学术交流ACADEMIC COMMUNICATION
谈虚拟现实技术在西湖景观分析中的应用

作者:  日期:2016-04-08  字体:【

APPLICATION OF VIRTUAL REALITY TECHNOLOGY IN WEST LAKE LANDSCAPE ANALYSIS

黄文柳  裘斌  卓泳

HUANG Wenliu;QIU Bin;ZHUO Yong

【摘要】杭州西湖东岸城市发展与西湖景观的关系长期受到各界重视。特别在上世纪八十年代末期高层建筑快速发展,使杭州“三面云山一面城”景观风貌格局受到威胁,由此推动了杭州对西湖景观分析方法的研究。本世纪初,杭州开始探索以虚拟现实技术替代以往的透视计算方法和计算机影像与照片合成法,建立了完善的数字模拟西湖景观分析系统,并应用于规划编制和管理过程中:包括对西湖东岸景观控制地区进行全域化基准高度校核;在规划阶段对城市重点区域开展西湖景观整体预评价;在规划条件制定和建设方案编制阶段开展专项景观评估等。下一步,杭州将集成规划与方案制定、项目审批与管理、遗产监测预警等方面需求,建立全阶段、开放式的西湖景观控制服务平台。

ABSTRACT: Hangzhou city east of West Lake and the development of West Lake landscape has long been the attention from all walks of life. Especially in the eighties of the last century at the end of the high-rise building rapid development, the Hangzhou "three sides Yunshan side of city landscape pattern is threatened, thus promoting the study of Hangzhou on the West Lake landscape analysis method. At the beginning of this century, Hangzhou began to explore the use of virtual reality technology to replace the previous methods of X-ray calculation and computer imaging and photo synthesis, establish a sound digital simulation of West Lake landscape analysis system, and applied in the planning and management process:Including global height reference check on the east coast of the West Lake landscape control area; in the planning stage on key areas of the city to carry out the pre evaluation of the whole landscape of the West Lake, in conditional planning formulation and construction plan preparation phase to carry out special landscape evaluation etc.. Next, Hangzhou will integrate planning and program development, project approval and management, heritage monitoring and early warning and other needs, the establishment of a full stage, open style West Lake landscape control service platform.

【关键词】虚拟现实技术;数字模拟;景观分析;西湖东岸

KEYWORDS: virtual reality technology;digital simulation;landscape analysis;east of West Lake

   

    杭州的西湖景观分析工作起步于二十世纪八十年代末期。因当时西湖东岸开始出现高层建筑,杭州自南宋以降所形成的“三面云山一面城”景观风貌格局正受到东面城市界面不断长高趋势的影响,长久以来城与湖之间均衡的比例关系面临被破坏的威胁,西湖景观问题开始受到国内各界的广泛关注和热议。在这种背景下,杭州市提出要对拟建设项目开展西湖景观分析,以直观、客观的方式预见、评价项目建设对西湖景观的可能影响和影响程度,做到防患于未然。

    景观分析技术从起步至今只有短短二十余年,期间经历了从无到有、从手工透视计算到数据化地形定位、从照片叠合到场景模拟、从静态观看到动态仿真的极大发展。而促使西湖景观分析技术得到跨越发展的,正是虚拟现实技术的应用。二十一世纪,是国内虚拟现实技术方兴未艾并在各行业广泛应用的时期,杭州开始尝试利用虚拟现实技术构建环西湖数字模型系统,辅助西湖景观分析,以真实、准确、多视角、动态的场景化模式,替代以往的人工计算和人工合成技术,为政府部门准确预判拟建区域或项目建成后的预期效果并提出科学的论断及决策,提供了技术支撑。2007年,配合西湖文化景观申遗工作,杭州启动了《杭州西湖东岸城市景观提升工程规划》和《城湖空间控制规划》专项研究,建立了系统的西湖景观评价体系,配合环西湖数字模型的逐步完善,形成了完备的西湖景观审核机制,使原本以“视觉感受”为依据的景观评价标准上升到理性的标准化、定量化层面。本文从杭州西湖景观分析的发展历程入手,介绍当前虚拟现实技术在西湖景观分析中应用的方式、方法和评价体系等。

 

数字模拟西湖景观分析的发展背景

1.1  西湖景观分析发展历程

    从上世纪80年代末至今,杭州的西湖景观分析技术发展大致经历了三个发展时期:

首先是1980年代末至1995年间,杭州针对城市空间尺度控制开展了从定性分析到定量分析的系统研究,形成了《杭州空域规划研究》。在该研究中,不仅提出了城市与西湖风景相协调的一些基本原则,如城市与自然风景接触的部分要有过渡地区和过渡地带,西湖沿岸城市要有视线廊道等可渗透空间,城市与风景之间的视觉量要均衡等,还在此基础上提出了以“透视计算”为基础的简单易控的景观分析方法:即以湖心亭为主要视点,建立面向西湖的,东北、正东和东南三个方向上的城市建筑轮廓线,基于审美价值取向的视觉量模型,作为景观分析视觉评价的基本标准。拟建设项目通过详细的定量计算和视觉量模型比对,提出景观分析评价意见。如在锦带桥视点时对拟建于解放路上的市电信综合楼进行西湖景观分析(图1),通过计算得出拟建建筑的透视高度、宽度后,绘制于现状照片中再进行景观评价与分析。

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图1  运用透视计算开展西湖景观评价分析案例

Fig.1  A case study of West Lake landscape evaluation and analysis using the perspective of perspective.

资料来源:杭州市电信综合楼西湖景观分析项目,杭州市城市规划设计研究院提供

    紧接着,是从1995年前后到2000年期间,随着计算机图形图像技术的广泛应用,在景观分析过程中逐步将原有复杂而繁琐的透视计算交由计算机完成。具体方式上,一方面于各主要视点拍摄并拼接形成完整的环湖地区照片作为工作底板;另一方面由计算机构建建筑的三维模型,并模拟照片拍摄的视点位置输出透视影像;然后采用影象合成技术将两者叠加,形成拟建设项目在东岸城市界面的模拟效果表现(图2)。

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图2  采用照片与影像合成法对西湖文化广场项目方案进行西湖景观分析案例

Fig.2  A case study of West Lake Cultural Plaza project is conducted by using the method of photo and video synthesis.

资料来源:杭州市西湖文化广场西湖景观分析项目,杭州市城市规划设计研究院提供

    本世纪初开始,杭州将虚拟现实技术与西湖景观分析相结合,建立了包含三维景观数字模拟、景观影响技术评估、监测预警管理、规划建设审批管理等一体化、系统全面的西湖景观分析体系。经过2003年和2007年两次大规模扩充建模范围,以及结合景观分析项目评价不断优化维护模型库数据,目前杭州已经实现了约260平方公里西湖景观建模区域的全覆盖,以及相关城市建设项目的全盘掌控,对抑制建设项目负面影响西湖景观起到了关键作用。

 

1.2 数字模拟景观技术的发展内因

    西湖景观分析一直沿用了近十年的透视计算方法和计算机影像与照片合成法,尽管为上世纪九十年代开展西湖景观控制起到了相当重要的作用,但仍然在虚拟现实技术一经出现便惨遭淘汰。究其原因,除了缺少完整的景观评价标准外,景观分析技术本身的欠缺也不容忽视,主要表现在:一是控制因素单一,仅关注于建筑高度而缺少对建筑体量、色彩的控制和建筑群体组合空间的引导;二是控制手段单一,仍局限于对建筑单体透视角度的模拟后合成于照片上,其视点的一致性、合成的准确性均存在误差;三是表现层次单一,只能观测到某固定视点的静态效果,且拟分析建筑在与照片实景融合的过程中会出现层次感、距离感失真等问题;此外还包括表达成果形式简单、实时效果的演示与反馈机制弱等等。由于缺少科学的判断机制,一定程度上使西湖东岸城市轮廓线在空间层次、建筑体量、色彩、形体组合等方面所日益暴露出的问题无法预估,从而防患于未然。

    相较而言,虚拟现实技术则大行其道,与西湖景观分析相结合后无论在应用广度还是深度上,均取得了意想不到的发展和进步。整个环西湖数字景观模型系统范围覆盖西湖周边的四个方向,通过采集1:1000地形图和GIS数字影像地图的数据信息构建坐标、定位和高程准确的大地模型,通过搭建与杭州地理信息系统一体的数据平台,获取依建筑竣工图而构建的现状所有建设项目的三维仿真模型,将西湖周边山体、建筑与城市的空间关系真实地还原出来。在此基础上,系统中进一步植入城市六线、机场净空等地域、空域控制要求,景观评价的定位、定量化尺度标准,以及建设项目多方案比选和实时方案调整系统,从而使拟建项目与周边环境关系的更加清晰,与规划控制要求可以进行直观比对,并可以从不同视点与视角、和多种运动方式中判断拟建项目对西湖景观真实性、完整性的影响程度,及时调整设计方案,为专家评估合理论证、政府部门科学决策、广大公众理解规划意图搭建了理想的平台。

    正是因为基于虚拟现实技术的景观分析手段很好地弥补了原景观分析方法在真实度、准确度、形象度和实时动态等多方面的不足,使得环西湖数字模拟西湖景观分析得到快速发展并广泛应用起来。

 

数字模拟西湖景观分析系统建构

2.1  确定分析视点

    景观分析一般由视点、视距和视物三项要素构成,景观评估主要围绕三者之间的关系而展开。对于建立数字模型系统来说,其关键核心是代表性视点位置的选择。杭州自上世纪九十年代开展景观分析工作之际,以西湖东岸城市控制为目标(视物),按照代表性、目的性、距离原则,确定了湖心亭、三潭印月、柳浪闻莺、锦带桥、花港观鱼码头等视点;以后随着拟分析项目增多和景观分析工作深入,逐步增加了断桥、平湖秋月、苏堤沿线各桥、西湖国宾馆和西子国宾馆、大华饭店、湖滨码头等分析视点,对应于城市发展不同区域的西湖景观分析。直至2007年前后,伴随西湖申遗及相关配套规划的开展,在系统整梳理了西湖景观的发展历程、审美价值、风景意向后,以“西湖十景”为总纲,以西湖文化景观遗产城湖空间特征的真实性和完整性保护为目标,提出了能够代表西湖四个方向且非常重要的景观分析视点,以保证全方位观测城市与湖山之间的空间关系。

    按照《杭州西湖文化景观保护管理规划(2008-2020)》(为杭州西湖文化景观申报世界文化遗产时编制的保护管理规划,是当前西湖遗产保护的法定规划之一)要求,杭州制定了《杭州市西湖东岸景观控制规划》,从西湖整体保护的角度,选取了湖内三潭印月、湖心亭等17个平视视点和湖外吴山、宝石山、雷峰塔三个俯瞰视点作为西湖东岸城市景观的控制视点(图3)。根据各视点的文化景观遗产价值和景观敏感性,由高至低将视点分为一、二、三级(表1)。另外,为充分发挥数字模拟西湖景观分析系统的功能,在静态视点基础上提出了沿苏堤、白堤和湖上三条连续视带,通过设置连续观测路径,动态、连续地对某区域或单体建筑进行观察,分析拟建项目对西湖景观的影响程度。

表1  西湖景观分析视点分级一览表

Tab.1  West Lake landscape analysis viewpoint classification list

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资料来源:《杭州市西湖东岸景观控制规划》项目,杭州市城市规划设计研究院提供

图3  西湖景观分析视点分级及位置图

Fig.3  West Lake landscape analysis viewpoint classification and location map

资料来源:《杭州市西湖东岸景观控制规划》项目,杭州市城市规划设计研究院提供

2.2 明确视点所对应“视物”(区域)

    视点确定后,对于每一个平视视点,将360º视界内的西湖景观划分为城市控制界面、吴山山体空间保护带、宝石山山体空间保护带和西湖北、西、南三面云山保护带四个部分,不同视点对应城市的不同区域,并按照最不利或最敏感视点的要求对西湖东岸的城市景观实施全域控制。表2按照城市重点地区对应的敏感视点列出了景观控制重点和内容。

视点与视物景观控制关系一览表

Tab.2  A view of the relationship between viewpoint and visual landscape control

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    最初的西湖景观分析评价标准研究可见于《杭州市空域规划研究》,研究中提出要重点保护控制宝石山、吴山与城市之间的过渡带,结合城市发展在武林广场、城站广场和官巷口(即中山路和解放路交叉口附近)鼓励形成三处高层群,以形成平缓起伏的西湖东岸城市天际轮廓线等等,奠定了西湖景观评价的总体理念,后来作为重要内容纳入杭州市城市总体规划中。但在实际项目的西湖景观分析应用中,因为上述理念缺少具体定位、定量控制要求而显得难以落实。比如两山过渡带的范围如何确定,何谓平缓起伏的轮廓线等等,均未给出明确的答案,造成后来对某些敏感项目的西湖景观影响结论争议不断。因此,建立具有普遍共识性的西湖景观评价标准变得尤为重要。而评价体系的核心不外乎围绕着山体保护范围与要求、城湖空间过渡的定位与要求,以及城区范围城市轮廓线控制的要求及定量控制等几项内容展开。所幸的是,经过近几年对西湖文化景观和西湖东岸城市景观空间的不断深化研究,在尊重西湖文化景观核心审美价值与城湖历史空间演变与发展规律的基础上,基于对西湖文化景观的整体保护理念,已经提出了将定性表述转化为定位、定量相结合的详细控制要求,并建立起分层、分级、分类的相对完整的景观分析评价体系。

2.3  建立景观分析评价标准

 

数字模拟西湖景观分析系统的现实应用

    随着环西湖数字模拟景观的建模范围不断扩大,景观分析评价标准得到确立,数字模拟西湖景观分析在规划编制、专项景观评估、西湖文化景观遗产监测预警管理等领域得到广泛使用,并突破了以往只进行景观效果模拟、不评价景观影响的方式,走向景观分析与景观初审结合、控规与区域西湖景观预评价结合、敏感建设项目静态西湖景观分析与动态演示结合、建设项目景观预警评估与监测评估相结合等全面应用阶段。

目前,数字模拟西湖景观分析系统已经广泛应用于宏观、中观和微观三个层次:

3.1  宏观层次:全域化、全视点基准高度校核,提高西湖东岸景观控制体系的科学性和准确性。

    杭州在2007年西湖申报世界文化景观遗产的同期,开展了基于数字模拟景观分析系统、并对接单元控制性详细规划管理的西湖东岸景观控制体系研究。为了达到对湖东城市未开发地块的景观预控制目的,提出了“最不利(敏感)视点”对应“基准高度”的控制思路。一方面针对西湖东岸所有开发建设地块,确定相对应的敏感或最不利控制视点;另一方面基于该视点提出基本的景观控制高度(图4),被称之为地块的“基准高度”,即当新建建筑低于该高度时,不会对西湖景观产生负面影响,反之则应开展专项景观分析来论证建设项目对西湖景观的影响程度。在视点与高度论证过程中,为了达到全面、准确的目标,多次进行了理论高度测算与数字模型校核工作,为在规划管理阶段建立科学、合理的西湖景观控制体系提供了可靠的技术支保障。

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图4  经数字模拟景观分析系统校核后确定的基准高度控制规划图

Fig.4  After digital simulation of landscape analysis system to determine the baseline height control plan

3.2  中观层次:辅助重点区域的西湖景观整体预评价

    数字模拟西湖景观分析系统建立后,相对于以往最大的突破就在于实现了对一些城市发展重点区域或景观敏感性高的区域开展整体预评价工作。如望江、近江地区,由于位处吴山山体后面的敏感地带,多年来一直纠结于其合理的高度控制问题,并大多采取着单一地块逐一进行景观分析的方法,无论规划管理人员还是相关建设主体,都对区域内的西湖景观高度缺少整体认知。近年来,随着数字模拟西湖景观分析系统不断修正、完善,以及西湖景观评价原则与标准的明确,杭州实现了对处于吴山山体背后的望江单元、近江地区,钱塘江两岸钱江新城核心区、上城区公共中心区块、滨江高新区中心区等多个城市重点开发区域开展了西湖景观高度控制预评价工作。整个评价过程通过在平面上建立最不利视点、遮挡物山体和被遮挡区域的空间高度关系(图5),并在相应的湖东城市立面轮廓线上折射各视点下区域控制高度与山体的空间透视关系(图6),通过多视点分析校核,最终确定区域内各地块的西湖景观控制高度,再与单元控制性详细规划编制或控规局部调整有机结合,促进了景观控制要求的进一步合法化。

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图5  区域西湖景观高度控制预评价案例:最不利视点、山体高度平面关系分析

Fig.5  A case study of regional landscape height control in West Lake: Analysis of the relationship between the most unfavorable viewpoint and the height of the mountain

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图6  区域西湖景观高度控制预评价案例——轮廓线关系分析

Fig.6  A case study of regional landscape height control in West Lake: Analysis of location relationship of contour lines

3.3  微观层次:单体建设项目的西湖景观分析与景观审核

    杭州对建设单体项目的西湖景观分析工作最早起步,在西湖景观评价标准建立之前,景观影响的认定程序一直采用专家为主“一项目一论证”的方式,然后由市政府根据专家意见提出建设项目景观控制高度的批复意见。在此过程中,数字模拟西湖景观分析所采取的方式是向项目审查方和决策部门提供真实、准确的数字模拟景观效果,包括准确反映多视点下拟建项目所处的轮廓线位置、空间层次关系等。如对某项目的数字模拟景观分析中,主要表达分析视点与拟建项目的位置关系图(图7),输出相应的数字模拟景观效果图(图8)等。

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图7  某项目西湖景观分析视点与项目的位置关系图

Fig.7  West Lake landscape analysis viewpoint and project location diagram 

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图8  某视点的数字模拟景观输出效果示意

Fig.8  A view of the digital simulation of the landscape output 

    自2011年杭州西湖文化景观被列为世界文化景观遗产,西湖景观保护步入“后申遗时代”。西湖文化景观保护管理规划和保护管理条例成为最重要的法定文件,其中关于西湖景观价值评价标准的内容已经非常明晰地确立下来。相应地,依保护要求对建设项目所开展的西湖景观评价工作需要更加体现严谨性、科学性。同时西湖景观评价工作作为西湖文化景观城湖空间特征要素监测和预警的重要组成部分,地位和作用相当之高。为了强化景观影响预警管理,西湖景观分析从原来的土地出让后建筑方案阶段景观分析,提前到土地出让前建设项目选址论证报告阶段的景观分析,并增加了景观评估与审核程序。不仅要输出拟建项目的数字模拟景观效果,还要根据建设项目所处的西湖景观区位、景观敏感程度、最不利视点,提出景观控制高度、色彩、体量、屋顶广告及附属构筑物等控制要求。而对一些重点项目,如位于近湖地区的嘉里中心地块,还增加动态的景观效果演示,为领导科学决策提供全方位的技术支撑。

 

    杭州的西湖景观分析评价经历了二十年的探索与实践,并在虚拟现实技术走向成熟的二十一世纪,实现了跨越式大发展。回望过去,它为西湖成功申遗提供了可靠的技术支持,为杭州西湖东岸的城市景观能够得到有效控制做出了卓越的贡献。下一步,杭州将重点围绕西湖文化景观监测预警平台构建、建设项目三维景观审批,对平台系统衔接、景观评价要素设定、遗产监测与反馈机制等方面进行优化完善,并力图将数字模拟西湖景观分析系统进一步推向设计、管理平台的一体化,建立规划编制、规划审批到批后管理全阶段、开放式的西湖景观控制服务平台。


 

参考文献(References):

1 阳作军.趋同与重塑:杭州城市景观的历史演变与规划引领策略[M].北京:中国建筑工业出版社,2014:1.

Yang Zuojun. Convergence and Remodeling: the Historical Evolution of the Urban Landscape of Hangzhou and the Leading Strategy of Planning[M].Beijing:China Architecture& Building Press,2014:1.

2 中国建筑设计研究院建筑历史研究所.杭州西湖文化景观[Z]. 2011.

Architectural History Research Institute in China Architecture Design & Research Group. Hangzhou West Lake Culture Landscape[Z]. 2011.

3 杭州市规划设计院.杭州空域规划研究[Z].1991.

Hangzhou City Planning & Design Academy. Research on the Spatial Planning of Hangzhou[Z].1991.

4 杭州市城市规划设计研究院. 杭州市西湖东岸景观控制规划[Z].2011.

Hangzhou City Planning & Design Academy. Hangzhou City West Lake East Coast Landscape Control Plan[Z].2011.

5 张柔然.建立世界遗产价值评估与监测体系探讨[J].城市规划,2011(S1):36-42

Zhang Rouran.Discussion on Valuation and Monitoring Systems for World Heritages in China[J].City Planning Review, 2011(S1):36-42

 

 


 

作者信息

黄文柳(1971-),女,硕士,杭州市城市规划设计研究院副总工程师,高级工程师

通讯地址:杭州市西湖区文三路428号,杭州市城市规划设计研究院,310012


裘  斌(1966-),男,大学本科,杭州市城市规划设计研究院信息中心主任,高级工程师 

卓  泳(1970-)男,大学本科,高级工程师