基于GIS的声景观地图制作与分析——以杭州柳浪闻莺公园为例

基于GIS的声景观地图制作与分析——以杭州柳浪闻莺公园
为例
扈军;葛坚;李东浩
【摘要】以西湖风景区柳浪闻莺公园为例,通过对声景要素客观指标的测量和主观指标的评价,利用GIS系统整合绘制声景观地图,开展多方位的分析.结果表明:公园内声景在时间维度、空间维度等均有丰富的变化.在一年之中,春季早上公园内声景最活跃,通过GIS分析可以得出欣赏声景的最佳时间和区域;通过聚落分析,将公园按照不同声景类型进行分区,采取不同的声景营造措施;通过相关性分析,影响声景满意度的因素主要是交通声(TS),影响声景协调度的因素主要是景观多样性指数(LDI)和鸟叫声(BS).
【期刊名称】《浙江大学学报（工学版）》
【年(卷),期】2015(049)007
【总页数】10页(P1295-1304)
【关键词】声景;声景观地图;时空变化
【作者】扈军;葛坚;李东浩
【作者单位】浙江大学建筑系,浙江杭州310058;浙江大学城市学院建筑系,浙江杭州310015;浙江大学建筑系,浙江杭州310058;郑州铁路职业技术学院,河南郑州450052
【正文语种】中文
【中图分类】TU112
在景观设计和研究领域,历来是“视觉至上主义”,很少顾及其他感官要素.听觉是仅次于视觉的获取信息的渠道,近年来景观学研究中也逐渐开始重视声环境要素的影响,产生一门新的学科：声景学［1］,即对声与景关系的研究.“声景观”的概念由Schafer［2］于20世纪60年代末提出,后来经欧洲和日本学者深入研究,逐渐形成理论体系.目前,声景学的研究方兴正艾,大多学者的研究集中在理论的探讨上,如理论框架研究、主观评价研究、与其他环境要素关联性研究等［3-4］.这些成果对声景的空间与时间维度分析较少,缺少声与景的相互结合,不能以图形化的语言来表述分析结果,导致声景观理论的设计指导价值不能体现,而声景观地图可以弥补这方面的需求.将声音与数字地图结合进行研究最早是在噪声控制领域,利用实测或软件模拟的城市内噪声值,结合GIS软件绘制出直观、易懂的噪声声场分布图,即噪声地图［5-6］.通过噪声地图来研究交通道路规划、建筑布局等,可以更有效地从宏观角度控制环境噪声.在声景学领域,将声与景以图的形式结合起来的概念最早有sono-graphy［7］,而后Hayashi［8］提出了“soundscapegraphy”的概
念,Nishimura等［9］提出“sound monograph”,Kang［10］利用GRASS软件将研究区域内声要素按照累积响度值绘制出来,生成更直观易懂的声景观图.若要更加深入、准确地绘制声景观地图,则需要借助专业的地图软件平台,将声景融合起来.利用GIS平台,可以更好地从时间、空间上描述与分析声景的变化,为景观规划设计、营造良好的声景观提供指导.本文以杭州柳浪闻莺公园为例,阐述了声景观地图的绘制方法,并在此基础上对声景在时间与空间的变化进行分析,探究声景满意度的影响要素,为声景观的研究提供了一个全新的角度和方法.
1.1 声景观概念与声景观地图
声景观是门研究声场与景观环境相互关系的学科,这种关系需要个体通过身处环境之中而产生感受,因此声景观的核心是声、景、人三者之间的关系［1,11］.研究的成果是要指导与优化景观设计,因此要用景观学的逻辑来分析和展示研究成果.景观
学的逻辑和表达语言都是图形化的,但声学和心理学是以测量或分析数据来进行研究,相互之间没有联系的桥梁,需要借助第三方平台来将声学和心理学的数据转换成
标准、合理、有效的景观语言模式.GIS不仅可以完成这一角色,而且还能开展空间、时间等方面的分析,绘制出景观设计者易于理解的声景观地图.
1.2 声景观地图框架
声景观地图的制作包括基础数据收集整理、声景数据收集整理、声景观地图制作、声景观地图分析等步骤.绘制流程如图1所示.
1）基础数据收集与整理.收集和整理基础地理信息数据,整合成基础数据库.在GIS
中统一数据信息的坐标系,最常用的是北京1954坐标系［11］,然后进行地理配准,使基础数据信息和以后添加的数据信息准确地叠加在一起.
2）声、景数据收集与整理.声、景要素的数据信息需要现场测量与收集,但方式不同.声要素的客观物理指标是根据整个研究范围等距划分网格,然后在每个网格内逐
个测量客观声场指标,而声要素的主观感受指标是按照完整的景观斑块区域进行评
价收集.景要素指标是按照完整的景观斑块区域进行收集.
3）声景观地图的制作.在GIS平台上,利用格栅插值的方法将声、景要素指标的点
数据计算转换成面数据,然后叠加于基础地理数据之上,可以绘制出基础的声景观地图.
4）声景观地图分析.在声景观地图上开展不同角度的分析研究,可以给环境、景观
规划设计等提供指导.例如公园内防噪缓冲区的划分、声景观核心景区的营造、声
景漫步路线的规划等.
从数据信息学的角度而言,声景观地图是由基础数据和核心数据组成的数据库.在此
地理数据库中是按照层次型的数据对象来组织地理数据,包括对象类、要素类和数
据集三大类型［12］.
2.1 基础数据
基础数据是制作声景观地图的基础信息数据,主要包括研究区域内的建筑、绿化、道路、水体、桥梁等信息,构成了区域内景观要素的主体,为要素类数据,具有同类空间特征.
2.2 核心数据
声景观地图的核心数据为声要素指标、景要素指标及人对声景主观感受的一系列指标数据集.2.2.1 声要素声要素按照声源体的类型,分为主层级要素和次层级要素.主层级要素可以分为自然声、人工声和生活声［13］,如图2所示.自然声是指自然界中的非人为因素而产生的声音,如风声、雨声、鸟叫声等；人工声是指人为创造的一些设备、设施而产生的声音,如交通声、音乐声、广播声等；生活声是指人的行为产生的声音,如脚步声、交谈声、歌声等.
声要素有2种评价指标.一是客观物理指标,用一段时间内声音的平均能量值来计量,即L Aeq、L A10、L A50等.二是主观评价指标,反映人对声音的主观感受,常用响度来计量.
2.2.2 景观要素在景观规划中,景观指数是获取景观信息的来源,系统地描述了景观的格局,为规划提供依据［14］.将景观指数与声学指标结合起来分析,研究两者之间的关系.
选择景观指标中最能反映景区空间与环境特性,并影响人对景观主观感受的指标参数.
（1）景观区域面积（LS）：完整的景观围合区域所占的面积.
（2）景观丰富度指数（LRI）：指景观区域内斑块类型的总数与面积比值.斑块类型主要有密林、疏林、草地、灌丛、水体、铺装、建筑、雕塑小品、道路等. （3）景观多样性指数（LDI）：指不同类型的景观在空间结构、功能机制和时间动态方面的多样化和变异性.它反映研究区域内不同景观类型的多少和所占比例的变化,揭示了景观的复杂程度.
（4）景观均匀度指数（LEI）：该指标为研究区域内不同景观类型分布的均匀程度. （5）与周边景观要素距离（DTL）：斑块内声景观受周边其他景观要素的影响.在该研究对象中,西湖深刻地影响着周围的景观,因此斑块距西湖的远近将影响人对景
观效果的感受.
（6）与城市交通干道距离（DTR）：斑块与城市交通干道的平均距离,这与研究区域是否紧邻城市交通干道相关.城市交通产生的噪声是影响声景观的重要因素,它对
声要素的评价将产生影响.
（7）道路密度（RD）：斑块内道路的密度反映了区域内游客的可达性,也间接反
映了斑块内游客的数量,这对声景会产生一定的影响.
2.2.3 主观评价指标人对声景的主观感受是指人对声、景的体验和感受,进而产生
不同的情绪表现.如自然园林中的虫鸣鸟叫、溪流落水、古典园林中的古寺钟鸣等
都能给人赏心悦目的感觉,但个体之间存在着性格、文化等差异,会影响对声景喜好
程度的判断.人对声景的理解还包含其中的历史、人文因素,即历史文化积淀如诗歌、传说等投射到特定景观上,会产生一种对声景的预期,左右人的判断［15］,如西湖十景中的“柳浪闻莺”、“南屏晚钟”等景点.主观评价分为2种方式：1）个体依据喜好程度对区域内声景进行判断,从很满意到很不满意,共分为5个层级,如图3所示；2）个体对区域内声、景的协调度进行判断,这反映了人们对声景的预期［16］.
3.1 研究区域
柳浪闻莺公园是西湖十景之一,位于西湖东南岸,清波门处.南宋时是京城最大的御花园,称聚景园.当时园内有三堂、九亭以及柳浪桥和学士桥.清代恢复柳浪闻莺旧景,有柳洲之名.园中黄莺飞舞,竞相啼鸣,故有“柳浪闻莺”之称［17］.景区南北长约
480 m,东西长约390 m,面积约为0.19 km2.景区西侧以步行道与西湖水域相隔,东侧以南山路与城区相隔,南北与其他景区相连.
3.2 声要素网格与景观斑块划分
在以往研究中,是将研究区域按照等分网格来测量收集主、客观指标.该方法对于客观声场指标的测量比较合理,但对主观评价指标不合适,因为均等划分的网格往往割裂了景观的完整性,会影响人在其中的主观感受和判断,因此主、客观指标按2种方式收集.一种是按照40 m×40 m等距划分网格,在每个网格内测量客观物理指标,将研究区域划分为9列（横向A～I）×9行（纵向1～9）,共计81格,每个格子中间位置为一测点,如图4所示.
另一种按照相对完整的斑块形态进行划分,分为12个相对独立景观斑块区（13、14区为公园办公区,不作为研究对象）,在每个区域内收集景观指标和主观评价指标.如景观指标（见表1）、声场评价指标（声景满意度、声景协调度）、次层级声要素评价指标（频次、响度）.
3.3 数据测量与收集
3.3.1 客观指标测量现场测量分别选择春、夏、秋、冬4个季节中的典型日,天气晴朗,风速小于1 m／s,测量时间分别在早上6：00－8：00、上午9：00－11：00和夜晚19：00－21：00.测量使用3台AWA5291型多功能积分式声级计,测量前均使用声学校准仪进行校准.客观物理指标选择L Aeq,能够更好地反映区域平均声环境水平.测量设定采样间隔为1 s,采样时间为10 min.
3.3.2 主观指标评价主观调查共分为2个部分进行：1）对各斑块区域内次层级声要素进行调查,包括响度和频次；2）对各斑块区域内声景满意度和协调度进行评价. 调查小组共有12名成员,年龄为19～21岁,均为建筑学专业大二学生.成员为5女7男,听力均良好.调查分春、夏、秋、冬四季进行.为了保证主观调查与客观测量的一致性,两者同时开展.调查时天气晴朗,风速较小,无其他因素影响调查者的主观判断. 调查小组成员在划分的12个斑块区域内,对声景满意度、协调度进行评价,记录每种声要素的听闻频次、响度.听闻频次为5 min内听到的每种声要素的次数,响度是将听到的声要素按照5阶（1.十分安静,2.安静,3.一般响,
4.有些响,
5.很响）线性级
别进行判断.
3.4 数据处理
在将调查评价数据输入到GIS软件之前,要进行分析整理.数据的处理是将各类声要素的物理指标、景要素的特性指标等进行编号处理,利用软件统一处理建成数据库,主观评价的指标按照调查分析结果取算数平均值建成主观评价数据库,最后汇总输入到GIS软件平台上.
对于次层级声要素的听闻频次和响度评价是按照调查结果取平均值,但人们对于某一声要素的感受一般由该声要素出现的频次和响度决定,但频次和响度对于主观感受的权重目前不能确定.为了更能准确地评价声要素的主观感受,将听到的声要素频次和响度进行乘积,可以称为综合主观感受指标,即综合考虑声要素频次与响度共同作用下人对声音的主观感受.
3.5 地图的绘制
3.5.1 客观物理指标根据声景观地图的制作流程,柳浪闻莺公园内春、夏、秋、冬四季的L Aeq分布图详见图5.从公园四季A声级分布图来看,春季声场较活跃（见图5（a））.夏季声场最吵闹（见图5（b））,主要原因是蝉鸣所致的.秋冬季声场较静谧（见图5（c））,尤其是冬季（见图5（d））.
3.5.2 主观评价指标
1）主层级声要素主观综合感受指标.以春季上午为例,人工声主要分布在靠近南山路区域（10、11、 12区）,尤其是道路转折的地段（见图6（a））.生活声主要分布在靠近西湖的区域（1、2区）,翠光亭处最多（见图6（b））,这说明该区域是人流最集中的区域.自然声主要分布在公园中部（3、4、8、9区）,其中靠近小溪的安静密林区最丰富（见图6（c））.
2）声景满意度与协调度分布.对声景满意度和协调度的评价是根据调查人员的评价取算术平均值,然后在GIS中利用反距离权重插值法生成栅格分布图.根据评价结果
可知,公园中距离城区越近,满意度越低（见图7（a））,靠近西湖的区域满意度最高,而该区域是人流较集中的区域,是声景观着重营造的区域.声景协调度的分布与自然声的分布图十分近似（见图6（c）、7（b））,这说明人们在公园中更期待身处自然之中的感觉,而丰富的自然声能够使人有这种感受.
4.1 时间维度分析
4.1.1 四季声场变化分析将四季公园内所测量的网格A声级值进行算术平均,可以
得出公园中平均A声级的值（见图8）.
从图8可以看出,春夏两季声场较活跃,秋冬季声场较平静.夏季公园内A声级最大,
平均大于55 dB.根据现场分析可知,蝉鸣声是造成A声级较大的主要原因.春季游客较多,自然声中的鸟叫声较频繁,平均A声级约为53.5 dB.冬季公园内最安静,秋季次之.结合柳浪闻莺公园的历史文化内涵可以初步得出结论：该公园声景观的最佳观
赏和营造期为春季.
如图9所示为4个季节公园内A5网格至I5网格A声级的变化情况,即从南山路——景区——西湖的横断面,可以分析声场在时空角度的变化情况.
根据图9可知,A声级变化的趋势明显分为3个阶段.a阶段（网格A5～B5）4个
季节的走势一致,从西湖开始进入公园,越靠近西湖A声级越大,这说明西湖最吸引游客驻足,人流会带来脚步声和交谈声的增加,导致A声级较大.b阶段（网格C5～F5）4个季节的走势发生变化.秋冬季节的走势基本一致,A声级继续下降,然后缓慢上升.春夏季节A声级走势先上升,然后下降.根据现场调查可以得出以下结论：秋冬季节,游客较少,自然声很不活跃,尤其是冬季,如鸟叫声、虫鸣声等.春、夏季游客较多,自
然声活跃,例如春季的鸟叫声、夏季的蝉鸣声、占据了A声级的主要成分.在c阶段（网格G5～I5）,4个季节的A声级走势开始走向一致,在空间上开始逐渐靠近城区交通干道,表明A声级逐渐为交通噪声所主导.根据对a、b、c 3个阶段声场的分析可知, a阶段声场主要是游客声主导,b阶段主要是自然声所主导,c阶段主要是交通
噪声所主导.在c阶段,景观设计应着重考虑针对交通噪声的降噪处理措施；在b阶段,景观设计可以着重营造富有特色的声景观,如本公园的主题柳树与鸟叫声,c阶段
主要考虑与西湖核心景区进行融合.
4.1.2 早、中、晚声场变化分析在一天内,公园中声场有着丰富的变化.以春季为例,早晨（见图10（a））、上午（见图5（a））、夜晚（见图10（b））3个时段
公园内A声级的分布情况.总体来看,上午声场最活跃,靠近城区A声级最大,其次是
游客较多的区域.早上靠近西湖的翠光亭区域A声级最大,此处是附近居民晨练的主要区域.晚上公园内的商业办公区A声级最大,是人们晚间主要的活动区.
4.2 空间维度分析
将各斑块区域内的声要素指标进行聚类分析计算和作图［18］,得到各区域声景样
本间的欧式距离和聚类分析树形图（见图11）.按照欧式距离的大小确定各声景样本亲属关系,可以将公园从空间上划分为4个声景观类型.
1）休闲声景区（Ⅰ区）.该区域靠近西湖,生活声较多,自然声其次,景观设计以休闲、休憩为主题,吸引游客驻足.区域内声景的满意度和协调度较高,可以作为声景观营造的核心区域,如闻莺阁和古树休憩区.
2）静谧声景区（Ⅱ区）.该区域位于公园中部,交谈声、脚步声等生活声较少,说明
游客较少,总体感觉安静、幽深、宜人.鸟叫声、树叶声、水声等自然声十分丰富,尤其是鸟叫声.区域内声景的满意度一般,协调度最高,可以打造为标志声（鸟叫声）欣赏区.
3）活跃声景区（Ⅲ区）.该区域紧邻西湖水面,交谈声、脚步声等生活声较多,有大
量游客经过,可以适当地增加人工声景,如音乐声,打造以欢快、愉悦、活泼为主要特征的声景观.
4）降噪控制区（Ⅳ区）.该区域靠近城区干道,以交通声为主,因此景观设计以控制
交通噪声为主,设置降噪效果较好的绿化带及其他构筑物等.
4.3 声景要素分析
4.3.1 主层级声要素分析首先对公园内主层级声要素进行分析.将公园内12个调查区域的主层级声要素主观感受指标值进行累积,如图12所示.
从早、中、晚主层级声要素的分布直方图来看,人工声在早上和上午时间段相差不大,夜晚较少；自然声在早上最丰富,夜晚最少；生活声在上午最活跃,此时公园游客最多.
4.3.2 次层级声要素分析对次层级声要素主观感受指标值进行累积,能够更准确地了解每一类声要素的分布情况.如图13所示为次层级声要素综合主观感受指标在春季某日3个时段的累积直方图.
1）早上（6：00—8：00）时段.公园内早上时段鸟叫声最丰富,约占该时段总声要素总量的46.8%.其次是交通声和音乐声,分别占总声要素总量的13.3%和8.1%.该时间段公园内游客数量较少,以周边居民为主,且活动范围靠近西湖,以晨练较多,音乐声较明显.在公园中部区域,鸟叫声听起来更加清晰、响亮.
2）上午（9：00—11：00）时段.在该时间段内,鸟叫声是公园中令人感受最深的声要素,但受其他声要素的影响更加明显.鸟叫声占总声要素总量的35.5%.其次是人的交谈声与城市交通声,两者不相上下,各占总声要素总量的27.7%；然后是人的脚步声,占10.8%.其他声要素所占的比例都很小,都在3%以下.相较早上时段而言,上午变化最大的是交通声、交谈声、脚步声增加明显,同时从公园内实测的L Aeq来看,上午的值增大明显.这说明中午公园内的声场明显受到城市交通声和游客产生的声音影响,这对公园内营造声景观较不利.
3）夜晚（19：00－21：00）时段.夜晚时段公园内声要素总体较沉寂,鸟叫声、交通声和虫鸣声为最主要的声要素,分别占比为25.3%、21.9%、16.8%.相较早上和上午而言,声要素最大的变化是鸟叫声减弱明显,虫鸣声增加明显,其他声要素情况与早上较类似.
根据以上对早、中、晚时段的分析来看,在春季,鸟叫声（BS）是本公园内最主要的声要素,这和公园内良好的绿化以及历史人文角度促使的景观设计有密切关系.其次,人感受较深的声要素分别是交通声（TS）、脚步声（FS）、交谈声（PTS）.
4.3.3 声景满意度、协调度分析将声景满意度、协调度评价值与景观参数、主要次层级声要素综合主观感受指标进行相关性分析,如表2所示.
由表2可以看出,声景满意度与DTL、TS正相关,与DTR负相关,即距离西湖越远,离城市干道越近,交通声越多,则声景满意度值越低,说明越不满意.声景协调度与景观多样性指标（LDI）负相关,即景观多样性指数越大,声景协调度值越小,说明声景协调度越好.声景协调度与声要素中的交通声（TS）正相关、鸟叫声（BS）负相关,即交通声越大,声景协调度越差,鸟叫声越丰富,声景协调度越好.4.3.4 声、景要素相关性分析将主层级声要素和主要次层级声要素综合主观感受指标与景观要素指标进行相关性分析,结果如表3所示.
由相关性分析结果来看,人工声与LS、DTL正相关,与DTR负相关.自然声与LDI、LEI正相关,即景观多样性和景观均匀度越大,自然声越丰富.生活声与景观要素无明显的相关性.在次层级声要素中,交通声（TS）与DTR负相关,即离城市干道越近, TS越大.鸟叫声（BS）与LDI、LEI正相关,即景观多样性和景观均匀度越大,BS越丰富.脚步声（FS）与DTL负相关,即离西湖越近,脚步声越明显.
（1）通过借助GIS系统平台,可以将声、景很好地融合并展示出来,制作成声景观地图,这为景观规划中分析和研究声要素提供了可能.
（2）通过声景观地图,可以对声景观开展多方位分析.通过时空的分析,可以洞悉声景观在一年四季、一天不同时段内的空间变化规律,不仅为景观设计者提供依据,也为普通人欣赏声景观提供参考.以柳浪闻莺公园为例,欣赏声景的最佳时段为春季早上,最佳区域为斑块8、9区.通过空间聚类分析,在声景观地图上划分出不同的声景区,如防噪缓冲区着重考虑吸声降噪,声景营造区着重特色声景的设计.通过对主、次
层级声要素的分析,可以提炼出景区内的主要声要素及标识声要素,以营造含有标识声要素的声景观为核心,引导景观设计师去规划声景流线,也是参观体验的最佳路线. （3）声、景、人三要素相互影响.在柳浪闻莺公园中,声景满意度与与DTL、TS成正相关,即离西湖越远,声景的满意度越低.声景协调度与LDI、BS负相关,即景观多样性越大、鸟叫声越多,声景协调度越好.声景协调度与TS正相关,即交通声越大,声景协调度越差.自然声与LDI、LEI呈正相关,这与鸟叫声（BS）一致.
（4）远景展望.后期可以通过声景观地图平台,将声景观用摄影、录音的方式记录下来,并置于数据库中.利用WebGIS技术在网络上发布,展示给更多受众,让人们在游览景观的同时注重其中的声音.
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