测绘科普
地理设计:地理信息服务空间规划的新探索
来源:中国测绘 时间:2018-05-23

  科学的空间布局,大到国家的空间格局,小到村庄空间肌理,都是实现“人地关系”和谐、促进城乡统筹一体化发展的重要保障。地理信息是关于位置的数据,是对空间关系精准描述的宝贵资源。面向可持续发展战略实施,挖掘地理信息内在价值,倡导空间利用决策全过程精准分析与评估,服务城乡空间规划全过程的“地理设计(Geodesign)”,是促进测绘地理信息应用创新发展的一种有益探

地理设计服务空间规划的起源与发


 地理设计的思想古已有之。“地理设计”一词最初由哈佛大学的Carl Steinitz教授于2010年前后提出,但我国先民早在春秋时期就已提出了“高勿近阜而水用足,低勿近水而沟防省”的城市选址思想和“因天才,就地利,故城郭不必中规矩,道路不必中准绳”的城市空间设计准则。近现代,随着生态环境保护意识、区域协同发展理念、可持续发展战略的深入,空间协调越来越受关注,地理设计思想随之演进。早期环境主义者Richard Neutra的Survival through Design(《以设计求生存》)、景观设计大师McHarg 在Design with Nature(《设计结合自然》)倡导将生态空间准则融入规划设计中,同时跨区域的空间协同规划思想逐步为规划领域所认同。

 地理信息技术的发展为地理设计应用实践插上了理想的翅膀。地理设计一经提出,便得到了众多领域学者与管理者的关注。2010年,第一届地理设计峰会在美国南加州红地市召开,来自全球规划、设计、景观、环保、建筑、生态等多个领域的350学者和行业专家参加了会议。此后,倡导“人地关系”协同、强调规划设计全过程分析与评估支撑的地理设计的研究和实践广泛开展。在此之前的测绘工作快速发展,特别是3S集成技术与计算机技术的“四重唱”则为地理设计的应用实践奠定基础:RS(遥感)解决了地理空间要素的实时、连续获取,GNSS(卫星导航定位)实现了地理事物的精准定位,GIS(地理信息系统)支撑了地理事物及相互关系的精准描述,计算机技术为“人地关系”的分析与空间关系模拟提供了可能。日本福岛县Soma市城市更新规划、新加坡的城市规划等重要城市规划中均采用了地理设计的理念与方法。

 空间规划科学发展为地理设计提供了应用的舞台。《中共中央国务院关于加快推进生态文明建设的意见》《国家新型城镇化规划(2014-2020年)》均强调了新规划理念与技术方法的引入,特别是信息化技术的支撑作用,要求从空间布局层面,平衡社会发展与生态保护间的需求,制定规划方案。科学的空间布局,要求全面掌握规划所处区域内复杂多样要素的现状、空间分布、相互关系及其演变规律,并对规划措施采取后可能的结果进行预测和评估。这就依赖于高效、精准获取的时空地理信息数据,以及提供全过程要素作用关系与作用效果的分析与评估。原有的空间规划需要新的数据、技术、流程和方法来提升。如十九大报告提出的“构建生态廊道和生物多样性保护网络”,客观上依赖于全域高精度地表覆盖数据、生物迁徙规律成果、最小阻力模型等数据及空间分析手段的支持。

重庆市在地理设计的探索与应用实践

 重庆市规划测绘行业在2010年就关注、跟踪和研究地理设计,从理论研究、应用实践、思想交流方面进行了系统性探索。

 一、提出了衔接我国规划实情的地理设计理论体系。Carl Steinitz教授认为地理设计是通过设计来改变地理环境,并提出了基于景观设计流程的“四类人、六模型、三循环”的地理设计框架。这种框架注重多主体利益间的利益谈判,符合国外土地私有等政治、经济、规划制度下多方利益的最大化方案的得出,但难以为国内所直接引入。

 针对国内空间规划流程与特点,围绕“什么是地理设计”“如何开展地理设计”重庆市规划测绘行业对地理设计理论进行了重新梳理。认为“地理设计是以地理科学系统理论为指导,以地理信息为基本支撑,为特定地理单元的合理利用提供调查、分析、评估和设计服务”。其中,地理调查凭借现代测绘技术和3S集成技术,快速、准确地描述地理单元内各要素的运行状况;地理分析从时空视角出发,运用地理分析模型剖析地理单元内各要素间的相互关系与运行规律;地理评估以国情监测和量化评估工具为依托,快速评估方案或决策的影响效应;地理设计则是将上述3个环节贯穿始终的设计决策过程。

 地理设计不是单纯的一项技术,也不是一种抽象的理念,它遵循“人本思想、因地制宜、时空并重、信息挖掘”四大核心思想,兼具哲学依据、基础理论、技术方法,具有特定应用对象的新兴研究领域。它以认识世界和改造世界的唯物主义观点为哲学依据,以地域系统论、可持续发展理论、人地关系理论等为理论基础,以现代测绘、3S集成技术和信息通信技术为主要技术,应用领域涵盖城乡规划、生态环境保护和自然资源利用等众多方面。

 二、探索了基于地理信息应用的地理设计技术框架。地理设计对于高精度、高现势性、高全面性数据需求较高,注重信息挖掘以提供科学、客观的分析评估结果,作为规划方案制定的依据。地理设计在很大程度上依赖于“数据”,其技术框架主要分为四个大部分。

 一是分析设计主体。地理设计主体包括设计者、管理者和第三方的评估者。设计者包含规划设计领域的设计师,是将地理设计思想、方法、技术付诸实践的主要主体;管理者借助地理设计分析评估工具对规划设计成果予以审查的主体;第三方评估者凭借地理设计友好的应用界面(地理设计平台),并从自身视角对规划设计方案进行分析评估并提出意见的主体。

 二是支撑技术。支撑技术包括计算机与网络技术、现代测绘技术、3S集成技术等软硬件技术和地理信息技术,用于支撑充分、便捷获取(更新)所需数据,研发、运行地理分析模型并直观展示分析结果。测绘地理信息行业所形成的从数据采集、建库与管理的成熟经验与软硬件设备,是地理设计工作开展的基础。

 三是保障技术。保障技术包括地理调查技术、标准规范技术等,用于保障地理设计所需时空数据的空间化和系统化建设维护,保障客观、合理的流程制定与实施,保障地理分析模型研发与应用的科学、有效。如以地理信息数据为框架,整合社会经济和反映人类活动的行为数据,构建基础数据库。同时,构建数据标准与规划,作为用以规范多源数据整合、模型构建、指标选择、模块构建等环节,是多部门复杂主体合作的基准。

 四是应用技术。应用技术包括地理分析模型技术和地理设计平台技术,用于为地理设计中的环境效应分析、方案对比优化等提供科学的工具和友好的界面。即通过平台架构、应用软件开发,将地理空间数据库、地理分析模型、地理设计标准规范等核心要素和模块进行封装,形成面向专业设计部门、管理部门和第三方评估部门的应用平台。

 三、研发了面向多用户主体的地理设计应用平台。地理设计平台,是以软件的形式,整合复杂、大体量的多源数据,以及多种分析评估模型,通过分析与计算,以地理分析评估数据服务产品作为成果提供给规划设计人员,解决规划行业数据与空间分析技术上的不足。地理设计平台,较好地隔绝了测绘地理信息数据与规划设计应用端,以数据服务产品的形式,实现测绘地理信息服务于空间规划。同时避免了规划设计应用端直接获得测绘地理信息数据,在满足当前数据保密与安全的前提条件下,探索出了广泛、深入服务社会发展的形式。

 地理分析评估数据服务产品,是地理设计服务于空间规划最为直接的表现,是以地理分析评估方法,在测绘地理信息数据基础上予以加工得到的具有科学意义、可重复批量生产的数据服务产品,以科学认识各类要素特征及其彼此间关系,并指导规划设计方案的制定。针对空间规划业务工作需求,地理分析评估数据服务产品主要分为现状分析、方案评估、情景模拟和大数据分析四个服务产品系列,每个系列下包含若干分析评估模型,形成“地理分析评估服务产品库——服务产品系列——分析评估模型”的架构。

 地理设计平台软件,可在不同部门、单位予以应用。部分规划设计公司根据地理设计平台试用经验,反映其所提供的多样化数据服务产品,能够辅助深入并更为全面地认识与理解“人地关系”,提升规划方案的合理性;以数据服务产品的形式实现多源数据的利用,攻克了中小企业在分析研究中数据缺乏的困难;通过整合复杂模型,以菜单式操作流程提供便捷性服务,解决了规划设计单位在空间分析中的技术不足;以计算机计算代替多步骤的人工操作,辅助提升工作效率20%。

 总体上,地理设计平台软件搭建了广大规划设计师与多源数据、复杂分析流程之间的平台,解决规划设计师对于数据库、空间分析技术不熟练的技术瓶颈。

 四、开展了支撑不同尺度、不同类型空间规划的编制。地理设计从“人地关系”和谐的角度,基于数据服务产品所提供的信息服务,开展规划方案的制定,支持在市域、主城区、区县、乡镇、村共5个层级,法定规划、专业规划、专项规划共三个类型的“五级三类”空间规划中的应用。

 一是支持各类空间规划专题研究的高效开展。空间规划中的专题研究,很大程度上决定了最后规划方案的科学性与合理性。通过各类分析评估数据服务产品,能够支撑各专题的科学化研究。如以高分辨率遥感影像数据为基础,对建设用地进行解译,研究多年城市建设用地扩张的边界与景观格局特征;以单体建筑物、路网数据、兴趣点为基础,依据空间规划中的小学服务半径为指标,使用OD(起点终点)分析,研究小学设施的服务均等化水平;以DEM(数字高程模型)数据支持景观视域分析,研究旅游景点设置合理性。

 二是以区域全覆盖数据服务村级规划。乡村地区由于资金、人力资源有限,数据储备薄弱,成为科学规划的一大掣肘。测绘地理信息以地理国情普查与监测,建立了基础数据库,同时借助无人机、航拍等信息快速采集技术,为村级规划的开展提供了保障。比如,以1:5000及更大比例尺的地形图数据,或生产得到的DEM数据成果为基础,使用地形地貌分析评估模型,对海拔高程、坡度、坡向三要素,分别统计分析其组成与分布特征,作为自然环境基础分析材料。已应用于重庆8000多个村域现状分析,200余个村规划。

 三是支持专业专项规划的开展。专业专项规划,方向多样,对于数据多样性要求更高。在国情普查与监测数据基础上,发挥测绘地理信息的数据整合作用,可实现不同行业部门数据的统一整合,奠定专业专项规划开展的基础。如使用DEM数据、自然保护区等地理单元、路网、行政边界、兴趣点、水利设施、水库、地表覆盖、乡镇建设用地解译成果等数据,支持气候舒适性、交通可达性、水资源供应、旅游资源、生态环境、公共设施服务能力等方面的分析评价。进而在市域尺度,支持《重庆市避暑休闲地产规划(2014-2020年)》的制定,在区县尺度,为重庆市綦江区、南川区识别出适宜开发的地块,直接支持企业开发,实现土地资源的高效利用。

 四是支持区县级“多规合一”的高效开展。“多规合一”工作,是空间规划体系构建的重要基础,也是协调各级空间管控、保障发展、强化生态底线保护的关键性工作。测绘地理信息在“多规合一”工作中,利用地理单元数据库,提供了包括自然保护区、风景名胜区、保护林地等各行业空间规划数据基础;基于GIS平台开展数据管理与分析,通过数据矢量化、坐标转化等技术手段,构建了统一坐标系的数据库,保障了后续差异比对与协调中的精准分析与成果生成。在重庆市南川区、开州区、忠县等6个区县中予以应用,工作成果获得重庆市规划系统干部职工的一致好评。

关于深化地理设计服务空间规划的建议

 当今,空间规划对地理信息应用的诉求不断加强,地理设计迎来了“数据基础好、应用技术强、需求领域广”的良好环境。结合重庆的探索,提出深化服务空间规划的如下建议。

 一是以地理国情普查与监测为基础开展跨行业数据融合。空间规划涉及类型多样、关系复杂的空间要素,支撑空间规划科学化的地理设计依赖于跨行业数据的融合。全国第一次地理国情普查工作已顺利完成,国情监测工作业已开展,以形成的成果为基础和载体,以社会公共资源共享交换为主要形式,有机整合各行业领域数据,形成空间数据资源的“一张图”,将为地理设计开展空间分析提供坚实有力的数据基础。

 二是加快地理设计应用标准规范的制定。标准规范是地理设计开展应用的依据,运用于规范流程、数据形式、模型构建、指标选择和平台建设等环节,是地理设计结果客观、科学的保障。目前地理设计仍处于研究和试点应用阶段,仍然缺少规范地理设计的一系列标准规范。地理设计标准应用规范应该涵盖一般化的地理设计工作流程、地理空间数据标准、地理设计模型规范,以及针对具体应用的地理调查技术规范、地理分析技术规范和地理评估技术规范等。这类标准规范的制定,依赖于测绘地理信息、规划、国土、环保等领域学者和管理部门的通力协作。

 三是加强地理设计服务支撑产品体系研发。地理设计既是服务空间规划的理念、技术与方法,也是测绘地理信息服务创新的一种方式。要推广和强化这种创新的价值与效果,必须形成面对市场、满足不同领域应用主体需求的产品体系。这种产品体系所包括的平台、服务空间规划的分析评估系统等,必须与现在的数据库、业务系统紧密对接,具备强大的整合能力。产品类型可以是测绘地理信息融合规划设计,也可以是规划设计增添地理信息深度应用,是跨学科的融合应用。

 四是探索公众参与新模式支持多方协同创新。公众参与是空间规划创新与科学发展的重要特征之一。地理设计在为规划师和规划管理者提供支撑的同时,提供公众参与规划编制与实施过程的有效途径,是地理设计深化服务空间规划的重要方面。“天地图”已成为企业和社会公众获取地图服务和其他地理信息应用的重要平台。依托“天地图”平台,有机融入地理设计流程,通过适用于公众的分析模型模块的植入和便捷、友好的操作模式开发,打造公众参与各类空间规划编制的可行渠道,是地理设计支持空间规划多方协同创新的有效途径。

 五是加大地理设计应用推广的政策扶持。地理设计自正式提出已有7年左右,相关的理论技术体系也趋于完整,但研究的深化和面向市场的应用拓展仍处于起步阶段,尤其是适用于各类空间规划的专业化分析评估系统与面向公众的服务平台的研发示范,依赖于从国家到省市地方的政策上扶持,促进其面向应用的产业化发展。