地理设计视角下的景观规划设计理论、需求及技术实现

魏合义 黄正东*

地理设计视角下的景观规划设计理论、需求及技术实现

魏合义 黄正东*

地理设计（Geodesign）理论的提出皆在实现科学、技术和艺术在规划设计领域中的完美融合。地理设计研究目前还处于概念阶段，而快速城镇化对景观规划设计理论、程序及技术平台提出了更高的要求。因此，在景观规划设计理论基础上融入地理设计的支持，总结景观规划设计的现实需求，以及探索可行的技术实现途径在新的发展背景下尤为关键。对地理设计的概念起源、发展历程和指导思想进行系统梳理，并解析在地理设计视角下的景观规划设计理论及技术需求。在此基础上，提出GIS平台、软件开发和软件集成3个技术实现途径，为今后景观规划设计理论研究和实践提供参考。

地理设计；地理信息系统；GIS平台；软件开发；软件集成；景观规划

Foundation item: Project supported by National Natural Science Foundation of China: Urban Air-flue Planning Supportive Approach Research on the Basis of GIS and RS Ventilation Potential Analysis (51378399)

地理信息技术的发展有时会推动其应用领域的进步，地理设计（Geodesign）就是目前讨论的热点之一。地理设计方法的科学性分析、模拟、计算等诸多数字特征，以及人性化的设计环境构想，迅速得到了风景园林、城市规划、建筑等相关应用领域的积极响应。利用ISI引擎对关键词“Geodesign”的检索，结果发现仅有少量的学术文献[1-5]，部分为评论性文章[6-9]。谷歌（Google）学术检索显示，大多数是近3年的会议讨论。由此说明，地理设计虽然受到景观领域的关注，但是在理论研究和具体实践上还处于初级阶段。对地理设计进行一个深入、系统的梳理，有利于相关应用领域中学者们之间的交流，引起对景观规划设计的理论方法、技术需求和技术实现手段的讨论。

1 概念与发展概况

1993年，德国著名空间规划学家昆兹曼（Kunzmann）在“地理设计：机会还是风险？”文献中，首次使用了Geodesign词汇，用于讨论空间规划问题[10]。2005年，丹杰蒙德（Dangermond）基于对传统地理信息环境下自由设计的新奇感受非正式地提出了Geodesign概念。早在2001年，我国学者就曾有讨论地理设计的问题[11]，利用人文地理的基本理论进行实证研究，但其含义与目前的Geodesign是有差异的。因此，对Geodesign这个合成词的内涵做出科学解释非常必要。

从Geodesign的组成分析，最需要理解的部分是“Geo”，这也是传统设计活动和地理设计方法的区别所在。各个学者对此有不同的理解并给出不同的定义，其中斯泰尼茨（Steinitz）、欧文（Ervin）、弗拉克斯曼（Flaxman）、米勒（Miller）和古德柴尔德（Goodchild）等人的论述最具代表性，“Geo”表示地理空间或地理信息空间（Geographic-space）较被认可[10,12-15]。弗拉克斯曼认为地理设计是紧密结合的系统思维，是对地理环境影响、模拟的规划设计方法[13-14]，其更强调是一种思维方式与方法论。斯泰尼茨在《地理设计框架》图书中，结合大量的景观规划设计实践描述了地理设计的工作方式[16]。地理设计名称出现时间并不长，但学者更关心今后的科学研究与具体实践内容[8]。

在美国，虽然地理设计概念出现较晚，但实践工作早在20世纪初期已在建筑设计、

景观规划等领域中开展[10]。优秀的建筑设计常重视将建筑融入自然，通过自然要素的天然属性发挥最大的生态效益。早期的建筑师如怀特（Wright）和诺伊特拉（Neutra）多注重自然条件和周围环境对主体建筑的影响，同时后者对1970年的环境保护法的形成也有深厚的影响。20世纪70年代之前建筑领域的地理设计工作因科学技术的限制，常用描述性的定性方法指导实践。电能的应用改变了地理设计的工作方式，其中影响较大的是曾与奥姆斯特德（Olmsted）共事的景观设计师曼宁（Manning），通过使用光照透明桌简化画图方式。1912年曼宁使用图纸叠加方式，通过光照透明桌完成了整个美国的景观规划工作[10]。

1969年《设计结合自然》的问世使地理设计实践升华到了规划理论层面，虽然麦克哈格（McHarg）并未使用地理设计，但是他更注重对地理要素的综合评析。同时，实践团队中不乏多种学科背景的景观从业人员，其地理空间分析方法对GIS的发展也有重要影响[10]。目前斯泰尼茨教授是最受景观学界所推崇的学者之一，其丰富的实践经历和优秀景观规划设计理论成果为学科发展做出了重要贡献。2012年出版的《地理设计框架》记录了早期的景观规划项目，详细论述了地理设计的结构、框架、模型，以及展望了地理设计未来的技术、方法和教育问题[16]。丹杰蒙德先生是地理设计的主要推动者，目前其主要工作是使地理设计从概念讨论走向科学、科研和教育（图01）。

在我国，古代基于“风水”理论和“天人合一”思想指导下的实践工作，被认为是地理设计在中国的雏形[17-19]。近年来，中国快速城市化凸显了人地关系紧张、文化遗产流失、生物多样性保护和生态系统脆弱等诸多问题。针对这一现象，相关学者提出利用景观生态学原理，建立生态基础设施（Ecological Infrastructure）和景观安全格局（Landscape Security Pattern)，用以维护城市发展过程中人与自然的和谐关系[20-22]。在地理信息领域，相关研究更多的是从技术角度探讨地理设计工作方式对规划实践的改变[23-24]。

总之，不同领域对地理设计工作方式有不同的理解，而实践中也具有不同的工作路径和各自的特点。但是，在地理设计理念下，对技术平台的高度依赖已成为共识。

2 地理设计中的指导思想

2.1 科学思想

美国哲学家皮尔斯（Peirce）第一次提出猜测（Guessing）理论，他认为假设a是来自于一种情景中的观察结论，而b结论是根据a推测的结论；当a结论是正确时，猜测结论b也理所当然的正确[25-26]。因此，反绎（Abduction）是这种猜测的逻辑推理形式，从观察到猜测、验证，及寻找相关的解释证据。米勒对这一哲学思想有经典的论述，并用于解释设计思想和主要特征。他将设计活动描述为3大特征：反绎思维（Abductive Thinking）、快速迭代（Rapid Iteration）和多方协作（Collaboration），地理设计思想是这3大特征的基本反映[10]。

设计的本质是设计师基于专业知识、实践经验的再现活动，也有超越推理的非线性创造。因此，许多设计行为和设计决策具有不可预测的特性。设计的不可预测性决定了设计风险性的增加，解决这一问题的关键是对设计流程、环节、信息反馈与情景模拟的快速迭代[10]。计算机相关的信息技术发展及在专业领域的应用，提高了人工迭代的效率，改变了传统设计活动的工作方法和手段。设计工作不只是设计师的独自活动，大部分的景观规划设计项目牵涉到众多管理部门、设计单位、民众和其他利益相关者。因此，缺乏高效的沟通、互动和协作则无法实现既定目标。

2.2 系统思想

景观规划设计在处理复杂景观问题时通常利用模拟和影响分析的技术手段，结合相应的科学理论及社会价值，反映在多种可选择的方案上。实现这一目标，既需要充足的地理信息作为设计支持，又需要相关软件作为技术手段[12]。现有的数字技术虽然在一定程度上便利了设计工作，但是仍然缺乏协同工作能力。系统思想应作为地理设计的指导思想，这也是处理景观问题的基本出发点。

系统思维反映了从计算机、信息技术及相关应用的软硬平台，是对地理设计工作方式的认识。地理设计的系统思维以系统论为基本模式的思维形态，也是科学理性应用于设计活动的完美构想。设计工作最大的需求是使用易用的作图工具快速的表达设计师的构图理念，同时需要在设计工作中体现科学理性。反映对设计循环的计算机支持，实现设计人员、改变对象、利益相关人员的三方人性化的互动表现。

2.3 尺度思想

斯泰尼茨信奉物理学家伽利略（G. Galilei）的相对空间观，“许多方法在小尺度上有效，但在大尺度上不一定有效”[27]。对于景观规划设计工作同样适用，许多处理景观问题的思路在不同的尺度上应该有所不同。景观设计工作有时候与多种学科相联系，如：地理地质、水文、生态、文史及公共政策管理，对于这些学科的从业人员多立足于宏观思想行使工作。对于建筑和景观设计多注重微观尺度上的问题处理。

处理景观设计问题上常分为愿景（Vision）、目标（Goal）、策略（Strategy）和手段（Tactic）。全球尺度上（Global）的景观改变将影响到自然资源、生态系统、地质水文和人居文化，在解决这些问题时将承担极大的风险，但成功的案例同样会惠及更多更广[27]。在大尺度的景观问题上，应依赖科学手段和价值判断，承认人类感知能力的限制，避免造成严重的设计后果。设计成果应满足公众的愿景、达到既定的公众目标。中小尺度的景观问题上，应尊重少数群体的文化、审美和特殊需求，作为景观设计师应该捍卫他们的这些权利（图02）。

3 景观规划设计理论框架

国内有学者将景观规划设计的核心工作分为空间形态、生态资源及心里感受的协调与满足[28]。在景观规划设计的理论方法上，多根据不同的景观尺度、景观类型和地域不同而有所差异，体现了解决问题的针对性。

地理设计方法下，最具普适性的景观规划设计理论框架是斯泰尼茨的景观改变模型，这一理论可用于景观问题的研究、分析及解决。景观改变模型现简要概括为“三循环（Iteration）、四参与（Partner）、六步骤（Step）”[16,29,30]。

（1）“ 三循环”

设计工作的典型特征是循环迭代，这也是景观设计师因反复修改方案而感到备受折磨的主要因素。

第一、了解环境。任何设计人员在设计创造之前必须经过的过程就是“了解环境”，对于景观设计师来说，也就是对需要改变的景观进行一个综合的了解与评价，这需要数据模型和评价模型。

第二、采取方法。有了对环境的深入了解，将要进入第二个循环即“采取方法”，这取决于针对具体的景观问题选取不同的理论方法和技术手段。这一过程同样需要评价模型，只是从“描述”模型转变为“影响”模型。

第三、研究调整。根据对环境要素的分析、理解及评价，通过影响评价模型对采取的改变景观的方法做出评价，将转入“研究调整”循环。这个循环主要解决的是，采取的景观改变方案是否符合行政管理人员、当地居民及其他利益相关者对景观改变的需求，采用的方法和措施是否满意，如果满意则确定方案，如果不满意将重新返回上一循环进行修改调整。

（2）“四参与”

景观改变模型中的“四参与”主要指设计活动需要紧密协作的景观设计师（Landscape Architect）、利益相关者（Stakeholder）、地理学家（Geographer）和信息技术人员（IT Staff）。

景观设计师是地理设计工作的主体，其中也包括与人居环境相关的城市规划人员、建筑师及土木师，管理者和社区公众。景观设计人员所起的作用是对景观问题的数据收集、分析方法的制定、景观改变方案的制定与修改。地理和信息技术人员在景观设计的活动中，主要对数据收集、数据处理及准确度控制的支持作用，这两方人员决定了景观设计人员对景观问题的分析、模拟及评价是否科学准确。利益相关者是景观服务的主要对象，也是对景观改变最为关心的群体。在景观设计中主要提出景观改变的需求，对景观改变方案给出反馈建议。

（3）“六步骤”

斯泰尼茨通过6个模型形成的“六步骤”构建了景观规划设计的基本理论框架，6个模型即描述模型（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）。前3个模型包含了评价过程及地理环境具备的基本条件，后3个模型包含了景观设计师对景观干预的过程，分析景观需要怎样改变？景观改变后有何影响？了解潜在的影响差异后决定是否需要改变景观[10]。值得关注的是，以上“六步骤”与“三循环”看似混乱矛盾，其实质是多个

“循环”为多个“步骤”的重复过程，景观规划设计理论框架(或地理设计框架)简洁、清晰的描述了解决景观问题的工作过程，以及严谨、科学的景观规划设计理论。

4 景观规划设计的技术需求

信息技术研发人员及教育工作者，从技术组成和实际需要方面对地理设计工作进行了讨论，展望了地理设计工作的构想和需求[10,12]，主要概括为技术体系建立、科学分析决策、传统设计支持和人机互动。

景观规划设计在实施过程中通常分为概念规划、总体规划、详细性规划、扩初设计和施工设计等环节，不同类型的景观项目中有时会略有差异。现根据景观规划设计不同阶段对地理设计视角下的技术需求，形成一个较完整的系统序列，并按照不同环节对技术需求进行简述（表01）。

（1）技术体系建立

景观规划设计的工作流程和使用的技术手段多种多样，但与城市规划、设计相比，还没有较成熟的技术体系。除了用于约束景观规划设计活动的法律、法规和管理条例外，技术体系的探讨和建立也非常迫切，这一工作可以规范景观规划设计流程、提高工作效率以及保证后期成果的科学性。

（2）科学分析决策

科学分析、科学决策在传统的土地规划、区域发展规划较为偏重，景观规划设计领域多使用描述性的分析。如概念性规划阶段的景观分区、景观轴线、景观视线分析及指引多用线条简单勾绘，加之语言描述。在景观空间分析、景观服务、风环境分析、微气候分析、地理分析、三维分析方面较少，这些在景观规划设计的基础分析中往往是非常重要的内容。景观规划设计的方案选择有多种类型，景观方案选择决策多为专家评比判断，尚缺乏可依据的科学决策模型。

（3）传统设计支持

景观设计师的手绘技能是从事景观规划设计的基本要求，其优点是能快速反映设计思想及表现。在规划设计项目的初期用于沟通设计理念，后期用于局部效果表现。数字技术的发展使手绘借助于计算机的数字输入，通常用CAD、PS及3D软件进行景观规划设计创作。在地理设计理念下，需要对设计师的设计思想进行数字化输入，并转化为具有特定属性结构的数据便于逻辑统计和分析，这需要计算机硬件、软件的发展与进步。

（4）人机互动支持

景观规划设计工作最大的特点是反复修改、快速迭代，人机互动技术的需求主要表现在设计进程中的公众参与与协作、信息反馈和景观体验。

人机互动支持可借助计算机、网络、多媒体及软件操作平台，将景观规划设计的四方人员紧密联系起来，实现公众对景观规划设计的充分参与和协作。至下而上的景观规划设计不只是今后的发展方向，而且最能表达公众对规划设计区域的景观愿景，并及时将公众的建议反馈到方案中。景观体验则通过数字技术展现景观规划设计的各个环节、进程或成果，有利于公众对景观方案的理解与支持。

5 景观规划设计的技术实现途径

5.1 GIS 平台途径

现有技术中，虽然不同软件在某一工作环节具有突出的优势，但GIS在规划设计整个流程中所起的作用最为全面。GIS的优势主要表现在规划设计前期的数据收集、处理与储存，中期的空间分析、景观模拟、3D显示，后期的工程制图、数据管理、流程建模，以及整个规划设计过程中的信息反馈与修订。另外，GIS的二次开发、应用模块添加功能可为景观规划设计需求提供可拓展潜力。

景观规划设计初期，遥感、航片、统计数据、图纸等所使用的资料均可通过一定的处理存储，虽然在矢量勾绘上相对没有CAD软件便利，但是用GIS勾绘矢量图形后的属性建立、储存及分析是其绝对优势。规划设计中期的空间分析与评价方面，GIS可以承担地质、水文、生态、经济等一系列的分析与评价，这些客观的评价成果用于指导概念性规划，也可以作为总体规划的依据。GIS软件的Arcsketch拓展模块在方案绘制阶段同样具有CAD的优点，而建模工具（Model Builder）功能可将相关评价与分析建模，可视化相关评价要素的关联、权重，便于信息反馈的修改和及时调整[31]。这种可视化的模型一旦建立，可以重复使用减少后期工作量，也可通过Arcgis服务器（Arcgis Server）实现互联网共享。

GIS作为景观规划设计技术平台还有另外一个优势，那就是二次开发功能。景观设计师可以根据工作中的特殊需求，通过Matlab或其他计算机语言设计数学模型，添加分析或评价新模块。这一拓展能力是GIS技术用于规划设计的生命力所在。随着移动GIS、云GIS以及数据挖掘的探索与应用，在地理设计理念下，人人参与式的景观规划设计将成为可能。

5.2 软件开发途径

景观规划设计领域中，专业的软件平台需求早已经凸显。常用的软件工具多来自于建筑、城市设计行业，如：BIM（Building Information Model）、CityEngine技术系统[32-33]，其中BIM可以完成建筑从概念设计到运行、维修及拆除的全过程跟踪和查询，较符合地理设计视角下的技术理念。但是，在景观规划设计行业迟迟没有类似的软件技术出现，要从目标需求及软件开发方面解释。

新软件开发是根据用户要求建造出软件系统或系统中软件部分的一个产品开发过程。软件开发是一项包括需求获取、开发规划、需求分析和设计、编程实现、软件测试、版本控制的系统工程。首先，景观规划设计软件开发之前，应明确软件开发的目标要求及可能性。景观设计师根据从业经历与感受，对于软件的需求应比较明确，地理设计理念下的景观规划设计已有学者提出了技术需求和系统概念组成[10,12]。这些需求还都处于概念描述阶段，要进行软件开发还需要将目标细化。其次，对于非专业软件开发背景的景观设计从业者，需借助计算机软件开发团队集体协作，进行软件系统框架设计、数据库设计。再次，完成后的软件设计进入程序编码阶段，也就是将其转化为计算机能够运行的程序代码。最后，完成的软件需要进入严密的测试。除了软件的技术测试外，还需进行实际应用测试，检查系统的漏洞、稳定性和兼容性。从新软件的开发流程及所需要的技术支持方面来看，需要大量的人力、财力的投入，这也许是限制这一新软件出现的主要因素。

5.3 软件集成途径

软件集成（Software Integration）是指根据软件需求，把现有软件构件重新组合，这种软件复用的方法是解决大量软件需求，降低软件开发成本的简便途径。根据软件开发分层设计的思想，软件集成可以分为数据集

成、业务集成和表示层集成3个层面的集成。实现软件集成的关键技术有软件构件技术、中间件技术和软件体系结构[34]。

在地理设计理念下，景观规划设计软件的集成技术不失为一条明智的选择。已有学者将整个景观规划设计流程中可能用到的软件技术归纳图解[35]，这一研究较好反映了景观规划设计实践对数字软件的总体需求。景观设计师在实践工作中积累了相关软件系统的使用习惯或经验，并希望在集成的软件中还可以利用到这些工具。在软件构件技术阶段，软件工程师可以将已有景观规划设计软件系统进行改造，封装成符合集成要求的系统。软件集成中间件环节，软件开发人员可以利用中间件集成大量的景观规划设计软件资源。软件集成的技术方法，目前最为关心的是各种数据在不同软件处理、传递过程中的准确度、信息保持度，以及无缝衔接问题。软件集成的方法为地理设计工作的实现提供了一种思路，相比新软件开发途径所需成本可能要低，但是这种集成难度仍然存在。

6 展望

地理设计工作的理念，虽得到不同规划设计领域的热议，且欧美国家也已有多所高校开设了相关课程[4]，但从目前的概念讨论、理论研究及应用实践来看仍处于这一理念的初级阶段。地理设计工作的理论基础为景观规划设计理论框架，技术支持目前仍以GIS为主。在景观规划设计领域，还未出现类似SSIM（Sustainable Systems Integration Model）、BIM在相关领域中应用的成熟技术[30,32,36]。地理设计可以作为一种方法论，在景观规划设计、城市设计、建筑设计或土木工程等领域中发挥重要作用。对于景观领域来说，未来的工作应将地理设计这种科学理念应用于景观规划设计实践，同时需要发展或开发一个可靠的技术平台为其提供保障，最终才能实现科学、技术和艺术的完美融合。

致谢：

感谢1505工作室的硕士研究生林沐对所需资料的收集。

注释：

图01根据文献[10]修订绘制，图02作者绘制。

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魏合义/1982年生/男/河南人/武汉大学城市设计学院博士生/研究方向：数字景观规划（武汉 430072）

黄正东/1968年生/男/湖北人/武汉大学城市设计学院教授、博士生导师（武汉 430072）

Тheory, Requirements and Тechnology Realization for Landscape Planning and Design under the Perspective of Geodesign

WEI He-yi HUANG Zheng-dong

Geodesign aims to offer perfect fusion between science, technology, and art in the field of planning and design. Geodesign research is still in the conceptual stage at present, and the rapid urbanization puts forward higher requirements for the theory, procedures and technology platform of landscape planning and design (LPD). Therefore, this is the key that putting LPD theory into the support environment of geodesign, summarizing the realistic requirements, and exploring the viable ways of technology realization for the LPD under such background. This paper combines the origins, history and guiding ideology of geodesign systematically, and explores the theory and technical requirements of LPD under the perspective of geodesign. Based on this, the paper presents the GIS platform, software development and software integration of technology realization that to provide reference for the future theory research and practice in LPD.

Geodesign; GIS; GIS Platform; Software Development; Software Integration; Landscape Planning

TU986

A

1673-1530（2014）04-0053-05

2014-04-28

★通讯作者（Corresponding Author）邮箱（E-mail）：huangitc@126.com

国家自然科学基金资助项目：基于GIS和RS通风潜力分析的城市风道规划支持方法研究（51378399）

修回日期：2014-07-16