地理设计简述: 概念、框架及实例

马劲武 编译

1 引言

地理设计是一种把规划设计活动与实时的（或准实时的）以地理信息系统为基础的动态环境影响模拟紧密结合在一起的决策支持方法论。它既新又老，是建立在一种新的视野、通过对传统学科的有机整合、借助信息技术来解决现代社会人文及环境问题的有效手段。它的出现绝非偶然，而是多学科及业界多年演续发展、社会及环境需求和技术进步的结果。所以说，地理设计的出现是一种适时的契机，它为我们解决现代社会资源紧张、人口城市化、环境恶化、气候变迁等诸多问题提供了一个行之有效的方法论。在真正有效地运用地理设计手段解决实际问题之前，作为规划设计人员，我们需要了解它的来龙去脉，了解它的原因、操作方法及内容。此文计划从概念和框架上对地理设计进行介绍，再加入一个实例进行说明。

2 概念

人类自古以来就有意识地选择理想的居住生活环境，如中国古人认为依山傍水是最佳的居住环境。也有很多通过设计来最大限度改善生活环境的实例，如中东阿拉伯人巧妙地安排房屋间距及朝向以达到在炎热的夏天避暑通风的目的。城邦的地理位置亦是至关重要，因为它决定着是否能进行有效的防御、贸易及就近自然资源的摄取。实例如古埃及尼罗河流域及中国古都长安等。从人居环境更高一层的哲学思维上看，中国古代圣贤的“仁者乐山，智者乐水”以及现代建筑大师弗兰克·劳埃德·莱特（Frank Lloyd WRIGHT）的有机建筑说均强调了人与自然相互依赖的紧密关系。莱特的流水别墅即是在充分消化吸收中国古代老子关于空间的概念以及人居和自然环境的有机融合的想法之后创作的杰作。人与自然的关系发展到现代已经深入人心，超越了哲学和艺术的范围。许多国家已经立法进行环境保护，如1970年美国的环境保护法[此法律规范最早推动者即环境建筑师理查德·诺伊特拉(Richard NEUTRA)]，以及较近的2004年开始实施的《欧洲景观公约》（European Landscape Convention）。从方法学上看，瓦伦·曼宁（Warren MANNING）于1912年发明的光桌透图法为规划设计领域的革命性创新，而1969年伊恩·伦诺克斯·麦克哈格（Ian Lennox MCHARG）的《设计结合自然》①的发表则为多学科交叉，特别是自然生态和规划设计领域的结合，提供了理论依据。麦克哈格在书中大量使用的叠图法也成为其后数十年间地理信息系统的核心操作（现在仍然是主导）。如果说麦克哈格40年前为改善环境从理论上指出了多学科系统交融的必要，那么40年后的今天地理设计则为拯救人类和自然而必需的多学科紧密合作提供了具体可行的概念、框架和技术基础。如果说文艺复兴造就了多才多艺的博才，而其后的学科分支产生了各行各业的专才，那么地理设计则要求我们具有博才的眼界，并具备专才的技术，更重要的是能够紧密协作。“从事地理设计的人们要对很多事情了解一点儿，对一点儿事情了解很多。”[1]

何谓地理设计？让我们分别定义。

地理设计中的地理概念涵盖全方位的大地生存支持系统：大地，包括土地、水体及空气；地表，包括地下及地上，二维及二维半，延伸至三维和四维；城乡和建筑，包括室内及室外；物体，包括实物、事件、概念及关系等。中国传统园林规划设计中“生境”的概念与此最为接近。

地理设计中的“设计”一词可以为名词，也可以为动词。作为名词，它代表一种直觉、洞察力或精神融合。作为动词，“设计是包含一种实体创造的思维过程。”[2]而设计的最终目的是辅助、促进而不是规定、指导生活。

以上所述，地理设计的定义可以简化为一种地理空间内的设计。此定义看似简单，实则意义深远。因为所有的设计都与它所在的特定地点有关，而那特定的地点则牵扯到与那地点有关联的所有相关信息。考虑到我们生活系统的特质，其交叉组合花样众多，相互影响复杂多变。在某一地理空间的任何一些创造或改变都会影响到其它各方面，所谓牵一发而动全身，而地理设计不仅能联接基于科学和特定价值的设计系统，还可以权衡利弊、提供从多学科角度高屋建瓴地看待问题、提供一种解决冲突的框架。

与经典的亚里士多德式纵向的归纳和演绎法不同，设计是一种诱导式的、横向的思维，常常是爆发式的和非逻辑的，但其结果又往往是突破性的并具有很强的实用性。设计思维的这一即时反馈特性要求地理设计操作的系统容不得导致注意力分散的因素。另外，交叉学科的多方合作也是关系到地理设计操作成败的重要一环。

地理信息系统发展至今已有几十年的历史，其对地理信息的处理、分析、表达功能已经取得了长足的进步，这一点世人共知。但是传统的地理信息系统也有其不足之处，如它强于数据获取、分析、评估，但弱于设计、创新，尤其还不能像画设计草图那样快速直观、得心应手。地理信息系统的核心操作叠图法，尽管被证明在诸多行业中行之有效，但并非万能，还需要更进一步取得突破，发挥数字技术高于传统手工做法的特性，产生新的跃进。

美国环境系统研究院(Environmental Systems Research Institute，简称esri公司)地理设计研发主任威廉·米勒先生（William MILLER）就地理设计紧迫的技术前景需求做出了如下10点前瞻性总结[3]：（1）操作框架– 软硬件的建立；（2）数据模型 – 地理数据结构，如二维、三维数据等；（3）创新及改造工具 – 几何、属性及符号表达；（4）推理引擎 – 通过用户的意图做出假设；（5）可视化工具 – 在所有平台上（桌面、网上、移动等）可视化支持的挑战；（6）地理数据处理工具 – 需跨越现有的操作模式；（7）反馈显示和面板控制 – 需要交互式的图集数据信息面板显示；（8）情境管理工具 – 不同图景的管理（迭代、因素增减效果、情境交互影响效果等）；（9）协作工具 – 多学科、多方同步及非同步在实体空间和虚拟空间的交流（探索、设计、评估、改变、表达、文件记录等）；（10）交互操作工具 – 促成不同格式地理设计数据无障碍交换。

3 框架

关于地理设计框架最为详尽的论述当属卡尔·斯坦尼茨教授（Carl STEINITZ）的著作。他在其近著《地理设计框架》②一书中开宗明义地说：“地理设计即是有意地改变地理。”[4]关于设计他最喜欢引用的是赫伯特·西蒙（Herbert SIMON）的定义：“人们设计的目的是构想出改善现状的优选途径。”[4]

现在我们面临的挑战是多方面的。首先是城市化进程已经使世界人口的半数以上居住在城市，其次现代工商业的发展给环境带来了前所未有的损害，最后由于人口和工商业的压力（资源及排碳）已经造成了全球气候变迁。如果现在不能加以控制，那么未来环境的支持能力将超过自然所能支持的临界点，造成万劫不复的恶性循环。幸运的是，有识之士及早地预示到了这一可能的恶果，加上现代科技的突飞猛进，使我们能够审时度势、未雨绸缪，避免环境恶化。人们也越来越认识到此拯救世界的努力是不可能依靠某一个行业而独立完成的，多方、多行业的合作是势在必行的。其中最为相关的是4个领域的人员在6个方面的密切的合作（图01）。

4类相关人员如下：（1）本地居民或工作人员，此组人员依地理研究区域范围变化而变化。他们有两个基本角色：一是提出地理设计变化需求，二是审核最终改变决定将对该区域带来的影响。（2）地理科学家，即自然和社会科学家包括：地理学家、水文学家、生态学家，以及一些经济和社会学家。（3）设计人员，包括建筑师、规划师、城市设计师、风景园林师、土木工程师，和银行家及律师等。（4）信息技术人员，如地理信息系统应用专家等。

图02 因为方向和项目大小不同，设计专业人员和地理科学家之间的合作在不同范围或尺度上亦有所不同，其中或有部分重叠。

图03 利益相关群体、地理设计团队以及地理设计框架

图04 可持续系统集成模型图示（含度量化、系统协调、可持续发展经济和博弈及优化四个模块）

图05 可持续系统集成模型三阶段

6 个需要回答的问题如下：（1）如何描述研究区域？（2）该研究区域如何运作？（3）该研究区域是否工作正常？（4）如何改变该研究区域？（5）该改变将如何对该区域造成影响？（6）如何对该区域进行改变？

40年前年伊恩·麦克哈格在他影响深远的著作《设计结合自然》中提到多学科合作的必要性，特别是在规划设计人员和自然生态科学家之间。卡尔·斯坦尼茨教授在他的《地理设计框架》一书中做了更为深刻的阐述。此中各学科之间的相互关系用下图表达最为有效（图02）。

这里与地理设计密切相关的因素有地理位置、尺度和区域大小范围。

只有居住和工作在本地的人们才会对很多环境衡量指标有最准确的度量，比如描述某地区的一些形容词诸如“太老”、“太挤”、“太干”、“太热”、“太贵”、“很有历史保护价值”等都是一种相对概念，在不同的地区会有程度不同的含义与诠释，只有通过本地居民才能准确掌握。

在尺度上，本地、区域和全球的关注点和特性更是不同。在本地的尺度上比较强调的是个人的发挥与表达，形式可以奇异多样，侧重的是感受，影响在局部。而在全球的尺度上则是更加基于科学和法律，侧重的是理性，影响在全球。在这两个极端之间的则是区域交集，也是地理设计所能发挥作用的中心。换一种看法，地理设计即是一种整合个体与整体、感性与理性、人文与自然、设计与规划、从观念和方法上对世界环境进行改良甚至拯救的一种有效手段。

在范围上，公众知识和理解随着地理区域的扩大而变小，但环境风险和科学的复杂性却随着地理区域的扩大而增大。在小范围局部空间里，个体的决定是主流，而随着环境范围的扩大集中的决策便成为主导。小范围里“进攻性”的、以需求为主的方案是主要的，而随着范围扩大至全球，“防御性”的、以供应为中心的战略势在必行。

回答前面所提到的6个问题，是地理设计框架的核心内容。实际上任何严肃的规划设计方案都不能回避这6个关键的问题。下面让我们详细地分析一下从6个问题发展出来的6个模型——地理设计框架的核心手段：六模型、三循环（图03）。

问题一：如何在内容、空间和时间上描述所研究的区域？此问题由表达模型来回答，其数据是该区域所依赖的。问题二：该区域如何运作？其要素间相互的结构和功能关系如何？这一问题由运作模型来回答，该模型为若干评估分析研究提供信息。问题三：该区域是否运作良好？此问题由评估模型回答，该模型依赖于可做决策的利益相关者的文化知识。问题四：可以怎样改变该区域？通过什么政策和行动？何时？何处？此问题的回答在于变化模型。此模型是通过地理设计研究来发展和比较的。此过程可产生用于表达未来状况的数据。问题五：以上变化可以带来哪些不同？此问题是由影响模型来回答的，其评估结果是由输入变化条件的运作模型产生的。问题六：该区域应该如何被改变？此问题的解答在于决策模型。同评估模型一样，决策模型取决于决策者的文化知识。

在整个地理设计的研究过程中，这6个主要问题及其分支问题需要进行3个轮回。第一个轮回，从一至六，主要是回答为什么要做此研究。第二个轮回反方向，从六至一，是回答怎样做此研究。第三个轮回，再次从一至六，是回答什么、哪里、以及何时的问题。需要强调的是，设计并不仅仅是向第四步建议的那样提出改变方案。不管是明确提出还是暗示。所有6个问题都需经过此地理设计框架的3个轮回才算完成。最后有利益相关者做出的决策可以作为变化实施的依据。

卡尔·斯坦尼茨教授的六模型、三循环方法论是经过了多年的教学及实践总结发展成型的（其母本是1990年发表的“景观变化模型”），不失为地理设计实践的可靠依据。限于篇幅，本文只是对其进行了极其粗浅的介绍，还请有志于深入研究的同行参考其近著《地理设计框架》。

4 实例

在斯坦尼茨教授的《地理设计框架》一书中，我们可以看到很多他多年来参与指导的地理设计的方案实例记录，大部分均非常详细，但我们这里给大家介绍一个比较近期的实例 ——新加坡旧龙湖区可持续发展规划设计。同样，限于篇幅，我们只能了解个大概，详细情况请参考《地理设计 – 城市与区域规划方面案例研究》[1]。

新加坡是一个典型的小型城市型国家，面积大约相当于北京市四环路以内的面积，绝大部分为城市用地。其国土狭小，没有自己的工农业，所有消耗供给均需依赖进口，故采取可持续性开发、发展再生能源、提高资源利用率的国策至关重要。2008年，新加坡城市再发展管理局作出了旧龙湖区总体规划及设计。该项目以ArcGIS为技术基础，依据地理设计框架，结合区域经济及商业发展，很好地完成了把该区建成“结合商业和娱乐的独特的湖滨胜地”的宗旨。以斯坦尼茨教授的地理设计框架为指导，旧龙湖区规划设计尝试了一种整合用地、基础设施、生态、文化景观建设的一整套设计思维，通过模型模拟、评估以及影响分析的多方案比较来指导最终最佳方案选择，其规划设计方法代表了一种先进、科学的地理设计思维方式。由AECOM公司协助开发的“可持续系统集成模型”是这一规划过程的重要组成部分，它提供了一个平台，为理性地评估、权衡多种不同方案，兼顾经济、社会、生态和商务等各方面奠定了基础（图04），该项目的实施分三个主要阶段（图05）。

4.1 城市形态总体规划

本阶段的目的是找到城市形态、用地密度和运输网络的最佳组合，以取得建立在最低造价和最高减排的基础上的最大交通效率。最开始先召开一个由利益相关方组成的前景酝酿会，大家打破行业局限，共同探讨，自由交流。与会方包括城市再发展管理局、国家水利局、陆地运输管理局、国家公园委员会以及建筑工程管理局等。需要了解、评估的系统主题（运作模型）包含城市形态及设计、交通运输、生态系统、社会文化基础设施、能源利用（居住、商业、办公、旅馆、民用及公共建筑）、绿色建筑、供水、垃圾、噪音等。这里引入了一个“关键绩效指标”的概念，它是各系统在排碳、能耗、生物多样化、饮用水及交通运输方面资源利用效率、绩效以及对环境的累计影响。此后，规划设计人员制定出了各系统的常态运作值和期望目标值，并计算出了目前总体规划可持续发展绩效值与期望目标值之间的差别。绩效指标有些可以量化但其它的有些只能定性， 如社会文化组成部分等。通过将期望目标值和常态运作值或基础值在绩效上和造价上进行比较（评估模型），我们可以对某系统主题的改善有一个定量的理解（表01）。

表01 各项关键绩效指标在基础值和期望值的差距可帮助确定改进目标

图06 三种不同方案比较

图07-09 通过不同方案在关键绩效指标上的量化比较，可以看出方案C表现最好，比A的基础方案值有明显的提高。

旧龙湖区总体规划建立了常态运作和底线值的数据基础（表达模型）。在此之上，即可提出几种不同的以土地利用、建筑类型、运输模式、社区设施等考虑因素的总体设计平面（变化模型）（图06-09）。

这些评估模型是地理设计的一大特色，可被规划设计人员用来快速地评估不同设计方案所带来的不同影响，以做出决定。借助空间统计分析，不同方案在排碳、道路效率、联接、用地平衡、绿地面积、生态效益改良等方面的优劣一目了然。通过这些影响模型的输出，总体和用地规划可以不断改进，以达到缩小底线值和期望值之间的差距。

4.2 基础设施评估与建模

选出首选方案后，对侧重于建设绩效细节的可持续手段的评估会更加强化。这一步主要回答下面三个问题：1）应评估哪个能耗目标？2）如何组合不同设计来取得这一目标？3）如何用最低造价取得这一目标？成本效益分析是必不可少的，它包括如下经济信息：建设成本、运行花费及可能的储蓄、绩效改善比例、碳减排单位量、静态回收期、贴现回收期、回报率、净现金流量、绩效增长花费比例等。

4.3 总体优化

此第三阶段的主要目的即化零为整，把第一阶段产生的并经过第二阶段细化的图景综合汇总，做成“集成化的可持续发展设计”。在软件应用上，AECOM公司开发一种基于微软办公图表软件Excel的“游戏面板”，用于整体优化（图10）。

关键绩效指标包括：总生活用水需求缩减量、总居住建筑能耗缩减量、总商业建筑能耗缩减量、总公共范围能耗缩减、总汽车里程缩减量、总温室效应排放量。成本储蓄指标包括：总初步方案成本储蓄、总持续月成本储蓄、居住建筑单位面积初始成本储蓄及超出基本成本比例、非居住建筑单位面积初始成本储蓄及超出基本成本比例、主开发商总成本储蓄、能源或基础设施贷款方总成本储蓄、居住建筑单位面积总和成本储蓄及超出基本成本比例、非居住建筑单位面积总和成本储蓄及超出基本成本比例。

经过此第三阶段的分析，我们找到了既能缩小底线值和期望值差距又能使造价满足旧龙湖区城市再发展管理局要求的方案，这是通过影响模型来实现的。其综合分析结果以简明易懂、一目了然的图表来表达出来（图11-12）。

这些颜色编码动态图示提供了珍贵的反馈机制，使连续反复的规划设计循环成为可能，大大地辅助了最终的决策过程（决策模型）。经过进一步改进的可持续性框架矩阵成为旧龙湖区整体可持续发展规划的有力工具。它是一个活文件，不断地进行调整、改进、并与时俱进，以适应不断变化的目标。技术、人口、成本、轻重缓急的优先顺序均在不断地变化中，但万变不离其宗的是存在于整个规划设计过程中的适应性管理，而地理设计框架正是为我们提供了这样一种可能（图13）。

5 结语

在此文中，我们介绍了地理设计的来龙去脉，了解了它的概念及内涵。其核心操作是整合多学科、多尺度，牵涉到4类主要人员并通过6个主要步骤、迭代的、感性依赖理性的协同发展过程。它代表了我们未来综合规划设计的趋势，并超越了现有城市规划、风景园林和建筑设计的范畴。文中列举的一个实例只是很多地理设计原理应用的一个，不能说是涵盖地理设计所有原则的完整实例，其目的是列举地理设计框架主要方面的应用，只为起到抛砖引玉的作用。这样的实例将会越来越多，并成为新的主流。

图10 可持续系统集成模型游戏面板让相关人员调整各种指标以取得最佳性价比。

图11 可持续系统集成模型游戏面板显示影响与绩效的比较。

图12 可持续系统集成模型玫瑰图显示最终平衡结果。

图13 可持续系统集成模型大量使用ArcGIS模型工具包、网络分析工具包、以及定制工具集。

让我以卡尔·斯坦尼茨教授在《地理设计框架》一书中的结束语作为结语：地理设计（同所有其它设计一样）取决于判断。它不是一门科学但依赖于科学。没有完美的公式但确有可依循的方法。虽然没有通用的工具包，但有很多工具可供使用。你不能抄袭他人的作品，但你可以通过参与地理设计合作活动取得经验而有意地改变地理世界。

6 后记

在本文写作整理期间，美国环境系统研究院在其总部南加州红地市（Redlands）于2013年1月24至25日召开了第四届地理设计峰会，有来自全球的将近300名与会者参加。此时祖国首都以及其他一些人口、工业密集的城市正为挥之不去的雾霾所困扰。医院住院率及病员死亡人数增加，似乎在重演60年前的伦敦烟雾事件。另外各地建设工程强拆强占现象仍时有发生，居民不满“上访”依然存在。这些均为地理设计在环境和人文方面的呼吁提供了有力的需求上的支持。地理设计在实施上还是有很多实际的困难，不可能一蹴而就，但我们意识在先却是一个必要条件。如何创造充分条件就要靠我们大家共同努力了。

致谢：

本文作者感谢清华大学美术学院可持续发展设计研究所所长周浩明教授对本文提出的宝贵意见及校改。

注释：

①书名原文为“Design with Nature”。虽然此文采用一般人已经熟悉的《设计结合自然》的书名，但笔者认为更为贴切的书名为《与自然协作设计》。

②《地理设计框架》中文版由北京大学李迪华教授主持翻译，不久将出版。

③图01、03由卡尔·斯坦尼茨提供并授权使用；图02根据卡尔·斯坦尼茨授权提供的图片改编；图04-14由山侬·麦克艾尔维尼提供并授权使用。

[1]McElvaney, S. Geodesign – Case Studies in Regional and Urban Planning[M]. Esri Press, 2012:10.

[2]Miller, W. Definition of Design[M]. Trimbtab, Buckminster Fuller Institute, 2005:13.

[3]Miller, W. Introducing Geodesign: The Concept[M]. Esri Press,2012.

[4]Steinitz, C. A Framework for Geodesign[M]. Esri Press, 2012.