景觀設計類專業中地理信息技術的應用與教學探索

朱志欣

（麗水學院中國青瓷學院，浙江麗水323000）

0 前言

GIS全稱為地理信息系統（Geographic Information System，以下簡稱GIS），是一門知識涵蓋面廣，技術要求較高的綜合性學科。景觀設計與GIS的融合，是將地理的空間概念、數據的統計分析、設計場地的前期調研結果通過GIS可視化地圖的語言，形象化為能夠輕松理解的表達方式，并實現景觀設計全生命周期對空間地理數據的存儲、計算、集成和分析。

1 景觀設計類專業對GIS輔助設計的應用需求

1.1 學科教學發展的需要

傳統景觀設計任務的前期是對場地現狀的調研理解和總結分析，要求設計者對目標場地進行較深入的感知和理解，在教學上強調學生對設計場地現狀調研時的主觀能動性。然而，學生對現狀調研的結論常伴有自身價值觀的體現和他人理論影響，帶有一定的主觀性。同時，個體對設計場地的本能感知與理解能力也因人而異。后天的能力培養則受到相關學習經歷和不同實踐內容的影響，并受到生活成長環境等條件的制約，具有隨機性和不穩定性。鑒于以上因素，為了便于學生在早期的學習中樹立一種理性的設計思維和科學的分析方法，考慮需要一定軟件工具和技術的介入。同時，在教學實踐的基礎上，通過將地理信息系統技術與景觀設計的教學有機結合起來。

1.2 行業技術更新的需要

目前我國GIS與景觀設計的結合運用還處在一個相對初級的階段。一方面受限于技術平臺和人才的缺失，另一方面則是相關數據的流通不暢。國家相應的地理勘測、數據處理部門，擁有的數據成果其實非常詳實，但這類數據一方面因為涉密和有償因素不便向大眾開放，另一方面則是大量的設計規劃部門對這方面的技術以及相關數據格式非常陌生，甚至鮮有了解，產生相關數據對接和轉換上的阻礙。目前景觀設計最為常見的數據存儲格式基于AutoCAD平臺，但該軟件缺乏數據的分析與統計功能，其應用更多建立在設計者對基礎二維數據的主觀分析上。而GIS平臺則憑借其帶有空間屬性的數據，以及相關軟件強大的數據管理與分析功能，成為景觀設計新時代的技術補充[1]。

2 GIS在景觀設計中的輔助功能

景觀設計是一門對土地空間創作的科學，是建立在廣泛的自然科學和人文藝術學科基礎上的應用學科，學科涉及的知識內容繁多，涵蓋尺度范圍廣。由于設計創作的過程受自然環境制約和人類用途約束，勢必要求學生的學習建立在多學科、涉及多門類知識的基礎之上[2]。相較于傳統景觀設計常從藝術和哲學的角度直面空間形態的構成創作，運用GIS技術能幫助我們將土地空間內眾多設計要素進行信息化的整合，從而體現學科交叉協同工作的優勢。這種基于客觀地理空間數據的評價結果可以是設計前期調研總結，亦或是當做設計靈感來源的基礎，也可以是針對設計階段性成果可行性的驗證。

在綜合學科背景下，景觀設計專業學生本身就需要付出大量的時間與精力去學習碎片化的知識，面臨無法在短期內完成系統性的知識整合的問題。其在早期學習與訓練過程中也缺乏對要素信息收集的有效指引，容易造成對設計信息的誤讀，產生主觀的理解。這就要通過借助技術與工具的力量，結合GIS的數據管理功能將調研過程中收集的多方位、多角度的零碎的內容提煉為統一的記錄格式，并將散布在其他學科中的信息轉換輸出為景觀設計中的可理解的語言和信息。由于景觀設計與GIS兩門學科均基于交叉學科背景，從長遠來看，學生能夠將景觀設計專業學習中廣泛涉獵的多學科綜合知識遷移到GIS的應用學習之中；專業學習與工作具有良好的契合性，能夠促進綜合知識的整合。這種針對景觀的數據凝練和輸出的成果表現形式為數據的可視化地圖，即將大量抽象的，或是數字的信息由計算機輸出人類視覺系統可以直觀識別的圖像內容，這種設計在景觀設計中被歸類為虛擬設計的一種。可視化分析地圖不僅提供了設計依據，也為同行之間的交流帶來了信息的直觀表達。在景觀設計的應用中，可視化地圖類型可概括為遙感數據的可視化、統計數據的可視化以及適宜性分析模型的可視化。在相關教學設計的研究與融合中，這類景觀要素的數據可視化學習的內容將是麗水學院環境設計系景觀設計方向考慮研究建設的重點內容。

2.1 遙感數據處理與可視化應用

遙感圖像通過像元值的差異反映地物的光譜信息及空間變化原理來表示地物差異[3]。遙感數據有多種產品類型，通過相應的指標和算法劃分為不同的類別[4]，需通過軟件對遙感影像中的不同標準的地物的光譜信息和空間信息進行調整。目前，我國遙感數據的獲取數據云與共享平臺有很多，如地理空間數據云、地理國情監測云平臺、全球變化科學研究數據出版系統等。高分辨的遙感影像為商用付費模式，這類遙感影像因其有豐富的光譜和空間信息，廣泛應用于城市土地利用制圖和各個環節監測[5]。遙感數據可以作為景觀上對地理空間信息處理的第一環節，是數據對自然地物現狀最直觀的反映，也是學生在設計時最常接觸的景觀要素內容。通過遙感數據的處理，我們可以生成設計場地的等高線地形圖（圖1）、坡向坡度圖（圖2），幫助我們更好地了解設計場地的地形起伏。也可以提取植被覆蓋數據（圖3）和地表溫度數據（圖4）來為景觀設計的生態方面內容提供數據補充，提供設計分析論證。

圖1 基于DEM影像的麗水市蓮都區等高線地形圖

圖2 麗水市蓮都區坡度地圖

圖3 基于landsat8的麗水市蓮都區森林區域圖

圖4 基于landsat8的麗水市蓮都區地表熱度反演

2.2 統計數據的收集與可視化應用

統計數據是反映國民經濟和社會現象的數字資料以及與之相聯系的其他資料的總稱。在GIS支持的軟件中，統計的對象、范圍可大可小，存儲的內容也不受限于數字。可根據具體數據存儲的方法和特性，將設計數據如樹、道路、水面相應地轉換為點、線、面的形式進行統計。其中，ArcGIS軟件提供了多種關于數據統計分析的工具，自帶工具包已基本能滿足學生需求。圖5為分析大學城附近犯罪與人口關系的散點圖矩陣，是基于對不同類型的人口數據，如人種、年齡、收入等要素與犯罪要素進行對比，進而探討設計區域內人口結構與引發不安定因素的關聯性。這對于景觀設計專業的學生來說，是綜合運用多學科知識解決多學科數據和成果的收集管理、合成可視化、分析評價的手段之一。

圖5 大學城居住區人口組成與犯罪類別之間的關系分析

2.3 適宜性分析模型可視化應用

針對景觀設計而進行的地理數據量化計算是基于多種數據可視化成果疊加的分析計算，其成果形式同樣以可視化展示。對于景觀GIS的教學來說，適宜性評價地圖則是最直接的利用形式，也是重要的學習內容。景觀適宜性評價是根據設計場地的自然特征、社會風俗、人文經濟等權重要素來研究該地塊對設計內容的適合程度。其成果整合了多種數據分析成果并對設計內容的土地空間適宜性進行了分級評價（圖6），對設計的選址、功能分區、可行性分析提供了目標方向和探索依據。適宜性分析能幫助設計者之間更好地論證建設內容的選址或布局，而選擇適當的土地用途是實現可持續發展的最重要步驟之一[6]。

圖6 基于適宜性分析的新學校選址評價地圖

3 教學應用探討

隨著技術的不斷發展，GIS以及相關聯的技術層出不窮，會逐步成為景觀設計不可分割的一部分，這在建筑學科以及城市規劃學科中已早有先例。盡早針對景觀設計專業方向開展信息技術輔助設計教學研究，合理規劃安排關聯課程的教學結合，科學規劃學生將GIS應用于學習、實踐和工作之中，保證在未來的景觀設計行業環境中具有較高的技術優勢。

3.1 教學目標

熟悉GIS應用相關基礎地理知識；熟悉GIS軟件基本操作，主要了解關于數據的查詢、編輯和轉換空間分析等功能;熟悉遙感影像如Landsat系列和DEM的獲取與模型建立;熟練使用可視化地圖解決景觀設計中的多項問題；逐步掌握景觀要素信息化轉換的能力，將所學的理論和實踐的經驗結合起來，建設屬于自己的信息庫并運用于未來的設計實踐之中。教學的重心在GIS軟件操作、景觀要素信息化和結合數據可視化的空間分析運用等方面。

3.2 教學內容

景觀設計GIS課程由三大模塊組成:GIS理論部分、實踐操作和綜合課程設計。這一系列內容將以大章的形式設計于計算機輔助設計的課程之中，成為景觀設計分析制圖章節的一部分。

理論部分以講授的方式進行，以GIS相關的基礎地理知識為主，主要包括入門介紹、發展概況、應用實例等。通過結合不同類型的案例分析，引起學生的興趣，并加深學生對GIS在景觀設計中多種應用功能的認識。

實踐操作以上機練習為主，田野調查為輔。機房學習針對軟件操作的練習，學生在此過程中深化對GIS相關理論的理解，熟練掌握GIS數據信息的搜索、下載、二次編輯、轉換、輸出和分析等內容，了解部分工具包的使用與組合，拓展遙感數據的處理。田野調查則側重于對設計場地所有地物數據、人文數據以及細節信息的記錄。外出采集數據的學習可穿插于其他設計課程的調研活動之中。

綜合課程設計應根據實際設計項目展開，結合學生所學的景觀設計理論方法，利用GIS對項目進行調研、分析與初步設計，完成一套相對完整的方案設計。基于GIS的景觀綜合設計更側重于設計的分析與討論能力，要求方案文本結合匯報表達，旨在指導學生建立起利用GIS輔助解決問題、完善設計的思路與框架。

3.3 熟悉相關軟件平臺

熟悉相關軟件的操作是一切基礎工作開展的前提，在針對景觀設計專業的教學中應把握核心設計內容，避免將GIS的內容過度開展，避免多軟件多平臺，保證軟件本身操作的流暢性以及學生未來自我擴展的可能性。

在傳統應用型研究與學習中，GIS工作所依托的軟件最多為ESRI旗下的ArcGIS商用軟件，該軟件是目前在景觀設計實踐中的最優選擇。同時，該軟件是最適合單用戶的桌面軟件之一，其集成了多種已開發成熟的分析工具，是目前應用最廣的軟件。在歐美發達國家GIS相關課程的教學中，均以ArcGIS的使用為軟件基礎，圍繞ArcGIS的功能進行空間分析的訓練。近年來，隨著網絡技術的發展，一些院校也開放了WebGIS進行多維度的學習，這是一種基于互聯網對地理空間數據進行發布和應用的方式。它將計算機網絡與GIS相結合，較好地克服了傳統GIS技術面向范圍小、空間數據共享困難等問題[7]。此外，基于GEOJSON的WebGIS還能直接利用API的優勢，將開源已有的服務與技術轉化到自身項目之中。網絡技術有其便攜性，在桌面版GIS軟件上一直進行著革新，一些學校開始推進ESRI旗下更先進的ArcGIS Pro的學習和使用，數據的處理開始由2D轉向3D，最新版本支持與BIM建筑信息系統的協同工作，這些發展和進步都進一步拓展了學生設計學習的無限可能性。此外，若使用遙感數據，則需要使用ENVI來做處理再轉換為ArcGIS可讀取的文件類型。

3.4 景觀要素信息化的能力培養

景觀要素信息化是將具象的環境要素以及抽象的人文經濟要素轉換為計算機數字存儲信息。在大尺度設計下展現對遙感數據的獲取與轉換，并接入統計數據；小場地設計包括對設計中相關地物數據的采集、轉換與使用。訓練時收集的手段、媒介、平臺不限，更多的是一種綜合能力的培養，在有限的環境下也能靈活使用身邊的工具對如尺度、溫度、濕度，甚至人的態度等要素，結合地理空間坐標進行統一記錄。該能力的培養須結合景觀設計調研與綜合信息整理展開，并與景觀設計方向相關設計課程產生良好的聯動。在早期教學中便引入景觀信息化、參數化的概念，讓學生在設計中鍛煉對空間場地的把控能力。在訓練中難免會出現無關信息或冗余數據，學生可通過實踐練習不斷剔除該類無效內容，提煉最優數據。通過教學實踐操作做到一放一收相結合，即從大量數據收集，到數據的精煉，再到核心要素信息的提取，逐步提升學生對場地有效要素信息的敏感度，并在實踐中提升客觀分析的能力。

3.5 景觀數據可視化的操作與運用

景觀數據的可視化建立在景觀要素信息化之后，是利用GIS軟件相關算法或模型產生的直觀成果，是對原始信息反復雕琢后產出的數據圖形精華。首先，可視化成果可以輔助人們客觀分析場地空間，充分了解場地信息。學生可通過經GIS處理后的可視化圖了解場地現狀，并通過場地現狀圖所傳達的直觀信息完成設計概況部分的撰寫練習。其次，可根據可視化圖產出的信息分類成果展開主觀能動性的延展分析。嘗試鼓勵學生從不同角度去思考問題，如根據自身學科角度歸納評價因子、設定權重，并獲得用地適宜性分析圖。最后，可利用可視化圖進行輔助決策，針對備選設計方案進行模擬預測，嘗試評價設計內容對未來周邊環境的影響，根據結果做出合理科學的判斷和調整。綜合而言，GIS可以較好適應景觀設計的全生命周期。

4 結語

GIS地理信息系統已是一門較為成熟的學科，但適用于景觀設計的本科教學模式和應用研究還處于一個相對初級的階段，特別是對地方院校相應的理論基礎和相關教學案例建設的研究還比較少。然而，隨著計算機技術的高速發展，信息化對設計的輔助和決策功能開始突顯，相信GIS技術將在景觀設計教學中揮更大的作用。盡快引入景觀GIS輔助設計課程，將為麗水學院環境設計專業景觀設計方向的發展提供更開闊的思路，符合學科技術更新發展的趨勢，有利于學生適應未來行業的飛速變化。通過對GIS技術的學習，培養學生的數據分析能力和邏輯思維能力，逐漸將景觀設計專業的學習由主觀感性經驗的積累上升到感性與理性結合、美學感受和科學分析相輔相成的高度。

對于教學而言，首先要把握該技術課程在學校相關教學中的體量關系。對內容的選擇逐步精煉，循序漸進地引入相關知識和概念，把握技術課程與設計課程之間的比重關系。其次，要克服當前社會上優質共享數據來源少的問題，逐步累積高分辨率和高精準度數據資源，促進與地理影像、統計數據資源服務商達成教育資源分享，提供面向學校的地理信息教育WEB庫。也要從麗水地方出發，基于教學，優先建設屬于麗水學院的麗水地區地理信息數據資源庫。最重要的是，鍛煉景觀設計專業方向學生運用GIS形成一套科學理性的評價方法，做好GIS與其他課程的銜接聯系，培養未來景觀設計專業復合型人才。