基于交互應用的園林路徑特征采集實驗

由申　朱蓉

摘要：為了采集寄暢園路徑空間的藝術特征。基于Java語言并采用Processing開發環境搭建了實驗性的園林信息標注平臺，并根據景觀設計原理實現了寄暢園路徑空間的數據建模，結合空間藝術理論對其路徑空間進行了特征分析。在實驗反饋中，將藝術特征的可視圖形作為樣本的驗證介質，通過樣本比較，將寄暢園的路徑空間提煉為模板化的路徑線形，以此線形可以擴展出具備類似空間特征的景觀空間設計。并依據空間藝術特征和線形模塊的對應關系，提出了基于數據儲備的園林設計需求反饋方案。

關鍵詞：空間藝術?空間數據模型?數字化設計

中圖分類號：TP311.1

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2019）05-0064-04

Abstract：To collect artistic characteristics of the path space of Jichang garden.An experimental platform for annotation of garden information is established based on Java language and Processing development environment.Data modeling of path space of Jichang garden is realized according to the landscape design principle.With the combination of spatial art theory，characteristics analysis of its path space is carried out.From the experimental feedback，visual graphics of artistic characteristics are taken as the medium for verification of samples.Through comparison of samples，the path space of Jichang garden is extracted into the templated path line，with which a landscape space design with similar spatial characteristics can be extended out.According to the corresponding relationship between spatial art characteristics and linear?modules，a feedback scheme on requirements of garden design based on data reserve is put forwarded.

Keywords：Space Arts T-GIS Digital Design

引言

參數化景觀設計離不開時空地信模型的研究，T-GIS（TemporalGeographic Information Systems）[1]的研究推動了參數化交互應用的完善，廣泛應用的包括GIS和BIM，除此之外，在園林空間句法研究中Depthmap模型表現出色，在異形參數化設計研究中Rhino+ Grasshopper設計模式逐漸成熟[2]。在研究反饋中，一些應用吸收了G-Field模型進行數據管理[3]、EDGIS模型進行時態管理[4]、Geo atom模型進行交互管理。可以看出，T-GIS模型研究提高了交互應用的研析能力，研究者借此通過對事件和對象的建模來分析和解決實際問題。

但僅靠T-GIS還不足以解決空間設計研究問題。在以往的選線策略研究中，GIS的選線策略考量的主要是成本核算問題[5].但在設計項目中，選線計劃還需要根據社會環境和計劃需求來調整，例如在城市危險品的運輸選線中GIS可以結合博弈論進行復合策略的求解[6]。除此之外，景觀設計中更多的考量在于具體的空間構型，這時候Depthmap在一定程度上將現實空間的句法特征反饋給了設計研究者，例如句法模型可以從可視化層面對中國江南私家園林的空間特征進行反饋[7]。輸出的圖樣也應當易于研究者讀懂和理解，并能夠對保護更新方案進行評價分析，探索規劃可行性和科學性，并輔助總結設計策略[8]。

因此，為了園林設計語言的實驗求解，以中國無錫寄暢園為實驗樣本，構建了對其內部選線空間的藝術特征采集實驗，并通過控制求解樣本的構形特征，提出了求解方案。

一、研究策略

（一）實驗樣本：本文選取了寄暢園為研究樣本，寄暢園坐落在無錫市西郊東側的惠山東麓，始建于明嘉靖初年，占地約10000平方米，地形呈不規則的梯形，南北長而東西窄，中間曠闊。園的規劃布局特點，以池為主，池水隨形依勢，南北長約90余米，東西寬約20余米，面積雖僅0.17公頃，卻給人以巨浸空澄，一泓凈碧之感，名池為“錦匯漪”[9]（如圖1）。

（二）研究框架：通過對寄暢園的資料搜集與調研，寄暢園在20世紀初經國家文物局批準對進行了恢復重建，經過實驗考量，選擇了19世紀90年代的寄暢園平面圖紙作為采集樣本。然后通過對空間數據的采集和建模將寄暢園的空間特征進行可視化輸出，通過對求解樣本和選線樣本的可視化特征對比，根據設計構形需求進行設計語匯的求解（如圖2）所示。

（三）采集程序的搭建（如圖3）：實驗交互采集環境開發應用的是Java語言和Processing的編程環境，采集數據被封裝為了路線、路徑和圍合邊界對象。在實時交互方面，數據池被交互模塊和顯示模塊統一調用，通過I/O流將采集數據解封并存儲到本地，在程序啟動時會被初始化到程序中并重新封裝，程序流程（如圖4）所示。

（四）采集交互模塊設計：客觀評價界面元素的布局美度，有6個美度指標：平衡度、對稱度、整體度、簡潔度、密集度和凝聚度，在交互過程中會出現數據計算問題，交互事件包括移動和縮放視圖10。

在交互過程中，鼠標點擊位置與采集坐標，與底圖中心坐標、底圖寬度、高度、坐標移動的軸向距離及底圖縮放系數有關。因此在交互過程中顯示采集數據時，需要根據相對位置進行動態判斷。

Rx，Ry：相對采集坐標，R∈[0，1]。

Mx，My：鼠標位置坐標，M∈[0，界面軸向尺寸]。

Cx，Cy：底圖中心位置坐標，C∈[0，界面軸向尺寸]。

Pw，Ph：底圖尺寸，P∈（0，實時交互尺寸]。

X，Y：實時顯示坐標，X，Y∈[0，+∞）。

采集公式：

公式

（五）選線模型

為了在實驗程序中實現選線反饋，通過交互采集方式確定了路線模型，相對于GIS的柵格或矢量模型（如圖5）在數據結構上更加直接。

為了實現選線的反饋，本文制訂了通過交互方式架構路線關系的采集方案（如圖6）所示，將路線的采集方式分為3種類型。

baseline：自由樣條線，包含若干自由節點。

branch：分支線，起點依附于其他線上。

bridge：銜接線，起點和終點都依附于其他線上。

通過對寄暢園路線的交互采集，架構了可查詢的選線模型，其數據結構吻合于寄暢園中的游線（如圖7）所示。

二、園林空間藝術特征的提取

（一）藝術特征數據計算：園林空間可供量化的典型藝術特征包括圍合關系[11]、分形關系[12]、空間節奏[13]。真正能夠在園林設計項目中應用上的是空間開合關系、轉折節奏控制，也就是說大多時候數據本身對于園林設計不是至關重要的。在本文中特征數據是作為求解樣本與路線樣本之間的比對標準而存在的，既然如此在樣本比對中，特征數據的可視化程度就顯得至關重要，輸出的圖樣應當易于研究者讀懂和理解。

在以往的分析模型中，數據的可視化呈現并不是為了使研究者能夠更好地理解數據背后的含義，更多的是在展示數據之間的比較關系。數據本身則被賦予了某個空間位置屬性，舉例來說（如圖8）所示，在以往的數據反饋中路徑a到b的視野數據是恒定值。

但是可是在理解層面，視野是基于“視”這一活動的，其來源是人。首先，人在空間中的感知也不只有視覺體驗，其次，如果人在路徑中被抽象為點，而路徑是線（如圖9）所示，人在a到b的移動過程中感知的一部分空間即為圖中藍色范圍，那么對于每段路線，真正能被感知到的范圍并不等于視野范圍。而且，如果將路線空間進行劃分，藍色和紅色處于同一段空間片段中，而在未進行路線選擇前，綠色空間只是提供線路的一種選擇，人繼續沿紅色行走，或是轉向綠色線路將會影響分析結果。

在對寄暢園的空間數據特征計算上，為了貼合選線和人的視角，所有數據的計算都受到了線路上的相對位置控制，采集位置t的特征數據Ft的計算公式為：

C：采集位置t在本段路線上的比例位置，C∈[0，1]。

F：本段路線上的的特征數據集合，F={F1，F2，F3，…，Fn}。

T：本段路線上的轉折節點數據在本段路線上的比例位置集合，T={T1，T2，T3，…，Tn}。

if：C≥Tn v Cs

依據此公式在每個路線片段上，空間特征數據都會重新計算。

（二）路徑特征：寄暢園路徑空間的采集，建立在路線之上，并在路線的基礎上添加了新的分段（如圖10、11）所示。

在對寄暢園的實驗采集中，路徑形態是不規則的，所以在交互采集中，能夠依據采集需要調整路徑形態（如圖12）所示：

通過選線，將路徑構形數據輸出為可視化的折線波形（如圖13）所示，選擇了1.2.11.12.14.16.17為觀覽路線時，生成的路徑形態分析圖，其數據（如圖13）所示將鋪展到了橫軸上。

路徑形態特征分析圖以路線片段為橫坐標，橫坐標的數值關系為路線片段的長度關系，縱坐標的數值在每個路線片段內依據路線轉折分段再度細分，將每段路線空間的分形程度和路徑寬度進行了可視比較，

（三）圍合特征：在園林空間的藝術特征中，空間的開合體現了造園的節奏控制，在中國文化中，將這種關系稱之為“抑”和“揚”，在中國古典文學中經常對這種空間進行描述，例如魏晉時期陶淵明的《桃花源記》。

同樣的在采集中，開合關系的數據結構基礎建立在路線之，上，采集路徑邊界的開敞邊界，（如圖14）中的紅色樣條線，構建路徑空間中的開合關系。

（如圖15）在采集中，以1.6米為限定標準，1.6米以上的視線障礙物視為有效障礙，通過選線可以將路徑的開合數據輸出為可視化波形，在（表1）中，基于選線1-2-11-12-14-16-17生成了空間開合關系分析圖。

a：主入口;b：風谷行窩;c：雙孝祠;d：九獅臺;e：鄰樊樓;f：臥云堂;g：連廊;h：先月榭;i：連廊：;j：郁盤廊;k：知魚檻;：七星橋;m：水榭：;n：橋;o：涵碧亭;

同樣的以路線片段為橫軸，縱坐標依據路線轉折分段再度細分，通過開合位置進行過濾，在出現敞開合據的位置進行波形渲染，該分析圖在路線分形的特征基礎上增加了空間開合屬性并借此量化了空間節奏，以此對該選線路徑空間的藝術特征進行可視化反饋。

三、營造語言求解與藝術特征反饋

（一）特征樣本提取：在寄暢園中，并不是所有空間都適用于景觀設計項目的需求，以往的空間分析模型過于關注成本以及數據忽視了空間設計語言的重要性，因此本文要在寄暢園的設計語言求解中，首先篩選具有代表性的素材樣本。通過選線模型將分析了多條選線（如表2）所示：

在以上選線中，選線1代表了典型的院落布局，對應了寄暢園中的生活區，選線2代表了江南私家園林典型的親水路線，在寄暢園中對應了錦匯漪的鶴步灘一岸，選線3對應了中國古典園林中的“廊”元素，選線4代表了典型的園林山石布局，帶有了明確的“抑”、“揚”關系，對應了寄暢園中的風谷行窩—九獅臺—臥云堂一線。

在4條選線中，都有比較明確的空間節奏，從特殊性出發，選線2中14-15部分的分形程度極高，而且此部分的特征的數據呈梯度遞進態勢，相應的在游園活動中，給予了層次鮮明的空間感受，因此本文要對選線2中該段路徑的設計語言進行求解。

（二）特征求解：首先，依據路線空間的設計原理，概括了5種路徑的設計構形模式（如表3）所示：

其中求解樣本1為直線路徑，樣本2為節奏平均的轉折路徑，樣本3為轉折逐漸加劇的路徑，樣本四為某分段形態突變的路徑，樣本5是形態發生漸變的路徑。分別對這5個樣本做特征的采集，結果（如表4）所示。

（三）特征比對和歸納：通過選線空間特征的采集，模擬了設計者的學習與應用過程。在本實驗中通過對特征的采集將特征空間的設計語言轉化為了可擴展的路線空間設計模型。

依據實驗（如圖16）所示，將該段路線的設計語匯概括為樣本5所示的設計模型。

（如圖17）所示，對錦匯漪鶴步灘一岸的路線營造進行量化的結論為，在保證a、b、c、d、e、f、g……的節點轉折關系基礎上，使節點間的控制間距大體保持遞增的狀態，在圍合關系上參照錦匯漪的鶴步灘一岸，就可以得到類似空間特征和游園體驗，但分段轉折數量不應過低。

在設計項目中該求解結論可以反饋給設計本身，如果對樣本5進行擴展并應用于方案設計中。

案例①，應用于園林游廊設計（如圖18）：

案例②，應用于景觀游線設計（如圖19）：

（四）景觀設計素材收集與反饋方案：本文中的園林藝術特征采集與反饋系統能夠有效地輔助設計需求反饋方案的實現，（如圖20）所示，首先根據研究對象搜集相關樣本，實現圖片、圖紙、文獻等傳統素材的收集，這些對于設計環節的幫助是潛在的，再通過實驗程序收集設計模型和對應特征，通過關鍵詞描述構建設計需求的反饋模型，建立相應的數據信息庫，在實際項目中可以通過對需求的關鍵詞描述實現設計模型的反饋。

結論

人工智能與虛擬現實技術的飛速發展使人們的生活方式和溝通方式發生了日新月異的變化，設計師的任務也從相對單一的視覺優化轉變為在更復雜的服務體系中承擔整合與協作的任務[14]。

以往的景觀參數化研究中，考慮了很多的成本問題，因為在園林項目需求中客觀要素占極大的部分，但園林作為設計產品，以寄暢園為例，沒有將使用成本或者經濟成本作為核心的設計需求，在如何權衡園林設計中的成本和藝術比例問題，需要將設計素材進行有意識的剖析。在以經驗結構為主的設計范疇，可以通過參數化為介質進行設計上的量化總結，將以往的設計經驗以明確的圖形化方式反饋給設計需求。

生產范圍內的大部分經驗都可能在未來以智能化的方式發生變革[15]。對于設計本身，存在著可被量化的部分，設計反饋模型可以作為介質，通過大數據收集的方式，完善景觀智能模型的構建。

參考文獻

[1]W Siabato，C Claramunt，S Ilarri，MA Manso-Calljo.A Survey of Modelling Trends in Temporal GIS[J].Acm?Computing Surveys，2018，51（2）：1-41.

[2]蔡凌豪風景園林數字實踐——以北京林業大學學研中心景觀為例[J]中國園林，2015，31（7）：15-20.

[3]L Wu.Towards a General Field model and its order in GIS[J].International Journal of Geographical InformationScience，2008，22（6）：623-643.

[4]E Pultar，TJ Cova，M Yuan，MF Goodchild.EDGIS：a dynamic GIS based on space time points[J].InternationalJournal of Geographical Information Science，2010，24（3）：329-346.

[5]袁旸洋，成玉寧參數化風景環境道路選線研究[J]中國園林，2015，31（7）：36-40.

[6]陸健，劉禹杰，馬曉麗基于博弈論的危險品運輸網絡選線DJ中國公路學報，2018，4：322-328.

[7]梁慧琳，張青萍基于空間句法的江南私家園林空間開合量化研究[J]現代城市研究，2017，（1）：47-52.

[8]霍珺，鄒雁南，朱喆基于空間句法分析的鎮江歷史風貌區街巷空間更新設計研究[J]設計，2018，（5）：20-22.[9]張家驥，中國造園藝術史[M山西：山西人民出版社，2004.

[10]任小帆，薛澄岐基于美度計算的Camera Connect APP界面元素布局評價[J]設計，2018，（4）：142-143.

[11]童明，作為異托幫的江南園林[A].王欣，金秋野.烏有園——幻夢與真實[C]上海：同濟大學出版社，2017：14-29.

[12]李世芬，趙遠鵬空間維度的擴展分形幾何在建筑領域的應用[J]，新建筑，2013，（2）：56 58.

[13]張東，唐子穎，古典的隱喻——寧波玖著里景觀設計思考[J].中國園林，2017，33（8）：63-67.

[14]李禹臻，徐威，劉曉明智能時代基礎編程技能教學模式探究——以大連理工大學基礎編程設計課程建設為例[J].設計，2018，（6）：14-115.15

[15]魏力愷，張備，許蓁建筑智能設計：從思維到建造（[J]建筑學報，2017（5）：6-12.