基于交互应用的园林路径特征采集实验

由申　朱蓉

摘要：为了采集寄畅园路径空间的艺术特征。基于Java语言并采用Processing开发环境搭建了实验性的园林信息标注平台，并根据景观设计原理实现了寄畅园路径空间的数据建模，结合空间艺术理论对其路径空间进行了特征分析。在实验反馈中，将艺术特征的可视图形作为样本的验证介质，通过样本比较，将寄畅园的路径空间提炼为模板化的路径线形，以此线形可以扩展出具备类似空间特征的景观空间设计。并依据空间艺术特征和线形模块的对应关系，提出了基于数据储备的园林设计需求反馈方案。

关键词：空间艺术 空间数据模型 数字化设计

中图分类号：TP311.1

文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2019）05-0064-04

Abstract：To collect artistic characteristics of the path space of Jichang garden.An experimental platform for annotation of garden information is established based on Java language and Processing development environment.Data modeling of path space of Jichang garden is realized according to the landscape design principle.With the combination of spatial art theory，characteristics analysis of its path space is carried out.From the experimental feedback，visual graphics of artistic characteristics are taken as the medium for verification of samples.Through comparison of samples，the path space of Jichang garden is extracted into the templated path line，with which a landscape space design with similar spatial characteristics can be extended out.According to the corresponding relationship between spatial art characteristics and linear modules，a feedback scheme on requirements of garden design based on data reserve is put forwarded.

Keywords：Space Arts T-GIS Digital Design

引言

參数化景观设计离不开时空地信模型的研究，T-GIS（TemporalGeographic Information Systems）[1]的研究推动了参数化交互应用的完善，广泛应用的包括GIS和BIM，除此之外，在园林空间句法研究中Depthmap模型表现出色，在异形参数化设计研究中Rhino+ Grasshopper设计模式逐渐成熟[2]。在研究反馈中，一些应用吸收了G-Field模型进行数据管理[3]、EDGIS模型进行时态管理[4]、Geo atom模型进行交互管理。可以看出，T-GIS模型研究提高了交互应用的研析能力，研究者借此通过对事件和对象的建模来分析和解决实际问题。

但仅靠T-GIS还不足以解决空间设计研究问题。在以往的选线策略研究中，GIS的选线策略考量的主要是成本核算问题[5].但在设计项目中，选线计划还需要根据社会环境和计划需求来调整，例如在城市危险品的运输选线中GIS可以结合博弈论进行复合策略的求解[6]。除此之外，景观设计中更多的考量在于具体的空间构型，这时候Depthmap在一定程度上将现实空间的句法特征反馈给了设计研究者，例如句法模型可以从可视化层面对中国江南私家园林的空间特征进行反馈[7]。输出的图样也应当易于研究者读懂和理解，并能够对保护更新方案进行评价分析，探索规划可行性和科学性，并辅助总结设计策略[8]。

因此，为了园林设计语言的实验求解，以中国无锡寄畅园为实验样本，构建了对其内部选线空间的艺术特征采集实验，并通过控制求解样本的构形特征，提出了求解方案。

一、研究策略

（一）实验样本：本文选取了寄畅园为研究样本，寄畅园坐落在无锡市西郊东侧的惠山东麓，始建于明嘉靖初年，占地约10000平方米，地形呈不规则的梯形，南北长而东西窄，中间旷阔。园的规划布局特点，以池为主，池水随形依势，南北长约90余米，东西宽约20余米，面积虽仅0.17公顷，却给人以巨浸空澄，一泓净碧之感，名池为“锦汇漪”[9]（如图1）。

（二）研究框架：通过对寄畅园的资料搜集与调研，寄畅园在20世纪初经国家文物局批准对进行了恢复重建，经过实验考量，选择了19世纪90年代的寄畅园平面图纸作为采集样本。然后通过对空间数据的采集和建模将寄畅园的空间特征进行可视化输出，通过对求解样本和选线样本的可视化特征对比，根据设计构形需求进行设计语汇的求解（如图2）所示。

（三）采集程序的搭建（如图3）：实验交互采集环境开发应用的是Java语言和Processing的编程环境，采集数据被封装为了路线、路径和围合边界对象。在实时交互方面，数据池被交互模块和显示模块统一调用，通过I/O流将采集数据解封并存储到本地，在程序启动时会被初始化到程序中并重新封装，程序流程（如图4）所示。

（四）采集交互模块设计：客观评价界面元素的布局美度，有6个美度指标：平衡度、对称度、整体度、简洁度、密集度和凝聚度，在交互过程中会出现数据计算问题，交互事件包括移动和缩放视图10。

在交互过程中，鼠标点击位置与采集坐标，与底图中心坐标、底图宽度、高度、坐标移动的轴向距离及底图缩放系数有关。因此在交互过程中显示采集数据时，需要根据相对位置进行动态判断。

Rx，Ry：相对采集坐标，R∈[0，1]。

Mx，My：鼠标位置坐标，M∈[0，界面轴向尺寸]。

Cx，Cy：底图中心位置坐标，C∈[0，界面轴向尺寸]。

Pw，Ph：底图尺寸，P∈（0，实时交互尺寸]。

X，Y：实时显示坐标，X，Y∈[0，+∞）。

采集公式：

公式

（五）选线模型

为了在实验程序中实现选线反馈，通过交互采集方式确定了路线模型，相对于GIS的栅格或矢量模型（如图5）在数据结构上更加直接。

为了实现选线的反馈，本文制订了通过交互方式架构路线关系的采集方案（如图6）所示，将路线的采集方式分为3种类型。

baseline：自由样条线，包含若干自由节点。

branch：分支线，起点依附于其他线上。

bridge：衔接线，起点和终点都依附于其他线上。

通过对寄畅园路线的交互采集，架构了可查询的选线模型，其数据结构吻合于寄畅园中的游线（如图7）所示。

二、园林空间艺术特征的提取

（一）艺术特征数据计算：园林空间可供量化的典型艺术特征包括围合关系[11]、分形关系[12]、空间节奏[13]。真正能够在园林设计项目中应用上的是空间开合关系、转折节奏控制，也就是说大多时候数据本身对于园林设计不是至关重要的。在本文中特征數据是作为求解样本与路线样本之间的比对标准而存在的，既然如此在样本比对中，特征数据的可视化程度就显得至关重要，输出的图样应当易于研究者读懂和理解。

在以往的分析模型中，数据的可视化呈现并不是为了使研究者能够更好地理解数据背后的含义，更多的是在展示数据之间的比较关系。数据本身则被赋予了某个空间位置属性，举例来说（如图8）所示，在以往的数据反馈中路径a到b的视野数据是恒定值。

但是可是在理解层面，视野是基于“视”这一活动的，其来源是人。首先，人在空间中的感知也不只有视觉体验，其次，如果人在路径中被抽象为点，而路径是线（如图9）所示，人在a到b的移动过程中感知的一部分空间即为图中蓝色范围，那么对于每段路线，真正能被感知到的范围并不等于视野范围。而且，如果将路线空间进行划分，蓝色和红色处于同一段空间片段中，而在未进行路线选择前，绿色空间只是提供线路的一种选择，人继续沿红色行走，或是转向绿色线路将会影响分析结果。

在对寄畅园的空间数据特征计算上，为了贴合选线和人的视角，所有数据的计算都受到了线路上的相对位置控制，采集位置t的特征数据Ft的计算公式为：

C：采集位置t在本段路线上的比例位置，C∈[0，1]。

F：本段路线上的的特征数据集合，F={F1，F2，F3，…，Fn}。

T：本段路线上的转折节点数据在本段路线上的比例位置集合，T={T1，T2，T3，…，Tn}。

if：C≥Tn v Cs

依据此公式在每个路线片段上，空间特征数据都会重新计算。

（二）路径特征：寄畅园路径空间的采集，建立在路线之上，并在路线的基础上添加了新的分段（如图10、11）所示。

在对寄畅园的实验采集中，路径形态是不规则的，所以在交互采集中，能够依据采集需要调整路径形态（如图12）所示：

通过选线，将路径构形数据输出为可视化的折线波形（如图13）所示，选择了1.2.11.12.14.16.17为观览路线时，生成的路径形态分析图，其数据（如图13）所示将铺展到了横轴上。

路径形态特征分析图以路线片段为横坐标，横坐标的数值关系为路线片段的长度关系，纵坐标的数值在每个路线片段内依据路线转折分段再度细分，将每段路线空间的分形程度和路径宽度进行了可视比较，

（三）围合特征：在园林空间的艺术特征中，空间的开合体现了造园的节奏控制，在中国文化中，将这种关系称之为“抑”和“扬”，在中国古典文学中经常对这种空间进行描述，例如魏晋时期陶渊明的《桃花源记》。

同样的在采集中，开合关系的数据结构基础建立在路线之，上，采集路径边界的开敞边界，（如图14）中的红色样条线，构建路径空间中的开合关系。

（如图15）在采集中，以1.6米为限定标准，1.6米以上的视线障碍物视为有效障碍，通过选线可以将路径的开合数据输出为可视化波形，在（表1）中，基于选线1-2-11-12-14-16-17生成了空间开合关系分析图。

a：主入口;b：风谷行窝;c：双孝祠;d：九狮台;e：邻樊楼;f：卧云堂;g：连廊;h：先月榭;i：连廊：;j：郁盘廊;k：知鱼槛;：七星桥;m：水榭：;n：桥;o：涵碧亭;

同样的以路线片段为横轴，纵坐标依据路线转折分段再度细分，通过开合位置进行过滤，在出现敞开合据的位置进行波形渲染，该分析图在路线分形的特征基础上增加了空间开合属性并借此量化了空间节奏，以此对该选线路径空间的艺术特征进行可视化反馈。

三、营造语言求解与艺术特征反馈

（一）特征样本提取：在寄畅园中，并不是所有空间都适用于景观设计项目的需求，以往的空间分析模型过于关注成本以及数据忽视了空间设计语言的重要性，因此本文要在寄畅园的设计语言求解中，首先筛选具有代表性的素材样本。通过选线模型将分析了多条选线（如表2）所示：

在以上选线中，选线1代表了典型的院落布局，对应了寄畅园中的生活区，选线2代表了江南私家园林典型的亲水路线，在寄畅园中对应了锦汇漪的鹤步滩一岸，选线3对应了中国古典园林中的“廊”元素，选线4代表了典型的园林山石布局，带有了明确的“抑”、“扬”关系，对应了寄畅园中的风谷行窝—九狮台—卧云堂一线。

在4条选线中，都有比较明确的空间节奏，从特殊性出发，选线2中14-15部分的分形程度极高，而且此部分的特征的数据呈梯度递进态势，相应的在游园活动中，给予了层次鲜明的空间感受，因此本文要对选线2中该段路径的设计语言进行求解。

（二）特征求解：首先，依据路线空间的设计原理，概括了5种路径的设计构形模式（如表3）所示：

其中求解样本1为直线路径，样本2为节奏平均的转折路径，样本3为转折逐渐加剧的路径，样本四为某分段形态突变的路径，样本5是形态发生渐变的路径。分别对这5个样本做特征的采集，结果（如表4）所示。

（三）特征比对和归纳：通过选线空间特征的采集，模拟了设计者的学习与应用过程。在本实验中通过对特征的采集将特征空间的设计语言转化为了可扩展的路线空间设计模型。

依据实验（如图16）所示，将该段路线的设计语汇概括为样本5所示的设计模型。

（如图17）所示，对锦汇漪鹤步滩一岸的路线营造进行量化的结论为，在保证a、b、c、d、e、f、g……的节点转折关系基础上，使节点间的控制间距大体保持递增的状态，在围合关系上参照锦汇漪的鹤步滩一岸，就可以得到类似空间特征和游园体验，但分段转折数量不应过低。

在设计项目中该求解结论可以反馈给设计本身，如果对样本5进行扩展并应用于方案设计中。

案例①，应用于园林游廊设计（如图18）：

案例②，应用于景观游线设计（如图19）：

（四）景观设计素材收集与反馈方案：本文中的园林艺术特征采集与反馈系统能够有效地辅助设计需求反馈方案的实现，（如图20）所示，首先根据研究对象搜集相关样本，实现图片、图纸、文献等传统素材的收集，这些对于设计环节的帮助是潜在的，再通过实验程序收集设计模型和对应特征，通过关键词描述构建设计需求的反馈模型，建立相应的数据信息库，在实际项目中可以通过对需求的关键词描述实现设计模型的反馈。

结论

人工智能与虚拟现实技术的飞速发展使人们的生活方式和沟通方式发生了日新月异的变化，设计师的任务也从相对单一的视觉优化转变为在更复杂的服务体系中承担整合与协作的任务[14]。

以往的景观参数化研究中，考虑了很多的成本问题，因为在园林项目需求中客观要素占极大的部分，但园林作为设计产品，以寄畅园为例，没有将使用成本或者经济成本作为核心的设计需求，在如何权衡园林设计中的成本和艺术比例问题，需要将设计素材进行有意识的剖析。在以经验结构为主的设计范畴，可以通过参数化为介质进行设计上的量化总结，将以往的设计经验以明确的图形化方式反馈给设计需求。

生产范围内的大部分经验都可能在未来以智能化的方式发生变革[15]。对于设计本身，存在着可被量化的部分，设计反馈模型可以作为介质，通过大数据收集的方式，完善景观智能模型的构建。

参考文献

[1]W Siabato，C Claramunt，S Ilarri，MA Manso-Calljo.A Survey of Modelling Trends in Temporal GIS[J].Acm Computing Surveys，2018，51（2）：1-41.

[2]蔡凌豪风景园林数字实践——以北京林业大学学研中心景观为例[J]中国园林，2015，31（7）：15-20.

[3]L Wu.Towards a General Field model and its order in GIS[J].International Journal of Geographical InformationScience，2008，22（6）：623-643.

[4]E Pultar，TJ Cova，M Yuan，MF Goodchild.EDGIS：a dynamic GIS based on space time points[J].InternationalJournal of Geographical Information Science，2010，24（3）：329-346.

[5]袁旸洋，成玉宁参数化风景环境道路选线研究[J]中国园林，2015，31（7）：36-40.

[6]陆健，刘禹杰，马晓丽基于博弈论的危险品运输网络选线DJ中国公路学报，2018，4：322-328.

[7]梁慧琳，张青萍基于空间句法的江南私家园林空间开合量化研究[J]现代城市研究，2017，（1）：47-52.

[8]霍珺，邹雁南，朱喆基于空间句法分析的镇江历史风貌区街巷空间更新设计研究[J]设计，2018，（5）：20-22.[9]张家骥，中国造园艺术史[M山西：山西人民出版社，2004.

[10]任小帆，薛澄岐基于美度计算的Camera Connect APP界面元素布局评价[J]设计，2018，（4）：142-143.

[11]童明，作为异托帮的江南园林[A].王欣，金秋野.乌有园——幻梦与真实[C]上海：同济大学出版社，2017：14-29.

[12]李世芬，赵远鹏空间维度的扩展分形几何在建筑领域的应用[J]，新建筑，2013，（2）：56 58.

[13]张东，唐子颖，古典的隐喻——宁波玖著里景观设计思考[J].中国园林，2017，33（8）：63-67.

[14]李禹臻，徐威，刘晓明智能时代基础编程技能教学模式探究——以大连理工大学基础编程设计課程建设为例[J].设计，2018，（6）：14-115.15

[15]魏力恺，张备，许蓁建筑智能设计：从思维到建造（[J]建筑学报，2017（5）：6-12.