基于DAS的地理设计方法在空间规划中的应用

文︱周文生

1 地理设计与空间规划

1.1 地理设计

GIS作为空间分析的工具在规划领域已得到广泛应用，取得了很好的应用效果，对提升规划编制水平和规划管理水平发挥了重要作用。然而由于GIS 技术的复杂性，在过去该技术仅应用于规划前期评估、规划方案评估和规划管理，而在形成规划方案这个重要的阶段却没有介入，不能及时评估规划方案与即时反馈，当规划方案所考虑的因素较为复杂时，这种情况显得尤为突出。

在GIS技术日益成熟，空间规划所面临的问题日益复杂的背景条件下，人们希望GIS 能够与规划更加紧密地结合，为此，地理设计（GeoDesign）的概念应运而生，它是由规划设计及自然科学领域学者于2008 年在美国召开的“GIS 与设计中的空间概念”（Spatial Concepts in GIS and Design）会议上共同提出的一种规划设计方法，主张在规划设计中充分考虑项目所处地理环境的自然和社会问题，它所倡导的是一种把规划设计方案的形成和地理环境影响因素紧密结合在一起的规划和设计方法,其目的是通过可持续设计来改善我们赖以生存的环境。

地理设计的概念提出后得到地理学、信息科学、建筑规划、环境科学等领域的广泛关注，每年定期举办“地理设计峰会”，以促进地理设计的学术研究[7]。经过近10多年的研究，已在理论和实践方面取得了丰硕的成果。

（1）理论方面

国内外学者在这方面均有较多的研究，其中，美国景观规划创始人之一的Carl Steinitz（2012）所提出的“四类人、六模型、三循环”的地理设计框架对地理设计的实践具有重要的指导意义[16]，此后许多国内外学者结合本学科的特点也提出了新的地理设计框架[14][4]，丰富了地理设计的研究内容。国内学者张远、金贤锋等（2016）系统总结了地理设计理论与实践方面的成果，出版了《地理设计理论、技术与实践》专著[13]，对我国地理设计的实践具有一定影响。

（2）实践方面

地理设计不仅仅是一个概念，它需要有合适的工具或平台的支持，为此，先后出现了在CAD中嵌入GIS 分析功能或在GIS 中嵌入CAD 功能的工具，如ESRI 公司开发ArcSketch、ArcCAD、ArcGIS for AutoCAD 以及INDEX 等，也出现了专用的地理设计平台， 如ESRI 的ArcGIS Landscape Planner（图1）和清华大学周文生团队所开发的清华地理设计系统THGeoDesign（2014）（图2）[11]，此外，地理设计作为一种综合的多专业协作分析方法，在国内外规划实践中也得到了应用[1][2][5][10][11]。

图1︱ESRI ArcGIS Landscape Planner界面

图2︱《清华地理设计系统》框架

1.2 空间规划与地理设计

当前正处在空间规划的变革时代，由于空间规划是一个全新的规划，既不是传统城乡规划的升级，也不是土地规划的升级，这不仅意味着空间治理体系、治理方式的转型，也意味着规划技术方法的创新升级，而地理设计所倡导的规划理念和方法可为空间规划的技术升级提供重要的理论与方法支撑。

1.2.1 地理设计的理念与方法符合空间规划的需要

尽管地理设计是2008 年提出的概念，但其设计遵从自然的设计思想古而有之，如《老子》中的“人法地、地法天、天法道、道法自然”，《管子》中的“高勿近阜而水用足，低勿近水而沟防省”“因天才，就地利，故城郭不必中规矩，道路不必中准绳”等论述，都是地理设计思想的最好体现，现代的区域可持续发展理念也强调人与自然和谐相处，提倡区域协同发展。此外，1969 年McHarg 提出的“设计结合自然”的理论[15]以及2001 年吴良镛先生提出的人居环境科学理论框架[6]也是地理设计思想的一种体现，地理设计就是将前人的规划思想通过现代信息技术手段实现而已。

当前所开展的空间规划有别于以往的规划，过去偏向经济建设以及社会资源调整，而忽视了对生态环境因素的考虑，从而造成了对生态环境的伤害，严重影响了人们的生活，破坏了大自然的和谐稳定。在这种情况下，2013年习近平总书记提出了“绿水青山就是金山银山”这一科学论断，成为树立生态文明观、引领中国走向绿色发展之路的理论之基，这也为当前空间规划的工作指明了方向，从而将满足人们对美好生活的需求和自然资源保护并重作为空间规划的核心目标。

由此可见，地理设计所倡导的设计理念与我国空间规划的目标是符合的，均强调了生态环境保护的重要性，地理设计的方法完全适用于空间规划，对空间规划的实践具有重要指导作用。

1.2.2 时空大数据为地理设计的实施提供了保证

地理设计方法的实施有赖于空间数据的支持，在大数据、智能时代，自上而下的官方大数据更加开放，共享程度越来越高；自下而上的民间大数据，如互联网数据和居民行为数据等可获取渠道日益增多，数据分析、数据挖掘、数据可视化等手段日益丰富，利用这些数据，规划师可以更客观地认知城市现状和分析城市问题，如进行居民时空行为研究，城市交通现状研究，城市功能分区研究，城市增长边界的划分，规划评估以及目前正在开展的城市体检等，这些研究工作无疑会对提升规划方案的科学性和合理性产生重要的影响[3][8]。

目前，随着空间规划编制工作如火如荼的开展，大数据的应用在很多空间规划编制工作中都扮演了非常重要的角色，越来越成为规划编制过程中一种不可或缺的技术手段，逐渐成为规划行业的标配。

总之，时空大数据技术的出现大大缓解了地理设计中数据源问题，为地理设计方法在空间规划中的全面应用提供了有力保障。

1.3 面临的问题

地理设计理念在空间规划中应用，无论是在理论层面，还是实践层面都面临着诸多问题。

1.3.1 理论层面

虽然地理设计理念符合空间规划的需要，但地理设计在空间规划的应用还缺乏全面、系统的思考和研究，地理设计理念的真正落地还需针对空间规划在现状分析、现状评估、规划编制、实施监测、实施评估等方面的需求，从数据标准、规划分析模型、规划编制工具、规划分析工具等方面系统地开展工作，形成一套符合我国空间规划的地理设计模型标准体系、数据标准体系和技术体系。

1.3.2 实践层面

空间分析方法是地理设计的基础，在地理设计中空间分析方法的应用会贯穿规划业务的整个流程，这就对空间分析工具的便捷性、易用性提出了更高的要求，规划师可以方便地构建规划分析模型进行各种复杂的规划分析，然而，现有用于空间分析的GIS应用模式，无论是工具箱模式，可视化建模模式还是编程模式均难以有效应对。

工具箱模式就是利用GIS 软件所提供的工具箱(如ArcMap 中的Toolbox)进行空间分析操作，是目前规划师常用的空间分析手段，但这种工作模式的缺点是计算效率低下，且计算结果容易出错。而可视化建模模式则是利用GIS 软件所提供的可视化建模工具（如ArcMap中的ModelBuilder）构建自动化的空间分析模型，虽然这种模式无需规划师掌握编程技能，但这种模式仅仅适合构建简单的分析模型。编程模式则是通过编程的方式构建规划分析模型，由于大部分规划师没有经过编程训练，不具备编程技能，这种模式并不合适。除此之外，现有的应用模式还存在空间分析结果不易验证的难题，由此导致GIS在规划行业的普及率不高的问题，该问题的解决与否对地理设计方法的应用具有重要影响。

2. 新型地理计算模式

2.1 基本思想

针对上述情况，我们提出了“文档即系统”（Document As a System，DAS）这一新型地理计算模式，其核心思想是在MS Word 或金山 WPS文档处理环境下由业务人员利用地理计算语言（GeoComputation Langage，简称G 语言）对地理计算过程进行规范化描述，形成计算机可以理解的智能文档，之后由智能文档驱动后台系统完成地理计算；而G语言则是一种业务人员易于理解和掌握，计算机可识别并执行的一套地理计算的指令集，与具体的编程语言无关，与具体的GIS平台无关(图3)，这就意味着业务人员即使不懂编程、不熟悉GIS软件（如ESRI 的ArcGIS，超图的SuperMap）的操作，也可利用G语言进行地理分析模型的构建。

2.2 核心技术

DAS 的实现涉及很多技术问题，比如如何构建具有自然语言特征的G语言，如何编辑、调试和运行G 语言代码，G 语言代码如何驱动后台GIS 软件等，可归结为四方面的内容，即G语言、智能文档技术、G语言解释器以及G语言集成开发环境(图4)。

（1） G语言

G语言是DAS 的核心，主要涉及G语言的术语、语法规则以及关键词设计等内容。其中关键词是G语言对现有GIS 空间分析方法按照业务应用所进行的高级封装，主要包括数据获取类关键词（如网络大数据获取），空间分析类关键词（如空间叠置分析、地形分析、空间差值分析、空间统计分析等），数据处理类关键词（字段计算器、栅格计算器）以及数据表达类（如统计表输出、信息表数据、专题图输出以及统计图输出）。

（2） G语言解释器

G 语言解释器是根据G 语言的语法规则对智能文档进行解析，提取地理计算的关键词和控制参数，并调用底层GIS 开发库实现地理计算。它包括自然语言到编程语言的转换、智能文档的解析以及对不同GIS平台的支持等内容。

（3）智能文档

智能文档是指业务人员将技术文档采用G 语言规范化地描述为G 语言解释器可理解并能够执行的Word文档。从编程的角度来说，智能文档也可以理解为由G语言所编写的程序代码，这些程序代码需要通过G语言解释器进行分析，并调用GIS软件的空间分析功能执行一系列的地理计算。

（4）G语言集成开发环境

G语言集成开发环境，或称G语言IDE（Integrated Development Environment），主要用于MS Word或金山WPS中智能文档的编辑、调试以及执行。

2.3 技术特点

DAS 与传统GIS 应用模式相比有很大区别，主要表现在以下三个方面：

第一、易实施。由于整个操作过程在人们熟悉的MS Word 或金山WPS 文档中进行，所有计算模型的说明、计算过程和计算成果都在Word文档中整合，避免了用户在计算过程中在不同系统之间的切换。同时由于不再需要了解和掌握后台GIS 软件各种复杂的操作，从而降低了空间分析的实施难度，使没有经过GIS 专业培训的人员也可进行各种复杂的地理处理。

图3︱新型地理计算模式工作流程

图4︱新型地理计算模式关键技术

第二、模型可调整。由于所有的地理计算过程采用简单易学的G语言在Word文档中进行描述，业务人员无需开发人员的介入也可方便地对地理计算模型和参数进行调整，以适应实际工作的需要。

第三、成果质量可控。空间分析成果的正确与否，是该成果能否应用的重要前提，但现有地理计算模式对于空间分析成果的质量没有一种有效的检查手段，而在DAS下，由于Word文档中完整记录了整个计算过程（计算模型和参数设置），业务人员仅需检查地理计算的操作步骤及参数设置即可判断分析结果的正确与否，这种检查机制为复杂地理计算的实施提供了坚实的技术支撑。

2.4 研究现状

目前，该项技术已申请国家专利，并研发了MS Word和金山WPS下的G语言集成开发平台（图5），利用该平台构建了“国土空间规划双评价智能数据处理与分析系统”“时空大数据采集与分析DAS 系统”“村镇聚落监测DAS系统”“基于DAS的青岛市自然资源监测智能统计分析系统”以及“清华GIS教学DAS系统”等应用系统。由该成果所形成的专著《新型地理计算模式及其在双评价中的应用》已由测绘出版社出版[12]，英文版《A New GeoComputation Pattern and Its Application in Dual-Evaluation》也由施普林格·自然（Springer Nature）正式出版并向全球发行[17](图6)。

图5︱新型地理计算模式关键技术

图6︱《A New GeoComputation Pattern and Its Application in Dual-Evaluation》封面

此外，在2021年第48届日内瓦国际发明展上，该成果凭借其技术的原创性和显著的应用效果获得展览会金奖（图7）。

图7︱第48届日内瓦国际发明展金奖

3. 应用案例

3.1 国土空间规划“双评价”中的应用

尽管地理设计方法在规划实践中有一定的应用，但目前正在开展的国土空间规划 “双评价”工作则是一个非常典型的应用案例。所谓国土空间规划 “双评价”是指资源环境承载能力评价和国土空间开发适宜性评价（简称“双评价”）。2019 年5 月10 日印发的《中共中央、国务院关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》中明确提出，“坚持节约优先、保护优先、自然恢复为主的方针，在资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价的基础上，科学有序统筹布局生态、农业、城镇等功能空间，划定生态保护红线、永久基本农田、城镇开发边界等空间管控边界以及各类海域保护线，强化底线约束，为可持续发展预留空间”。

可以看出，国土空间规划“双评价”是优化国土空间格局的基本依据和编制国土空间规划的前提条件,也是落实国家生态文明建设战略的重要举措。

为了切实落实好“双评价”工作，自然资源部于2020 年1月印发了《资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价指南（试行）》（简称《技术指南》）[8]，规定了“双评价”工作的具体内容和相关指标的计算方法，具体包括土地、水、气候、环境、生态、灾害、区位等7 个单项评价和生态保护、农业生产以及城镇建设等3 项集成评价。

从 “双评价”工作内容来看，“双评价”工作实际上是一个以定量化空间分析为主的地理设计方法的应用，涉及大量的评价指标的计算，工作复杂而艰巨，具体表现在以下三个方面[17]。

（1）实施范围广

“双评价”涉及国家、省、市县三个层面的工作，各地开展这项工作的基础条件（主要是指数据和技术条件）差异性较大。对于信息化发展水平与经济发展水平较高的地区，如广东省、江苏省，其数据基础和人才储备一般能满足“双评价”的要求。相反，对数据基础和人才储备较差的地区，能否保质保量地完成“双评价”工作，则具有一定的难度与挑战。

（2）涉及专业多

根据《技术指南》的要求，“双评价”工作涉及生态、环境、地质灾害、地理科学、水文与水资源工程、环境科学、生态学、岩土工程、工程地质、海洋、城乡规划等专业，需要对这些专业有一定的了解和认识方能做好“双评价”的工作。

（3）数据处理难度大

《技术指南》中包括7项单项评价和3项集成评价，这些评价指标通常都需要经过多个地理计算步骤来实现。据统计，整个“双评价”工作需要400 多个地理计算步骤，若采用常规的技术手段来进行这些指标计算，对技术人员来说具有一定难度。

针对上述情况，我们根据《技术指南》的内容要求采用DAS技术构建了“国土空间规划双评价智能数据处理与分析系统”，在该系统中通过G语言描述了相关评价的业务模型，主要包括单项评价、集成评价、综合评价、对比分析以及地图分析等内容（图 8）。

该系统目前已在全国、省、市、县级“双评价”中得到应用，其中广州试评价涉及17 个计算任务，360多个计算步骤，采用该系统在普通电脑上用时2个多小时即可计算完成，并形成了100 多页的“双评价基本图表报告”，为 “双评价”报告的编写提供了保障。在由中国国土勘测规划院、中国地质调查局和国家海洋局信息中心所承担的全国层级的“双评价”工作中，面对繁重的评价计算工作，该系统也保质保量地完成了任务，得到用户单位的高度评价。此外，也有30多个省市100 多家企事业单位也使用该系统开展了省、市、县级“双评价”工作（图 9，10）。

图8︱国土空间规划双评价智能数据处理与分析系统

3.2 大数据获取与分析中的应用

目前，正处于时空大数据爆发式增长的时代，数据来源越来越多，可获取度也越来越高，其在规划领域的应用也日趋广泛，更为重要的是，互联网厂商（如谷歌、百度、腾讯、高德）都通过API接口向社会提供时空大数据服务，这些数据具有覆盖面广、更新快、错误少等重要特征，使时空大数据的广泛应用成为可能。利用这些网络API接口，人们可以通过公开的渠道在网上获取所关心的时空大数据，这也为地理设计的实践提供了坚实的数据基础。

虽然互联网厂商为人们提供了获取时空大数据的API接口，但在实践层面如何利用这些API接口获取数据，如何对所获取的数据进行处理与分析，仍是需要解决的问题。目前对于数据的采集，通常需要利用爬虫技术通过编程来实现，但考虑到编程的复杂性，人们开发了诸如“火车头”“八爪鱼”“水经注”等数据采集工具，方便数据的采集，但这种方式仅能获取数据，后续复杂的数据处理工作还需在其他软件中进行，且有些数据处理工作（如数据清洗、特殊数据处理模型的实现以及分析成果的表达）还是需要通过编程来实现，对于没有经过系统地进行过相应训练（尤其是编程）的规划师，仍是一道不可逾越的坎。

图9︱县级“双评价”区位优势度评价

图10︱县级“双评价”土地资源评价

图11︱时空大数据采集与分析DAS系统

鉴于上述情况，我们采用DAS技术构建了“时空大数据采集与分析DAS系统”（图11），将繁杂的大数据采集过程进行高效封装，形成采集瓦片地图、兴趣点、兴趣线、兴趣面、街景图片（图 12）、人口迁徙、微博（图13）等一系列G 语言关键词（如KX_GetPOI,KX_GetLOI,KX_GetStreetPic）， 这 些 关键词与其他空间分析关键词（如空间叠置、插值与密度分析、空间统计）配合，形成了集数据采集、数据分析以及成果输出等于一体的高效时空大数据分析平台，使无编程基础、不熟悉GIS 的用户也能在Word环境中通过G语言关键词获取网络时空大数据，并构建数据分析模型进行时空大数据分析。

该系统通过公众号(双评价DAS)发布后，有近千名用户下载使用，极大方便了人们对时空大数据分析的需求。在清华大学建筑学院本科生实践教学中也利用了该系统完成 “基于POI 数据的住房选址分析”（图14-18），教学效果显著。建筑系学生王梦龄在其实习报告中写道：说实话DAS 系统让我挺惊艳的，一方面惊艳于其分析能力，能够根据我们设置的兴趣点、设置的条件对地理信息进行快速的分析并进行可视化呈现，这对我们的设计可以说有很大的帮助，为我们做很多设计提供了更加可靠、准确的依据。另一方面，也惊讶于其便捷性，竟然可以在Word中利用我们都能理解的语言进行分析操作。比如在住房选址的过程中，只要理清楚思路，先确定范围再设置兴趣点并设置好缓冲范围，再通过对空间叠置的分析，分析出同时满足几个条件的部分，按照这样的思路对语言进行简单的转译便能完成分析得出结果，确实让人感到惊喜。

图12︱街景图片的获取与目标识别

图13︱POI数据获取与分析

图14︱基于POI的城市住房选址分析G语言描述1

图15︱基于POI的城市住房选址分析G语言描述2

图16︱基于POI的城市住房选址分析结果1

图17︱基于POI的城市住房选址分析结果2

图18︱基于POI的城市住房选址分析结果3

4 结论

地理设计是一种面向未来与环境的设计方法，其理念完全符合我国生态文明建设优先的空间规划核心价值观，对我国空间规划的理论与实践具有重要参考价值。此外，内容丰富的时空大数据也为地理设计的实施提供了实践基础。但地理设计方法在空间规划全流程的应用还需要有便捷的空间分析工具的支持，而DAS 是一种能在MS Word 或金山WPS 环境下即可完成空间分析的全新GIS应用技术，规划师可通过易于理解和掌握的G 语言进行复杂规划分析模型的构建，降低了空间分析的技术门槛。该技术在国土空间规划“双评价”和时空大数据的应用表明，DAS不但可以提升规划分析的效率，且规划分析的结果也可方便地得到验证，这对地理设计方法在空间规划中的应用具有重要作用。

本文的研究仅仅是DAS在空间规划中的初步应用，未来还需要根据地理设计的理论构建全面、系统的基于DAS的空间规划技术和方法体系，为地理设计方法在空间规划中的应用提供支持。

国家重点研发计划（2018YFB2100701）资助;

国家重点研发计划（2018YFD1100303）资助。