數字景觀技術在中國風景園林領域的運用前瞻

成實 張瀟涵 成玉寧

風景園林學一直關注于風景園林形態及其背后的內在動因，追求藝術與科學二者之間的高度統一。隨著數字時代的到來，數字景觀技術已成為當下風景園林規劃設計中的重要方法，不僅影響著風景園林專業人員的工作方式和思維模式，也不斷拓展著風景園林領域的研究邊界，專業人士們開始嘗試通過定量技術手段解決風景園林環境所面臨的復雜問題，以真正實現“藝術”與“科學”的相互協調[1]。

就目前的研究成果來看，不難發現對于數字景觀技術的研究愈發呈現出多元化的趨勢，圍繞“數字景觀”議題的學術論文、專著以及討論層出不窮[2-8]。相關研究不再局限于對新設備或新技術的探索嘗試，數字景觀技術已真正融入全尺度的風景園林規劃設計中，成為解決當下城市發展過程中風景園林環境所面臨的種種問題的有效途徑，大幅度地提升了景觀評價、管控的效率及精準度。

1 中國風景園林領域所面臨的核心挑戰及應對

在快速城市化時期，城市空間的迅速擴張造成對自然生態、人群訴求等方面的忽視，從而引發一系列城市環境問題。因此，當下風景園林領域所關注的核心議題在于自然生態、城市形態以及人群訴求三者間的和諧發展。數字景觀技術的推廣及運用，為科學解決現階段存在的問題提供了有效途徑。具體而言，目前我國風景園林領域所面臨的核心挑戰主要體現在以下3個方面。

1.1 過往城市發展與自然演進規律間的矛盾

在快速城市化階段，我國城市建成空間的迅速擴張使城市發展違背了自然演進規律，從而引發城市生境破壞、生態網絡割裂等一系列問題。在新一輪的國土空間規劃大范圍推廣的當下，生態文明建設成為我國風景園林領域發展的首要任務，提倡生態保護優先以及高品質、精細化的城市環境營造，注重自然生態本底與城市空間形態間的動態平衡發展。與此同時，第3次國土空間調研中大范圍的三維實景空間模型采集，也為后續國土空間的全覆蓋分析研究以及生態服務系統的全方面建構提供了精細化的空間數據模型基礎。

1.2 風景園林領域研究對于公眾訴求認知的局限

過往城市開發建設中對于公眾空間訴求數據的獲取多依賴于問卷、訪談等傳統調研方式，無法切實地捕捉到公眾對于風景園林環境的真實感知反饋抑或行為規律，導致風景園林環境的塑造仍趨于設計師主觀意識的傳遞。當下，隨著人本主義等高品質發展理念的不斷推廣與強化，風景園林環境的塑造愈發注重滿足公眾的不同需求。為塑造出全尺度下的人性化風景園林環境，不少學者開始嘗試使用大數據技術、生理監測技術等數字景觀技術手段，對風景園林環境中人群行為規律、身心訴求進行定量化采集、獲取與分析，為人性化的風景園林設計提供判斷依據。

1.3 傳統風景園林規劃設計及實踐缺少精細化的引導

過往風景園林規劃設計受限于繪圖技術以及建造方式，方案多依賴于專業人員的自身經驗及審美取向，且設計與建造存在環節銜接不當所造成的實施低效化問題。當下，風景園林專業人員開始逐步嘗試依托于參數化等規劃設計輔助技術，建立全程可控、交互反饋的風景園林設計方法體系，以促進風景園林“規劃設計、實施建造、監控管理”的精準化與科學化。

2 數字景觀技術研究梳理

2.1 研究方法

數字景觀技術的運用是“數字景觀”領域最為重要的特征之一[9]，技術的進步也帶來了數字景觀領域研究范疇與方向的不斷變革[10]，為解決上文所述問題提供了新方法與新途徑。本研究基于文獻計量學，通過知識圖譜計算工具Citespace軟件展開定量分析，在理清當下數字景觀研究與數字技術運用熱點的基礎上，試圖從中挖掘、歸納應對既有三大挑戰的數字技術手段，并對數字景觀技術在我國風景園林領域運用與發展的方向進行前瞻。本研究數據來源于Web of Science核心集數據庫，首先以主題 = “digital landscape”進行檢索，時間跨度為2010—2020年，經篩選檢索出共5 328篇論文形成本次研究的樣本庫。進而，通過Citespace軟件展開主題詞共現網絡、主題詞聚類和引文突現等文獻定量分析并繪制出知識圖譜，借助可視化分析的方式將全球范圍內數字景觀領域的研究現狀直觀呈現，并選取出當下全球范圍內數字景觀技術的研究與運用的熱點文獻。

2.2 文獻量分析

從研究樣本庫中的文獻發表年限來看，近10年文獻年發表量總體呈現出上升趨勢，“數字景觀”領域的相關研究愈發引起業界學者及專業人員的關注。值得一提的是，自2014年開始，文獻年發表量進一步快速增長，年增長率已超過20%（圖1）。

1 研究文章年發表量統計Annual publication volume of papers

2.3 數字景觀研究方向識別

本研究利用Citespace軟件對“數字景觀”研究方向進行研判，得到主題詞共現圖①。出現頻次較多的詞語依次有：數字高程模型、空間分布、地理信息、土壤性質、空間格局、社會媒介、地理信息系統、人類活動、參數化等。通過LLR聚類算法得出知識圖譜，結合對過往學者的研究成果的系統解讀，對“數字景觀”的研究熱點加以存量總結與歸納整理，從宏觀視角將相關研究歸為：風景園林空間形態與生態、人類行為活動、設計與實踐方法三大方向[11-15]。

2.4 數字景觀技術研究熱點判斷

從分析得到的主題詞中提取“數字技術”，并以上文所述的三大研究方向為分類依據進行歸納整理（圖2）。數字技術呈現多元化的態勢，彼此相互交織，往往是多種數字技術共同解決同一個研究問題。目前對于風景園林形態與生態研究的數字技術數量最多，以地理與測繪等方面的技術為主。

2 數字技術歸納Digital technology conclusion

聚焦于近5年數字景觀技術的研究與運用熱點，對各主題詞進行引文突現分析并篩選（表1）。發現自2015年開始，與空間數據采集與數字化分析、大數據、虛擬現實、參數化設計等方向相關的主題詞熱度較高，其中，以空間數據采集與數字化分析、大數據2方面的研究成果居多。同時，數字人文（適用于景觀遺產保護相關研究）、數字建造等也正逐漸成為學者們的關注熱點。與此同時，為篩選出近5年間學者們最為常用的數字景觀技術手段，通過觀察研究樣本庫中各文獻引文突現強度，去除檢索結果中“數字技術”等描述性詞語，得出排名前5的數字景觀技術手段依次為：社交媒介、隨機森林、機器學習、數字化平臺及人工智能。

表1引文突現表Tab. 1 Quatation highlights

3 數字景觀技術對于當下風景園林領域的作用

3.1 生態與形態的協同：風景園林環境的量化采集、模擬與分析

城市化的進程帶來了日益嚴重的環境問題，城市的生態本底遭到了破壞。對城市形態與生態進行科學、準確的認知顯得越發重要。傳統的實地調研、勘測及人工感性判斷在效率與準確性上已無法滿足當下風景園林的發展訴求，數字化的環境信息采集與量化模擬評價成為助力城市生態與形態協同發展的途徑。

3.1.1 數字化環境信息采集：提升調查研究的效率與精準性

風景園林環境的數字化采集與分析技術正逐漸改變傳統的空間調研方式，衛星遙感影像識別與三維的空間數據采集成了數字景觀技術的發展熱點及重點[16]。至2010年，衛星遙感、航拍影像、地理信息模型等技術手段在風景園林專業中已得到廣泛運用。回歸樹（regression tree）、隨機森林（random forest）等算法的出現更為精確解譯遙感衛星圖中的植物類別、植被長勢、土地利用類型等信息提供了多種可能[17-18]。

隨著機載激光雷達（airboren lidar）技術運用的普及，風景園林空間的數據采集與建模愈發精確化[19]。近年來，航拍無人機的普及更是大大降低了空間數據采集的成本與難度，不僅可以對城市綠地、街道、山體等空間形態加以精細化獲取，更可實現對于礦坑、陡坎等特殊場地的空間數據采集。如Luo Wei通過無人機遙感技術對中國西南喀斯特山地集水區環境因子進行了調研[20]；EllEtt Nicholas利用無人機建立了基于Sfm-MVS的泥石流沖刷河道5cm分辨率的數字高程模型，用以研究災害對景觀的影響[21]。近年來，多個國家和機構開展國土點云掃描研究，如紐約大學于2017年發布了都柏林城市的高分辨率點云數據集等。

物聯網與土壤水分、土壤酸堿度、溫度、濕度等傳感器配合，對植物的生長、道路的透水率、微氣候情況等進行檢測，構建風景園林的實時監測系統；也為風景園林師們評估、檢驗設計的效能提供了客觀、有效的途徑。

3.1.2 環境量化模擬與評價：實現對環境要素與自然過程的科學解讀

隨著計算機技術的發展，各類軟件平臺的出現為處理、分析景觀環境數據創造了條件。最早由杰克·丹杰蒙德及其團隊所開創的GIS技術平臺，改變了風景園林規劃設計的方式，對于數字技術在風景園林領域的運用具有里程碑式的意義[22]。長期以來，GIS在地質地貌分析、土地利用評價、水文模擬、生態格局構建與大尺度景觀規劃等方面發揮著重要的作用[23]。隨著計算能力的提高，點云已不僅是三維成像，可以直接進行點云數據編輯，模擬、輔助景觀設計。Schade于2015年提出了在地理空間層面上的點云數據的儲存、處理、識別、預測及可視化的方法與技術，以及將其與人工智能、機器學習結合的需求。蘇黎世聯邦理工學院景觀可視化與建模實驗室開發的人工智能與語義分割等技術，可以直接進行點云的修改與可視化[24]，實現了對點云數據處理的巨大突破并將帶來景觀領域的革新。

東南大學成玉寧教授團隊在南京市清涼山公園南片區規劃研究中，通過無人機五軸傾斜攝影與雷達掃描技術獲取場地點云數據，并結合ContextCapture、ArcGIS等分析軟件對場地空間形態與空間容積展開量化研究，進而對場地提出空間形態與容量層面的優化策略（圖3～4）[25]。

3 清涼山公園南片區景觀空間建模圖[25]Space modeling of South Area of Qingliangshan Park[25]

4 清涼山公園南片區景觀空間分析圖[25]Space analysis of South Area of Qingliangshan Park[25]

在國土空間規劃的背景下，風景園林學的研究范疇擴大、精度變高。從宏觀角度來看，精準的數字景觀環境模型將可能帶來 2方面的變革：1）植被或綠地空間發展趨勢預測，基于第3次國土空間規劃調研采集所獲取到的大范圍、高精度空間模型，結合計算機算法分析、模擬出不同時段下的植被生長趨勢，以便于后續的科學防控及管理；2）特殊地貌片區的自然生態條件分析，從中微觀的角度看，以點云為代表的景觀空間模擬、修改及可視化技術為實現高品質景觀空間提供了新的途徑。

3.2 公眾訴求的滿足：人群在風景園林環境中行為活動的采集與分析

隨著城市發展過程中人本主義概念的不斷強化，風景園林環境的建設不再局限于人群對于空間的審美感受，更注重于建成環境中人群的感知體驗。公園城市提出要以人民為核心，力爭滿足各類人群的個性化需求[26]。而面對復雜的風景園林空間，人性化已不再停留在過往通過實地觀察、問卷調研、經驗推測等所獲得的結論，需要數字技術的運用來尋求其背后的規律并指導規劃設計。從技術方法的運用角度來看，有宏觀上的大數據技術及微觀上的生理檢測與虛擬仿真技術等。

3.2.1 大數據技術：探究風景園林環境的社會屬性

與傳統調研獲取數據的方式相比，大數據技術具有信息體量大、及時、微觀等特點[27]。隨著社交媒介、網絡媒體、移動通信等大數據來源的出現，大數據的運用突破了空間及時間范疇的桎梏，人的行為活動規律及風景園林環境的社會屬性愈加被研究者們所重視[28]。研究對象覆蓋城市綠地空間、生態服務設施、風景名勝區等各類型及尺度下的風景園林環境。通過計算機軟件與算法等技術對手機定位數據、地圖服務POI數據、社交網絡數據、交通傳感數據等開放數據展開分析，以解決空間品質評估、綠道規劃選址及選線、綠地空間使用規律及影響因素評估等相應問題。如Ginzarly、李方正等通過分析flickr（圖5）、微博等社交軟件上發布的照片及簽到數據，對城市景觀特征的感知及公園的使用情況加以評估[29-30]。隨著大數據獲取壁壘被打破以及挖掘、處理數據技術的成熟，大數據分析的精度與準確度將會顯著提高。

5 Flickr照片數據量化圖[29]Quantization of flickr photo data[29]

3.2.2 生理監測技術與虛擬仿真技術：構建環境行為數據與空間特征的關聯

眼動儀、皮電儀及腦電儀等生理數據監測儀器的運用，量化了人在景觀環境中的生理心理感知。醫學及神經認知學研究中循證試驗的研究方式能夠精確地識別、分析出影響人群身心健康的風景環境要素特征[31]。

虛擬現實（virtual reality, VR）技術的運用旨在探討人機交互進行設計迭代的可能性，為建構人在風景園林環境中的行為心理與空間特征的關聯提供了新的平臺。近年來，VR、增強現實（augmented reality, AR）與混合現實（mixed reality, MR）領域中人群與大規模環境數據流進行交互的開創性應用研究也正在持續進行[32]，不僅從時間、交互、視覺和音效等方面對風景園林環境展開了全方位的研究，也改變了公眾及專業人員對環境感知的途徑[33]。阿爾托大學Frickeer Pia教授于2017年所創立的數字景觀實驗室旨在研究MR領域中的數據驅動設計，并與影像學、神經學等其他學科合作展開了空間沉浸式數據交互的系列研究（圖6）[34]。

6 沉浸式體驗及運用VR探索景觀空間的時間維度[34]Explore the time dimension of landscape space by using Immersive experience and VR[34]

隨著AR技術的發展，風景園林可視化方式發生了巨大改變，現實環境影響與數字化可視影響的疊合，為景觀評估提供了新的途徑，同時為人們提供了與虛擬環境動態交互的途徑，Eckart Lange等利用AR技術為溝通洪水風險進行了探索[35-36]。

虛擬呈像技術存在更加多元化發展的可能性，可結合其他感觀媒介進一步發展；也可通過數字建模技術采用三維掃描儀和全息相機將由人類行為或機器驅動所激發的模型變化反饋到數字模型環境中，從而將人群的實時感知變化融入設計和決策過程中，并將相應虛擬數據成果融入實況衛星數據或野外實景數據中，進行統一決策與優化，以此增強設計的有效性及真實性等[37]。

3.3 設計與實踐的革新：風景園林設計、建造與測控的系統化

3.3.1 參數化設計：促進方案生成及決策的高效化

近年來參數化（peremetric）技術已成為解決多尺度規劃與設計問題的有效途徑之一。通過計算機軟件和腳本編寫，實現空間形態與自然過程的分析與模擬，短時間多方案的生成與比較，大大提高了方案決策的效率。Yu Rongrong等通過grasshopper結合空間句法與分形分析對中國古典園林平面方案的生成進行研究（圖7）[38]。同時，可通過將自然規律轉譯成計算機程序語言，動態模擬自然形態與生態過程，進而得到擬自然的景觀規劃設計，如袁旸洋等基于邏輯算法進行了擬自然水景營造的探究（圖8）[39]。

7 豫園的參數化生成[38]Parametric generation of Yu Garden[38]

8“壩高-水量”的算法規則[39]Rule for the “Dam Height-Water Quantity” algorithm[39]

3.3.2 數字化建造：控制工程實施的精準化

數字化建造技術的發展為風景園林工程實施提供了新的途徑。智慧工地管理系統將多種智能數字技術融入工程監測、管控、決策等方面，促進工程精細化發展。以數字挖掘機、機械臂為代表的工程器械能夠精準地執行計算機命令，大大縮小了施工的誤差；3D打印技術為建造復雜景觀構筑物提供了可能[40-41]。

3.3.3 LIM平臺：實現設計、建造及運營管理的一體化

風景信息模型（landscape information model, LIM）的運用將實現風景園林工程項目的設計、施工、運營管理全過程的信息化，通過三維建模方式，全面統籌把控設計的生命周期。Cianci等提出通過LIM來對復雜的風景園林系統進行解讀與干預，展現出LIM在處理復雜要素與動態過程方面的優勢[42]。雖然目前LIM在我國仍處于起步階段，但風景園林領域的信息化建設將成為整體趨勢[43]。

4 數字景觀技術在我國風景園林領域的應用趨勢及前瞻

基于對全球視野下“數字景觀技術”發展動向的系統分析，聚焦于我國風景園林領域現階段的主要研究方向，發現目前我國風景園林領域的相關研究多聚焦于國土空間規劃、綠地空間規劃及管理、人文景觀塑造等多個方面，而數字技術則在各研究方向上均得到充分運用。綜合考量全球范圍內新興的數字景觀技術與我國風景園林領域的現階段研究重點，試圖探討時下新興的數字景觀技術對于我國風景園林領域研究所起到的積極促進作用，以及未來可能的研究及實踐發展趨勢。

數字時代的到來不僅提升了風景園林領域的研究精度及效率，也帶動了數字景觀技術的多樣化發展，更拓展了研究的廣度與方向。正如前文所述，當下我國風景園林領域正面臨著生態及形態不協同、人群訴求不滿足等諸多問題，尤其在5G信息技術飛速發展的當下，技術本身的突破不僅帶動了城市中人群生活方式、交通運輸途徑等多個方面的革新，也將聯系起物聯網、增強現實、虛擬現實、通信網絡等諸多技術領域[44]，使得數字景觀技術在未來城市發展過程中可以更好地化解現階段我國風景園林領域所面臨的具體問題，也逐漸改變著既有的研究途徑以及實施結構。

從國內數字技術相關方面的應用需求及趨勢來看，現階段空間建模技術、大數據技術及參數化技術等技術手段已在我國風景園林研究領域有所運用和嘗試。其中，動態大數據技術在我國風景園林研究領域中更顯現出突出的研究優勢，并得到廣泛的運用。現階段，隨著國土空間規劃編制工作的大范圍展開，“公園城市”“城市雙修”等理念的廣泛推行，我國風景園林領域的研究與實踐秉承著“生態為底、提升品質、激發活力”的發展目標，注重精細化、科學化發展。因此，在應對我國風景園林領域中生態、形態及人群活力等方面的問題時，諸如三維空間信息采集技術、大數據技術以及虛擬呈像技術等精細化分析技術手段將會得到更為長遠和深入的運用、推廣及協同發展。

從數字景觀技術在我國風景園林領域的應用前瞻來看，筆者認為數字景觀技術對于解決我國風景園林領域現階段“生態與形態協同”“人本訴求滿足”以及“設計、實施一體化”3個方面訴求均具有積極作用。在未來風景園林領域發展中，無論是在技術方法層面抑或實踐操作層面，數字景觀技術均展現出顯著發展優勢，具體體現在以下2方面。

1）技術方法層面：“跨學科、跨領域”的技術方法融合。現階段在風景園林的實踐過程中對于數字景觀技術的探討多局限于單一層面的技術運用，雖有學者嘗試進行跨學科的多技術融合，但目前尚未形成系統化的研究方法。而風景園林環境實際上受到形態、生態、人群等多方面因素間的復雜影響，須依托于多技術手段展開深度融合的技術試驗。近年間，隨著LIM技術應用體系的發展，其將包含勘察設計技術、規劃設計技術等多種專業技術的應用，例如場地基礎數據的收集和處理涉及工程測繪技術等內容[44]，為“跨學科、跨領域”的多技術融合應用提供了基礎條件。

2）實踐操作層面：“全流程，精準化”的設計實踐協同。在未來風景園林領域的實踐過程中，將依據“評價—設計—實施—監控”的設計全流程，從“生態與形態協同”“人本訴求滿足”“設計、實施一體化”3個方面入手，結合所適宜的各類數字景觀技術手段，展開全尺度下的風景園林環境協同設計 （圖9），逐漸實現風景園林設計的精準化、集約化及標準化。

9 風景園林實踐過程中數字技術的協同運用Collaborative application of digital technology in landscape architecture practice

注釋(Notes)：

① 該圖已上傳至開放科學平臺（Open Science Identity, OSID）。

圖表來源(Sources of Figures and Table)：

圖1～2、9由作者繪制；圖3～4引自參考文獻[25]；圖5引自參考文獻[29]；圖6引自參考文獻[34]；圖7引自參考文獻[38]；圖8引自參考文獻[39]；表1由作者整理繪制。