数字化背景下的信息处理技术在城市公园绿地规划设计中的作用

周力行，唐晓岚，任宇杰

（南京林业大学 风景园林院，江苏 南京 210037）

所谓的数字化，就是将以文字、图片、声音等形式存在的信息转换为数据并导入计算机中进行处理和存贮。而地理环境信息中的数字化，就是将各种地理环境如山脉、水体、土壤等的信息通过计算机、应用网络和存储系统进行管理、辨识和分类，进而形成可共享的数据库[1]。当前由遥感和通信技术构成的信息网络保障了人们能够查阅到地球上任何一个地方的信息，还可以在这个集数字化、网络化、可视化和智能化於一身的虚拟信息库当中完成各类数据的存储、更新、提取和分析。

由于技术等因素的限制，目前我国的公园绿地规划设计领域很大程度上还是基于传统的媒介如纸质稿进行设计思路的表达（见图1）。姜峰（2004）将这一问题总结为以下几方面，一是资料不全面，城市景观规划设计所需的基础资料数据量大而涵盖面广，而当前国内设计规划领域所缺乏的就是高效的收集和管理系统。二是时效性不足，由于受制于纸质草图，导致交流方式单一且难以进行信息共享，也容易造成数据缺失，无法进行完整的分析。三是开放性不足导致设计结果出现偏差，传统的设计方式多是基于二维的平面图来推进方案，难以体现出三维的空间感，最终使得结果出现偏差，设计意图无法体现。四是缺乏有效的管理和评估机制，不仅设计人员在方案进行的过程中不受监督，在方案实施后也无法进行适当的评价，最终导致设计的结果无法发挥出应有的功能和达到理想的效果[2]。

基于上述的问题和缺陷，目前最适宜的改进方式便是在城市公园绿地的规划设计当中推广使用各种地理信息收集和处理技术，将各类信息进行分类整理以便今后使用。笔者即结合国内相关领域已有的研究成果，结合实际案例，探究和总结城市园林绿地总体规划、用地空间规划和具体规划设计三阶段中数字化信息处理技术的作用，并进行相应的归纳总结。

图1 传统设计方式和数字化设计方式的对比（资料来源：笔者整理）

1 城市公园绿地规划设计中的信息处理技术应用综述

1.1 数字化信息处理技术的功能

在现代的城市公园绿地规划设计中，要保证设计成果的美观性、适用性和可持续性，就要对所在区域的社会、经济、人文、地理、气候等自然或人工因素的信息进行综合化处理，而数字化信息处理技术正是实现相关的资料的整合和系统化的最佳途径，有利于设计者、建造者和使用者之间的沟通，更好的保证设计方案、实际效果和使用功能的完美统一。曹有新（2001）最早对其功能进行探究[3]，张宁（2009）对基于GIS进行城市三维建模的可行性展开了探讨[4]，凌湖萍等（2013）和周渝（2016）探究了城市绿化用地规划设计中数字化技术的运用和作用以及未来的前景[5-6]。如图2所示，通过研究成果的总结，得出其功能主要有以下几方面：一是数据库的建立，在着手设计之前，需要对场地已有信息进行采集、调查和分析，比如所在地的地形地貌、气候变化、历史人文和风俗民情等，然后建立对应的资料库。以便对其他的设计资料如道路、广场、植被、小品等的设计图纸，以及平面图、效果图等设计资料进行数字化保存，为后期的数据分析、深化设计及相关的交流、沟通和展示提供依据[5-6]。二是三维效果图的制作，本质是通过对现实场景的模拟来对空间进行多角度观察，在原始信息的基础上结合设计者的理念和自然、人文等因素，利用专门软件创造出设计成果，比如GIS和GPS对于场地地理信息的再现，或是3Dmax和SU根据设计需求和初步方案建立的三维模型，从而将设计师的意图和理念以可体验的方式展现在眼前，方便方案的推进。三是设计元素的指定和选择，所有种类园林的布局都要根据所在地的空间格局和人文地理环境来进行，而景观元素的选择也要根据比例和尺度进行综合分析，这些都离不开相关的信息处理技术。四是设计成果的汇报和交流，可利用Power point等软件对现状信息和设计的意图进行展示，还可以利用Web文件和Homepage等传输设计结果，同负责人及时沟通并得到对方的反馈意见。

图2 数字化信息处理技术的主要功能（资料来源：笔者整理）

1.2 不同层次的数字化技术及其作用

在公园绿地规划设计的不同阶段，对于不同层次的信息数字化信息处理技术所能起到的作用也各不相同（见图3）。罗名海（2003）主要探究在城市规划中数字化信息技术应用的发展方向、以及在用地空间规划、景观环境设计等不同阶段的作用[7]。

刘冲、李志强和秦华（2008）的研究中认为主要有以下几个层次[8]，首先是在城市整体空间规划中的作用，在充分的收集和整理了所在城市相关信息的基础上，通过对城市的生态环境、土地利用、整体布局、结构形态等方面的分析，探究城市的演变规律和今后可能发生的变化。并且根据使用功能和自身特性划分城市中各种空间的类型如道路、居住、景观等。其次是对区域景观格局的分析，这一过程主要是基于生态环境来进行景观空间和场所的布局，也涉及到物质、心理和社会的需求，主要是基于3S（GIS、GPS、RS）了解空间环境，进而对相关数据进行管理和使用[8-9]，同时基于规划设计的相关知识和原则，对空间进行规划和布局，并根据尺度建立模型，比如广场的设计主要考虑空间尺度和周围人群可达性。最后是景观营造阶段，即活动空间的规划和视觉效果的控制，要求设计人员基于已有的数据在三维模型中使设计结果直观化，以便今后进行优化和调整。

图3 数字化信息处理技术的在城市公园绿地中的运用层次（资料来源：笔者整理）

2 城市用地空间规划中的信息处理技术

作为城市绿地系统的重要组成部分，城市公园绿地的规划、设计和建设同城市的用地规划和空间布局密不可分。最近的十余年间随着城市化进程的不断深化，不但城市中的建筑交通等用地不断扩展，城市中的人工和自然景观也不断向城市外围的自然或半自然空间扩展。目前研究城市空间格局变化的数据处理软件主要是RS、GIS之类的数据收集、分析工具，主要是对城市用地和空间划分的分析和检测。由于研究技术和机制尚不成熟，国内对于城市景观格局的研究还停留在土地、经济、人口、政策等因素上，并没有重视城市空间扩张、发展带来的影响，研究模式仍集中在对城市历史和现状的总结上，对象主要还是北上广等超大城市，对于中小城市的研究较缺乏。

2.1 城市空间变化和信息化处理技术

作为城市公园绿地规划、设计与建设的重要因素，城市用地空间区位和功能的变化影响了公园绿地的选址、周边环境及其未来的发展，而各种遥感监测和数据收集技术的完善和普及，也为研究和反馈城市用地空间的发展和变化提供了便利[10]。葛文兰（2003）探究了基于GIS等信息处理技术建立城市数据库的可行性和实践性[11]，韦薇、张银龙（2011）等研究者就以城市扩展模型分析法为基础，结合江苏省昆山市的实际情况，对城市空间规划中数字化信息处理技术的作用进行研究[12]。

昆山市地处江苏省东南部，2009年其地区生产总值即达到了我国县级市之首，是我国经济发展最快的中小城市，区内地势平坦，水网密布，交通发达，东部与上海交界，西与苏州接壤，城镇用地面积占全市的比重由1985年的5.80%增2010年的26.03%，城镇化由1985年的15%提升到了2010年的68.9%，这一过程中城市空间格局变化对于城市园林景观的影响是不可忽视的。

在韦薇、张银龙等学者的研究中，利用GIS、RS等的检测和分析结果，进行分析和提取后得出1985至2010年间昆山市城市空间环境扩展的状况和景观格局的变化，进而使用Landsat遥感数据和TM影像图以及土地利用/覆盖（LUCC）数据，分析出1985年、1995年、2000年、2004年和2008年几个时间点城市空间环境变化的数据和图像，同时运用遥感图像处理软件Envi4.0对这几个时间点的城市遥感影像进行坐标变化、几何校正、影像增强等数据处理工作[12-13]。然后以ArcGIS10为基础，将城市空中的景观空间分为人工景观、自然景观、半自然景观三种类型，其中人工景观包括城镇、乡村居住区和工商业、交通用地等类型，半自然景观包括绿化用地、人工水体和农业用地三种空间，自然景观则主要包括山林和自然水体。各种功能和类型的空间共同组成了城市用地格局和景观空间，也形成了公园绿地的环境基底。

韦薇等研究人员在研究过程中分别计算了各种斑块和用地占地比例的变化，以便研究城市空间格局的转变情况。通过对1985至2010年城市用地类型及面积变化的研究和统计的图表化处理，可以看出城乡居住区和工商业用地占城市总面积的比例由1985年的5.67%提升至2010年的30.64%，城市绿地、人工水域、农业用地等则由86.52%减至61.39%，与此同时山林、河湖等自然空间基本保持不变。总而言之，建设用地不断扩张的同时，自然空间也不断向人工空间转变（见图4）。

图4 昆山市1985至2010年城市用地变化示意图（资料来源：参考文献[12]）

研究中还发现了景观用地斑块破碎化加剧的趋势，表明城市用地发展过程中人工干扰的强度不断增大，城乡居民区不断扩展，并且农业用地在城市空间中的主导地位不断地减弱（见图5）。这一趋势带来的是城市斑块密度和景观斑块破碎度的升高和最大斑块面积指数的下降，边缘密度虽然也呈现出了相同的趋势，但人工景观用地规模基本稳定。用地斑块的密度和城市空间的发展、变化和扩张是密不可分的，在城市用地扩张的过程中，建筑用地斑块的比重随着城市的发展建设而不断增大，随之而来的是城市空间的破碎化和新增建设用地凝聚度的降低。这是因为过去二十多年里昆山市用于农业的用地逐渐向工商业、交通用地转变，导致斑块缩进和景观分离度下降，同时林地等自然景观衰退后向其他用地转变也使得同类型斑块分散度降低，各类用地斑块呈现出聚集的趋势。

图5 基于昆山市区的城市空间及其景观格局变化研究概述（资料来源：笔者整理）

而城市边缘密度指数的下降表明各个斑块和外界的物质交换逐渐减少，反映出城市化过程中生产建设性用地空间趋于稳定的趋势，同时农业和自然生态系统也开始逐渐向城市生态系统转化。总体上看1985至2010年间昆山市城市空间的主要变化趋势是城市用地扩张，建设性用地和人工景观空间增加，自然生态系统向人工生态系统转变，同时各个景观用地的破碎度增加，显示出无序的用地扩张对城乡景观空间连贯性和完整性的破坏，这对景观用地规划也有显著的影响。

2.2 城市生态环境变化和信息处理技术

除了城市用地和空间的规划，生态环境也是公园绿地建设的重要影响因素，其变化趋势主要通过景观干扰度和景观脆弱度来体现。其中景观干扰度表示的是自然景观和生态环境受外界干扰的程度。景观脆弱度代表了不同景观环境及其生态系统对于外界风险和干扰的抵抗力，脆弱度越高抵抗外界影响的能力越差。生态风险指数以所在环境中各种类型景观所占的比例为权重标准，所表示的是生态环境受到干扰和破坏时的损失状况。

宋珂、韩涛（2015）的研究中结合昆山市已有的土地利用数据，根据景观结构、生态风险时序、生态风险空间的演变状况，探究昆山市生态环境中的变化和其中存在的风险。研究中根据遥感影像，发现耕地的景观结构变化最显著，呈现出面积不断缩小，斑块数量不断增大的趋势[14]，面积比重从1985年的80.79%下降到了2010年的46.82%，而数量增加了三倍多，主要是因为居住和生产用地面积的不断扩大而导致的自然景观破碎化加剧。同时水塘等养殖用水体的增加也说明农业用地的结构开始向收益更高的类型转化，除了耕地以外，其他类型的景观用地均呈现出了聚集的趋势。

从时间上看自1985年到2010年，各个空间单元耕地破碎度的差别逐渐缩小，农居点破碎度的差别则逐渐扩大，除耕地以外，部分用地空间呈现出了分离的趋势，尤其是生产和居住用地及其附属的景观空间，这也反映了当地经济发展产业发达的情况。而占主导地位的景观用地空间也由耕地一家独大转为耕地、水域和居住地共同主导。和1985年相比，耕地的生态风险指数降至48.54%，水域的风险值上升到了44.95%，这是因为耕地的占用和农业结构的调整使其生态风险升高，另外居民点和工商业生产用地虽然也有扩张的趋势，但由于其面积较小，影响和风险也较低。

研究中根据1985至2010年的数据，将城市空间按照生态风险指数等间距分成五个等级，分别是低生态风险区、中等生态风险区、高生态风险区、较高生态风险区以及较低生态风险区。

同时还发现1985年左右昆山绝大部分地区都处于低生态风险区，而2010年后大多数空间单元的生态风险指数开始上升。这主要是因为1985年社会经济尚未快速发展，以耕地为主的用地空间破碎度低，生态系统较为完整，抵抗干扰的能力也较强；而到了2010年随着工商业用地的扩张，农耕用地不断被侵占，加之生态风险较高的养殖用水域扩大，导致生态风险不断加剧。总之当地生态风险的总体格局是从城镇向外扩散，城乡结合部和外围郊野空间主要是由于土地功能由农业生产向工商业转变，而导致景观环境的生态风险不断增加（见图6）。

图6 生态环境变化研究中数字化技术所起到的主要功能（资料来源：笔者整理）

在研究中还发现昆山市有部分生态风险值增加但并未达到风险区分化的临界点的区域，主要分布在市区南部和东北部，在可预见的未来，其生态风险都有可能增加，由于城市的扩张占用了大量生态风险高而抵抗力低的空间类型，生态风险指数也呈现出从城镇到郊区逐渐升高的趋势。

3 信息处理技术在公园绿地设计和建设中的运用

在总体规划阶段，利用GIS等一系列数字化地理信息处理技术，能够很好的了解城市空间用地功能和性质的变化及其中景观空间的组成，同时也能够了解到所在地生态环境的特征和变化状况，尤其是生态风险变化显著的区域。这些信息对于公园绿地的选址、规划和设计至关重要，而公园的可达性，服务人群的数量和性质也是其规划设计的过程中必须予以考虑的，这方面也有结合案例进行的研究。

3.1 公园绿地规划与选址阶段的信息处理技术

周啸尘、武赟（2017）在昆山市下辖的花桥国际商务城的规划设计过程中，基于所在地的自然环境、人文资源以及经济实力提出了花桥滨江景观带规划设计计划，在总体规划阶段要求突出水体、山林、城市相融合的特色，形成因地制宜的绿地系统。结合各类绿地的条件和功能定位，为游人和周边居民提供休闲和观景的场所，最终形成环环相扣的空间模式，提高公园绿地系统的生态性和可持续性[15]。

为了达到这个目标，需要将公园绿地建设成集生态、游憩和交通于一体的公园绿地系统，尤其是重视可达性较高的小游园的建设。其中就涉及人口分布，城市交通、公园选址及其可达性的关系的研究，这一方面王迟皇吉（2015）重点研究在交通、用地、人口等相关数据的收集处理过程中遥感影像技术的作用[16]。张衡、徐青等学者（2016）研究借助信息处理技术使城市地理信息可视化的可行性[17]。周茜和夏清清（2017）进行了城市信息调查和处理中数字化调查和可视化分析的研究[18]。车平川 （2010）基于Quick Bird卫星影像和ERDAS8.7的处理，以及从ArcGIS9中得到的花桥现有公园和道路的矢量化信息，对花桥的人口分布进行初步分析[19]。首先是利用网格法根据推算出区域的人口密度，进而根据ArcGIS9中的kringing插值法模拟并推算出国际商务城的空间人口分布情况。在此基础上对人口分布的数据进行规范化，并整理出相应的表格，以便为后期的分析和初步规划做准备。

在了解到以周边居民为主的使用者的分布后，结合之前地形、水文、气候等方面的相关数据，车平川确立了从宏观到微观的公园绿地的规划布局方向。宏观上建立功能齐全，结构完整的绿地体系，微观上注意公园绿地建设，主要根据城市用地发展建设的状况来进行[19-20]，比如优先对国际商务城的西南片区和天福村进行公园组团体系规划，同时加强滨水地段的整治和建设，使之成为联系各个生态群落的绿色纽带，并引入组团式的公园绿地建设模式，在节约用地的同时扩大公园绿地的有效作用空间。为了达到这一目的，滨水休闲绿道和道路绿地被设置为重点建设区域[21]。

研究中还以公园绿地所处的位置为中心，结合道路的情况和周围居民的分布来推导公园绿地的服务范围和到达所需的时间，标准分别为5、10、20、30 min内到达，其中20 min到达的综合公园的服务范围覆盖了大部分的服务区域，30 min到达的主要集中在北侧和西南侧，沪宁高速、312国道和铁路间的空地还存在服务盲点。由于综合公园游憩功能的限制，超过20 min到达则其游憩功能将会大打折扣，故现有绿地的有效服务范围只占规划区域一半左右。考虑到居民日常休闲游憩的需求，步行超过20 min才能到达的公园绿地其承载力和使用功能都大打折扣，5 min到达的服务范围相比规划区域的面积又太有限，因此在公园绿地可达性的研究中推导了10～20 min到达的的公园的服务范围，同时基于当地的人口分布，使用ArcGIS9估算出公园绿地的服务范围以及游人承载力的概况，并制成相应的示意图以表示现有公园绿地所能覆盖的服务范围（见图7）。

图7 花桥公园现有绿地服务范围示意图（资料来源：参考文献[19]）

现有公园的服务范围基本覆盖规划区域的大部分，但是20 min到达的服务范围只占到当地总面积的59.39%，人口比只有72.58%，当地人口和公园承载力依然相差较大，覆盖范围和承载力的不足正说明其中隐形的服务盲点大量存在。同时由于规划区域都按照组团模式建设，故可以根据公园的选址和服务范围中找到服务盲点，进而根据组团的区位估算出公园服务的盲点和所要增加公园的位置[21-22]。此外选址上也要注意组团的地形和周围环境尤其是其他类型绿地的分布，既要靠近交通干道，更要减少噪音等污染，还要考虑到城市用地布局的影响。昆山市花桥镇的公园绿地区位定位分析如图8所示。

图8 基于昆山市花桥镇的公园绿地区位定位分析（资料来源：笔者整理）

根据现有绿地的服务范围（以10～20 min内到达为准）和容纳能力，以及当地人口密度等因素，确定了现有公园的服务盲点和所要增加公园的位置，之后便可以根据周边用地环境、使用人群、以及公园自身的容纳量和服务范围等客观条件进行公园绿地的规划设计[23]，在满足休闲游憩、美化环境等基本功能的同时，也要根据总体规划的需求考虑其在所处城市空间中的功能。

3.2 景观营造阶段的数字化信息处理技术

在景观营造阶段对于场地原有各种条件的分析和处理，以及景观形式的选择中，信息处理技术同样能够起到一定的作用。李金凤（2010）研究了以SU为平台进行3D效果的城市空间模拟营建的可能性[24]。卢书妮（2013）对园林景观设计和建设中信息化技术所能起到的作用进行归纳，如数据库的建立，效果图、分析图的制作和后期效果的提升[25]。李达（2016）在对济南市白泉湿地公园进行模拟设计的过程中，基于2014年的高分辨率spot5遥感影像，通过对遥感影像的分析，结合实地勘探的结果根据设计场地的尺度划分不同的斑块如水域、地貌、植被等，进而利用ArcGIS10对白泉湿地的区域影像进行剪裁和整理，将景观元素编辑为农田、草地、林地、建筑、水体、其他六类，然后对其进行各项指标和生态特征分析[26]，并在收集、整理对应信息后将其存储在数据库当中。

研究中对数据进行分析后发现当地的生态环境主要有以下几方面问题，分别是景观斑块数量和种类较少且分布不均衡，景观空间异质度较低，生态系统层次过于简单且异质性不足，现有生态系统稳定性较差且受人为干扰极为严重。因此需要建立针对当地环境的评价体系，其中的评价因子主要有林地、水域、农田、建筑、裸地等类型，不同类型的用地其生态适宜性和生态价值亦各不相同，因此也制定了对应的分级标准。除了针对不同类型的空间斑块的分析，对于单项要素也展开细分析。比如高程、坡度、坡向等地形因素，以及对绿地、水体等生态环境适宜度和发展状况的分析（见图9）。

图9 数字化技术在景观元素优化中的作用（资料来源：笔者整理）

分析结果显示设计区域的高程值相差5 m，高程由东南向西北递减，对温度、光照、湿度等自然因素影响较少，并根据ArcGIS10得出的坡向和坡度分析也说明坡向变化对景观环境的影响较少，不会影响生态布局。同时也对林地和水域的生态适宜性和生态价值进行分级赋值，最终得出综合性的分析结果，以便为今后的生态修复和开发提高参考。

最终根据分析的结果提出了优化方案，一是增加景观斑块的类型，在对农田、裸地、建筑用地等人工用地进行生态修复的同时增加湖泊、浅滩、丛林等景观斑块类型。二是通过水域连接各个斑块，使之形成相互连贯的滨水空间，并营造自然式的水生植物群落。三是弱化斑块的边界，减少人工干扰的痕迹并加强各个斑块间的能量交换，形成紧密联系的生态走廊。

4 结语

综合文中对于数字化信息处理技术在空间用地规划，生态环境规划、区位选址和空间设计以及景观布置的过程中的作用的研究成果的展示和归纳总结，可以预见今后数字化信息处理技术的应用也将更加广泛，其用途也由一开始单纯的数据收集转变为各种信息的处理和分析，内容由初始的地理信息分析扩展到人口状况、空间区位，用户心理等方面[27-28]，并且和设计的过程也结合的更加紧密。

通过对过去十数年中数字化信息处理技术在城市公园绿地规划设计实践中的应用的研究成果的归纳总结和分析，可以看出在规划设计的不同阶段，数字化信息处理技术所起到的作用也各不相同[29-30]，首先是城市用地空间整体规划阶段，主要是结合前期现场调研的成果，收集、整理所在城市的各项资料如地形、气候、人文等等，并根据对城市用地类型变化的分析预测城市未来的变化和发展趋势，同时对城市的生态环境进行评估和分析，最终整合上述信息并建立数据库以供参考。其次是建设用地区位分析阶段，主要是分析建设用地周边环境的功能和现状，并基于人口分布和所在地交通环境分析场地的可达性，以便更好地确定公园绿地的选址，并定位其在城市绿地系统中的作用。最后是景观营造和建设阶段，主要是对现有的景观元素如植被、水体、土壤等进行分类、整理和评价，并结合所在地生态环境的状况，对景观环境和景观元素进行布局和选择。

在可预见的未来，如果要提高数字化信息技术在公园绿地以及其他绿化用地规划设计中的利用效率，就要建立起完善的数据收集、整理、存储、管理和实际应用的机制，更重要的是要立足当下，展望未来，充分的利用现有的数据资源预测用地空间未来的发展情况，尤其是生态系统、自然环境等重要影响因素的变化。以期更好的为绿化用地系统的可持续发展提供助推力。