景观设计类专业中地理信息技术的应用与教学探索

朱志欣

（丽水学院中国青瓷学院，浙江丽水323000）

0 前言

GIS全称为地理信息系统（Geographic Information System，以下简称GIS），是一门知识涵盖面广，技术要求较高的综合性学科。景观设计与GIS的融合，是将地理的空间概念、数据的统计分析、设计场地的前期调研结果通过GIS可视化地图的语言，形象化为能够轻松理解的表达方式，并实现景观设计全生命周期对空间地理数据的存储、计算、集成和分析。

1 景观设计类专业对GIS辅助设计的应用需求

1.1 学科教学发展的需要

传统景观设计任务的前期是对场地现状的调研理解和总结分析，要求设计者对目标场地进行较深入的感知和理解，在教学上强调学生对设计场地现状调研时的主观能动性。然而，学生对现状调研的结论常伴有自身价值观的体现和他人理论影响，带有一定的主观性。同时，个体对设计场地的本能感知与理解能力也因人而异。后天的能力培养则受到相关学习经历和不同实践内容的影响，并受到生活成长环境等条件的制约，具有随机性和不稳定性。鉴于以上因素，为了便于学生在早期的学习中树立一种理性的设计思维和科学的分析方法，考虑需要一定软件工具和技术的介入。同时，在教学实践的基础上，通过将地理信息系统技术与景观设计的教学有机结合起来。

1.2 行业技术更新的需要

目前我国GIS与景观设计的结合运用还处在一个相对初级的阶段。一方面受限于技术平台和人才的缺失，另一方面则是相关数据的流通不畅。国家相应的地理勘测、数据处理部门，拥有的数据成果其实非常详实，但这类数据一方面因为涉密和有偿因素不便向大众开放，另一方面则是大量的设计规划部门对这方面的技术以及相关数据格式非常陌生，甚至鲜有了解，产生相关数据对接和转换上的阻碍。目前景观设计最为常见的数据存储格式基于AutoCAD平台，但该软件缺乏数据的分析与统计功能，其应用更多建立在设计者对基础二维数据的主观分析上。而GIS平台则凭借其带有空间属性的数据，以及相关软件强大的数据管理与分析功能，成为景观设计新时代的技术补充[1]。

2 GIS在景观设计中的辅助功能

景观设计是一门对土地空间创作的科学，是建立在广泛的自然科学和人文艺术学科基础上的应用学科，学科涉及的知识内容繁多，涵盖尺度范围广。由于设计创作的过程受自然环境制约和人类用途约束，势必要求学生的学习建立在多学科、涉及多门类知识的基础之上[2]。相较于传统景观设计常从艺术和哲学的角度直面空间形态的构成创作，运用GIS技术能帮助我们将土地空间内众多设计要素进行信息化的整合，从而体现学科交叉协同工作的优势。这种基于客观地理空间数据的评价结果可以是设计前期调研总结，亦或是当做设计灵感来源的基础，也可以是针对设计阶段性成果可行性的验证。

在综合学科背景下，景观设计专业学生本身就需要付出大量的时间与精力去学习碎片化的知识，面临无法在短期内完成系统性的知识整合的问题。其在早期学习与训练过程中也缺乏对要素信息收集的有效指引，容易造成对设计信息的误读，产生主观的理解。这就要通过借助技术与工具的力量，结合GIS的数据管理功能将调研过程中收集的多方位、多角度的零碎的内容提炼为统一的记录格式，并将散布在其他学科中的信息转换输出为景观设计中的可理解的语言和信息。由于景观设计与GIS两门学科均基于交叉学科背景，从长远来看，学生能够将景观设计专业学习中广泛涉猎的多学科综合知识迁移到GIS的应用学习之中；专业学习与工作具有良好的契合性，能够促进综合知识的整合。这种针对景观的数据凝练和输出的成果表现形式为数据的可视化地图，即将大量抽象的，或是数字的信息由计算机输出人类视觉系统可以直观识别的图像内容，这种设计在景观设计中被归类为虚拟设计的一种。可视化分析地图不仅提供了设计依据，也为同行之间的交流带来了信息的直观表达。在景观设计的应用中，可视化地图类型可概括为遥感数据的可视化、统计数据的可视化以及适宜性分析模型的可视化。在相关教学设计的研究与融合中，这类景观要素的数据可视化学习的内容将是丽水学院环境设计系景观设计方向考虑研究建设的重点内容。

2.1 遥感数据处理与可视化应用

遥感图像通过像元值的差异反映地物的光谱信息及空间变化原理来表示地物差异[3]。遥感数据有多种产品类型，通过相应的指标和算法划分为不同的类别[4]，需通过软件对遥感影像中的不同标准的地物的光谱信息和空间信息进行调整。目前，我国遥感数据的获取数据云与共享平台有很多，如地理空间数据云、地理国情监测云平台、全球变化科学研究数据出版系统等。高分辨的遥感影像为商用付费模式，这类遥感影像因其有丰富的光谱和空间信息，广泛应用于城市土地利用制图和各个环节监测[5]。遥感数据可以作为景观上对地理空间信息处理的第一环节，是数据对自然地物现状最直观的反映，也是学生在设计时最常接触的景观要素内容。通过遥感数据的处理，我们可以生成设计场地的等高线地形图（图1）、坡向坡度图（图2），帮助我们更好地了解设计场地的地形起伏。也可以提取植被覆盖数据（图3）和地表温度数据（图4）来为景观设计的生态方面内容提供数据补充，提供设计分析论证。

图1 基于DEM影像的丽水市莲都区等高线地形图

图2 丽水市莲都区坡度地图

图3 基于landsat8的丽水市莲都区森林区域图

图4 基于landsat8的丽水市莲都区地表热度反演

2.2 统计数据的收集与可视化应用

统计数据是反映国民经济和社会现象的数字资料以及与之相联系的其他资料的总称。在GIS支持的软件中，统计的对象、范围可大可小，存储的内容也不受限于数字。可根据具体数据存储的方法和特性，将设计数据如树、道路、水面相应地转换为点、线、面的形式进行统计。其中，ArcGIS软件提供了多种关于数据统计分析的工具，自带工具包已基本能满足学生需求。图5为分析大学城附近犯罪与人口关系的散点图矩阵，是基于对不同类型的人口数据，如人种、年龄、收入等要素与犯罪要素进行对比，进而探讨设计区域内人口结构与引发不安定因素的关联性。这对于景观设计专业的学生来说，是综合运用多学科知识解决多学科数据和成果的收集管理、合成可视化、分析评价的手段之一。

图5 大学城居住区人口组成与犯罪类别之间的关系分析

2.3 适宜性分析模型可视化应用

针对景观设计而进行的地理数据量化计算是基于多种数据可视化成果叠加的分析计算，其成果形式同样以可视化展示。对于景观GIS的教学来说，适宜性评价地图则是最直接的利用形式，也是重要的学习内容。景观适宜性评价是根据设计场地的自然特征、社会风俗、人文经济等权重要素来研究该地块对设计内容的适合程度。其成果整合了多种数据分析成果并对设计内容的土地空间适宜性进行了分级评价（图6），对设计的选址、功能分区、可行性分析提供了目标方向和探索依据。适宜性分析能帮助设计者之间更好地论证建设内容的选址或布局，而选择适当的土地用途是实现可持续发展的最重要步骤之一[6]。

图6 基于适宜性分析的新学校选址评价地图

3 教学应用探讨

随着技术的不断发展，GIS以及相关联的技术层出不穷，会逐步成为景观设计不可分割的一部分，这在建筑学科以及城市规划学科中已早有先例。尽早针对景观设计专业方向开展信息技术辅助设计教学研究，合理规划安排关联课程的教学结合，科学规划学生将GIS应用于学习、实践和工作之中，保证在未来的景观设计行业环境中具有较高的技术优势。

3.1 教学目标

熟悉GIS应用相关基础地理知识；熟悉GIS软件基本操作，主要了解关于数据的查询、编辑和转换空间分析等功能;熟悉遥感影像如Landsat系列和DEM的获取与模型建立;熟练使用可视化地图解决景观设计中的多项问题；逐步掌握景观要素信息化转换的能力，将所学的理论和实践的经验结合起来，建设属于自己的信息库并运用于未来的设计实践之中。教学的重心在GIS软件操作、景观要素信息化和结合数据可视化的空间分析运用等方面。

3.2 教学内容

景观设计GIS课程由三大模块组成:GIS理论部分、实践操作和综合课程设计。这一系列内容将以大章的形式设计于计算机辅助设计的课程之中，成为景观设计分析制图章节的一部分。

理论部分以讲授的方式进行，以GIS相关的基础地理知识为主，主要包括入门介绍、发展概况、应用实例等。通过结合不同类型的案例分析，引起学生的兴趣，并加深学生对GIS在景观设计中多种应用功能的认识。

实践操作以上机练习为主，田野调查为辅。机房学习针对软件操作的练习，学生在此过程中深化对GIS相关理论的理解，熟练掌握GIS数据信息的搜索、下载、二次编辑、转换、输出和分析等内容，了解部分工具包的使用与组合，拓展遥感数据的处理。田野调查则侧重于对设计场地所有地物数据、人文数据以及细节信息的记录。外出采集数据的学习可穿插于其他设计课程的调研活动之中。

综合课程设计应根据实际设计项目展开，结合学生所学的景观设计理论方法，利用GIS对项目进行调研、分析与初步设计，完成一套相对完整的方案设计。基于GIS的景观综合设计更侧重于设计的分析与讨论能力，要求方案文本结合汇报表达，旨在指导学生建立起利用GIS辅助解决问题、完善设计的思路与框架。

3.3 熟悉相关软件平台

熟悉相关软件的操作是一切基础工作开展的前提，在针对景观设计专业的教学中应把握核心设计内容，避免将GIS的内容过度开展，避免多软件多平台，保证软件本身操作的流畅性以及学生未来自我扩展的可能性。

在传统应用型研究与学习中，GIS工作所依托的软件最多为ESRI旗下的ArcGIS商用软件，该软件是目前在景观设计实践中的最优选择。同时，该软件是最适合单用户的桌面软件之一，其集成了多种已开发成熟的分析工具，是目前应用最广的软件。在欧美发达国家GIS相关课程的教学中，均以ArcGIS的使用为软件基础，围绕ArcGIS的功能进行空间分析的训练。近年来，随着网络技术的发展，一些院校也开放了WebGIS进行多维度的学习，这是一种基于互联网对地理空间数据进行发布和应用的方式。它将计算机网络与GIS相结合，较好地克服了传统GIS技术面向范围小、空间数据共享困难等问题[7]。此外，基于GEOJSON的WebGIS还能直接利用API的优势，将开源已有的服务与技术转化到自身项目之中。网络技术有其便携性，在桌面版GIS软件上一直进行着革新，一些学校开始推进ESRI旗下更先进的ArcGIS Pro的学习和使用，数据的处理开始由2D转向3D，最新版本支持与BIM建筑信息系统的协同工作，这些发展和进步都进一步拓展了学生设计学习的无限可能性。此外，若使用遥感数据，则需要使用ENVI来做处理再转换为ArcGIS可读取的文件类型。

3.4 景观要素信息化的能力培养

景观要素信息化是将具象的环境要素以及抽象的人文经济要素转换为计算机数字存储信息。在大尺度设计下展现对遥感数据的获取与转换，并接入统计数据；小场地设计包括对设计中相关地物数据的采集、转换与使用。训练时收集的手段、媒介、平台不限，更多的是一种综合能力的培养，在有限的环境下也能灵活使用身边的工具对如尺度、温度、湿度，甚至人的态度等要素，结合地理空间坐标进行统一记录。该能力的培养须结合景观设计调研与综合信息整理展开，并与景观设计方向相关设计课程产生良好的联动。在早期教学中便引入景观信息化、参数化的概念，让学生在设计中锻炼对空间场地的把控能力。在训练中难免会出现无关信息或冗余数据，学生可通过实践练习不断剔除该类无效内容，提炼最优数据。通过教学实践操作做到一放一收相结合，即从大量数据收集，到数据的精炼，再到核心要素信息的提取，逐步提升学生对场地有效要素信息的敏感度，并在实践中提升客观分析的能力。

3.5 景观数据可视化的操作与运用

景观数据的可视化建立在景观要素信息化之后，是利用GIS软件相关算法或模型产生的直观成果，是对原始信息反复雕琢后产出的数据图形精华。首先，可视化成果可以辅助人们客观分析场地空间，充分了解场地信息。学生可通过经GIS处理后的可视化图了解场地现状，并通过场地现状图所传达的直观信息完成设计概况部分的撰写练习。其次，可根据可视化图产出的信息分类成果展开主观能动性的延展分析。尝试鼓励学生从不同角度去思考问题，如根据自身学科角度归纳评价因子、设定权重，并获得用地适宜性分析图。最后，可利用可视化图进行辅助决策，针对备选设计方案进行模拟预测，尝试评价设计内容对未来周边环境的影响，根据结果做出合理科学的判断和调整。综合而言，GIS可以较好适应景观设计的全生命周期。

4 结语

GIS地理信息系统已是一门较为成熟的学科，但适用于景观设计的本科教学模式和应用研究还处于一个相对初级的阶段，特别是对地方院校相应的理论基础和相关教学案例建设的研究还比较少。然而，随着计算机技术的高速发展，信息化对设计的辅助和决策功能开始突显，相信GIS技术将在景观设计教学中挥更大的作用。尽快引入景观GIS辅助设计课程，将为丽水学院环境设计专业景观设计方向的发展提供更开阔的思路，符合学科技术更新发展的趋势，有利于学生适应未来行业的飞速变化。通过对GIS技术的学习，培养学生的数据分析能力和逻辑思维能力，逐渐将景观设计专业的学习由主观感性经验的积累上升到感性与理性结合、美学感受和科学分析相辅相成的高度。

对于教学而言，首先要把握该技术课程在学校相关教学中的体量关系。对内容的选择逐步精炼，循序渐进地引入相关知识和概念，把握技术课程与设计课程之间的比重关系。其次，要克服当前社会上优质共享数据来源少的问题，逐步累积高分辨率和高精准度数据资源，促进与地理影像、统计数据资源服务商达成教育资源分享，提供面向学校的地理信息教育WEB库。也要从丽水地方出发，基于教学，优先建设属于丽水学院的丽水地区地理信息数据资源库。最重要的是，锻炼景观设计专业方向学生运用GIS形成一套科学理性的评价方法，做好GIS与其他课程的衔接联系，培养未来景观设计专业复合型人才。