可持續景觀規劃
——融合景觀可持續性研究與地理設計

黃 璐,鄔建國,王 珂,張 微

1 浙江大學新農村發展研究院,杭州 310058 2 美國亞利桑那州立大學生命科學學院,美國亞利桑那州 85281 3 美國亞利桑那州立大學可持續性學院,美國亞利桑那州 85281 4 浙江大學環境與資源學院,杭州 310058 5 浙江大學軟件學院,杭州 310058

可持續發展是時代的主題。正由于目前生存狀態的不可持續性,人們才迫切需要“以應用為啟發”和“以解決問題為導向”的研究,從而探討解決人與環境失衡下產生的各種問題。與可持續發展直接相關的是一門新興的整合型學科方向——可持續性科學[1],研究人與環境之間的動態變化,非線性動力學、自組織復雜性、彈性、閾值、適應性管理、社會學習等是其重要概念[1—2]。為了使可持續性科學具有操作性,須在合適的空間尺度上進行研究與實踐。景觀尺度上通全球、下達局地,提供了一個供科研工作者、規劃者、決策者、利益相關者共同研究和探討的空間單元。景觀可持續性研究聚焦于景觀和區域尺度,通過空間顯式方法來研究景觀格局、生態系統服務和人類福祉之間的動態關系[2],一個重要研究點是如何設計出更加合理的景觀格局,從而維持或提高生態系統服務,進而保障人類福祉。因此,可持續景觀規劃是在景觀尺度上,在可持續性科學的指導下,深入了解環境與人類活動的動態關系,平衡生態系統服務供需,將環境、社會、經濟活動過程反映到空間優化上,不斷提高人類福祉的規劃過程[2—7]。本文為了探索如何開展可持續景觀規劃,連接了景觀可持續性研究和地理設計,從兩者的關系角度出發,提出了景觀可持續性與地理設計融合的路徑與方法,以期為可持續景觀規劃的方法研究和實踐應用打下基礎。

1 地理設計與景觀可持續性的關系

地理設計是基于新一代信息技術,尤其是空間信息技術的規劃方法。最早于2008年“GIS與設計中的空間概念”會議中被提出,最被認可的定義是“在系統性思維和數字技術支持下,模擬規劃效應、產生規劃方案的一種規劃設計方法”[8]。地理設計與傳統基于CAD設計最大的不同在于前者具有與真實地理環境相關聯的設計環境,設計者可隨時獲得該環境數據,擁有實時反饋機制的工作流程,可實現設計結果和評估模型的兼容。目前許多設計工具已經有了地理設計的雛形[9]。CommunitzVis和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,建筑設計領域近年來嘗試將建筑信息模型(Building Information Modeling)的范圍進行拓展,使其不再只關注建筑本身,而是將建筑與周邊環境的關系也納入到建筑設計與施工管理過程中來。一些大型規劃設計公司也在獨立開發產品(如AECOM公司開發的可持續系統集成模型),從而對項目進行可持續的開發和管理。在當今技術飛速發展的背景下,地理設計擁有很強的生命力和拓展力。

為什么地理設計需要景觀可持續性研究？當前地理設計主要面臨四方面不足：生態過程的分析不足,規劃過程的動態分析不足,公眾參與規劃的途徑不足,規劃結果的快速評估不足。針對第一個不足,正是景觀可持續性研究能夠為地理設計帶來的最重要的內容。目前多數規劃的生態分析是判斷生態系統的狀態,缺乏過程分析,尤其是過程變化對人的影響分析,隨著生態環境數據的增多和以景觀生態學為代表的學科融入,研究者對生態過程有了更多了解。地理設計可以在景觀可持續性研究的指引下,將生態分析從注重自然環境分析,擴展到生態系統服務和人類福祉,更加貼合可持續發展方向。

為什么景觀可持續性研究也需要地理設計？景觀可持續性研究的最終目的是優化空間格局,提高人類福祉,這要將空間格局、生態系統服務、人類福祉三者之間的關系以空間顯式的方式進行分析、模擬和驗證,地理設計可以提供一個分析平臺,模擬一定限制條件下,不同變量對其他變量的影響關系,在這個過程中,平臺提供的可視化、實時評估反饋能夠幫助進一步理解三者之間的關系,提高景觀可持續性研究的落地性[10]。同時,理想的地理設計包含了動態分析、快速評估與公眾參與,能夠對景觀可持續性這一與人類福祉密切相關的學科往實踐方面再擴展一步,使景觀可持續規劃成為一個新的規劃研究方向,使景觀可持續性研究真正成為多維度、穿越自然科學和社會科學界線、集理論和實踐為一體的學科方向。

綜上可知,景觀可持續性研究與地理設計分屬兩個不同的研究領域,前者是可持續性科學的研究分支,后者是規劃學的新興方法。除了有相互交叉融合的需求外,是否具有融合的基礎？基于多學科背景,我們提出了兩者共同關注的六個研究點——強/弱可持續性、多尺度、生態系統服務、可持續性指標、大數據應用、文化和地方感。該部分內容已在IntegratingGeoDesignwithLandscapeSustainabilityScience[11]中詳細論述,本文不再贅述,這六個研究點將會體現在下文“景觀可持續性與地理設計融合的路徑與方法”中。

2 景觀可持續性與地理設計融合的路徑與方法

圖1 可持續景觀規劃程序性框架(粗字體表示景觀可持續性研究與地理設計的六個共同研究點),根據文獻[11]改繪Fig.1 Procedural framework of sustainable landscape planning (bold fonts represent six common research points of landscape sustainability research and GeoDesign). Modified based on [11]

從景觀可持續性研究和地理設計的學科背景出發,本文提出了可持續景觀規劃的程序性框架(圖1)。該框架主要包括八個步驟,目的是要將景觀可持續性研究的理念和信息技術的應用貫穿于規劃設計過程,最終評價的準則為是否協調環境、社會、經濟三方關系,提高了人類福祉。

2.1 問題診斷與目標設定

每一個景觀或區域都面臨錯綜復雜的可持續發展問題,如何在保證生態環境的基礎上進行景觀綜合利用開發、不斷維護或提高生態系統服務與人類福祉是每個規劃都面臨的挑戰。各景觀特征不同(從自然景觀到城市景觀),其空間內的生態系統服務類型不同,生態系統服務之間的權衡與協同關系也隨之變化[12],如城市景觀以調節服務為核心,鄉村景觀以供給服務為核心。從當地及周邊居民的需求出發,聯合多方利益相關者的需求,明確需要關注的生態系統服務和所要達到的人類福祉,有助于確認規劃目標。

2.2 多源數據組織與管理

搭建地理設計數據庫,收集遙感、數字高程、水系、大氣、土壤、生物多樣性等生態地理信息數據,行政區劃、人口、物質能量消耗、產業經濟、公共設施、歷史文化等社會經濟數據,以及城鄉規劃、國土規劃、環保規劃、交通規劃等相關規劃專題輔助數據。在“3S”技術、數據管理技術的綜合支持下,可針對這些時空數據的多源、異構、多維、動態復雜性,構建靈活的數據導入機制、適當的數據更新機制,統一于儲存服務器上進行存儲和更新,建立系統的地理設計數據庫。

2.3 尺度匹配與多尺度分析

在規劃初期,需要選擇合適的時空尺度進行空間分析。時間尺度具有靈活性,通常根據數據可獲得性進行選擇,一般需要三期數據進行空間格局分析,因此時間跨度從幾個月到幾十年不等。時間尺度與空間尺度相關,空間尺度越大,時間尺度也相對越大。規劃項目規定的空間尺度通常與觀測尺度相一致。但為了考慮空間關聯,一般要將尺度向上、向下延伸,所以至少需要在三個尺度上進行分析、建模,找到不同景觀格局與生態過程的特征尺度。在強可持續性觀點下,上一級空間對下一級空間有約束作用,下一級空間對上一級空間有支撐作用,在此過程中,要保證多種類型尺度(如觀測尺度、分析尺度、建模尺度、政策尺度等)的一致性。此外,由于可持續景觀規劃一般在中觀尺度上進行,強、弱可持續性都會涉及到。在宏觀尺度上須持強可持續性觀點,在微觀尺度上可偏向弱可持續性[13]。為了在景觀或區域尺度上實現強可持續性,有時在小尺度上采取弱可持續性是有必要的[2]。

2.4 景觀格局過程分析和可持續性評估

景觀格局分析方法相對成熟,一般選用選擇面積-邊緣類指數、形狀類指數、聚散性指數,近年也涌現三維景觀格局指數、形態學空間格局分析等方法研究景觀格局多維度空間特征及變化情況[14—16]。景觀格局分析需與過程相聯系，可選擇規劃區中的關鍵生態過程,如關鍵物種的動態、種子或花粉的傳播、物質循環、能量流動等,利用已有研究結果在當地進行參數調整與計算。在可持續性評估中,可選擇的指數較多,無論是單一聚合性指數還是指標集,每種指標衡量的側重點不同,因此需要用多種指標共同衡量。同時,為了堅持強可持續性觀點,要至少包含一個強可持續性指標[17—18],如生態足跡、環境績效指數、綠色城市指數、基于“壓力-狀態-響應”框架的指標集、物質能量流指標集等。

2.5 生態系統服務與景觀格局關系模擬

生態系統服務連接景觀格局、過程與人類福祉,是景觀可持續性研究中的重要內容。指標評估法、價值評估法及模型模擬法是生態系統服務供給評估的主要途徑。指標法主要針對物質量,能比較客觀地反映生態系統的生態過程；而價值法主要針對價值量,偏向于反映生態系統服務的稀缺性,能夠為決策制定提供依據[19]。從強可持續性角度而言,在大尺度上可采用指標法,反映生態系統結構-功能-服務過程,確保關鍵自然資本不受損害[20],小尺度上可采用價值法評估自然資本被人造資本替換的價值、協助決策,因此生態系統服務評估在規劃設計中應用前景廣泛[21—24]。目前文化服務的研究進度明顯慢于其他生物物理服務的研究,在研究方法上有待進一步探索[25—26]。

生態系統服務與景觀格局的關系是可持續景觀規劃的核心步驟(圖2)。可根據未來一段時間內生態系統服務的需求,選取重點關注的生態系統服務供給,如城市景觀重點關注的降溫、滯塵、持水、降噪等服務,鄉村景觀重點關注的糧食供給、傳粉、水資源供給、水質凈化等服務,建立關鍵生態系統服務供給與景觀格局之間的數量關系[27—29]。目前大多數研究表明,相較于景觀組成,景觀配置對生態系統服務的影響較小,但定向調節景觀配置會影響生態系統服務供給,或者影響特定生態系統服務間相互作用的強度與方向[30]。在此基礎上,根據生態系統服務需求,調整景觀結構,實時比較不同組成或配置下的生態系統服務供給變化情況。選擇在保障關鍵生態系統服務供給的基礎上、能夠滿足生態系統服務需求的景觀結構。

圖2 生態系統服務與景觀格局的關系模擬Fig.2 Simulation of the relationships between ecosystem services and landscape patternInVEST：生態系統服務和權衡綜合評估模型；SolVES：生態系統服務社會價值模型；MSPA:形態學空間格局分析

2.6 情景分析與方案評估

情景分析是對未來可能性的探索[31—32],通過設定未來情景的不同目標值,基于生態系統服務供給與景觀格局的關系,得出不同目標值下的景觀格局情景方案[33]。在地理設計情景分析中,如何選擇合適的特征指標描述未來狀態、對未來狀態如何挑選可持續性指標進行再評價是核心步驟。對每個情景方案進行評估時，可進行生態系統服務權衡和協同分析、不確定性分析、成本-效益分析,并在此基礎上進行各個情景的可持續性評估、人類福祉評估。

2.7 地理設計平臺搭建

建模階段:基于CAD現狀圖,對土地與景觀類型分類后進行地塊劃分與建模(圖3)。解決CAD與GIS軟件無縫連接,特別是在數據交互、轉換方法上的連接。在此基礎上,開發軟件形成一套規則建模的庫,實現中小空間尺度的參數化建模。

分析階段:將生態系統服務模型與指標融入地理設計平臺,依靠生態系統服務與景觀格局的關系,通過調整景觀結構,求解生態系統服務變化。在這個過程中,形成內生的分析手段,將設計的整個流程整合在地理設計的框架中,使所有規劃分析圖都能夠基于平臺半自動生產,縮短設計周期。

渲染階段:針對不同的規劃情景方案,對其進行分析與評估后,選定1—2種較合適方案,對紋理、光線、投影等信息進行渲染,建立三維虛擬系統。

圖3 以村莊尺度為例展示地理設計平臺搭建過程Fig.3 The process of building GeoDesign platform taking the village scale as an example

2.8 可視化與人機互動

在以上步驟中,一方面通過時空大數據反演,結合地面感知網數據,對生態系統服務、地理信息、社會經濟模擬過程中產生的時空數據進行實時動態的可視化表達。在當前,社會經濟大數據由于跟人們生活更加密切相關,應用手段層出不窮。隨著物聯網設備成本的逐步降低,生態環境大數據也日漸豐富,逐步被應用于規劃設計領域。然而,由于缺乏數據共享,來自不同項目的大量數據還未能發揮最大價值[34]。除傳統鼠標鍵盤交互外，積極開發手勢交互、命令行交互、腳本語言交互等,利用數字沙盤系統進行展示表達,便捷的交互方式能夠為參與式規劃提供一條新的途徑[35]。

3 結語

正如諾貝爾經濟學獎、圖靈獎獲得者、人類歷史上罕見的通才Herbert Simon于1996年所述“科學需要關注‘事物是如何運作的’(傳統自然科學)和‘事物應該如何運作’(工程和設計科學)”[36]。規劃是根據現實與未來需求,將相關的學科知識綜合起來,為復雜的現狀瓶頸突破和未來發展方向提供分析與解決方案。面對迫在眉睫的可持續發展問題,研究者已經積累了一定的可持續性方面理論知識(包括可持續性科學,以及生態學、地理學、土地變化科學、土地系統科學、土地系統設計、景觀生態學等)[7,37—39],但如何將這些知識與當今先進技術結合,合理地應用在景觀規劃中？可持續景觀規劃作為一個交叉性極強的學科方向,目標非常明確,即在景觀可持續性研究的理論基礎上,在地理設計方法與平臺的支持下,通過空間優化維持或提高生態系統服務,設計出能夠提高人類福祉的可持續景觀。本文提出的八個步驟已融合了景觀可持續性研究與地理設計的六個研究基礎,為可持續景觀規劃提供了路徑與方法。

景觀可持續性研究在不斷積累知識,生態系統服務與景觀格局的關系在世界各地被積極研究[16,27—29]；地理設計的技術在不斷推陳出新[35,40—47],現階段努力方向是拓展建筑信息模型,實現大尺度參數化設計,下一階段也許是實現更友好的人機交互。這要求研究人員與規劃人員具有廣博的眼界,并具備專業的技術,更重要的是能夠緊密協作。景觀是承載生態環境、社會經濟發展的綜合性空間,我們不僅需要生態系統服務指標、景觀指數,更需要景觀可持續性指數,只有將生態系統服務結合社會經濟過程后才有可能提出具有操作性的規劃解決方案。因此,可持續景觀規劃既需要地理設計中的技術來拓展應用領域,同時也需要更多自然科學與社會科學的支持,我們期待各學科的共同探討,共同“設計”可持續的未來景觀。