基于虚拟地理环境平台的地理设计研究

林天鹏 / LIN Tian-peng
林珲 / LIN Hui
胡明远 / HU Ming-yuan
施家城 / SHI Jia-cheng

摘要：作为21世纪新概念的地理设计(GeoDesign)被引入传统的规划与设计领域之中。在风景园林、城市规划中加入地理分 析并整体性地考量设计方面的问题，是地理设计的核心价值体现。地理分析的工具多种多样，不少地理设计相关人士试用过 AutoCAD、ArcGIS之类的传统地理分析软件，取得良好成果。除此之外，在20来年的发展过程中，虚拟地理环境(Virtual Geographic Environment，VGE)从概念提出到成熟应用也积累了较多的经验。将虚拟地理环境作为地理分析的平台，从地理分析的视角验证其 辅助地理设计的方法与可行性，探讨两者的结合点与协作方法，并以香港地质公园规划中路径选择评价为例，确定了路径选择的评 价因子，并应用地理设计的方法，在虚拟地理环境平台支持下开展地理分析，评价与选择合适的规划路径，探索了基于虚拟地理环 境平台的地理设计的技术途径与实现方法。

关键词：风景园林；虚拟地理环境；地理设计；香港地质公园规划；路径评价

Abstract: GeoDesign has been introduced into the traditional planning and design field as an innovative conception in the 21st century. According to the key value of the GeoDesign, joining the geo-analysis with landscape design or urban planning and considering the environment wholly sounds significant and meaningful. Various tools have been adopted into GeoDesign to achieve the optimistic results, such as AutoCAD, ArcGIS, etc., experienced by some GeoDesign related researchers. Moreover, Virtual Geographic Environment (VGE) has accumulated enough experience from the conception raised to its mature application in the past 20 years. In this article, the author tends to test the method and validate the possibility towards the VGE-aided GeoDesign from the special viewpoint of geo-analysis, with focus on the combination and cooperation of VGE and GeoDesign. Besides, a case study of Hong Kong Geopark planning work (Evaluation of Path Selection in Hong Kong Geopark) is introduced in this article, for the instruction of VGE application and its combination point with GeoDesign.

Key words: landscape architecture; Virtual Geographic Environment; GeoDesign; Planning of Hong Kong Geopark; path evaluation

1 引论：地理设计与虚拟地理环境

作为21世纪新概念的地理设计(GeoDesign)被引入传统规划与设计 领域之中，意为在风景园林、城市规划中结合地理分析，将三维地理环境 整体性地作为设计对象、全面考虑设计问题[1]。相较于传统的建筑设计、 风景园林与城市规划而言，从属于地理空间中的事物均可参与设计过程， 对设计的分析和决策产生影响。在地理设计中，部分空间分析软件作为地 理分析辅助工具常常被予以采用，如CAD、GIS等[2]，它们将地理信息数字化、系统化，利用自身平台的信息处理优势来完成地理分析，为进一步 的地理设计提供坚实有用的后续支持。

虚拟地理环境(Virtual Geographic Environment，VGE)概念的提出距今约20余年，此阶段已积累较多的地理分析经验。它包括作为主体 的化身——人类社会以及围绕该主体存在的一切客观环境，其中的地理位 置层面、内表达数据层面及外表达镜像层面整合形成强大的三维地理信息 平台，能够完成地理数据的存储、分析和可视化，并为地理设计提供决策 支持[3]。此外，化身因素的引入有助于让设计者通过人的视角来思考设计 问题，跳出传统的“上帝视角”，在如视域分析、风景吸引度分析等方面 可发挥出独特能力。结合笔者熟知的项目，在珠三角空气污染物分布和扩 散模拟的研究中，它在区域尺度下能够对地理过程模型进行合理的空间分 析和可视化[4]，而在虚拟香港中文大学平台上，在社区小尺度下的微环境模拟、城市空间的视域分析也表现出色[5-6]。考虑到其地理分析的能力，笔者认为，可以尝试以虚拟地理环境作为平台开展地理设计，来验证两者结合的可行性。

2 地理分析：虚理地理环境与地理设计的结合点

从词义上来说，“地理”是虚拟地理环境与地理设计的共通点，也是 两者协作结合点的关键所在。在地理的基础上，虚拟地理环境强调对真实 世界中的地理环境进行数字化和虚拟化，通过计算机来模拟，完成地理数 据的存储、分析与可视化，从而为决策提供支持；而地理设计则偏向于在 风景园林与城市规划中引入地理分析，用其结果辅助设计，从而达到全局 考量、协调周边环境的目的。初步来看，前者侧重于地理数据管理和现实 环境模拟，而后者偏向于设计和规划，若两者可在地理数据处理流程中以 上下游的关系进行结合，便可达到协同工作的目的。虚拟地理环境作为平 台，进行地理数据的筛选、处理和分析，而输出的可视化结果可以为地理 设计需要的环境分析提供决策建议。两者各施所长、相辅相成，便可实现 最佳的结合。

实现“地理分析”的目标需有一些技术支持，其中，在地理信息的储 存管理、分析及可视化3个步骤之上，所需的工具必不可少。首先，地理 信息的储存和管理环节需要合适的地理信息数据库，它可以将地理信息按 照地理位置索引进行存储和组织，方便查询过程中随时调取。其次，对地 理信息的分析工具而言，它必须能够成熟地处理矢量与栅格化的地理信息 数据，满足常规的分析和计算功能。此过程中，分析工具须能从数据库中 便捷提取相关地理信息，针对分析目标进行适当计算、变换和处理，方可 输出需要的分析结果。最后，运算结果的可视化也是重要的环节之一，合理的地理数据可视化往往能起到事半功倍的成效，直观、明显地反映出地 理分析问题并支持决策者的判断。此三环节缺一不可，只有一应俱全，地 理分析的进行才能井然有序、对地理设计的支持才能坚实可靠。

以笔者目前经验来看，虚理地理环境的平台能够胜任地理分析这3个 所必需环节的工作。从笔者案例中采用的虚拟地理环境平台为例来看，管 理和储存的数据库上采用了MySQL的免费开源数据库，对空间地理信息 支持较成熟，并可以使用地理相关插件按索引进行检索和查询。分析部分 采用了Python与C++编写的针对性地理分析工具，可以熟练地提取并分析 数据库中的地理数据，并将结果写入数据库中。而可视化部分，本平台利 用了Open Simulator(OpenSim)软件来作为可视化的平台，地形、水域 与运算结果可以在平台中得到三维的模拟与可视化，为最终决策者提供直观而形象的结果，帮助其完成地理设计的过程。

3 可行性实践：香港地质公园路径选择案例研究

3.1 香港地质公园案例选择

选择一例实际项目来说明虚拟地理环境平台上开展地理设计的可能 方法。该案例以香港地质公园为背景，核心研究地点位于香港特别行 政区新界西贡区的东部、万宜水库周边，涉及面积(含陆域、水域)共约 30km2，其中水库区域约12km2。由于地质公园的独特性，园区内以 自然环境为主，并因地处郊区、环境优美，常被市民选作爬山郊游的首 选地点。公园内兼有部分人工修建的车行、步行郊游道相连成网，供游 人选择。笔者对这些道路进行较为详细的勘测，同时结合地质公园的地 形、斜坡维护、拍摄照片的频繁程度等数据，在虚拟地理环境平台上来 进行地理分析。

作为基于虚拟地理环境平台的地理设计研究对象，香港地质公园中有 许多可供挑选的课题。选择“路径选择评价”作为研究内容，按照地理设 计的概念要求，该研究通过对地质公园内部游览径的情况进行地理元素的 分析，一来可为游览者挑选合适的路径安排，二来了解各路径沿线的各种 因子分布情况，对不适合的地方道路进行适度整改，以完成规划与设计的 初步勘察工作。再进一步说，这些分析结果可以满足决策者地质公园内路 径选择评价的直观需要，再辅助恰当的设计来规划公园内的游览路线、完 善地质公园的设施。

3.2 路径选择的评价因子确定

由于地质公园内可选择的郊游径众多，笔者挑选出若干路径，利用虚 拟的地质公园万宜水库及其周边环境对其进行分析，意在比较在各种不同因子下路径对于郊游出行的适宜程度。在研究范围内，共有9段郊游径被列为路径评价的对象(图1)。此9条道路的路况与维护状况各不相同，同时道路截面、郊游行进难度、风景吸引程度也有较大程度差异。在游人参观 地质公园的过程中，选择不同的郊游径需要不同的体力强度，同时，也会获得不同的风景体验。若能提前了解各路段在各关注因子上的信息，游人 可按自身需要提前做出路径安排，而地质公园管理方也可有针对性地改善路径中不足的设施、提升游人的使用体验。经上考虑，使用路径评价来作为地理设计的尝试性研究颇有意义。

在研究实验中，笔者初步挑选出3项因子，即安全度、开放度及吸引 度，来作为路径评价的标准。“安全度”在实验中指在路径上行走遇到地 质灾害发生的可能性大小，可能性越小则安全系数越高，毕竟相较平地公 园来说，香港的地质公园均坐落在崎岖山地，有较高的发生山体滑坡的 可能性；“开放度”指地形的开阔程度，使用视域(Viewshed)分析来衡 量，即当郊游者身处某地时其视线可达的总的范围大小；“吸引度”用来 描述风景对游人的吸引程度，按照作者的理解，这近似可认为是“风景越 优美的地方游人拍照越频繁”，因此采用游人拍照频率进行衡量，大致可反映出游人对各地点风景的偏好结果。

3.3 路径选择的地理分析过程

由于以上3项因子的各异性，分析过程各不相同。若要达到此3项因 子所需分析结果，输入数据的种类也有一定要求，其中包括地质公园的数 字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)、已加固斜坡范围、道路沿 线关键视点位置、游人拍照的时间与位置信息等。此类数据由实验人员采 集、数字化及录入到地理信息数据库中，供后续查询和分析使用。在数据 的储存与管理方面本实验采用了MySQL空间数据库，可将数据与地理坐 标相关联、以矢量数据形式存储于数据库中；对于一些大型栅格数据文件 (如DEM)则作为文件单独保存、使用时通过程序调用，可节省部分数据转 化时间。此3项因子在接下来的地理分析流程中采用了彼此独立的分析方法(图2)，获得输出结果之后再通过虚拟地理环境平台按图层进行组织， 并完成可视化的过程。

简单概述3项因子的分析流程如下：安全度方面，由于其与地质灾害 的直接相关性，通过研究区域的数字高程模型导出坡度、海拔，利用该地 区地质灾害概率的相关性表格可以近似得出地质灾害在各点发生的概率， 若此点已被加固(参考斜坡加固区域范围)，则概率酌情做出修正；开放度方面，在各路径沿途隔相等距离选取关键视点，并使用视域计算工具计算 出该视点可达的面积范围，从而与开放度建立相关；吸引度方面，建立在拍照频率与景观吸引度成正比的假设基础上，游人拍照的时间与位置信息 被合理导入数据库后，使用点密度分析算法来求出区域内各点的热度值， 由其相关性而得出吸引度的结果。由于在本实验中仅关注路径与路径周边 的区域，一些不相关区域(如水库、海面等)被裁减出输出结果范围，以便 优化结果、在可视化中重点展示路径沿线内容。

借助虚拟地理环境平台，本实验引入了强有力的地理信息可视化工 具。在本研究中，笔者采用了OpenSim作为可视化的平台软件。该软件 可以形象地可视化地形、建筑、水体等地理要素，并提供了化身为中心 的浏览器系统，不仅可在本地计算机上利用浏览器获取网络服务器上的 地理信息资源、在本地完成最终的可视化，还可通过化身视角在环境中 进行数据查询。针对本研究内容，地质公园的基础地形、水体模型等被 放置在服务器端，而安全度、开放度及吸引力3项因子被制成插件嵌入在 客户端浏览器中，通过开关控制数据传输与显示。可视化过程中针对不 同因子载入不同图层，通过颜色变化、形状大小、扩散区域、动态效果 等方法来展示其特有的属性指标，给使用者清晰直观的数据分析结果， 以帮助其做出决策及支持地理设计。此外，由于平台中化身的引入，在 可视化的表达方面决策者可操纵化身到达其更关注的场景，较为直观地 从人的尺度来观察其周边的因子变化情况，并利用综合工具将周边因子 加权，分析当前点加权后的因子影响。关于安全度、开放度及吸引力的可 视化初步效果可参照图3。

3.4 虚拟地理环境对地理设计的支撑

根据地理分析的结果，虚拟地理环境平台为地理设计提供了有较强 说服力的决策支撑。在本实验中，地理分析的结果不仅给游人挑选游览径 提供了清晰直观的建议，在地质公园未来设计和规划上，也为设计者揭露 了一些现存的不足。针对这些问题，地理设计可以找到设计着手点，更有 侧重地去考虑和解决这些问题。结合本实验中使用的3项因子讨论，在一 些游人可能经常到达的区域，如视野开阔、景色优美、吸引度高的区域， 路径的安全系数不高，在未来规划中应注重对此段道路周边斜坡进行加 固，以保障游人的出行安全。而在游览径的规划选择上，一方面规划者应 注重组织景观优美地点，依次穿过并留出充足空间让游人放松身心；另一方面，分析结果也提供了按城市空间中的空间开合秩序来拟合游览径的视 觉开放度变化的可行性。按地理设计的思路根据这些问题一一找出优化方 法，改善地质公园的规划与设计，可以让公园的使用者获得最佳的景观和 空间体验。

4 讨论：未来的可行性发展

基于虚拟地理环境的地理设计或许可以为未来的设计方式开辟一条新 的道路。由于虚拟地理环境平台上地理分析的方式独特，如地理分析工具 的应用更为灵活、化身为中心的观察视角更为人性化，结合其自身特点， 笔者认为其可在以下几个方面辅助未来地理设计的进行。

1)利用强大的地理信息数据库，支撑地理设计中数据的合理储存和管 理。虚拟地理环境与MySQL空间数据库的结合可有效地处理三维的地理 信息数据、按索引分类管理，同时也有利于后期快速提取数据进行分析。

2)利用多样开源的开发环境，为地理分析提供多种算法支持，满足地理设计不同的需 求。由于虚拟地理环境平台的多样性和开源性，设计者可以依据设计目标有针对性地写出 分析算法，有侧重地处理地理设计中的主次轻重关系。

3)利用三维形象的可视化效果，将地理分析的输出结果更生动、便于理解地传达给决策制定者，以便于设计或规划实施人员发现问题、解决问题，完成地理设计。

地理设计的应用发展到如今仍属起步阶段，未来发展存在多种多样的可能性。类似的，虚拟地理环境的前景也需要学者们去探 索。结合本文中笔者实验的技术途径和实现方法，可见虚拟地理环境与地理设计的结合相得益彰、在地理分析过程中相辅相成，足以胜任 整项设计工作。笔者也相信，经过研究者们多次尝试和实践，现存的问题和局限会逐渐改善，虚拟地理环境与地理设计的协作会越来越融洽。

注：文中图片均由作者绘制。

 

参考文献：

[ 1] 威廉·米勒. 地理设计定义初探[ J ] . 中国园林， 2010，26(4)：27-28.

[2] 麦克尔，迟晓毅，李乃聪，等.地理设计基础[J]. 中国园林，2010，26(4)：29-34.

[ 3] 林珲，龚建华. 论虚拟地理环境[ J ] . 测绘学报， 2002，31(1)：1-6.

[4] Lin H, Zhu J, Xu B, et al. A virtual geographic environment for a simulation of air pollution dispersion in the Pearl River Delta (PRD) region[M]. 3D Geo-Information Sciences. Springer Berlin Heidelberg, 2009: 3-13.

[5] Hu M, Lin H, Chen B, et al. A virtual learning environment of the Chinese University of Hong Kong[J]. International Journal of Digital Earth, 2011, 4(2): 171-182.

[6] Lin T P, Lin H, Hu M Y. 3D Visibility Analysis in Urban Environment-Cognition Research Based on VGE[C]//ISPRS 3DGeoInfo Conference 2013, Istanbul, Turkey.

 

作者简介：

林天鹏/1986年生/男/湖南张家界人/香港中文大学地 球系统与地理信息科学专业在读博士研究生/研究方向为虚拟地理环境(香港 999077)

林珲/1956年生/男/江西南昌人/博士/香港中文大学 太空与地球信息科学研究所所长、香港中文大学地理 与资源管理学系教授/研究方向为多云多雨环境遥感(香 港 999077)

胡明远/1979年生/男/黑龙江佳木斯人/博士/香港中 文大学太空与地球信息科学研究所副研究员/研究方向 为虚拟地理环境(香港 999077)

施家城/1989年生/男/江苏南通人/香港中文大学地球 系统科学专业在读硕士研究生/研究方向为地理信息系 统(香港 999077)