基于ArcGIS的“登山觀城”眺望景觀優(yōu)化控制研究
——以福州福道為例

柯 彥

林月彬*

林碧英

劉 健

登高眺望是中國(guó)人自古以來(lái)就抱有濃烈興趣的一種游憩行為，也是目前城市森林步道、山地型綠道游憩價(jià)值體系的一個(gè)組成部分[1-2]。對(duì)于“眺望”這一細(xì)分領(lǐng)域的科學(xué)研究，能夠引導(dǎo)城市森林步道、登山游徑、山地型綠道的合理開(kāi)發(fā)，幫助城市內(nèi)部山地區(qū)域恢復(fù)眺望游憩價(jià)值。同時(shí)，眺望景觀又是城市景觀優(yōu)化控制的重要內(nèi)容，其評(píng)價(jià)研究通常成為景觀風(fēng)貌導(dǎo)控、城市景觀保護(hù)、城市特色塑造的重要參考[3-4]。特別是隨著快速城市化的發(fā)展，如何避免“城-景”邊界地帶的建筑高度失控而對(duì)城市景觀的完整性和獨(dú)特性構(gòu)成威脅，往往需要針對(duì)不同的景觀對(duì)象，依據(jù)眺望景觀或天際線的美學(xué)評(píng)價(jià)來(lái)制定專屬的景觀保護(hù)策略。如1938年英國(guó)對(duì)圣保羅大教堂及倫敦大火紀(jì)念碑周邊建筑高度的優(yōu)化，就是在眺望景觀控制領(lǐng)域中做出的早期嘗試[5]。此外，西村幸夫也在其著作《城市風(fēng)景規(guī)劃——?dú)W美景觀控制方法與實(shí)務(wù)》[6]中指出了眺望景觀優(yōu)化控制對(duì)于保護(hù)城市風(fēng)景的重要性。

但目前，針對(duì)城、景交接過(guò)渡地帶眺望景觀控制的研究仍然較少[7-9]，且其中大部分是基于“由城觀景”的角度提出相應(yīng)的控制框架或方法[10-13]，但這并不完全適用于在城市山地區(qū)域發(fā)生的“登山望城”行為的實(shí)際情況。2018年，福州城市規(guī)劃部門已經(jīng)把打造“登山觀城”視廊納入“城市雙修之景觀風(fēng)貌優(yōu)化”的考量中，希望從城市山地這一特殊的“景”出發(fā)，通過(guò)對(duì)山地周邊地帶城市區(qū)域的眺望景觀優(yōu)化，保持城市發(fā)展的整體性和景觀的融合度，同時(shí)構(gòu)建以眺望游憩作為亮點(diǎn)的城市山地區(qū)域所獨(dú)有的價(jià)值體系，滿足當(dāng)下民眾對(duì)于健康生活、和諧人居環(huán)境營(yíng)造等諸多需求，這為風(fēng)景園林學(xué)學(xué)科提出了一個(gè)新的研究論題。

因此，本研究在福州城市雙修總體規(guī)劃中“登山觀城”視廊建設(shè)的思路框架下，以福道所在山體周邊城市區(qū)域的眺望景觀為主要研究對(duì)象，基于ArcGIS三維城市模型對(duì)眺望可視域及天際線的空間層次構(gòu)成情況進(jìn)行分析與評(píng)測(cè)，并利用GIS進(jìn)行眺望視線控制基準(zhǔn)模型的導(dǎo)控模擬。以期為眺望景觀優(yōu)化控制領(lǐng)域的研究進(jìn)行補(bǔ)充，同時(shí)為相關(guān)規(guī)劃設(shè)計(jì)決策提供分析依據(jù)和基于景觀可視化的技術(shù)支持。

1 眺望視域內(nèi)建筑空間層次平衡度量化評(píng)價(jià)方法

天際線是現(xiàn)代意義的眺望景觀最重要、最基本的資源構(gòu)成部分[10]，以天際線相關(guān)指標(biāo)的量化為基點(diǎn)進(jìn)行量化評(píng)價(jià)研究，往往可以形成一些關(guān)于眺望景觀控制的精準(zhǔn)決策[14-17]。其中，“建筑空間層次平衡度”(layering equilibrium degree of the skyline)是由相對(duì)于觀測(cè)者視線方向的建筑界面形成的不同空間層次所產(chǎn)生的視覺(jué)感知，是天際線形態(tài)美學(xué)評(píng)價(jià)和城市規(guī)劃技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的重要指標(biāo)[18-20]。視廊中不同層次建筑可視面積比例的均衡程度可以直觀反映視線通達(dá)程度，影響觀測(cè)者的認(rèn)知愉悅程度，是眺望景觀美學(xué)品質(zhì)的一種表達(dá)。

因此，本研究在可視域分析的基礎(chǔ)上，綜合亞瑟·斯坦普斯(Arthur Stamps)的天際線美學(xué)理論和鈕心毅提出的基于視覺(jué)影響的城市天際線定量評(píng)估方法，將3個(gè)觀測(cè)區(qū)域范圍按可視距離均等劃分為近景、中景和遠(yuǎn)景(對(duì)應(yīng)可視界面的第一至第三層)，分別用S1、S2和S3來(lái)表示由不同距離的建筑群落所形成的3層可視界面層次的面積，通過(guò)層次占比情況來(lái)反映天際線層次感的均衡程度。借助這一指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“由山觀城”視角眺望景觀優(yōu)化控制模擬。

2 案例

2.1 研究區(qū)域概況

福道是全國(guó)首條采用“Treetop Walkway”設(shè)計(jì)理念[21-23]的全鋼架空式無(wú)障礙山地步行系統(tǒng)，它位于福州市鼓樓區(qū)，閩江東側(cè)，環(huán)線總長(zhǎng)約19km，涉及的山地森林范圍達(dá)175hm2。全長(zhǎng)約6.3km的高架步道主軸線東起左海公園，西至閩江國(guó)光公園，橫貫以金牛山為主的多座丘陵，串聯(lián)沿線數(shù)十個(gè)山地公園綠地節(jié)點(diǎn)[24]。2018年8月，福道全程完工并向市民開(kāi)放，它將原本相對(duì)封閉的城市山地林區(qū)變?yōu)榱顺鞘兄凶钍軞g迎的森林漫步區(qū)。

由于架空結(jié)構(gòu)抬高了眺望者的站位、拓寬了眺望視域，福道幾乎完全打破了傳統(tǒng)地基型森林步道的眺望點(diǎn)布局，且步道建設(shè)本身也與以天際線、眺望景觀優(yōu)化為主要內(nèi)容的“城-景”邊界風(fēng)貌導(dǎo)控有著直接聯(lián)系：2017年3月22日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部下發(fā)《關(guān)于將福州等19個(gè)城市列為生態(tài)修復(fù)城市修補(bǔ)試點(diǎn)城市的通知》，福州成為全國(guó)第二批“城市雙修”試點(diǎn)城市的排頭兵，城市規(guī)劃部門隨即編制了《福州市“生態(tài)修復(fù)、城市修補(bǔ)”總體規(guī)劃》。這份雙修總規(guī)劃以“青山入城”為主題，力圖建立及維護(hù)“山山互見(jiàn)”“城內(nèi)觀山”“登山觀城”3種類型的視線廊道。其中“登山觀城”視廊的打造思路，就是摒棄被動(dòng)的封閉式山地保護(hù)策略，利用各種形式的山地慢行系統(tǒng)主動(dòng)將市民引入山地森林中，增強(qiáng)城市中心山體群的開(kāi)放度，為市民提供更多的具有公共性和標(biāo)志性的眺望點(diǎn)，將城市天際線和城市建設(shè)的面貌展現(xiàn)給公眾，滿足市民所渴求的眺望賞景、健身休閑的基本需求，進(jìn)而凸顯城市山地豐富的價(jià)值層次，激發(fā)全社會(huì)對(duì)城市山地的重視與保護(hù)；同時(shí)對(duì)“山-城”視廊的優(yōu)化、眺望景觀優(yōu)化控制等課題進(jìn)行評(píng)估論證，再逐步對(duì)山體周邊城市區(qū)域的天際線、建筑空間構(gòu)成、高度、體量、密度等建設(shè)要素進(jìn)行導(dǎo)控。因此，福道項(xiàng)目實(shí)際上承擔(dān)了“城-景”邊界地帶景觀完整性保護(hù)、眺望景觀風(fēng)貌導(dǎo)控的試點(diǎn)任務(wù)。

2.2 確定眺望點(diǎn)和眺望區(qū)域

按照福州市雙修總規(guī)，全市共規(guī)劃建設(shè)26條“登山觀城”視廊，金牛山作為重要試點(diǎn)，涉及“金牛山-大儒片區(qū)”“金牛山-閩江北岸片區(qū)”“金牛山-西湖片區(qū)”3條視廊的建設(shè)。因此，大儒片區(qū)、閩江北岸片區(qū)和西湖片區(qū)成為本研究的3個(gè)主要觀測(cè)區(qū)域。對(duì)應(yīng)3個(gè)片區(qū)的觀測(cè)，本研究在福道線路中選擇6個(gè)視野開(kāi)闊且能夠滿足較大人流量聚集的觀景平臺(tái)或登山過(guò)程中的休憩集散點(diǎn)作為天際線觀測(cè)點(diǎn)，每個(gè)片區(qū)分別對(duì)應(yīng)2個(gè)海拔高度不同的觀測(cè)點(diǎn)[25](圖1，表1)。

圖1 觀測(cè)片區(qū)和觀測(cè)點(diǎn)(作者改繪自參考文獻(xiàn)[25])

表1 天際線觀測(cè)點(diǎn)信息

2.3 基于ArcGIS的研究區(qū)三維可視化實(shí)現(xiàn)過(guò)程

本研究利用ArcGIS構(gòu)建以福道所在山體為核心，向外輻射約4km范圍的城市三維模型(人眼最大眺望視距約4km[4])?；A(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源主要包括：比例尺1:1 000 000的福州市建筑(帶高程數(shù)據(jù))矢量圖、利用Locaspce Viewer軟件獲得的研究區(qū)Google Earth影像圖，以及WGS-84坐標(biāo)系下的數(shù)字高程模型。另外，使用GPS儀(Unistrong-Z5)實(shí)地采集帶高程坐標(biāo)的眺望點(diǎn)和福道路線全段的SHP矢量數(shù)據(jù)，用于在三維模型中確定眺望點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。

在Arcmap中完成對(duì)各基礎(chǔ)數(shù)據(jù)地理配準(zhǔn)和幾何校正的基礎(chǔ)上，首先構(gòu)建三維地形，主要包括城市自然景觀的地形或數(shù)據(jù)，如山體、地形、河流水系，以數(shù)字高程模型(DEM)形式顯示，將研究區(qū)地形基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS Pro中的三維場(chǎng)景，系統(tǒng)根據(jù)其不同的高度信息浮動(dòng)于地形上；再將二維的建筑矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS Pro，根據(jù)其原有的建筑高度信息進(jìn)行多面體拉伸，完成建筑三維體模型；最后將三維地形與建筑模型合并疊加至同一場(chǎng)景，并導(dǎo)入城市其他道路水系數(shù)據(jù)，即完成三維城市模型的構(gòu)建(圖2)。

圖2 福道周邊城市區(qū)域三維城市場(chǎng)景疊加構(gòu)建過(guò)程示意

3 量化評(píng)測(cè)結(jié)果

3.1 “登山觀城”視廊眺望區(qū)域可視域分析

本研究模擬正常氣候下游憩者在眺望點(diǎn)以最大視距4km所獲取的可視范圍，借助ArcGIS Pro中的3D Analyst模塊在帶建筑高程值和地形高程的柵格地表面，對(duì)6個(gè)優(yōu)選眺望點(diǎn)進(jìn)行可視域分析(View-shed Analysis)，獲得視野面內(nèi)遮擋的建筑和山體的可視域柵格圖。根據(jù)像元大小，計(jì)算出各個(gè)眺望點(diǎn)視野面內(nèi)的遮擋建筑物和地形可視面積(圖3)。

圖3 可視域面積統(tǒng)計(jì)

由分析結(jié)果可知，閩江北岸片區(qū)的B1眺望點(diǎn)所在的位置可視域范圍最大，可以初步認(rèn)為該眺望點(diǎn)視野遼闊，“山-城”眺望視廊通透性相對(duì)較好，不排除可能與所在地形高程為6個(gè)點(diǎn)之中的最高值有關(guān)。而面對(duì)大儒片區(qū)的A1、A2眺望點(diǎn)的可見(jiàn)視域面積最小，且面對(duì)相同眺望區(qū)域，海拔更高的眺望點(diǎn)A1并沒(méi)有比低視點(diǎn)A2產(chǎn)生可視域面積的明顯增量，可能與該片區(qū)建筑密度相對(duì)較大，且與山體距離過(guò)近，導(dǎo)致對(duì)眺望視野造成的遮擋。

3.2 視域內(nèi)建筑空間層次平衡度量化評(píng)測(cè)

借助ArcGIS三維城市模型進(jìn)行3個(gè)片區(qū)不同視距層次的障礙物分析，并獲取天際線二維立面展開(kāi)圖(圖4)，通過(guò)對(duì)不同層次建筑的識(shí)別和測(cè)算，得到關(guān)于3個(gè)觀測(cè)片區(qū)對(duì)應(yīng)的6條天際線的建筑層次均衡程度相關(guān)數(shù)據(jù)[25](圖5，表2)。

圖4 基于ArcGIS三維城市模型進(jìn)行3個(gè)片區(qū)不同視距層次的障礙物分析

表2 6條天際線可視界面層次可視層比率

圖5 天際線二維立面展開(kāi)圖

從中可以直觀地發(fā)現(xiàn)：大儒片區(qū)視線方向的2條天際線建筑群形成的近、中、遠(yuǎn)3個(gè)不同層次的可視界面面積比例存在比較明顯的失衡情況，尤其是可視界面的第一可視層占比很高。通過(guò)高視點(diǎn)A1獲取的天際線輪廓平緩、缺乏起伏變化，第一可視層(近景)面積達(dá)到建筑可視界面總面積的62.20%，中景建筑體面積占比僅11.8%；通過(guò)低視點(diǎn)A2獲取的天際線第一可視層(近景)面積占比高達(dá)81.70%，已接近第三可視層(遠(yuǎn)景)建筑的12倍之多，近景建筑的過(guò)度密集、體量過(guò)大，對(duì)于登山眺望者的遠(yuǎn)眺視線產(chǎn)生較大阻擋，這一數(shù)據(jù)表現(xiàn)與可視域分析的結(jié)果相互印證。另外，通過(guò)實(shí)地走訪發(fā)現(xiàn)，該片區(qū)第一層面建筑多數(shù)為體量和密度較大、建筑風(fēng)格和外形相近的高層商業(yè)住宅。這一類型的建筑群落對(duì)山地林區(qū)近距離的圍攏應(yīng)當(dāng)是影響視廊通透、導(dǎo)致眺望視線受限的一個(gè)重要原因。

閩江北岸片區(qū)視線方向的2條天際線的建筑可視界面層次構(gòu)成比例則完全相反，第一可視層(近景建筑群)相對(duì)弱勢(shì)：2條天際線的近景建筑群面積占比均低于20%，通過(guò)高視點(diǎn)B1獲取的天際線第二、三可視層(中、遠(yuǎn)景)的面積合計(jì)約為第一可視層(近景)的6.9倍。通過(guò)低視點(diǎn)B2獲取的天際線第二可視層(中景建筑群)的面積占比也超過(guò)了50%。

西湖片區(qū)視線方向通過(guò)低視點(diǎn)C2獲取的天際線同樣存在近景建筑比例過(guò)大的問(wèn)題。相對(duì)而言，只有西湖片區(qū)視線方向通過(guò)高視點(diǎn)獲取的天際線C1的近、中、遠(yuǎn)3層建筑群面積比例較為理想，3個(gè)可視層次面積比例為2.5:2:1，沒(méi)有出現(xiàn)某一層次過(guò)于強(qiáng)勢(shì)的情況。

4 討論與拓展

4.1 以協(xié)調(diào)“城-景”邊界為導(dǎo)向的眺望景觀建筑高度控制

區(qū)別于現(xiàn)有一些規(guī)劃類的研究中[7，13，26-27]已知眺望點(diǎn)和眺望對(duì)象，對(duì)視距內(nèi)建筑高度進(jìn)行限高調(diào)控的方法，本研究認(rèn)為，從風(fēng)景園林學(xué)學(xué)科出發(fā)，協(xié)調(diào)“城-景”邊界景觀融合度和完整性的核心在于“景”。因此，“登山觀城”眺望景觀的優(yōu)化控制也應(yīng)當(dāng)以山(或像福道這樣的新型山地步道)提供的眺望點(diǎn)出發(fā)，盡可能保證眺望視線通透、視距的延展，同時(shí)視域范圍內(nèi)天際線的空間形態(tài)還需要具有良好的視覺(jué)觀感：建筑群立面應(yīng)當(dāng)是有序疊加且富于變化，視覺(jué)層次占比合理、對(duì)比關(guān)系協(xié)調(diào)，甚至于建筑材質(zhì)的質(zhì)感豐富，共同形成有韻律、有規(guī)律、有節(jié)奏的形體組合關(guān)系。

基于以上眺望景觀優(yōu)化控制目標(biāo)，參考自2014年以來(lái)已在國(guó)內(nèi)部分城市(武漢、青島等)實(shí)施的眺望視線控制法，以及基于“梯度增量”和“三分之二原則”的分區(qū)控制法[7，26-28]，同時(shí)結(jié)合視距對(duì)眺望感知的現(xiàn)實(shí)影響(表3)，提出本研究區(qū)眺望景觀建筑高度控制方法(圖6)。設(shè)定眺望者位于山頂時(shí)垂直方向上的上下視角展開(kāi)度分別為30°、40°，眺望者在步道所提供的眺望點(diǎn)中，能夠清晰辨析建筑層次的視距大約為1km，首先將這一視距范圍劃分為“限建緩沖區(qū)”和“梯度控制區(qū)”2個(gè)區(qū)域，其中“梯度控制區(qū)”按照視距對(duì)眺望感知的影響，再劃分為近、中、遠(yuǎn)3個(gè)區(qū)域，呈梯度遞增進(jìn)行限高。視距300m以內(nèi)為近景層，限定建筑高度控制在山體高度1/4以內(nèi)，且這一區(qū)域內(nèi)的建筑細(xì)部特征、外形結(jié)構(gòu)、屋頂樣式等應(yīng)做特別規(guī)定；中景層和遠(yuǎn)景層建筑高度分別限定在山體高度1/2和2/3以內(nèi)，旨在產(chǎn)生易辨識(shí)的遠(yuǎn)近梯度疊加的視覺(jué)層次對(duì)比關(guān)系。由于人眼在視距1～2km范圍內(nèi)對(duì)建筑空間層次的視覺(jué)感知已發(fā)生弱化，不能再簡(jiǎn)單地按遞增方式限高(會(huì)導(dǎo)致天際線層次過(guò)于死板，缺乏活躍的視覺(jué)觀感)，因此這一視距范圍劃定為“核心高度控制區(qū)”，建筑高度可以有所提升，但需要基于眺望視線控制分析建立建筑高度基準(zhǔn)模型進(jìn)行模擬和具體細(xì)化。視距2km以外的區(qū)域劃為“背景協(xié)調(diào)區(qū)”，在這一區(qū)域人眼只能大體識(shí)別建筑輪廓，可以在水平方向上有所協(xié)調(diào)，突出具有影響力的天際線局部制高點(diǎn)，垂直方向上的建筑高度不做嚴(yán)格控制。

圖6 研究區(qū)眺望景觀建筑高度控制方法示意

表3 視距與視覺(jué)感知分析

4.2 眺望視線控制基準(zhǔn)模型的導(dǎo)控模擬

綜合現(xiàn)有研究中的建筑高度控制模型、視線綜合模型等[7，13]，進(jìn)一步提出研究區(qū)“基準(zhǔn)＋修正”的建筑高度控制框架(圖7)，先建立主要針對(duì)核心高度控制區(qū)的建筑高度控制基準(zhǔn)模型，再根據(jù)福州自然山水環(huán)境與城市建筑特點(diǎn)，基于景觀美學(xué)原則，對(duì)基準(zhǔn)模型進(jìn)行天際線局部輔助調(diào)整，使城市建筑控制更加符合視覺(jué)美學(xué)理念，并達(dá)到城市建設(shè)與山地環(huán)境和諧發(fā)展的理想要求。

圖7 研究區(qū)眺望景觀建筑高度控制模型框架

以建筑高度控制基準(zhǔn)模型為例，根據(jù)本研究眺望景觀建筑高度控制方法，在計(jì)算出梯度控制區(qū)遠(yuǎn)景層建筑限高之后，核心高度控制區(qū)應(yīng)以高度為tanα·S4＋h的視線形成的視野面作為建筑限高面(天際線是通過(guò)視野面中被建筑遮擋的投影所形成，故建筑控制高度需在視野面之下)。由于研究區(qū)中的地形多變，需再運(yùn)用GIS柵格計(jì)算工具，將視野限高面與地形表面進(jìn)行相減運(yùn)算，即：H(i點(diǎn)的建筑高度)＝Hi(i點(diǎn)投影的建筑限高面高程值)－h(huán)i(i點(diǎn)的地面高程值)，以此得到區(qū)域內(nèi)建筑的基礎(chǔ)控制高度。

最后按地理空間的對(duì)應(yīng)位置，對(duì)各街區(qū)地塊和建筑高度控制值進(jìn)行匹配，對(duì)重疊的部分地塊取最小值，計(jì)算出研究區(qū)各個(gè)街道區(qū)域的建筑高度，形成研究區(qū)與3個(gè)視廊保護(hù)區(qū)對(duì)應(yīng)的基于視線分析的建筑高度控制基準(zhǔn)模型(部分調(diào)控?cái)?shù)據(jù)見(jiàn)表4)?？紤]到城市土地的集約使用存在現(xiàn)實(shí)壓力，還可以利用GIS的重采樣工具，融合更多因素將一個(gè)地塊進(jìn)行多個(gè)亞控制單元的劃分[29]。

表4 建筑高度優(yōu)化控制

5 結(jié)語(yǔ)

本文聚焦“登山望城”視角下的城、景交接過(guò)渡地帶眺望景觀優(yōu)化控制問(wèn)題，利用ArcGIS三維可視化技術(shù)完成對(duì)眺望視廊內(nèi)天際線建筑空間層次構(gòu)成情況的量化評(píng)測(cè)。提出研究區(qū)眺望景觀建筑高度控制方法，并利用GIS進(jìn)行眺望視廊內(nèi)建筑空間層次的模擬優(yōu)化。一方面對(duì)“由景入城”視角下的城市眺望景觀優(yōu)化控制研究進(jìn)行補(bǔ)充；另一方面也為當(dāng)?shù)睾罄m(xù)的城市風(fēng)貌導(dǎo)控等相關(guān)策略的制定提供參考。

我國(guó)在城市景觀優(yōu)化控制領(lǐng)域的研究工作尚屬起步階段，無(wú)論是理論研究、操作技法還是項(xiàng)目實(shí)踐都處在探索過(guò)程中，而直接從城市景觀入手，引導(dǎo)、規(guī)范城市的開(kāi)發(fā)與再開(kāi)發(fā)，維護(hù)城市地塊的特殊性，從而為人們提供一個(gè)和諧、易識(shí)別的景觀環(huán)境，則是一個(gè)值得注意的研究切入點(diǎn)[5]。眺望景觀的優(yōu)化控制正是如此，從風(fēng)景園林學(xué)的學(xué)科角度展開(kāi)相關(guān)研究，往往能夠形成對(duì)城市景觀保護(hù)、融合與完整性等有價(jià)值的規(guī)劃設(shè)計(jì)策略。而“基準(zhǔn)＋修正”的建筑高度控制框架與GIS技術(shù)的結(jié)合則可以在這一類研究中發(fā)揮更多積極作用。此外，本研究所采用的計(jì)算機(jī)三維空間可視化技術(shù)可以比較直觀地展示城、景的物理形態(tài)，滿足風(fēng)景園林研究和規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)踐對(duì)于精準(zhǔn)化越來(lái)越高的需求，也能規(guī)避調(diào)查類評(píng)測(cè)方法所產(chǎn)生的一些主觀傾向。

注：文中圖片除注明外，均由作者繪制。