学术干货 | 新手如何建立起GIS的设计工作流？

UniDesignLab 2022-04-21

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<新手如何建立起GIS的设计工作流>

文：Simba （UC Berkeley）

今天分享的主题是“Intro To GIS”，我会和大家聊聊GIS在景观和城市设计中的运用，以及介绍如何建立一个在设计中用GIS的整体逻辑。讲座分成六个部分：第一个部分是跟大家讲一下到底什么是GIS；第二部分是怎么做一个具有分析意义的类似于2D的地图；第三个部分是怎么做数据分析以及最后怎么运用到最想要出图的部分；第四个部分是GIS怎么帮助我做出设计的；第五部分是想和大家分享一些有用的书以及下载data的途径，最后是Q&A环节。

关于GIS，我相信大家在学校里或多或少会有一些了解。其实GIS是关于收集信息、分析数据的，可以帮助我们可以从空间地理层面发现一些关联性和问题，不是一个单纯的作图软件，它跟PS、AI、Rhino有着非常非常大的区别。Esri（esri.com）是发明GIS的网站，这个网站上有很多open data供我们去发掘，也有很多lecture教我们怎么做分析，同学们可以去这个网站上了解它的历史。网站上还有一些showcase，里面有很多现在关注度比较高的问题，通过GIS去阐述一些问题或者做一些小研究，然后以故事的形式去展现。

关于GIS这三个字母的意思，首先“G”是地理信息，一个地方会对应一个矢量图像，这个矢量图像对应的表格就是attribute table，即信息，也就是所谓的“I”。表格中每一个横行对应一个polygon，每一个竖列都可以额外叠加面积、人口数量和人口密度等。每个GIS都由无数个layer组成，这些layer可以是roadinformation、point以及polygon，这些信息就形成了system，构成了一张很明确的图。如果只有point或者polygon就只是feature，不拥有信息。但是当你放到GIS用attribute table的时候，就拥有一个地理信息的图像，然后我们就可以运用这样的图像去分析。

我本科是学农业方向。我对城市与农业之间的关系一直非常感兴趣，所以当时选择了这个大方向作为我的毕业设计。今天我想通过这样的一个契机讲一下如何利用GIS的mapping和spacial analysis发掘场地上的问题，以及找出最后的设计解决方案。虽然当时我有了感兴趣的方向，但我并不知道自己到底想研究的是什么问题，以及最后要到什么地方去做这样设计性的实验。所以我做的第一件事情就是去研究当代农业与城市之间的分布关系。在加州偏北的一个城市，我选择了一个农业产区比较集中的地方做为研究范围，去研究agriculture area和developed land之间的关系。我们首先需要知道自己需要什么图层：最基本的是两个land cover的图层——agriculture land和 developed land。我们做这个mapping最基本的点是需要让别人知道我们在什么地方做的mapping，所以城市边界图层是非常基本的（也可以用county boundary）。但是我们这里只涉及到两个county，所以我选择了city boundary更加细致。接下来，transportation告诉我们city与city是如何连接的。接着将以上提到的四张图整体地overlap，我们就得到了一个非常简单的mapping。当初我得到这张图就发现了三个令我非常感兴趣的地方。一个是San Jose和Morgan Hill之间，一个是Morgan Hill和Gilroy之间，还有一个是urban但是被农产区包围的Salinas，前两个地方呈现逐渐被城市包围的趋势。我只是大概看了这张图上的形态分布，但是具体没有发现特别严重的问题。于是我又用了同样的方法做了一个时间趋势上的mapping，我去看了1986年到2016年的agriculture和urban area的land cover的变化，通过这个三个十年的mapping可以使我们发现一个问题，尤其是对比1986年和2016年，会发现城市确实是在迅速扩张，农业地区确实是在不停地减少。所以我就知道了自己需要在什么地方做出设计，同时也发现了探讨问题的方向——我们的城市用地正在吞噬我们的农业用地。最后我的设计选在了市区农业用地最多的地方，整个volley有35%的农业用地，在过去的30年里这个是蛮夸张的数据，所以我们要找出问题的原因，然后看看能否通过设计来解决。

根据这个初衷，我有了design goal——希望在新兴的城市用地和农业用地找到一个平衡，又能满足未来的人口需求。也在思考是否会有一个新的pattern能够在未来被使用。

在确定了场地，以及知道自己想研究的问题之后，我就开始思考农业工作者结束农作、卖掉土地，然后土地变成了开发用地的原因。当时看了一些研究性报告，里面大部分提到的都是经济问题。简单来说就是农作物赚不了钱，卖地的钱远远比种地赚的多。所以在这个地方我用mapping简单地验证这样的结论。这里用的mapping就不是前面简单的overlap，而是需要我们去整合数据、输入数据、进行预算。我做的第一件事就是把农业用地和非农业用地分开，看农业用地上种的农作物的种类。每种农作物都会产生不同的经历价值，于是我看了很多的report，找到了每种农作物在acer上能产生的经济效益。这是一个非常简单的数学方式，用每一种作物产生的经济价值per acer乘以种植面积，就可以得出每块地的经济价值。

这张图能够反映出很多的有效信息，颜色深代表产生的经济价值高。颜色最浅的地方可能未来发生农业流失，变成新的城市用地。颜色深的地方可能是运作还不错的地方。整个图可以帮我们分辨出未来的机会场地——颜色浅的地方，为我们后续复杂的筛选提供了最为基础的基底。

接下来我做了一张非常简单的3D可视化，将前面的设计步骤简单做成爆炸图，叠加一些可爱的logo再叠加到valley的地形上，更容易感受到这块地low value的地方在哪里，以及整个分析过程。利用同样的方法，我又去探究了另一个会导致用地改变的原因，当时我在思考是不是因为土壤的条件不好才导致无法继续农作，以及是否因为urban policy的原因导致。从可视化的角度看这两张图，我发现这两张图并不能很好地表达信息，例如左边这张图，很难看到建立土壤与用地性质的关系，而且分类方式太过于笼统，并不是农业用地要求的对土壤的评判标准，所以我用了另外一种表达方式。

GIS里常用的一个技巧叫做suitably mapping，简单来说就是帮助我们看这个地方是否适合做什么。我要找的就是这个地方的土壤是否适合做农业。非常推荐大家阅读Lewis Hopkins写的《METHODS FOR GENERATING LANDSUITABILITY:A COMPARATIVE EVALUATION MAPS》文章，讲的就是在GIS里面suitably mapping的几种计算方式。

所谓的suitably mapping就是看这个地方适不适合农作。我看了一些literature，了解了做农业对土壤的要求有哪些，挑选出了三个feature：一个是土壤的下渗性，如果土壤不下渗，那么植物不容易吸收水份和营养；第二个是soil texture，分为三类，其中clay是零分，粘土非常硬，水是无法下渗的；最后一个feature是是否靠近水源，当时做了一个两千米的buffer。如果在2000米内即5分，超过2000米即零分。三项指标的评分是与重要性无关的，这样设置就是为了方便看出它的得分来源，这也是GIS里面常用的技巧。于是我将数字做了一个3D可视化，越低的地方土壤条件越差，越不适合农作。我们需要purpose一下为什么有的适合农作的地方规划为新的development land，这里可能是我们需要用设计来说服别人的地方。

接下来我们整个valley里面landuse plan mapping已经推演出来了。我用的是关于经济的、土壤条件还有现在以及未来的land use的plan 互相打分出来的overlap，整体规划出了valley的未来。因为每个用地性质都是在GIS挑选和运算的，所以是比较准确的没有被遗漏的地方。在这个基础上我发现了可以做设计的地方。我当时选了五个小场地，agriculture和education overlap的一个地方；agriculture和residential集聚的地方；agriculture和recreation聚集的地方；agriculture和ecology之间联系的地方；新的agriculture和industry的结合的地方。当时每个场地选择了一英里为半径，半英里是人可以walkable的距离，所以设置的距离是人步行可达范围内的，由此来发现agriculture和别的生活的关系。

接下来我主要介绍一些对同学们非常有用的学习资源。学景观的同学应该都知道IAN MCHARG写过一本叫做《DESIGN WITH MATURE》的书，它的主逻辑的确是讲design withmature，但是非常重要的一个内容是介绍了设计上的逻辑——如何去建立一个有逻辑有系统的设计方法，也就是我们现在在GIS经常用到的overlap。他提到的观点就是我前面提到的suitability和fitness，即这个地方到底适合做什么，我们必须要了解这个地方适合做什么再去做设计，这就需要用GIS数据来架构前期逻辑。

接下来想要跟大家介绍一些data。我们经常用到的基本的就是landscape，也就是DEM——digitalelevation model。简单来说DEM就是一个raster file，这个和我们前面说的有attribute table的data不一样，有attribute table的data基本上是raster file。所以DEM就是一个image，是卫星直接走外太空拍摄下来的，完全取决于resolution。一般我们用10m×10m的resolution，它已经非常精确了。为了更精确，可以用3m×3m的。而50m×50m的就可能太过于粗糙，可能不能做非常精细的分析了。把DEM放到GIS里面可以利用GIS本身的许多工具，首先根据自己需求，可以做很多contour；还有hill shade，它主要看topography，DEM本身不好读，但是如果变成hill shade就可以看出哪些是山沟哪些是山地；另外一个很有用的是aspect，即朝向。可以在GIS里面选择自己想要的地方，最后再overlap，这个选择是相当精确且拥有数据的；最后一个是slope，可以根据颜色的表达来讲述是陡还是平，最深的地方最平坦，最浅的地方是最陡的。右侧是我经常用到的网站，做urban design经常运用history map。但是这些data都比较大，需要在GIS里面进行clip才能继续用。

最后想提到的就是整体分析的framework，希望大家在每一次做设计的时候都能提前想好自己想要做什么，拿纸写一写这个项目的framework到底是什么。最简单的就是我左边展示的这张图，首先要找到自己的goal，我是在GIS里面不停地做一些“玩”一样的探索，然后发现问题引发兴趣进而知道了自己的goal的。通过goal知道自己的objects，比如需要哪些数据以及最后达成什么。我们做出不同的feature以后又可以把它们重新导入GIS，这个时候就可以在GIS里面进行evaluation。通过自己site的不同的category给不同的feature打分你会发现不同的feature得分高低不一，然后再involve一些public feedback来不断改善设计。所以整体来说GIS在设计里是interactive的，就是不断循环的。这样可以帮助你的设计越来越make sense，并不会因为使用GIS你的设计就会缺乏想象力，它只是为你后期更天马行空的想象打了一个基础而已。

Q：请问老师有没有一些推荐的GIS网课，之前上过的课都是偏向操作，不是很明白原理

A：我最初学GIS是上了一整学期的课程的，它分为lecture和live。每周大概有四个小时的lecture，就是老师告诉GIS的原理，再有四个小时的上手用软件时间。其实原理还是蛮重要的，因为如果不明白原理后期使用的话会很难理解。你可以上esri看一下课程，esri是publicto the all所以它的画面和语速像是给小朋友讲解一样非常易懂。

Q：我学了一些GIS的网课,但是只会操作老师操作过的，不是很能拓展思维。

A：我觉得这个问题是一开始学习GIS的时候都会有的，我刚开始学的时候也是这样一个状态。我觉得解决这个问题最好的方法是进行一个尝试，如果你现在有一个topic，你通过思考自己要研究的东西，可以看一下keystuday(？)， keystuday可以是各种各样的，他可以给你提供topology。通过看别人如何分析问题来建立自己approach问题的逻辑，然后通过这个记录下来的逻辑看自己是不是真的需要用到GIS。进而去思考我需要什么数据，我需要下载什么样的data。当你看到data 之后，就是非常简单的全部导入GIS，然后“关上打开”的过程。我做任何项目都是以先发现spacial上的一些relationship开始，因为起初我可能没有任何目标。当你前面已经进行了一些research了，你脑子里会有一个大致的逻辑，你看到这样的关系的时候你会发现问题，然后就可以做下去了。刚开始学完GIS确实是不知道能干嘛，但是可以尝试首先做一个suitability mapping，这个里面的操作就基本上go over了我们之前学过的所有操作，当你看到这些决定因素做出来的mapping之后，一瞬间你会有豁然开朗的感觉，再深入做设计或者后期分析。

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