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

登高眺望是中國人自古以來就抱有濃烈興趣的一種游憩行為，也是目前城市森林步道、山地型綠道游憩價值體系的一個組成部分[1-2]。對于“眺望”這一細分領域的科學研究，能夠引導城市森林步道、登山游徑、山地型綠道的合理開發(fā)，幫助城市內部山地區(qū)域恢復眺望游憩價值。同時，眺望景觀又是城市景觀優(yōu)化控制的重要內容，其評價研究通常成為景觀風貌導控、城市景觀保護、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城市景觀的完整性和獨特性構成威脅，往往需要針對不同的景觀對象，依據眺望景觀或天際線的美學評價來制定專屬的景觀保護策略。如1938年英國對圣保羅大教堂及倫敦大火紀念碑周邊建筑高度的優(yōu)化，就是在眺望景觀控制領域中做出的早期嘗試[5]。此外，西村幸夫也在其著作《城市風景規(guī)劃——歐美景觀控制方法與實務》[6]中指出了眺望景觀優(yōu)化控制對于保護城市風景的重要性。

但目前，針對城、景交接過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”行為的實際情況。2018年，福州城市規(guī)劃部門已經把打造“登山觀城”視廊納入“城市雙修之景觀風貌優(yōu)化”的考量中，希望從城市山地這一特殊的“景”出發(fā)，通過對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，同時構建以眺望游憩作為亮點的城市山地區(qū)域所獨有的價值體系，滿足當下民眾對于健康生活、和諧人居環(huán)境營造等諸多需求，這為風景園林學學科提出了一個新的研究論題。

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象，基于ArcGIS三維城市模型對眺望可視域及天際線的空間層次構成情況進行分析與評測，并利用GIS進行眺望視線控制基準模型的導控模擬。以期為眺望景觀優(yōu)化控制領域的研究進行補充，同時為相關規(guī)劃設計決策提供分析依據和基于景觀可視化的技術支持。

1 眺望視域內建筑空間層次平衡度量化評價方法

天際線是現代意義的眺望景觀最重要、最基本的資源構成部分[10]，以天際線相關指標的量化為基點進行量化評價研究，往往可以形成一些關于眺望景觀控制的精準決策[14-17]。其中，“建筑空間層次平衡度”(layering equilibrium degree of the skyline)是由相對于觀測者視線方向的建筑界面形成的不同空間層次所產生的視覺感知，是天際線形態(tài)美學評價和城市規(guī)劃技術標準的重要指標[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程度，影響觀測者的認知愉悅程度，是眺望景觀美學品質的一種表達。

因此，本研究在可視域分析的基礎上，綜合亞瑟·斯坦普斯(Arthur Stamps)的天際線美學理論和鈕心毅提出的基于視覺影響的城市天際線定量評估方法，將3個觀測區(qū)域范圍按可視距離均等劃分為近景、中景和遠景(對應可視界面的第一至第三層)，分別用S1、S2和S3來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，通過層次占比情況來反映天際線層次感的均衡程度。借助這一指標的數據進一步實現“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

福道是全國首條采用“Treetop Walkway”設計理念[21-23]的全鋼架空式無障礙山地步行系統(tǒng)，它位于福州市鼓樓區(qū)，閩江東側，環(huán)線總長約19km，涉及的山地森林范圍達175hm2。全長約6.3km的高架步道主軸線東起左海公園，西至閩江國光公園，橫貫以金牛山為主的多座丘陵，串聯沿線數十個山地公園綠地節(jié)點[24]。2018年8月，福道全程完工并向市民開放，它將原本相對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)。

由于架空結構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布局，且步道建設本身也與以天際線、眺望景觀優(yōu)化為主要內容的“城-景”邊界風貌導控有著直接聯系：2017年3月22日，住房和城鄉(xiāng)建設部下發(fā)《關于將福州等19個城市列為生態(tài)修復城市修補試點城市的通知》，福州成為全國第二批“城市雙修”試點城市的排頭兵，城市規(guī)劃部門隨即編制了《福州市“生態(tài)修復、城市修補”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“山山互見”“城內觀山”“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，就是摒棄被動的封閉式山地保護策略，利用各種形式的山地慢行系統(tǒng)主動將市民引入山地森林中，增強城市中心山體群的開放度，為市民提供更多的具有公共性和標志性的眺望點，將城市天際線和城市建設的面貌展現給公眾，滿足市民所渴求的眺望賞景、健身休閑的基本需求，進而凸顯城市山地豐富的價值層次，激發(fā)全社會對城市山地的重視與保護；同時對“山-城”視廊的優(yōu)化、眺望景觀優(yōu)化控制等課題進行評估論證，再逐步對山體周邊城市區(qū)域的天際線、建筑空間構成、高度、體量、密度等建設要素進行導控。因此，福道項目實際上承擔了“城-景”邊界地帶景觀完整性保護、眺望景觀風貌導控的試點任務。

2.2 確定眺望點和眺望區(qū)域

按照福州市雙修總規(guī)，全市共規(guī)劃建設26條“登山觀城”視廊，金牛山作為重要試點，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。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個主要觀測區(qū)域。對應3個片區(qū)的觀測，本研究在福道線路中選擇6個視野開闊且能夠滿足較大人流量聚集的觀景平臺或登山過程中的休憩集散點作為天際線觀測點，每個片區(qū)分別對應2個海拔高度不同的觀測點[25](圖1，表1)。

圖1 觀測片區(qū)和觀測點(作者改繪自參考文獻[25])

表1 天際線觀測點信息

2.3 基于ArcGIS的研究區(qū)三維可視化實現過程

本研究利用ArcGIS構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])。基礎數據來源主要包括：比例尺1:1 000 000的福州市建筑(帶高程數據)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坐標系下的數字高程模型。另外，使用GPS儀(Unistrong-Z5)實地采集帶高程坐標的眺望點和福道路線全段的SHP矢量數據，用于在三維模型中確定眺望點的準確位置。

在Arcmap中完成對各基礎數據地理配準和幾何校正的基礎上，首先構建三維地形，主要包括城市自然景觀的地形或數據，如山體、地形、河流水系，以數字高程模型(DEM)形式顯示，將研究區(qū)地形基礎數據導入ArcGIS Pro中的三維場景，系統(tǒng)根據其不同的高度信息浮動于地形上；再將二維的建筑矢量數據導入ArcGIS Pro，根據其原有的建筑高度信息進行多面體拉伸，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景，并導入城市其他道路水系數據，即完成三維城市模型的構建(圖2)。

圖2 福道周邊城市區(qū)域三維城市場景疊加構建過程示意

3 量化評測結果

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6個優(yōu)選眺望點進行可視域分析(View-shed Analysis)，獲得視野面內遮擋的建筑和山體的可視域柵格圖。根據像元大小，計算出各個眺望點視野面內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

由分析結果可知，閩江北岸片區(qū)的B1眺望點所在的位置可視域范圍最大，可以初步認為該眺望點視野遼闊，“山-城”眺望視廊通透性相對較好，不排除可能與所在地形高程為6個點之中的最高值有關。而面對大儒片區(qū)的A1、A2眺望點的可見視域面積最小，且面對相同眺望區(qū)域，海拔更高的眺望點A1并沒有比低視點A2產生可視域面積的明顯增量，可能與該片區(qū)建筑密度相對較大，且與山體距離過近，導致對眺望視野造成的遮擋。

3.2 視域內建筑空間層次平衡度量化評測

借助ArcGIS三維城市模型進行3個片區(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圖(圖4)，通過對不同層次建筑的識別和測算，得到關于3個觀測片區(qū)對應的6條天際線的建筑層次均衡程度相關數據[25](圖5，表2)。

圖4 基于ArcGIS三維城市模型進行3個片區(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圖

從中可以直觀地發(fā)現：大儒片區(qū)視線方向的2條天際線建筑群形成的近、中、遠3個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。通過高視點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%；通過低視點A2獲取的天際線第一可視層(近景)面積占比高達81.70%，已接近第三可視層(遠景)建筑的12倍之多，近景建筑的過度密集、體量過大，對于登山眺望者的遠眺視線產生較大阻擋，這一數據表現與可視域分析的結果相互印證。另外，通過實地走訪發(fā)現，該片區(qū)第一層面建筑多數為體量和密度較大、建筑風格和外形相近的高層商業(yè)住宅。這一類型的建筑群落對山地林區(qū)近距離的圍攏應當是影響視廊通透、導致眺望視線受限的一個重要原因。

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成比例則完全相反，第一可視層(近景建筑群)相對弱勢：2條天際線的近景建筑群面積占比均低于20%，通過高視點B1獲取的天際線第二、三可視層(中、遠景)的面積合計約為第一可視層(近景)的6.9倍。通過低視點B2獲取的天際線第二可視層(中景建筑群)的面積占比也超過了50%。

西湖片區(qū)視線方向通過低視點C2獲取的天際線同樣存在近景建筑比例過大的問題。相對而言，只有西湖片區(qū)視線方向通過高視點獲取的天際線C1的近、中、遠3層建筑群面積比例較為理想，3個可視層次面積比例為2.5:2:1，沒有出現某一層次過于強勢的情況。

4 討論與拓展

4.1 以協調“城-景”邊界為導向的眺望景觀建筑高度控制

區(qū)別于現有一些規(guī)劃類的研究中[7，13，26-27]已知眺望點和眺望對象，對視距內建筑高度進行限高調控的方法，本研究認為，從風景園林學學科出發(fā)，協調“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)化控制也應當以山(或像福道這樣的新型山地步道)提供的眺望點出發(fā)，盡可能保證眺望視線通透、視距的延展，同時視域范圍內天際線的空間形態(tài)還需要具有良好的視覺觀感：建筑群立面應當是有序疊加且富于變化，視覺層次占比合理、對比關系協調，甚至于建筑材質的質感豐富，共同形成有韻律、有規(guī)律、有節(jié)奏的形體組合關系。

基于以上眺望景觀優(yōu)化控制目標，參考自2014年以來已在國內部分城市(武漢、青島等)實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]，同時結合視距對眺望感知的現實影響(表3)，提出本研究區(qū)眺望景觀建筑高度控制方法(圖6)。設定眺望者位于山頂時垂直方向上的上下視角展開度分別為30°、40°，眺望者在步道所提供的眺望點中，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個區(qū)域，其中“梯度控制區(qū)”按照視距對眺望感知的影響，再劃分為近、中、遠3個區(qū)域，呈梯度遞增進行限高。視距300m以內為近景層，限定建筑高度控制在山體高度1/4以內，且這一區(qū)域內的建筑細部特征、外形結構、屋頂樣式等應做特別規(guī)定；中景層和遠景層建筑高度分別限定在山體高度1/2和2/3以內，旨在產生易辨識的遠近梯度疊加的視覺層次對比關系。由于人眼在視距1～2km范圍內對建筑空間層次的視覺感知已發(fā)生弱化，不能再簡單地按遞增方式限高(會導致天際線層次過于死板，缺乏活躍的視覺觀感)，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模型進行模擬和具體細化。視距2km以外的區(qū)域劃為“背景協調區(qū)”，在這一區(qū)域人眼只能大體識別建筑輪廓，可以在水平方向上有所協調，突出具有影響力的天際線局部制高點，垂直方向上的建筑高度不做嚴格控制。

圖6 研究區(qū)眺望景觀建筑高度控制方法示意

表3 視距與視覺感知分析

4.2 眺望視線控制基準模型的導控模擬

綜合現有研究中的建筑高度控制模型、視線綜合模型等[7，13]，進一步提出研究區(qū)“基準＋修正”的建筑高度控制框架(圖7)，先建立主要針對核心高度控制區(qū)的建筑高度控制基準模型，再根據福州自然山水環(huán)境與城市建筑特點，基于景觀美學原則，對基準模型進行天際線局部輔助調整，使城市建筑控制更加符合視覺美學理念，并達到城市建設與山地環(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模型為例，根據本研究眺望景觀建筑高度控制方法，在計算出梯度控制區(qū)遠景層建筑限高之后，核心高度控制區(qū)應以高度為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，需再運用GIS柵格計算工具，將視野限高面與地形表面進行相減運算，即：H(i點的建筑高度)＝Hi(i點投影的建筑限高面高程值)－h(huán)i(i點的地面高程值)，以此得到區(qū)域內建筑的基礎控制高度。

最后按地理空間的對應位置，對各街區(qū)地塊和建筑高度控制值進行匹配，對重疊的部分地塊取最小值，計算出研究區(qū)各個街道區(qū)域的建筑高度，形成研究區(qū)與3個視廊保護區(qū)對應的基于視線分析的建筑高度控制基準模型(部分調控數據見表4)。考慮到城市土地的集約使用存在現實壓力，還可以利用GIS的重采樣工具，融合更多因素將一個地塊進行多個亞控制單元的劃分[29]。

表4 建筑高度優(yōu)化控制

5 結語

本文聚焦“登山望城”視角下的城、景交接過渡地帶眺望景觀優(yōu)化控制問題，利用ArcGIS三維可視化技術完成對眺望視廊內天際線建筑空間層次構成情況的量化評測。提出研究區(qū)眺望景觀建筑高度控制方法，并利用GIS進行眺望視廊內建筑空間層次的模擬優(yōu)化。一方面對“由景入城”視角下的城市眺望景觀優(yōu)化控制研究進行補充；另一方面也為當地后續(xù)的城市風貌導控等相關策略的制定提供參考。

我國在城市景觀優(yōu)化控制領域的研究工作尚屬起步階段，無論是理論研究、操作技法還是項目實踐都處在探索過程中，而直接從城市景觀入手，引導、規(guī)范城市的開發(fā)與再開發(fā)，維護城市地塊的特殊性，從而為人們提供一個和諧、易識別的景觀環(huán)境，則是一個值得注意的研究切入點[5]。眺望景觀的優(yōu)化控制正是如此，從風景園林學的學科角度展開相關研究，往往能夠形成對城市景觀保護、融合與完整性等有價值的規(guī)劃設計策略。而“基準＋修正”的建筑高度控制框架與GIS技術的結合則可以在這一類研究中發(fā)揮更多積極作用。此外，本研究所采用的計算機三維空間可視化技術可以比較直觀地展示城、景的物理形態(tài)，滿足風景園林研究和規(guī)劃設計實踐對于精準化越來越高的需求，也能規(guī)避調查類評測方法所產生的一些主觀傾向。

注：文中圖片除注明外，均由作者繪制。