参数化景观视线分析方法及应用研究——以澳门为例*

陈以乐，郑 亮 ，郑剑艺

1 历史城镇景观视线保护的相关理论和发展

1.1 景观视线保护理论的起源

景观视线保护源于20 世纪初期各国的风景规划体系中的风景保护，如1919 年日本京都市制定《城市建筑法》中对居住区高度控制、1923 年奥地利的州法案强调建筑与风景协调、1938 年英国伦敦大火纪念碑周边高度控制等[1]，发展至今，其趋势可归纳为：①风景规划作为范围更为广泛的环境保护政策之环节，建立独自的规划体系，并与城市规划的土地利用控制体系一起发挥作用；②与前者相反，风景规划最终被纳入地区详细规划之中，合二为一形成高精度的城市规划控制体系[1]。因此在城市发展中，历史纪念物和具有特别意义的自然风景构成的景观对于塑造城市风貌、特征、形象、肌理具有重要的结构性意义，该要素成为了城市规划和管控的重点[2]。随着城市建设与景观保护的矛盾日益显现，以人的视觉空间形态为导向的景观视线保护逐渐受到国内外城市的重视并制定出一系列的措施[1]，如英国的战略性眺望景观和地方性眺望景观（图1）[3]，法国的远景、全景、视廊三种纺锤形控制（fuseaux de protection）方法（图2）[4]，日本风致地区（ふうちちく）景观控高[5]。

图1 伦敦的战略性眺望景观保护

图2 巴黎地方城规（PLU）纺锤形控制保护区

1.2 当代景观视线保护的方法

在我国，城市景观视线的保护规划研究和实践发展迅速。王建国研究团队在西湖景观眺望研究中提出“景”和“观”互动评价理论，将西湖分为102 个视点人工实测获得视觉数据[6]，并提出4 个圈层的周边建筑高度控制数值[7]。在南京专题性总体城市设计编制中提出鸟瞰眺望视廊、远景平眺视廊和高点环眺视廊3 种[8]，在无锡总体城市设计[9]和南京东山地区城市设计[10]也提出视廊控制要求。香港城市设计指引中亦提出了眺望点和山脊遮挡的视线景观控制要求[11]。另有学者探索视线分析的量化计算方法，其基本原理仍然建立在以特定观察点为依据的剖面三角函数视线计算求得视线[12，13]，或者进一步扩展为一条特定观察视线，选择若干个典型断面，再通过ArcGIS 形成视线曲面[14]。也有集中于对视线吸引要素及质量的评价[15]，或者立足于山水环境特色提炼“山望城”和“城望山”的视觉互馈模式[16]，从而推到观景场域、路线或控制主体周边的建筑高度。使用的软件主要以地理信息系统（ArcGIS、ArcScene）为主[18，19]，其次有利用空间句法软件（Depthmap）[20]、参数化设计软件（Grasshopper）[21]等计算机技术的二次开发和应用。景观视线和视廊对城市景观保护起着重要作用，但目前的研究和实践中，仍主要以定性分析和特定剖面二维几何分析为主，再扩展到邻近地区。在英国的景观视廊控制方法采用平面和剖面结合的二维分析，无法面对复杂的建筑形体，与实际相差较多，需要引入计算机模拟才能解决。法国的纺锤形控制方法相对较为全面，然而其几何计算方式繁琐，需要依靠人工方式逐个计算。

1.3 联合国教科文组织对世遗景观保护的要求

2007 年，我国澳门由于东望洋山周边建设引发景观危机，引起了联合国教科文组织（UNESCO）的关注和介入调查，并提出了整改期限和要求；2021 年第44 届世界遗产大会上，UNESCO 由于英国利物浦滨海区的开发计划严重损害了历史遗迹，而将利物浦海事商城从世界遗产名录上除名。同时，匈牙利布达佩斯市政府坚持在布达城堡地区修建摩天大楼导致多瑙河的传统景色受到破坏，也引发了UNESCO 的严重警告。针对不受控制的高速发展给城市遗产保护带来严重威胁的现况，UNESCO 提出了城市历史景观（HUL）的理论和方法[22]。因此，世遗景观的保护管理、重要景点的眺望景观视线分析方法的探索仍是当前城市发展和保护相协调所面临的迫切问题。而澳门近期拟订的《澳门历史城区保护及管理计划》中，虽然涉及景观视廊和视线的保护要求，但也仅以箭头示意，尚未能提供客观准确的划定依据。对此，本研究借鉴法国纺锤形控制概念，以重要景观为对象，采用参数化技术计算生成纺锤形视线，并得出城市户外空间所有纺锤形视线的视点，以及纺锤形视线区域内的建筑海拔最大高度数值。

2 以景点为核心的纺锤形分析方法建构

2.1 景点和视点之间的视线设定

重要景点眺望的参数化分析，首先需要建立景点和视点之间的连线，作为虚拟的视线。景点，即城市中重要的景观标志物或建筑物。其次是视点，人在城市户外空间观察景点的位置。为了便于计算分析，将景点和视点均简化为一个几何意义的“点”。景点的“点”选择在景点外轮廓的最上部，视点则假设将城市地面以10m×10m 网格化，网格相交的“点”设为视点。利用参数化软件编程，连接上述两“点”形成虚拟的视线。理论上，网格越小则视点越密集，软件生成的纺锤形视线越密集，越接近真实情况下的任意观察视点，分析精度就越高。然而，受到计算机运行负荷限制，10m×10m的视点密度已能满足城市户外空间的分析要求。

2.2 导入城市数字模型生成有效视线

利用澳门特别行政区地图绘制暨地籍局2019 年12月版本澳门数码化地图作为城市建筑的基础数据，采用Rhinoceros 软件分别生成城市地形模型和建立建筑体块模型。为了确保模型信息的准确性，进行现场调研和高德地图API 平台数据的补充核对，进一步完善城市模型。其次是将城市地形模型与视点网格匹配，使得视点网格随地形表面附著。导入城市建筑体块模型，通过Rhinoceros 电池组编程分析，删除所有景点和视点连线中与建筑体块触碰的视线，即被建筑物遮挡的视线，剩余的视线就是未被遮挡的有效视线。

2.3 计算生成可视化的纺锤形

根据以上思路结合Grasshopper的电池组编程方法，以实现纺锤形视线的计算（图3）。编程流程主要为：①将建筑、地形、道路等模型数据利用Mesh Jion 模块结合，并通过Mesh模块将模型数据统一转化为网格数据（图4A）。②利用Square(SqGrid)模块设定与分析精度相关的网格平面位置、尺寸、X 轴长度、Y 轴长度等，并通过Mesh Ray 模块将网格中的交点投影到地形和道路的模型中，同时用Move 组件向Z 轴偏移1.6m 模拟人站在场地中的视点（图4B）。③设定景点（Point），并通过Line组件将景点与视点相连生成全局视线（图4C）。④利用MCX 组件将全局视线与现状模型进行连接并标记为“0”和“1”，“0”即是视线与模型交错，“1”即是视线与模型未交错。通过Equality 组件统计所有为“0”的线段，使用Cull Pattern 组件将“0”的线段剔除，得到所有为“1”的线段，生成纺锤形视线图（图4D）。⑤利用Gradient组件标记所有为“1”的线段视点为红色，反之则为蓝色，并用Dot Display 组件渲染为彩色球，生成纺锥形控制区分析图（图4E）。

图3 视线分析逻辑与流程图

图4 电池组设置

3 城市户外空间的可视域分析：澳门东望洋山周边区域案例

3.1 周边建设与东望洋灯塔的遮挡问题

东望洋灯塔位于澳门半岛东南侧的东望洋山，建于1864 年，1865 年建成后持续运作至今，是中国沿海地区历史最悠久的现代灯塔之一，在2005 年列入世界文化遗产名录，是澳门重要的城市地标，也是澳门作为贸易海港城市的价值见证,在视觉上联系着历史城区、海洋、港口[23]。20 世纪20 年代开始，澳葡政府开始制定一系列的填海造陆和都市更新计划，1920 年代开始填海，1970年代到1980 年代效仿香港中环的高密度高强度规划[24]。但直到回归前，这个片区的发展仍然较为缓慢。回归后经济的高速发展，新口岸的高层建筑陆续建成，建筑与灯塔的遮挡问题逐渐成为社会各界、UNESCO、世界遗产大会等热议关注点，同时城市发展和世遗保护的矛盾也更加突出[25，26]。但是，对于目前灯塔的景观可视区域一直无法厘清，景观视廊的定义过于模糊。

3.2 参数化分析

在设立东望洋灯塔为观察对象，建立精细化模型以后，导入Rhinoceros 平台下的 Grasshopper 软件进行计算分析（图5）。同时为验证模型数据的准确性和研究结果的合理性，通过实地调研对东望洋灯塔周边区域的建筑数量、建筑高度、道路设施、可视状况等对比模型数据进行相互的验证。通过现场调研可知，东望洋灯塔周边区域可视场地有友谊大马路、金莲花广场、蒙地卡罗前地、澳门科学馆停车场、塔石广场等（图6）。但东望洋山周边区域的可视程度，在澳门半岛的户外可视空间具体地点，需要进一步的研究分析。研究以东望洋山周边区域的纺锤形视线状况进行模拟，通过纺锤形视线的结果论证该地段的建设对东望洋灯塔景观的影响，同时对灯塔在澳门半岛的景观视线作出整体的分析判断。以东望洋灯塔为景点，将澳门半岛的地面公共区域与其相连线，排除被干扰的视线后得到纺锤形视线分析图，图7-A 为纺锤形视线，图7-B 为标记可视区域的纺锤形控制区（图7）。

图5 以东望洋灯塔为观察点的视线分析流程

图6 东望洋灯塔周边区域可视景观

3.3 可视域分析结果

如图7A 所示，在澳门半岛的区域内，纺锤形视线主要集中在东南方向，根据量化分析结果标记序号1 至8区域，依次为螺丝山公园、外港码头、金莲花广场、澳门科学馆停车场、南湾湖片区、主教山小堂、塔石广场和圣味基坟场，与澳门文化局拟定的《澳门历史城区保护及管理计划》[27]中的规定基本吻合，并且发现序号1、3、4 方向的纺锤形控制区即螺丝山公园、金莲花广场、澳门科学馆停车场的户外空间也能与东望洋灯塔的景观视线连通，并具有较好的景观视线空间。图8 中A 为外港码头及海面、B 为毕士达大马路户外空间、C 为塔石广场以及图D 为金莲花广场，是澳门目前重要的城市公共空间，均可清晰看到东望洋灯塔，需要重点关注与保持其视线良好的通达性。

图7 以东望洋灯塔为景点的澳门半岛纺锤形视线分析结果

图8 纺锤形控制区实地观察结果

4 纺锤形视线控制下的建筑限高计算：澳门南湾湖片区案例

4.1 南湾湖片区填海发展与文物建筑保育困扰

位于澳门西望洋山上的主教山小堂（图9），被评定为“具有建筑艺术价值之建筑物”并收录在《澳门文物名录》。1990 年后，澳门城市高速发展，澳门特区政府制定“玫瑰园计划”，西望洋山南侧的南湾开始了填海，形成了南湾湖C、D 区，海面也被分为西湾湖及南湾湖两片水域。2008 年初获中央批准在南湾湖南侧填海建设新城B 区[28]，继而形成了与南湾湖C、D 区南侧相连的新城B 区（图10）。南湾湖C、D 区（即目前地块编号为C1 至C17、D1 至D5 区域）与新城B 区西侧用地共同构成了当前南湾湖片区的建设用地（图11）。

图9 1950 年主教山小堂

图10 南湾湖片区填海历程（A：主教山小堂；B：南湾湖片区；C：新城B 区）

在澳门南湾湖片区的规划过程中，陆续建设了澳门旅游塔、澳门旅游塔会展娱乐中心、初级法院刑事大楼、消防局总部大楼、立法会、终审及中级法院大楼、中葡国家商贸合作服务平台综合体等建筑物，其余待开发的土地，近期因为建筑限高问题引起了社会广泛关注[29]，至今仍然闲置（图11）。各部门对该地段制定出相应的建筑控高政策，如土地运输工务局在该地段批出的规划条件图，但未覆盖所有的楼宇最大许可高度。《澳门特区城市总体规划草案》中制定该地段的楼宇最大许可高度为62.7m，不能反映建筑与景观的距离对视廊的影响。在控高政策的方法上，均以特定角度在二维平面或剖面对景点、视点和视廊进行分析，与景观视线的三维空间视角仍有较大差距和缺陷。

图11 南湾湖建设用地现状建筑及地块

4.2 程序编制流程与思路

为了提高对复杂空间视域分析的效率，本次编制的程序主要分为视域判断及建筑高度判读两个部分（图12）。首先，结合场地的实际地形、现有建筑、道路等要素建立数字模型，由于植物对场地的影响较小且具有一定的可控性，暂不考虑植物对视域的影响。在城市数字模型的基础上设定主教山小堂为景点，场地内的建筑、地形及道路为视线干扰物，澳门半岛与氹仔之间的海域模型上利用网格工具划分等距网格，网格结构线的交错点设为纺锤形控制区的视点。

图12 南湾湖片区分析计算程序编制流程

其次，连接所有视点与景点，设为全局视线，从生成的全局视线中排除被现有建筑、地形及道路遮挡的视线，筛选得到有效可视视线，以纺锤形视线距离为依据标记不同的颜色，根据标记的纺锤形视线距离划分远、中、近的距离观察轨迹（图13）。3 条观察轨迹可以作为山海视线保护中分别利用不同观察轨迹与景点的连线生成对应的纺锤形控制区。

图13 近、中、远观察轨迹

最后将场地内空置地块的街道准线投影至不同观察轨迹生成的纺锤形控制区上得到不同的Z 轴数值，Z 轴的数值在空间等同于高度数值。因为模拟的建筑体块为平屋顶，所以在每个街道准线生成的Z 轴数值中选用最小值，根据该数值拉升街道准线成建筑体块，为不同高度的建筑体块上色以区分不同和建筑体块之间的差异，获取最终的建筑高度值（图14）。此外，在远距离观察轨迹中，由于地块周边的现有高层建筑（例如一号广场）已经对主教山小堂的视域产生遮挡，因此在远距离观察轨迹中，新城B 区东侧的部分建筑未列入研究的范围。

图14 近、中、远观察轨迹分析形成的纺锤形控制区

4.3 结果与分析

4.3.1 建筑形态及天际线比较

不同的距离观察轨迹对地块的建筑最大许可高度计算结果不一样，近距离观察轨迹模拟的建筑群具有明显的前后阶梯式层次和高低错落有致的天际线，与周边建筑较为协调，且对主教山小堂及西望洋山的遮挡最少，建筑高度介于5.1m 至58.3m 之间（图15）。在中距离观察轨迹下，新城B 区西侧及东侧的建筑产生了明显的遮挡关系，最高海拔建筑高度相比近距离观察轨迹有明显的提升，西望洋山几乎完全被建筑遮挡；在远距离观察轨迹下，新城B 区建筑的最高海拔建筑高度进一步提升，对西望洋山的遮挡比中距离观察轨迹下分析结果更为严重。因此，近距离观察轨迹的建筑高度对景观视线影响较小，拥有较好的建筑立面天际线效果。

图15 近、中、远观察轨迹立面图

4.3.2 建筑最大许可高度比较

目前，澳门相关部门对南湾湖片区的建筑最大许可高度做出了相应的规划及公示，如澳门土地工务运输局（DSSOPT）及其制定的澳门城市总体规划（草案）等[30]。其中工务局对C1、C3 至C9 及C12 地块以街道用地准线图则的形式公布了其地块控高数值，总规则以一刀切的方式将该片区统一制定为不超过62.7m。上述研究可知近距离观察轨迹的建筑形态及天际线呈现的效果更好，因此主要以分析结果中近距离观察轨迹建筑海拔高度数值与其他部分制定的建筑海拔高度进行对比（表1）。

表1 本研究与各部门公示的建筑海拔高度对比（单位:m）

（1）通过参数化运行下形成的纺锤形控制区，可精确计算南湾湖片区的建筑最大许可高度具体数值。目前总规将该片区的高度统一在62.7 米以下，避免了建筑最大许可高度超过西望洋山山体的海拔高度，虽然具有一定的合理性，但对于具体的地块没有建筑高度的区分，不利于对建筑天际线的控制，且未来澳门海上游项目开展时，也不利于对海上观景路线的规划。

（2）在地块C1、C3、C4 的中、近距离观察轨迹建筑最大许可高度与工务局制定的高度相近。并且发现，在C7 地块中，近距离观察轨迹建筑最大许可高度数值高于工务局制定的高度，因此以上地块工务局制定的高度具有一定的合理性。

（3）C5、C6、C8、C9 及C12 五个地块中，近距离观察轨迹建筑最大许可高度明显低于工务局制定的高度。尤其是在工务局制定的C5、C6、C8、C9 地块中，113.5m 至150m 高度已经明显超出西望洋山山体海拔高度62.7m，势必会对西望洋山及主教山小堂的景观视线造成较大的影响。另外，C7 地块在近距离观察轨迹建筑最大许可高度计算得出的45.8m 高于工务局制定的34.5m，在实际建设中可考虑适当提高C7 的建筑最大许可高度。

（4）在其它地块中，目前相关部门的文件并未给出具体建设指引，但本次研究将C10、C11、C17、D2 至D5 以及新城B 区4 个地段的建筑最大许可高度精确计算出，可为后续该片区的城市设计指引作参考。

结论

本研究编制了参数化景观视线分析的二次开发程序，并应用在以澳门东望洋山周边区域为例的城市户外空间的可视域分析以及南湾湖片区待建设地块的高度控制计算中，在三维空间上对景观视线的模拟及分析具有更客观的输出结果及效果呈现，弥补了传统的景观视线分析中局限于二维平面的缺陷，在景观视线分析中具有重要作用。

在分析方法构建方面，以量化的纺锤形视线计算分析为依据，建立可视化的纺锤形控制区分析模型，得出客观科学的分析结果，比二维平面分析精确度更高。通过科学分析，不仅可以量化计算城市户外空间可视域的具体分布位置，还可以快速获取相对精准的建筑最大许可高度数值，减少在城市设计中景观视线可视域范围、高度控制的主观性及争议性，后续仍可基于此建构历史性城镇景观（HUL）的评价方法，应用于景观多样性的保护，从而引导城市科学发展和保护。

《澳门特别行政区城市总体规划（2020-2040）》在2022 年2 月正式生效，目前正在开展分区详细规划，例如外港区-1 和外港区-2 详细规划编制，视线控制成为制定整体形态控制、景观环境和建筑高度的重要量化手段。而《澳门历史城区保护及管理计划》中其它方向的景观视廊如，圣地牙哥炮台至十字门水道方向、妈阁庙至内港水道方向、大炮台与东望洋炮台等，后续仍可以进一步计算分析，在现阶段仍有较大的应用价值。未来还可以广泛应用到我国内地其它城市的地标建筑、历史街区标志物、城市区域限高等研究中，并且可以结合人对空间的主观感受、树木遮挡情况等再进一步对景观视线作出更精细化的分析。

图、表来源

图1：引自参考文献[3]；

图2：引自参考文献[4]；

图9：引自：利冠棉，林发钦，19-20 世纪明信片中的澳门[M]，澳门历史教育学会，2008:93.

表1：根据参考文献[28]、[29]的数据绘制；

其余图片由作者绘制。