地理設計框架:一種區域規劃模式與決策方法

魏合義,樊 宇,徐子瑜,馮思宇

(1.江西師范大學地理設計研究中心,江西 南昌 330022;2.香港中文大學地理與資源管理學系,香港 沙田 999077)

0 引言

據文獻[1]記載,區域規劃概念是由G. Patrick引入的,在拓展其區域規劃哲學的基礎上于1915年撰寫了《城市演變:城鎮規劃運動和公民學研究導論》,提出了“場所、工作和人”的概要性愿景,解釋了經濟、社會文化和福利的共生關系.隨著地球人口數量劇增、城鎮化進程加快，人類與自然資源、生存空間之間的矛盾加大[2-3].如何更加科學合理地利用資源和空間以此來維持社會經濟、文化和生態環境的可持續性是區域規劃理論首先要解決的問題.

19世紀，一些美國的規劃師、建筑師、社會學家和造林學家小范圍地討論了如何建設或重建美國城市和都市區,用于保護農村和荒野地區.這些對區域規劃方法的討論促成了美國區域規劃協會(RPAA)的成立[4].城市和區域環境的復雜性需要一個較為理性的規劃方法，有學者曾討論采用系統論和控制論的方法研究人類環境規劃問題，特別是計算機科學和數值模擬手段的進步能夠使規劃師模擬城市行為并預測它們可能帶來的一系列結果[5].在區域規劃中對“定性離散多準則選擇模型”也有介紹，該模型有利于解決多區域規劃沖突問題[6].在區域規劃中,生態、文化和社會價值等非貨幣效應變得越來越重要，有研究探討“平均值排序多指標方法”并對歐洲項目進行應用展示[7].在區域規劃實踐中，用于支持規劃的數據通?？煞譃槎ㄐ詳祿投繑祿?前者如一些調查問卷和歸納數據;后者多為具有空間位置和屬性特征的數據類型,如早期用于住房分配問題的研究[8]以及近期定性方法在社區開發中的應用[9].

在地理學的研究領域中,區域(region)是指由自然特征、人類影響特征或人類與環境相互作用而形成的諸多特征集.國家或地方政府為了繁榮當地或地區間的經濟，也可使用行政手段劃分各種特征的“區域”(經濟區).前者如廈門鼓浪嶼[10]、上海崇明島[11]以及泰國普吉島[12]等,這些地區地理邊界較為顯著;后者如“長三角經濟區”、“珠三角經濟區”以及“京津冀經濟區”等[13],國家層面的經濟區劃為當地經濟增長提供了政策和制度保障.為此，在城鄉規劃、經濟管理和政策制定等研究領域中,相關學者進行了較多的理論探索.區域規劃是為了特定地理區域或行政區域的經濟、社會及生態可持續協調發展，對規劃地區的資源和空間進行合理分配.

現有的區域規劃工作流程(或步驟)[14]可大致分為:1)現狀調查與基礎資料收集;2)確定研究區域的發展目標;3)提出解決研究區域問題的對策;4)做出研究區域的總體規劃;5)對規劃方案進行評估及調整;6)實施調整后的規劃方案.

在新中國成立之前，區域規劃理論尚未有成型的理論體系記載.中國一些有英法租界的城市和地區在規劃模式上呈現歐洲區域規劃的特征[15].在新中國成立后,中國分別借鑒了前蘇聯、日本、德國等的區域規劃理論[16].從1953年中國設定的第1個“五年計劃”一直延續至今的“五年規劃”就是延續前蘇聯計劃經濟時代的產物[1,17].區域規劃理論常常伴隨著人類對資源、環境與空間的需求矛盾而發展，該理論在歐洲之所以發展較早，是因為當地的城鎮化率高.雖然“城市”這一形式在中國出現較早[18],但是20世紀初期中國的城市人口僅占總人口的10%左右，這一現象反映出中國是典型的農業經濟占主體的國家.城鎮化水平從1949年新中國成立后長期基本穩定在17%左右.2000年的統計數據顯示，中國城市人口數量占比已達到了36%,而且還以每年4%～5%的速度增長[19-20];現在中國城鎮化率已經接近60%[21],可以當之無愧地被稱為“新城鎮化”國家.對比歐洲一些國家可以得到一些清晰的啟示，如18世紀的荷蘭城市人口數量已經達到了總人口的50%,當時城鎮化水平不僅領先于中國,而且城市人口數量是當時中國城市人口數量的4～5倍[19].不過，在中國城鎮化的加速發展以及歐洲、北美城鎮化速度變緩的雙重變量影響下，中國城鎮化水平與發達國家城鎮化水平之間的差距在逐漸縮小[19,22].

根據應用學科的理論研究特點，一般規律是“問題導向”驅動“理論創新”.因此，較為成熟的規劃理論體系和技術手段最先出現在北美、歐洲等發達國家或地區也就不足為奇了.

公眾參與(public participation)和2種規劃模式(top-down和bottom-up)的討論[23-24]是在城市與區域規劃領域中的研究熱點問題.西方國家在社區規劃、城市和區域規劃實踐中倡導公眾參與規劃過程，其主要理由在于:首先,公眾(利益相關者)是規劃成果的受益者，規劃成果的好壞影響到他們的受益程度;其次,公眾對規劃區域的自然條件、存在問題以及現實需求最了解，能夠為規劃人員提供積極、有效的信息反饋;最后,在西方國家的意識形態中，認為公眾參與規劃過程是他們的基本權力之一[23,25-29].公眾參與區域(城市)規劃過程，一些技術手段和參與模式已有廣泛應用[30-32].而“自上而下”和“自下而上”的規劃模式具有各自的特點，當前既有2種方法相結合的理論研究[33],又有提倡“自下而上”規劃模式的案例研究[29,34].

對于北美、歐洲以及世界上其他發達國家,有學者認為參與權在發達國家中更能在制度上得到保障[35].當前，公眾參與在中國的區域規劃理論研究中還不夠充分，利益相關者在規劃實踐中的參與度也存在覆蓋面小、參與度低等問題.地理設計框架(geodesign framework)的引入能夠使利益相關者有效地參與規劃過程，通過在規劃過程中的方案迭代，結合基于聯合國SDGs的評估系統，可以形成區域規劃方案的最優解，并為規劃決策提供便利.

1 地理設計概念起源與研究現狀

1.1 概念起源

數字技術的進步會推動相關應用領域的發展，地理設計(geodesign)作為一種區域(城市)規劃、景觀規劃以及空間規劃的方法論，近年來引起了相關領域研究人員之間的廣泛關注[36-38].雖然,geodesign這一詞匯1993年在德國空間規劃學家庫茲曼教授(Klaus R. Kunzmann)的文獻中首次被使用[39-40],但是相關的實踐活動已有較長的歷史(見圖1).

注:(a)為流水別墅,(b)為通過設計生存,(c)為圖紙疊加,(d)為設計結合自然,(e)為地理設計框加,(f)為從概念向學科發展,(g)為IGC年會.圖1 geodesign發展歷史圖譜

從早期賴特(F.L. Wright)的流水別墅設計理念、紐特賴(R. Neutra)的通過設計生存到曼寧(W.H. Manning)的圖紙疊加方法，這些被學術界認為是geodesign的雛形.景觀設計師麥格哈哥(I. McHarg)的設計結合自然，與geodesign的工作理念具有一致性.C. Steinitz[41]的地理設計框架著作匯集了多個基于geodesign理念和方法論的實踐案例,該著作綜合展示了地理設計的概念、發展歷程和理論框架，并展望了geodesign今后的研究、教育和發展問題.

2012年在美國環境系統研究院(ESRI)的geodesign峰會上，公司總裁J. Dangermond倡議將geodesign從概念討論走向學科發展.目前,美國已有多所大學開設geodesign本科或碩士專業學位課程，其中包括美國南加州大學(USC)、亞利桑那大學(UA)和賓夕法尼亞州立大學(PSU).

1.2 研究現狀

2019—2020年,在美國加州雷德蘭茲(ESRI總部)舉辦的國際地理設計協作(international geodesign collaboration,簡稱IGC)會議吸引了來自全球幾十個國家(或地區)的參與者.IGC年會的宗旨在于驗證geodesign理論框架在全球不同地區和地理尺度上的應用特點[42-43].根據統計數據顯示:目前IGC成員廣泛分布于53個國家(或地區)，正式注冊成員有300余名.另外，IGC的參與成員以美國學者為主，其次是來自于德國、中國、英國、巴西、日本、印度、意大利和澳大利亞等國家(或地區)的學者(見圖2).

圖2 IGC成員數量與所屬國家(或地區)

起源于規劃設計領域中的geodesign,目前還是以實踐應用為主.在理論研究上，2016年《Landscape and Urban Planning》[44-46]專題討論了geodesign的概念、理論、實踐應用和專業教育，這是一次較為全面的學術討論專題.針對區域規劃、控制性規劃的實踐工作，geodesign研究方法如何融入這些規劃過程還需要深入地探索[47-48].另外,geodesign作為區域規劃模式的研究在中國鮮見報道，因此需要更多的規劃實踐項目來進行理論驗證.

2 地理設計規劃框架、流程與方案決策

2.1 規劃框架與流程

geodesign框架在平衡各種利益關系(矛盾)上具有突出優勢，根據該框架的主要內容，可簡化為“三循環(iteration)”、“四參與(partner)”和“六步驟(steps)”[40].三循環是指:規劃師在對區域進行規劃時首先應了解規劃區域的環境，分別使用了表達模型(representation models)、過程模型(process models)和評價模型(evaluation models);其次，根據上個階段的評價結果采取措施，分別采用改變模型(change models)和影響模型(impact models)進行評價;最后,根據改變模型和影響模型的評價結果，確定是否實施研究所提出的方案,本次循環使用了決策模型(decision models) (見圖3).

圖3 geodesign數字規劃框架和流程

四參與主要是指與規劃活動緊密相關的規劃師、研究區域居民、信息技術專家和政府部門管理人員.而六步驟是指斯坦尼茲在geodesign框架中的6個模型:表達模型(representation models)、過程模型(process models)、評價模型(evaluation models)、改變模型(change models)、影響模型(impact models)和決策模型(decision models)[49](見圖3).

本文采用geodesign數字規劃框架，從規劃場地的數據收集到數據表達、區域發展過程、現狀評價、干預措施提出、規劃方案評價、區域影響評價以及方案決策整個過程，按照該規劃框架進行實施.

2.2 方案決策

規劃決策基于“WHAT-IF”理念對本研究不同規劃方案進行優化選擇[50].本文按照geodesign規劃框架和工作流程對研究區域進行規劃，從數據收集到方案最終確定共經過6個決策環節(見圖4):

圖4 本文的決策步驟和過程

1)數據是否充分?若未具備應用于區域規劃的充足數據類型,則需要通過其他技術手段或途徑加以獲取;

2)規劃區域是否存在問題?若現存的問題不清晰,則應通過調研、訪談和數據分析進行問題提煉;

3)是否需要改變?若需要改變(實施規劃),則應評估在規劃后帶來的后果;

4)哪個方案最優?通過基于SDGs的評估體系結合專家打分,確定最優規劃方案;

5)利益相關者是否滿意?若規劃成果未能獲得利益相關者認可,則應重新審視規劃方案;

6)是否實施該方案?在滿足以上條件后，應征求區域規劃主管部門以確定是否實施該方案.

3 案例驗證

3.1 瑤湖島概況

瑤湖島位于南昌市高新技術開發區的瑤湖西岸，占地面積約為8 km2.瑤湖島中心區的地理位置為(28°41′N,116°03′E)(見圖5).瑤湖作為南昌市最大的天然湖泊，水位常年平穩，平均水深為15 m、水質優良、pH值為6.5.南昌市屬于亞熱帶季風氣候區，四季分明，春秋季短而夏冬季長,雨量充沛，光照充足.瑤湖島得益于瑤湖優良的淡水資源，具有湖岸線長、自然景觀優美、土壤肥沃等先天優勢，極具旅游觀光和高新農業種植潛力.另外，由于該地域無高層建筑物及其他地物影響，所以全域風速較大、風力資源較為豐富.

圖5 瑤湖島區位分布圖

瑤湖島分布著4個行政村和8個本土自然村.瑤湖島目前基礎設施較為落后，特別是公共交通因路基較窄而已嚴重落后于南昌市整體水平.在主體經濟方面，瑤湖島居民的主要經濟收入來源于農業種植業和漁業.在人口方面，青壯年人口流失嚴重，老年人、留守兒童占村莊人口數量的主要組成部分.由于湖水和雨水的沖刷，所以部分區域存在土壤侵蝕現象;同時因土壤侵蝕、農業種植面源污染以及家庭用水排污等因素而使水體出現季節性富營養化.

3.2 數據與技術平臺

本文從前期規劃階段到中期方案優化過程共采用了多種數據類型和數據來源，其中包括衛星影像數據、開源數據、調查數據、統計數據、訪談數據以及現場踏查勾繪等.

1)衛星影像數據來源于ESRI在線數據(https://www.arcgis.com).選取研究區域高清影像，并通過拼接、增強及解譯處理.

2)從開源數據OSM(https://www.openstreetmap.org/)網站獲取研究區域的邊界、道路網絡及村莊分布數據.使用在GIS空間分析中的掩膜工具進行裁剪，并對圖像進行空間位置校正.

3)根據打印出的衛星影像，在現場進行用地類型的調查與核實.對誤分類的居住區、農田、自然植被、水體等用地類型進行校正和調整.同時，詳細標注文物保護建筑和關鍵地物，并添加到規劃數據集中.

4)統計數據主要依據國家統計局頒布的2020年中國統計年鑒[21].

5)訪談數據主要面向研究區域的居民，采用半結構化的訪談表格和錄音設備進行現場訪談.

本文所使用的數據在經過歸類和預處理后，均通過ArcGIS Pro軟件平臺進行數據管理、數據分析以及數據可視化操作.

3.3 方法應用

本文采用地理設計框架和聯合國SDGs(sustainable development goals)發展目標的評估系統相結合的方法[49,51-54],即利用地理設計框架流程，根據規劃場地的現狀預設2020年、2035年和2050年3個階段的規劃愿景.在規劃措施的介入時間上，又設置了早干預(early adopter)、晚干預(late adopter)和不干預(non-adopter)等方案情景模式.規劃師根據聯合國2030年SDGs的17項可持續發展目標[49,55]，將本研究提出在規劃方案中的干預措施和措施介入早晚作為是否有利于實現SDGs分目標的判斷依據，并將影響等級x從高到低分別賦值3、1、0、-1和-3.規劃方案以SDGs的實現程度(T)作為規劃方案優劣的判斷標準，計算模型為

其中T為規劃方案實現SDGs目標的程度,為無量綱分值;ySDG1～ySDG17分別表示在SDGs中的17個分目標(見表1);x為規劃師根據干預措施[49,55](見表2)對分目標影響等級所賦分值.

表1 聯合國2030年SDGs的17個目標和內涵

表2 本文所提出的10項規劃干預措施

SDGs評估結果[49,55](見圖6)顯示:早期實施干預措施的規劃方案(early adopter)對實現SDGs目標的T值為272;晚期實施干預措施的規劃方案對實現SDGs目標的T值為54;不實施干預措施任其發展的規劃方案對實現SDGs目標的T值為-243.由此可見，早期實施干預措施的規劃方案對實現SDGs具有重要價值,可將該結果作為方案選擇與決策的依據.

圖6 SDGs評估數值

3.4 “數據-措施-目標”的實現過程

數字技術為區域規劃帶來豐富的數據獲取途徑和模擬手段，在地理設計框架的基礎上，可以增強規劃過程、實現規劃目標.本文數據層主要包括建筑數據、路網數據、植被數據、水體數據和其他基礎數據類型.不同數據層可以為本研究所提出的干預措施提供數據支持，10項干預措施與SDGs實現目標相連，形成完整的“數據-措施-目標”的驅動關系(見圖7).

圖7 數據-措施-目標的實現途徑

太陽能和風能是重要的清潔能源,也是實現瑤湖島SDGs-7目標的重要途徑.在研究區域中，由于其周圍具有廣闊的水域，加之高層建筑較少，因此具有較為豐富的太陽能和風能生產潛力.通過南昌市的風玫瑰圖和GIS的選點分析，可將風力渦輪設置在濱水區域內，太陽能光伏板結合路燈設置在主干道、綠道兩側[55].與此同時，公共交通設施和綠道的建設可以實現節約能源、減少污染以及促進居民身心健康的規劃目標.在本文所提出的10項干預措施中，生物棲息地營造、水體凈化、旅游和休閑產業等都與增加植被斑塊、建立斑塊之間的生態連接有關.除了現存殘余植被斑塊外，在干預措施中將充分利用荒野區域、道路兩旁、宅基地周邊進行植物種植，并將植被斑塊通過“線狀”廊道使其相互連接.在研究區域中傳統農業種植方式向有機農業、復合農業及觀光農業轉型，以此提升土地資源的經濟產出.因此,應用AGR1和AGR2干預措施,可以促進SDGs-1、SDGs-2、SDGs-3、SDGs-4等多個分目標實現.

3.5 不同規劃方案生成、評估與決策

根據瑤湖島存在的現實問題，本文從綠色基礎設施、交通設施、清潔能源、農業措施和休閑旅游等方面提出10項干預措施(見表2),用于緩解當前研究區域不可持續的狀態.根據基礎數據和資料，采用多情景方案設置、基于SDGs價值評估體系，在此基礎上形成最終決策方案.

根據衛星影像解譯的數據顯示:在瑤湖島目前土地覆蓋類型中居住區、農田、水體和自然植被所占面積比例分別為7.33%、68.93%、11.77%和11.96%.根據中國2019年城鎮人均住房標準39 m2和人口增長率可知，研究區域現有住房面積已經符合住房要求.若實施早期干預措施，則研究區域到2035年將新增植被斑塊約15萬m2,主要分布在坡度較大且易土壤流失的區域.2050年早期干預方案在2035年的基礎上新增植被網絡8.4萬m2,與現有植被斑塊、新增植被斑塊形成較為完善的綠色基礎設施.依據景觀生態學基底、斑塊和廊道理論,2050年早期干預方案可以維持較高的生物多樣性水平，能夠顯著提升研究區域的生態環境質量，從而增加研究區域的旅游吸引力(見圖8和圖9).

圖8 情景假設、價值評估與決策過程

圖9 在不同干預措施情景下的規劃方案對比

值得關注的是，在實施增加植被斑塊和植被網絡的措施后，農田面積會有所減少.不過，在干預措施中的復合農業和有機農業的種植策略會顯著提升農業經濟產出，這彌補了因農田面積減少所帶來的經濟損失.

對于2035年晚期干預方案，因為干預措施實施較晚，所以研究區域將有約1.6萬m2的土壤發生侵蝕；而到2050年因干預措施的及時實施會使土壤侵蝕得到有效控制，另外新增植被斑塊3.4萬m2,生態環境可以有效地提升(見圖8和圖9).若不實施干預措施,則根據推算,到2050年研究區域土壤侵蝕面積將達到9.5萬m2,經濟衰退將會造成更多的青壯年人口流失.研究區域因垃圾回收問題、農田撂荒、無序住房建設而會導致生態環境進一步惡化.

總之,若不實施干預措施或較晚實施干預措施，則研究區域將失去經濟活力，生態環境也將出現不可持續的發展狀態.

4 總結與展望

區域規劃的目的在于實現規劃區的社會經濟與生態環境的可持續發展.回顧在新中國成立后的區域(城市)規劃理論與實踐，從最初的前蘇聯模式到借鑒日本、德國的區域規劃理論[16],目前來看還缺少較為成熟的規劃理論基礎，在區域規劃效益評估方面也處于探索階段[56].隨著城鎮化進程的加快，人類與空間、資源需求之間的矛盾將會加劇[3].在全面實施鄉村振興戰略下，如何進行科學、理性的國土空間規劃實踐是目前面臨的主要困境.

由于不同的社會形態和社會制度，所以區域規劃在歐洲、北美和亞洲地區的規劃流程和規劃模式有較大的差異.與規劃理論發展較為成熟的歐洲和北美地區相比，中國的“五年規劃”模式仍會對未來的規劃實踐起到規范引領作用[57-58];由于中國實行的土地所有權政策是土地屬于國家或集體所有，所以利益相關者在土地總體規劃和土地利用發生改變時的參與權和決策權方面仍處于弱勢地位.

本文提出將地理設計框架作為一種新的區域規劃模式與決策方法，并以南昌市瑤湖島區域規劃為例進行驗證.在中國的區域規劃理論研究與具體實踐中，公眾參與整個規劃過程以及“自下而上”的規劃模式的探索較為缺乏.本文方法能夠使利益相關者充分參與規劃過程，規劃方案能夠有效地應對在研究區域中存在的現實問題，充分體現利益相關者的實際需求.規劃方案的形成是多方參與、方案迭代優化的結果，與傳統的規劃方法相比，其優點是規劃方案能夠更加綜合地體現多方利益主體的意愿.

當前在區域規劃領域中存在的另一困境是缺少用于評估不同規劃方案優劣的工具.因此，無法定量比較不同規劃單位之間成果的優劣或差異.本文提出基于聯合國2030年SDGs的規劃方案評估系統，可用于評價不同規劃方案對SDGs實現程度T值的大小，從而有利于對最優規劃方案做出判斷，以便于管理者做出決策選擇.