从手工简易到多维综合——叠图法的发展历程、技术局限及优化途径

王 龙

岳邦瑞*

1 问题的提出

叠图法(map-overlay method，又称“地图叠加技术”)是以要素分层和叠加为特征的一种技术手段，深刻影响着风景园林学科的理论与实践。叠图法在广泛应用于风景园林规划设计、城市规划、生态研究、环境评价等领域的同时，也受到了尖锐的质疑[1]。深入分析表明，质疑背后折射出的核心问题是：分层能否准确描述真实的景观？叠加能否真实还原要素间的联系？

国内外对叠图法的研究存在较大差异。国外对叠图法的研究涉及理论和实践应用2个层面，以19世纪末20世纪初查尔斯·埃利奥特(Charles Eliot)、沃伦·曼宁(Warren Manning)，20世纪60年代菲利普·列维斯(Philip Lewis)、伊恩·麦克哈格(Ian L.McHarg)及70年代后刘易斯·霍普金斯(Lewis D.Hopkins)和卡尔·斯坦尼兹(Carl Steinitz)等一系列研究为主要代表。相比之下，叠图法在中国流行的时间不到30年，仅王绍增教授从理论层面探讨了叠图法的内在缺陷[1]，其余多集中在实践应用层面，且缺乏系统性的研究，主要体现在：1)未形成对叠图法内涵的统一认知；2)未明确界定叠图法的应用尺度和范围，从而造成在具体应用形式上的混淆；3)缺少对叠图法具体操作步骤的清晰阐述及统一的执行标准，技术未专门化；4)缺乏对叠图法在原理层面上的探讨。综合国内外研究现状，不难得出叠图法具有一定的实践意义，但缺陷也是客观存在的，笔者认为若要使叠图法更好地应用于当下的风景园林规划设计实践，则须深入探讨如下问题：叠图法的方法论本质是什么？叠加在什么情况下是有效的？方法存在什么缺陷？如何有效克服缺陷？

本文的核心目的是基于对叠图法技术演进及应用历程的梳理，得出叠图法在当下的具体操作形态，进而通过总结方法的发展规律，揭示其方法论本质，指出叠图法的技术局限所在，并据此提出适用于当下风景园林规划设计实践的优化叠图技术框架。

2 叠图法的内涵与外延界定

叠图法在其历史发展进程中，内涵不断深刻、外延不断扩大，如今已成为多学科、多领域共有的基本研究方法。风景园林规划设计、土地规划、城乡规划、环境科学和地理信息科学等领域都与叠图法有着紧密联系，对叠图法的影响体现在方法的原理改进及实践应用层面，且根据具体操作流程的差异而存在不同的表述形式。在风景园林规划设计中，可将叠图法定义为：通过分层绘制并叠加包含单一景观要素变化或影响的专题图，以反映全部要素共同作用的图纸综合技术。上述定义包含3个要点：1)分层，将整体的景观分解为诸如地形、水体、植被、道路等单一要素，并深入研究每一种要素的作用；2)叠加，将各要素的专题图通过特定方式重新整合；3)共同作用，强调叠加的目的在于融合不同要素各自对整体景观的影响。

根据叠图法的具体应用形式，可将其分为叠加分析和叠加设计2类。叠加分析指的是将表现各景观要素影响等级的专题图叠加到一起，形成一张能够综合反映环境影响的区域空间特征分析总图的过程。相比叠加分析，叠加设计是一个逆向的思维过程，表现为从自上而下的分层分析到自下而上对要素的分层设计。叠加设计并非一般意义上的分割独立设计，其更注重对设计要素的秩序化和层次化表达，如水体的布局要在地形的基础上进行，并非单独设计后再进行叠加，因此相比叠加分析更为注重图层之间的联系。从整体规划设计的流程来看，往往需要同时用到叠加分析和叠加设计。

图1 叠图法技术演进历程中的代表性人物、事件及阶段划分

3 叠图法的技术演进及应用历程

3.1 叠图法的技术演进历程

19世纪中叶至20世纪早期，规划结合自然理念开始影响北美的风景园林规划设计领域[2]，以弗雷德里克·劳·奥姆斯特德(Frederick law Olmsted)和查尔斯·埃利奥特(Charles Eliot)等为代表的风景园林师摈弃沿用十几个世纪的“唯美论”造园思想，试图通过科学理性的方式将自然引入城市[3]，并融合各类人文需求营造人地和谐的生活环境。近代地理学①也于这一时期开始发展，其专题地图绘制的思想直接促使了叠图法的出现，而后随着生态规划理论的发展和计算机技术的介入，叠图法在操作平台、景观要素的选择与处理及叠加机制等方面均有了较为长足的发展，如今已成为风景园林规划设计的基本方法之一。根据各个时期的特征，可将叠图法的技术演进历程划分为3个阶段，分别是景观资源分类主导的手工简易叠图阶段、景观适宜性评价主导的叠加机制改良阶段，以及计算机技术介入的叠图技术精进阶段(图1)。

1)景观资源分类主导的手工简易叠图阶段。

这个时期的叠图法源自地理学专题地图的景观资源分类思想，受限于当时的技术条件，图纸的叠加主要通过透射板、照片锌版术[4]和手绘等方式实现。1893年，埃利奥特在大波士顿地区公园系统规划中首创叠图技术[5]，通过在办公室的窗户上利用日光透射，对反映波士顿地区的一系列景观资源图纸进行了叠加分析。他的学生沃伦·曼宁受其景观分类思想的影响改进了叠图法，并应用于1912年的贝尔里卡镇规划以及1919年的全美国土风景园林规划实践中[6]。杰奎琳·蒂里特(Jacqueline Tyrwhitt)于1950年撰写了首篇详细探讨叠加分析技术理论框架的文章，列举了包括地貌、水文、岩石类型和土壤排水等生态因素叠加形成土地特征解释图的案例[7]，可见该阶段的叠图法在叠加图纸的选择上以自然要素为主，缺乏对人文方面的考虑，在叠加机制上则表现为各类景观资源的直接叠加(图2)。

2)景观适宜性评价主导的叠加机制改良阶段。

20世纪50年代始，由工业化造成的自然环境破坏日益加剧，人们开始重视自然生态要素在规划中的作用，以景观适宜性评价方法(the landscape-suitability approaches)为首的各大生态规划流派相继提出一系列能够协调自然和人文要素的规划方法[11]。在第一代景观适宜性评价方法(the first landscape-suitability approach，LSA1)发展之初，刘易斯·霍普金斯使用格式塔术语来解释如何在景观中理解和分析可感知模型，而不是去考虑坡度、土壤和植被等复合要素[11]。然而格式塔法②在适宜性分析中表现出的依赖经验、主观性强及使用困难等局限，促使设计师开始寻求以客观分析为主并且易于操作的评价方法，这也成为叠图法介入其中的重要契机，以菲利普·列维斯于1965年完成的威斯康星州户外游憩规划[2]以及1969年伊恩·麦克哈格提出的“千层饼”模式(layer-cake model)[12]为主要代表。LSA1时期的叠图法(图3)虽然对自然地理要素和社会人文要素均有考虑，但并未实现两者的平衡，存在着“唯自然论”的局限[13]。

在第二代景观适宜性评价方法(the second landscape-suitability approach，LSA2)中，叠图法被进一步表述为序位组合法(ordinal combination method)、线性组合法(linear combination method)及非线性组合法(nonlinear combination method)[14](表1)。序位组合法在叠加形式上包括“千层饼”模式的灰度级叠加和数值叠加，不过这2种叠加方式实质上都是机械的加和，每个要素的影响被默认为是等效的。为了解决这个问题，线性组合法引入了“权重”(weight)的概念，然而各要素之间的关系并非简单的线性关系可以说明，因此又出现了非线性组合法，即通过构建函数的方式反映各要素之间的联系。不难看出，设计师已经意识到景观要素之间关系的复杂性，并试图通过改善叠加机制以再现要素间真实的联系，然而技术上的局限成为该阶段的最大瓶颈。叠图法在此时期仍以手工叠图形式为主，不仅难以实现更为复杂的叠加方式，而且当叠加图纸较多时，反映适宜性的灰度或数值就会变得模糊不清，因此这一阶段的叠图法始终存在精确度及有效性的局限。

3)计算机技术介入的叠图技术精进阶段。

图2 景观资源分类主导的叠图技术示意(规划基址改绘自参考文献[8]，要素专题图、规划总图引自参考文献[8-10])

图3 第一代景观适宜性评价方法的叠图技术示意(规划基址改绘自参考文献[8]，要素专题图、要素复合图、综合适宜性地图引自参考文献[12])

20世纪70年代始，随着适宜性分析技术的普及，规划过程中需要考虑的因素越来越多，不仅一张专题图包含的信息量越来越大且愈加复杂，而且需要叠加的图纸数量逐渐增多，手工叠图在变得烦琐的同时，其准确性和精确度也大为降低。计算机技术的介入在很大程度上改善了这一局面，主要表现为计算机对专题图纸绘制方式的影响以及基于GIS平台对图像处理及叠加机制的优化。以俞孔坚开展的“景观安全格局”(security pattern，SP)理论和方法的研究[15]以及卡尔·斯坦尼兹的“地理设计(GeoDesign)框架”[16]为代表(图4)，基于GIS的叠图法作为其中的重要技术手段，使规划中的多因素、多准则、多目标得以被有效考虑。计算机绘图不仅可以保证相同的绘制比例和度量单位以提高专题图纸的准确性，也突破了叠加图纸数量的上限，而GIS技术的发展则使叠图法发生了技术上的根本变革。GIS将地图上的各类景观要素以栅格数据或矢量数据的形式进行存储并赋予特定的结构和属性，这一地图信息存储方式的改变使一张图所包含的信息量可以远大于传统的地图。在GIS叠加分析技术中，专题图的叠加已不再仅仅是点、线、面及灰度或色阶等图形意义上的简单加和，而是转向了地理空间数据的处理，即“将同一地区、同一比例尺、同一数学基础、不同信息表达的2组或多组专题要素的图形或数据文件进行叠加”[17]。层次分析法、替换权重法等基于计算机技术的方法则对因子等级划分与权重值确定进行了较大的调整与优化，在精确度和有效性上彻底拉开了与手工叠图的差距(图5)。

表1 第二代景观适宜性评价方法中各类适宜性叠图方法的比较

3.2 叠图法的应用历程

3.2.1 应用范围延伸：多学科的融合与推动作用

叠图法是风景园林规划设计结合科学并实现空间化的途径之一，其分层和叠加的技术手段不受叠加因子数量的限制，理论上只要因子的影响能够图面化或数据化，最终都能以一定方式进行叠加整合。从景观要素划分来看，叠图法发展至今已吸纳地理学、生态学、水文学、气象学、社会学和经济学等自然与社会人文学科，而在叠加机制层面，方法的改进则需要计算机科学、地理信息科学等学科的共同支持。随着多学科的交叉融合，叠图法的应用范围得以延伸，功能更为多样，已从最初的景观资源评价扩展至景观适宜性评价、生态敏感性评价、规划设计场地选址、风景园林道路选线，以及生态廊道规划等。

3.2.2 应用形式分化：从叠加分析到叠加设计

叠图法在形成之初即用于景观资源的分析与评价，而在其发展历程中，分层分析的思维促使了新的应用形式的产生，叠加分析进一步细化为叠加专项分析和叠加综合分析，并衍生出了新的形式──叠加设计。三者并非孤立，而是存在一种复杂的嵌套关系，叠加专项分析中专题图的绘制构成了叠加综合分析和叠加设计的基础，叠加综合分析所得的结果则可以为叠加设计提供理论依据(图6)。

1)叠加专项分析。将原先复杂的景观分解为多个单一要素，选取能够反映区域关键问题的景观要素，将其绘制成专题图再进行叠加，从而得出分析结论。例如将一个区域的降雨量专题图和行政区划图叠加，即能得到该区域的降雨量分布图。

2)叠加综合分析。与专项分析不同，叠加综合分析要求全面地考察区域内影响规划布局的景观要素，并逐一绘制成专题图，通过适宜性评级或者其他方法在专题图上表示出该要素的影响程度，最后将所有专题图叠加在一起以反映场地与拟定用途之间的适宜性或兼容度。此外，该方法也能用于评估不同规划设计方案对场地形成的影响，以进行方案的筛选与最终决策。

图4 地理设计中改变模型的模板(改绘自参考文献[16])

图5 计算机技术介入的基于GIS的叠图技术示意(要素专题图、基于GIS的综合分析图引自参考文献[12])

3)叠加设计。叠加设计是叠加分析的衍生，在技术上并不存在严格限制，以AutoCAD为代表的主流计算机绘图软件乃至透明图纸都可成为其技术平台，亦能通过GIS构建特有的设计体系。在微观层面，叠图法体现为对各景观要素或功能区块的分层设计，如地形、水文、道路、植被或历史遗产保护层和文化景观层等，最后叠加形成一张反映全部设计要素的总平面图。在宏观层面，叠图法体现为对区域的各类规划所反映出的多种需求，以及对地理、交通、历史、人文、环境和经济等要素的综合考虑，例如将土地利用规划、环境保护规划和交通规划等叠加到一起，最终得到一张反映全局的规划总图。

4 叠图法的方法论本质及技术局限

4.1 叠图法的方法论本质

纵观叠图法的技术演进和应用历程，不难发现每一阶段的改进始终围绕“如何认知景观”以及“如何改变景观”这2个学科基本问题。叠图法从弱还原论③的角度回答了这2个问题，其基本逻辑是先从整体到局部，再从局部回归整体，认为景观可以通过先分解后重组的方式进行认知。分层是对景观复杂性的简化表达，重组则是对复杂性的再现，从其发展历程中不难看出，叠图法的使用者其实并不否认叠加之后会破坏景观原本的复杂性，因此才会通过叠加机制的不断改进来弥补方法的不足。面对复杂的整体，恰当的分割是必要的，可避免过分强调整体复杂性所给研究带来的困难，同时叠图法也承认完整景观所具有的功能远大于各要素的简单加和，从而区别于强还原论的“否定整体”以及强整体论的“反对分割”[18]。叠图法试图解构复杂的自然地理及社会人文要素，逐一进行深入研究，最后通过叠加重组与匹配以实现两者的平衡。因此对当下风景园林规划设计而言，叠图法的意义在于提供了探索人地关系的理性途径以及构建起科学量化的实践框架。

4.2 叠图法的技术局限

图6 叠图法的3种叠加形式示意(微观尺度的叠加设计引自参考文献[3])

虽然叠图法承认“整体大于部分之和”，试图用叠加来调和整体与局部的矛盾，且通过操作平台和叠加机制的不断改良克服了方法的部分缺陷，但方法的本质性局限仍未得到突破。

1)对景观的分层分解导致要素间关联的缺失。王绍增教授就此曾深刻指出：“叠图法的根本错误，就在于它完全忽略了图层之间的联系与互动(而且这种关系基本上是非线性的)，只是把各个分科的结论机械地堆积到一起，就算交差了事”[1]。要素的分层虽有利于深入研究，但单一要素所表现出的变化往往是多种要素共同作用的结果，如水系的分布要以地形为依托，植被则受到地形、光照和降水等因素的共同作用，因此构建要素间的关联十分必要。

2)对水平过程关注的缺失。叠图法的技术特性决定了其能够较好地处理单一系统在固定时刻下所反映的一系列问题，但难以顾及景观随时间发生的流变以及多个不同系统之间的相互作用关系。纵观方法的发展历程，虽然景观生态学的介入使这个问题在一定程度上得到缓解，不过由于叠图法在多数情况下都是以静态的视角来看待景观，因此目前仅可实现景观格局的叠加，动态的景观过程则须借助其他方法加以解读。

3)对一般数学方法的机械依赖。GIS技术使叠加要素的选择更加多元，然而在要素处理、权重划分和叠加机制等方面的优化仅仅是通过基于计算机的数学算法克服了手工叠图阶段在叠加效率、准确度等方面的缺陷，并未从根本上改进方法的运行逻辑。如层次分析法通过构造判断矩阵的方式优化了对叠加要素权重值的确定，权重本身科学与否未曾受到质疑，而要素之间存在的诸多非线性关联则难以用权重说明。

4)难以解释跨层次涌现问题。叠加机制的改良实质上是为了重构要素分解之后缺失的关联，然而目前基于GIS平台的叠图法仍以权重叠加为主，其“自下而上”构建的人工联系和自然要素间原本的联系存在本质上的区别，因为目前的叠加机制难以克服单一要素与整体景观之间的跨层次涌现问题：当下的叠图法可以很好地诠释某一景观到底由哪些要素构成，并全面地描述其形态，但无法解释要素之间如何通过结构上的联系生成具有复杂功能的景观。

5 基于多维综合思想的叠图技术优化途径

5.1 多个维度下的综合考量

若要使叠图法更好地应用于当下的风景园林规划设计实践，则须针对其技术局限，从方法的原理层面进行逐一改进，最终实现在多个维度之下的综合考量。多个维度包含空间维度上的垂直、水平方向以及时间维度上的过去、现在和未来，即在要素的处理上，不仅要考虑不同景观要素在垂直方向上的影响，也要权衡水平方向上的变化，包括多个系统之间的关联以及要素随时间变化的规律。此外，要对复杂的自然地理要素以及社会人文要素进行全面的综合考量，在关注单一景观要素变化及影响的同时，兼顾与之相联系的景观要素以建立要素间的有效关联。

5.2 多维综合叠图技术框架的构建

相比传统叠图法，多维综合叠图技术框架(图7)以动态的视角审视整体的景观，并以此为基础实现优化，主要改进策略包括：多系统环境的引入、构建要素间关联、增加时间维度、改进要素等级划分，以及增加非线性的叠加机制，其叠加的最终结果并非唯一，而是包含了时间的影响或者多种可能性。框架包含叠加专项分析、叠加综合分析和叠加设计3个部分，主要基于GIS平台，并以因子分析法、模糊评价法、层次分析法和多元回归分析等地理数学方法作为实现多维度综合考量的技术支撑。

1)叠加专项分析。首先将规划基址投射到包含多个生态系统镶嵌的大环境里，然后在整个大环境内提取分析要素，并通过因子分析法寻找关联要素，与待分析要素进行重组构成复合要素，将不同时段下变化的复合要素与底图进行叠加，最后得出要素随时间变化的一组专项分析图。

2)叠加综合分析。以叠加专项分析为基础，构建多组相互关联的复合要素，根据要素随时间变化的幅度划分不同的时段等级，并分别整合成包含要素变化缓冲区的动态复合要素专题图。传统叠图法对要素的等级划分可在图面上清晰地表示出来，但现实情况下并不存在如此明显的界限，因此须引入模糊评价法解决不精确性问题。根据要素的变化规律，采用层次分析法建立权重叠加机制或通过多元回归分析建立非线性叠加机制，最后在GIS中实现所有专题图的叠加。

3)叠加设计。其基本逻辑与叠加综合分析相同，区别在于叠加的要素以人工营造为主。因此其首要任务为将单一的设计要素重组为基底、中层和顶层3个部分，基底指规划或设计所依托的自然本底，中层指以人工工程为主的基础结构层，顶层则为散布的节点景观层，三者受时间变化的影响程度依次降低。叠加的结果为多解方案，并综合多方利益进行最终决策。

6 结论与展望

本研究从叠图法的技术演进和应用历程出发，纵向比较了不同时期叠图法的特征，横向对比了叠图法在不同应用形式下的差异，通过总结叠图法的历史发展规律找寻其方法论本质，揭示方法的技术局限并提出对应的优化措施。主要观点如下：1)叠图法的发展呈现技术与理论交替影响的规律，叠加技术的瓶颈需要通过叠图理论的革新予以突破，而将叠图理论付诸实践则需要叠加技术的发展予以支持，其发展的根本原因是日益增长的技术目的对技术手段提出的更高要求；2)叠图法同时兼顾局部与整体，从弱还原论的视角探索“如何认知景观”及“如何改变景观”2个基本问题，试图构建科学量化的实践框架以及探索人地关系的理性途径，但也反映出其在技术上缺失图层间联系、缺失水平过程、机械依赖数学方法，以及忽视涌现问题的局限；3)实现当下叠图技术优化的关键在于将场地放置在多系统环境内进行分析或设计，构建单一要素间的关联，随后通过时间维度的引入反映景观的动态化，并注重叠加时要素所反映出的非线性特征。

最后需要强调的是：叠图法的方法论本质决定了其潜在的发展空间及技术界限。一方面，可以通过技术与理论的不断革新促使叠图法朝更好的方向发展，多维综合叠图技术框架的提出正是基于风景园林学科本身的不断发展及当下计算机科学领域的成就；另一方面，必须承认叠图法存在一个适用范围，并不能用来分析和解决所有问题，其使用的前提是研究对象可以被分解及量化，且分解和量化是有效的，而面对更为复杂的系统，则须寻求与其他方法的结合。人工智能作为计算机科学的一个分支，为叠图法在当下风景园林规划设计中的应用提供了新的机遇，模糊数学、人工神经网络、遗传算法以及元胞自动机等方法有助于描述非线性关系和建模表达复杂的景观，使分析和决策过程更为精确和有效，具有广阔的应用前景。

图7 多维综合叠图技术框架

注：文中图片除注明外，均由作者绘制。

注释：

① 近代地理学起源于19世纪初，洪堡(Humboldt)在其著作《宇宙》中研究了特定自然要素与周边环境的关系。

② 韦氏英汉百科词典将格式塔法定义为：一个具有完整的结构和模式的统一体。它是一门条理清晰并具有科学性的学科，而不是各部分简单相加的结果。

③ 刘劲杨用强弱观点区分还原论与整体论，认为弱还原论等同于弱整体论，详见参考文献[19]。