地理设计框架:一种区域规划模式与决策方法

魏合义,樊 宇,徐子瑜,冯思宇

(1.江西师范大学地理设计研究中心,江西 南昌 330022;2.香港中文大学地理与资源管理学系,香港 沙田 999077)

0 引言

据文献[1]记载,区域规划概念是由G. Patrick引入的,在拓展其区域规划哲学的基础上于1915年撰写了《城市演变:城镇规划运动和公民学研究导论》,提出了“场所、工作和人”的概要性愿景,解释了经济、社会文化和福利的共生关系.随着地球人口数量剧增、城镇化进程加快，人类与自然资源、生存空间之间的矛盾加大[2-3].如何更加科学合理地利用资源和空间以此来维持社会经济、文化和生态环境的可持续性是区域规划理论首先要解决的问题.

19世纪，一些美国的规划师、建筑师、社会学家和造林学家小范围地讨论了如何建设或重建美国城市和都市区,用于保护农村和荒野地区.这些对区域规划方法的讨论促成了美国区域规划协会(RPAA)的成立[4].城市和区域环境的复杂性需要一个较为理性的规划方法，有学者曾讨论采用系统论和控制论的方法研究人类环境规划问题，特别是计算机科学和数值模拟手段的进步能够使规划师模拟城市行为并预测它们可能带来的一系列结果[5].在区域规划中对“定性离散多准则选择模型”也有介绍，该模型有利于解决多区域规划冲突问题[6].在区域规划中,生态、文化和社会价值等非货币效应变得越来越重要，有研究探讨“平均值排序多指标方法”并对欧洲项目进行应用展示[7].在区域规划实践中，用于支持规划的数据通常可分为定性数据和定量数据.前者如一些调查问卷和归纳数据;后者多为具有空间位置和属性特征的数据类型,如早期用于住房分配问题的研究[8]以及近期定性方法在社区开发中的应用[9].

在地理学的研究领域中,区域(region)是指由自然特征、人类影响特征或人类与环境相互作用而形成的诸多特征集.国家或地方政府为了繁荣当地或地区间的经济，也可使用行政手段划分各种特征的“区域”(经济区).前者如厦门鼓浪屿[10]、上海崇明岛[11]以及泰国普吉岛[12]等,这些地区地理边界较为显著;后者如“长三角经济区”、“珠三角经济区”以及“京津冀经济区”等[13],国家层面的经济区划为当地经济增长提供了政策和制度保障.为此，在城乡规划、经济管理和政策制定等研究领域中,相关学者进行了较多的理论探索.区域规划是为了特定地理区域或行政区域的经济、社会及生态可持续协调发展，对规划地区的资源和空间进行合理分配.

现有的区域规划工作流程(或步骤)[14]可大致分为:1)现状调查与基础资料收集;2)确定研究区域的发展目标;3)提出解决研究区域问题的对策;4)做出研究区域的总体规划;5)对规划方案进行评估及调整;6)实施调整后的规划方案.

在新中国成立之前，区域规划理论尚未有成型的理论体系记载.中国一些有英法租界的城市和地区在规划模式上呈现欧洲区域规划的特征[15].在新中国成立后,中国分别借鉴了前苏联、日本、德国等的区域规划理论[16].从1953年中国设定的第1个“五年计划”一直延续至今的“五年规划”就是延续前苏联计划经济时代的产物[1,17].区域规划理论常常伴随着人类对资源、环境与空间的需求矛盾而发展，该理论在欧洲之所以发展较早，是因为当地的城镇化率高.虽然“城市”这一形式在中国出现较早[18],但是20世纪初期中国的城市人口仅占总人口的10%左右，这一现象反映出中国是典型的农业经济占主体的国家.城镇化水平从1949年新中国成立后长期基本稳定在17%左右.2000年的统计数据显示，中国城市人口数量占比已达到了36%,而且还以每年4%～5%的速度增长[19-20];现在中国城镇化率已经接近60%[21],可以当之无愧地被称为“新城镇化”国家.对比欧洲一些国家可以得到一些清晰的启示，如18世纪的荷兰城市人口数量已经达到了总人口的50%,当时城镇化水平不仅领先于中国,而且城市人口数量是当时中国城市人口数量的4～5倍[19].不过，在中国城镇化的加速发展以及欧洲、北美城镇化速度变缓的双重变量影响下，中国城镇化水平与发达国家城镇化水平之间的差距在逐渐缩小[19,22].

根据应用学科的理论研究特点，一般规律是“问题导向”驱动“理论创新”.因此，较为成熟的规划理论体系和技术手段最先出现在北美、欧洲等发达国家或地区也就不足为奇了.

公众参与(public participation)和2种规划模式(top-down和bottom-up)的讨论[23-24]是在城市与区域规划领域中的研究热点问题.西方国家在社区规划、城市和区域规划实践中倡导公众参与规划过程，其主要理由在于:首先,公众(利益相关者)是规划成果的受益者，规划成果的好坏影响到他们的受益程度;其次,公众对规划区域的自然条件、存在问题以及现实需求最了解，能够为规划人员提供积极、有效的信息反馈;最后,在西方国家的意识形态中，认为公众参与规划过程是他们的基本权力之一[23,25-29].公众参与区域(城市)规划过程，一些技术手段和参与模式已有广泛应用[30-32].而“自上而下”和“自下而上”的规划模式具有各自的特点，当前既有2种方法相结合的理论研究[33],又有提倡“自下而上”规划模式的案例研究[29,34].

对于北美、欧洲以及世界上其他发达国家,有学者认为参与权在发达国家中更能在制度上得到保障[35].当前，公众参与在中国的区域规划理论研究中还不够充分，利益相关者在规划实践中的参与度也存在覆盖面小、参与度低等问题.地理设计框架(geodesign framework)的引入能够使利益相关者有效地参与规划过程，通过在规划过程中的方案迭代，结合基于联合国SDGs的评估系统，可以形成区域规划方案的最优解，并为规划决策提供便利.

1 地理设计概念起源与研究现状

1.1 概念起源

数字技术的进步会推动相关应用领域的发展，地理设计(geodesign)作为一种区域(城市)规划、景观规划以及空间规划的方法论，近年来引起了相关领域研究人员之间的广泛关注[36-38].虽然,geodesign这一词汇1993年在德国空间规划学家库兹曼教授(Klaus R. Kunzmann)的文献中首次被使用[39-40],但是相关的实践活动已有较长的历史(见图1).

注:(a)为流水别墅,(b)为通过设计生存,(c)为图纸叠加,(d)为设计结合自然,(e)为地理设计框加,(f)为从概念向学科发展,(g)为IGC年会.图1 geodesign发展历史图谱

从早期赖特(F.L. Wright)的流水别墅设计理念、纽特赖(R. Neutra)的通过设计生存到曼宁(W.H. Manning)的图纸叠加方法，这些被学术界认为是geodesign的雏形.景观设计师麦格哈哥(I. McHarg)的设计结合自然，与geodesign的工作理念具有一致性.C. Steinitz[41]的地理设计框架著作汇集了多个基于geodesign理念和方法论的实践案例,该著作综合展示了地理设计的概念、发展历程和理论框架，并展望了geodesign今后的研究、教育和发展问题.

2012年在美国环境系统研究院(ESRI)的geodesign峰会上，公司总裁J. Dangermond倡议将geodesign从概念讨论走向学科发展.目前,美国已有多所大学开设geodesign本科或硕士专业学位课程，其中包括美国南加州大学(USC)、亚利桑那大学(UA)和宾夕法尼亚州立大学(PSU).

1.2 研究现状

2019—2020年,在美国加州雷德兰兹(ESRI总部)举办的国际地理设计协作(international geodesign collaboration,简称IGC)会议吸引了来自全球几十个国家(或地区)的参与者.IGC年会的宗旨在于验证geodesign理论框架在全球不同地区和地理尺度上的应用特点[42-43].根据统计数据显示:目前IGC成员广泛分布于53个国家(或地区)，正式注册成员有300余名.另外，IGC的参与成员以美国学者为主，其次是来自于德国、中国、英国、巴西、日本、印度、意大利和澳大利亚等国家(或地区)的学者(见图2).

图2 IGC成员数量与所属国家(或地区)

起源于规划设计领域中的geodesign,目前还是以实践应用为主.在理论研究上，2016年《Landscape and Urban Planning》[44-46]专题讨论了geodesign的概念、理论、实践应用和专业教育，这是一次较为全面的学术讨论专题.针对区域规划、控制性规划的实践工作，geodesign研究方法如何融入这些规划过程还需要深入地探索[47-48].另外,geodesign作为区域规划模式的研究在中国鲜见报道，因此需要更多的规划实践项目来进行理论验证.

2 地理设计规划框架、流程与方案决策

2.1 规划框架与流程

geodesign框架在平衡各种利益关系(矛盾)上具有突出优势，根据该框架的主要内容，可简化为“三循环(iteration)”、“四参与(partner)”和“六步骤(steps)”[40].三循环是指:规划师在对区域进行规划时首先应了解规划区域的环境，分别使用了表达模型(representation models)、过程模型(process models)和评价模型(evaluation models);其次，根据上个阶段的评价结果采取措施，分别采用改变模型(change models)和影响模型(impact models)进行评价;最后,根据改变模型和影响模型的评价结果，确定是否实施研究所提出的方案,本次循环使用了决策模型(decision models) (见图3).

图3 geodesign数字规划框架和流程

四参与主要是指与规划活动紧密相关的规划师、研究区域居民、信息技术专家和政府部门管理人员.而六步骤是指斯坦尼兹在geodesign框架中的6个模型:表达模型(representation models)、过程模型(process models)、评价模型(evaluation models)、改变模型(change models)、影响模型(impact models)和决策模型(decision models)[49](见图3).

本文采用geodesign数字规划框架，从规划场地的数据收集到数据表达、区域发展过程、现状评价、干预措施提出、规划方案评价、区域影响评价以及方案决策整个过程，按照该规划框架进行实施.

2.2 方案决策

规划决策基于“WHAT-IF”理念对本研究不同规划方案进行优化选择[50].本文按照geodesign规划框架和工作流程对研究区域进行规划，从数据收集到方案最终确定共经过6个决策环节(见图4):

图4 本文的决策步骤和过程

1)数据是否充分?若未具备应用于区域规划的充足数据类型,则需要通过其他技术手段或途径加以获取;

2)规划区域是否存在问题?若现存的问题不清晰,则应通过调研、访谈和数据分析进行问题提炼;

3)是否需要改变?若需要改变(实施规划),则应评估在规划后带来的后果;

4)哪个方案最优?通过基于SDGs的评估体系结合专家打分,确定最优规划方案;

5)利益相关者是否满意?若规划成果未能获得利益相关者认可,则应重新审视规划方案;

6)是否实施该方案?在满足以上条件后，应征求区域规划主管部门以确定是否实施该方案.

3 案例验证

3.1 瑶湖岛概况

瑶湖岛位于南昌市高新技术开发区的瑶湖西岸，占地面积约为8 km2.瑶湖岛中心区的地理位置为(28°41′N,116°03′E)(见图5).瑶湖作为南昌市最大的天然湖泊，水位常年平稳，平均水深为15 m、水质优良、pH值为6.5.南昌市属于亚热带季风气候区，四季分明，春秋季短而夏冬季长,雨量充沛，光照充足.瑶湖岛得益于瑶湖优良的淡水资源，具有湖岸线长、自然景观优美、土壤肥沃等先天优势，极具旅游观光和高新农业种植潜力.另外，由于该地域无高层建筑物及其他地物影响，所以全域风速较大、风力资源较为丰富.

图5 瑶湖岛区位分布图

瑶湖岛分布着4个行政村和8个本土自然村.瑶湖岛目前基础设施较为落后，特别是公共交通因路基较窄而已严重落后于南昌市整体水平.在主体经济方面，瑶湖岛居民的主要经济收入来源于农业种植业和渔业.在人口方面，青壮年人口流失严重，老年人、留守儿童占村庄人口数量的主要组成部分.由于湖水和雨水的冲刷，所以部分区域存在土壤侵蚀现象;同时因土壤侵蚀、农业种植面源污染以及家庭用水排污等因素而使水体出现季节性富营养化.

3.2 数据与技术平台

本文从前期规划阶段到中期方案优化过程共采用了多种数据类型和数据来源，其中包括卫星影像数据、开源数据、调查数据、统计数据、访谈数据以及现场踏查勾绘等.

1)卫星影像数据来源于ESRI在线数据(https://www.arcgis.com).选取研究区域高清影像，并通过拼接、增强及解译处理.

2)从开源数据OSM(https://www.openstreetmap.org/)网站获取研究区域的边界、道路网络及村庄分布数据.使用在GIS空间分析中的掩膜工具进行裁剪，并对图像进行空间位置校正.

3)根据打印出的卫星影像，在现场进行用地类型的调查与核实.对误分类的居住区、农田、自然植被、水体等用地类型进行校正和调整.同时，详细标注文物保护建筑和关键地物，并添加到规划数据集中.

4)统计数据主要依据国家统计局颁布的2020年中国统计年鉴[21].

5)访谈数据主要面向研究区域的居民，采用半结构化的访谈表格和录音设备进行现场访谈.

本文所使用的数据在经过归类和预处理后，均通过ArcGIS Pro软件平台进行数据管理、数据分析以及数据可视化操作.

3.3 方法应用

本文采用地理设计框架和联合国SDGs(sustainable development goals)发展目标的评估系统相结合的方法[49,51-54],即利用地理设计框架流程，根据规划场地的现状预设2020年、2035年和2050年3个阶段的规划愿景.在规划措施的介入时间上，又设置了早干预(early adopter)、晚干预(late adopter)和不干预(non-adopter)等方案情景模式.规划师根据联合国2030年SDGs的17项可持续发展目标[49,55]，将本研究提出在规划方案中的干预措施和措施介入早晚作为是否有利于实现SDGs分目标的判断依据，并将影响等级x从高到低分别赋值3、1、0、-1和-3.规划方案以SDGs的实现程度(T)作为规划方案优劣的判断标准，计算模型为

其中T为规划方案实现SDGs目标的程度,为无量纲分值;ySDG1～ySDG17分别表示在SDGs中的17个分目标(见表1);x为规划师根据干预措施[49,55](见表2)对分目标影响等级所赋分值.

表1 联合国2030年SDGs的17个目标和内涵

表2 本文所提出的10项规划干预措施

SDGs评估结果[49,55](见图6)显示:早期实施干预措施的规划方案(early adopter)对实现SDGs目标的T值为272;晚期实施干预措施的规划方案对实现SDGs目标的T值为54;不实施干预措施任其发展的规划方案对实现SDGs目标的T值为-243.由此可见，早期实施干预措施的规划方案对实现SDGs具有重要价值,可将该结果作为方案选择与决策的依据.

图6 SDGs评估数值

3.4 “数据-措施-目标”的实现过程

数字技术为区域规划带来丰富的数据获取途径和模拟手段，在地理设计框架的基础上，可以增强规划过程、实现规划目标.本文数据层主要包括建筑数据、路网数据、植被数据、水体数据和其他基础数据类型.不同数据层可以为本研究所提出的干预措施提供数据支持，10项干预措施与SDGs实现目标相连，形成完整的“数据-措施-目标”的驱动关系(见图7).

图7 数据-措施-目标的实现途径

太阳能和风能是重要的清洁能源,也是实现瑶湖岛SDGs-7目标的重要途径.在研究区域中，由于其周围具有广阔的水域，加之高层建筑较少，因此具有较为丰富的太阳能和风能生产潜力.通过南昌市的风玫瑰图和GIS的选点分析，可将风力涡轮设置在滨水区域内，太阳能光伏板结合路灯设置在主干道、绿道两侧[55].与此同时，公共交通设施和绿道的建设可以实现节约能源、减少污染以及促进居民身心健康的规划目标.在本文所提出的10项干预措施中，生物栖息地营造、水体净化、旅游和休闲产业等都与增加植被斑块、建立斑块之间的生态连接有关.除了现存残余植被斑块外，在干预措施中将充分利用荒野区域、道路两旁、宅基地周边进行植物种植，并将植被斑块通过“线状”廊道使其相互连接.在研究区域中传统农业种植方式向有机农业、复合农业及观光农业转型，以此提升土地资源的经济产出.因此,应用AGR1和AGR2干预措施,可以促进SDGs-1、SDGs-2、SDGs-3、SDGs-4等多个分目标实现.

3.5 不同规划方案生成、评估与决策

根据瑶湖岛存在的现实问题，本文从绿色基础设施、交通设施、清洁能源、农业措施和休闲旅游等方面提出10项干预措施(见表2),用于缓解当前研究区域不可持续的状态.根据基础数据和资料，采用多情景方案设置、基于SDGs价值评估体系，在此基础上形成最终决策方案.

根据卫星影像解译的数据显示:在瑶湖岛目前土地覆盖类型中居住区、农田、水体和自然植被所占面积比例分别为7.33%、68.93%、11.77%和11.96%.根据中国2019年城镇人均住房标准39 m2和人口增长率可知，研究区域现有住房面积已经符合住房要求.若实施早期干预措施，则研究区域到2035年将新增植被斑块约15万m2,主要分布在坡度较大且易土壤流失的区域.2050年早期干预方案在2035年的基础上新增植被网络8.4万m2,与现有植被斑块、新增植被斑块形成较为完善的绿色基础设施.依据景观生态学基底、斑块和廊道理论,2050年早期干预方案可以维持较高的生物多样性水平，能够显著提升研究区域的生态环境质量，从而增加研究区域的旅游吸引力(见图8和图9).

图8 情景假设、价值评估与决策过程

图9 在不同干预措施情景下的规划方案对比

值得关注的是，在实施增加植被斑块和植被网络的措施后，农田面积会有所减少.不过，在干预措施中的复合农业和有机农业的种植策略会显著提升农业经济产出，这弥补了因农田面积减少所带来的经济损失.

对于2035年晚期干预方案，因为干预措施实施较晚，所以研究区域将有约1.6万m2的土壤发生侵蚀；而到2050年因干预措施的及时实施会使土壤侵蚀得到有效控制，另外新增植被斑块3.4万m2,生态环境可以有效地提升(见图8和图9).若不实施干预措施,则根据推算,到2050年研究区域土壤侵蚀面积将达到9.5万m2,经济衰退将会造成更多的青壮年人口流失.研究区域因垃圾回收问题、农田撂荒、无序住房建设而会导致生态环境进一步恶化.

总之,若不实施干预措施或较晚实施干预措施，则研究区域将失去经济活力，生态环境也将出现不可持续的发展状态.

4 总结与展望

区域规划的目的在于实现规划区的社会经济与生态环境的可持续发展.回顾在新中国成立后的区域(城市)规划理论与实践，从最初的前苏联模式到借鉴日本、德国的区域规划理论[16],目前来看还缺少较为成熟的规划理论基础，在区域规划效益评估方面也处于探索阶段[56].随着城镇化进程的加快，人类与空间、资源需求之间的矛盾将会加剧[3].在全面实施乡村振兴战略下，如何进行科学、理性的国土空间规划实践是目前面临的主要困境.

由于不同的社会形态和社会制度，所以区域规划在欧洲、北美和亚洲地区的规划流程和规划模式有较大的差异.与规划理论发展较为成熟的欧洲和北美地区相比，中国的“五年规划”模式仍会对未来的规划实践起到规范引领作用[57-58];由于中国实行的土地所有权政策是土地属于国家或集体所有，所以利益相关者在土地总体规划和土地利用发生改变时的参与权和决策权方面仍处于弱势地位.

本文提出将地理设计框架作为一种新的区域规划模式与决策方法，并以南昌市瑶湖岛区域规划为例进行验证.在中国的区域规划理论研究与具体实践中，公众参与整个规划过程以及“自下而上”的规划模式的探索较为缺乏.本文方法能够使利益相关者充分参与规划过程，规划方案能够有效地应对在研究区域中存在的现实问题，充分体现利益相关者的实际需求.规划方案的形成是多方参与、方案迭代优化的结果，与传统的规划方法相比，其优点是规划方案能够更加综合地体现多方利益主体的意愿.

当前在区域规划领域中存在的另一困境是缺少用于评估不同规划方案优劣的工具.因此，无法定量比较不同规划单位之间成果的优劣或差异.本文提出基于联合国2030年SDGs的规划方案评估系统，可用于评价不同规划方案对SDGs实现程度T值的大小，从而有利于对最优规划方案做出判断，以便于管理者做出决策选择.