地理設計理念及應用進展

地理設計是一種設計和規劃的方法。該方法將設計方案的設計與環境分析、系統思維和數字技術應用的影響分析相結合。地理設計是設計與地理學結合的產物,是對這個世界的一種基于科學理念的干預方式。地理設計的出現是一種適時的契機,為我們解決現代社會資源緊張、人口城市化、環境惡化、氣候變遷等諸多問題提供了一個行之有效的方法論。正因如此,地理設計理念誕生以來,便具有很強的面向應用的生命力,于是,有關的應用探索迅速發展起來。本文基于既有文獻及本期所刊論文,從應用框架構建、應用領域探索及應用平臺研發3個方面,梳理關于地理設計理念在規劃設計領域的應用研究進展。1設計地理設計地理設計的技術框架涉及工作環境、工作流程與設計工具3個部分的創新。最為經典的地理設計框架當屬卡爾·斯坦尼茲(CarlSteinitz)在《地理設計框架》(AFrameworkforGeoDesign)中提出的“四類人、六模型、三循環”框架(圖1)?！八念惾恕泵鞔_了參與地理設計的相關人員。1)本地居民:他們扮演2個基本角色,一是提出地理設計的基本需求,二是審核最終設計方案帶來的影響。2)地理科學家:包括自然和社會科學家在內,諸如地理學家、水文學家、生態學家,以及經濟和社會學家等。3)信息技術人員:包括信息處理及地理信息系統(GIS)應用專家等。4)規劃設計人員:包括規劃師、城市設計師、風景園林師、建筑師、土木工程師等。4類人圍繞研究區域精誠合作方能完成地理設計,并為獲得優化方案奠定基礎?！傲Ｐ汀泵鞔_了地理設計必須回答的6個問題。1)表達模型:如何描述研究區域?在內容、空間和時間上描述所研究的區域。2)運作模型:研究區域如何運作?明確要素間相互的結構和功能關系。3)評估模型:研究區域是否工作正常?評估研究區域的現行狀態。4)變化模型:如何改變該研究區域?確定何時、何地、通過什么政策和行動進行改變。5)影響模型:改變提案將如何對該區域造成影響?預測改變可能導致的結果。6)決策模型:如何對該區域進行改變?解答區域應該如何被改變。顯然,“六模型”是地理設計框架的核心內容,也是“四類人”的工作重心?！叭h”明確了地理設計的完整過程。1)自上而下順向循環一:從表達模型到決策模型,回答為什么要開展此項研究。2)自下而上逆向循環二:從決策模型到表達模型,回答怎樣開展此項研究。3)自上而下順向循環三:從表達模型到決策模型,回答做什么、在哪里、何時做的問題。當然,最后的規劃設計方案,需要由利益相關者做出決策,以便作為變化實施的依據。此外,伊恩·比索普(IanBishop,2013)的優化地理設計框架強調“通過地理背景生成影響模擬”,影響模擬的生成需要一個與優化要求非常相似的輸入數據范圍和輸出系數,GIS通常被認為是地理設計的基礎,為影響模擬或優化提供了必要的啟動條件。史蒂芬·埃文(StephenM.Ervin,2013)的地理設計技術框架注重通過數字計算、運算流程和通信技術來促進協作化、信息化,并通過設計模擬和系統化的思考方式獲得及時的反饋;并將地理設計的要點概括為3個C:復雜性(Complexity)、算法(Computation)和合作(Collaboration)。基于卡爾·斯坦尼茲的地理設計框架,許多學者根據規劃設計的具體應用需求,發展了一系列面向應用的地理設計框架,諸如邁克爾·古德柴爾德(MichaelF.Goodchild,2013)的海洋生態環境保護地理設計框架、俞孔堅(2012)的區域生態安全格局地理設計框架、羅靈軍(2012)的地理設計服務模型、朱戰強(2014)的城市生態景觀格局地理設計框架、周文生(2014)的城市總體設計框架等。眾多應用框架的構建,為地理設計理念在規劃設計領域的應用奠定了堅實的基礎。2地理設計的主要領域地理設計是多學科的交叉,既涉及城市規劃及景觀設計學,也涉及地理學、生態學、水文學、社會學、經濟學等自然與社會學科。人們也期望地理設計能夠應用于諸多不同領域,并通過規劃設計尋求解決不同領域面臨的問題,早在2010年的世界首屆地理設計峰會上,地理設計的應用領域就成為討論的重要議題,涉及區域景觀尺度、都市尺度、建筑尺度中地理設計,以及地理設計與三維設計和建筑信息模型(BIM)的關系等。以下將從5個方面梳理不同領域的應用實踐探索。2.1基于地理設計的城市景觀生態安全格局規劃設計北京大學俞孔堅和他的研究團隊,一直致力于用空間規劃途徑解決人地關系矛盾。他們應用地理設計框架的規劃方法論,強調設計應尊重生態過程的安全與健康,對環境中水、生物、地質等自然過程及游憩、鄉土遺產等人文過程給予了充分的考慮,完成了從國土尺度的“國土生態安全格局研究”到區域尺度的“北京市生態安全格局研究”等不同尺度的景觀安全格局和生態基礎設施規劃,體現了地理設計的優勢。中山大學朱戰強(2014)將地理設計理念應用于中等城市的景觀生態安全格局規劃設計,形成了面向城市景觀生態安全的地理設計應用流程與方法,通過綜合生態敏感性評價構建城市景觀生態安全格局,既考慮了市域生態敏感性要素的辨識與保護,又突出了城市發展的特點與需要。實證研究表明應用地理設計方法開展城市景觀生態安全格局規劃設計,充分體現了2個特點:1)將地理學家的專業知識融入景觀生態安全格局規劃設計的前端;2)在地理設計框架中貫徹了公眾參與規劃的思想。2.2空間管制規劃中國城市規劃研究院馬琦偉(2014)將地理設計理念應用于空間管制規劃。空間管制規劃與地理環境關系緊密,涉及眾多自然及社會要素,更需要借助地理設計促進規劃策略的合理制定。根據我國城鄉空間管制規劃所面臨的困境,他們探討應用地理設計理念開展空間管制規劃,提出了以綜合地理單元為基本載體的空間管制系統,并通過張家界的實踐,不僅形成了由綜合地理單元、生態要素、管理級別、控制策略組成的空間管制規劃體系;而且形成了由技術路線、分析手段、編制方法和管理途徑組成的一套方法體系。北京大學洪敏(2014)面對人地關系日益緊張、氣候變化、生物多樣性減少等生態環境問題凸顯的現實狀況,結合北京市淺山區土地利用戰略規劃的案例,探討如何應用地理設計的理念,打破學科間的界限,通過科學知識協作及地理信息等技術平臺輔助來優化生存空間。為此,他們以北京區域整體為研究對象,采取區域與系統的研究視角,運用預景矩陣研究方法,從生態保護、市場需求及土地利用規劃引導三維度出發,通過模型模擬、影響評價及方案比選,確定了北京市淺山區土地利用最終方案的選擇。2.3基于調研的城市景觀設計整體優化的案例新加坡城市再發展管理局以卡爾·斯坦尼茲的地理設計框架為指導,開展舊龍湖區總體規劃及設計。項目以ArcGIS為技術基礎,結合區域經濟及商業發展,嘗試了一種整合用地、基礎設施、生態、文化景觀建設的一整套設計思維,通過模型模擬、評估以及影響分析的多方案比較來指導最終方案選擇,很好地完成了把該區建成“結合商業和娛樂的獨特的湖濱勝地”的宗旨。該案例通過“城市形態總體規劃—基礎設施評估與建?！傮w優化”3個階段完成,過程中選擇了一系列評價指標,其中的關鍵績效指標包括:總生活用水需求縮減量、總居住建筑能耗縮減量、總溫室效應排放量等。清華大學陳介山等(2014)針對無錫地鐵三號線的概念性城市規劃設計需求,應用地理設計理念開展地鐵站點周邊地塊土地性質的優化設計。該案例將建立“TOD開發類型分類矩陣”及“四效益(空間效益、經濟效益、環境效益、社會效益)規劃評價指標”作為量化評價規劃設計成果的“儀表板”,研究嘗試建立了地理設計中的“規劃儀表板”與“即時規劃反饋系統”概念模型,探索應用地理設計理念將信息技術輔助規劃由“規劃答案的提供者”轉型為“協助規劃工作運行的儀表板”,取得了預期的規劃設計效果。2.4基于gis的景觀規劃設計方法美國加州大學的邁克爾·古德柴爾德等應用地理設計理念開展了針對海洋生態保護的“海洋建?！表椖垦芯?他們關注來自亞洲港口的大型遠洋船舶對該海域的鯨魚(尤其是藍鯨,地球上最大的生物)帶來的侵擾。應用地理設計理念并借助于GIS,通過草圖模型、地圖繪制等技術途徑,對船舶航行路線進行細致的分析,建立了貨物運輸和環境保護之間的平衡關系,尋求可選的優化方案。規劃設計方案形成過程中,借助于WebGIS并通過互聯網將利益相關方、科學家、決策者、來自全世界的居民及個人聯系在一起,充分體現了地理設計的核心就是將創意與科學相結合。清華大學劉海龍等(2014)針對我國水環境不斷出現的系統失衡問題,提出基于地理設計理念的涉水生態景觀規劃設計方法,通過對現狀和規劃水生態要素中的一項或幾項進行模擬評估,搭建水環境與水景觀規劃設計方案的橋梁,以提高涉水景觀規劃設計方案的合理性、生態性。并以福州市江北城區內河水系整治為例,將水文水動力要素作為項目模擬評估的重點,利用GIS將江北區劃分為5個子流域,采用推理公式法計算各流域子片區的產匯流量,并與排水系統關聯確定內澇情況及嚴重程度,綜合考慮所在片區的可利用規模、功能定位,從而為影響開發措施的規劃定位提供科學依據,形成水景觀規劃設計方案。2.5基于虛擬環境的遺產設計在我國相關研究中的中香港中文大學林天鵬等(2014)將虛擬地理環境(VGE,VirtualGeographicEnvironment)作為地理分析的平臺,從地理分析的視角探索其與地理設計結合的可行性。并以香港地質公園地質遺跡保護規劃中路徑選擇評價為例,探討地理分析與地理設計的結合點與協作方法。他們基于地理設計的理念,首先確定了路徑選擇的評價因子,并應用地理設計的方法在虛擬地理環境平臺支持下開展地理分析,評價與選擇合適的規劃路徑,探索了基于虛擬地理環境平臺的自然遺產保護地理設計的技術途徑與實現方法。清華大學陳楊等(2014)以中國南方絲綢之路邛崍段文化遺產保護為研究對象,引入地理設計的理念,利用GIS空間分析(SpatialAnalysis)、疊加分析(OverlayAnalysis)等技術手段,首先對規劃區域各種不同的自然要素和人文要素進行分析,然后根據遺產資源的空間特征確定遺產廊道的邊界,并通過對遺產資源進行分析與評價,建立線性空間上的各個節點之間物質型遺產的聯系,最后選擇承載非物質型遺產內容的遺產游憩空間,獲得遺產廊道結構體系,形成保護南方絲綢之路邛崍段文化遺產的遺產廊道規劃方案。此外,荷蘭阿姆斯特丹自由大學亨克·舒爾騰(HenkJ.Scholten)將地理設計應用于促進歐洲可持續與精明發展;日本立命館大學矢野桂司(KeijiYano)將地理設計應用于地震海嘯災害之后的區域的重建規劃;武漢大學牛強將地理設計理念應用于城市控制性詳細規劃,以提高規劃成果的科學性。眾多應用表明地理設計理念在規劃設計領域的重要作用:美國德克薩斯大學費雷德里克·斯坦納(FrederickSteiner)認為地理設計可以幫助我們適應地球的脆弱環境,為子孫后代創造一個更加宜居的環境;日本東京大學石川干子(MikikoIshikawa)認為地理設計不只是對土地進行規劃和設計,而是一種能促使我們每個人的觀點和觀念產生改變的方法,引導我們建立更完善的社會系統。3中間級gis的應用美國環境系統研究院(esri)杰克·丹哲芒(JackDangermond)認為地理設計強調設計過程的快速迭代,從而需要規劃設計人員具有運用地理數據庫的分析能力,在一個反復的過程中快速進行規劃設計工作。這種設計方法要求所使用的規劃設計工具除了具備便捷的繪圖功能,同時能直接對地理數據庫中的數據進行編輯。英國倫敦大學邁克爾·巴蒂(MichaelBatty,2013)認為地理設計就是地理信息系統(GIS)與設計(Design)的結合。加州大學邁克爾·古德柴爾德(2013)認為地理設計為設計的藝術與科學的分析建立了聯系,GIS則提供了一種語言(關于空間思維的語言)為這種聯系構建了橋梁;但我們還要繼續發展工具,包括美學方面的繪圖和可視化工具、科學方面的分析及模擬工具,以及在線合作工具。由此可見,地理設計的發展與應用,離不開應用平臺的支撐。應該說,美國環境系統研究院(esri)一直注重地理設計平臺的研發,第一款地理設計軟件是應該是ArcCAD,是第一個在AutoCAD環境中嵌入的GIS系統。ArcCAD嘗試把地理數據和空間建模融入設計過程當中,提供了強大的繪圖、數據管理、空間分析和顯示的工具,可以直接與AutoCAD的設計與草稿工具一起作業。繼ArcCAD之后,esri又研發了SDECADclient和ArcGISforAutoCAD等應用程序。ArcGISforAutoCAD是一個免費下載的工具,提供了AutoCAD與ArcGIS平臺無縫的通透性,使用者在AutoCAD環境中快速且便利地取用ArcGISServer所發布的企業級GIS服務,讓設計師把GIS的分析結果包含在AutoCAD設計中,能夠建立、操作與定義CAD數據,并將其屬性化。隨后,esri又針對ArcGIS平臺開發了繪圖插件ArcSketch,提供了類似的地理設計功能:每一個圖形都有其自身的定義和規則,對圖形的修改會實時對數據庫中其他關聯地物產生影響。esri的另一個軟件模塊CityEngine則實現了基于規則的三維建模,使得設計師能在一個交互式的三維環境中對場地進行改變、評價和展示。除了esri的產品,其他一些設計工具也有了地理設計的雛形。例如NatureServ的Vista、Orton的CommunitzVis和CriterionPlanner的Index等規劃軟件,都支持用戶在生成規劃方案的同時迅速形成方案評估結果。不過,目前這些工具更多應用在大尺度的土地規劃中,在小尺度設計上較少應用。建筑設計領域近年來正在嘗試將建筑信息模型(BIM,BuildingInformationModeling)的范圍進行拓展,將建筑與周邊環境的關系納入到建筑設計與施工管理過程中來。此外,還有一些大型規劃設計公司開始獨立開發產品,用以幫助公司對項目進行可持續性的開發和管理。如AECOM公司開發了低碳生態規劃評估工具——可持續系統集成模型(SSIM,SustainableSystemsIntegrationModel),SSIM結合了項目所在環境的各項指標,如環境、人口、經濟、土地和能源等,對不同規劃方案實施后的結果進行仿真模擬和系統化的評估。清華大學周文生等(2014)根據地理設計在城鄉規劃領域應