基于数据共享平台的动态视觉景观分析信息技术集成及其初步应用——以广珠轻轨为例

江海燕

郑嘉奇

马 源*

长期以来，中国城乡发展重生产轻生活、重经济轻环境，导致经济社会取得重大发展的同时，生态环境遭受严重破坏，特色风貌大量消失。以珠三角为代表的城镇密集区经历30多年快速工业化、城镇化，各种低质量、高密度的锌铁棚旧厂房、旧工业园区、握手楼村庄绵延成片，新建高层封闭楼盘孤岛式分布其中，高速路、高架桥、高压电线塔、广告牌等设施密集割裂农田、鱼塘、林地等自然景观，各种快餐式建设的要素交错混杂，承载审美、愉悦价值的视觉景观难以满足人们内心的精神共鸣。快速交通沿线视觉景观提升是城乡建设和管理的综合反映，对增强城乡品质、愉悦审美和诗意栖居具有重要意义。然而，如何快速获取有效数据进行景观分析和评价是该类规划工作面临的首要难题。论文以广东省住建厅2016年7月委托项目“高速公路、轨道沿线美途规划研究(一期)”的成果为基础，从数据获取、分析评价、规划设计3个主要环节，阐述主要技术及其具体应用，目标是借助互联网开放多源数据渠道及ESRI软件平台，形成一套初步可行的、适用于城镇密集地区交通沿线视觉景观分析评价及规划设计的技术方法，为同类型规划及管理工作提供借鉴。

1 动态视觉景观及动态视觉景观规划

1.1 公路景观发展概况

随着现代交通的发展，国外在1920—1930年就开始了道路线性动态空间的美学问题研究。美国的公路美学产生于19世纪末奥姆斯特德提出并付诸实践的公园路(parkway)规划思想[1]；1950—1960年，美国各州道路技术者协会(AASHTO)编制了《公路景观设计指南(1965)》；1980—2000年，美国联邦公路管理局出版《公路建设项目视觉影响评价(1986)》、《公路景观和环境设计指南(2002)》[2-3]。日本自1960年开始建造高速公路，其道路协会制定了《高速公路造园设计要领(1970)》[2-3]；1990年以来，日本高速公路景观更加突出主题化、休闲娱乐化和综合化[4]。同时期，其他国家也都非常重视公路使用者的审美体验，纷纷制定了相关的设计规范，包括《公路景观设计规范(德国，1980)》《公路建筑和景观设计规范(前苏联，1975)》《道路景观设计规范(法国，1980)》《美学设计实践手册(加拿大，1991)》等[2-3]。21世纪以来，随着公路的老旧化以及高铁和轨道交通的快速发展，西方国家引入绿道、生态网络和绿色基础设施等规划理论，将生态、美学、交通功能一体化，指导修复生态系统、美化交通环境和提升审美体验[5]。

我国交通部于1983年颁发《公路标准化美化标准》，主要针对公路本体环境的建设要求；2004年刘朝晖、张阳、赵一飞等编著的《公路线性与环境设计》《公路景观学》开始关注道路周边环境的协调性和美观性问题[2-3]。近10年以来，随着我国高速公路、高速铁路和轨道交通的快速发展及规划设计实践需求的增加，相关研究呈现加速态势，全国出现了一系列硕博士论文，大大拓展和深化了动态视觉景观研究[6-9]。

1.2 动态视觉景观感知的基本原理

由于高速公路和轨道交通等处于高速运动状态，其对视觉感知影响与城市内部街道静止状态的原理有较大差异，主要表现在视觉特性、视域范围 、景观界面、节奏频率等方面[10-11]。

一方面，速度越高，物体的相对移动速度越快，动视力降低进而影响视觉感知。研究显示，当处于高速运动状态时，乘客在近景(约0.4km以内)所看到物体是模糊的；0.4～5km的中景视觉清晰，为感知的主体层次；5km以上的远景成为背景层次[2，12]。因此，公路或铁路等动态带状景观研究范围根据距离的远近分为近景区、中景区及远景区[13-14]。另一方面，道路沿线景观对车内和车外观察者都以动态序列画面出现，当景物相对运动很快时，所呈现在人眼睛里的现象连续而且不清楚，人眼至少需要5～10s的注视时间才能获得景物的清晰印象，因而道路连续景观界面最短长度为5s乘以相应速度[6，12]。同质界面太长容易引起审美疲劳，需要考虑频率或节奏这一参数。研究表明，10～12次是视觉能够接受的最大频数或车行5min的距离，超过会引起视觉疲劳[6-7]，该原理可以用于视线开合、景观变换、地标频数等参数的规划设计[15]。

1.3 典型动态视觉景观规划模式及技术方法

通过国内外案例总结，动态视觉景观规划内容、方法和采用的技术随对象尺度而变化，大致分为3种类型。第一种是几百千米的大尺度全路段景观规划，采用主题景观单元规划模式，以GIS技术分析各种自然要素，不考虑已存在的建筑物肌理。如美国内华达州I-15公路、法国巴黎里昂高速公路和长白山区吉林至延吉高速公路景观美学规划，把具有相似特点的区域用统一的设计主题进行景观单元设计[3，9，16]。第二种是10km的中等尺度，内容重点在地段项目策划和形态设计，如美国亚特兰大洲际公路75-85路段采用艺术博物馆模式[17]、北京京张高铁9.3km废弃铁路景观更新模式[18]。第三种类型是小尺度场地形态设计，如日本高速公路服务区设计[4]。基于视觉分析的景观规划需要考虑人的主观感知特点，以上案例大都以客观现状分析为基础，较少涉及主观感受的评价方法和技术。

2 问题提出及研究思路

2.1 动态视觉景观规划面临的主要问题和难点

1)基础数据的复杂性和多样性要求。

首先，视觉景观评价是以人的感知为基础，涉及内容广泛，基础数据具有主体和客体、感性和理性、定性和定量等多重性质[19-20]。因此，跨区域的具有详细道路、建筑信息的矢量化数据以及基于人的心理感知信息的评价数据，通过传统渠道难以全面获取。需要在互联网、微博和手机信令环境下，利用各种技术手段和软件进行抓取、解译、格式转换，并构建用于分析评价、规划设计和成果可视化输出的信息平台。其次，城镇密集区景观与自然景观分析对数据信息的要求不同。传统土地利用GIS数据、航空影像数据以及Locaspace等软件只能获取土地类型数据和地形特征，适用于分析自然景观。而分析和评价建成环境时，划分视域范围、描述和评价建成风貌等都需要土地利用活动的竖向变量、形态肌理以及色彩质感等，比如建筑布局平面、高度、功能等三维立体信息[10]。第三，高速公路、轨道沿线景观具有跨区域特点，通过政府渠道难以获得格式和信息统一的数据。

2)动态视觉景观评价方法和表达的难点。

与街道静态景观不同，乘客在使用高速公路和轨道交通时，是以高速运动方式在线性空间内行进，其沿线景观会以动态序列方式呈现[2，21]。较高速度和视域范围限制的差异导致视觉原理的本质差异，进而形成视觉景观感知的差异，因而基于动态视觉景观原理构建景观评价指标体系、方法并进行量化和图形可视化表达均需要理论体系和技术手段的创新[13-14]。

3)规划设计成果需要突出三维立体和动画模拟等视觉表现特点。

传统规划以经济社会发展为目标，以土地利用为核心，结果表达为二维平面的功能布局及开发强度控制，较少涉及三维立体。视觉景观规划涉及信息广泛，包括结构、形态、尺度、色彩、质地、文化以及不同人群心理感知，表达方式不仅需要突破传统二维平面，以三维立体模拟呈现，同时还要从静态表现向动画模拟突破、从单一视角向多视角突破、从一个全景鸟瞰向多区段线性长卷展示突破[22]。

2.2 研究区域与技术路线

选取纵跨珠三角城镇连绵区的广珠轻轨为典型案例。广珠轻轨全长177km，行程约1h，共15个站点，途径广州市番禺区、顺德区、中山市以及珠海市。研究范围包括轻轨沿线两侧5km、共约1 770km2区域，包括岭南水乡、河流水道集中区、工业城镇集中区、名人中山故里以及滨海城市，在城乡建设和文化特色方面均具有典型性和代表性。本研究关键技术体现在构建适应于ESRI平台的一体化分析与规划设计数据库，并通过相关软件实现的思路和过程(图1)。ESRI是世界最大的地理信息系统技术提供商，在ESRI平台上可得到多层次、可扩展、功能强大、开放性强的ArcGIS解决方案，是实现动态视觉景观规划的基础工具。

3 数据获取技术

3.1 政府部门

由于快速交通路线往往跨越多个行政区，从各行政部门获取的统计、土地利用以及各种规划数据的格式(坐标、精度等)不同，需要花费大量时间精力整合数据，故从政府部门获取数据用于视觉景观分析普适性及可操作性不强。

3.2 开源地图

开源数据获取是本研究重点。基础路网、河流水道等信息，可以使用Openstreetmap获取，通过Rhino结合Grasshopper可直接对其进行提取，用此类三维可视化工具主要是方便检查数据的完整性，直观性强。也可以在GIS软件中安装Openstreetmap的相关插件，在Arcmap中建立地理信息数据库GOD，直接将其数据提取入库(建议设置为WGS1984坐标系)。Openstreetmap中对于乡村道路级别的路网及用地现状等信息是欠缺的，可以申请省级天地图的API接口进行数据提取。该方法技术要求较高，包括JAVA及Python语言的应用，但其优势在于信息详尽，可以调出几乎所有线状及面状数据，包括完整的建筑边界数据(图2)。为更好地辅助后续工作，如邻域分析、可视分析等，可以自API端接入百度地图，获取所有注册的POI数据，同时通过“火车采集器”软件接入大众点评、58同城等网站获取POI附属数据，如人气程度、商铺信息等。

3.3 现场调研

基于模拟场地及可视化目标，在现场调研过程中应记录现状数据，如进行全程录像以获取FACADE建筑立面图像，通过Photoshop制作成模块图像，用于Cityengine软件规则建模中CGB文件的编写。

图1 技术路线图2 在Openstreetmap中截取采集范围并在Rhino中使用Grasshopper插件对OSM数据解包及渲染

3.4 主观评价数据

包括问卷和访谈两部分。一是美景度调查问卷数据：选取专业群体样本50～100人，筛选典型景观单元照片，通过评分表调查人群对典型景观的评价，基础数据录入Excel，计算结果录入GIS系统供后期分析。二是通过重点部门访谈获取各地对沿线现状景观风貌的看法、土地利用情况、土地管理困难以及沿线视觉景观提升规划的建议。

4 信息平台构建技术

为得到可操作性强的工程数据文件，前面得到的所有数据应在ESRI平台上进行一体化构建，每个步骤都必须目的明确并确定其应用领域。

4.1 数据分类整理

首先对数据进行分类整理，其次是以各类数据的使用领域来给数据分级。本研究中，数据可分为景观单元类型数据(进行节奏分析、连续性分析等)(图3)、现状土地利用类型数据(对规划决策提供一定的限制，并发挥对比作用)、城市要素数据(Cityengine规则建模)和建设信息数据(人群活动分析)等。

4.2 GIS数据构建

此步骤中最重要的是筛选有用的信息进行入库，为后期数据处理减少不必要的计算，难点在于根据需要进行所有数据的校准及坐标转换，可以将所有数据坐标定义为WGS1984，并且投影为WGS1984 WORLD MERCATOR，转换得到对应平面坐标及1:1尺度的数据后投射到TIF地形文件中开始进行规则建模(图3)。

4.3 主观判断筛选数据

调研过程中研究人员得到场地感受，后期反复观看录像补充信息。如POI数据很大部分也只是描述建筑的底层，故可参考性降低，需要人工进行邻域分析后赋予目标数据指定字段信息，大大提升数据的利用精度及效率(图3)。

4.4 Cityengine规则建模

随着地图发布工具的普及，Cityengine Web Scene等工具的诞生，其可视性强、可操作性强的特点使得全民设计成为可能。规则建模的核心在于CGB文件的编写及城市要素相关信息的收集，2D数据转为3D数据是其功能本质，包括路网3D构建、建筑边界3D构建、ASTER地形数据转换至DEM及加工等(图4仅以路网为例示意)。本研究采集沿途建筑立面信息等作为TEXTURE，分析并参考路桥规范生成路网，基于景观斑块分类生成建筑群，根据拼接的天际线通道文件进行建筑群高度的调整，再根据有意识附着的POI字段信息进行相应的修饰，城市现状的形态模拟便可完成[23]。

5 分析评价技术

5.1 GIS二维可视化

首先利用GIS划分视域范围，确定可视范围边界；进而根据土地利用类型和建筑物功能划分可视范围内的景观单元[2，12-13]。在此基础上，通过速度-时间变量，对轻轨沿线两侧景观单元界面进行景观节奏分析(图5)，计算沿线每一种景观单元界面和实现开合界面分别经过的时间，根据“5s视觉原理”分析景观单元界面长度以及实现开合节奏变化的合理性[6，12]；将美景度评价和基于手机信令数据评价的结果输入GIS景观单元属性表，通过GIS分类地图按照四分位法输出景观质量评价结果。

图3 景观单元数据及城市要素数据进行投影后入库GIS图4 2D数据转为3D数据

5.2 RHINO三维模拟

如果要进一步挖掘场地信息，必须回归动态景观研究的特性。我们尝试将现有数据接入Rhino三维动画模拟功能，制作了广珠轻轨沿线景观的模拟组图(列车内座位视高所见的景观)(图6)，每种颜色代表对应的景观形式，为其编号并拟定评分标准后进行问卷调查。另外可通过Adobe After Effects软件进行色彩占比的统计并制作报表以生成新的数据结构，与调查问卷结果进行比照后更准确地设置评价因子，最终辅助规划决策。

6 规划设计技术

6.1 基于GIS的景观节奏规划和风貌提升分区规划

利用GIS节奏分析和景观单元视觉质量评价结果进行节奏规划和景观风貌提升分区规划，并输出GIS二维规划图。

根据高速运动状态下5s清晰感知时间原理，以及10～12次频度理论[6-7]，综合考虑500m见绿的服务半径规划原理以及视域开合变化、景观类型转换的时间规划原理，确定自然景观斑块适合观赏界面时长5s～2min；令人舒适的城市景观斑块适合观赏界面时长5s～1.5min；锌铁棚厂区、城中村等负面景观不适宜用此理论，应该是时间越短越好。反之，界面太短也不符合要求，自然景观和特色城镇景观视线停留时间小于1s完全没有观赏效果。

以景观资源重要度和现状景观评价为基础，对沿线景观资源进行整合，提出保护、加强、更新三大类景观发展模式。保护能够体现沿线城乡风貌特色的景观资源，对优势景观资源进行加强，对破旧景观资源进行更新。具体划分方法为：保护改善区指所有丘陵、河流水道；加强提升区指所有农田、鱼塘、苗圃以及评分较高的城镇景观(≥3.41)、工业园区(≥3.33)；更新整治区指所有锌铁棚厂区以及评分低的城镇景观(＜3.41)、工业园区(＜3.33)[24]。

6.2 利用Python语言在Cityengine软件界面的景观单元参数化设计

利用Python语言在Cityengine软件界面内进行参数化设计，平面设计方面通过路网、街区进行景观单元结构的优化，立面设计方面通过建筑立面规则程序的编写、基本高程(如鱼塘深度、田埂塘基高度、河堤高度等)填挖方规则文件的编写、绿地植物种植方式规则文件的编写等，进行模块化、集成化的参数化设计，以方便共享编辑、修改以及多方案比较。

6.3 结果可视化输出与共享化管理

通过Cityengine输出满足动态景观规划要求的各种数据表格、分析图、三维模拟和动画文件(图7)。输出的数据表现为2种类型，一是传统规划设计成果表达通常输出的数据库文件如栅格文件和矢量文件，二是适应动态视觉景观规划表达的具有多视点、大尺度长卷特征的数据窗文件。数据窗文件具有查阅视域范围大、细节表达深、文件可共享和修改等优点，适合跨区域、大尺度、多部门的交通沿线视觉景观规划与管理。

图5 景观节奏分析结果示意图图6 广珠轻轨沿线三维模拟概念景观组图

7 结语

在越来越多数据通过互联网公开、人工和时间成本日益昂贵的信息时代，快速而准确获取数据的能力是竞争力的重要表现，是高效而科学解决问题的关键。论文以广珠轻轨沿线景观风貌提升规划为例，介绍了获取数据、分析数据同时利用数据建立共享化信息平台，进行异地同步数据管理、更新、规划设计、结果输出的技术实现方法。该套技术广泛适用于城市规划、风景园林、建筑设计、地理、国土、环境科学、交通等领域从事规划设计、科学研究和行政管理的工作人员。通过该套技术，不仅能够快速、方便获取小尺度建成环境详细信息矢量数据，更可贵的是能够获取大尺度、跨区域的建成环境三维矢量化数据。这对传统跨区域、大尺度数据往往只有地形和植被等信息，却缺乏人工建成环境如建筑物、构筑物等信息是极有价值的补充。因此，简单、快速、准确地获取建成环境信息，对当前我国存量更新转型发展阶段的数据管理和规划设计具有重要的实际意义。

论文仅仅只是开放数据环境下对跨区域建成环境信息提取、转译、整合，建构信息平台、基于视觉景观的数据分析以及景观风貌规划设计的初步运用，后续还需要从不同类型数据整合、数据信息平台和多用户共享规划设计平台构建等方面进行深入研究，实现数据和规划设计异地同步可视化、同步管理和使用。

注：文中图片均由作者绘制。

图7 建筑CGB文件的编写与结果可视化输出