化山水脉络特征，也成为编制城市设计过程中重要研究工作之一[2]。

本文结合城市景观规划设计的理论与实践，运用信息图谱理论研究方法，分别从大、中、小3个层级出发，对城市山水环境的空间信息和属性信息进行采集、加工、整合与解析；然后形成了一套由数据库建构技术群(数法)、图形处理技术群(形法)、特征分析技术群(理法)构成的完整方法体系(图1)，通过定形定量的方式来研究城市山水脉络，同时为后期的城市设计、发展规划提供准确、可靠的参考信息。

1 城市山水脉络信息图谱理论架构

作为一种基于数字技术的图形表达与分析方式，信息图谱模型①利用一系列的图像将大量数据进行归类合并，揭示内在驱动机理，并表达其中规律。其数字化特征将理论思想、人文要素与数字技术有机结合在一起。因此，运用图谱的多维组合转换与显示，可多尺度、多属性、多维度、系统地描述、分析城市山水脉络各类信息及特征[3]，而且可以服务于城市设计的科学预测与决策方案的模拟。

1.1 尺度与层次

城市山水脉络信息从尺度而言包括3个层级，即大尺度的区域层次(地理景观区域、流域等)、中尺度的市域层次(整个城市空间范围)和小尺度的城域层次(城市建成区的具体范围)。

区域空间地理条件的特殊性，是城市景观特征独特性的基础。在此尺度上，图谱数据库在山水环境信息方面主要包括整个城市的山脉走势、地形变化、水系的地理影响要素与系统组织，人文环境信息方面主要包括历史定位与城市区位，据此绘制大尺度山水脉络图，凝练山水脉络空间特色。

市域层次包括整个城市空间范围的各种景观要素，脱胎于大尺度层次的区域空间，同时又是小尺度层次的城域空间孕育形成的前提。在此尺度上，图谱数据库的建构在山水环境信息方面主要由市域范围内的山体、湖泊、江河等信息作为主要来源，绘制中尺度山水脉络图，分析城市建设范围内的整体山水格局，重点研究市域范围内山体与水体、山水与城市、山水与人之间的关系。

城域层次是与人的生存最为密切相关的城市空间，切实影响着人们的日常生活。在此尺度上，山水环境信息方面主要包括5个类型的城市绿地，即公园绿地、生产绿地、防护绿地、附属绿地和其他绿地，它们是承担城市绿地景观环境的生态保护、休闲游憩、美学观赏、防灾避险等功能的直接载体。良好的城域绿地景观解析有利于构建能够提升城市生态质量、生活质量的小尺度山水景观。

1.2 信息与类型

城市山水脉络信息从类型上可以分为空间信息和属性信息，分别包含城市空间位置的信息以及城市人文特征信息。

在空间信息方面，根据时间的不同，可分为现状及历史空间信息。在大尺度区域层次上，可从地质、水文角度出发，获取地质运动、地貌形成以及水体形态等信息，从地形地貌的构造特征来解释山水结构特征及内在关联。进而在市域层次研究城市内自然地貌的基本构成要素，大致分为山体要素、水体要素和滨水要素，包括山、丘、岗、峰、岭、谷、江、湖、河、塘、湾、汊、滩、港等。城域层次的信息类型大致与市域层次类似，范围有所缩小，信息构成方面更为细致准确。

在属性信息方面，属性信息包括心理信息和行为信息。心理信息包括市民对城市山水空间的认可度、可感知度、需求度、满意度等；行为信息包括山水空间内的人群活动时间、游玩频率等。中国丰富的自然地貌在悠久的历史演替中，与人类的筑城、造园、立塔、修亭、建庙、起坊、围港等人工建设行为相结合，形成了一系列融合了人文信息的山水地貌。因此，研究城市山水脉络的属性信息，有助于研究山-水-城-人的互动关系。

图1 城市山水脉络信息图谱建构技术框架图

1.3 步骤与技术

城市山水脉络研究分为3个步骤：归【数】、定【形】、格【理】。归【数】即图谱数据库的建构，此阶段收集整理各种信息及数据，反映城市山水脉络的现状，为进一步的图像绘制与分析提供基础；定【形】即图谱的绘制及处理，借助各种方法与工具将上一阶段的数据转化为数字化图形；格【理】即针对图谱数据库的分析，借助各种定量化分析模型与工具来找寻其间规律，通过图形综合分析实现判断。

2 数法：城市山水脉络信息的数据库建构方法

数据库建构是后续绘制与解析阶段的基础，借此可以获得山水城市较为全面、系统的资料、信息和数据。在数字景观背景下，随着人们对城市与环境的认识逐步加深，许多新兴技术方法也不断运用到这个领域里来。

对应不同工作阶段，图谱数据库的建构方法可分为数据调研技术、数据转译技术、数据统计技术三大技术群。首先，运用数据调研技术对现场进行实地调研考察、测量数据；再通过数据转译技术对开源数据、公开图片资料等进行数据转译；最后，在数字时代的背景下，数字化的测控技术为设计者获取与处理信息提供客观、有效的途径，也为后续工作积累许多基础数据，通过数据统计技术最终建构较为完整的城市山水脉络图谱数据库。

2.1 数据调研技术

在数据库的建构过程中，第一步是采用数据调研技术对某山水城市进行现场调研。针对空间信息和属性信息，分别采用三维测量法、景观注记法及簇群访谈法。

1)三维测量法。此方法利用测量仪器对场地进行定点测量以获得数据，适用于现状空间信息，主要针对资料中有所遗漏的小型山水绿地节点的面积、高度定量数据、植被状况信息、卫星图中尚未采集的水体数据等[4]。通常采用单点采集方法、近景摄影测量方法与航空摄影测量方法等传统测量方法，以及无人机低空遥感影像测量技术、三维扫描测量建模技术[5]。

2)景观注记法。调查者运用自己的知觉器官或者借助观察工具，将现场调研时对城市山水空间的感受、空间环境中的使用者处于自然状态下的行为活动等直观、定性判断的属性信息，诉诸图面、照片和文字记录。

3)簇群访谈法。适用于3个层次的属性信息的数据库建构。在现场调研的过程中，不能直接被测量和感知的人文信息类型可能会被遗漏，如山体景观的心理认可度等，可根据不同需求，对当地指定簇群进行访谈，进行心理、行为信息数据库的补充建构。

2.2 数据转译技术

图谱建构的第二步是将文献、城市地方志、公开信息图片等资料进行数据转译，以此弥补现场调研的数据缺失，这一步骤主要针对城市山水脉络的空间信息。

1)历史地图法。通过对古代地图及志书解读，通过分类提取、类型分层、数字化转译、参考系叠合等步骤，提取山水系统、城垣城池位置等相关要素，加载在现代城市空间系统中，从而使具有模糊性和意象性特征的历史地图信息在现代的矢量地形图上精确再现，探寻历史文脉与现代空间的关联[6]。

2)影像解译法。通过当地部门或官网获取影像资料，如城市地形图、绿地系统规划图、航拍照片等，将其中的山水要素、城市空间用地等要素利用专业软件进行数字化提取，形成要素图纸；然后采用方格网法校对偏差，获得较为精确的山水基础数据。

图2 POI大数据法过程示意图

图3 手机信令法过程示意图

2.3 数据统计技术

随着通信技术与互联网技术的迅猛发展，数据量尤其是山水脉络的属性信息的数据量快速增长，数据统计技术的应用随之日渐重要。在研究心理信息方面，多采用网络问卷法及关键词指数法，分别对主观认知、客观数据进行采集和统计；在研究行为信息方面，可采用POI大数据法及手机信令法等，分别对静态、动态行为特征加以统计。

1)网络问卷法。有别于传统的信息沟通方式，网络问卷法具有开放、平等、自由、大样本等特征。首先根据山水脉络的空间信息和属性信息设计一系列与日常生活息息相关的调查问卷，再通过微信、公众号、微博、网络等各类手段进行推广，邀请市民参与答卷，从而获取大量山水脉络的属性信息数据。

2)关键词指数法。在城市山水脉络信息构建中，调查者可根据当地特色自行选取，或者通过访谈、网络问卷来遴选具有代表性的山水脉络关键词，如某滨水绿地、某山体公园等，再通过搜索引擎进行搜索，获得关键词热度，据此判断该山水资源点的市民心理认知度及热度。

3)POI大数据法。在城市山水脉络信息数据库构建中，通过网络电子地图的运用，快捷地获得大量山水、绿地的静态POI数据点，并可进一步生成模型用于后期研究，并适用于三大尺度层次(图2)。

4)手机信令法。适用于市民活动密集的城域尺度的山水脉络信息数据库建构。通过手机定位功能客观记录每一个用户对城市空间的使用方式。然后将手机信令定位数据与山水脉络空间相叠加，能够探讨市民使用山水脉络空间的喜好及时空变化规律[7](图3)。

3 形法：城市山水脉络信息的图形处理方法

在通过数法建构的数据库基础上，将城市山水脉络信息数据群进行图形化处理，为之后具体解析做准备。首先，采用图形绘制技术将数据进行图像转译，绘制成图示形式；再通过图形叠加技术将某些单一图形进行对位叠合，探讨其间的互动关联；最后，利用图形凝练技术对其中一些图形进行抽象提炼，为山水脉络解析提供基础。

3.1 图形绘制技术

图形处理的第一步是针对数据类型的不同，分别采用影像描绘法、三维建模法及行景映射法等进行绘制。前两者适用于空间信息，后者适用于与人的活动相关的属性信息。

1)影像描绘法。针对已经得到的空间信息，如某城市山体规划图、城市水体分布图等，根据城市设计的需求，通过Illustrator等专业软件按原图进行描绘，并将此信息提取，可落于其他底图之上，以便后期分析。

2)三维建模法。基于图像建模技术，将已得到的空间信息，生成真实的全景模型，对城市山水脉络空间展开多角度、全方位的观察、体验，利于设计者把握空间的视线、尺度，也便于公众参与和互动。

3)行景映射法。剔除其他无关要素，将簇群访谈法、POI大数据法、手机信令法、关键词指数法等数据统计技术得到的属性信息落实到山水脉络空间图纸上，用图纸表现人的行为与景观空间之间的关联。此外还可以加入时间线的概念，综合讨论时空规律。

3.2 图形叠加技术

将上一阶段绘制的单一图形进行叠合，从中探讨相互之间的互动关联，相关技术主要有要素叠图法及历史图学法。

1)要素叠图法。针对图形绘制技术得到的单一要素信息图，加以叠加与融合，直观便捷地呈现各个要素之间的相互空间关系以及整体的城市山水脉络特征。

2)历史图学法。将历史地图法转译得到的不同时期图形，在现代空间参考系中进行叠加，从而直观呈现各个山水脉络要素在历史沿革中的变动以及山水城人关系的发展。

3.3 图形凝练技术

山水脉络往往形态较为复杂，不便于把握山水脉络空间信息的整体特征，因而需要将其从具象到抽象加以提炼。图形凝练技术运用图形的形象思维，针对前面绘制的单一图形或者叠合图形，通过概括、简化或夸张的手段选择其中一部分事物的特征进行视觉上的抽取、提炼和强化表现。

图4 峰值波动评析法过程示意图

1)像素简化法。利用Photoshop中的Pixelator Photoshop动作，选择方形、圆角矩形或三角形等像素形状，并设置马赛克的大小操作，去除一部分面积较小的要素，简化一部分形状复杂的要素，保留下重要因素以及空间关系。

2)描边强化法。对像素简化后的图形，在Illustrator中通过描边法对元素进行描绘，进一步弱化要素的具体形态并加以夸张、强调和凸显，最终将复杂的山水要素抽象成直观简洁的图形语言。

4 理法：城市山水脉络信息的特征分析方法

对通过形法获得的图形，采用结构理析技术、形态解析技术、数据评析技术进行分析，深入探求其中的特征及规律。前两者技术分别定量地讨论山水脉络的空间特征与形态特征，后者定量地讨论山水脉络的属性特征。

4.1 结构理析技术

结构理析技术即通过现代技术手段，对城市中的山水空间结构进行定性及定量分析，讨论各要素的空间关系，确定山水脉络的空间结构特征。

1)拓扑结构法。拓扑是遵循图论原理，将空间要素抽象为点、线、面，并探讨其结构关系的现代数学分析技术[8]。城市山水脉络的拓扑结构法主要是通过GIS平台对山水空间进行拓扑关系分析，探讨山水脉络空间结构。

2)空间包络法。将不同类型的山水要素位置之间两两连线，包络线密度与辐射力大小正相关，从而直观地发现山水要素对城市空间的辐射力分布状况。

3)景观空间指数法。借用景观格局指数方法中的空间指数，使用Fragstats 3.3软件计算一些简单定量指标来高度浓缩景观格局信息，并帮助描述、理解山水脉络的结构组成和空间配置特征。其中，聚集度指数、分离度指数、均匀度指数、临近指数等都是常用的山水空间结构分析指标。

4.2 形态解析技术

形态解析技术即通过现代技术手段，对城市中的山水及各要素形态进行定量分析，确定山水脉络形态的水平向及竖向特征。

1)景观单元指数法。借用景观格局指数方法中的单元指数，使用相关软件计算一些简单定量指标来描述景观单元信息，并帮助描述、理解各要素的形态特征。其中，面积指数、数量指数、长度指数和形状分维指数[9]等都是常用的景观单元分析指标。

2)山水高程法。借助已获得的山水三维模型及生成的一系列立面、剖面图，多角度观看和定量分析山-水-城之间的高度关系以及视线互动关联，从而确定山水形态的感知区域。

4.3 数据评析技术

大数据的时代背景同样为山水脉络信息数据库的分析与评价提供了很大的机遇与发展空间。数据评析技术对已获得的各类数据及图形展开定量评价分析，从而在科学层面上指导后续的城市设计。

1)特色雷达评析法。根据数据与图形资料，利用特色要素的分级评价方法，从6个维度对城市现存的山水脉络特色要素资源进行评价分析，并根据评价结果对山水空间进行分级，区分出标志要素、优势要素及基本要素。

2)峰值波动评析法。对城市山水空间汇总人群活动的强度及时间变化，对其进行剖切面分析，获取一天内不同时间的峰值波动图，得到人群活动与时间、地点的关系，最终比较不同时间的峰值波动图，解析人群活动与城市山水空间的关系(图4)。

5 结语

如何保护城市山水脉络并通过数字景观的科学手段来指导城市设计，已经成为中国城市景观规划的一个突出课题。随着中国城镇化过程的深化，各城市也逐步认识到自然山水对于城市独特面貌塑造的重要意义，解析现状城市山水脉络对于塑造城市特色、建设景观生态、营造美丽舒适的山水城市环境具有重要的实践意义。

本文从城市设计角度出发，探讨并构建了包括数据库建构技术群、图形处理技术群、特征分析技术群在内的完整系统的城市山水脉络信息图谱框架，并进一步解释具体技术的功能与操作。然而本系统框架存在一定局限性，比较适用于指导自然山水资源比较丰富的城市设计工作。

注：文中图片均由作者绘制。

注释：

① 图谱是一种主要运用图形语言进行综合表达与分析的传统方式，而信息图谱模型理论是运用卫星遥感、全球定位系统、地理信息系统和信息网络等当代先进技术和现代科学理论发展起来的。它应用地学分析的系列多维图解来描述现状，并通过建立时空模型来重建过去和虚拟未来。来源：上海市气象信息传媒中心网站。