黃 璐,鄔建國,王 珂,張 微

1 浙江大學新農(nóng)村發(fā)展研究院,杭州 310058 2 美國亞利桑那州立大學生命科學學院,美國亞利桑那州 85281 3 美國亞利桑那州立大學可持續(xù)性學院,美國亞利桑那州 85281 4 浙江大學環(huán)境與資源學院,杭州 310058 5 浙江大學軟件學院,杭州 310058

可持續(xù)發(fā)展是時代的主題。正由于目前生存狀態(tài)的不可持續(xù)性,人們才迫切需要“以應用為啟發(fā)”和“以解決問題為導向”的研究,從而探討解決人與環(huán)境失衡下產(chǎn)生的各種問題。與可持續(xù)發(fā)展直接相關(guān)的是一門新興的整合型學科方向——可持續(xù)性科學[1],研究人與環(huán)境之間的動態(tài)變化,非線性動力學、自組織復雜性、彈性、閾值、適應性管理、社會學習等是其重要概念[1—2]。為了使可持續(xù)性科學具有操作性,須在合適的空間尺度上進行研究與實踐。景觀尺度上通全球、下達局地,提供了一個供科研工作者、規(guī)劃者、決策者、利益相關(guān)者共同研究和探討的空間單元。景觀可持續(xù)性研究聚焦于景觀和區(qū)域尺度,通過空間顯式方法來研究景觀格局、生態(tài)系統(tǒng)服務和人類福祉之間的動態(tài)關(guān)系[2],一個重要研究點是如何設計出更加合理的景觀格局,從而維持或提高生態(tài)系統(tǒng)服務,進而保障人類福祉。因此,可持續(xù)景觀規(guī)劃是在景觀尺度上,在可持續(xù)性科學的指導下,深入了解環(huán)境與人類活動的動態(tài)關(guān)系,平衡生態(tài)系統(tǒng)服務供需,將環(huán)境、社會、經(jīng)濟活動過程反映到空間優(yōu)化上,不斷提高人類福祉的規(guī)劃過程[2—7]。本文為了探索如何開展可持續(xù)景觀規(guī)劃,連接了景觀可持續(xù)性研究和地理設計,從兩者的關(guān)系角度出發(fā),提出了景觀可持續(xù)性與地理設計融合的路徑與方法,以期為可持續(xù)景觀規(guī)劃的方法研究和實踐應用打下基礎(chǔ)。

1 地理設計與景觀可持續(xù)性的關(guān)系

地理設計是基于新一代信息技術(shù),尤其是空間信息技術(shù)的規(guī)劃方法。最早于2008年“GIS與設計中的空間概念”會議中被提出,最被認可的定義是“在系統(tǒng)性思維和數(shù)字技術(shù)支持下,模擬規(guī)劃效應、產(chǎn)生規(guī)劃方案的一種規(guī)劃設計方法”[8]。地理設計與傳統(tǒng)基于CAD設計最大的不同在于前者具有與真實地理環(huán)境相關(guān)聯(lián)的設計環(huán)境,設計者可隨時獲得該環(huán)境數(shù)據(jù),擁有實時反饋機制的工作流程,可實現(xiàn)設計結(jié)果和評估模型的兼容。目前許多設計工具已經(jīng)有了地理設計的雛形[9]。CommunitzVis和INDEX等規(guī)劃軟件都支持用戶在生成規(guī)劃方案的同時迅速形成方案評估結(jié)果,建筑設計領(lǐng)域近年來嘗試將建筑信息模型(Building Information Modeling)的范圍進行拓展,使其不再只關(guān)注建筑本身,而是將建筑與周邊環(huán)境的關(guān)系也納入到建筑設計與施工管理過程中來。一些大型規(guī)劃設計公司也在獨立開發(fā)產(chǎn)品(如AECOM公司開發(fā)的可持續(xù)系統(tǒng)集成模型),從而對項目進行可持續(xù)的開發(fā)和管理。在當今技術(shù)飛速發(fā)展的背景下,地理設計擁有很強的生命力和拓展力。

為什么地理設計需要景觀可持續(xù)性研究？當前地理設計主要面臨四方面不足：生態(tài)過程的分析不足,規(guī)劃過程的動態(tài)分析不足,公眾參與規(guī)劃的途徑不足,規(guī)劃結(jié)果的快速評估不足。針對第一個不足,正是景觀可持續(xù)性研究能夠為地理設計帶來的最重要的內(nèi)容。目前多數(shù)規(guī)劃的生態(tài)分析是判斷生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài),缺乏過程分析,尤其是過程變化對人的影響分析,隨著生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的增多和以景觀生態(tài)學為代表的學科融入,研究者對生態(tài)過程有了更多了解。地理設計可以在景觀可持續(xù)性研究的指引下,將生態(tài)分析從注重自然環(huán)境分析,擴展到生態(tài)系統(tǒng)服務和人類福祉,更加貼合可持續(xù)發(fā)展方向。

為什么景觀可持續(xù)性研究也需要地理設計？景觀可持續(xù)性研究的最終目的是優(yōu)化空間格局,提高人類福祉,這要將空間格局、生態(tài)系統(tǒng)服務、人類福祉三者之間的關(guān)系以空間顯式的方式進行分析、模擬和驗證,地理設計可以提供一個分析平臺,模擬一定限制條件下,不同變量對其他變量的影響關(guān)系,在這個過程中,平臺提供的可視化、實時評估反饋能夠幫助進一步理解三者之間的關(guān)系,提高景觀可持續(xù)性研究的落地性[10]。同時,理想的地理設計包含了動態(tài)分析、快速評估與公眾參與,能夠?qū)坝^可持續(xù)性這一與人類福祉密切相關(guān)的學科往實踐方面再擴展一步,使景觀可持續(xù)規(guī)劃成為一個新的規(guī)劃研究方向,使景觀可持續(xù)性研究真正成為多維度、穿越自然科學和社會科學界線、集理論和實踐為一體的學科方向。

綜上可知,景觀可持續(xù)性研究與地理設計分屬兩個不同的研究領(lǐng)域,前者是可持續(xù)性科學的研究分支,后者是規(guī)劃學的新興方法。除了有相互交叉融合的需求外,是否具有融合的基礎(chǔ)？基于多學科背景,我們提出了兩者共同關(guān)注的六個研究點——強/弱可持續(xù)性、多尺度、生態(tài)系統(tǒng)服務、可持續(xù)性指標、大數(shù)據(jù)應用、文化和地方感。該部分內(nèi)容已在IntegratingGeoDesignwithLandscapeSustainabilityScience[11]中詳細論述,本文不再贅述,這六個研究點將會體現(xiàn)在下文“景觀可持續(xù)性與地理設計融合的路徑與方法”中。

2 景觀可持續(xù)性與地理設計融合的路徑與方法

圖1 可持續(xù)景觀規(guī)劃程序性框架(粗字體表示景觀可持續(xù)性研究與地理設計的六個共同研究點),根據(jù)文獻[11]改繪Fig.1 Procedural framework of sustainable landscape planning (bold fonts represent six common research points of landscape sustainability research and GeoDesign). Modified based on [11]

從景觀可持續(xù)性研究和地理設計的學科背景出發(fā),本文提出了可持續(xù)景觀規(guī)劃的程序性框架(圖1)。該框架主要包括八個步驟,目的是要將景觀可持續(xù)性研究的理念和信息技術(shù)的應用貫穿于規(guī)劃設計過程,最終評價的準則為是否協(xié)調(diào)環(huán)境、社會、經(jīng)濟三方關(guān)系,提高了人類福祉。

2.1 問題診斷與目標設定

每一個景觀或區(qū)域都面臨錯綜復雜的可持續(xù)發(fā)展問題,如何在保證生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上進行景觀綜合利用開發(fā)、不斷維護或提高生態(tài)系統(tǒng)服務與人類福祉是每個規(guī)劃都面臨的挑戰(zhàn)。各景觀特征不同(從自然景觀到城市景觀),其空間內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務類型不同,生態(tài)系統(tǒng)服務之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系也隨之變化[12],如城市景觀以調(diào)節(jié)服務為核心,鄉(xiāng)村景觀以供給服務為核心。從當?shù)丶爸苓吘用竦男枨蟪霭l(fā),聯(lián)合多方利益相關(guān)者的需求,明確需要關(guān)注的生態(tài)系統(tǒng)服務和所要達到的人類福祉,有助于確認規(guī)劃目標。

2.2 多源數(shù)據(jù)組織與管理

搭建地理設計數(shù)據(jù)庫,收集遙感、數(shù)字高程、水系、大氣、土壤、生物多樣性等生態(tài)地理信息數(shù)據(jù),行政區(qū)劃、人口、物質(zhì)能量消耗、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟、公共設施、歷史文化等社會經(jīng)濟數(shù)據(jù),以及城鄉(xiāng)規(guī)劃、國土規(guī)劃、環(huán)保規(guī)劃、交通規(guī)劃等相關(guān)規(guī)劃專題輔助數(shù)據(jù)。在“3S”技術(shù)、數(shù)據(jù)管理技術(shù)的綜合支持下,可針對這些時空數(shù)據(jù)的多源、異構(gòu)、多維、動態(tài)復雜性,構(gòu)建靈活的數(shù)據(jù)導入機制、適當?shù)臄?shù)據(jù)更新機制,統(tǒng)一于儲存服務器上進行存儲和更新,建立系統(tǒng)的地理設計數(shù)據(jù)庫。

2.3 尺度匹配與多尺度分析

在規(guī)劃初期,需要選擇合適的時空尺度進行空間分析。時間尺度具有靈活性,通常根據(jù)數(shù)據(jù)可獲得性進行選擇,一般需要三期數(shù)據(jù)進行空間格局分析,因此時間跨度從幾個月到幾十年不等。時間尺度與空間尺度相關(guān),空間尺度越大,時間尺度也相對越大。規(guī)劃項目規(guī)定的空間尺度通常與觀測尺度相一致。但為了考慮空間關(guān)聯(lián),一般要將尺度向上、向下延伸,所以至少需要在三個尺度上進行分析、建模,找到不同景觀格局與生態(tài)過程的特征尺度。在強可持續(xù)性觀點下,上一級空間對下一級空間有約束作用,下一級空間對上一級空間有支撐作用,在此過程中,要保證多種類型尺度(如觀測尺度、分析尺度、建模尺度、政策尺度等)的一致性。此外,由于可持續(xù)景觀規(guī)劃一般在中觀尺度上進行,強、弱可持續(xù)性都會涉及到。在宏觀尺度上須持強可持續(xù)性觀點,在微觀尺度上可偏向弱可持續(xù)性[13]。為了在景觀或區(qū)域尺度上實現(xiàn)強可持續(xù)性,有時在小尺度上采取弱可持續(xù)性是有必要的[2]。

2.4 景觀格局過程分析和可持續(xù)性評估

景觀格局分析方法相對成熟,一般選用選擇面積-邊緣類指數(shù)、形狀類指數(shù)、聚散性指數(shù),近年也涌現(xiàn)三維景觀格局指數(shù)、形態(tài)學空間格局分析等方法研究景觀格局多維度空間特征及變化情況[14—16]。景觀格局分析需與過程相聯(lián)系，可選擇規(guī)劃區(qū)中的關(guān)鍵生態(tài)過程,如關(guān)鍵物種的動態(tài)、種子或花粉的傳播、物質(zhì)循環(huán)、能量流動等,利用已有研究結(jié)果在當?shù)剡M行參數(shù)調(diào)整與計算。在可持續(xù)性評估中,可選擇的指數(shù)較多,無論是單一聚合性指數(shù)還是指標集,每種指標衡量的側(cè)重點不同,因此需要用多種指標共同衡量。同時,為了堅持強可持續(xù)性觀點,要至少包含一個強可持續(xù)性指標[17—18],如生態(tài)足跡、環(huán)境績效指數(shù)、綠色城市指數(shù)、基于“壓力-狀態(tài)-響應”框架的指標集、物質(zhì)能量流指標集等。

2.5 生態(tài)系統(tǒng)服務與景觀格局關(guān)系模擬

生態(tài)系統(tǒng)服務連接景觀格局、過程與人類福祉,是景觀可持續(xù)性研究中的重要內(nèi)容。指標評估法、價值評估法及模型模擬法是生態(tài)系統(tǒng)服務供給評估的主要途徑。指標法主要針對物質(zhì)量,能比較客觀地反映生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)過程；而價值法主要針對價值量,偏向于反映生態(tài)系統(tǒng)服務的稀缺性,能夠為決策制定提供依據(jù)[19]。從強可持續(xù)性角度而言,在大尺度上可采用指標法,反映生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-功能-服務過程,確保關(guān)鍵自然資本不受損害[20],小尺度上可采用價值法評估自然資本被人造資本替換的價值、協(xié)助決策,因此生態(tài)系統(tǒng)服務評估在規(guī)劃設計中應用前景廣泛[21—24]。目前文化服務的研究進度明顯慢于其他生物物理服務的研究,在研究方法上有待進一步探索[25—26]。

生態(tài)系統(tǒng)服務與景觀格局的關(guān)系是可持續(xù)景觀規(guī)劃的核心步驟(圖2)。可根據(jù)未來一段時間內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務的需求,選取重點關(guān)注的生態(tài)系統(tǒng)服務供給,如城市景觀重點關(guān)注的降溫、滯塵、持水、降噪等服務,鄉(xiāng)村景觀重點關(guān)注的糧食供給、傳粉、水資源供給、水質(zhì)凈化等服務,建立關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務供給與景觀格局之間的數(shù)量關(guān)系[27—29]。目前大多數(shù)研究表明,相較于景觀組成,景觀配置對生態(tài)系統(tǒng)服務的影響較小,但定向調(diào)節(jié)景觀配置會影響生態(tài)系統(tǒng)服務供給,或者影響特定生態(tài)系統(tǒng)服務間相互作用的強度與方向[30]。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務需求,調(diào)整景觀結(jié)構(gòu),實時比較不同組成或配置下的生態(tài)系統(tǒng)服務供給變化情況。選擇在保障關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務供給的基礎(chǔ)上、能夠滿足生態(tài)系統(tǒng)服務需求的景觀結(jié)構(gòu)。

圖2 生態(tài)系統(tǒng)服務與景觀格局的關(guān)系模擬Fig.2 Simulation of the relationships between ecosystem services and landscape patternInVEST：生態(tài)系統(tǒng)服務和權(quán)衡綜合評估模型；SolVES：生態(tài)系統(tǒng)服務社會價值模型；MSPA:形態(tài)學空間格局分析

2.6 情景分析與方案評估

情景分析是對未來可能性的探索[31—32],通過設定未來情景的不同目標值,基于生態(tài)系統(tǒng)服務供給與景觀格局的關(guān)系,得出不同目標值下的景觀格局情景方案[33]。在地理設計情景分析中,如何選擇合適的特征指標描述未來狀態(tài)、對未來狀態(tài)如何挑選可持續(xù)性指標進行再評價是核心步驟。對每個情景方案進行評估時，可進行生態(tài)系統(tǒng)服務權(quán)衡和協(xié)同分析、不確定性分析、成本-效益分析,并在此基礎(chǔ)上進行各個情景的可持續(xù)性評估、人類福祉評估。

2.7 地理設計平臺搭建

建模階段:基于CAD現(xiàn)狀圖,對土地與景觀類型分類后進行地塊劃分與建模(圖3)。解決CAD與GIS軟件無縫連接,特別是在數(shù)據(jù)交互、轉(zhuǎn)換方法上的連接。在此基礎(chǔ)上,開發(fā)軟件形成一套規(guī)則建模的庫,實現(xiàn)中小空間尺度的參數(shù)化建模。

分析階段:將生態(tài)系統(tǒng)服務模型與指標融入地理設計平臺,依靠生態(tài)系統(tǒng)服務與景觀格局的關(guān)系,通過調(diào)整景觀結(jié)構(gòu),求解生態(tài)系統(tǒng)服務變化。在這個過程中,形成內(nèi)生的分析手段,將設計的整個流程整合在地理設計的框架中,使所有規(guī)劃分析圖都能夠基于平臺半自動生產(chǎn),縮短設計周期。

渲染階段:針對不同的規(guī)劃情景方案,對其進行分析與評估后,選定1—2種較合適方案,對紋理、光線、投影等信息進行渲染,建立三維虛擬系統(tǒng)。

圖3 以村莊尺度為例展示地理設計平臺搭建過程Fig.3 The process of building GeoDesign platform taking the village scale as an example

2.8 可視化與人機互動

在以上步驟中,一方面通過時空大數(shù)據(jù)反演,結(jié)合地面感知網(wǎng)數(shù)據(jù),對生態(tài)系統(tǒng)服務、地理信息、社會經(jīng)濟模擬過程中產(chǎn)生的時空數(shù)據(jù)進行實時動態(tài)的可視化表達。在當前,社會經(jīng)濟大數(shù)據(jù)由于跟人們生活更加密切相關(guān),應用手段層出不窮。隨著物聯(lián)網(wǎng)設備成本的逐步降低,生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)也日漸豐富,逐步被應用于規(guī)劃設計領(lǐng)域。然而,由于缺乏數(shù)據(jù)共享,來自不同項目的大量數(shù)據(jù)還未能發(fā)揮最大價值[34]。除傳統(tǒng)鼠標鍵盤交互外，積極開發(fā)手勢交互、命令行交互、腳本語言交互等,利用數(shù)字沙盤系統(tǒng)進行展示表達,便捷的交互方式能夠為參與式規(guī)劃提供一條新的途徑[35]。

3 結(jié)語

正如諾貝爾經(jīng)濟學獎、圖靈獎獲得者、人類歷史上罕見的通才Herbert Simon于1996年所述“科學需要關(guān)注‘事物是如何運作的’(傳統(tǒng)自然科學)和‘事物應該如何運作’(工程和設計科學)”[36]。規(guī)劃是根據(jù)現(xiàn)實與未來需求,將相關(guān)的學科知識綜合起來,為復雜的現(xiàn)狀瓶頸突破和未來發(fā)展方向提供分析與解決方案。面對迫在眉睫的可持續(xù)發(fā)展問題,研究者已經(jīng)積累了一定的可持續(xù)性方面理論知識(包括可持續(xù)性科學,以及生態(tài)學、地理學、土地變化科學、土地系統(tǒng)科學、土地系統(tǒng)設計、景觀生態(tài)學等)[7,37—39],但如何將這些知識與當今先進技術(shù)結(jié)合,合理地應用在景觀規(guī)劃中？可持續(xù)景觀規(guī)劃作為一個交叉性極強的學科方向,目標非常明確,即在景觀可持續(xù)性研究的理論基礎(chǔ)上,在地理設計方法與平臺的支持下,通過空間優(yōu)化維持或提高生態(tài)系統(tǒng)服務,設計出能夠提高人類福祉的可持續(xù)景觀。本文提出的八個步驟已融合了景觀可持續(xù)性研究與地理設計的六個研究基礎(chǔ),為可持續(xù)景觀規(guī)劃提供了路徑與方法。

景觀可持續(xù)性研究在不斷積累知識,生態(tài)系統(tǒng)服務與景觀格局的關(guān)系在世界各地被積極研究[16,27—29]；地理設計的技術(shù)在不斷推陳出新[35,40—47],現(xiàn)階段努力方向是拓展建筑信息模型,實現(xiàn)大尺度參數(shù)化設計,下一階段也許是實現(xiàn)更友好的人機交互。這要求研究人員與規(guī)劃人員具有廣博的眼界,并具備專業(yè)的技術(shù),更重要的是能夠緊密協(xié)作。景觀是承載生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟發(fā)展的綜合性空間,我們不僅需要生態(tài)系統(tǒng)服務指標、景觀指數(shù),更需要景觀可持續(xù)性指數(shù),只有將生態(tài)系統(tǒng)服務結(jié)合社會經(jīng)濟過程后才有可能提出具有操作性的規(guī)劃解決方案。因此,可持續(xù)景觀規(guī)劃既需要地理設計中的技術(shù)來拓展應用領(lǐng)域,同時也需要更多自然科學與社會科學的支持,我們期待各學科的共同探討,共同“設計”可持續(xù)的未來景觀。