城市图示语言介绍

城市图示语言研究

摘要：论文探讨了城市空间描述的模式：形式美学模式、计算机建模模式、地理元胞机模式、生态景观规划四种模式，得出这四种模式欠缺的是对地理空间的研究。意象的研究是城市空间研究新的切入点，通过研究人类对空间的认识，才能找到合适的描述城市的方法。同时提出了城市空间描述的意象模式，阐述了其合理性和模式的基本构成：词汇＋语法规则＋语义规则。

关键词：空间信息概念模型、城市意象

空间信息是人类对于现实世界认识的重要组成部分[杜清运，1998]。除了人类所共有的文字语言和数学语言外，地图被称为空间信息表达的第三语言。地理信息系统的出现，对地图在空间信息表达和传输不可替代的地位产生了很大程度的冲击。它以其庞大的数据容量、多尺度和多类型数据集成处理及灵活多样的可视化机制形成了相对传统地图明显的优势地位。然而，地理信息系统发展至今，还远未到取代地图（更确切地说是可视化后的地图）的时候，尽管这是我们的目标。地理信息系统目前所能达到的水平除了在数据管理和简单的数据处理与分析功能所显示的优势外，还远远不能满足对空间信息的使用要求。

1 城市空间的几种描述模式

城市研究没有专门的描述工具，而是借用了地理学和建筑学的一些范畴。但是它们并不是全能的。改进描述城市的方法不但能够使人们更深入地理解城市中发生的现象，而且还能促进人们之间的相互了解。随着城市理论的发展，在清晰表述价值的基础上，我们会找到一种更简单的方法从价值的层面直接描述城市，而不是把城市作为一种与价值相关的复杂的空间形式来分析。这样，我们只需在地图上标画出城市任何一点到其他点的可能通路，就能免去复杂街道网络、交通枢纽、社会障碍、人口密度和当地人类行为的干扰。

1.1形式美学模式

在这种模式中，城市景观被分解为一些抽象的形式属性。首先，城市中的实质景观可以分成为自然因素景观与人工因素景观。其中，自然因素景观可以分为地形与地势形态、水岸形态、山岳形态及风景区形态，人工因素景观包括都市中的公共空间形态、建筑形态、交通设施、街道设施及夜间形象。形式美学模式的理论立足点归结为美学价值是抽象景观对象所固有的，也就是说，美学特质存在于景观的属性中。这种美可被定义为基本形体、线条、色彩、肌理及它们之间的结构关系。

以上这些要素在城市空间的描述过程中，主要的是进行详细分类及描述性工作。如：城市建筑形体具有多重类型学含义，它既是抽象的，可以理解为点、线、面、体诸元素进行的形体构成，又是具相的，可以把建筑形体化解为屋顶、墙面、出挑、柱式、人口、台阶、地面

等各种构件进行的形体组合。形式美学模式研究的重点在于发掘出城市中一些相对固定的东西，这是一些周期变化不明显的能起统一作用的点，依靠这些点，人们才能对短暂的东西（如住宅、商店、门面）进行规划，城市景观的美应能反映出对象恰如其分的循环变化。

在这种研究模式下陈晓宇博士在他的博士论文中这样对城市空间元素进行分类的：城市空间元素大致有三种：

①参数化元素：像建筑体块（包括墙面、门窗、屋面）、道路、室外构筑物等，这些元素在设计过程中含义没有改变，但空间数据以及属性数据处于不断的调整中，并且可以找出变化的参数，它们构成了城市空间的主体。

②定形化元素：主要指一些城市小品像路灯、座椅。电话亭，以及环境配景，像人、树等。这些元素在不同的规划项目以及同一项目的规划过程中，形状、属性基本保持不变，有时仅仅比例不同，从总体上看，它们是城市规划的“配角”，起到烘托气氛的作用。

③不规则元素：像一些形体独特的建筑、城市雕塑等，它们往往只在某个规划中出现，不具有普遍性，却是城市规划无法回避的元素。

陈晓宇博士对城市空间元素的分类模式是借鉴了亚力山模式语言的思想，并把这种思想通过计算机进行实现，使设计人员在计算机营造的三维世界中建设未来的城市空间，虽然人们仍然从二维平面上感受创作思想，但设计过程的思想已经完全处于三维空间之中，调用任何一个元素都必须考虑空间关系，设计的注意力不再集中于几张视图而是集中于真正的设计对象——城市空间。

1.2计算机建模模式

因建模需要我们对地表景观对象及其空间特征进行了分析与抽象，最后定义了点地物类、线地物类、面地物类、复杂地物类、原型体地物类和DTM地物类6种地物对象类：

l）点地物类：在现实世界中呈点状分布、可由一个离散点就能确定其空间位置的景观对象或现象。它可以是一些只具有空间位置、颜色信息，而无空间度量（面积或长度）的普通三维空间点、三维点状符号（矩形、（椭）圆形、菱形、星形…）；也可以是一些既具有空间位置、颜色信息，又具有空间度量（高度或半径），甚至具有纹理的其他点状类型的景观对象，如水井、电线杆、路灯，树木、塔、人、动物等。

2）线地物类：在现实世界中呈线状、带状、长条状、环状分布，可抽象为一些相互连接的线段，并可由系列（两个以上）连续三维空间结（节）点描述其空间位置的景观对象或现象。它可以是具有空间位置、颜色信息，并具有长度度量的空间任意形状的普通线段或曲线；也还可以是具有其他空间度量（如高度、宽度、半径），甚至具有纹理的其他线状类型的景观对象，如电缆线、管道、道路、围墙、栅栏等。

3）面地物类：在现实世界中呈面状，或可由封闭多边形（三个以上点）确定其空间位置和描述其基底形态的景观对象或现象。它可以是普通的空间多边形；或是具有颜色（或纹理）充填的面状地物（如草地、水面）；也可以是根据所要

构建的景观对象的特征。按一定的构建规则，通过对面状基底进行三维扩展得到的一些较规则的棱柱体、棱锥体（如建筑物、上堆等）。

4）原型体地物类：它也是利用点、弧段（环）、多边形三种基本几何拓扑元素，按一定的规则组合在一起形成的一类三维原型体景观对象。

5）复杂地物类：由若干点、线、面状景观对象组合而成。一个复杂对象包含多个子对象，而其本身又可以是组成更高层次复杂对象的一个子对象。在构成复杂对象的子对象之间存在着层次关系，其最低层次为点对象，最高层次为次一级的复杂对象，或面对象。

6）DTM地物类：表达DEM及其表面景观信息的一个特殊类。

1.3地理元胞机模式

地理元胞自动机模型由（1）地理元胞及状态；（2）元胞空间；（3）邻居定义；（4）演化规则；构成，它是一个时空动态模型，具有明显的时空耦合特征，特别适合于地理空间系统的动态模拟。

一、地理元胞及状态

在地理元胞自动机中，元胞可以是被赋予特定涵义的地理实体，例如交通流中的汽车、街道人流中的个人等。但在更多的时候，元胞被赋予某些连续地理现象的抽象划分的涵义，如土地利用中的地块、森林中的一丛树木等。在元胞涵义定义基础上，相应的元胞状态则有可能是汽车的行驶状态，个人的行走方向、速度，土地利用类型划分（如工业用地、园圃地、农业用地、休闲用地等），树木的高度、材质、湿度、生长状况等地理实体的状态。

二、元胞空间

在地理元胞自动机模型中，元胞空间的概念可以很自然地转变为迪卡尔坐标体系下的地理空间。

三、邻居定义

元胞自动机模型中的邻居概念，在地理上则体现为空间近邻关系。而模型中的近邻作用是有其地理学意义的，如计量地理学中的距离衰减模型、地理引力模型等，都在一定程度上反映了地理相邻实体间的相互作用。

四、演化规则

演化规则是元胞自动机模型的核心，它决定了元胞自动机的动态演化过程。地理元胞自动机模型中的规则集中体现了空间实体间的相互作用，这种相互作用根据不同应用而被赋予了不同的地理涵义。

1.4生态景观规划模式

生态模式按照景观生态学理论原理把景观结构的基本元素分为斑块（镶嵌体）、廊道、基质和网络四种。它们是景观生态学用来解释景观结构的基本模式，普遍适用于各类景观，包括荒漠、森林、农田、草原、郊区和建成区景观（Forman and Godron，1995a）。

斑块是构成景观重要部分的块状区域，如园林绿地是都市景观中镶嵌体的类型、是相对自然的成分。廊道是串联各镶嵌区的带状区域，道路是典型的廊道类型，具有明显的人工特性；主要斑块集合构成景观基质。斑块、廊道、基质之间复杂的相互联系形成网络。这一模式为比较和判别景观结构、分析结构与功能的关系和改变景观提供了一种通俗、简明和可操作的语言。这种语言和景观与城乡规划师及决策者所运用的语言尤其有共同之处，因而景观生态学的理论与观察结果很快可以在规划中被应用，这也是为什么景观生态规划能迅速在规划设计领域内获得共鸣的原因之一。目前，哈佛大学设计研究生院的高级研究中心（包括设计学博士计划）中已专门设有景观规划与生态这一方向，使景观生态学真正与规划设计溶为一体。

运用这一基本语言，景观生态学探讨地球表面的景观是怎样由斑块、廊道和基质所构成的，如何来定量、定性地描述这些基本景观元素的形状、大小、数目和空间关系，以及这些空间属性对景观中的运动和生态流有什么影响。围绕着这一系列问题的观察和分析，景观生态学得出了一些关于景观结构与功能关系的一般性原理，为景观规划提供了依据。

2 几种模式的分析

笔者认为陈晓宇博士对城市空间元素的分类仅是一种对现实世界的物质元素，按某些相似性或出现的频率进行分类，以便于计算机数据库的管理。没有涉及到人类对现实世界的认识问题，只要是现实世界存在的物质，按照一定的规则就可以进行分类，是人类对现实世界的一种直观认识。

计算机建模模式是为了能实现计算机对信息处理的需要，按物质的外观进行抽象，点状物抽象成几何表达的点、线状物抽象成几何表达的线等，强调的

是各几何要素之间的连接关系，对具有完整、独立意义的地理实体作为个体存在的事实没有足够的重视，在GIS中是将地理特征表达为带有分类属性的几何对象，然后以层（Layer）为概念组织、存储、修改和显示它们，但分层概念是根据人们已有的认识和经验对客观世界进行硬性分割的，在真实的客观世界中，用户感知到的地理现实世界是一个个地理实体，如道路、建筑、山和种族移民区域等，如仅仅实现计算机的信息处理功能是很肤浅的。

通过上述对地理元胞自动机的分析我们可以理解城市地理元胞自动机模型的地理空间构成大体为：土地利用类型、交通层、控制因素层三部分。但这种分类无法实现面向对象方法。

生态模式是一种科学家在实际工作中，为了方便地描述空间结构长期探索出的一种形式语言。斑块—廊道—基质模型是一种机械的对景观的描述，没有反应出人类认识现实世界的本质，但斑块—廊道—基质模型在定量、定性地描述景观元素的形状、大小、数目和空间关系方面是可行的、成功的。

空间区域框架仅有一个，但其上的各种自然、社会、经济和人类思维信息是无穷的。人类可以按照自己的思维认识和改造自然，这种思维模式是无穷的。不同学科，不同领域和部门可以按照自己的规则和需要对空间区域上各要素建立不同的模型，建模方式也是无穷的。随着人类科学技术的进步，关于区域空间地理信息会越来越多。空间概念一方面表达一定的地理认知，同时又是计算机所要表达的对象，空间概念具有不同的抽象层次，例如：“点”、“线”、“面”这几个概念表达的空间概念属于数学上的“几何空间”，“森林”、“土地”等则是一种“地理的”空间概念，“水”资源则是一种“地理应用”的空间概念，三个层次上的空间概念描述了地理学对地理系统不同的研究角度，从而表达了三种不同的地理认知（即几何的、地理的和应用的地理认知）。综上所述，这四种模式欠缺的是对地理空间的研究，只有通过对人类如何认识地理空间的研究，才能找到合适的描述城市的方法，而城市意象的研究正是非常合适的研究途径。

3 城市空间的意象描述模式

3.1 意象模式的合理性

意象是一种具有自学习能力的具有空间形象感的地理形象化思维模式，它既提供了一种地理信息的组织方式，同时，它又为地理信息、知识提供了一种形象化的表达模式[鲁学军，1999]。通过城市意象来分析城市空间结构，是现代城市空间结构研究的方法之一[顾朝林，2001]。与其他城市空间结构分析方法相比，城市意象空间分析的最大特点是重视研究城市内居民个人或群体对城市环境的感应，而感应是人类行为决策的基础[许学强1998]。

上述几种对城市空间的描述模式，其对空间概念的描述是以地理现实的观点为基础，首先表示了每个点的含义，然后再在点表示的基础上构造整体的空

间表示。这种空间表示的构造，不符合人们对地理空间的分解层次，这种表示往往是“只见树木，不见森林”。人们认识事物总是保持着从宏观到微观、逐步分解的认识规律，对地理空间的认识也是如此，首先是认识到所关心的空间现象或事物的整体；然后对其进行多层次的分解，最后才能认识到空间中点的地理含义。人们是根据地理性质区分地理现象的，而且还通过对地理性质从广至窄的划分，形成了科学认识模型中的概念体系。在传统城市空间描述模式中，只侧重于对地理现象的几何形态的表示，而地理性质的表示只采用了标图方式的简单方法，即每个图形内容对应一个属性内容，没有表示出这种地理性质上的概念体系。最多也只是采用区分专题间的方式进行分层（coverage）。这种分层表示最多只是对地理性质进行了一次划分，并且往往还不能保持表示的一致性。意象模式既可以表示人们对地理现象认识的地理性质的概念体系，按照人们对地理空间认识的分解和抽象，表示出地理空间的结构和相应的各种复杂对象，还可以支持较完备的空间关系集的表示。改变了基于点、线、面的模式的限制，一个完整目标（例如，在城市意象中，道路、建筑物等均为完整目标）可能被打断成很多个地理实体。

通过城市意象的研究可以提供一个共同认识世界的模式，减少领域科学家、数据收集者和GIS技术人员存在的重要的概念差异，和它们对现实世界抽象方式、任何用计算机组织和结构化数据的方式上存在的差异。在地理认知的基础上对真实世界的信息进行抽象和概括，形成地理信息系统中的空间概念模型。3.2意象模式的基本构成

传统的城市空间描述模式是从已形成的城市格局来分析，城市空间反映了城市过去的特征，或者说是设计的变化过程，没有对城市空间构成要素进行研究，也即没有考虑用影响城市格局变化的因素来解释城市格局的形成原因，笔者认为这些影响因素是大量的，而且难以区分因素的轻重，例如：人口、交通、经济等。实际上，城市格局的形成主要受人工的影响，道路的修筑，房屋的建设等，城市构成要素的结合就是城市规划者的作品，笔者希望从规划者在规划这些构成要素时主要受那些因素的影响的角度进行城市空间描述的研究。

意象模式的基本结构是词汇、语法规则和语义规则三位一体形式的系统。词汇的层次结构是意象模式构成的具体实现，例如：林奇把城市意象分解为下列五项要素：（1）路径（paths）。（2）界线或边沿（edges）。（3）区域（districts）。（4）枢纽或节点（nodes）（5）标志（landmarks）。这五项要素就是词汇。语法是它的框架——词汇间的相互作用规律，语义则是框架的个性化。

词汇是一种语言系统的基础，是构成语言系统的相对独立单位，如自然语言中的音素、语素、词、短语等。词汇从属于一个层次结构，在语法和语义规则的双重作用下，词汇在形式和意义上均由组合关系形成从低级到高级、从简单到复杂的分层结构。

语法规则是存在于不同层次的词汇之间的组合或运算规则。通过语法，较低层次的词汇通过组合运算形成高层次的词汇。

语义规则是语言学领域中描述语言符号与它所代表的对象之间的结构关系的规则系统。语义规则的引入是为了弥补单纯的语法规则在空间信息构造上的不足——语法规则仅仅决定语言的共生结构，而语义规则将共性同代表的对象相联系，形成空间信息传达的个性结构。语义规则不能单独起作用，它必须和语法规则一起决定如何由简单到复杂地构造较高级的地理实体，形成不同综合程度地理意义的语言单位之间的组合可能性。

4 结束语

由于地理信息系统的发展历史只有短短的20多年时间，更由于其发展的直接动因是计算机技术的发展，地理信息系统的研究人员在地理信息的数字化技术、存贮技术、更新维护技术和可视化技术等方面倾注了太多研究心血，使其发展到今天的技术水准。然而，地理信息系统只要涉及智能化程度较高的处理和分析就显得无能为力，至今地理信息系统的终极目标——空间分析的方法还只有几种。究其原因，地理信息系统环境下空间信息自身研究的缺乏是主要因素。在地理信息系统中，由于要用计算机来取代人，知识成为核心问题，迫切需要对过去凭经验和直觉行事的知识基础进行总结和重构，使其成为计算机可以接受和实现的形式。在现阶段，认识到空间信息本身结构研究的重要性之后，就是迫切需要找到一个合适的理论框架来包容和指导空间信息结构的研究。

参考文献

1、Du Qingyun, Structure, Representation And

Understanding Of Spatial Information, Mapping Science And Technology University Wuhan Transaction 1998, 23（4）：388~392[杜清运，空

间信息结构、表达及其理解机制，武汉测绘科

技大学学报，1998，23（4）：388~392]

2、Zhang xiaoyu, Way Of Computer Urban Design,

Degree Thesis Of University Tongji,1996[张晓

宇，计算机城市设计方法，同济大学博士学位

论文，1996]

3、Lu xuejun, Study On Connotation Of

Geographical Cognition Theory, Acta Geographica Sinica, 1998,53(2)[鲁学军，地理认

知理论内涵分析，地理学报1998，53（2）] 4、Lu xuejun, Zhou chenhu , On Geographic Spatial

Thinking In Images---The Development Of Spatial Mental Images, Acta Geographica Sinica, 1999，54（5）[鲁学军、周成虎等，论地理空

间形象思维，地理学报1999，54（5）]

5、He rixing, Base On Landform 3D Sight

Modeling And Mutual Design Technic Research, Doctor’s Degree Thesis Of Mining University Of China,2001 [贺日兴，基于地形的三维景观建模

与交互式设计技术研究，中国矿业大学博士学

位论文，2001]

6、R.Forman And M. Godron, Landscape Ecology

[R福尔曼、M戈德罗恩著，肖笃宁、张启德

译，景观生态学，科学出版社，1990]

7、Zhou chenhu, Shun Zhanli, The Research On

Geography Cellular Automata, Science’s

Press,1999[周成虎、孙战利等，地理元胞自动

机研究，科学出版社，1999]

8、Gu zhaolin Urban Image Space And Main

Factors In Beijing, Acta Geographica Sinica,2001[顾朝林，北京城市意象空间及构成

要素研究地理学报，2001,56(1)]

9、Forman, R. T. T., 1995a, Land Mosaics: The

Ecology of Landscapes and Regions. London：

Cambridge Un1verslty Press.