长城视觉景观资源及感知区位计算方法
时间：2023-03-04 16:05:05 来源：千叶帆 本文已影响人
郭 风 华，孙 宝 磊，李 家 慧，李 仁 杰,3,4，邢 倩，张 振 冉,3*
(1.河北省科学院地理科学研究所/河北省地理信息开发应用技术创新中心，河北 石家庄 050011；
2.河北师范大学地理科学学院，河北 石家庄 050024；
3.河北省高等学校人文社会科学重点研究基地“河北师范大学地理计算与规划研究中心”，河北 石家庄 050024；
4.河北省环境变化遥感识别技术创新中心，河北 石家庄 050024)
国家文化公园是大型文化遗产保护的新模式和优秀文化展示的新方式，通过建设多功能、公益性和大尺度线性空间塑造国家象征、促进全民族文化认同[1]。长城是依托自然环境建设的军事防御工程，属超大型、跨区域线性文化遗产[2]，基于TripAdvisor、Flickr等社交媒体数据的研究表明，长城是中国国际旅游形象的主导贡献元素[3-6]，相关问卷调查结果也表明长城是入境游客重要吸引物之一[7-11]，是能代表中国文化的符号[8]，因此，国家明确提出建设长城国家文化公园的具体方案。视觉是感知长城景观价值的基本条件，但已开发景区可供感知长城意义的场所尚少，无法满足国家文化公园对深度体验长城系统之美、意境之美和功能之美的要求，文物普查和旅游资源调查也未提供长城本体的视觉感知区位信息，因此，从视觉感知角度全面挖掘长城资源价值，寻找能感知长城意义的区位，为提升长城体验效果提供关键信息，是建好长城国家文化公园的基础保障。
可视分析在阐释长城美学、文化价值和功能等方面具有特殊价值。例如，基于数字地形数据和可视分析方法验证烽传系统信号传递功能[12]，进而划定遗产保护范围[13,14]；
综合可视分析和密度分析、路径分析等开展防御功能、设施和聚落选址、价值评估以及长城与环境背景的关系研究[15-17]。但基于视觉角度全面开展长城景观资源价值的系统研究较少，且对长城景观整体性、系统性和层次性的认知不足[18,19]，导致游客对长城历史文化意义的认知较弱[20]。针对当前长城国家文化公园建设需求和长城视觉景观资源价值挖掘不充分的矛盾，本文从视觉感知角度拓展长城景观资源的概念和内涵，并设计视觉感知区位计算方法，以期为构建能承载本体及语义感知等关键信息的长城视觉景观资源数据库提供支撑。
1.1 长城视觉景观资源
人与自然之间的联系和美学高度相关[21]，景观的原意是风景，即强调视觉的美学意义。美国土地管理局的景观定义强调“基于视知觉的景观相对价值”，其本质仍为风景评价[22]；
欧洲风景公约定义的景观是人与自然的活动或互动区域。景观价值的3个核心内容是自然框架、文化传承与审美体验[23]，其中审美体验是人与环境联系的主要途径。俞孔坚从人地关系系统视角将景观作为社会精神文化系统的信息源，人类不断从中获得包括美感在内的各种信息，进一步形成丰富的社会精神文化[24]。上述研究均直接或间接说明视觉是景观功能、美学和文化价值感知的基本方式。
长城视觉景观资源是长城本体(包括本体元素及其建构的烽传系统、防御系统、关堡聚落等景观子系统)、承载本体语义的环境背景及视觉感知区位等关键信息组成的整体。该定义具有两个特点：1)突破仅将长城本体作为资源的概念，突出长城景观系统的整体性、结构性和文化语义特征；
2)聚焦人地关系感知，强调视觉在景观系统功能阐释、文化解析和美学意义呈现的关键作用，支持遗产保护和休闲体验双重价值。如图1所示，图中绿色区域代表长城资源本体，其周边区域构成环境背景，视觉感知区位可能位于本体(感知区位A)、环境背景(感知区位B)内或本体和环境背景之外区域(感知区位C)。对于功能、美学和历史文化意义明确的长城文化遗产，其资源本体、自然与社会文化环境背景和视觉感知区位均应纳入景观资源范畴。只有基于全维度、系统性景观价值挖掘的视角，长城文化遗产保护与可持续发展工作才不会局限于“有什么”的资源统计，而是通过回答“为什么重要”阐释地理环境特质，最终实现因地制宜的规划与管理[25]。
图1 长城视觉景观资源概念的内涵解析
1.2 长城视觉景观感知区位的价值
在全域范围内计算长城视觉景观资源感知区位，寻找体验长城景观价值的特殊视角，对于理解长城功能、美学和历史文化意义具有重要作用。另外，阐释长城功能的典型感知区位也是体验者游览过程中建构长城意义的关键节点。景观空间序列是景观环境的叙事过程，观察者通过对各个空间的感知、比较、联想建构完整的景观印象[26]。景观设计和遗产廊道开发应体现景观系统性和整体性[27,28]，通过巧妙设计关键节点建构空间叙事的路径线索。利用通识计算和视域分析可以揭示长城系统功能的关键位置。从长城景区到文化公园的演进，需要基于不同类型、尺度的景观视觉感知区位的巧妙设计，形成特定主题和意义的感知空间组合，进而在不同的场景体验中逐步建构长城的完整意义。
基于上述分析，本文设计了以语义特征点为纽带的可视计算信息组织模式，通过可扩展栅格结构承载特征点视觉感知区位信息，以支持景观语义提取和价值评估(图2)。首先，根据长城视觉景观资源类型、结构功能和美学意义等，提取本体及环境背景语义特征点并进行编码；
然后，计算每个特征点可视域栅格并将所有特征点可视域栅格叠置，记录各栅格所有可视特征点的编码组合，实现视觉感知区位信息集成；
最后，挖掘不同栅格(基本视觉感知区位单元)的可视语义特征，实现长城视觉景观资源的价值挖掘。
图2 承载景观系统语义特征点视觉感知区位信息的栅格组织原理及计算逻辑
2.1 资源分类与特征点选取
语义特征点选取要充分考虑长城本体及其环境背景语义，选取的特征点组合能为观赏者提供充足信息，以通过视觉感知建构景观意义。另外，特征点选取数量要考虑可视分析的DEM分辨率和精度。例如，基于30 m分辨率DEM，烽火台景观在垂直方向取1～2个点即可；
墙体可根据长度和地形背景特征选取，取点间隔一般不低于DEM 2倍分辨率。随着DEM分辨率提高，可适当提高特征点取点密度。部分代表性长城视觉景观资源分类代码及语义特征点选取规则如表1所示。
表1 代表性长城视觉景观资源分类代码及语义特征点选取规则
2.2 语义特征点编码组织
在长城视觉景观资源分类代码和语义特征点选取规则基础上，借鉴已有景观感知计算思路[29,30]，进一步创新视觉感知区位信息组织模式，为每个语义特征点分配承载多元语义信息的唯一编码(包括所属长城系统、子系统区段、资源大类、结构/功能语义次序、要素子类5类信息)。例如，表示山海关长城系统老龙头区段某个马面景观的语义特征点编码为“SHG-A-A0301D”，其中“SHG”表示该特征点所属山海关长城系统，第一个字母“A”表示山海关长城系统中的老龙头区段，第二个字母“A”表示长城本体要素类型，“03”表示马面景观属于该区段的第3个特征点(组)，“01”表示该特征点组的第一个特征点，“D”表示马面的类型码。其他城墙、烽火台、敌台等本体要素以及环境背景要素采用相同的编码规则。
2.3 视觉感知区位的景观语义解析
借助数字地形和GIS栅格分析可以提取每个栅格具有可视条件的语义特征点集合，通过分析其空间结构和分布模式，并结合特征点编码、特征点之间的结构/功能语义次序和类型等信息，可以评估该位置对长城特定景观系统的视觉感知语义完整性和总体质量，最终形成对长城景观特定区域的视觉感知精细刻画。
对于较小规模的景观要素单体或景观系统，可以从视觉感知区位栅格中直接提取最优感知区位集合。例如，要阐释长城烽传系统信号传递功能，至少应选择能看到3个以上顺序排列烽火台的感知区位；
感知长城蜿蜒曲折、碉楼林立等美学特征的区位，应选择可以看见一段绵延长度不小于2 km、包含若干敌楼/敌台的墙体，两侧均有一定弯曲延展部分和地形起伏背景特征。当景观系统复杂性较高或景观规模较大时，单一感知区位不能满足景观语义完整视觉感知需求，需要不同语义视觉感知区位的有机组合形成最优感知区位链，以帮助旅游者实现对景观系统结构、层次性和秩序美等方面的视觉体验过程。例如，山海关长城防御功能需通过老龙头入海长城、天下第一关和角山长城等不同子系统的多视觉感知区位组合，形成对城墙、关堡、烽火台和环境背景等的综合感知，逐步建构长城防御功能的系统性景观语义(图3)。
图3 长城景观系统视觉感知机理与过程示意
基于不同主题情景还可以设计不同的最优感知区位链，以形成多元化主题游览线路，满足公众邂逅长城的新奇和刺激体验，以建构长城的完整意义，实现精神文化需求的精准供给，提升长城文化和景观体验质量。
山海关长城是明长城东端起点，是山海之间重要的军事要塞、防御功能典型区段，包括老龙头、南翼长城、关城、北翼长城、角山长城、三道关长城及九门口长城等子系统。本文选择“老龙头—山海关—角山”长城段作为视觉景观资源感知区位计算案例区(图4)，该段长城全长28.3 km，涉及长城墙体10.5 km，包括关堡5座、烽火台1座、敌台7座、马面8座。
图4 实证研究区域环境背景及长城本体区位
3.1 数据处理与信息组织
采用全国文物普查数据，结合ArcGIS Earth三维虚拟景观系统修正补充“老龙头—山海关—角山”长城段相关信息，最终生成本体数据集；
环境背景数据中，采用ALOS 12.5 m DEM作为研究区基础地形数据；
采用清华大学宫鹏团队研发的From10数据集，提取本区域10 m分辨率地表覆盖细分数据集；
水系、聚落、交通等其他地理要素来源于中国1∶100万基础地理数据集和OSM开放数据集。
根据前文描述的长城本体及环境背景语义特征点选取规则和编码方法，对长城景观系统进行子系统划分，并解析不同子系统本体要素的结构和功能语义关系，完成语义特征点选取和编码，各子系统不同类型景观要素编码样例详细信息如表2所示。
表2 山海关长城“老龙头—山海关—角山”段不同类型景观语义特征点编码样例
3.2 语义特征点视觉感知计算结果分析
基于GIS可视域分析生成各特征点的可视域栅格，即该点的视觉可感知区位，墙体、敌台、烽火台3个本体要素和环境背景(海平面)的语义特征点2 km视觉感知计算结果如图5所示。4个特征点可视特征为：关城1号墙体特征点(SHG-C-A0101A)可视面积约5.5 km2，可视域占比44.01%，连续可视域主要位于关城内的东城社区、关城外长途汽车站和莲花湖公园等区域；
角山2号敌台(SHG-E-A0301B)可视面积约6.1 km2，可视域占比48.87%，连续可视域主要位于敌台东西两侧山坡、南侧农用地以及东南居民地等区域；
上庄烽火台(SHG-E-A0501C)可视面积约5.3 km2，可视域占比42.07%，连续可视域主要位于西侧角山长城段、东南侧农用地及居民地等区域；
海平面特征点(SHG-A-B0101F)陆地可视面积约0.4 km2，占陆地区域的9%，连续可视域位于老龙头景区南北两侧近海岸等区域。
图5 长城本体和环境背景等不同类型要素语义特征点2 km范围可视区位特征
3.3 视觉感知分析与最优感知区位链
在语义特征点视觉感知计算结果基础上，按照子系统划分方案集成可视栅格，统计分析各栅格可视特征点的数量、类型和功能语义关系，获得老龙头入海长城段、天下第一关箭楼、关城与角山长城防御功能、角山长城等子系统的景观视觉感知区位信息，并结合地表覆盖类型和地理要素分布特征，最终确定景观感知区位链的设计方案。
如图6所示，老龙头入海段(图6a)共计6个特征点，最高感知量栅格可见全部特征点，2 km搜索域内能看到5个及以上特征点的区域有0.43 km2；
可视特征点数量多且类型齐全的感知位置在老龙头南北两侧近海区域，其中西南侧和北侧人工建筑较少的近海区域为最优感知区。天下第一关箭楼(图6b)共计4个语义特征点，最高感知量栅格可见全部特征点，2 km搜索域内能看到3个及以上特征点的区域面积达6.05 km2；
综合考虑区位环境特征，确定关城内东北侧古城街道为城内最优感知区，关城外东北开阔广场区为城外最优感知区。关城与角山长城防御功能子系统(图6c)共提取22个特征点，最高感知量栅格可见18个特征点，可视特征点达13个以上且可同时感知角山长城和关城的区位分布在关城南侧、东南侧等区域；
综合考虑可视域连续程度和区位环境等因素，确定莲花湖公园东南侧和石河东北侧1 km交通线及周围区域为最优感知区。角山长城子系统(图6d)共20个特征点，最高感知量栅格可见16个特征点，角山长城外部及关城西北侧交通线附近村庄、农田等区域可视特征点达15个以上，可视域连续性较好，可作为远距离感知的较好区位。角山1号敌台和3号马面附近特征点可视数量均在8个以上(图6e)，其中1号敌台附近城墙段可视要素类型齐全且连续性较好，可作为近距离感知本体要素的较好区位，3号马面北侧城墙段对山顶、山脊线等环境背景的可视效果较好，可作为环境背景近距离感知区。综合不同子系统景观视觉感知区位特征，形成老龙头—山海关—角山长城系统景观感知区位链的最终设计方案，区位链长度约15.45 km，包括5个语义感知区位组合，9个语义感知节点，形成长城内、外两个分支链，并在角山长城合二为一(图6f)。视觉感知区位链可从任意一段开始，在语义阐释能力方面双向同效，游客也可以从任意中间节点开始，选择某个方向拓展体验。
图6 老龙头—山海关—角山长城区段不同景观子系统最优视觉感知区位与视觉感知区位链设计
本研究从视觉景观资源角度切入，尝试回答长城国家文化公园中“看什么”“在哪儿看”和“怎么看”的系列问题，以呼应对长城文化遗产价值深度呈现和系统阐释的现实需求。首先，明确提出长城视觉景观资源是由本体、环境背景及视觉感知区位等信息组成的观点，将长城景观从本体分布范围扩展到视觉可以感知的更大空间域，强调感知区位在长城美学、功能和文化语义阐释等方面的重要价值和意义。尽管也有研究将线性遗产的影响域、辐射域作为遗产的构成要素[31]并划定遗产保护缓冲区，但影响域或辐射域概念对资源分布域的刻画相对模糊，保护缓冲区则更强调狭义保护边界，两者均未考虑人与遗产景观的互动关系。而视觉景观资源则充分考虑不同尺度景观系统及其要素的语义特征，表达结果直接体现视觉感知的空间分异特征，可以为资源保护和开发提供精准支撑。第二，设计实现了长城视觉景观资源感知区位计算方法。该方法通过明确长城视觉景观资源语义特征点的选取规则，在GIS视域分析基础上，可以将长城景观系统中所有本体和环境背景要素语义特征点的视觉感知区位信息集成组织，支持提取每个栅格位置的可视特征点编码集合，进而解析不同位置的特征点组成与空间模式，挖掘其中隐藏的长城结构、功能、文化和美学语义信息，实现对任意位置的长城景观视觉感知特征精细刻画。第三，以“老龙头—山海关—角山”长城区段为例开展实证研究，在获取各个景观子系统视觉感知区位信息的基础上，综合考虑感知效果和感知区位的环境特征，设计了该区段长城的最优感知区位链，实证研究初步体现了长城视觉景观资源概念的理论价值和实践意义，证明了视觉感知区位计算方法的可行性。
景观感知区位链设计是建立长城文化空间叙事线索的新尝试，能引导旅游者在与景观互动的过程中体验长城与环境融合的系统之美，建构长城历史、文化和美学的完整意义，对长城国家文化公园规划设计具有潜在应用价值。研究结果有助于在大空间尺度上发现多样化的长城感知区位，支撑长城文化游憩廊道、步道或风景道规划设计，有效调节已开发景区的环境承载压力；
可以满足长城沿线各类资源组合开发和遗产整体保护，形成文旅复合型区域产业模式[32]，使长城真正成为地方居民的生活家园和游客深度体验的场所，呼应国家文化公园建设对长城价值呈现和阐释的重要需求;长城视觉景观资源价值挖掘可以产生系列成果，有助于全面寻找“感知长城的地方”，为长城国家文化公园长期建设和可持续发展奠定基础;进一步研究视觉景观资源的评价标准、数据库设计、优化视觉感知区位信息组织结构，提高视觉感知计算效率等，有可能将长城视觉景观资源的研究方法扩展至大运河、长征、黄河等不同类型的大尺度线性景观系统，有助于旅游者系统体验国家公园和国家文化公园的生态功能、美学意义和历史文化价值。
考虑到文化遗产景观类型的多样性、语义复杂性等特点，本研究仅提出了带有类型约束的长城视觉景观资源概念，能否将此概念进一步拓展以适应不同文化遗产甚至自然景观，还需进一步探究；
同时，将视觉感知区位信息作为景观资源的组成部分，亦从人地关系的视角出发，更注重表达人与遗产交互过程中的体验过程，在后续资源价值综合评估中需进一步协调资源本体和用户体验的耦合效果问题。此外，长城视觉景观资源感知区位计算方法仍待完善：1)真实性和完整性是衡量遗产价值的重要标尺[33]，本文提出的语义特征点选取原则有一定主观性，不同规模尺度的转换标准尚不明确，导致特征点在表征真实性和完整性方面很大程度上依赖专家经验；
2)由于没有考虑地表覆盖物高度对视觉感知的影响，计算结果精度仍有待提高；
3)当前编码方法和计算过程缺少对遗产景观时间语义的组织设计。
