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    风景园林主观感受的客观表出——风景园林视觉感受量化评价的客观信息转译原理

    关键词:风景园林;景观分析评价;视觉感受量化评价;风景旷奥度;景观美感量化

    Key words:landscape architecture; landscape analysis and evaluation; digitizing and evaluation of visual perception; landscape openness and serene ranking; digitize the sense of landscape beauty

    摘要:以风景园林主观感受评价的数字量化为核心,阐述了作者提出的风景园林主观感受经由风景园林客观环境信息转译得到的原理:风景园林感受可以理解为风景园林客观环境信息被接收、转译、进而成为主观感受信息,这样一个信息编码、处理和传输的过程。阐述内容包括:风景旷奥度基本概念,风景感受的三层次空间模式,借以反映16个旷奥标准的指标测度。其中,以地形复杂度M0、景场地形起伏度M1、景场空间表面起伏度M2、景域视觉起伏度M3/景象丰富度M3'为例,给出了基于风景数字地表模型DTM数据的指标测度的数学演算公式。这一最初于30年前提出创立的原理对于今天尝试景观感受量化与量化评价研究实践具有重要的意义和作用。

    Abstract:Focusing on the digitizing and quantification of landscape subjective evaluation, the principle of the subjective perception of landscape architecture through the objective environment information translation proposed by the authors was elaborated: landscape perception is a process from information coding, processing and transmission in which landscape objective environment information is received, translated, and thus becomes a subjective perception information. The contents this article described include: basic concept of landscape openness and serene ranking, two criteria for landscape spatial perception evaluation, and three-level spatial patterns of landscape perception based on landscape openness and serene, which are indicated by 16 openness and serene index and measurements. Taking the index of M0 (complexity of terrain), M1 (fluctuation of field terrain), M2 (fluctuation of field terrain surface relief), M3 (visual fluctuation of viewshed), and M3' (scene richness of viewshed) as the example, the calculus of the mathematical formula of the index and measure based on landscape digital terrain model (DTM) were demonstrated. One of the meaning and function of this principle, method and technique, initially proposed and created 30 years ago, is to provide a useful way for digitizing and evaluating the subjective-related perception of landscape through the translation of landscape objective environment information.

    内容:风景园林环境与感受的数字化是实现风景园林量化分析评价及其实践应用的关键技术,是风景客观环境与风景园林主观感受之间的桥梁,是实现风景园林分析评价的理性化途径。风景园林环境与感受的数字化,一方面需要诸如评价标准与指标的理论探索作为根据,另一方面需要指标量化模型公式的发明验证作为实施。该领域,虽然国际上至今已有近40年的历史,中国也有30年的历史[1-9],其研究至今仍然存在许多待解之谜而成为风景园林分析评价理论的前沿高地。
    数十年以来,数字量化又是风景园林分析评价的难中之难和多有争议的地带。随着3S、计算机模拟、多媒体、大数据等技术的突飞猛进,风景园林客观环境分析评价的数量化正日渐成熟。然而,如何超越调查问卷、语义和计分评价方法,对因人而异的风景园林主观感受予以相对客观、理性的评价仍然迷雾重重。能否基于风景园林主观感受与风景园林客观环境的相关性,超越常规的幻灯片或现场被测人员主观感受的问卷评价,寻找一种方法技术,让风景园林感受的量化通过风景园林客观环境的量化评价而得出,实现风景园林“主观感受的客观表出”,这是作者多年以来的重要研究方向[2,10-15],也是本文阐述的中心议题。
    景观分析评价的基础理论认为,风景园林客观环境是引发人类风景园林主观感受的客观基础,受到景观分析评价四大范式学派中的认知学派基于认知环境心理学和信息论的启发,作者提出风景园林感受可以理解为风景园林客观环境信息被接收、转译,进而成为主观感受信息,这样一个信息编码、处理和传输的过程。由此,技术上,以“信息”为载体,风景园林信息数字量化评价,特别是风景园林感受信息的数字量化具有了可能性;理论上,通过对于风景园林客观环境的模拟、分析、评价的数字量化,间接地表达风景园林主观感受的数字量化结果,有望解决风景园林“主观感受的客观表出”这一富有哲学意味的命题[10]。
    风景园林信息数字量化评价可以划分为客观环境的量化、主观感受的量化以及主客观转换的量化3个方面。分别称为风景园林客观环境信息量化、风景园林主观感受信息量化以及风景园林主客观转换的信息量化。风景园林客观环境信息量化旨在对于构成风景园林客体的诸客观要素,如山体、水域、林木、构筑等,予以数字、几何图形、函数、算式等形式的可以定量化的描述表示;风景园林主观感受信息量化旨在对于构成风景园林主观感受诸主观要素,如空间感、光影感、色彩感、质感、动感、雄伟壮丽感、祥和宁静感、美感等,予以数字、函数、算式、记分等形式的定量化的描述表示;风景园林主客观转换的信息量化,关键是找出风景园林客观环境与风景园林主观感受之间的可以量化的关系,实现两者之间量化的相互替代。这种“替代”的重大作用和意义在于:技术方法上,要获取那些难以数字量化的风景园林主观感受信息,可以借助于相对稳定、易于把握的风景园林客观环境信息来实现;评价理论上,可以解决风景园林主观感受评价由客观环境评价间接代表的问题;哲学意义上,可以实现主观感受的客观表出这一命题。从而,可以为风景园林从基础资料调查分析到各类主客观评价的理性化铺平道路[16]。
    这一理论方法技术的首次提出是作者围绕“风景旷奥度”所展开的风景景观分析评价理论方法研究与技术实现[2,10,13-15]。“旷奥”是评价风景的两大标准,“度”即评价。在风景景观中,“旷”,即旷达,是人类身临风景景观之境的一大类基本感受:开敞、宏伟、壮观,将人的思绪引导到一个永恒的境界,引发一种高瞻远瞩、面向未来的风景园林感受;与之相对,“奥”即奥秘,是人类身临风景景观之境的另一大类基本感受:通常引发人们回首往事、追古思源、沉思冥想。“旷达”的景观空间一般在山顶、平原等地,“奥秘”的景观空间一般在山谷、溪边之地,旷奥尤其在地形起伏的山岳、河谷、丘陵地域中显现出其典型的特征。从时空感受的深层分析,旷奥在表达人们关于风景景观空间感受的同时,也表现着以现在为原点“向前看”和“向后看”的风景景观的时间感受。旷奥代表着人类风景景观时空感受的3个层面:1)直觉空间——物质生活的生理世界;2)知觉空间——心理精神的心理世界;3)意向空间——思想灵魂的精神世界。
    基于旷奥理论,在方法技术上,研究构建了一套风景景观环境量化与风景景观感受量化转译的风景景观量化模式——风景旷奥量化模式:对应于上述3类空间,将风景景观感受量化并划分为3个层次的空间模型,一是风景景观物理空间模型,用这一模型可以分析景区内任意一观察点的视觉区域,形成一张景观视觉区域图;二是景观心理空间模型,用来量化描述包含着可见与那些并不一定看得到,却能通过联想、猜测而认知到的景观空间;在这2个模型基础之上,还有一个景观意向空间模型,即景观意境空间,其不仅受到模型一、模型二的引发,同时也取决于人们的文化背景与精神追求,在这些因素的作用下,结果之一是“旷”者更旷、“奥”者更奥。对于3个层次感受模型,分别以“旷”“奥”作为评价标准,以16个可以数字量化的描述旷奥标准的指标作为测度,分层如下。
    在风景直觉空间层次,决定旷奥的指标测度有:
    ①景深R;
    ②景场中空间介质ρ;
    ③视点在景域中所处的相对高度位置RH;
    ④景场范围与视域的天穹面积Sarea;
    ⑤景场表面成分Si;
    ⑥景场地形起伏度M1;
    ⑦景场空间明暗BW。
    在风景知觉空间层次上,决定旷奥的指标测度有:
    ⑧场空间限定Rh;
    ⑨景场空间表面起伏度M2;
    ⑩景域视觉起伏度M3/景象丰富度M3';
    观赏者所处地势SLM;
    观赏者所处地势的朝向SLA;
    视角Max.solp;
    景场空间明暗层次和色彩;
    在风景意向空间层次,决定旷奥,即深远感的指标测度有:
    意向空间的性质;
    意向空间感的强度。
    其中指标测度①~⑦数字计算源于可以量化的风景客观环境空间数据,包括数字地表模型(DTM)、空间遥感所得的地表植被等景物信息,指标测度⑧~,以及~的数字计算则基于指标测度①~⑦数字计算的“延伸”扩展。这种“延伸”来源于前后2组测度之间相关性的理论、模型计算分析与实地结果验证,验证地选取了三清山国家重点风景名胜区中心地带,面积为200km2。以下将以从M0、M1到M2、M3/M3'的演算计量,说明这一系列指标测度的“延伸”原理。首先,M0、M1、M2、M3/M3'的定义如下。
    M0,称为地形复杂度,表示地形复杂的程度,其计算源自风景客观环境数据;
    M1表示由地形起伏引起的景场空间结构特性。一般地,地形起伏性大,景场空间结构复杂,导致旷奥度易解性减弱,反之,旷奥度易解性加强。因而,景场地形起伏性M1影响风景旷奥感受。其计算源自M0数据;
    M2所表示的起伏性原意是指观赏者可以明确地从原地进入或穿越风景的属性。起伏性亦提供了一种探索风景获得更多信息的方式,它与介入的成分有关。一般地,景场空间表面起伏性增加,奥秘性增大,此时,风景场面中含有较多的不可见区域,场面蕴含的信息和观赏者的期待信息都较大,奥感会进一步增强。反之,起伏性减小,空间表面变化降低或变化趋于平均,则会增强场面的易解性,从而使旷感加强。起伏性主要与游览道路有关,道路曲折并且周围遮掩严密,起伏性就大。设敷着于景区地表面的各点均有成为道路的可能,则可以地表的起伏程度M2来表示起伏度。与M1不同,M2考虑视觉扁度的因素影响,给垂直因素赋予了较大的权重。有研究表明:视坐标是在半三度空间内的三向直角坐标,它按理应近似于半球。但因为人类是以水平活动为主的,因此视觉对水平方向的感知要比垂直方向敏感而精确很多。因此,视坐标垂直轴的向量衰变就与水平轴的不一致。这样,视坐标的这个半三度空间就不可能是半球,而必然要小于半球。这种视觉扁度可以通过简便的计算得到验证[17]。
    M3,景域视觉起伏度;M3',景象丰富度,均属于景场中视线扫描样本标准差的统计指标。对于任意景场,M3/M3'表示景场中诸视线空间角度的变化起伏度,它反映了景场各点景物相对视点的起伏程度,M3/M3'与旷奥感受有关。对于范围较大的景场,M3/M3'值大,景域感受丰富生动,旷感加强;对于范围较小的景场,M3/M3'值大,景域期待预测的信息多,景域感受变化莫测,奥感加强。
    反映风景偏爱欣赏的旷奥感受包含着风景美之评定,这至少可从M3/M3'的特性中得以证明。根据信息论原理和景观观赏体验,证明M3/M3'反映了在景场中获取风景美之信息EI的可能性,作为景场信息的熵e,M3/M3'在一定程度上反映了景场空间和景象的丰富程度。一般的,M3/M3'∞EI,M3/M3'∞e。通过在三清山风景名胜区的实地评价验证,作者发现,凡是为游人普遍公认的美的风景或景象丰富的风景场面,其M3/M3'之值都较大,即风景美丽程度(简称:美景度)与M3/M3'成正比。作者曾在硕士论文中对此进行了详细的统计验证,并将M3作为一重要的可以量化的指标,实用于电子计算机辅助大规模搜索美景的风景区评价工作之中[18]。
    M0、M1演算如下:
    根据统计学中的样本标准差△S是反映取样点离散度的原理,地形复杂情况可以通过反映地形的风景场域数字地面模型中的几何空间点集中各点空间离散程度来反映。
    设地形平均高程值为H,则:
    (1-1)
    (见公式1-5、1-6、1-7)
    其中Ni为几何空间点集的点数,即DTM中高程点数。
    M3、M2演算如下:
    在格网型DTM上,为了研究景域中形成视域的基本框架──空间球体范围内(以下简称球内)的视线情况,取出包含在球内的所有高程格网节点(图1);并且(i=1,2……,Ni,图2)。
    根据作者所提出的风景景观视觉信息原理,构成风景景观客观环境的信息源其构成为:
    Sv={Sh,Sx,Sy,Sd,Sc}                         (1-2)
    式中,Sh ={H1,H2,……,Hn}集表示场域视觉空间高度可能取值的集合;
    Sx ={X1,X2,……,Xn}集表示场域视觉信息空间宽度可能取值的集合;
    Sy ={Y1,Y2,……,Yn}集表示场域视觉信息深度可能取值的集合;
    Sd ={D1,D2,……,Dn}集表示场域视觉信息灰度可能取值的集合;
    Sc={C1,C2,……,Cn}集表示场域视觉信息色彩可能取值的集合。
         (1-3)         
    这样,算出含在球内所有格网节点的y值yi  (i=1,2,……,Ni)
                                                (1-4)      
                              (1-5)
    与M0的统计原理类似,对球内(图2)N个坐标点进行统计分析,得:
                                               (1-6)
                                  (1-7)
                                          (1-8)
    景场空间表面起伏度M2演算;
    考虑到视觉扁度效应,球内空间点的高程因素(z)比水平因素(x,y)所占权重要要大,而赋予Sx,Sy,Sz以不同的权重时,经调整赋予Sz以较大的权重,借以表示景场空间表面起伏度;
                            (1-9)
    式中,R为景场球体的半径。
    景象丰富度M3'演算:
    景象丰富度M3'演算与景域视域起伏度M3近似,不同之处在于M3'还考虑了表面景观元素的丰富度(此略)。
    总之,风景园林客观环境数字化及其各类数字模拟技术是实现各类风景园林量化模式的前提。本研究工作从风景感受量化评价出发,以风景旷奥度为研究背景,以风景景观美学量化模型为例,以风景客观环境数据转译为主观感受评价的数字化演算为结果,进而开发出包括景观美感在内的景观环境与感受信息数字模拟的方法、数学模型和计算软件,最终实用于三清山国家重点风景名胜区景观资源的量化评价。该应用初步实现了作者最初的假设,除可对客观景观环境予以计算机模拟预测与分析评价之外,借助客观景观环境数字化数据,从中提取出代表景观感受主观评价的感性数字化数据,计算出一系列代表客观景观环境和主观景观感受及其评价结果的数据,达到计算机分析评估到电子多媒体模拟与评估结果转达的一体化。该研究的意义在于初步解决了风景园林分析评价领域主观感受数字量化中的“主观感受客观表出”的难题,在理论与技术上提出创立了一种主观客观结合,理论、方法、技术一体化的风景景观感受评价方法。虽然这一理论方法的基本思想和初步的研究早在30年前就已具雏形,并在陆续完善,但是,对于发展艰难迟缓的风景园林分析评价领域,特别是对于当今众所瞩目的数字景观、风景园林视觉、风景园林听觉、风景园林风湿热舒适度等与风景园林主观感受分析评价相关领域的研究与应用,仍然具有重要的启示意义和指导作用。设想在不远的将来,在深入发掘意境的主观感受机制与评价理论的同时,基于本文阐述的风景园林感受量化评价的客观信息转译方法,对于风景园林意境予以数字量化,进一步在风景园林规划设计中实现风景园林意境信息数字量化与意境信息的时空转换的“天方夜谭”,对此,作者充满信心和期待。

    注:文中图片均由作者绘制。


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    (编辑/曹娟)