空间融合范文（精选11篇）
空间融合 第1篇
微创手术中,如何在局限的手术空间下避免对微小复杂生理组织伤害,并准确抵达病灶区域,是临床医学中亟待解决的问题。随着计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)等医学影像技术的快速发展,医生可以更详细的了解解剖结构与生理结构信息。在医学影像信息的引导下,医学计算机辅助手术可以辅助医生实时了解关键区域的空间结构、靶向区域与介入工具之间的关系[1],有效进行术前路径规划,术中精准治疗与术后观察。
在传统计算机辅助导航系统中,图像导航界面与手术操作区域分离,医生需要在屏幕和患者病灶区域之间进行视野切换,以确认手术入口、工具和目标之间的位置。手眼无法协调的问题会显著降低操作的效率和准确性[2]。并且,传统导航界面仅供医生进行二维观察,缺乏对病灶区域的整体空间信息显示。因此,如何解决手眼协调问题、实现精准立体空间定位与图像引导是精准微创手术领域的研究重点与难点。为解决上述提及的两个主要问题,许多研究提出图像增强导航的解决方案。增强现实(AR)作为一种能够将虚拟计算机数据准确融合到实际手术场景的可视化技术[3],无需医生在图像显示器和实际操作区域进行视野切换,改善医生的手眼协调问题,提高图像引导手术的精度[4]。医疗中对于增强现实装置有两个关键要求——准确的时间和准确的位置。这两者能够保证实际手术区域和虚拟影像的动态配准融合。为实现这些目标,三维定位技术、术中成像与三维可视化技术等等应用于医疗增强现实系统中[5]。针对医疗增强现实技术的研究通过光学投影、光路变换等技术完成影像融合,多集中于二维投影增强、手术显微镜、头戴式三维显示器(HMD)、和原位透视融合显示[6]的研究。
二维投影显示系统需借助投影装置将医学影像数据叠加到人体上实现影像增强手术引导。二维投影显示实现方法简单,无需借助复杂设备即可完成增强现实的需求,设备空间体积小。因为投影需被实物呈接后才能可视化,投影图像通常为二维图像,无法实现三维图像投影融合显示,无法提供深度信息,在复杂区域手术中并不适用。此外,术中人体组织表面将产生形变,为得到无畸变的准确投影图像,需要根据人体表面形态对被投影图进行形变处理。
头戴式三维显示器通过向观察者左右眼视野分别提供不同的影像构建视差感,人眼通过双目视差图在空间中聚焦得到三维立体场景。研究者在头戴式显示器用于医疗教学、内窥镜手术等方面进行了大量研究。头戴式三维显示器能构建高清晰度三维场景,通过增强现实或虚拟现实的方式提高手术的准确性与效率。然而同时,头戴式三维显示器通过两幅二维图像构建的三维场景与观察者视点位置相关,在不同观察者的使用中其精度存在个体性差异。为得到准确融合图像,需要对医生进行位置追踪。此外,其装置本身以及观察过程中的辐辏反射不一致性问题易令观察者产生晕眩的感受以及视觉疲劳的问题。
立体手术显微镜也是采用双目视差图构建立体场景,并通过光学叠加的方法把引导信息叠加至手术显微镜成像视野中。将MRI或CT扫描数据传送到左右视野中实现增强显示,通过光学追踪装置可以定位显微镜和患者位置,显示准确的增强图像。在增强显示的同时获取更为清晰的术中场景。
与头戴式三维显示器、立体手术显微镜等相比,基于半透半反镜的原位透视融合显示系统无需追踪观察者的位置或佩戴附加辅助观察装置[2]。利用原位透视融合显示技术,医生能够穿透半透半反镜观察到叠加到真实场景中的医学影像信息。医学影像信息可以是二维横断面图像、三维面绘制或体绘制结果和立体医学影像。通过患者- 影像注册以及调整影像与半透半反镜的光学对应关系可保证图像能够融合到目标空间位置。利用该系统能够将患者信息与术前术中信息相融合,用于术前规划和术中引导。评估实验证明,与常规方式相比,采用原位透视融合显示系统进行脊椎穿刺针的位置更加准确。目前,原位透视融合显示已经应用于膝关节[7]、导针穿刺[8]、牙科[9]和其他微创手术的模型及动物实验。
叠加影像的空间精度与融合精度是确保手术安全性和高效性的主要因素。由于二维平面显示不能提供足够的空间精度,因此三维可视化与三维空间透视融合技术得到越来越多的重视。相较于二维投影缺乏立体信息、头戴式三维显示器和立体手术显微镜体积大且深度信息不精确[10]等问题,利用三维空间透视融合系统不仅能够显示具有立体视差、运动视差且空间位置准确的三维影像,而且能够准确叠加融合到真实场景中起到增强现实的作用,是实现增强现实图像引导手术的重要解决方案。
为满足临床对三维原位可视化的需求,实现精确三维影像叠加融合显示,解决手眼协调问题,本文提出一种基于高性能立体全像技术的新型空间透视融合精准定位导航系统,实现对微创手术器械追踪与靶向区域的三维立体增强显示。并且对其临床应用和研究应用进行分析与探讨。
2 新型空间原位透视融合精准定位导航系统
为提高手术导航系统信息的可靠性与精确性,解决现有系统中手眼协调与缺乏立体引导信息等问题,我们提出基于高性能立体全像技术的立体空间影像原位透视融合精准定位导航系统,为医生提供一个立体、精确、直观的增强现实手术导航场景。本系统基于实时立体全像技术与新型光路结构,设计空间透视融合装置,完成裸眼三维立体影像在实际患者的叠加显示;基于立体全像技术设计紧凑式空间标记物,对用于微创手术狭窄区域的手术器械进行精确定位追踪。基于高性能立体全像技术的新型空间透视融合精准定位导航系统,能够为医生提供可视化引导,有效了解患者解剖结构与手术器械空间姿态。
2.1 实时立体全像技术
与前文所述二维影像或双目立体影像增强现实导航相比,自由立体全像能在无需佩戴眼镜或其他设备的情况下为观察者提供引导信息。自由立体全像可通过透镜阵列、光栅、体显示器、全息成像等方法实现。其中,实时立体全像技术(IV)能生成几何位置信息准确的全真彩色、全视差立体影像。与实物一样,立体全像在空间中有固定的位置,在不同的视角下,观察者能看到不一样的影像,且可供多人同时裸眼观察。实时立体全像的数据源可以是术前或术中医学影像数据、计算机模型或立体相机、激光扫描等设备采集的三维信息,能方便重建生理结构和手术器械立体影像,为医生提供精确直观的引导。
立体全像的原理是空间物体的三维信息能被一组微型凸透镜阵列记录在其焦平面上,焦平面上记录到的影像称为基元图像。由此,三维信息能通过基元图像和对应微透镜阵列恢复出来。基元图像上每个像素点发出的光线穿过对应透镜中心,并在不同位置相交会聚,在对应的空间位置上重现立体影像。实时立体全像技术通过计算机仿真基元图像生成过程,并将基元图像显示在二维平面显示器上,以实现动态重现。基元图像的计算方法可分为面绘制与体绘制两大类。面绘制方法通过计算多个视点下表面模型到基元图像平面的反向映射确定基元图像上各像素值,其计算过程服从像素分配算法[11,12],见图1。体绘制方法假设基元图像中每个像素点均发射出一条穿过对应微透镜中心的光线,通过计算每条光线方向上体绘制结果确定其像素值。
注:左:基元图像计算过程。基元图像上每一个像素的值取决于其发射光线方向上面绘制结果。右:立体全像重建过程。把基元图像显示在显示器上并在前方放置透镜阵列,立体全像中的每一个点都通过对应基元图像像素发出的光线相交进行重建。
手术场景发生变化时,引导影像需实现实时渲染,以进行同步更新。然而,立体全像渲染过程包含大量的计算,例如一次渲染包括大量面片绘制(面绘制)或光线追迹计算(体绘制)(图2)。为保证渲染速度符合临床需求,可以使用基于图形处理器(GPU)并行加速的立体全像渲染流程[13],使用商用级GPU便可实现高分辨率实时立体全像渲染。
2.2 立体影像增强现实导航关键技术
影像引导手术[14]主要涉及四个主要技术。首先,术前路径规划与优化是手术成功的保证。根据精确引导信息,医生可以决定手术器械的入口和路径,以避免损伤周围的高风险结构。第二步是在手术过程中实时跟踪检测手术器械的位置,确定其与病灶区域的空间位置。同时,辅助进行注册。第三,结合患者术前医学图像选择不同的注册方法,完成术前医学图像与实际患者的统一。第四,直观的人性化友好界面能够为医生提供可视化引导。其中,为实现准确三维影像空间融合增强显示与术中器械追踪,需要选择合适的患者-医学影像注册与空间定位方法。下文将详细介绍立体影像增强显示导航涉及的注册与空间定位技术。
2.2.1 空间定位技术
在影像引导手术中,空间定位系统能提供成像设备、手术器械与患者的实时位姿,以保证增强现实引导影像显示位置的精确性与可更新性。临床常用的定位系统包括基于框架的立体定位、光学定位、电磁定位与术中影像设备。立体定位通过框架规定参考坐标系,患者与器械需固定在框架上并通过机械的方式实现定位。虽然基于框架的立体定位在刚性结构定位上有很高的精度,但框架结构总易影响手术操作。光学定位系统通过可见光或红外光范围内进行对标志点的识别实现空间定位。光学定位拥有较高的精确度与稳定性,但需保持标志点始终处于定位系统的有效范围内且不存在遮挡。电磁定位可以很好地解决光学定位中存在的遮挡问题,可实现体内目标的跟踪。电磁定位通过检测位于磁场中电磁线圈中感应电流变化判断其位姿。然而,电磁定位系统中磁场的稳定性易受外界环境干扰,导致定位精度不及光学与机械定位方法。术中影像设备通过影像处理方法获取手术器械或生理结构的实时位置,并能很好地诠释器械与生理结构间的关系。此外,术中影像还可用于实时诊断与治疗效果评估。
目前临床使用的大多数定位系统需要借助特定的标志点,但这个方法有明显的局限性。首先是标志点固定可能对患者造成的损伤和感染;再次,标志点仅能反应有限个数点的位置,难以精确反映非刚性的定位目标的准确位姿。为解决上述问题,需要使用无需标记的空间定位方法。基于图像特征分析与运动检测方法、医学成像与可见光双目相机都可用于目标定位[20]。目前,在以介入器械、牙科、软组织等为目标的无需标记空间定位研究已获得了良好的结果,但依然受到定位精度、定位速度及鲁棒性等方面的局限。随着医学影像、模式识别、计算机视觉等领域的发展,无需标记空间定位将拥有更大的临床应用潜力。
因为不同空间定位方法均有各自的优缺点,复合型空间定位系统通过结合不同方法,实现精度更高、有效范围更大、更可靠的空间定位。
2.2.2 患者-立体医学影像的三维注册
导航系统中,患者与医学影像的三维注册技术能实现医学影像数据和实际患者间在空间位置上的有效关联,保证立体影像能在目标解剖结构上精准呈现。患者- 立体医学影像三维注册基于两组分别位于立体影像与患者数据上,且相互对应的外部特征点集或自然解剖结构特征点集,确定患者坐标系与立体影像坐标系间的转换关系。从数学角度而言,三维注册过程是基于基准点集对求解从立体影像坐标系到患者坐标系的转换矩阵的过程。其中刚性转换关系可以表示用一个4×4 矩阵表示,其中包括一个3×3 旋转矩阵和一个3×1 平移向量。基于最小二乘拟合算法,此转换矩阵可通过最小化特征点集之间的距离求解。
(1)基于标志点的患者-影像注册方法
特征点的定位与识别精度是影像注册精确性的主要因素。立体定向手术中的参考定位仪是一个在早期临床应用中进行对标志点进行精确定位的方法。然而,立体框架在成像过程中可能会产生伪影而降低患者- 影像注册精度。此外,立体框架会引入患者不适与医生操作不便。
为了减轻患者负担与提高手术操作便捷性,可以使用标志点代替立体框架进行定位。标志点可以固定在患者、探针或成像设备上,借助定位系统便可确定上述目标的空间位姿。获取两组相对应基准点集位置的方法有两种。第一种方法是使在皮肤上或骨骼上固定标志点的位置。这些标志点能够在医学影像中精确识别,同时也能通过定位装置被跟踪。术中对标志点的实时跟踪可在患者位姿变化时实现引导图像的相应更新。第二种方法是使用在医学影像及直接观察中均易于分辨的人体解剖特征点作为基准点,例如鼻尖、眉心等内外部特征。这些特征的位置可以通过定位探针记录,由此无需在患者身体上固定任何标志点,避免对患者的损伤。
(2)无需标记的患者-影像注册方法
尽管基于标志点的注册方法在很多应用中都得到了很好的效果。但是在某些手术场景下,基于标志点的注册方法会受到一定的局限。出于尽量避免患者损伤和感染的考虑,大多数解剖目标不适合提前安置标志点。无需标记的患者- 影像注册方法将能有效解决上述问题。
无需标记的患者- 影像注册可通过三维表面匹配方法实现。一个解剖结构表面可以在医学影像坐标系及患者坐标系中分别使用点集进行描述。医学影像表面点集到实际患者表面点集间的变换关系可以通过面匹配算法求解。由此即可完成患者- 影像注册。目前有多种算法可以点集间变换关系,其中最常用的算法是迭代最近点(ICP)算法[15]。医学影像信息通过CT、MRI等影像采集获取,实际患者数据可以通过利用多种影像采集设备在术中获取。根据影像采集设备的不同,可以分为二维场景采集与三维场景采集。
二维场景采集多采用单目相机,且获取的图像为平面投影信息,缺乏空间结构信息。为将二维平面信息同三维术前医学影像信息配准融合,Liao等[16]在2004 年提出一种基于二维图像的表面匹配方法。从三维表面模型中提取的二维渲染表面模型,利用此二维表面模型与术中采集的二维平面信息进行配准融合。最后将裸眼三维立体医学影像准确透视融合到实际病灶区域。
三维场景可以由立体相机三维重建,激光表面扫描重建与结构光重建获取。通过多种方式获取三维表面数据后,基于表面匹配方法可以将三维表面数据同术前CT、MRI的表面数据进行匹配,完成无标志点的患者- 医学影像注册。基于立体相机的三维重建是通过相机标记获取立体相机的内外参数,并根据此参数与左右视差图重建得到三维场景。而已有研究表明激光表面扫描没有侵入性、且具有足够的精度[17]。因此,激光扫描分辨率越高,激光表面扫描重建精度越高,无标志点的患者- 医学影像注册结果越好。目前,此概念方法已应用于商业设备且在口腔颌面外科[18]得到了广泛应用。基于结构光的表面重建[19]技术则可利用结构光投射到患者并基于光学设备进行计算重建患者表面数据。除基于表面进行患者- 医学影像注册外,还可以基于解剖轮廓进行配准。Wang等[9]提出一种基于立体追踪和三维轮廓配准的自动无标志点配准方法。该方法主要包括四个主要步骤。首先,在立体图像的首帧左视图中手动选择图像模板,以用于采集牙科手术场景。其次,右视图的对应区域可以根据模板匹配获取。第三步,在左右视图感兴趣区域中,根据牙齿和口腔的强对比度提取二维牙齿边界。并且基于极限约束搜索算法进行立体配准。最后,根据相机标定结果完成三维轮廓重建并且进行实时更新。基于ICP算法实现三维轮廓与术前CT、MRI等数据提取到的模板进行注册。根据三维图像融合增强现实,能够增加牙科手术的准确性。
2.3 立体全像原位透视融合导航系统构成
立体全像原位透视融合导航系统主要包括基于立体全像的紧凑式定位器械追踪系统和导航系统两部分。
2.3.1 基于立体全像的紧凑式定位器械追踪系统
当患者、手术器械与导航装置移动时,立体全像导航信息需实现同步更新,这时需要术中实时精确空间定位系统。然而,微创手术感兴趣区域小,因此如何实现狭窄空间下器械的有效追踪亟需解决。传统的光学空间定位主要基于近红外光(例POLARIS, Northern Digital Inc)和可见光(例Micron Tracker, Claron Technology Inc)完成。同时为检测出整个手术器械在空间的姿态变换,需要在器械上安装三个或三个以上能够保证空间自由度的标记物。因此,其空间设计和安装复杂且空间体积较大,在一定程度上影响手术操作。
为解决上述问题,我们提出了基于立体全像技术的紧凑式空间定位器械追踪方法。利用立体全像技术对初始棋盘格状标记物进行渲染,得到具有空间信息的二维基元图像。并利用具有相同参数的微型凸透镜阵列进行三维标记物再现[23](图3)。为保证追踪到探针的整个自由度,至少需要三个标记物构成三角形形状,因此,整个探针上棋盘格状标记物的空间几何排列如图所示。三个二维基元图像与透镜阵列组合共线排列,实际在空间中生成的棋盘格状标记物构成非特殊三角形。
注:左:基于立体全像技术的立体棋盘格状标记物;右:基于立体棋盘格状标记物的紧凑式定位器械。
基于立体全像技术的紧凑式定位器械占有空间体积小,能够满足在微创手术狭窄区域的有效空间定位与跟踪,保证手术导航信息的精确可靠[23](图4)。
2.3.2 基于立体全像的导航系统构成
立体全像原位透视融合导航装置由立体全像显示器、半透半反镜与支撑臂构成,见图5。
观察者透过半透半反镜观察手术区域,同时,观察者还能看到经半透半反镜反射后的立体全像,这样立体全像便能叠加在手术区域上。因为渲染的立体全像与最终观察到的立体全像间满足光学透镜的缩小成像与半透半反镜的镜像关系,通过对光路的精确建模与计算,我们能够通过调整立体全像渲染参数,保证立体全像能与患者目标生理结构在空间中精确融合,见图4。这样,医生能直观精确地获取被遮挡生理结构的位置与形态,以更好地保证手术安全性与效率。此外,医生能根据手术操作需求方便地调整导航装置位置与观察角度,对不同的手术目标进行引导。
在精细手术中,引导影像应具有很高的分辨率,保证医生能够分辨微小重要组织。然而,立体全像的分辨率受基元图像分辨率和透镜阵列密度限制。这里我们提出了一个高效灵活的基于光学透镜的高分辨率实时立体全像系统。此系统由光学透镜组成,放置于观察者与立体全像之间。此系统能实现立体全像几何尺寸的缩小,同时保持影像的像素数,从而提高影像像素密度,提高立体全像单位体积内的分辨率。与此同时,为补偿透镜成像中存在的光学畸变,我们还提出了立体全像预畸变校正算法。通过仿真或实验标定的方法确定透镜的光学畸变模型,并在立体全像渲染过程中将光学畸变考虑在内,补偿光学元件畸变对成像精度的影响,以满足临床安全对立体全像分辨率的需求[22]。
3 系统搭建与实验结果
我们搭建立体全像原位透视融合导航原型系统,并在膝关节手术领域进行了志愿者实验。实际搭建的系统见图6。
膝盖部位的手术是一种针对骨头/软骨损伤的微创手术。作为抑制伸展过度的重要内部稳定部位,膝关节很容易在超过生物力学限制的时候受到损伤。因此,医生需要重建膝关节以对其进行治疗。手术中,外科医生通过股骨和胫骨的空隙中进行操作。为更好的实现术后康复,保证腔道位置精度是很重要的。在传统的手术中,外科医生使用X射线或CT得到的医学图像进行引导操作。将立体全像原位透视融合导航系统应用于前交叉韧带重建能够实时显示静脉建立股骨、胫骨和手术器械[21],直观生动地显示三维膝关节内部结构(图7)。在光学跟踪系统和半透半反镜的辅助下,骨头的CT数据和三维手术器械能够引导外科医生观察到膝关节结构和手术病人的体内工具位置,进而完成手术操作。
注:上:立体全像原位透视融合导航系统应用场景;下:不同观察视角下立体全像原位透视融合效果。
4 结论
图像增强现实技术能够解决手眼协调问题,辅助医生在观察实时场景的同时获取医学影像信息,从而保障手术安全、提高手术精度。
本文介绍了目前可用于图像引导手术中的多种增强现实系统,简要介绍各种增强现实系统的研究进展并对其优缺点进行对比。相较于二维投影缺乏立体信息、头戴式三维显示器和立体手术显微镜体积大且深度信息不精确等问题,利用三维空间透视融合系统不仅能够显示具有立体视差、运动视差且空间位置准确的三维影像,而且能够将三维医学影像准确叠加融合到真实场景,是实现增强现实图像引导手术的一种重要解决方案。本文着重介绍了三维空间透视融合系统的关键技术,包括三维影像可视化、精确的患者-立体医学影像的三维注册与有效的器械追踪。并针对于微创手术的实际临床应用需求,提出一种基于高性能立体全像技术的新型空间透视融合精准定位导航系统。基于光学透镜实现高分辨率实时立体全像显示,提高三维融合影像性能。同时基于立体全像技术设计紧凑式定位器械,实现在微创手术狭窄区域的定位追踪。
相较于软组织,骨科中的结构变形小,因此,对于骨科的三维空间透视融合系统更容易实现,且目前的临床实验显示了良好的应用前景。然而,目前的三维空间透视融合系统依旧存在一定技术上的制约。例如,其具有较高的空间精度,但其平面精度需要进一步的改善。为获得清晰的立体视觉图像和较宽的显示视角,需要利用高性能微型凸透镜阵列和高分辨率显示器。同时,也需要更多的临床试验对系统的效率和可行性进行评估。
三维空间透视融合已经成为图像引导手术的重要发展趋势,将会为精准微创诊疗提供有效可视化平台。
摘要：面对大众对创伤性小、恢复期短、更安全高效的微创手术需求,手术导航的临床重要性日渐显著。如何使用医学影像信息指导术前手术规划,在术中引导实时诊断、精确操作与高效治疗,提高手术效率、精度与安全成为研究关注热点。本文针对临床需求提出一种基于高性能立体全像技术的新型精准空间透视融合手术导航系统,并且介绍了该导航系统涉及到的关键技术。基于该系统能够实现对微创手术器械追踪与手术感兴趣区域中关键解剖组织的三维立体增强显示,为医生提供精确直观的透视融合引导。
美国网络空间军民融合的经验与启示 第2篇
美国是打造网络空间军事力量的始作俑者。从2009年率先建立网络空间司令部，到2013年公开承认建有专司“进攻”任务的网络战部队，从2011、2015年国防部接连发布两份网络空间战略文件，到网络安全国防预算持续攀升，美国的网军建设始终是国际社会关注焦点。然而，这从来都不是美国国防部一家的单打独斗，军民融合始终是美网络空间力量建设与运用的基本思路。可以说，美国网络空间力量发展的关键词是“融合”而非“建设”。借鉴美国在网络空间军民融合方面的做法与经验，吸取其教训与不足，走出有本国特色的军民融合式网络空间发展之路，将有助于包括中国在内的世界各国实现网络实力的飞速跃升。
持续发布战略文件实施顶层设计，“政府主导、体系统筹”是核心目标近年来，美国接连发布网络空间战略文件，强调将政府民事机构、军事力量、私营企业、学术精英以及普通民众等各种力量整合起来，实现多要素的体系融合，不仅指明了战略方向，而且列出了具体的规划与方案，成为美国网络空间军民融合的顶层设计。2001年，小布什政府发布第13231号行政令《信息时代的关键基础设施保护》，宣布建立由国务卿、国防部长、司法部长、商务部长等组成的部委间机构，代表政府全面负责国家的信息安全工作，为军事与民事机构合作奠定了机制保证。2008年，小布什政府又在“国家网络空间安全综合计划”提出12项举措，其中之一是基于国家安全局开发的技术、国土安全部与国防部配合实施“爱因斯坦3”项目，以有效防护联邦政府网络。2011年，美国国家科学技术委员会发布《可信网络空间：联邦网络安全研发战略规划》，要求统筹运用国防部、国土安全部、能源部等军事与民事部门下属研究力量，依据各自优势承担不同的研发项目，实现网络技术的新突破。2015年7月，奥巴马颁布关于高性能计算机的总统令，要求国防部、能源部和国家科学基金会作为领导机构，联合推进百万兆级超级计算机的研发进度。美国国防部对于网络空间军民融合更是高度重视。2011年，美国国防部颁布首份《网络空间行动战略》，列举了美国防部在网络空间的五大战略举措，其中之一是要与其他政府部门、机构及私营企业合作，打造全政府网络空间安全战略,内容包括与国土安全部建立更密切的伙伴关系，以及基于创新、开放和信任激励私营部门参与国防部网络空间安全行动。2012年7月，国防部发布《云计算战略》，明确提出打破军用与民用之间的界限，运用成熟的商业技术推动云计算在军队中的广泛运用。2015年4月，国防部发布新版《网络空间战略》，同样提出要加强与美国政府民事机构的协调，以实现最大限度的信息共享、协调网络行动、分享经验教训；鉴于“国防部在构建网络、提供网络空间安全服务和研发先进能力等方面都依赖于私营部门”，未来需进一步加强与私营企业的密切合作。而且，与旧版文件在国防大学公布不同，新战略的发布地点选在网络企业汇聚的硅谷。国防部长卡特在演讲一开始便呼吁，商业界、民间和政府应建立“公开的伙伴关系”，包括重建五角大楼和奎地之间的“桥梁”，对借私企之力发展网络空间的重视程度可见一斑。应当看到，以发布战略文件的方式强调网络空间军民融合的重要性，不仅意在展示姿态，更是要确保政府在整合各类网络力量过程中的主导地位。美国政府大力推行网络安全政策，一定程度上是由于他们看到了互联网蓬勃兴起带来的机遇与挑战，希望将网络主导权由民间收归政府，期间触发了一系列政治敏感问题。在紧急情况下归私人公司所有的“关键基础设施”能否由政府接管、总统能否下令限制或者关闭被攻破的政府机构或网络的互联网通讯等问题上，政府与民间形成了尖锐的对立。而斯诺登不断曝料的监控丑闻，也使各网络企业亟欲与美国政府、军方“拉开距离”。以出台战略文件的方式引导和筹划军民融合，有助于军事与民事机构形成合力，逐渐削减民间特别是私营企业“自行其事”的空间。
不断推动军地合作确保机构协同，“资源共享、能者多责”是主要标准随着网络在社会生活各领域的延伸，各个政府机构的管理职能也相应地延伸到网络当中，导致相关部门越来越多，战略重心不明、工作职能重叠、缺乏协调配合等问题日趋严重。特别是，以国家安全局和网络空间司令部为代表的军事机构，和以国土安全部为代表的民事机构，就谁应主导网络空间展开了激烈的争夺。2009年，隶属白宫的网络空间办公室和隶属战略司令部的网络空间司令部相继成立后，美国基本确定了军民两分的基本模式，即在网络空间办公室协调下，国土安全部保护联邦机构网络即“.gov”的安全，网络空间司令部和国家安全局保护军事网络即“.mil”的安全。同时，相关部门首脑均摆出合作姿态，宣称将努力确保资源共享。时任美国防部副部长威廉·林恩、网络空间司令部司令基思·亚历山大多次在不同场合表示，愿意运用军事力量为民事机构提供支援，届时军事资源“将处于民事领导人控制之下，根据民事法律运用。”2010年10月，国防部和国土安全部领导人签署谅解备忘录，建立正式的伙伴关系，互派支援小组进驻对方机构，以整合军政网络空间安全手段，互通有无、协调合作。但是，这种看似简单的切割与合作未能根本解决问题，军地机构并未真正形成合力，各自为政、重复建设的事情仍时有发生。例如，2009年10月和11月，国家安全局、国土安全部分别建立了旨在整合网络安全力量的新机构，彼此之间的职能严重重叠。“完美公民”项目旨在检测电力网等关键基础设施网络及政府机构网络是否受到攻击，理应属国土安全部职责，实施上却由国家安全局负责。更有甚者，国防部组织的网络力量，曾出于安全考虑，奉命摧毁由中央情报局建立的旨在吸引“圣战者”的“密罐”网站，充分表明美政府上层缺乏协调，政策导向不清晰。军队与民事机构职责的重新理顺，是由2015年4月国防部新版《网络空间战略》确定的。文件称，国防部不仅要负责国防部网络的安全，还要保卫国土和国家利益免受后果严重的网络攻击。这就意味着，军事机构将在保护民用网络空间资源和基础设施方面发挥较大的作用，民事机构的权力则相应缩减。而其背后的原因，无非是技术资源的不对称。在美国，最先进技术通常首先在国防科技领域应用，网络空间与通信、电子侦察的密切关系，又使得以国家安全局为代表的军队情报机构，在网络空间事务主导权的争夺上具备了先天优势。兼任网络空间司令部司令的时任该局局长亚历山大曾在国会上表示，该局掌管本领域最强大的技术专业力量，包括密码、网络接入和语言学人才，拥有网络空间行动所需的所有要素。与之相比，国土安全部虽一度被赋予更大职权，但该部督察长理查德·斯奇诺却不得不承认，他们“既缺少迫使其他联邦机构按其建议行事的权利，也缺少能够恰当执行任务的人员”。受此影响，虽然美国在传统上高度警惕军事力量在国内事务中的过度膨胀，但还是不得不依据“能者多责”标准，明确军地机构的主导地位，理顺协调关系。
高度关注公私合作善用民间力量，“需求牵引、利益驱动”是内在机理在美国，90％的网络空间基础设施归私营部门所有和控制，核心网络技术与设备主要由以“八大金刚”为代表的网络私企掌控，大学和科研机构更是网络人才汇聚的巨大宝库。为充分利用这些民间的资源，美军采取了多方面措施。美军将多数网络装备的研发生产工作交由私营企业承担。华盛顿邮报“美国最高机密”调查显示，参与承担美国网络空间防务的私人承包商多达1930家，其中仅国防部总部就拥有291家承包商。洛克希德·马丁、波音、诺斯罗普·格鲁曼及雷声等老牌军工企业都有大规模的网络相关产品与服务线，并直接参与到与网络空间战相关工作当中。国防高级研究规划署的“X计划”和“国家网络靶场”项目等，都由多个私营企业分包。2015年，网络空间司令部发布信息征询书，在全源情报、网络作战、网络规划、网络演训等10余个领域公开招募承包商，以尽早完成构建133支网络任务部队。国防部长卡特也在2015年4月宣布“国防创新Ｘ部队”计划，表示将在硅谷设立办事机构，开发尖端突破性技术，实现国防部与私营企业的更高层级融合。美国军方还与私营企业合作，共同提升网络安全水平。2011年，国防部发起“国防工业基地网络导航”试点项目，为20个参与国防部网络运营的公司提供平台，使其能够及时获得网络安全情报信息，各公司则借助这些情报与专业力量，保护他们为国防部运转的网络。在90天试运行期内，该项目便成功阻止了数百起网络入侵行动。2012年5月，该项目向所有符合条件的国防工业基地公司开放。2015年10月，国防部首席信息官下达有关该项目的新指令，对如何实现信息共享做出了更详尽的规定。据估计，目前已有近千家公司参与该项目。为加强协同，在组织开展“网络暴风”、“网络卫士”等网络演练时，大量民事机构、网络企业、学术界代表均与军队共同参与，以便通过实践共同发现网络威胁和网络漏洞，提高应急响应能力。网络空间作为人造环境，对人才的需求极其旺盛。美军不仅在军事院校开设网络课程，还积极到地方延揽人才。例如，国家安全局在多个大学开设网络课程，空军研究实验室网络空间行动部每年为大学生提供为期10周的培训，以培养更多的网络战人才。自1994年起，国防部就依据“企业职员项目”计划，每年派出15-20名军官到顶级商业公司工作约11个月时间，借用企业环境培养人才。2015年，国防部宣布将派驻时间增至2年，以确保这些军官能够在私营企业最大限度地汲取营养。在每年8月举行的“黑帽”大会上，国家安全局局长及高级官员经常亲临现场，甚至公开发表演讲，以招募民间高手入伍。新版《网络空间战略》还提出，国防部必须有能力从国内最好的网络空间安全与信息技术公司当中借用技术专家，让他们在国防部内发挥独特的工程设计与分析作用。其实，经过多年发展，美国军队与私营部门之间形成了关系密切的军工复合体，在网络空间同样如此。对于企业而言，与军事机构建立密切关系，使他们能够及时捕捉和准确把握军事需求，在庞大的网络产业订单中分得一杯羹。对于军队而言，私营企业运营方式灵活，可以绕开军事官僚机构固有的繁文缛节，技术装备研发成本更低、效率更高。在新兴技术日新月异的网络空间，这种优势更显重要。有统计表明，五角大楼开发新的计算机系统需要81个月时间，苹果手机开发则仅需24个月。显然，确保双方合作长期有效运行的，不仅是机制、法规方面的保障，更是共同需求与利益的驱动。美国网络空间军民融合存在诸多显著缺陷，负面效应发酵教训值得警惕 当然，美国的网络空间军民融合并非无懈可击，仍有诸多明显的缺陷和难以克服的不足，负面效应一旦显现极有可能持续发酵。从机构整合角度看，美国在前期设定的军地机构职责划分频出问题，除资源上的不对称之外，另一个重要原因是顶层领导机构缺乏足够的权威。“网络沙皇”职位创建6年来，多位就任者的资质、能力都相当过硬，但却政绩平平，根源在于职权过低。按照授权，这一职务的领导人只向国家安全委员会和国家经济委员会负责，充当协调与顾问的角色，无法直接向总统汇报，也不能代表白宫直接掌管网络空间安全事务的实质权利。顶层机构权力有限，直接导致军、地机构争斗不断。虽然当前基本确定了军事部门为主导的网络防御模式，但最大的问题在于，担负防御任务的网络空间司令部同时兼负有网络进攻职能，更有可能在遭受网络攻击后实施报复性反击，或是在预期可能遭受网络攻击时就采取“预期自卫”行动，因判断错误或意外事件引发网络军事冲突的风险明显增大。而私营企业、军事机构等组成的军工复合体，虽然有助于以低成本提升美军网络战斗力，代价也是巨大的。企业在制定决策时，最主要的参考指标是经济利益而非国家需求。例如，他们不愿为提升网络安全开列大笔预算，也不愿为了降低安全风险而改变全球组装的生产供应模式，结果使美国不得不始终面对无法防范的“供应链风险”，即“某些软硬件有可能在国外生产时被所在国政府借机添加恶意代码”。国防部《网络空间行动战略》也指出，“国防部的许多关键功能和行动依赖于商用设施，包括互联网服务提供商和全球供应链，但国防部无权直接对其采取可有效降低风险的措施。”将网络装备技术研发分包给私营承包商，对美国而言还有另一重风险，就是大量政府与军队之外的人员将有机会接触到涉及网络核心机密的信息，但他们的“忠诚度”显然低于军人和长期供职于军事机构的文职人员，构成了所谓的“内部威胁者”。兰德公司知名网络专家马丁·利比奇在2009为美国空军撰写的研究报告《网络空间威慑与网络空间战》中指出，这些人技术娴熟、深受信任、了解内情，一旦发生问题将构成严重威胁。联想到2013年以来持续发酵的“棱镜门事件”，曾供职于国防项目承包商博思·艾伦咨询公司的斯诺登，正是这种所谓的“内在威胁者”。客观而言，斯诺登揭露的大量材料显然有力地抑制了美国肆无忌惮的全球网络监控行径，但从美国自身角度看，其谋求网络空间霸权的行动因此遭受了严重的负面冲击，所造成的影响几乎是不可逆转的。（本文刊登于《中国信息安全》2016年第8期）相关阅读：
网络安全军民融合提升到战略高度，加强顶层统筹规划美国十分重视网络安全领域军民融合问题，将其上升到国家战略高度，通过发布网络安全战略、强化网络空间顶层领导和加强法律制度建设等，积极推进顶层谋划。1.发布网络安全战略，上升为国家意志近年来，美国政府和国防部十分重视网络空间军民一体化发展，相继发布了一系列文件，将网络空间军民融合上升为国家战略，进行统筹考虑。早在小布什时期，美国颁布了《网络空间安全国家战略》，明确要求由国土安全部、国防部等22个军地部门共同负责国家关键信息基础设施安全；构建由国防部、司法部、商务部等预警系统组成的国家网络安全反应系统；加强执法、国安、国防等部门之间的协调，共同应对网络攻击威胁。2011年美国国防部发布《网络空间行动战略》，在五大战略倡议中，第三大战略倡议就是要求国防部与其他政府部门、私营企业共同合作，打造“政府一盘棋”的网络空间安全战略。2012年3月奥巴马政府公布了《大数据研究和发展倡议》，确立了基于大数据的信息网络安全战略，其国家创新战略、国家安全战略、国家产业发展战略以及国家信息网络安全战略都以大数据为重要依托，要求国防部、国防高级研究计划局等6个政府部门和机构承担相应任务，共同推动美国大数据技术发展。2015年4月，美国国防部新版《网络空间战略》再次强调，“国防部历来从私人部门创新中获益良多，它将继续与私人部门展开紧密合作，借助商业化助力国防部网络安全新理念”。新版战略跨越了传统的“军民两分”界限，军事力量大量涌入民用关键基础设施，把私营机构运营的网络基础设施纳入到国防部保护的范畴，同时也提出加强与政府各部门间以及公私机构间的网络安全信息共享等措施。2.强化网络空间顶层领导，构建军地网络国防统一体制“9·11”事件后，美国已建立由总统关键基础设施保护办公室统筹协调，以国土安全部为中心，以国防部、商务部、行政管理和预算局等机构为补充的网络信息安全组织体系，初步实现了军地密切合作。奥巴马上台伊始就发布了《网络空间评估政策》报告，要求加强网络空间领域的顶层领导。2010年5月美国网络司令部正式启动，负责协调美军不同军种内部的网络指挥部门。同时规定网络司令部和国家安全局由一人领导，这种“双帽”机制延续至今，既保障网络司令部的网络安全，又向其提供情报支持，还与国土安全部、司法部、联邦调查局等部门开展了密切协作。与此同时，美国对军事和民事之间的领导体制问题进行统筹协调，积极构建网络国防的统一领导体制。在总统国家安全事务助理办公室下设主管网络安全的安全事务助理办公室，办公室主任为网络事务协调官，负责在国家安全委员会体制下，协助总统协调统筹网络安全事务。同时，将网络国防划分为三大领域：国土安全部负责国内网络安全的防御与应急反应、网络犯罪和网络恐怖主义等；国防部负责国外的军事网络作战、防御国家关键基础设施的进攻性网络作战；国家安全局支援国内与国外两方面网络作战的网络空间情报作战业务。这三大块业务由总统统一领导，按照国家安全委员会领导体制对涉及网络空间的重大战略与政策问题进行决策和部署。3.加强法律制度建设，为融合发展提供法律保障美国出台的一系列网络安全战略，为网络军民融合发展提供了指导原则和遵循路径。例如，2011年美国国务院发布的《网络空间国际战略》和国防部发布的《网络空间行动战略》，从宏观视角对加强军地协调、公私合作提出了总体规划和战略保障。在具体的法律法规方面，为实现军地风险信息共享，众议院一再推动《网络情报共享与保护法案》的出台；1993年美国颁布《国防授权法》，明确提出了军事和民用工业基础一体化建设的发展思路，推动了军民两用信息技术的研发；为健全完善信息技术军民通用标准，美国积极推动技术和标准研发的《网络安全研发法》的制定；在加强网络基础设施安全和网络安全人才培养方面，美国不断完善《国家网络安全与关键基础设施保护法案》和《网络安全劳动力框架》等相关法律规则。随着大数据时代的到来，为适应信息技术带来的新变革，美国对网络安全和军民融合的相关战略和政策文件做出了相应的调整。例如，奥巴马政府公布了《大数据研究和发展倡议》和《美国国防部云计算战略》等，对于大数据条件下的网络空间军民融合起到了指导作用。
深化网络空间多领域公私合作，实现军民共建共享美国政府高度重视私人部门在网络安全中的作用，并把强劲的公私合作关系当作美国网络空间战略的一项根本支柱。其网络安全产业实行的是公私合作、军民共建共享，这降低了公共成本、提高了运行效率，有助于美军建立和维持制网权。1.积极拓展与私营企业的合作，大力加强网络基础设施建设由于美国私营企业掌控大部分网络基础设施，美军事行动对这些企业有很大依赖性，再加上网络空间的非对称性特点，美国军方无法依靠自身实力对网络实现绝对控制。因此，私营企业在美国网络基础设施建设中的作用举足轻重。美积极拓展与私营企业的合作，主要体现在：一方面，军民共建信息基础设施。美国依托国家信息基础设施，采用租用地方网络和自建军用网络相结合的方式，构建国防信息基础设施，军民共同打造坚固的网络空间，支撑国家和军队发展需求。从1978年到1994年美国建成了由24颗卫星构成的GPS导航信息系统。该系统在优先为军队的舰艇、飞机等武器平台提供导航定位信息服务，协助武器系统实现信息化条件下的精确打击的同时，也为美国乃至全世界提供民用信息导航服务。2001 年９月，美国开始建设军民兼容的第二代国防信息基础设施——全球信息栅格。该信息基础设施体系由军队自建和租借地方的各类通信与计算机系统组成，可为联合部队、盟国和非国防部用户同时提供系统接口。全球信息栅格80%采用的是民用技术和产品，商业公司承担了95%以上的传输业务。另一方面，多数网络安全防务和网络装备技术研发由私人企业承担。这些私人企业既包括洛克希德·马丁和雷神等传统军工企业，还包括赛克铁门和迈克菲等专业的网络公司，以及IBM、惠普、微软等信息产业巨头。IBM公司为美空军构建“云端计算机网络系统”，利用云计算技术对美空军9个指挥中心和100座军事基地网络基础设施进行整合；洛克希德·马丁公司联合其他分包商，为美国陆军提供地面网络通信和传输系统；惠普联合企业网络合作伙伴（包括AT&T、IBM、洛克希德·马丁、诺斯罗普·格鲁曼等公司）为美国海军主干网络安全和运行提供保障；国防高级研究计划局将包括“X计划”在内的多个网络领域研发合同授予雷神公司推动和负责。2.构建网络信息共享机制，实现军民信息和资源共享网络安全军民融合的关键是信息资源的共享。网络安全发展态势常常瞬息万变，信息监测、威胁预警、态势感知都需要实时有效的共享和交换机制，而军事和民用信息资源的互通共用能够更有效地推进网络安全的全维度、全天候防御。由此，美国军方十分重视互联网企业拥有巨大的技术优势，这种优势与美国军事情报机构的需求相互结合，成为美军建立和维持制网权的主要依托。2015年奥巴马签署一份总统令，计划新建信息共享与分析组织，以实施私营企业和国家部门间的分类式信息共享。之后，美国成立了网络威胁情报整合中心，实现国家情报总监、国土安全部、国防部和司法部之间的信息分享。当前，美国军方授权一些重要的信息产业公司可以接触军方机密信息，这些公司也被纳入军事情报系统。美国国家安全局和军方通过法律手段、秘密监控和行政措施，使得美国的一些互联网和电信企业成为情报合作的伙伴。国家安全局通过在这些企业的服务器中增设过滤器、在软件中预留后门，以及拥有破解加密信息的密钥来掌控网络空间流动的信息。例如，微软、谷歌、麦克菲等大型互联网技术公司根据承包合同要求，在公开其新发现的系统漏洞之前事先通知美国国家安全局，从而使后者可以利用这种优先知情权实施网络入侵。美国军方还通过加强与科研机构的合作来促进自身网络行动能力的提高。2013年美国国家安全局和北卡罗来纳州立大学合作建设分析科学实验室(LAS)。该实验室主要通过汇集来自政府、学界和企业界的先进理念来对大数据进行分析。安全局的研究主任将担任领导来组织实验室的项目。美国国防部希望通过合作来解决外国信号情报和信息安全方面的挑战，从而使美国在情报处理领域更有优势。3.军民共建“网络靶场”，利用军演提升整体网络安全能力“国家网络靶场”由国防高级研究计划局应国会要求组建，为美国防部模拟真实的网络攻防作战提供虚拟环境。该项目主要由私营企业负责建造和提供技术保障，军方投资并应用。第一阶段的概念初步设计由BAE系统、通用动力、诺斯罗普·格鲁曼、科学应用国际等7家公司承建，第二阶段建立并交付靶场原型机，分别由霍普金斯大学应用物理实验室和洛克希德·马丁公司仿真训练与支持分部负责。国家网络靶场是一种测试军民涉密与非涉密网络项目的国家资源，具有三个军民共用的特点：在行业领域，国家网络靶场涵盖政府、国防、金融、电信、工业等领域，以满足其网络空间基础设施安全体系建设与科研试验需求；在任务领域，国家网络靶场通过顶层设计与体系建设，完成了军队和民用网络空间安全体系规划、测试评估、人才教育培养等任务；在应用领域，国家网络靶场可为军民各类用户提供一系列网络化联合应用，包括支撑国家基础设施安全防护体系建设、自主可控软硬件安全性测试等。另外，美国十分重视网络演习中军民联合协作、多种力量运用等。例如，“网络风暴”演习是美国国土安全部每两年组织一次的跨部门演习，每次演习，国防部、国家安全局等都作为核心部门参加，思科、微软等数十家企业也积极参与。此外，国防部与国土安全部、联邦调查局以及一些私营公司还组织开展了“网络卫士”、“网络拂晓”等演习。通过这些军演，美国国防部检验了网络军民配合的实战效果，提高了军地在信息共享、态势感知程度和决策过程等方面的磨合。
空间融合 第3篇
一、挖掘教材，探究文本内涵
苏教版教材文质兼美，文学色彩浓厚，是学生进行练写的范本。教师恰当地抓住训练点，既能帮助学生理解文本、品位语言，又能将所学内容进行灵活运用，可谓一箭双雕。因此，教师要积极引导学生向文本进行深入提问，使得读者在与文本、作者、编者的积极对话中产生意义。文本借助语言文字等符号给予学生巨大的自主解读的空间，可以引导学生足够的想象。只要教师和学生深入研读文本，就可以在字里行间找到写作的机会，挖掘到有理有据、想象丰富的语言训练点，激发起学生的练写热情，挖掘学生的写作潜能，让文本的留白借助于学生的再加工趋向于丰满。
1.创造言语情境，让形象变得丰满
作者在进行写作的过程中总要根据表现主题的需要有所取舍、有详有略，不可能事无巨细都娓娓道来，这样作品就有了留白，读者就能够借助想象对文本进行二次创作，从而创造出崭新的言语表达情境。学生立足文本，结合自己已有的生活经验展开充分的想象，就能够使文本中相对简约的形象变得血肉丰满，具有个性色彩。
如教学《高尔基和他的儿子》一文，在和学生共同品读高尔基写给儿子的信之后，我让学生思考：高尔基作为世界级的大文豪，字里行间流露出来的是对儿子浓浓的父爱。信的结尾，父亲谆谆告诫儿子：给予永远比索取要愉快。高尔基期待儿子长大后做个什么样的人？你也曾经因为____而心情愉快！通过这样的训练，把学生的生活经验和所学内容有机结合。
生1：我曾经因为孝顺妈妈而心情愉快！过年以后，爸爸就到上海打工去了。看着妈妈忙里忙外，为我操碎了心，我非常感动。母亲节那天，我在放学的路上用零花钱买了一束康乃馨，连同鲜花一起献给妈妈的是我考了一百分的英语试卷和“妈妈，母亲节快乐”的祝福，平日坚强的妈妈一把搂着我，流下了喜悦的泪水！
生2：我曾经因为帮助同学而心情愉快！今天早读课，我正津津有味地读着课文，突然一股难闻的气味冲进了我的鼻子。抬头一看，同桌正趴在桌上呕吐，原来他今天身体不舒服，我一抬手就准备用手捂住鼻子，不过看到同桌难受的表情，再想到同学之间要互相帮助，我立即冲向卫生角，拿起笤帚和簸箕打扫起来。
类似的即兴练写，不仅仅是角色体验，更是学生体验后的感情流露。此时，学生对于高尔基的“给，永远比拿愉快”有了更加真切的理解和体验，一件件好人好事的列举点燃了他们心中向善的力量。
2.引导学生想象，让留白变得具体
凡是欣赏过中国画的人都知道国画存在留白，让人觉得虽然不着一字，却风流尽显。同样，文学创作的过程中也存在留白。有时出于主题的需要表现很精炼，虽寥寥几笔，但内涵丰富，能够让人产生无穷的遐想。教师在和学生一道研读文本的过程中要巧妙地利用这些有价值的文本，进而让学生对文本的空白进行想象填充，领略思维自由驰骋的乐趣，释放心中积淀的情怀。经常这样锻炼，学生的想象力就愈加丰富，对于语言的理解和运用就可以更加敏锐。
在《司马迁发愤写<史记>》一文中，作者写道：就这样，司马迁发愤写作，用了整整13年时间，终于完成了一部52万余字的辉煌巨著《史记》。作者对于司马迁忍辱负重写作的13年近似于素描，此处就可以成为练写的一个契合点。于是，我引导学生进行想象写话：
那一天，司马迁一早醒来，感觉浑身酸软无力，原来感冒发烧了，但是他想到：____________；那一刻，司马迁又想起来屈辱的经历，不由得悲从心来，悲愤欲绝，但是他想到：_____________；……引导学生在填充的基础上自由联想，想象司马迁遭受的生理和心理上的折磨，体会司马迁的忍辱负重，忍常人之所以不能忍，只是为了完成《史记》的撰写。让学生反复生成困难的情境，有利于进一步理解司马迁的发愤，有助于理解文末“这部前无古人的著作，几乎耗尽了他毕生的心血，是他用生命写成的”。学生在进行丰富想象的过程中，对于司马迁的认识更加全面、形象更加丰满，一个学识渊博、忍辱负重、傲骨铮铮的史学家形象便鲜活灵动地呈现在学生心中，情感体验和思维灵性也得到了宣泄和释放。
二、突破教材，拓宽文本外延
鲁迅先生认为，孩子是可以敬服的，他们常常想到天上地下的情形，想象昆虫花卉的用处。由此可见，儿童的想象是非常丰富的，接受知识的能力也超出了成年人的想象。因此，语文教学既要立足文本，又要跳出文本，拓宽课文的外延空间，及时捕捉训练点，精心预设合适的、能够促进思维训练的拓展性的小练笔，进而不断开启学生的阅读视界，激发学生的练写兴趣，让学生的童真童趣得以张扬，使得随堂练笔不再是简单的平面铺展，而是一种嬗变和突破，从而达成有效的意义建构。
1.场景再现，点明文理
教师引导学生展开想象，将实际生活中不能看到或者听到的场景直观地呈现出来，使学生深入理解文本，悟出道理。类似的练写往往提取课文的有关要点，进行创新性的解构进而重新建构，重视情趣的激发，形式多样，情理交融，使学生的思维得到拓宽和延伸，在写作过程中加深对于道理的理解。比如，《神奇的克隆》是一篇说明文，说明文的特点是语言严密、逻辑严谨。在提到克隆技术可以造福人类的时候，作者举了动物和植物的例子，但是这样的描述比较简单，近似于白描。学生对于生物技术的知识拓展也缺乏主动探究的乐趣。鉴于此，我预设了这样一个情境：长大以后，“我”成为了一名宇航员，驾驶着亚光速宇宙飞船飞向宇宙深处，去寻找可能存在的生命。不知道途经了多少星球，飞行了多少年，终于“我”老了，还是没有能够找到外星球生命，怎么办？于是，我只好取出克隆仪……让学生在幻想的空间自由驰骋，编写出富有趣味的故事，让学生的思维产生强烈的冲动，这样的练笔也能够将课上学到的有关克隆的知识进行合理运用，将知识进行内化并融会贯通，从而对于文章的道理进行自觉点化。
2.模仿训练，学以致用
绘画一般先从临摹入手，技艺纯熟之后再尝试创作。学生写作也可以模仿经典的词句段篇，进而生发自己的语言。现有的教材语言优美规范，经常模仿、借鉴和运用能够逐渐明晰遣词造句之妙，进而内化成自己的语言表达能力。教师要及时引导学生赏析典范的文本，反复品读体会并且进行模仿训练。《秋天》是一首文质兼美的现代诗，作者通过庄稼、水果、动物以及秋风等描写表现了秋季美丽的风情。教师在学完文本之后，也可以引导学生结合已有的生活体验写一写《夏天》、《冬天》等。由于有范例，学生感觉水到渠成，这样的小练笔能够让学生运用已有的言语经验积极表达，使得文本语言变化为个性化的语言，从而提高学生的言语质量，丰富他们的思想和情感，让学生在潜移默化中克服对写作的畏难情绪。
3.注重迁移，举一反三
语文学习中如果能够有效地进行迁移训练，就能够达到事半功倍的效果。课堂小练笔还可以在文本的基础上进行有效的拓展，让表达形式更加新颖活泼，从而让学生将从课文中懂得的阅读意义进行有效地迁移。比如在学习了苏教版四上练习——唐代诗人李峤所作的古诗《风》之后，我播放动听音乐的同时，对学生进行描述：听！风向我们吹来了，于是周围的景物就发生了变化。高高的天空中，茂密的树林中，碧绿的草地上，匆匆的行人……同学们，风到底在哪里呢？学生畅所欲言，我顺势而为安排了迁移小练笔，让学生把对风的感悟表达出来，有效地加深学生对于风的印象，感悟李峤表达的妙处。全诗20字，虽没有提“风”字，但是将风的形象刻画得淋漓尽致。
运用之妙，存乎一心。教师要引导学生立足文本，挖掘内涵；超越文本，延展文本外部空间；引导学生内外兼修锻炼思维，就一定能够让学生阅读感悟和语言训练有机融合，从而实现阅读和写作的高效融合。
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刘亮:设计师不是绘图员, 而是给疲惫的人一个温暖的家
刘亮, 聆海设计公司设计总监。在聆海设计拥有一间质感纯粹的中式风格办公室, 他坐在眺望运河的窗边冲泡功夫茶。
记者为其身份和环境震惊, 没想到刘亮有些腼腆地打破僵局:我不太爱说话。伴随着悠扬的古筝曲, 刘亮对他的成长娓娓道来。
2002年的他, 还背着画筒、简历四处找工作。
“我的青春在聆海, 因为我恋上了设计……”说起自己的成长之路, 刘亮特别有感触, 特别感谢公司给予他的一切。
“当初进公司时, 设计师还全都是用笔画图给客户看, 我天天像蜗牛一样孜孜不倦……大家都说我很勤奋。其实, 在这么好的平台, 遇上这么好的领导和老师, 你没有理由不努力, 没有理由不享受青春, 谁让咱们的青春恋上了设计呢。”刘亮笑着说。从踏出校门起, 他心中的理想就是成为“好”的设计师, 而这个“好”的评判是来自于外界的, 必须要全心身地付出才有可能。付出了, 不一定成功, 但不付出肯定不会有收获。而这个收获就是由你的勤奋、坚持一点点积累起来的。
曾有有一位前辈对刘亮说过:设计师的职责不是画图, 不是设计, 而是给那些在喧嚣都市忙碌疲惫的人一个温暖舒适的家。“我一直在坚持!”刘亮说, 这种坚持也是对生活、对信念、对经历的一种感悟。一个好的设计师, 除了有好的设计外, 还要有一颗感恩的心, 一套做人的哲理。
由于一直喜爱中国的传统文化, 加之对生活的理解, 今天的刘亮运用中式风格于室内空间设计之中, 可谓炉火纯青。他认为, 中式设计不仅仅是一个符号, 一个元素, 不是几件实木家具, 一个屏风和雕花就可定义为中式的。真正的中式设计是传承中国文化诗意, 用这种诗意的情感去营造一个空间。
在办公室难得的闲暇, 他会研墨习字, 煮泉烹茶, 更会在古书中探寻东方文化的根源, 因为他相信“音乐静人心, 颜体定我神。沁脾有绿茶, 设计才最新。”
12年来, 他的作品早已遍布省内外, 数次获得设计行业的各类奖项。
“我愿意把我与公司的合作铸成我生命中最璀璨的辉煌。眼底观俗事, 胸中悟禅机!”刘亮说, “因为, 我们有‘禅缘’……”
众芳摇落独暄妍, 占尽风情向小园。疏影横斜水清浅, 暗香浮动月黄昏。——梅园
古色古香的庭院, 月色朦胧, 碧纱窗外摇竹影, 幽宅门前拂清风。
水榭楼台临建, 造型轻盈活泼, 四面透空。
加之对室内的规划布置陈设, 与外部环境和谐统一。
整体空间以沉稳的木色调为主, 花窗隔断, 让空间具有神秘感, 使人游走在古代与现代之间。
红木家具也为空间增加了几分古朴与素雅的气质, 把中国古典文化的意境美恰到好处地渗透到每个角落。
空间融合 第5篇
关键词：传统文化，现代经济，建筑空间，冲突，融合 传统建筑文化与当代经济的分析
什么叫传统文化？我们要有新的概念，人类昨天社会时间活动所创造的一切文明成果，对于今天而言，都是传统文化；今天人类社会实践活动所创造的文明成果，对于明天而言，也是传统文化。
传统建筑文化与当代经济的创新，不言而喻，就是要把目标瞄准世界先进水平，以其促进我国建筑创作的发展，并尽快的把它推向世界。
中国传统建筑文化的精辟与局限中国传统建筑文化历史悠久，源远流长，光辉灿烂，独树一帜。但却不像西方那样，具有明显的阶段性。这或许如某些人所说的，是一种文化的超稳定性所致。但就建筑而言，我认为还是由封建社会延续得太长，技术发展缓慢、建筑功能没有明显改变所造成的。中国现代经济的发展过程与传统文化是有融合点的，世界上每一事物都有其融合点。有融合就有冲突，这就是当今社会的必然趋势。
对待传统建筑文化，不但要重视静态的历史文物保护，而且必须重视动态的传统文化的更新和发展。因此，应努力寻求传统文化与现代生活方式的结合点，不断探索传统建筑逻辑与现代逻辑、传统技术与现代功能、传统审美意识与现代审美意识的结合方式，把人类优秀的传统文化融汇至现代建筑文化中。经济的发展，现代技术的提高，中国设计也在延伸，有人认为是“百花齐放”，但也有人认为是“乌烟瘴气”。仅这两方面的认识，使得我们看待当代设计时，一片迷惘。缘于如此，我们是否可以把探讨当代设计的着眼点从设计的客观存在与设计时的主观意识上转移到把设计本身置于文化领域内，从宏观的文化价值形态中进行分析。
现代经济与传统文化的冲突点
如何将中国传统的文化符号用于现代建筑设计一直是新世纪的话题，于是，我开始徜徉在历史与今天、传统与现代之间，找寻着它们与生俱来的天源关系。现代文化趋同和传统文化危机论的全球化大背景下，我们的现代艺术设计，到底还以什么为支撑？为什么我们要满世界地寻找最具民族特征、地方特色的艺术设计珍品？为什么美国人对我们自己津津乐道的伤害浦东栉比鳞次的建筑群，仅仅给了一个“像纽约曼哈顿”的评价不屑一顾？为什么外国的学者对我们自己常常忽略的传统文化与艺术如此流连忘返······所以这一切，都与人们对传统文化的依赖有关。传统文化与现代经济在建筑空间中存在着一定的冲突。
传统文化与现代经济在建筑空间中是有融合点的：
一、从文化的角度来看，“设计引导人”与“人引导设计”这本身就是互相融合在一起的。事实上，“现代文化浪潮即夹着我们社会的每一个角落经济的发展，消费观念和审美观念的变化，从根本上动摇了民间制陶的基础。”高耗薄利导致民间工艺的萎缩；民间艺人的严重流失，这一切都在继续。
陈汉民先生在设计王府井饭店的标志时，把传统的中国结与建筑墙壁上的装饰融合起来，使我们看到这个标志时，既有中国的文化的情结，又具备现代设计的特点。贝聿铭先生更是世界公认的建筑大师，在做中国的香山饭店运用江南水乡的青砖灰瓦白墙色调，使现代建筑加上文化情怀，形成了一种共鸣。当代设计的发展不仅仅是考虑建筑文化的问题而是考虑怎样与现代经济融合的问题，虚招相同的切入点，即传统文化的介入应该来说对当代设计文化具有推动作用。这或许就是传统文化对当代设计的最大意义了。所以说传统文化与现代经济在建筑空间中是有融合点的。
二、从政治环境来讲：从中国建筑发展来看中国较以前相比是有了很大的进步。社会与文化环境： 20世纪90年代，经典政治权利已非中国唯一的权利中心。电视与互联网的迅速普及为信息在国外、国内的同步传播提供可能，信息在国内国外几乎同步上市。西方的强势文化借助媒体形成独立于政治权利之外的另一种权利——文化领导权。中国经典的政治权利反而渐渐退居世俗大众生活的次要地位。美国的“9·11”事件后，美国的大公司就不再热衷于买大楼和把公司总部集中于一块办公了。现在流行分散办公，高科技手段的运用已经能满足对办公室内对通讯、联网服务提供的更高要求，加之一些人开始在家SOHO办公，公司管理层自然要求办公室内灵活组合的家具、沙发、隔板、桌子、家具都可随意组合变化。小型化、分散化、灵活化成为办公空间设计的新趋势。
三、文化差异上看：人脉空间的布局讲究风水学说。“文化”：泛指一般知识。广义指人类在社会实践过程中所获得的物质、精神的生产能力和创造的物质、精神财富的综合。狭义指精神生产能力和精神产品。不同民族、不同地域的文化又形成了人类文化的多样性。作为社会意识形态的文化，是一定社会的政治和经济的反映，同时又给予一定社会的政治和经济以巨大影响。中国古代封建王朝所施的文化和教化的总称。
中国现代经济的发展过程与传统文化是有融合点的，世界上每一事物都有其融合点。有融合就有冲突，这是当今社会的必然趋势。所以在现代设计中也应该结合一下现代经济的发展，了解传统文化与现代经济在建筑中的冲突与融合。
城市雕塑艺术与环境空间的融合 第6篇
关键词：城市雕塑 环境空间 融合
中图分类号：TU986
文献标识码：A
文章编号：1003-0069（2016）02-0148-02
随着社会经济的快速发展和现代城市化脚步的加快，城市雕塑艺术表现形式具有多样化特征。相较于传统的城市雕塑艺术表现手法而言，现代城市雕塑在艺术表现手法与方式表达方面更加自由和非对称。因此，如何加强城市环境空间与城市雕塑艺术的有效融合是当前国家规范城市景观设计蓝图的重点问题之一。
一 城市雕塑在城市环境中的作用
（一）城市雕塑相关简述
21世纪是以全球化、信息化的时代，加快城市生活节奏和提高城市艺术品为逐渐成为时代发展的趋势。因此，城市雕塑作品的艺术审美化和功能化是当前城市景观设计师们探讨的热门话题。随着社会经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，社会公众关注的焦点逐渐转移到城市文化和城市文化艺术环境方面。无论是公共场所还是国家雕塑博物馆，城市文化和城市艺术文化已经逐渐与城市生活进行了有机结合，从而将城市艺术文化逐渐深入至城市生活的方方面面，实现了人类情感与城市雕塑的有效融合。
作为城市空间视觉形象的艺术表现形式之一的城市雕塑，也是城市文化领域的重要载体，在城市艺术文化和社会环境中占据重要地位。相较于视觉艺术三维立体表现手法而言，城市雕塑的视觉艺术表现形式具有艺术语言特色。不仅加强了城市雕塑与城市环境、社会公众之间的情感联系，而且一个城市的雕塑彰显着一个城市的文化和空间生命力。
（二）城市雕塑对城市环境空间的作用
城市雕塑对城市环境空间的作用不仅仅局限在艺术表现手法方面，还表现在一个城市是否具有代表性的建筑作品。城市雕塑—方面装饰了一个城市的建筑景观，在一定程度上起到一个美化环境和艺术空间的作用。另一方面城市雕塑是人类情感和城市文化进行浓缩后的标志性作品，寄托着设计师们的情感。城市雕塑的艺术空间表现手法不同于一般的艺术三维视觉表现手法，而是在设计理念中融入了现代景观设计的层次感和空间感，激发人们对城市雕塑的认同感和归属感。城市雕塑艺术与环境空间进行有效融合的最终目的是调节城市空间场所的外部轮廓，注重城市雕塑与景观环境的互动与沟通。由此可见，现代城市雕塑在艺术设计理念中融合了城市环境空间文化和人文文化。一件优秀的城市雕塑作品不仅可以凸显出一个城市的文化，还可以透过城市雕塑看到城市发展的实质情况，即所谓的环境与人文的整体融合。因此，当孤立的城市雕塑与一个城市的环境和人文文化可以做到有效衔接，不仅彰显出一个城市的文化之美，还可以凸显出雕塑本身与社会公众之间的互动与情感交流。总而言之，人类赖以生存的环境与建筑景观的和谐发展为人类生活增添了一抹情感色彩。
二 城市雕塑的表现形式与空间特征
现代城市雕塑艺术表现手法相较于传统雕塑表现手法而言，具有多元化和多样性特征。随着社会经济的不断发展和现代科学技术在城市雕塑艺术体系中的广泛运用，现代科学技术不仅推动了城市雕塑技术以及艺术表现形式的进一步发展，而且为现代城市雕塑在创作方法、艺术设计和艺术表现手法方面提供了坚实的基石，丰富了城市雕塑的艺术表现形式和创作材料，进一步为现代城市雕塑技术的发展提供了良好的外部环境。相较于传统的城市雕塑艺术形式而言，现代城市雕塑艺术形式更具文化交流特征。传统城市雕塑主要通过广场、公园等建筑物凸显建筑雕塑的公共性，因此传统城市雕塑具有浓厚的景观性特色。但是现代城市雕塑在建造与设计过程中不仅仅显示着一个城市的建筑文化，而且还代表着城市与公众之间在情感与精神层面的交流与沟通。加强城市建筑、雕塑与公众之间的交流与沟通主要是指利用城市雕塑作品将人类的情感与艺术作品融为一体，不应该在城市雕塑作品中存在与公众隔离、人类不愿意接近城市雕塑等现象。由此可见，现代城市雕塑具有强烈的参与性特征，以期为社会公众提供一个娱乐玩耍、触摸体验的公共场所，将城市雕塑成为人类生活的一种形式。城市雕塑成为人类生活的一种艺术表现形式不仅凸显出传统雕塑的艺术特色以及艺术表现理念，使城市雕塑具有强烈的艺术形式感。而且城市雕塑为现代城市铺上了一层厚厚的文化基石，将城市雕塑的艺术表现手法与现代城市生活进行有机融合，凸显城市雕塑的主体性和层次感，进而扩大城市雕塑的艺术表现范围。
相较于西方古典雕塑的主题范围而言，中国城市的雕塑在主题范围方面主要集中于城市人文文化和公共环境的认知等领域。西方古典雕塑在主题范围选择方面主要以山花、壁龛为主，其雕塑风格以具有浓厚的建筑风格为主。作为城市比较有代表型的广场雕塑，西方古典雕塑仍然以“歌颂君王”作为主题内容，雕塑的性质以碑柱为主。由此可见，西方古典雕塑在主题选择方面具有单一特点，从而在一定程度上限制了雕塑主题范围的拓展。而城市雕塑在主题内容的确立方面带有浓厚的社会化和生活化特征，不仅将中国传统文化与现代社会进行了有效衔接，还将现代人文情感元素与城市景观背景进行了有机统一，从而促使城市雕塑主题逐渐向多元化、生活化和人性化方向发展。城市雕塑主题方向的变化从侧面反映出公众对城市文化和城市景观文化有了一个质的飞跃。因此，只有将城市雕塑与现代生活从实施方面做到有效统一，才能够帮助景观设计家们站在社会公共的角度设计城市雕塑，并在城市文化的变迁与发展中体会社会公众内心对城市雕塑的认知与了解。现代城市雕塑的艺术表现手法以“极简主义”和“构成主义”为主，其外在表现形式以现代城市建筑的空间层次感作为灵感源头，将现代城市雕塑进而简单化和功能化。另外，城市雕塑设计师们在设计雕塑景观的过程中将抽象简练的几何知识与艺术设计表现手法的张力和美感有效整合，向社会公众传递城市之美。将几何知识与雕塑设计的机械之美进行有效整合的目的是提高城市雕塑的创新型设计手法，进一步提升雕塑对空间环境的影响。
社会发展过程中文化和艺术审美观点的变迁致使社会公众对城市雕塑的艺术表现形式有了更深层次的认知和了解，而不同社会群体对城市雕塑的艺术观点的不同导致雕塑创作手法的不同。现代城市雕塑还具有浓厚的中国传统文化气息，以革命性为主题的雕塑仍然占据重要主导地位。以革命性和祭奠历史人物为主题的城市雕塑以营造庄严的气氛空间作为设计目的，多以对称性和正向性分布为主。但是随着社会的不断发展以及全球化脚步的加快，生态型城市发展理念在城市景观布局中得以广泛运用，以生态型和人性化为主的城市雕塑不仅反映出一个城市的文化特色和艺术表现手法，而且更凸显出一个城市的人文文化。时代的变迁促使城市雕塑的艺术变现手法也在逐步发生变化，由传统的绘画和雕塑创作手法逐步向音乐和建筑为一体的雕塑创作手法方向发展。既有小巧精致的城市雕塑景观，又有简单大气的城市化气息浓厚的雕塑景观。由注重城市雕塑对称性和正向性分布特点为主逐渐向非对称性和自由式为主的雕塑转变，打破原有设计师们传统的创作手法和思维观念，以自由发挥的创作手法拓宽城市雕塑的艺术表现形式。
材料也是现代城市雕塑的表现手段之一，随着城市雕塑的不断发展与进步，城市雕塑对不同质感的材料要求亦不一致。影响城市雕塑材料质感的因素包含肌理感、色彩光泽度、光感等，设计师在设计景观雕塑是不仅需要全面向系统地了解不同质感的材质，还需要对城市景观空间和雕塑艺术从整体上把握作品的意义。
三 城市雕塑与城市空间的融合
如何有效地将城市雕塑与城市空间进行融合的关键因素是全面了解雕塑功能和环境性质。就雕塑设计师而言，雕塑设计师们除了了解雕塑艺术设计基本技巧之外，还需要对艺术环境空间设计理论进行全面系统地认识，才能够从根源上把握雕塑作品的动态美。设计师们在设计城市雕塑作品的过程中以创新性思维观念和情感理念作为理论基础，掌握城市雕塑作品的视觉艺术特点和城市环境的空间层次感，进而为设计凸显城市环境和情感的雕塑作品提供坚实的理论基石，进一步促进社会环境与人类之间的和谐发展。
其次，国家需要加大现代城市的服务力度，将现代城市雕塑与社会公众服务体系融为一体，提高城市雕塑的亲和力，加强城市雕塑与社会公众之间的联系与沟通。随着生态型社会理念在城市发展体系中的广泛运用，城市雕塑不仅具备亲近性的特点，还具备娱乐性和服务性特点，进一步拉近城市与人类之间的距离。
最后，现代城市雕塑作为拉近城市与人类距离的有效载体，国家需要转变国家职能，由主导型为主的战略决策逐渐向服务性为主转变，将国家关注的侧重点放在民生和服务社会公众方面，树立城市亲民和城市文化形象。除此之外，城市管理者应该根据城市文化和发展特色建立生态型城市，设计具有代表性的城市雕塑塑造物质文明与精神文明为一体的城市文化形象，构建和谐社会，促进城市与人类的和谐健康发展。
结束语
产城融合的新区空间布局模式研究 第7篇
随着我国城镇化进程的加快, 城市人口不断增加, 城市规模不断扩大, 不少城市通过建设新区来缓解现状城市发展过程中出现的人口、资源、环境和交通等压力。另一方面, 为了融入经济全球化大潮、应对日趋激烈的区域竞争和加快推进城市现代化进程, 城市政府也热衷于开发新区。
很明显, 新区建设也成为目前城市空间扩展的主要方式和中国城市化的一个重要过程。然而多数时候, 新区建设带有一种盲目性, 盲目开发与盲目乐观, 以至于很多新区建成后并不能解决城市的困境反而成为另一种新的困境。
1 我国城市新区建设简介
1.1 城市新区的概念
根据国内学者的研究, 城市新区是城市郊区化发展的产物, 是承接中心城区产业、人口转移的重要载体, 兼具一般开发区的经济属性和城市的空间属性。有以下特点:是为缓解中心城区社会、经济、生态环境压力而开发的城市拓展空间;大多设有一级政府或者准政府机构, 是在政府有组织的干预推动下开发的;开发规模较大, 位于城乡结合地区;新区和中心城区之间存在紧密的社会经济联系[1]。
1.2 我国新区建设历史
从改革开放初始国家设立深圳特区到现在的三十几年间, 我国新区发展经历了5个主要阶段, 具体见表1。
这些新区的发展模式先后经历了重视产业、产业带动城市和产城融合发展的阶段, 分别响应了当时的时代背景, 是配合区域甚至国家战略出台而在空间上的落实, 具有一定的里程碑意义, 是新区发展模式的探索过程。
2 目前国内新区开发存在的主要问题
国内新区建设主要存在两方面的问题, 第一是“有产无城”, 即工业区模式。第二是“有城无产”, 只是单纯地建设一座以居住为主的新城。
2.1 工业区模式的弊端
工业区模式新区的特点为:功能上注重产业功能, 忽视居住与综合服务功能;在用地布局上, 以工业用地为主, 居住用地和公共设施用地很少或几乎没有。
由于工业用地的比例远远高于其他用地, 容积率很低, 新区极度缺少人气, 土地浪费严重, 到了晚上就变成一座“空城”。并且这类新区一般处于城市郊区乡镇, 基础设施落后, 缺少提供城市生活的公共服务设施, 虽有大量人员来此工作, 却居住在老城区 (原城市居民) 或者农村地区 (外来打工者) , 新区的开发并没有推动当地城市化的进程。
典型案例为天津经济技术开发区。从工业区开发建设的角度看这个开发区是非常成功的, 因为效益多年来一直高居全国众多开发区的前三位。但此模式的最大弊端是, 由于以工业用地为主, 缺少足够的居住用地和居住配套设施, 到了晚上该区就成了一座“死城”。
2.2 居住新城模式的弊端
居住新城模式的特点为:功能上以居住和服务功能为主, 部分还兼具旅游功能;用地布局上以居住用地和公共服务设施用地为主, 缺少产业功能的工业用地。
这类新区的主要作用是转移老城区过度膨胀的人口, 而为了达到吸引市民入住的目的, 新区开发从规划到建设都是大手笔高标准, 然而效果却往往差强人意。由于新区重视生活功能, 少有产业功能, 不能提供足够的就业, 绝大多数人仅仅看中的是其良好的居住环境和相对便宜的房价, 清晨到市区上班, 夜晚回来睡觉, 新区逐渐成为一座“睡城”。
此类典型案例为上海松江新城。松江新城最初规划定位与目标是建设人居环境优越的中等规模、具有深厚文化底蕴的文化旅游型园林城市, 因此城镇用地充分考虑了居住、教育和绿化用地, 对工业用地则进行限制。然而, 城镇的长远发展是需要产业带动的, 没有一定的产业, 提供不了足够就业, 新区开发不仅缺少产业支撑, 也难以吸引人气。松江新城与上海主城区的联系主要是通过轨道交通9号线, 路程远, 耗时长, 通勤和出行并不方便, 很大程度上阻碍了市民搬到新区的意愿。
3 新区产城融合模式研究
当城市发展到一定阶段, 传统新区开发模式的弊端不断显现。新区开发要避免这种只有“区”或只有“城”的结果, 只能寻求一种集产业发展和城市建设于一体的模式, 使人们同时在区内居住和就业, 缩短出行距离, 提高效率。因此, 目前国内很多新区开始尝试“产城融合”的模式。
3.1“产城融合”的概念与内涵
城市发展已经进入到一个以第三产业服务型经济为主的时代, 这一转型发展时期对城市的综合服务功能提出更高要求, 不仅需要以产业功能为主的新区增强综合服务功能, 也需要以居住功能为主的新区加强产业功能, 这在城市发展、空间布局上就体现为“产城融合”。
“产城融合”要求产城一体化发展, 主要是指“以产兴城、以城促产、产城融合”。其核心在于产业, 产业属性在很大程度上决定了城市的功能、用地规模、规划布局、交通导向、景观格局等。其关键要素在于公共服务设施配套、房地产开发建设、功能复合化用地等。其最终表现为城市核心功能提升、空间结构优化、城乡一体化发展、社会人文生态的协调发展目标的实现等方面。
3.2 新区建设的“产城融合”空间布局模式研究
1) 国内部分新区产城融合空间布局模式分析总结。
分析国内新区产城融合发展的案例, 其开发模式与空间布局结构主要有以下几种, 具体见表2。
2) 产城融合的空间布局模式。
综合以上几种典型的模式可以看出, 产城融合模式在空间布局上主要包括以下几个要素:
a.空间结构上为组团状布局。构建开敞疏朗的空间大格局, 组团间以生态廊道或交通走廊相间隔, 限定组团增长边界。
b.用地类型上实现职住平衡。高效复合用地, 居住与产业用地保持均衡, 功能复合、配套完善、绿色交通、布局融合。
c.产城一体单元模式。划定产业社区单元, 每个单元的规模大约为1 km2, 以步行15 min为标准。每一个单元内部用地布局与功能上也实现职住平衡, 使人们尽可能短距离出行。
d.多等级公共设施共享。建立核心区—次级中心—社区中心的多等级公共中心体系, 其中核心区是整个新区的“大脑中枢”, 为生产和生活同时提供公共服务, 并且作为新区信息、资源共享的平台。
e.生态规划理念。生态规划理念不仅是指保护和有效利用自然环境, 更是在用地布局上尊重自然、生态布局, 在产业经济发展上节约用地、循环高效。而通过在组团单元内实现职住平衡, 减少了出行时间与距离, 从而减少了交通污染与碳排放, 也体现了生态规划的理念。
4 结语
产城融合模式打破了传统的城市功能分区理念, 它强调功能与用地布局的复合性, 在区内实现职住平衡, 提高出行效率。其根本是要协调好“产业”与“城市”之间的关系, “以产带城、以城促产”, “产”“城”更加协同发展, 形成良性互动。
然而产城融合的空间模式并不是一种固定模式, 其用地复合、功能融合的类别也不是一成不变的。具体要从整个城市的需求出发, 在选址、定位、功能业态和空间布局上将城市建设、产业发展和生态环境一体化考虑, 实现整个城市的可持续发展。
摘要：综述了国内新区建设的发展历程, 指出了目前国内新区开发存在的主要问题, 通过研究国内典型的产城融合模式的新区空间布局特点, 阐述了产城融合的新区空间布局模式的关键要素, 以解决新区开发后的各种问题。
关键词：产城融合,新区建设,空间布局
参考文献
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[3]刘成, 王晓文.城市新区的区位布局与城市空间发展研究[J].吉林师范大学学报, 2011 (4) :122-125.
[4]许健, 刘璇.推动产城融合, 促进城市转型发展——以浦东新区总体规划修编为例[J].浦东规划建设, 2011 (4) :13-17.
[5]周鸣浩, 薛求理.“他者”策略:上海“一城九镇”计划之源[J].国际城市规划, 2008, 23 (2) :113-117.
[6]肖金成.改革开放三十年看开发区的建设[J].经济, 2008 (9) :100-101.
建筑表皮与室内空间有机融合与创新 第8篇
人类为了得到优质的建筑设计结构, 需要对建筑物的外在建筑表皮和室内空间变化进行分析, 制定合理的建筑表皮和内部空间分析过程, 加深二者的深刻意义分析, 提高有效化的空间表皮设计结合分布过程, 从表皮建筑介质表现状态下完善建筑内部的空间设计, 提高空间意义下的有效结构转换过程, 提高综合性的建筑设计施工管理, 提高整体建筑的有效作用管理控制, 完善建筑表皮和室内空间的有效融合, 加深建筑设计规划效果。
一、建筑表皮和室内空间的基础内容
建筑表皮是指建筑的外在维护状态, 是结构上的骨骼支架, 而建筑的空间结构是其内部含义。将建筑物的外部结构和内部含义进行系统的分析和融合, 制定广义角度的分析过程。通过建筑物的表皮状态, 人们可以进行触觉情况和视觉效果的感受分析, 认识建筑表层的整体建筑情况, 对建筑物的外部结构从形状、特色、材料和颜色进行分析, 由表及里, 完善内容的分析, 从广义结构上加强建筑材料表皮和内部空间的有效融合, 制定合理的表层和内部空间融合状态, 对建筑空间周围的相关析物质系统进行分析。室内空间是由面围合而成的建筑空间的主体。通过对建筑空间内容的有效定义, 对相关特殊性的内容自由程度进行分析, 制定空间自动分析内容, 改善空间自动设定的量体内容分析。
二、建筑表皮与室内空间的综合性融合效果
建筑表皮与室内空间的表现变化过程是一种有形状态和无形状态的分析过程, 通过对有形空间和无形空间的存在感分析, 从失去的价值比较程度上进行认识, 从而认识到有空间的效果是需要外在的包围而得到的, 而外在的包围正式表皮。正如老子的“有无”理论来说, 二者是具有相互依存的关系的, 从而完善建筑的空间关系分析过程, 加深综合性的高度分析。在朗香教堂的设计中, 勒·柯布西耶把重点放在建筑形体的塑造和建筑内外围合的空间带给人们精神上的神圣气息。建筑主体造型如同听觉器官, 在倾听神与自然的对话, 通过对建筑主体的表皮结构的塑造, 形成混凝土墙“光之壁”上布满大大小小多彩点窗, 影响室内的光影效果进行不同层次、不同厚重级别的设计, 营造成室内奇幻, 室外古朴的融合效果, 实现朗乡教堂的光、形、色的综合性一体融合, 散发出一种浓厚而神秘的氛围。
三、表皮和空间建筑物的形态体积融合与创新
从形态上分析建筑表皮和体积的内部基础特征, 对建筑室内空间设计分析。通过对建筑结构的连续性、放置程度、嵌套结构和运动效果完成表皮和空间内部的建筑物结构分析, 完成相关建筑表皮状态和空间形式支架的对比关系。
1建筑表皮和空间形态的联系
根据表皮的性质进行方向改变连接, 从而形成一种形态变化, 这是一种建筑相继变化的过程, 是由传统的连续性动态空间转变的静态空间现象。透过不连续的表皮层分析状态, 对空间的相关流动性和互动性进行渗透分析, 制定合理的有限数据空间分析过程, 构造综合性的流动效果分析。根据空间的综合性因素, 加强空间的动态分析, 从而实现空间化的表皮联系性, 制定合理的融合空间连续性, 通过表皮的接触程度, 制定合理的空间水平维度, 完成水平和竖直上的延伸。
2建筑表皮与空间状态的并置关系
根据表皮和空间建筑的并置关系, 建立一种较为和谐的各自完整分析状态, 制定相互独立存在的一种秩序, 完成小级别的多内容的空间单元分析, 对部分残留的单元进行整合和处理。建立良好地特殊形态的空间并置关系, 从相关的承载结构中完成各个建筑物之间的位置关系联系, 完善空间的占位作用。采用空间形态的不同空间表皮理解过程, 对不同的空间结构进行分析, 保证合理的空间占位和并置, 从而逐步实现快速的独立结构支持效果, 实现综合性的结构合并。根据表皮和空间的相关组合情况, 制定合理的板柱结构配比关系, 承载建筑物独立的形态, 完成表皮曲折和内部空间的有效化衔接构造。
3表皮建筑与空间建筑之间的嵌套结构
根据表皮与内部结构之间的关系, 进行分析, 制定特殊状态分配过程, 完善综合性的任意阶段控制, 实现综合性的系统联系管理。按照设计的需求规划, 完成混凝土的结构处理, 对混凝土的表皮进行嵌套, 围合成一个空间, 在不同的区域分配下, 完成不同结构功能的设定。通过对表皮层内外的偏心嵌套过程, 对环状的空间结构进行封闭, 防止出现循环运动过度的问题, 延续环状表皮的延续表面过程, 制定合理的可以错开设置, 从而逐步完成环状空间内部的方向管理, 保证整体空间的结构合理、空间丰富。
4表皮建筑与内部空间的运动过程
根据表皮状况进行合理的运动分析, 改变相关的位置变化过程, 对表皮系统的整体内部形态进行变化分析, 制定合理的运动形态变化控制过程, 保证合理的静态空间叠加处理, 加强综合性运动创造过程, 实现严格意义的动态空间管理, 逐步加深综合性的静态叠加认识创新过程。建筑表皮在实际的运动过程中不是很常见, 但是也是建筑表皮的风格中的一种。例如, 广告外墙的动作更换旋转样式, 是以不同材料结构的图样完成表皮内容的有效性分析, 逐步提高整体表皮板面的综合性快速变化, 完成各种广告内容的方向定位, 分析相关的多种板式分布位置变化, 对每一快板面进行独特的形状分析, 制定合理的运动时间和分布位置控制, 完善表皮建筑的空间运动效果, 实现建筑表皮的意义表现。
结语
综上所述, 通过建筑表皮与室内空间的有效融合, 完善表皮内部空间的塑造效果, 从而逐步提升建筑表皮和室内空间的建筑意义分析, 对建筑物表皮和空间内部进行相互联系融合, 逐步传递有效的空间创新融合内涵, 营造出建筑空间与建筑表皮相互融合的建筑思想氛围。
参考文献
[1] (美) 爱德华·T·怀特.建筑语汇[M].大连理工大学出版社.2001.
[2]赫曼·赫茨伯格.建筑学教程2:空间与建筑师[M].天津大学出版社.2003.
空间融合 第9篇
模糊C均值聚类算法FCM在1974年由Dunn提出, 并由Bezdek加以推广, 并获得了广泛的应用。但FCM算法有个明显的缺点就是对噪声十分敏感, 并且不包含邻域信息。针对FCM算法的缺点, DZUNG[7]提出了一种新的算法, 在原有目标函数中添加一个约束项, 使得目标函数在迭代过程中, 相邻的像素趋于同一类, 这种算法被称之为RFCM算法。经过多年的努力, 有学者在聚类中心初始值的选择过程中融入了群智能优化算法, 出现了基于粒子群算法、果蝇算法、蛙跳算法、人工蜂群算法与FCM聚类算法相结合的图像分割算法, 取得了不错的分割效果[8,9,10], 但是这些算法均存在各自的不足, 如寻优速度慢、易出现“早熟”现象等[11]。为了提高图像的分割精度, 提出一种改进果蝇算法 (IFOA) 和模糊C值聚类算法 (FCM) 相融合的图像分割算法 (IFOA-FCM) , 并通过大量的实验进行检验。
本文提出一种新的算法, 该算法将RFCM算法与IFOA算法相结合, 从两个方面分别对FCM算法进行改进, 在传统算法的基础上, 既考虑了像素间的邻域信息, 又优化了初始聚类中心, 使图像分割更准确, 效率更高。
1 模糊C均值聚类分割算法 (FCM) 描述
FCM算法是一种基于迭代的优化算法, 它是通过多次修改隶属度矩阵和聚类中心, 使被划分在同一类的样本点之间的相似度最大, 被划分在不同类的点之间的相似度最小, 同时使得目标函数达到最小。FCM聚类算法由于其方便实现, 结果较好, 在图像分割领域获得了广泛应用。然而FCM仅仅根据样本特征间的欧氏距离进行聚类, 并未优化样本特征, 所以该算法对样本特征比较依赖。另外, 传统的FCM算法在进行图像分割时没有考虑图像中像素的邻域信息, 使得其对噪声比较敏感。所以该算法存在一定的局限性。
2 改进算法描述
2.1 空间约束
相邻像素之间的相关性是图像的重要特征之一, FCM算法没有考虑到相邻像素之间的信息, 而是将样本点看成是孤立的点, 使得图像分割对噪声较为敏感, 针对这一问题, 文献提出了一种优化FCM距离公式的算法, 它将一个带有空间邻域信息的惩罚项加入公式, 该算法被命名为RFCM[9], 其目标函数如下:
设某一像素点为pj, 式中oj是像素点pj的领域且不包括pj, Rk={1, 2, …, c}{k}参数β控制目标函数最小化与平滑隶属度之间的平衡。
惩罚项中的ujk, 表示像素点pj对第k类的隶属度, ulr表示点pj的领域点对于除k类其他类的隶属度, 当pj属于某一类k, 即ujk较大, 同时pj的邻域点对于其他类的隶属度较小, 即同时ulr较小, 惩罚项可取得最小值, 反之亦然。图1所示为在不同的m取值情况下, 惩罚项与ujk和ulr的关系, 可以看出两者都取较大值时, 即相邻像素点属于不同类, 惩罚项变大。于是整体上相邻点趋于同一类时, 惩罚项可取得最小值, 这种算法在图像分割结果上更多考虑邻近像素间的相互作用。
2.2 改进果蝇优化算法 (IFOA)
果蝇优化算法 (FOA) 是一种基于果蝇觅食行为推演出来的智能寻优算法。该算法中果蝇群体在进化中采用固定步长, 制约了算法的收敛性能和稳定性能, 为防止FOA算法陷入局部最优, 提高收敛速度及收敛精度, 需要选择合适的进化迭代步长。本文提出了一种改进果蝇优化算法 (IFOA) , 其果蝇进化步长不再固定, 自适应地根据上一代的最优味道浓度和当前迭代次数来调整步长大小。
·自适应步长调整策略
考虑当前进化程度即当前迭代次数与最大迭代次数之间的关系, 对果蝇的进化移动步长hi设置如下:
其中, m为调节因子其取值范围在0~1之间;best Si-1是上一代的群体最优味道浓度判断值;k为限制因子, 其取值范围在0~1之间;t为当前迭代次数;tmax为最大迭代次数;hmin为步长的最小值;p为大于1的整数, 可视具体情况取值范围为[1, 30]。则, 果蝇个体的搜索距离Rrandom Value为:
果蝇个体利用嗅觉搜寻食物的随机方向与距离更改为:
这样, 自适应步长hi既考虑了上一代的最优味道浓度判断值, 又考虑了迭代的进化而得到的收敛, 使果蝇的移动步长随着迭代的进行而自适应改变, 在算法初期步长较大, 可以避免算法过早陷入局部最优, 为了使算法在后期快速收敛, 迭代后期的步长自适应减小, 如此便能获得高精度的全局最优解。
2.3 本文算法
本文提出了一种基于空间约束的改进FCM图像分割算法RFCM-IFOA, 该算法是在其目标函数中加入一个包含空间邻域信息的约束项, 同时, 提出了一种新的选择初始聚类中心的方法, 完成图像分割。该算法从两个方面对传统FCM算法优化, 使得分割效果更优越, 具有更强的鲁棒性。
3 仿真实验
3.1 仿真环境
为了测试RFCM-IFOA图像分割算法的有效性和优越性, 选择原始Lena图像和含噪Lena图像作为仿真对象, 它们具体如图2所示。为了使RFCM-IFOA算法的结果更具说服力, 选择传统FCM算法、RFCM算法、IFOA算法进行对比实验, 分析它们的分割正确率和分割效率。IFOA中的步长调节因子m=0.8, 限制因子k=0.2, p=5, 群体规模30。
3.2 结果与分析
3.2.1 主视效果对比
对于图2中的2类图像, FCM算法、RFCM算法、IFOA算法、RFCM-IFOA算法的分割结果如图3, 图4所示。从图3, 图4可以看出, 相对于FCM算法、RFCM算法、IFOA算法, IFOA-FCM算法分割更细微, 可以充分保持图像细节信息, 边缘更加连续和清晰, 对噪声具有稳健性, 可以有效抑制噪声对图像分割结果的不利影响, 鲁棒性更强, 分割效果得到了显著的提高。
3.2.2 客观指标评价
为了更加客观、科学地评价各类图像算法的分割效果, 选择图像分割正确率 (R) 对各种算法的分割结果进行定量分析, 其定义如下:
式中, ETP表示专家分割结果;EP表示算法分割结果与专家分割结果的交集。
FCM算法、RFCM算法、IFOA算法、RFCM-IFOA算法的分割正确率如表1所示。从表1可知, RFCM-IFOA算法的分割正确率要远远高于其他算法。这主要由于FCM算法对初始聚类中心敏感、易获得局部最优解, 导致分割误差较大, 图像分割的正确率低;RFCM算法添加了约束项, 分割效果有所提高;IFOA能够选择最优初始聚类中心, 分割效果较好;而RFCM-IFOA算法将更多优有点结合起来, 使分割效果显著提高, 尤其对噪声图像的分割结果优势更加明显。
4 结束语
针对传统FCM算法在图像分割过程的一些局限性, 本文提出一种新的算法RFCM-IFOA, 该算法从两个方面对FCM进行改进:1) 利用相邻像素之间的邻域信息进行空间约束, 调整隶属度矩阵, 使目标函数最小;2) 利用改进果蝇算法选择模糊均值聚类算法的最优初始聚类中心。仿真实验结果表明, RFCM-IFOA算法不仅提高了图像分割的准确性, 具有较强的鲁棒性, 而且克服了FCM算法对图像细节难以分割的缺点, 改善了图像分割的效率, 应用价值更高。
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空间融合 第10篇
目标跟踪是智能视频监控中的一个基础而又关键的技术。现已成为计算机视觉领域中的研究热点,同时也是研究的难点[1]。目前获得广泛认可的是由Comaniciu D等人[2,3]提出的mean-shift跟踪方法,该算法是利用目标的颜色直方图作为特征对目标进行跟踪。然而传统的mean-shift算法主要存在以下两个问题:一是当跟踪目标被外物遮挡时,由于算法本身不具备预测能力,往往会造成当目标重新出现时的跟丢现象;二是由于算法利用的是颜色直方图特征对目标进行跟踪,当背景的颜色和目标的颜色相近时,会出现跟丢现象。针对mean-shift算法的缺点,国内外研究人员提出了很多改进算法,比如基于多尺度特征的mean-shift算法[4],融合角点特征与颜色特征的mean-shift算法[5],联合综合颜色特征与边缘梯度方向角的mean-shift算法[6],融合颜色特征与纹理特征的mean-shift算法[7]等。这些算法解决了mean-shift算法存在的一些问题,但在目标被遮挡以及背景颜色和目标颜色相近时,它们的跟踪性能并没有显著提高。
相比于mean-shift算法不能预测目标的位置,而卡尔曼滤波器却能够对目标的位置进行很好的预测[8],但在非线性情况下,卡尔曼滤波器会跟丢目标,而mean-shift算法却能够很好地解决目标的非线性运动问题,相对于传统的RGB颜色空间,YUV颜色空间是一种更好的颜色空间[9],更适合于mean-shift算法。结合mean-shift算法和卡尔曼滤波算法的优点以及YUV颜色空间,本文提出了一种基于YUV颜色空间的目标跟踪融合算法。该算法利用YUV颜色空间的特性,提取目标的U,V颜色分量作为特征值,进行mean-shift跟踪,当目标被遮挡或背景颜色与目标的颜色相近时,首先采用卡尔曼滤波器对目标的位置进行预测,然后使用mean-shift算法优化目标的跟踪位置,最后再通过卡尔曼滤波器确定目标的最终位置。实验结果表明,相比于传统mean-shift算法,该算法很好地解决了目标被遮挡以及背景颜色与目标颜色相近时,目标跟踪性能下降的问题。
1 基本原理
1.1 传统mean-shift算法基本原理
传统mean-shift目标跟踪算法是一种非参数概率密度梯度估计算法[10,11,12]。假设目标区域的中心为x0,共有n个像素,用{xi},i=1,2,…,n表示,特征值的个数为m,则目标模型的特征值u=1,2,…,m的概率密度如下
式中:k(x)为轮廓函数;δ(x)是Delta函数;h是核函数的窗宽;C是标准化的常量系数,为
候选目标区域的计算方式同式(1)和式(2)。
采用Bhattacharyya系数度量候选目标模型与目标模型间的相似性,如下
式中:
1.2 卡尔曼滤波基本原理
Kalman滤波器是根据最小均方误差准则建立起来的估计方法[13,14]。设Kalman滤波器的系统状态变量是四维向量Xk=(xsk,ysk,xvk,yvk),分别表示目标在x轴和y轴上的位置和速度。观测向量Zk=(xwk,ywk),分别表示目标在x轴和y轴上的位置。
系统的状态方程如下
Xk=AXk-1+Wk (4)
系统的观测方程如下
Zk=HXk+Vk (5)
式中:A是状态变换矩阵;Xk是k时刻的系统状态向量;Wk是系统噪声向量;H是观测矩阵;Vk是观测噪声向量;Zk是k时刻的观测向量。
1.3 颜色空间转换
传统mean-shift目标跟踪算法是在RGB颜色空间下进行的,然而RGB颜色空间却不能做到亮度与色度的完全分离,它是个线性空间,其亮度的变化会引起色度的变化。YUV色彩空间是不同于RGB色彩空间的另外一种颜色模型,其基本特征是将亮度信号和色度信号分离表示。其中,Y表示亮度,U和V是两个彩色分量,表示色差,一般是蓝和红色的相对值。mean-shift目标跟踪算法的核心是根据目标的颜色直方图对目标进行建模,而YUV颜色空间又具有亮度与色度完全分离的特性,这就使得YUV色彩空间更适合于mean-shift目标跟踪算法。因此,采用YUV色彩空间,并提出基于此空间的目标跟踪融合算法。RGB空间到YUV空间的转换公式如下
2 融合算法
2.1 融合思路
本文融合算法的思路如下:首先将颜色空间由RGB空间转换到YUV空间,并提取目标的U,V颜色分量,作为其特征,为采用mean-shift跟踪做准备;然后通过目标模型与候选模型的Bhattacharyya系数确立融合规则,以便确定何时采用mean-shift算法,何时采用卡尔曼滤波算法。最后,将最终的计算结果作为跟踪目标的最终位置。
2.2 计算目标位置
目标位置计算步骤如下:
1) 序列图像的颜色空间转换,由式(6)计算。
2) 计算加权系数wi,公式如下
计算第一候选目标模型,公式如下
式中:y0是上一帧目标的中心,nh是候选目标模型中的像素个数。
计算第二候选目标模型的中心,公式如下
式中:g(x)=-k′(x)。根据式(8)和式(9)计算第二候选目标模型
3) 根据式(3)分别计算第一候选目标模型和第二候选目标模型与目标模型的Bhattacharyya系数和
计算
式中:δ1和δ2是两个阈值参数。
当情况正常时,采用mean-shift算法进行跟踪,此时y1即为目标的位置。
当发生遮挡或背景颜色与目标颜色相近时,首先以y0为卡尔曼滤波器的初始值,由式(11)得到目标的预测位置
然后由式(9)计算目标的优化位置,最后再由式(12)得到目标的最终位置y1。
式中:Kk=P-kHT(HP-kHT+R)-1,P-k=APk-1AT+Q,Pk=(I-KkH)P-k;
4) 将y1赋值给y0,读取下一帧图像,执行步骤1)。
5) 循环执行步骤1)～4),直到视频结束。
2.3 融合算法流程图
融合算法流程图如图1所示。
3 实验及分析
为了验证融合算法的性能,分别在目标发生遮挡和背景颜色与目标颜色相近的情况下对所提出的算法进行了验证。
图2给出了目标被遮挡情况下的传统mean-shift算法和本文算法的跟踪效果图,图中跟踪的目标是一个深蓝色的汽车,在第355帧时,传统mean-shift算法和本文算法的跟踪结果差别不大,随着目标的运动,两种算法的跟踪效果就出现了差别,在第375帧时,当目标被树遮挡住一半左右时,传统mean-shift算法基本上还能跟得上,但已失去了一部分目标,而本文算法却跟得很好,当到达第395帧时,目标经由全部被树遮挡,再到部分被遮挡只露出车头时,可以看到传统mean-shift算法基本上跟丢目标,而本文算法还是能很好的跟踪目标,最后到达第415帧时,在这个过程中,目标逐渐摆脱了遮挡,露出全身继续向前运动,可以看到传统mean-shift算法已经彻底跟丢了目标,跟踪窗口停在了概率密度较大的遮挡物树上,而本文算法依然完成了跟踪,并没有丢失目标。在目标由没被遮挡到部分遮挡、全部遮挡再到逐渐摆脱遮挡、露出全貌的过程中,传统mean-shift算法由于其算法本身的缺陷,逐渐跟丢了目标,而本文算法由于结合了卡尔曼滤波和传统mean-shift算法的优点,并且又是在区分度更好的YUV颜色空间中,所以在整个过程中,一直都能紧跟目标,完成了对目标的跟踪。图3给出了在这种情况下传统mean-shift算法和本文算法每帧的迭代次数、处理时间对比图,传统mean-shift算法每帧的平均迭代次数是10.816 7次,平均处理时间是0.096 2 s,而本文算法每帧的平均迭代次数是4.7次,平均处理时间是0.076 7 s。从实验结果可以看到,本文算法不仅在跟踪效果上要优于传统mean-shift算法,同时在迭代次数、处理时间上也少于传统mean-shift算法。
图4给出了背景颜色和目标颜色相近情况下本文算法和传统mean-shift算法的跟踪效果对比图,图中的跟踪目标是一个骑自行车的人,他的衣着颜色与背景公路的颜色很相近。从实验结果可以看到传统mean-shift 算法由于其算法本身的缺陷会逐渐的跟丢目标,以至于最后停留在概率密度更大的背景上;而本文算法却从始至终都能够很好地跟踪目标,同样图5也给出了在这种情况下传统mean-shift算法和本文算法每帧的迭代次数和处理时间对比图。
4 结论
针对遮挡、背景的变化等对目标跟踪带来的困难,提出了一种基于YUV颜色空间特征的目标跟踪融合算法。将颜色空间由传统的RGB空间转换到区分度更好的YUV空间,融合了卡尔曼滤波和mean-shift跟踪算法的优点,并结合一种阈值函数,准确计算目标的最终位置,解决了遮挡、背景变化等造成的目标跟丢现象,提高了目标跟踪算法的鲁棒性和准确性,并通过实验验证了新方法的有效性和准确性。当然,本算法还存在缺陷,当跟踪目标的机动性太强时,也会出现跟丢、跟错现象,并且本算法还没有实现跟踪窗口随跟踪目标的自适应变化,这些都是后续研究中要重点解决的问题。
空间融合 第11篇
图书馆的阅览空间,作为整个图书馆建筑的主要使用功能空间,对整个图书馆建筑的创作起到核心作用。在经典的图书馆建筑模式中,由于图书馆藏书籍的荷载、书架的尺度、书籍的保管与检索、遮阳通风等众多技术和管理因素限制。阅览空间有标准的平面与剖面尺度,内部的流线与功能家具(如表1),即典型的阅览空间模式。
然而,随着当代建筑结构技术、图书制造技术、知识传播技术、社交行为习惯等诸方面的革新,出现了越来越多的“非典型”阅览空间设计趋向。如IT技术影响下电子图书与网络信息传播产品对阅览模式与典型阅览空间的解构;当代图书馆在超大规模超大尺度下,提出阅览空间的复合化问题;图书馆阅览空间的主体从建筑转移到人,以人的多样性社交与读书行为指导阅览空间的设计;打破典型阅览空间的界定,提出了一种游离于图书馆传统功能空间划分之外的,互相泛化交融的模糊空间形式。作者旨在将传统的典型阅览空间清晰界定的基础上,对比和归类当代图书馆阅览空间中,建筑结构与阅览空间互相融合突破的新空间模式,提出“图书馆结构与阅览空间异质融合”的当代阅览空间设计新趋向。以此策略,作为对当代图书馆阅览空间创作中,涌现的越来越多的非典型、尚未清晰界定的新空间形式予以定性化和定量化,为研究符合当代技术、功能与形体统一的新图书馆阅览空间模式理论与实践做出一定的贡献。
1. 非典型阅览空间的类型解析
(1)当代“非典型”图书馆的研究范围
本文提出的当代图书馆建筑特指国内和国外近20年、概念突出的且具有影响力的图书馆建筑。通过design boom以及archdaily两大较为权威的建筑学网站,检索了14个典型的图书馆案例作为本文的研究范围。
在上述案例中(表2),阅览空间都处于非传统的典型阅览空间模式之内。按照常规的定义与分类难以界定。而这些阅览空间的形体,都与其特殊的空间造型相辅相成,成为了整个图书馆内部的核心创作亮点。而这些造型空间的形成,又是图书馆整体建筑创作中的特殊的建筑结构的外显。
(2)异质融合的哲学内涵与建筑学衍生
因此,本文构建了一种非典型图书馆阅览空间与图书馆的建筑结构之间的交互关系。然而,对于阅览空间与建筑结构之间的交互关系的规律,存在着一个“异质”难题——阅览空间属于空间概念,而建筑结构属于土木结构概念——二者处于完全不同的本质领域,无法规律比较。为了建立图书馆阅览空间与建筑结构的“异质”归类关系,本文则引入了“异质融合”的哲学概念:
建筑结构与建筑空间的异质融合,即是在完全并置建筑结构属性与阅览空间的前提下,既不将结构元素协调于建筑空间中,也不将阅览空间为适应结构特点产生全新的空间,二者在互相差异、不同质的层面互相融入,产生的存在状态就是一种独有的阅览空间。本文中的当代图书馆案例,即这种阅览空间与结构元素的异质融合从而产生的全新的阅览空间,此种阅览空间能够保持极大的原创性,不同的图书馆造型产生不同的建筑结构进而产生完全不同的阅读空间形体,从而极大地丰富阅览人群的空间体验,调动阅读的积极性。
2. 非典型阅览空间的影响创作因素分析
(1)阅览空间形式的空间创新表达
空间(Space),是一种与时间相对的非物质存在形式,由不同的元素作为界面限定而成,也可以衍生出数字空间与宇宙空间等概念,与时间一起共同组成我们所生活的三维世界。空间的本质就是从边界上定义面和界线,其中结构就是界线,而空间形态则是面。依据建筑空间的概念,建筑空间包括内部空间、外部空间以及界面空间三部分。在典型的图书馆阅览空间中,梁板柱体系对图书馆藏荷载与图书馆阅览室空间尺度充分地结合,形成了典型的图书馆阅览空间类型。而在“非典型”图书馆阅览空间中,图书馆的建筑结构本身就是难以界定的,图书馆结构所创造出的空间往往是具有创新性的空间模式,而图书馆的阅览空间也已经完全不需要收到建筑结构形式或空间模式的限制,因此形成了上述(表2)案例中,建筑结构与图书馆阅览空间形态完全无规律可寻,差异融合而形成的创新性阅览空间形式。
(2)建筑创作的结构创新因素动力
在《中国大百科全书》中被定义成为:构成建筑物并为使用功能提供空间环境的支撑体,承担着建筑物的重力、风力、撞击、振动等作用下所产生的各种荷载。当代建筑设计已经不仅仅将结构作为建筑的技术性工具,更将其纳入到建筑艺术创造的范畴,即创造建筑空间与建筑结构的有机融合,利用结构完成对空间形态的建构。每个建筑历史性的革新阶段,总是离不开建筑结构创新的。图书馆建筑空间创作过程中,结构创新也是必然的动力因素。
3. 结构和空间的异质融合关系视角对图书馆阅览空间发展沿革的解读
(1)结构与阅览空间的相互结合的经典时期
阶段一:早期砖石建筑空间的限定依靠砖垒起的拱券梁,而图书馆阅览空间则放置在拱券梁与柱体系中能够承载较大荷载的标准空间内,形成了最初的阅览空间原型(如图1)。
阶段二:古典时期由于穹顶、帆拱等新结构技术的产生,图书馆阅览空间异质融合于其中,则产生了极具标志性的经典图书馆会堂中庭阅览空间(如图2)。而在这一时期最大的特点,就是建筑结构与阅览空间的互相限制和结合。由于图书馆藏、书籍等需要极大的建筑荷载。所以这一时期的图书馆书架等阅览家具是不能放置在楼板上,而只能放置于由柱与拱券搭建起的结构承重能力最大的点的。
阶段三:随着混凝土技术与随着梁板柱体系时代的到来,建筑结构技术的发展,图书馆建筑的承重体系也有了长足的自由度,然而这一时期的图书馆阅览空间虽然书架等阅览家具脱离了必须放置在梁与柱之上的限制,可以在楼板上更自由地移动,其阅览空间的荷载依然是巨大的,因此阅览空间就必须对应起梁高较高、开间较小、楼板较厚、层高较高的建筑结构形式(如图3)。
在这一时期,图书馆的建筑结构与建筑空间都是带有必然性的,建筑结构本身就受到了图书馆阅览行为的限制,成为了专属于阅览空间的建筑结构;阅览空间也同时受到了建筑结构的限制,限定了必须遵守的阅览家具摆放方式和阅览空间行为模式。因此,这些时期的阅览空间是具有固定本事性质、固定表现模式的,这也是阅览空间呈现出典型性的原因。
(2)结构与阅览空间的“异质融合”的“非典型”时期
现代建筑的空间设计以空间的功能性、流动性、文脉性等为设计动力,空间的限定不再依赖于结构,建筑结构也不再需要收功能的束缚。因此,图书馆的阅览空间几乎可以随意放置,进而产生了泛空间、IT阅览、复合阅览空间等全新、多样化、无法定义规律的阅览空间模式;而当下的建筑空间的设计,本身就是造型与结构紧密结合,特殊的结构体系又映射生成了别具一格的建筑空间。而由于图书馆建筑中,阅览空间是主要的建筑空间主体,因此,常常将图书馆的阅览空间设置在建筑结构创新最突出的室内核心区域。因此,形成了最具特色的图书馆结构与阅览空间的融合,使得建筑空间的创新性得到满足,成为空间创新的基石(表3)。
4. 结语:结构和空间的异质融合关系时代的到来
从本质上讲,并不是建筑师的创作和作品的设计水准影响了设计,实现了一个高造价、形态特别的设计。正是这样的创作,出现了一个高水准的阅览空间,这个阅览空间就能创造更多的价值。这种价值,就是建筑结构已经完全可以不受任何限制地表达任何建筑师所想表达的空间形态。也因此,其建筑结构空间中的阅览空间,可以是完全任意的。以前受到建筑结构与阅览空间互相限制、难以突破的,甚至已经形成了定义式的基于建筑类型学的“典型阅览空间模式”,已经完全无法定义这种建筑结构、建筑技术、建筑空间、行为习惯完全开放化、完全自由化的新的阅览空间。继而,文章研究将这个结构与功能的异质融合作为一种革新性的阅览空间模式,限定出来了。
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