張瀟涵 成玉寧
景觀空間密度(landscape spatial density, LSD)是在景觀環(huán)境空間形態(tài)一定的前提下,表征要素(植被、置石、設(shè)施小品等)體積、數(shù)量及組合狀態(tài)的空間指標(biāo)[1],其主要特征為空間密度數(shù)值隨時(shí)間動態(tài)變化且空間分布差異較大。
不同類型景觀空間所需的建設(shè)量以及要素在其中的分布狀態(tài)是有差異的,兩者直接影響空間的品質(zhì)[1]。運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)字景觀技術(shù)來精準(zhǔn)測量景觀空間數(shù)據(jù),科學(xué)化、定量化地認(rèn)知空間形態(tài)特征進(jìn)而發(fā)掘既有空間存在的主要問題,以及預(yù)測未來景觀空間的變化,是引導(dǎo)高品質(zhì)空間設(shè)計(jì)的重要手段之一。
長期以來,景觀空間密度是植物群落長勢與種群數(shù)量、園林碳匯、景園空間形態(tài)特征量化及設(shè)計(jì)營造相關(guān)領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題。例如在綠化種植中探討如何通過控制種植密度以達(dá)到植物最佳的長勢[2];在建成環(huán)境的景觀設(shè)計(jì)中,通過控制空間要素的密度以達(dá)到合適的空間疏密狀態(tài)[3]等。近年來,在“城市雙修”的背景下,大量既有景觀空間面臨更新改造,如何精準(zhǔn)化、低影響化地提升空間品質(zhì)成為學(xué)者們討論的熱點(diǎn)。而景觀空間密度作為反映空間組構(gòu)與形態(tài)特征的重要指標(biāo)之一,能夠?yàn)榭茖W(xué)量化地認(rèn)知空間結(jié)構(gòu)提供幫助,更是在風(fēng)景園林空間微氣候改善[4]及環(huán)境對人的心理健康影響[5]等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的研究價(jià)值。
然而對于大量年代久遠(yuǎn)的建成環(huán)境中的景觀空間而言,存在諸如郁閉度過高、枝葉密集交錯(cuò)、視線被遮擋等問題,導(dǎo)致難以通過傳統(tǒng)的實(shí)地調(diào)研、二維圖紙記錄及人工建模等方式全面認(rèn)知、模擬以及展現(xiàn)真實(shí)的空間形態(tài)。點(diǎn)云技術(shù)(point cloud technology)的迅速發(fā)展,為精確量化復(fù)雜的景觀空間形態(tài)提供了可能。與傳統(tǒng)手工測繪相比,點(diǎn)云技術(shù)的數(shù)據(jù)采集方式能夠更加高效、便捷、靈活[6]地呈現(xiàn)出高精度的景觀空間數(shù)據(jù)[7],進(jìn)而為景觀空間形態(tài)的精準(zhǔn)量化提供新的手段。
景觀空間密度已在多個(gè)研究領(lǐng)域中有所運(yùn)用與探討。例如,過往學(xué)者將景觀空間密度作為描述景觀空間的疏密程度和景觀空間建設(shè)量的指標(biāo),在對多個(gè)建成環(huán)境景觀空間要素尺寸實(shí)際測量與經(jīng)驗(yàn)估算的基礎(chǔ)上,歸納總結(jié)景觀空間密度閾值,進(jìn)而對具體案例進(jìn)行空間密度的調(diào)控[8]。同時(shí),景觀空間密度也常被解讀為與綠量相關(guān)的概念與指標(biāo),如趙亞琳通過對多個(gè)綠地植物三維密度的調(diào)查研究,提出綠地植物密度的設(shè)計(jì)、管理及調(diào)控建議[9];姚崇懷等將植物葉片面積與土地面積的比值定義為綠容積率,提出了計(jì)算的方法,并將其作為評價(jià)城市綠地綠量的重要指標(biāo)之一[10]。但上述研究主要關(guān)注植被要素的數(shù)量及分布,未涉及景觀空間整體形態(tài)。而在建筑與城市設(shè)計(jì)領(lǐng)域中,空間密度指標(biāo)有多種釋義,如Berghauser等將建筑容積率、覆蓋率、平均層數(shù)和開放空間率這4種建筑密度指標(biāo)結(jié)合,建立了一種評價(jià)建筑密度與城市形態(tài)之間關(guān)聯(lián)的圖表,并探討了不同密度數(shù)值對應(yīng)的建筑與城市形態(tài)特征[11];孔斌等提出將一定地塊內(nèi)非建筑空間的體積占總空間體積的比例定義為孔隙度,用來描述地塊內(nèi)建筑群體的空間秩序[12]。
在過往研究中,景觀空間密度指標(biāo)量化結(jié)果以單一的數(shù)值呈現(xiàn),無法直觀反映空間形態(tài)特征;同時(shí),由于景觀空間中的要素形態(tài)不規(guī)則且分布不均,建筑與城市領(lǐng)域?qū)臻g密度的釋義在景觀空間中難以直接應(yīng)用。因此,本研究將嘗試進(jìn)一步拓展景觀空間密度的內(nèi)涵,探討景觀空間密度在三維空間中的分布狀態(tài)。
對景觀空間形態(tài)的量化是景觀空間密度計(jì)算的基礎(chǔ),過往研究利用二維平面圖及人工實(shí)地調(diào)研測量要素尺寸的方法在計(jì)算效率和結(jié)果精度上存在不足。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展,利用無人機(jī)傾斜攝影得到的數(shù)字地表模型(digital surface model, DSM)與數(shù)字高程模型(digital elevation model, DEM)之間的差值作為景觀空間要素體積的方法較為便捷[3],但由于該方法缺少對林下空間的考慮,因此計(jì)算得到的空間密度數(shù)值較實(shí)際情況偏大。近年來,點(diǎn)云技術(shù)作為精確獲取三維空間信息的新型技術(shù)手段,無論是在宏觀尺度下城市的三維格局[13]與鄉(xiāng)村空間模式研究[14],還是中觀尺度下城市公園[15]、城市街道[16]以及古典園林空間形態(tài)量化分析[17],抑或是微觀尺度下假山石輪廓[18]、植物單體枝干與冠層結(jié)構(gòu)精細(xì)化形態(tài)模擬[19]等方面都較傳統(tǒng)信息采集技術(shù)具有較大優(yōu)勢。由于景觀空間中植被要素形態(tài)復(fù)雜,難以利用網(wǎng)格面進(jìn)行表面模型構(gòu)建,虞思逸等在點(diǎn)云技術(shù)的基礎(chǔ)上提出利用體元法(voxelization)將點(diǎn)云模型轉(zhuǎn)化為形態(tài)相同的體元模型,進(jìn)而對要素體積進(jìn)行計(jì)算[20]。
綜上,點(diǎn)云技術(shù)為優(yōu)化景觀空間密度的量化方法帶來了契機(jī)。本研究在景觀空間密度量化中首創(chuàng)性運(yùn)用點(diǎn)云等數(shù)字技術(shù),利用其在數(shù)據(jù)采集與分析的效率以及數(shù)據(jù)的精度等方面的優(yōu)勢,優(yōu)化現(xiàn)有量化方法并探討其在實(shí)際案例中應(yīng)用的可能性。
空間要素體積與空間總?cè)莘e的比值即為景觀空間密度,如何利用點(diǎn)云及相關(guān)數(shù)字技術(shù)精確獲得兩者數(shù)值并直觀地展現(xiàn)空間密度的三維分布特征成為本研究的重點(diǎn)。本研究的技術(shù)路線共分為5個(gè)步驟,分別為空間數(shù)據(jù)采集與處理、空間形態(tài)確定、空間密度計(jì)算、空間密度可視化以及空間密度特征分析(圖1)。
1 基于點(diǎn)云技術(shù)的景觀空間密度量化方法技術(shù)路線Technical route of quantification method for landscape space density based on point cloud technology
2.2.1 空間數(shù)據(jù)采集與處理
研究選用無人機(jī)傾斜攝影與地面基站激光掃描儀結(jié)合的方式,采集研究范圍內(nèi)要素的空間數(shù)據(jù)。利用Context Capture軟件將傾斜攝影模型轉(zhuǎn)化為點(diǎn)云數(shù)據(jù),與基站掃描采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合,進(jìn)而與CAD圖紙坐標(biāo)配準(zhǔn),并根據(jù)研究精度需求重采樣,得到最終的三維點(diǎn)云模型,利用Cloud Compare軟件對三維點(diǎn)云模型初步可視化(圖2-1)。
2 景觀空間密度量化具體操作步驟Operating steps for quantification of landscape space density
2.2.2 空間形態(tài)確定
本研究采用體元法對景觀空間要素點(diǎn)云模型體元化。在Grasshopper中,通過控制單個(gè)體元邊長和其內(nèi)部包含點(diǎn)的數(shù)量等參數(shù)來確定點(diǎn)云模型體元化的結(jié)果(圖2-2)。由于景觀空間形態(tài)復(fù)雜、要素類型多,需對體元大小等數(shù)值進(jìn)行多次調(diào)整,最終以滿足不同層面研究的精度需求為準(zhǔn)。而場地空間總?cè)莘e的確定則以研究范圍二維平面為基礎(chǔ),向上拉伸至四周圍合建筑的最高高度或通過其他要素確定空間高度,所形成的立方體的體積即為空間總?cè)莘e(圖2-3)。
2.2.3 空間密度計(jì)算
在確定了景觀空間內(nèi)部要素三維形態(tài)與空間容積后,分別計(jì)算空間要素的總體積以及空間的總?cè)莘e,兩者的比值為景觀空間密度DLS,計(jì)算方法如式(1、2):
其中,
式中,Vi為景觀空間要素體積,Vz為景觀空間總?cè)莘e,L為每一個(gè)體元的邊長,n為體元的總個(gè)數(shù)。
再將代表空間總?cè)莘e的三維體塊細(xì)分為等大的立方體,作為空間密度研究的最小單元(圖2-4)。為滿足不同層面研究的精度需求,通過對細(xì)分單元的邊長大小控制,改變空間細(xì)分的精度。利用布爾運(yùn)算①得到每一個(gè)空間細(xì)分單元內(nèi)部所包含的體元,其體積數(shù)值與空間細(xì)分單元的體積比值為細(xì)分單元的空間密度DLS,j,計(jì)算方法如式(3、4):
其中,
式中,Vj為每個(gè)細(xì)分單元中包含的景觀空間要素體元體積,Vd為細(xì)分單元的體積;a、b、c分別為細(xì)分單元的長、寬、高。
2.2.4 空間密度可視化
用細(xì)分單元中心點(diǎn)坐標(biāo)(x,y,z)對細(xì)分單元進(jìn)行編號,并輸出每個(gè)單元的空間密度數(shù)值(圖2-5)。選取特定漸變色彩區(qū)間(如綠—紅漸變色帶)將空間密度數(shù)值與色彩一一對應(yīng),給每一個(gè)細(xì)分單元賦色,對空間密度進(jìn)行三維可視化表達(dá)(圖2-6)。
2.2.5 空間密度特征分析
本研究利用水平、豎直兩個(gè)方向的剖切,研究不同剖切面之間空間密度數(shù)值分布的差異以及同一剖面上不同密度空間細(xì)分單元的組合,從而探析空間要素的密集程度以及實(shí)體與空間的三維分布特征。以水平方向?yàn)槔B續(xù)的低密度細(xì)分單元代表了空間中的空隙呈線性分布,具有成為空間視廊的潛質(zhì);不同密度的空間單元雜糅代表了空間的復(fù)雜等。
本研究以東南大學(xué)四牌樓校區(qū)梅庵及其周邊景觀空間為例,運(yùn)用點(diǎn)云技術(shù)對場地景觀空間密度進(jìn)行量化研究,并嘗試探討點(diǎn)云技術(shù)對景觀空間優(yōu)化設(shè)計(jì)的幫助。研究場地位于校園西北角,面積共計(jì)4 697m2(圖3)。梅庵位于研究場地西北角,為磚混結(jié)構(gòu)的單層平房,是校園歷史發(fā)展的見證。然而其周邊植物老化、枝葉密集,阻擋人們望向梅庵的視線,整體視覺效果較為雜亂。如何從空間整體的角度出發(fā),精準(zhǔn)化、低影響化地改造梅庵周邊的景觀成為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。
3 梅庵及其周邊平面圖Master plan of Mei’an and surroundings thereof
利用無人機(jī)傾斜攝影與地面基站式激光掃描結(jié)合的方式獲取梅庵及周邊景觀要素空間數(shù)據(jù),在Trimble Realworks軟件中進(jìn)行點(diǎn)云的配準(zhǔn)與取樣抽稀,取樣值為50 mm。為確保后續(xù)景觀空間要素體元化結(jié)果準(zhǔn)確,本研究將場地中臨時(shí)的人和汽車等干擾項(xiàng)點(diǎn)云單獨(dú)分類移除,不作為后期體元化的點(diǎn)云數(shù)據(jù)源。利用Cloud Compare軟件對三維點(diǎn)云進(jìn)行可視化(圖4),對空間總體認(rèn)知。從空間高程圖(圖5)來看,梅庵高5.9 m,南側(cè)建筑檐口高14.0 m,北側(cè)建筑檐口高13.9 m。場地內(nèi)部,下層小喬木高度集中在2.4~7.0 m,上層喬木高度>7.0~15.0 m,梅庵外圍喬木顯著較高,高度最高為35.6 m。
4 梅庵周邊景觀空間三維點(diǎn)云模型Three-dimensional point cloud model of landscape space around Mei’an
5 梅庵周邊景觀空間高程圖Elevation map of landscape space around Mei’an
首先以研究場地的二維紅線范圍為底,梅庵南側(cè)建筑檐口高度14.0 m作為空間總體高度,生成立方體并減去梅庵建筑體積,即得到空間容積為65 766.5 m3。其次,用得到的總體空間立方體對點(diǎn)云模型進(jìn)行裁剪,得到空間要素點(diǎn)云并體元化,筆者考慮到場地中喬木樹齡較高,大部分胸徑在0.3 m左右及以上,因此將體元邊長設(shè)為0.3 m。經(jīng)統(tǒng)計(jì),體元數(shù)量(n)為278 882個(gè),總要素體積(Vi)為7 529.8 m3。最后利用景觀空間密度的計(jì)算公式得到梅庵周邊景觀空間密度為0.114,內(nèi)部景觀要素體積占據(jù)了超過1/10的空間容積。
進(jìn)一步對空間進(jìn)行細(xì)分,以研究空間密度的三維分布特征。由于本研究對象的尺度較小,內(nèi)部空間復(fù)雜度高,為便于研究,將單元的長、高、寬分別設(shè)置為3.0、3.0、2.8 m,共計(jì)3 755個(gè)單元。計(jì)算每個(gè)單元的空間密度并利用按照數(shù)值從小到大,賦予單元綠—紅漸變色帶顏色,得到最終景觀空間密度可視化結(jié)果;以固定方向和單位長度進(jìn)行連續(xù)剖切,即可展現(xiàn)空間內(nèi)部的空間密度特征(圖6)。
6 梅庵周邊景觀空間密度量化Quantification of landscape space density around Mei’an
3.3.1 水平方向空間密度變化
自西向東以3 m為單位長度對場地連續(xù)剖切得到30個(gè)剖面,對水平方向的空間密度分布情況展開研究。提取連續(xù)剖面細(xì)分單元密度數(shù)值,并繪制密度變化箱形圖(圖7)來描述空間密度的分散情況。上、下四分位數(shù)的差值反映了空間的復(fù)雜度,中部空間差值最大,東西部差值較小。中位數(shù)數(shù)值能夠反映各剖面空間要素總體密集程度,從變化趨勢來看,在中部19號剖面處達(dá)到峰值,為0.162 4;而在20號剖面處數(shù)值驟減,且往西數(shù)值進(jìn)一步減小,反映出此處空間形態(tài)發(fā)生較大變化,呈現(xiàn)出明顯的空間界面。從各剖面空間密度的最大值來看,19號剖面處出現(xiàn)了峰值0.994 9,即局部景觀空間要素呈現(xiàn)實(shí)體的狀態(tài)。梅庵在4號至8號剖面處,單元密度數(shù)值無論是總體分布還是最大值都處于較低的水平,即空間要素對視線的阻擋程度較弱;而上、下四分位數(shù)差值較為平均,反映出空間總體較為均質(zhì)。
7 水平方向景觀空間密度分布箱形圖與實(shí)景Box diagram and real scene of horizontal distribution of landscape space density
3.3.2 豎直方向空間密度變化
自下而上以2.8 m為單位長度將場地連續(xù)剖切為5個(gè)剖面,對豎直方向的空間密度數(shù)值分布進(jìn)行分析(圖8)。各層上、下四分位數(shù)差值彼此間差異較小,在2號剖面處(2.8~<5.6m)差值達(dá)到最大后,隨著高度增加分散程度減小,反映出人頭頂上方區(qū)域空間復(fù)雜度較高,變化豐富。且此剖面的空間密度最大值與上四分位數(shù)最高,表明局部空間近似實(shí)體,樹冠彼此交織構(gòu)成了較為明顯的空間頂界面。從各層單元密度中位數(shù)來看,最底層剖面數(shù)值最大為0.178,主要是由于地面地形連續(xù)起伏,地物要素?cái)?shù)量較多。
8 豎直方向景觀空間密度分布箱形圖Box diagram of vertical distribution of landscape space density
與原始點(diǎn)云模型相比,空間密度三維分布圖能夠忽略景觀要素復(fù)雜的細(xì)節(jié)信息,更加直觀地反映場地不同位置空間單元的疏密狀態(tài),進(jìn)而輔助設(shè)計(jì)師進(jìn)行設(shè)計(jì)決策。經(jīng)上文分析可知,梅庵周邊場地水平方向中部密度最高;而中下層是要素最為密集且變化豐富的部分,且與人在其中的感知直接相關(guān),因此選取豎直方向1號剖面(0~<2.8 m)和2號剖面(2.8~<5.6 m)層空間密度分布圖進(jìn)一步研究空間特征。以梅庵主游線空間優(yōu)化設(shè)計(jì)為例,探討空間密度在輔助既有老舊景觀空間優(yōu)化方面的優(yōu)勢。視點(diǎn)1和視點(diǎn)2分別為李瑞清雕像以及梅庵的重要觀景點(diǎn),現(xiàn)狀視覺效果不佳(圖9)。從豎直方向1號剖面空間密度分布圖來看,雕像西側(cè)空間密度總體較低,且分布數(shù)值差異較大,雕像成為空間中孤立的實(shí)體。故考慮通過增植梅花加大雕像西側(cè)底層空間密度,形成連續(xù)背景襯托雕像。視點(diǎn)2視域范圍內(nèi)空間密度在2號剖面處過大,且梅庵東側(cè)底層密度與周邊綠地差異較小。因此考慮通過移除現(xiàn)狀植被要素以降低空間密度,更好地展現(xiàn)梅庵形象。由此可見,空間密度的三維分布圖能夠有效輔助設(shè)計(jì)師對空間疏密關(guān)系進(jìn)行解讀,進(jìn)而在整體層面把握空間結(jié)構(gòu)特征,并提出相應(yīng)設(shè)計(jì)策略。
9 景觀空間密度輔助下的空間優(yōu)化Space optimization assisted by landscape space density
與傳統(tǒng)人工實(shí)地調(diào)研的方式估算要素體積進(jìn)行空間密度計(jì)算相比,基于點(diǎn)云技術(shù)的景觀空間密度量化方法在數(shù)據(jù)采集處理方式、計(jì)算結(jié)果的精度以及結(jié)果的可讀性3個(gè)方面具有優(yōu)勢。
3.5.1 數(shù)據(jù)采集處理方式
從空間數(shù)據(jù)采集與處理的操作流程來看,傳統(tǒng)實(shí)地調(diào)研的方式需要對場地內(nèi)的植被與小品的種類及尺寸大小數(shù)據(jù)實(shí)地采集,并需要人工將信息錄入電腦,最終結(jié)果以表格形式呈現(xiàn),所需時(shí)間和人力成本較大,且難以通過人工測量得到復(fù)雜景觀空間的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。而本研究采用的地面基站點(diǎn)云激光掃描與無人機(jī)傾斜攝影采集信息以及后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出、配準(zhǔn)、采樣與分類這一系列操作,僅由一名專業(yè)人員使用設(shè)備即可完成,大大減少了空間數(shù)據(jù)采集所需的人力與時(shí)間成本。
3.5.2 密度計(jì)算結(jié)果精度
傳統(tǒng)景觀空間密度對于空間植物要素體積的計(jì)算大多是將植被形態(tài)進(jìn)行抽象化后,采用常用園林植物樹冠體積計(jì)算方程[21],利用冠幅與冠厚2個(gè)指標(biāo)計(jì)算得到單株植被的體積。但此種方式為經(jīng)驗(yàn)估算,對于較為復(fù)雜的景觀空間計(jì)算結(jié)果精度不高。相比點(diǎn)云數(shù)據(jù)體元化后得到的空間要素體元模型可以較為真實(shí)地反映空間形態(tài),在此基礎(chǔ)上得到的要素體積及計(jì)算得到空間密度數(shù)值也更加精確。
3.5.3 成果的可讀性
傳統(tǒng)景觀空間密度最終結(jié)果以單一總體空間密度數(shù)值呈現(xiàn)。本研究提出的景觀空間密度可視化方法能夠直觀展現(xiàn)總體空間密度三維分布和特定剖面空間密度分布特征,進(jìn)而輔助設(shè)計(jì)師對空間優(yōu)化設(shè)計(jì)。
本研究構(gòu)建了基于點(diǎn)云技術(shù)的景觀空間密度量化方法,包括景觀空間三維形態(tài)的提取、空間密度計(jì)算以及空間細(xì)分密度可視化,對于景觀空間形態(tài)特征的量化研究與既有景觀的更新設(shè)計(jì)在以下3個(gè)層面上具有積極意義。
1)方法層面:優(yōu)化量化途徑。將點(diǎn)云及其他數(shù)字景觀技術(shù)運(yùn)用于空間數(shù)據(jù)的采集與處理、空間形態(tài)確定、空間密度計(jì)算以及結(jié)果展示整個(gè)過程中,極大提升了計(jì)算的便捷度與結(jié)果的精度。
2)理論層面:拓展密度內(nèi)涵。通過在原有計(jì)算邏輯的基礎(chǔ)上增加景觀空間三維細(xì)分步驟,使景觀空間密度不僅能夠描述空間總體建設(shè)量大小,也可作為反映空間要素三維分布特征的指標(biāo)。景觀空間中的要素形態(tài)自由、隨機(jī)且變化多樣,當(dāng)人們著眼于具體形態(tài)的細(xì)微差別時(shí),對空間的組構(gòu)關(guān)系就難以把控。使用景觀空間密度細(xì)分可視化的方法即可較為宏觀地認(rèn)知景觀空間形態(tài)。
3)實(shí)踐層面:引導(dǎo)空間優(yōu)化。在實(shí)踐層面通過對現(xiàn)狀景觀空間密度三維分布情況進(jìn)行分析,可以迅速地對空間要素的組構(gòu)特征進(jìn)行識別,并精準(zhǔn)地判斷其中存在的主要問題,從而有效地結(jié)合實(shí)際需求輔助精準(zhǔn)設(shè)計(jì),助力高品質(zhì)景觀空間營造。同時(shí),景觀空間密度未來也可作為綠地調(diào)控的參照性指標(biāo),為綠地的建設(shè)與管理提供幫助。
未來可進(jìn)一步通過大樣本量調(diào)查分析,探討不同類型的景觀空間密度的閾值區(qū)間,并以此來輔助確定所需建設(shè)強(qiáng)度;對不同形態(tài)的景觀空間密度三維分布特征分析并探討與其他形態(tài)指標(biāo)的關(guān)系,輔助景觀空間參數(shù)化生成;同時(shí),對景觀空間密度隨時(shí)間動態(tài)變化的研究,有助于預(yù)測未來空間的要素變化,在設(shè)計(jì)之初預(yù)留植被生長余量。
本研究在點(diǎn)云模型的建模處理方面仍存在一定的局限。盡管體元法能較為便捷地對要素點(diǎn)云三維實(shí)體化,但由于不同要素形態(tài)、尺度差異較大,均一化的體元邊長大小將帶來空間密度計(jì)算的誤差;而過小的體元邊長將造成計(jì)算效率的降低。
注釋(Note):
① 犀牛軟件中實(shí)體布爾運(yùn)算交集工具(BooleanIntersection)。
圖片來源(Sources of Figures):
文中圖片均由作者繪制。