三维点云模型辅助下的风景园林空间结构信息提取、转译与解读

 1. 空间信息提取——从整体到要素

1.1 风景园林空间整体信息获取

三维激光扫描是获取复杂空间形态的有效技术方法，其原理是通过连续旋转发射激光的目标反射将扫描地物的空间位置信息以点云的形式进行记录。该技术可以快速地获取海量三维坐标数据（X,Y,Z）以及颜色数据（R,G,B）,具有高效、高精度、数据可测量等优点，目前也已广泛应用于林业调查、建筑遗产保护、数字城市等研究领域。获取到的风景园林空间三维点云模型真实地记录了植被、建筑等地物要素影响下的空间外部形态，直观地还原了公园的空间全貌。在此基础上，点云分类工具可进一步根据地物要素的属性将点云分类到不同的点云集合，诸如地表、植被、建筑、高压线等（图1）。

图1  风景园林空间点云模型及点云分类提取（以南京情侣园为例）

1.2 空间结构要素模型提取

结构网络将事物整体构成关系表现为由“点”及节点之间关系“线”构成的集合，以体现网络节点之间的衔接关系，反映个体在结构网络中的布局特征，以及结构整体的构成特征。在风景园林设计中，“点”代表由植被、建筑等地物要素围合出的活动空间单元，而“线”则代表起着衔接作用的过渡空间。前文获取的三维点云模型记录的是完整、连续的风景园林空间信息，研究需通过点云数据的分析处理，将结构要素空间从整体模型中界定并提取出来（图2）。

图2  空间单元和过渡空间的界定与提取

2. 空间信息转译——从实体到网络

2.1 结构要素属性描述

由提取出的结构要素点云模型可知，风景园林空间单元与过渡空间是丰富多样且形态各异的。空间单元之间的差异性体现在大小、疏密、开合、聚散等形态变化之中。对于研究聚焦的空间结构而言，空间单元的大小和疏密对空间整体结构的呈现影响最为显著，故本研究根据单元面积和郁闭度特征，将空间单元的划分为四个等级。过渡空间的属性特征会决定相邻单元之间的衔接关系，包括过渡空间的密度、长度、截面面积等。本文纳入连通度（SC）这一复合指标因子描述相邻空间单元的三维连通关系。过渡空间如同相邻空间之间流动的“导体”，相邻空间流动、转换必须经过过渡空间“导体”而完成。参考物理中“电导”的计算公式，可定义将连通度的计算方法（图3）。

图3  过渡空间连通度的计算方法

依托前文提取出的空间单元与过渡空间的三维点云模型，在ArcGIS与CloudCompare软件平台中计算处理点云信息，计算分析描述空间单元与过渡空间的属性特征的指标因子，实现空间单元的等级划分和过渡空间衔接特征的定量描述。

2.2 结构网络赋值呈现

在明确空间单元以及过渡空间分布的基础上，在CytoScape平台中可初步搭建风景园林空间整体结构网络。结构网络图显示，无论是空间单元或是衔接单元之间的过渡空间均是构成整体结构的一个部分，这些结构要素之间既相互联系、有机结合，又被整体结构网络所制约。输入计算分析得出的空间单元等级和过渡空间连通度数据，并通过节点色彩区分空间单元等级，用连接线的粗细代表过渡空间的连通程度，可以将结构要素属性在网络模型中直观地呈现出来。赋值后的结构网络既能体现空间整体的结构关系，也能体现丰富多样的空间单元以及空间之间的连通、渗透关系，更适用于风景园林空间（图4）。 

图4 赋值后的风景园林空间结构网络图

3. 结构特征解读——从图示到指标

风景园林空间结构特征的解读可以从个体结构网络、局部结构网络和整体结构网络三个角度展开。个体结构网络是由特定空间单元和与之直接相连的若干空间单元所构成的网络，用于研究个体单元与周边空间的连接属性和关系，其特征测度因子包括衔接次数、总连通度、接近中心性等。局部结构网络研究的是特定区域内部若干空间集群之间的结构关系。在大尺度的公园绿地中，为了适应场地格局、功能或主题组织等方面的需要，往往通过分区进行统筹。每个分区内部即构成了一个局部结构网络,若干局部网络又进一步组织成的空间结构整体。描述局部和整体网络结构特征的因子包括网络密度、网络中心度、网络关联度和网络丰富度等。其中，网络密度用于测度各节点之间联系的密集程度‌；网络中心度体现了结构向某个节点集中的趋势，用于衡量整体结构的均衡程度；网络关联度衡量的是结构单元之间的整体连通程度，是对单元群体之间流动、渗透关系的测度；网络丰富度描述了结构网络中单元类型的异质性程度。

南京情侣园案例分析结果显示，在28组个体结构网络中，单元U15是最核心的空间单元（图5）。U15与相邻5个空间单元衔接且均具有较强的渗透关系，总连通度为710.82，接近中心性为84。可见，单元U15居于网络结构中心且便于到达，同时也与多个空间单元彼此咬合、渗透与流动。在实际的空间使用中，单元U15也是情侣园人群最为聚集、活动频发且空间层次最为丰富的区域。在由水系分隔而成的3组局部网络中，中部片区空间聚集趋势显著、空间组群之间关联紧密、节点类型多样且主从有序（图6）。其网络密度（ND=0.33）、网络关联度（NCO=0.18）、网络丰富度（NR=0.45）和网络中心度（NCE=0.27）均高于其他两个片区。

图5 南京情侣园个体网络属性分布图

    图6 南京情侣园局部网络属性分析图

结语

研究尝试运用科学方法与数字技术，对空间结构这一经典议题展开研究，初步探索了适用于风景园林空间的结构研究方法。在空间信息提取阶段，运用三维点云扫描技术与空间信息分析处理方法，实现空间整体模型获取与结构要素的界定和提取。在信息转译过程中，定量描述空间单元属性以及过渡空间的衔接关系特征，并将结构要素属性在结构网络中进行可视化呈现。在分析解读阶段，提出个体、局部和整体三个结构分析视角及其指标因子，实现从微观到宏观的空间结构特征定量解读。研究提出的结构网络建构与分析方法可为风景园林空间的相关研究提供新的思路与工作路径，例如优秀案例解读、组织模式归纳、设计方案调控等,亦可为建成风景园林空间整体布局的优化提升提供决策依据。

注：本文由“数字技术引导下的风景园林空间构成”系列研究整理而成，部分成果发表在Environment and Planning B-Urban Analytics and City Science、Spatial Cognition & Computation和中国园林等期刊。文中图片均由作者自绘。