3D GIS空间视觉特征量化分析
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作者:吴振东 艾小群
摘要：空间视觉关系的具身性、空间维度关系的复杂性、空间数量关系的难测度性和空间感知关系的难度量性是影响空间研究深入的主要因素。基于3D GIS空间技术，采用三维空间可视域、空间占比及太阳阴影分析因子分析了大厝空间视觉特征，为空间视觉特征量化研究方法更新提供了新视角。空间实验表明：小体量大厝整体可视域呈现两个峰值，中、大形体量大厝整体可视域变化加大;大厝深井空间体积分布以递增的形式发展，空间整体体量越小，深井空间占比越大;大厝建筑形制充分考虑了其受到建筑整体朝向的影响，并做到了有效的规避。
关键词：空间视觉特征;三维可视化;可视域;体积比;阴影体;3D GIS;泉州大厝
作者简介：吴振东，艺术学博士，华侨大学机电学院讲师，主要研究方向：人机交互设计、用户体验研究、空间分析（E-mail：wzd@hqu.edu.cn）;艾小群，华侨大学机电学院副教授，主要研究方向：人机交互，交互媒体设计（福建厦门361021）。
中图分类号：Tu-024 文献标识码：A 文章编号：1006-1398（2020）02-0140-11
建筑空间和空间关系是设计学长期以来的热点问题，空间通过其几何、拓扑和视觉关系反映其空间营造理念与特色建造文化，空间视觉感知是观察者对建筑组构空间视觉感受、意象、体验的综合关系集合。
一空间复杂性及其量化研究意义
（一）空间视觉关系的具身性
“形而下”的物质空间作为承载人类生产活动的场所，人是空间生产活动中的主体，人依照自己的身体尺度、活动方式、感觉、运动和审美体验进行空间的营造，从而更好的进行生活。Vischer认为“存在于我们周围空间的直觉形式，是由……我们身体结构的感官体验所组成的。一旦我们了解到体验自身，并将自身置于围绕我们周围空间的中心，我们就能发现其珍贵的核心，也就是建筑创作所依赖的基础。”尽管空间体验的直观性十分重要，受制于技术，极少有研究尝试从人对空间感受进行研究，把空间的体验者视觉逻辑进行可行的表征。
（二）空间维度关系的复杂性
空间是具有方位和深度的三维空间，19世纪的德国建筑师森佩尔就认为由于人的直立行走，其营造的空间在水平和垂直方向上均进行了延伸。空间是三维属性的世界，但由于手段的缺乏对其研究维度很难开展，比如凯文·林奇就采用认知地图和调查问卷进行城市意象研究，芦原义信采用二维图示进行街道尺度的阐释，但由于过于依赖被试的手绘与表达能力或者维度解释的不足，使得研究偏向于主观和经验化。
（三）空间数量关系的难度量性
定量研究由于其能将离散的数据进行整合计算，这种基于数据的分析使得研究清晰性、精确性、可重复性都得到根本的改变。空间包含复杂的视觉、拓扑、几何等数量关系，由于空间数据的庞大繁杂，以往确实囿于技术的制约而难以测度。近年来，元胞自动机、空间句法等方法在空间关系的表征与模拟上都取得了较大的进展，元胞自动机在大尺度空间（区域、城市）等模拟计算上具有优势，空间句法由空间组构理论支撑，用以解释复杂空间现象，但两者都以抽象算法和符号工具进行计算，在强调体验的空间视觉仿真模拟上都还待加强。
空间视觉感知研究的基本目标就是回答一个特定空间哪些区域可以被看见（可视域），怎样被看见（视角、视距），哪些要素影响被看见的过程与结果（阴影、体积），运动过程中人与空间的相对关系（动态贴线率、天际线等）。在此基础上能够好的建立有效的空间知识，并进一步勾连空间特征与空间营造文化之间关系，将其发展为空间智慧，而前述的三点特性是制约其研究推进的主要因素。
二基于3D GIS的空间视觉感知量化要素分析
GIS（Geographic Information System）是以具有地理内涵的空间数据为处理对象，运用系统工程和信息科学的理论，通过空间数据的采集、管理、显示、处理、分析和输出进行空间知识发展的计算机信息系统。3D GIS与传统GIS系统最大的差异在于它借助全真实的三维数据维度扩张和地理信息系统的运算精度，能够实现空间数据分析的可重复验证、全中心性、时空维度的扩展，弥补了传统GIS的缺陷，是传统GIS进一步发展的结果。三维模型不仅是空间的可视化表达，而且是构建了客观世界的信息场域与深度解析范式，笔者总结3D GIS在仿真人的视觉感知的三个主要分析要素。
（一）全中心性下的视域分布分析
Tandy在1964年首次提出视域概念，将它定义为从特定的角度可以看到的区域。视域是一个空间结构最具有识别度的指针，是进行空间视觉感知研究的主要要素。通过视域分析，研究者能够清晰地指导特定的建筑空间中哪些是其容易被看到的区域;哪些是被遮挡的区域;哪些是影响了该空间的视线障碍;从指定的观察点我们能到看什么？通过对这些问题的分析进行空间特征归纳总结。
按照空间句法计算方法，视域被认为是通过空间中的单个点（一般为眼睛高度）并且占据相同平面（一般与地面平行）的无限数量的视线（或轴线）的总和。视域的量化分析是由模拟观察点和被观察物之间计算产生的。每个物体初始被认为是可见的，然后由计算机去计算其被障碍物进行遮挡并进行统计，它产生一个光栅表面，对于可见单元格指示“1”，而对于不可见单元格的指示为“0”，通过“二進制”计算，最后在以可视化方式进行呈现。视域又包含多个子维度包括视域、视觉开放性和视觉聚焦中心等。空间句法的视域分析在量化城市环境和空间指标得到了很好的应用，但其二维的局限性也受到了很大的限制，缺乏z轴向使得大量基于高度的空间体验关系无法得以阐释。
3D GIS利用其高程数据优势，可依靠地理坐标进行是三维观察点的布置，采用全三维数据进行遮挡计算，大幅提高了视域分析的空间维度和精度，是对空间句法视域方法的有效更新。
（二）时空关系下的阴影体分析 勒·柯布西耶认为建筑是阴影影响下的形状正确、绝妙、神奇的游戏，路易斯·康也强调“设计空间就是设计光亮”。光通过照射建筑体表现，形成空间的亮部与暗部，勾勒了建筑空间的形体与尺度关系，极大的改变了空间的视觉感知状态。一个建筑体的光照阴影首先是满足其基本的采光、遮阳等功能性需求，更进一步的是从视觉审美的感受出发，进行光影的塑造，通过建筑体勾勒光影，提升了建筑空间的氛围。建筑光影不是可有可无的，而是建筑空间营造的重要语汇，是建筑空间的重要组成要素，它和建筑体一起构成了动态的建筑空间视觉感知。要清晰的了解不同时区的阳光，就需要借助3D GIS中的阴影分析模块，通过时域设置进行阴影体分析。
3.维度关系扩展下的空间体积比较分析
阿恩海姆在《建筑形式动力学》谈到，空间作为建筑之间的关系，并不是虚空的，空间可以被知觉力所遍及、被密度所填充。视觉力不是孤立的变量，建筑体通过构成组合，由组构其成分的大小、形状、体积形成了不同空间的视觉感知特征，使得建筑空间充满了互动与饱满的视觉力场。因此，通过透析不同空间体块分布，研究其相互间的比较关系在空间视觉特征研究汇总是十分有必要的，而3D GIS的三维数据属性为该类提供技术可行性支撑。
综上，人类是通过视觉来观察和感知空间的，不同的空间特征形成了完全不同的空间感知，而对这些空间视觉感知的记录、存档、定量分析和关系拟合能够推进帮助该类空间的定性解释，笔者尝试构建一个基于3D GIS空间分析框架见图2。
三基于3D GIS的泉州大厝视觉感知量化分析案例
泉州从两汉时期，就是我国主要港口城市之一，发达的经济和文化极大的促进了居民对其府邸宅院的营造，如官式大厝、手巾寮都呈现了较强的城市性空間特征。本节通过结合实地测绘及摄影测量综合得到的三维信息，建立了7组不同官式大厝全三维数据，并对其进行空间要素分析，研究样本见表1。
（一）官式大厝内空间可视域分析
官式大厝是很典型的“中庭型”平面形制，应用三维视域矩阵的方法建立了完整的大厝空间视域分布数据及可视化，借助三维可视区域热区图，可以建立整体的大厝可视区域数据并对其进行建造文化解读。
（二）实验方法采用在ArcGIS软件中布设视点网格矩阵一设置地面与墙面视线碰撞点一构造三维视线一计算遮挡物一可视化显示一数据合并与统计，结果如图3一图9。
（三）在官式大厝中处于“四正”方位的四个厅堂分别是北面的“上大厅”，上大厅是家祠，设有祖宗牌位，后部隔着板壁的是“后轩”;南面与上大厅相对应的是“下厅”，也是门厅、过道，是临时待客之处;东西两面的厅叫做“榉头”，可供日常活动，休闲。处于“四维”方位的四个房间住着父母及其直系亲属。房屋空间布设表征一种权利关系：中=天地、北=祖先、南=次子、东=父母、西=长子。
通过可视域图像可以清晰的看到，尽管大厝的空间分布有一进、二进之分，但是空间高可见度区域基本围绕天井空间展开，从图中可以看出从深色（高可见度）到浅色部分（低可见度）的中心扩展式展开，形成“天井引导，中轴对称”的高可视区域。而围绕天井和廊道形成了大量的中等可视域空间，即灰空间，这些灰空间起到引导视觉分散及疏导交通流线的作用。
在建筑内部，大厅是大厝的核心，是闽南人祭祖的场所，同时也是家庭举行大型活动的主要地方，如安厝、举行婚礼、办理丧事、庆祝生日等仪式都会选择大厅，是室内可视域最集中的呈现。从天井的空间尺度、空间关系和使用情况来分析，天井实际上是大厅空间的一个重要的组成部分，甚至就是整个厅堂大厅的中心，不仅是日常活动的中心，也是整个建筑空间组织的核心。在这种模式中，围绕天井的四正为厅堂，四维为正房，完全是九宫格图式在民居空间形制中的体现。
主厝天井的侧面没有实体墙面围护，而只通过四个角落的四根柱子限定出了一个开敞的空间。借助官式大厝地坪高低差及主厝天井的四个角柱，限定出了天井北侧的顶厅巷道，南侧的下厅巷道，还有东西两侧的榉头口这些巷道空间。如果没有这四根柱子存在，主厝天井便无法从它四周的巷廊空间中得到明确肯定的限定和强调，也无法突出它作为整个大厝空间组织架构的核心地位。
大厝通过围合造成空间产生内外之分，包围状态限定度最强，比较封闭，从而具有强烈的包容感和居中感;借助围合的多向开口，形成了高度可视域向中度可视域（灰空间）的舒缓过度，正是由于这些开口，形成了天井结合大厅形成的内聚性空间张力，围合状态的开口越多越大，形态对外部的聚合力越强，对内部的限定度越弱。这些中度可视域巧妙地限定出了一个介于私密和开放的过渡空间，丰富了空间视觉层次。从心理上也制造出一个内部的室外空间，在这里人们有明显区别于其他内部空间的外部体验，然而前提是人们对它又有强烈的内部认同感。大厅相对于地坪标高做的凸起，突出了顶落中大厅部分空间的主体地位，也与顶厅家祠祭祖和登堂会客的使用功能相契合，使得整体的可视域得以有序排列组合。
通过整体可视域分析得以发现，泉州官式大厝“祠宅合一”“四厅相向，中涵一庭”的空间特征十分明显，空间关系十分强调祖先（天）、父母（地）和儿子（人）三个“等级”，就是以祖祠为中心向四周分出父母和子女的住房，泉州官式大厝里的“天井”和“上大厅”、榉头、下厅一起构成了一个十分流畅的视觉中心，这里的主厅堂和天井呈现的是“中心”与“外延”的“软”关系，中心到外延通过开口连通，保证了气流流通功能性的同时，也营造了一定的中度视觉可视域空间，小体量大厝空间可视域私密和开放空间占比较多，大体量大厝空间可视域私密和过度空间占比较多。
（四）官式大厝太阳阴影体分析
光影是空间关系中特殊的存在，进行定量化的阴影关系研究有助于我们深入解析地域光照条件影响下的建筑空间设计方法。笔者选取2016年泉州地区夏至日（6月21日）、冬至日（12月21日）当天中的3个时间段进行光照验证，在已知泉州大厝所处经度为118.58449左右，纬度为24.91304左右，通过suncalc提供的计算器求出其真太阳时，得出每个时间段的太阳高度角（Sun Altitude）与太阳方位角（Sun Azimuth）参数，并在Arc GIS中进行对应设置，结果如图10。从不同时间点的太阳阴影模拟分析，能完整清晰的了解大厝时间变化下的空间阴影关系。整体来看，官式大厝由于泉州地区的气候特征，为了提高居住的舒适性，主要是以遮挡强烈的日照为目的的，其天井高坡度、小开口、檐口伸出较长的建筑特征有效的隔绝了一天当中的主体日照。通过分析图可以看出，在夏令时当天，早晚时间段，天井中的阴影体占比都较小，主体空间都不受阳光直射，只有在中午太阳高度角较高的时段，天井才受到阳光直射，但直射时长较短。在冬令时时，这种遮挡效果表现的则更为明显。 值得注意的是，一般的空间阴影主要是受到建筑体的朝向决定，但是将同在蔡氏古民居群中的孝友第和蔡浅别院比较，蔡浅别院坐北朝南，孝友第主要为东西朝向，而孝友第天井受太阳直射时间也没有大幅多于蔡浅别院，这表明大厝建筑形制充分考虑了整体朝向，并做到了有效的规避。
（五）官式大厝天井空间占比分析
李允稣在《华夏意匠》一書中，就中国传统民居的群体布局问题，认为在平面组织的系统上，建筑群是以一院一组为基本单元的。多组的建筑群的院一般是首先向纵深方面发展，院与院间作行列式的排列，一直行一连串的院则称为路，在路中院与院间有纵的联系，也有横的联系，成为了一个交叉的交通路线的网。这种观点很好地概括了北方传统合院式民居采用单元重复式的群体布局方式，但是泉州官式大厝却并没有形成这样的特点，由于受到亚热带地区气候的影响，建筑间距小，有利于形成阴影，避免建筑受到太阳直晒;同时形成风压效应，利于通风。建筑两侧“冷巷”正体现了这点，窄而多风，多阴影，宜于停留。
由于缺乏定量数据的支撑，对于不同形制（单天井、多天井大厝）天井空间与整体大厝的空间对应关系及变化趋势研究就显得薄弱。为了定量大厝天井与建筑整体体积的占比关系，进而研究大厝天井建造文化与方式，笔者在此前建立三维数据基础上，采用在3ds max中通过捕捉工具匹配其外轮廓，建立天井体积体块和整体建体积体块，并导入ArcGIS中进行体积比对计算，并进行了数据统计结果如图11。
从图12可以直观看出，泉州大厝主要采用九宫格式的中庭式组合，天井一般为方正，采用“四厅相向”的格局，庭院既有采光、通风、遮阳、拔气、排泄雨水的功能需求，但又是泉州官式大厝感知特征的体现，其主入口基本上都位于中轴线上，与早期中原汉式民居的布置方式相吻合，这一点从现存宋元以前的民居遗址和一些古代绘画作品中可以得到印证。
从表2可以看出，7个样本建筑体的天井占比的均值集中在12.19%，其中前四个小体量、单天井形制大厝的天井占比均值为14.79%，后三个大体量、非标准形制的大厝天井占比均值为8.75%。通过对比大型大厝和小型大厝的深井空间体积分布，可以发现其呈现负相关关系，即空间整体体量越小，深井空间占比越大。在三间张双落为主的标准形制大厝中，天井起到明显的主导地位，承担了功能性与中路疏导的作用，而护厝中的小型天井以其轴心为核心，进行“向心合围式”的群体布局，相较天井空间，空间占比小很多，更多是只起到通风、采光等功能性作用。而杨阿苗民居、蔡浅别院等大型大厝形制更为灵活，护厝明显更多，护厝也不在强调完全的中轴线对称格局。主天井尽管还是体量较大，但已不是完全居于主要地位，其余护厝天井也起到重要的空间组织作用。
通过数据及可视化图像表明，泉州大厝天井一般居于整体大厝的中心，是采光、通风功能性需求的结果，与建筑体量的尺度比较基本占比较少，整体占比相对于其他南方民居形式都显得更为窄小，同时又形成一种半闭合的灰空间形式，用以连接小型大厝天井的空间占比明显高于大型大厝，因此形成了泉州大厝紧致、内敛的建筑文化特征。
综上，从地理因素来看，泉州处于湿热地区，同时受到亚热带多台风气候的影响，外立面尺度较小，由于其建筑的进深大，往往不利于通风。因此，泉州大厝建筑内部空间和露天空间（天井）相对尺度小，建筑灰空间（敞廊）相对尺度大。因此，通过设置天井以减小建筑内部空间进深，以利于建筑通风。官式大厝由于其敬天法祖、长幼有序的住居文化，主要采用的是“向心合围”空间布局，这种方式集中出现在闽粤两地的大型传统民居中（护厝在广东潮汕地区成为从厝），是先民在建造过程中不断总结经验，创造合理的居住环境而发生的。
空间视觉感受是个体的、体验的、直觉的，但要解析空间集体、共性、能被反复验证的认知与特征就需要依赖空间科学技术的辅助。3D GIS利用其数据维度和精度的优势，在表征空间视觉关系具身性、复杂性具有明显的优势，用量化研究支撑空间的人文解读，用人文关怀指导与服务空间技术的发展方向，共同构成空间科学多学科发展演进之路。
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