基于地理信息系统的三维景观可视化技术的发展和前景

基于地理信息系统的三维景观 可视化技术的发展和前景 Development and Prospects of GIS- based 3D Landscape Visualization 文 / 李雱 Li Pang 今天，由于基于地理信息系统的三维景观可视化 技术（以下简称三维景观1）的“加盟”，欧美景观 学界的科研和教学呈现新的局面，以三维景观为技术 基础的景观学理论及方法的研究正步入新的阶段，新 的研究领域和课题正在被探索，景观学的新兴学科点 逐渐形成。本文正是朝着这个方向作一些极初步的探 讨。 一、欧美国家研究三维景观可视化技术的发展历程 欧美国家对三维景观可视化技术的研究有二十多 年的发展，这一新兴技术对景观学发展的推动大致可 分三个时期看待。对三维景观的研究最早追溯到上个 世纪八九十年代，当时的研究机构为数不多：美国哈 佛大学设计研究院的信息技术研究中心（Information Technology at Harvard Design School），澳大利亚 墨尔本大学地理测量系（University of Melbourne　 Department of Geomatics）的空间信息中心（CRC for Spatial Information），瑞士联邦理工大学景观与 空间规划研究所（Spatial and Landscape Planning institute, ETHZ）等等。这一时期地理信息系统和计 算机图形技术的发展还处于初级阶段，二者结合而产 生的三维景观更是新生事物。虽然将当时的三维景观 技术与今日相比，无论图像精度和表现效果显得粗糙 和稚嫩，但当时的研究方法和成果无疑是后来三维景 观研究持续发展和深入的基石。 2001年，哈佛大学出版的《景观模拟：景观可 视化数字技术2》是对三维景观可视化技术的第一 个时期研究成果的总结，主要是对计算机图形技术 再现景观的可能性、操作性的研究。2001年，SCI 期刊《景观和城市规划》（Landscape and Urban Planning）第54期“我们的视觉景观”（Our Visual Landscape）专刊收集了1999年在瑞士南部Ascona 举办的同名会议上宣读的二十余篇 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ，预示着三维 景观可视化技术已成为景观学的重要研究方向之一。 进入二十一世纪，由于两方面的因素，研究三维 景观的学术单位大大增加：一方面，专家学者的人才 流动将这一新的学科方向带入更多学术机构。如早年 （1994-1998年）在瑞士联邦理工大学景观与空间 规划研究所研究如何应用三维景观对水库选址和形式 进行评价的Eckart Lange博士，现今是英国谢菲尔德 大学景观系三维景观技术研究的学科带头人。另一 方面，很多景观学院校认识到三维景观技术对促进 景观学发展的的潜力，也纷纷组织专业人才成立相应 研究机构。如加拿大哥伦比亚大学森林资源系（The University of British Columbia Department of Forest Resources Management ）的景观规划合作研究中 心实验室（Collaborative for Advanced Landscape Planning)，就是集合了包含森林学、景观建筑学、 计算机科学、环境心理学、规划等各个学科的专业人 才。由此，从事三维景观研究的学术单位从最初的数 个研究机构，扩展至今日遍及欧美、澳洲以及日本景 观界众多的研究机构，构成了三维景观研究的信息网 络体系。 随着研究机构和人员的逐年增多，对三维景观的 研究层面和角度也逐渐展开。2005年，由瑞士和澳 大利亚的两位专家合作出版的《景观和环境规划中的 可视化研究3》是对三维景观研究第二个时期的成果 总结。与第一时期对技术自身的关注相比，这时期的 关注转向了计算机图形技术带来的社会和科学问题， 展示了在不同的社会情境下，在各种实际景观项目如 城市公园、历史文化景观、旅游山区等景观规划项目 中如何应用三维景观可视化技术，并探讨它们带来的 科学相关性和存在的技术难点和潜力。 自此，对三维景观可视化技术的研究进入第三个 时期──多元化发展时期，来自包含了景观规划、景 观设计、生态学、林学、计算机技术、地理信息系统 的不同背景的专业人才，从技术、应用、理论和方法 等各个角度推动着对三维景观技术研究的深化和拓 李雱 东南大学建筑学院景观系 副教授 展。同时，相互之间定期以学术研讨会、专门研究 班、课题合作等形式进行学术交流。关于三维景观的 理论和应用类学术成果不胜枚举，包括研究课题的报 告书，不同会议上的各篇论文，出版的书籍，各种刊 物上的论文，以及各个学术单位的相关博士和硕士论 文等等，推动着景观学向新的领域拓展。 二、景观规划专业对三维景观可视化技术的探索和成 果 2.1 景观评价方法的延续和深化 景观规划领域比设计领域先行一步开始了对三维 景观的研究和应用。这一先行并非偶然，而是专业发 展的必然。上个世纪六十年代，景观评价(Landscape Evaluation)、景观影响评价(Landscape Impact Assessment)、视觉冲击评估(Visual Landscape Assessment)成为景观规划和管理的重要内容4，其 核心是以照片等方式让景观的各方干系人参与到规划 进程，以提高景观规划的科学性。而日益成熟的评价 模型和方法也抛出了一个新的技术难点：缺乏恰当的 三维媒介再现景观变化，以将对景观的干预与各方干 系人交流和构建共识，从而维护或提升景观品质。毕 竟，照片再现或亲临现场只能让人们（专家和外行） 观看和理解现有的景观，而非变化后的景观。现有的 各种技术都有着不同的局限，传统占主导地位的二维 地图和剖立面图过于抽象，计算机图形合成和照片蒙 太奇技术也只能断片地、静态地展示景观的某一局部 或某一视角，而不能以连贯的、仿真的效果表达规划 成果，显然不利于景观规划师思索、表达和交流其构 思，它们的可靠性和有效性受到质疑。为了让人们明 晰地理解景观变化带来的影响力，需要一种更自然和 直观的可视化媒介进行交流。 基于地理信息系统的三维景观可视化技术的出现 恰好满足景观规划的这一需要。二十世纪后半期，各 种现代技术发展日新月异，全球空间定位系统、地理 信息系统、处理海量数字空间数据的信息技术，以及 计算机图形技术的结合，产生了截然不同于传统媒介 的三维景观可视化技术。它的特征是以计算机应用软 件系统进行数字模拟，形成景观的数字模型。不仅是 地貌、植被系统、水体、气候，而且各种碎片的、曲 面的、凹凸的、不规则的表面，以及动态的、转瞬即 逝的景观元素都可以以数字模型的方式形成三维可视 化结果。因此，三维景观的细节详尽几可等同于现实 世界，不仅突破了二维地图和剖立面图的抽象性，而 且与计算机图形或者照片蒙太奇技术的单一视角不同 的是，它提供动态地从不同角度观看景观。此外，三 维景观还具有其最大的优势：景观元素的改变可以通 过其在地理信息系统中的数据改变，相应地在三维景 观中得到直观反映。 于是，基于地理信息系统的三维景观便提供了让 人们在决策之前在具体情境中观察景观的变化的可 能，也就是说，无论是增加、删减或者改变景观元 素，人们都可以从整体环境效果观看。这样，研究 人员便可以据具体情况研究如何应用技术以让人们 看见和理解变化的景观，从而支持规划决策。1994 年Eckart Lange5以CAD、数字模型以及Photoshop等 软件合作，对瑞士中部山区一处风景优美的旅游胜地 新建水库的选址和设计成果进行三维可视化展示，尔 后一批专家以专业评价方法对规划成果进行评价。而 三维景观与网络技术结合，则不受时间和地点的限 制，人们可以在任意时间从网络上给出对景观变化的 评价。如苏黎世联邦理工大学新校区周围的一片丘陵 地带是典型的森林和农业景观，2004年，农业、休 闲、自然保护还有风力发电这几种可能的远景以三维 景观的形式可视化，并以网络征集的方式以了解人们 对这片景观的美学、休闲和生态的价值，最终，400 多份网络答卷为城市园林局对这片景观未来的规划和 管理提出参照。如此种种研究证明了三维景观在不同 类别的景观项目中进行景观评价的可靠性和有效性。 2.2 迈向AR和合作规划──景观规划方法科学性的推 进 以上 案例 全员育人导师制案例信息技术应用案例心得信息技术教学案例综合实践活动案例我余额宝案例 是对三维景观技术的研究还是对早年景 观评价的延续和深化：将规划的最终成果展示，公示 给各方干系人，以支持决策进程。但研究人员并不满 足于对新技术的应用仅停留在原来评价方法提供的层 面上。虽然三维景观技术满足了规划方法的需要，但 是规划方法并非是十全十美的，而且技术的可能潜力 也不仅如此，它还将对规划方法提出新的问题，推进 规划方法的科学性。这种推进在两个方面：一是对三 维技术自身能力的加强，如研发动画、增强现实地理 信息系统6等，另一边是对规划过程中的相关干系人 的参与和交流方法的改进。 专业人员早就意识到，面对屏幕观看景观变化具 有相当的局限性，如果能够让规划师或人们在项目 现场看到规划设计将要带来的景观变化，拥有在物 理现场的尺度和距离感，那么人们会更好地理解和 判断环境变化。南澳大利亚大学计算机和信息学院 2010 09 A+C ATTENTION P033 的Ｗayne Piekarski和Bruce Thomas的研究取得了初 步成效。他们设计了一套便携的户外AR装置，其中 包含可以让用户观看四周环境的固定于头盔上的显 示器，可以输入外部环境的相机，感知方位的遥感装 置和定位的GPS系统，以及一台处理各种数据的计算 机，让用户在现场自由行走的过程中观看新建建筑与 环境的关系。这一装置还可以让设计人员现场调整设 计，以获得最适应环境的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。自然，结合了多个 仪器的AR装置略显笨重，未来需要设计更轻便的一 体化AR装置，以适合更复杂景观项目要求的软件系 统。 让相关干系人共享探索环境改造的体验和潜力， 是合作规划（collabrative planning）的基本方法。因 而，不是在规划的最后阶段去“销售”规划成果， 而是让人们在项目初始便参与到规划进程，是合作 规划的理想状态7。理论上，三维景观易于专业人员 与外行的交流，为合作规划提供了可能性，但它如 何在规划过程中促进专业人员与各个用户的交流呢？ 既有的知识领域并没有提供这样的规划方法，需要 研究人员的探索。2004年欧盟启动了“视觉景观” （Visualands）项目，以瑞士中部Entlebuch山区一 片394平方公里的高山景观规划带动地区经济转型为 案例，地方社区代表、景观规划师、社会学家、协 调人、以及两位专门从事三维景观的研究人员Olaf Schroth和Ulrike Wissen共同合作，开始了为期四年 的景观合作规划项目。其中，Schroth的研究8总结 了如何以互动的三维景观（ Interactive Landscape Visualization ）来进行合作规划的方法，而Wissen的 研究9则试图分析在合作规划过程中，现实和抽象的 三维景观如何在规划过程中发挥不同作用。他们的研 究成果为未来规划师如何选择不同的媒介方式、以及 如何完成规划进程提供了科学依据。 2.3 信息组织方式的改变导致研究范式的转换 以上研究课题从单一向复杂的递进表明，基于地 理信息系统的三维景观可视化技术的日益成熟，推动 着景观规划专业研究范式的转换。用三维景观可视化 技术再现景观变化，展示给相关干系人促进规划成果 的交流，这一类研究关注的只是规划过程中的特定阶 段。各种不同语境中的应用构成景观评价这一研究范 式。而对AR的技术探索，对三维景观与用户互动的 探索，这些研究关注的是景观规划过程中如何收集、 组织和交流景观变化的相关信息的可靠性和有效性。 因而，三维景观不仅仅作为规划成果展示的媒介，更 是作为规划过程中重新构建和组织信息的关键技术因 素，让人们以一种更复杂更成熟的方式去面对景观规 划的种种问题，仔细梳理那些成规套论的处理方式一 带而过的部分，从而逐渐改变着传统规划的线性模 式，导向对更科学的合作规划的研究范式。 三、景观设计专业对三维景观可视化技术的探索和反 思 在景观规划专业对景观再现媒介进行探索研究的 同时，景观设计专业亦在反思和批判着传统再现媒介 的问题，但不是三维媒介，而是二维地图的制作和应 用方式，“地图术”（mapping）之论10和一系列的 方法研究和实践应运而生（地图术的发生、发展因篇 幅制约，笔者另撰文赘述），为景观设计专业注入新 的理论和方法。但是，并非景观设计专业不存在着景 观三维可视化的技术难题，传统的手绘草图、照片合 成或基于CAD模型的图形等三维媒介，既难以对复 杂地形的景观进行操作，也难以处理大尺度的复合景 观项目，阻碍着设计人员探索各种设计可能性和表达 设计成果，也制约着景观设计向新的领域开拓。因 而，在基于地理信息系统的三维景观可视化技术日益 推广的今天，具有前瞻眼光的景观设计人员业已开始 对这一新技术的研究和教学探索。 2009年，瑞士苏黎世联邦理工大学景观设计研 究所的Christophe Girot教授同时从教学和实践切入 了对三维景观的研究，他不仅将新的三维景观技术应 用在一片阿尔卑斯山区景观设计项目中，也在2010 景观研究生班的教学 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 中新增了三维景观技术作 为教学手段。如若了解Girot所持的“运动主义” （Movism）理念和在先前数界景观研究生班中以摄 像技术（Video Technique）突破传统设计中静态景 观再现媒介对设计的制约的教学实践和成果，那么可 以得出结论，他对三维景观可视化技术的关注同于景 观规划的研究，亦是为了在接近现实环境和契合于人 行为方式的三维景观情境中思考、观察和判断景观变 化。 从2004-2009年，笔者以云南山区一片6平方公 里的历史文化景观为例，研究如何将三维景观可视化 技术纳入文化景观的规划设计进程。基于地理信息系 统的三维景观模型突破了传统手绘媒介的局限，以地 理信息系统为基础的操作平台将单个的历史文物与其 所处的包含森林、小溪、丹霞地貌等等自然景观元素 的环境融于一个数字模型中，而基于数字模型的三维 再现则提供了对话交流的平台，清晰地将各种干预方 式和干预对文化景观的近远期各种可能性影响与环 境、文保专业人员以及社区成员沟通，以寻求平衡自 然景观的生态恢复、历史文物的保护传承、地方旅游 经济发展等多重需求的途径11。 自然，景观设计领域对三维景观的研究目前还处 于起步阶段，目前依然零星的研究也不能明示三维景 观在设计领域发展的全景。但观照景观规划专业研究 三维景观的发展进程，可以发现许多关于媒介应用的 具体问题同样需要景观设计专业的反思：基于传统媒 介的景观设计方法存在的不足有哪些？三维景观将会 对景观设计过程带来怎样的改观与调整？三维景观在 设计过程的不同阶段分别作用如何？三维景观如何与 既有的媒介，如地图、手绘草图、摄像等等协作完成 一些综合项目？当今社会关注的生态学、环境和能源 问题是否可以因三维景观的强大信息收集和可视化功 能而加入到景观设计的范畴？如果直视这些问题并努 力地去寻求答案，那我们便有理由乐观地预言，三维 景观技术亦将会给景观设计专业引入新鲜视角和新的 成就。 四、三维景观可视化技术的学科发展前景 基于地理信息系统的三维景观可视化技术具有双 重特征，一方面因为其拟真的三维可视化功能拥有强 大交流能力，一方面，三维可视化所基于的地理信息 系统具有强大的信息收集和处理功能，这双重特征会 使得它不仅为景观规划所青睐，同样也将适合景观设 计专业以及其它的环境专业，并将可能带来各个学科 的协同作用。 融合规划和设计的景观学：景观规划与景观设计 当前基本是处于学科分野的状态，两个专业存在着诸 多差异，分别处理不同尺度的问题，有各自的工作方 法，以不同的媒介描述景观世界，这种分野是因为学 科历史发展过程中各种因素，也包括不同媒介和技术 的种种可能性和限制而造成。但二者确有共同关心的 技术和方法论问题，随着基于地理信息系统的三维景 观可视化技术将世界（无论规模大小）整体地描述， 景观规划/设计工作者的关心热点不因专业区分，工 作过程中不墨守成规地套用方法，而是捕捉每一个特 定景观项目最精细的要求，以三维景观为操作和交流 平台，融合景观规划和设计专业各自的专长，从多重 可能性中探索最适合的解决方案。 那么，未来将出 现一个景观规划与设计学科融合的新领域。 可持续发展和多专业合作：景观的复杂性，在于 除了要研究人的各种行为过程和各种社会过程之间的 关系外，还包含着如何协调各种社会过程和各种自然 过程以促进社会的可持续发展。事实上，可持续发展 理论本身就是一个新的综合性研究领域。在这一 思想 教师资格思想品德鉴定表下载浅论红楼梦的主题思想员工思想动态调查问卷论语教育思想学生思想教育讲话稿 的影响下，以景观数字模型为基础，景观学将会与地 形学、土壤学、生态学、植物学等等环境学科合作， 开拓出许多新的研究方向。 在结束本文之际，必须重申的要点是，基于地理 信息系统的三维景观可视化技术的价值不仅在于它如 何逼真地展示，更在于它提供了一个类比于现实景观 的数字模型，尽可能精确地收集、处理、展示和交流 与景观学目相关的各种信息，从而加强公众或个人 （包括设计师）对人与环境之间关系的理解、探索和 决策过程，这是过去二十多年中欧美景观学界对三维 景观的研究持续发展和成长的根本因素。毋庸置疑， 三维景观可视化技术所具有的视觉交流和知识探索的 潜力，使得这一新兴学科点有着无限的发展空间，需 要研究人员的探索。 参考文献 1．[Bishop & Lange, 2005] Visualization in landscape and environmental planning technology and applications. London and New York, Taylor & Francis. 2．[Carlson, A. A. 1977]. "On the Possibility of Quantifying Scenic Beauty." Landscape Planning 4(2): 131-172. 3．[Daniel, T.C., 2001].Whither scenic beauty? Visual landscape qualiy assessment in the 21st century. Landscape Urban Plann. 54, pp 267-281. 4．[Ervin & Lange, 2001] Landscape Modeling: Digital Techniques for Landscape Visualization, New York, McGraw-Hill. 5．[Green, R. 2000]. "Scenic and town character assessment, a methodology for community involvement." Australian Planner 37(1): 28-34 6．[Lange, E, 1994] Integration of computerized visual simulation and visual assessment in environmental planning. Landscape Urban Plann. 30, pp 99-112. 7．[Lewis, J. L. & Sheppard, SRJ, 2006] Culture and Communication: Can Landscape Visualization Improve Forest Management Consultation with Indigenous Communities? Landscape and Urban Planning, 77, 219- 313. 8．[Lothian, A. 1999]. "Landscape and the philosophy of aesthetics: is landscape quality inherent in the landscape or in the eye of the beholder?" Landscape and urban planning 44: 177-198. 9．[McGaughey, RJ, 1997] Techniques for visualizing the appearance of timber harvest operations. Forest Operations for Sustainable Forest Health and Economy; 20th annual meeting of the Council on Forest Engineering, 1997 July 28-31; Rapid City, SD. 10．[Pullar, D. V., Tidey, M. E. 2003 ] Coupling 3D visualisation to qualitative assessment of built environment designs, Landscape Urban Plann. 55, pp 29-40. 11．[Zube, E. H., J. L. Sell, et al. 1982]. "Landscape Perception - Research, Appl ication and Theory." Landscape Planning 9(1): 1-33. 注释 1、三维景观的英文为3D-GIS,是指基于地理信息系统的三 维景观可视化技术与三维物体的结合，最早的用法见 Pullar [2003]. 2、Stephen Erv in . Landscape Model ing: Dig i ta l Techniques for Landscape Visualization.McGrawHill.2001. 3、Bishop & Lange.Visualization in landscape and environmental planning technology and applications. London and New York：Taylor & Francis. 2005. 4、见[Carlson, A. A. 1977]. [Zube, E. H., J. L. Sell, et al. 1982]. [Green, R. 2000].[Lothian, A. 1999]. [Daniel, T.C., 2001].等等。 5、[Lange, E, 1994] Integration of computerized visual simulation and visual assessment in environmental planning. Landscape Urban Plann. 30, pp 99-112. 6、地理信息系统(Geographical Information System, CIS) 与增强现实(Augment Reality, AR)技术相结合，构成所谓的 增强现实地理信息系统(ARGIS)。 7、[Lange, E, 1994] Integration of computerized visual simulation and visual assessment in environmental planning. Landscape Urban Plann. 30, pp 99-112. 8、Olaf Gerhard Schroth . F rom In fo rmat ion to Participation-Interactive Landscape Visualization as a Tool for Collaborative Planning. DISS. ETH NO. 17409,2007 9 、 U l r i k e W i s s e n . V i r t u e l l e L a n d s c h a f t e n z u r partizipativen Planung,- Optimierung von 3D Landschafts visualisierungen zur Informationsvermittlung. DISS. ETH Nr. 17182,2007 10、见（美）詹姆斯• 康纳 . 地图术的力量：反思、批判与 创新.李雱译. 童明，董豫赣，葛明编. 园林与建筑. 北京： 中国水利水电出版社，知识产权出版社. 2009. 11、Pang Li. Cultural Landscapes Facing Transformation- -A Comprehensive Approach Developed from Visual Psychology and GIS-based 3D Visualization. DISS. ETH Nr. 18023,2009.李雱. 三维地理信息系统中的茶马古道构建 和诠释──当代文化景观保护的反思与实践. 《“族群/聚落 /民族建筑”专题会议国际人类学与民族学联合会第十六届 世界大会论文集》.云南：云南大学出版社. 2009. 2010 09 A+C 关注 P035