長城視覺景觀資源及感知區位計算方法

郭 風 華，孫 寶 磊，李 家 慧，李 仁 杰,3,4，邢 倩，張 振 冉,3*

(1.河北省科學院地理科學研究所/河北省地理信息開發應用技術創新中心，河北 石家莊 050011；2.河北師范大學地理科學學院，河北 石家莊 050024；3.河北省高等學校人文社會科學重點研究基地“河北師范大學地理計算與規劃研究中心”，河北 石家莊 050024；4.河北省環境變化遙感識別技術創新中心，河北 石家莊 050024)

0 引言

國家文化公園是大型文化遺產保護的新模式和優秀文化展示的新方式，通過建設多功能、公益性和大尺度線性空間塑造國家象征、促進全民族文化認同[1]。長城是依托自然環境建設的軍事防御工程，屬超大型、跨區域線性文化遺產[2]，基于TripAdvisor、Flickr等社交媒體數據的研究表明，長城是中國國際旅游形象的主導貢獻元素[3-6]，相關問卷調查結果也表明長城是入境游客重要吸引物之一[7-11]，是能代表中國文化的符號[8]，因此，國家明確提出建設長城國家文化公園的具體方案。視覺是感知長城景觀價值的基本條件，但已開發景區可供感知長城意義的場所尚少，無法滿足國家文化公園對深度體驗長城系統之美、意境之美和功能之美的要求，文物普查和旅游資源調查也未提供長城本體的視覺感知區位信息，因此，從視覺感知角度全面挖掘長城資源價值，尋找能感知長城意義的區位，為提升長城體驗效果提供關鍵信息，是建好長城國家文化公園的基礎保障。

可視分析在闡釋長城美學、文化價值和功能等方面具有特殊價值。例如，基于數字地形數據和可視分析方法驗證烽傳系統信號傳遞功能[12]，進而劃定遺產保護范圍[13,14]；綜合可視分析和密度分析、路徑分析等開展防御功能、設施和聚落選址、價值評估以及長城與環境背景的關系研究[15-17]。但基于視覺角度全面開展長城景觀資源價值的系統研究較少，且對長城景觀整體性、系統性和層次性的認知不足[18,19]，導致游客對長城歷史文化意義的認知較弱[20]。針對當前長城國家文化公園建設需求和長城視覺景觀資源價值挖掘不充分的矛盾，本文從視覺感知角度拓展長城景觀資源的概念和內涵，并設計視覺感知區位計算方法，以期為構建能承載本體及語義感知等關鍵信息的長城視覺景觀資源數據庫提供支撐。

1 概念解析

1.1 長城視覺景觀資源

人與自然之間的聯系和美學高度相關[21]，景觀的原意是風景，即強調視覺的美學意義。美國土地管理局的景觀定義強調“基于視知覺的景觀相對價值”，其本質仍為風景評價[22]；歐洲風景公約定義的景觀是人與自然的活動或互動區域。景觀價值的3個核心內容是自然框架、文化傳承與審美體驗[23]，其中審美體驗是人與環境聯系的主要途徑。俞孔堅從人地關系系統視角將景觀作為社會精神文化系統的信息源，人類不斷從中獲得包括美感在內的各種信息，進一步形成豐富的社會精神文化[24]。上述研究均直接或間接說明視覺是景觀功能、美學和文化價值感知的基本方式。

長城視覺景觀資源是長城本體(包括本體元素及其建構的烽傳系統、防御系統、關堡聚落等景觀子系統)、承載本體語義的環境背景及視覺感知區位等關鍵信息組成的整體。該定義具有兩個特點：1)突破僅將長城本體作為資源的概念，突出長城景觀系統的整體性、結構性和文化語義特征；2)聚焦人地關系感知，強調視覺在景觀系統功能闡釋、文化解析和美學意義呈現的關鍵作用，支持遺產保護和休閑體驗雙重價值。如圖1所示，圖中綠色區域代表長城資源本體，其周邊區域構成環境背景，視覺感知區位可能位于本體(感知區位A)、環境背景(感知區位B)內或本體和環境背景之外區域(感知區位C)。對于功能、美學和歷史文化意義明確的長城文化遺產，其資源本體、自然與社會文化環境背景和視覺感知區位均應納入景觀資源范疇。只有基于全維度、系統性景觀價值挖掘的視角，長城文化遺產保護與可持續發展工作才不會局限于“有什么”的資源統計，而是通過回答“為什么重要”闡釋地理環境特質，最終實現因地制宜的規劃與管理[25]。

圖1 長城視覺景觀資源概念的內涵解析

1.2 長城視覺景觀感知區位的價值

在全域范圍內計算長城視覺景觀資源感知區位，尋找體驗長城景觀價值的特殊視角，對于理解長城功能、美學和歷史文化意義具有重要作用。另外，闡釋長城功能的典型感知區位也是體驗者游覽過程中建構長城意義的關鍵節點。景觀空間序列是景觀環境的敘事過程，觀察者通過對各個空間的感知、比較、聯想建構完整的景觀印象[26]。景觀設計和遺產廊道開發應體現景觀系統性和整體性[27,28]，通過巧妙設計關鍵節點建構空間敘事的路徑線索。利用通識計算和視域分析可以揭示長城系統功能的關鍵位置。從長城景區到文化公園的演進，需要基于不同類型、尺度的景觀視覺感知區位的巧妙設計，形成特定主題和意義的感知空間組合，進而在不同的場景體驗中逐步建構長城的完整意義。

2 長城視覺景觀感知區位計算方法

基于上述分析，本文設計了以語義特征點為紐帶的可視計算信息組織模式，通過可擴展柵格結構承載特征點視覺感知區位信息，以支持景觀語義提取和價值評估(圖2)。首先，根據長城視覺景觀資源類型、結構功能和美學意義等，提取本體及環境背景語義特征點并進行編碼；然后，計算每個特征點可視域柵格并將所有特征點可視域柵格疊置，記錄各柵格所有可視特征點的編碼組合，實現視覺感知區位信息集成；最后，挖掘不同柵格(基本視覺感知區位單元)的可視語義特征，實現長城視覺景觀資源的價值挖掘。

圖2 承載景觀系統語義特征點視覺感知區位信息的柵格組織原理及計算邏輯

2.1 資源分類與特征點選取

語義特征點選取要充分考慮長城本體及其環境背景語義，選取的特征點組合能為觀賞者提供充足信息，以通過視覺感知建構景觀意義。另外，特征點選取數量要考慮可視分析的DEM分辨率和精度。例如，基于30 m分辨率DEM，烽火臺景觀在垂直方向取1～2個點即可；墻體可根據長度和地形背景特征選取，取點間隔一般不低于DEM 2倍分辨率。隨著DEM分辨率提高，可適當提高特征點取點密度。部分代表性長城視覺景觀資源分類代碼及語義特征點選取規則如表1所示。

表1 代表性長城視覺景觀資源分類代碼及語義特征點選取規則

2.2 語義特征點編碼組織

在長城視覺景觀資源分類代碼和語義特征點選取規則基礎上，借鑒已有景觀感知計算思路[29,30]，進一步創新視覺感知區位信息組織模式，為每個語義特征點分配承載多元語義信息的唯一編碼(包括所屬長城系統、子系統區段、資源大類、結構/功能語義次序、要素子類5類信息)。例如，表示山海關長城系統老龍頭區段某個馬面景觀的語義特征點編碼為“SHG-A-A0301D”，其中“SHG”表示該特征點所屬山海關長城系統，第一個字母“A”表示山海關長城系統中的老龍頭區段，第二個字母“A”表示長城本體要素類型，“03”表示馬面景觀屬于該區段的第3個特征點(組)，“01”表示該特征點組的第一個特征點，“D”表示馬面的類型碼。其他城墻、烽火臺、敵臺等本體要素以及環境背景要素采用相同的編碼規則。

2.3 視覺感知區位的景觀語義解析

借助數字地形和GIS柵格分析可以提取每個柵格具有可視條件的語義特征點集合，通過分析其空間結構和分布模式，并結合特征點編碼、特征點之間的結構/功能語義次序和類型等信息，可以評估該位置對長城特定景觀系統的視覺感知語義完整性和總體質量，最終形成對長城景觀特定區域的視覺感知精細刻畫。

對于較小規模的景觀要素單體或景觀系統，可以從視覺感知區位柵格中直接提取最優感知區位集合。例如，要闡釋長城烽傳系統信號傳遞功能，至少應選擇能看到3個以上順序排列烽火臺的感知區位；感知長城蜿蜒曲折、碉樓林立等美學特征的區位，應選擇可以看見一段綿延長度不小于2 km、包含若干敵樓/敵臺的墻體，兩側均有一定彎曲延展部分和地形起伏背景特征。當景觀系統復雜性較高或景觀規模較大時，單一感知區位不能滿足景觀語義完整視覺感知需求，需要不同語義視覺感知區位的有機組合形成最優感知區位鏈，以幫助旅游者實現對景觀系統結構、層次性和秩序美等方面的視覺體驗過程。例如，山海關長城防御功能需通過老龍頭入海長城、天下第一關和角山長城等不同子系統的多視覺感知區位組合，形成對城墻、關堡、烽火臺和環境背景等的綜合感知，逐步建構長城防御功能的系統性景觀語義(圖3)。

圖3 長城景觀系統視覺感知機理與過程示意

基于不同主題情景還可以設計不同的最優感知區位鏈，以形成多元化主題游覽線路，滿足公眾邂逅長城的新奇和刺激體驗，以建構長城的完整意義，實現精神文化需求的精準供給，提升長城文化和景觀體驗質量。

3 老龍頭—山海關—角山長城段實證

山海關長城是明長城東端起點，是山海之間重要的軍事要塞、防御功能典型區段，包括老龍頭、南翼長城、關城、北翼長城、角山長城、三道關長城及九門口長城等子系統。本文選擇“老龍頭—山海關—角山”長城段作為視覺景觀資源感知區位計算案例區(圖4)，該段長城全長28.3 km，涉及長城墻體10.5 km，包括關堡5座、烽火臺1座、敵臺7座、馬面8座。

圖4 實證研究區域環境背景及長城本體區位

3.1 數據處理與信息組織

采用全國文物普查數據，結合ArcGIS Earth三維虛擬景觀系統修正補充“老龍頭—山海關—角山”長城段相關信息，最終生成本體數據集；環境背景數據中，采用ALOS 12.5 m DEM作為研究區基礎地形數據；采用清華大學宮鵬團隊研發的From10數據集，提取本區域10 m分辨率地表覆蓋細分數據集；水系、聚落、交通等其他地理要素來源于中國1∶100萬基礎地理數據集和OSM開放數據集。

根據前文描述的長城本體及環境背景語義特征點選取規則和編碼方法，對長城景觀系統進行子系統劃分，并解析不同子系統本體要素的結構和功能語義關系，完成語義特征點選取和編碼，各子系統不同類型景觀要素編碼樣例詳細信息如表2所示。

表2 山海關長城“老龍頭—山海關—角山”段不同類型景觀語義特征點編碼樣例

3.2 語義特征點視覺感知計算結果分析

基于GIS可視域分析生成各特征點的可視域柵格，即該點的視覺可感知區位，墻體、敵臺、烽火臺3個本體要素和環境背景(海平面)的語義特征點2 km視覺感知計算結果如圖5所示。4個特征點可視特征為：關城1號墻體特征點(SHG-C-A0101A)可視面積約5.5 km2，可視域占比44.01%，連續可視域主要位于關城內的東城社區、關城外長途汽車站和蓮花湖公園等區域；角山2號敵臺(SHG-E-A0301B)可視面積約6.1 km2，可視域占比48.87%，連續可視域主要位于敵臺東西兩側山坡、南側農用地以及東南居民地等區域；上莊烽火臺(SHG-E-A0501C)可視面積約5.3 km2，可視域占比42.07%，連續可視域主要位于西側角山長城段、東南側農用地及居民地等區域；海平面特征點(SHG-A-B0101F)陸地可視面積約0.4 km2，占陸地區域的9%，連續可視域位于老龍頭景區南北兩側近海岸等區域。

圖5 長城本體和環境背景等不同類型要素語義特征點2 km范圍可視區位特征

3.3 視覺感知分析與最優感知區位鏈

在語義特征點視覺感知計算結果基礎上，按照子系統劃分方案集成可視柵格，統計分析各柵格可視特征點的數量、類型和功能語義關系，獲得老龍頭入海長城段、天下第一關箭樓、關城與角山長城防御功能、角山長城等子系統的景觀視覺感知區位信息，并結合地表覆蓋類型和地理要素分布特征，最終確定景觀感知區位鏈的設計方案。

如圖6所示，老龍頭入海段(圖6a)共計6個特征點，最高感知量柵格可見全部特征點，2 km搜索域內能看到5個及以上特征點的區域有0.43 km2；可視特征點數量多且類型齊全的感知位置在老龍頭南北兩側近海區域，其中西南側和北側人工建筑較少的近海區域為最優感知區。天下第一關箭樓(圖6b)共計4個語義特征點，最高感知量柵格可見全部特征點，2 km搜索域內能看到3個及以上特征點的區域面積達6.05 km2；綜合考慮區位環境特征，確定關城內東北側古城街道為城內最優感知區，關城外東北開闊廣場區為城外最優感知區。關城與角山長城防御功能子系統(圖6c)共提取22個特征點，最高感知量柵格可見18個特征點，可視特征點達13個以上且可同時感知角山長城和關城的區位分布在關城南側、東南側等區域；綜合考慮可視域連續程度和區位環境等因素，確定蓮花湖公園東南側和石河東北側1 km交通線及周圍區域為最優感知區。角山長城子系統(圖6d)共20個特征點，最高感知量柵格可見16個特征點，角山長城外部及關城西北側交通線附近村莊、農田等區域可視特征點達15個以上，可視域連續性較好，可作為遠距離感知的較好區位。角山1號敵臺和3號馬面附近特征點可視數量均在8個以上(圖6e)，其中1號敵臺附近城墻段可視要素類型齊全且連續性較好，可作為近距離感知本體要素的較好區位，3號馬面北側城墻段對山頂、山脊線等環境背景的可視效果較好，可作為環境背景近距離感知區。綜合不同子系統景觀視覺感知區位特征，形成老龍頭—山海關—角山長城系統景觀感知區位鏈的最終設計方案，區位鏈長度約15.45 km，包括5個語義感知區位組合，9個語義感知節點，形成長城內、外兩個分支鏈，并在角山長城合二為一(圖6f)。視覺感知區位鏈可從任意一段開始，在語義闡釋能力方面雙向同效，游客也可以從任意中間節點開始，選擇某個方向拓展體驗。

圖6 老龍頭—山海關—角山長城區段不同景觀子系統最優視覺感知區位與視覺感知區位鏈設計

4 結論與討論

本研究從視覺景觀資源角度切入，嘗試回答長城國家文化公園中“看什么”“在哪兒看”和“怎么看”的系列問題，以呼應對長城文化遺產價值深度呈現和系統闡釋的現實需求。首先，明確提出長城視覺景觀資源是由本體、環境背景及視覺感知區位等信息組成的觀點，將長城景觀從本體分布范圍擴展到視覺可以感知的更大空間域，強調感知區位在長城美學、功能和文化語義闡釋等方面的重要價值和意義。盡管也有研究將線性遺產的影響域、輻射域作為遺產的構成要素[31]并劃定遺產保護緩沖區，但影響域或輻射域概念對資源分布域的刻畫相對模糊，保護緩沖區則更強調狹義保護邊界，兩者均未考慮人與遺產景觀的互動關系。而視覺景觀資源則充分考慮不同尺度景觀系統及其要素的語義特征，表達結果直接體現視覺感知的空間分異特征，可以為資源保護和開發提供精準支撐。第二，設計實現了長城視覺景觀資源感知區位計算方法。該方法通過明確長城視覺景觀資源語義特征點的選取規則，在GIS視域分析基礎上，可以將長城景觀系統中所有本體和環境背景要素語義特征點的視覺感知區位信息集成組織，支持提取每個柵格位置的可視特征點編碼集合，進而解析不同位置的特征點組成與空間模式，挖掘其中隱藏的長城結構、功能、文化和美學語義信息，實現對任意位置的長城景觀視覺感知特征精細刻畫。第三，以“老龍頭—山海關—角山”長城區段為例開展實證研究，在獲取各個景觀子系統視覺感知區位信息的基礎上，綜合考慮感知效果和感知區位的環境特征，設計了該區段長城的最優感知區位鏈，實證研究初步體現了長城視覺景觀資源概念的理論價值和實踐意義，證明了視覺感知區位計算方法的可行性。

景觀感知區位鏈設計是建立長城文化空間敘事線索的新嘗試，能引導旅游者在與景觀互動的過程中體驗長城與環境融合的系統之美，建構長城歷史、文化和美學的完整意義，對長城國家文化公園規劃設計具有潛在應用價值。研究結果有助于在大空間尺度上發現多樣化的長城感知區位，支撐長城文化游憩廊道、步道或風景道規劃設計，有效調節已開發景區的環境承載壓力；可以滿足長城沿線各類資源組合開發和遺產整體保護，形成文旅復合型區域產業模式[32]，使長城真正成為地方居民的生活家園和游客深度體驗的場所，呼應國家文化公園建設對長城價值呈現和闡釋的重要需求;長城視覺景觀資源價值挖掘可以產生系列成果，有助于全面尋找“感知長城的地方”，為長城國家文化公園長期建設和可持續發展奠定基礎;進一步研究視覺景觀資源的評價標準、數據庫設計、優化視覺感知區位信息組織結構，提高視覺感知計算效率等，有可能將長城視覺景觀資源的研究方法擴展至大運河、長征、黃河等不同類型的大尺度線性景觀系統，有助于旅游者系統體驗國家公園和國家文化公園的生態功能、美學意義和歷史文化價值。

考慮到文化遺產景觀類型的多樣性、語義復雜性等特點，本研究僅提出了帶有類型約束的長城視覺景觀資源概念，能否將此概念進一步拓展以適應不同文化遺產甚至自然景觀，還需進一步探究；同時，將視覺感知區位信息作為景觀資源的組成部分，亦從人地關系的視角出發，更注重表達人與遺產交互過程中的體驗過程，在后續資源價值綜合評估中需進一步協調資源本體和用戶體驗的耦合效果問題。此外，長城視覺景觀資源感知區位計算方法仍待完善：1)真實性和完整性是衡量遺產價值的重要標尺[33]，本文提出的語義特征點選取原則有一定主觀性，不同規模尺度的轉換標準尚不明確，導致特征點在表征真實性和完整性方面很大程度上依賴專家經驗；2)由于沒有考慮地表覆蓋物高度對視覺感知的影響，計算結果精度仍有待提高；3)當前編碼方法和計算過程缺少對遺產景觀時間語義的組織設計。