基于可見性測度的城市安全性分析
——以烏德勒支火車站區(qū)域為例

陳恩山 楊森琪 莊宇

同濟大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院

1 問題來源

長久以來，與建成環(huán)境可見性（Visibility）相關(guān)的概念在多個領(lǐng)域被廣泛探討。林奇通過“視線通廊”“視線入侵”[1]等概念，描述了城市景觀作為視覺要素在感知城市形態(tài)方面的重要作用。而對于可見性的量化研究，始于1976年Benedict提出的“Isovist”視域模型，指從空間內(nèi)一個點可見的空間區(qū)域[2]。該方法促進了之后多種定量空間感知分析方法的發(fā)展，多應(yīng)用于建筑空間的測度。類似的視域量化概念有“Viewshed”，用以描述一個區(qū)域被周圍空間可見的頻率[3]。近年來，越來越多基于三維的分層級視覺分析方法與模型不斷涌現(xiàn)，包括能夠分析從街道到上層建筑每個層次的“多級Isovist”[4]和按照視覺要素等級順序來評估建成環(huán)境的“空間開放度指數(shù)”（SOI）[5]。國內(nèi)學(xué)者也基于GIS及其二次開發(fā)，提出多種定量評價視覺影像的方法[6-7]。

聚焦于城市研究領(lǐng)域，可見性與城市空間的多項品質(zhì)有密切關(guān)聯(lián)。國外已有研究探討了可見性與開放空間視覺質(zhì)量的影響[8]、視域在高密度復(fù)雜環(huán)境下的效用等[9]。國內(nèi)則主要聚焦于視線走向與視覺要素在城市形態(tài)中的應(yīng)用[10-11]，在建筑高度控制[12]、住區(qū)規(guī)劃[13]、綠地規(guī)劃[14]等方向提出策略引導(dǎo)。

在以上眾多話題中，可見性與城市安全之間的聯(lián)系一直受到國內(nèi)外學(xué)者的重視。從20世紀(jì)中期開始，西方學(xué)界將目光轉(zhuǎn)向通過物質(zhì)空間的改進來減小城市中犯罪事件的發(fā)生，而視線作為隱性公共監(jiān)管形式的一種，其重要性不言而喻。雅各布斯（Jane Jacobs）在著作《美國大城市的死與生》中提及“維護城市的安全是城市街道的根本任務(wù)”，并強調(diào)了通過“天然的眼睛”互相監(jiān)督，對維護街道的安全必不可少。環(huán)境防衛(wèi)理論創(chuàng)始者之一紐曼（Oscar Newman）在《可防衛(wèi)空間》中將“可監(jiān)視性”作為空間安全的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。國內(nèi)學(xué)者結(jié)合城市設(shè)計與建筑學(xué)的空間特性分析，發(fā)現(xiàn)由照明差、遮擋多造成的低可見性是“易犯罪”空間的重要形態(tài)屬性，同時提出空間的使用功能衰退與趨同是造成“易犯罪”的本質(zhì)原因[15]。也有學(xué)者提出了多種通過提高環(huán)境可見性來減少生活性街道犯罪機會的策略，包括綠化設(shè)計、街道家具配置、建筑體量與布局等方法[16]。

目前已有的對可見性與城市安全的研究，大多是擴展至社會文化層面的定性分析，側(cè)重于方向性的改善策略，尚缺乏更精確的定量評估。本文建立視野覆蓋率這一指標(biāo)，量化公共空間的可見性，通過視野監(jiān)護效率的高低反映城市安全性。

2 概念界定：視野覆蓋率

在已知視野監(jiān)護的作用之后，需對其進行更精細(xì)的定義方能為量化分析提供基礎(chǔ)，本研究借鑒了視域分析技術(shù)及人體工程學(xué)相關(guān)內(nèi)容，構(gòu)建視野覆蓋率的測度方式。

2.1 視域及視域分析

視域（Isovist）概念來自地理學(xué)科，目前被較多地運用于建筑和城市空間分析中（圖1），二維的視域分析在已知建筑平面的前提下，以觀察點a向四周作平面射線，設(shè)未被建筑遮擋的射線構(gòu)成的平面角總和為A無遮擋，所有射線構(gòu)成的角度為A圓（即360°），則V視域2D=A無遮擋/A圓×100%（式1），V視域2D值的高低可以反映點a處視野的開闊程度（圖2a）。

在獲得建筑高度信息的基礎(chǔ)上，可以將二維的視域分析進一步發(fā)展成為三維視域分析。設(shè)半球總立體角為Ω半球，則V視域3D=Ω無遮擋/Ω半球×100%（式2），V視域3D值的高低可以反映點a處視野的開闊程度（圖2b）。

1 二維和三維的視域分析

2 點a處視野的開闊程度

2.2 視野覆蓋率

與視域相反，設(shè)視線受建筑遮擋部分的立體角為Ω遮擋?？紤]到視線互逆，a點的視線受到建筑遮擋的部分，正是周邊建筑可以觀看到該點的部分，設(shè)該部分對應(yīng)的立體角為Ω監(jiān)護，則Ω監(jiān)護=Ω遮擋。設(shè)V監(jiān)護=Ω監(jiān)護/Ω半球=Ω遮擋/Ω半球×100%（式3），V監(jiān)護值的高低可以反映點a被周邊建筑看到的程度（圖2c）。

但因為天空部分永遠沒有視線監(jiān)護（有效的視線監(jiān)護都來自建筑立面），因此V監(jiān)護值永遠小于100%。同時若視線可以無限遠，則只要有建筑物，V監(jiān)護永遠大于0。這樣形成的取值區(qū)間小于人們所習(xí)慣的0～100% 區(qū)間，因此可以對該值的定義進一步深化。

2.3 有效視野覆蓋率

結(jié)合人眼平視時視野特征，取俯視角度區(qū)間為0～30°進行考慮，即建筑窗邊的人視野下探時，舒適的角度不大于30°。視線互逆，則在a點作視線分析時，取仰視0～30°。另一方面，人眼視線可識別能力有距離限制，本研究暫定為30m，即只考慮30m距離范圍內(nèi)的視線監(jiān)護。

將a作為原點，在仰視30°范圍內(nèi)，以30m視線為半徑，所有視線疊加，得到空間角總和，設(shè)為Ω半球33（圖2d）。所有視線中，被建筑遮擋的視線構(gòu)成的空間角總和設(shè)為Ω遮擋30°，則V監(jiān)護33=Ω遮擋33/Ω半球33×100%（式4），V監(jiān)護33值的高低可以反映點a被周邊建筑有效監(jiān)護的程度（圖2e）。該值的取值范圍為0～100%。實際情形中，當(dāng)街道空間寬度大于60m時，街道中心線處的V監(jiān)護33=0，即路中央沒有有效的建筑視野監(jiān)護。而在諸如小廣場等空間中，若四面圍合充分，則可以實現(xiàn)V監(jiān)護33=100%。這樣的取值所對應(yīng)的空間趨勢，和實際空間感知吻合。

綜上，本文定義視野覆蓋率為某點被周邊建筑立面有效視野所覆蓋到的比率，其具體數(shù)值計算式為式4。

3 數(shù)據(jù)提取

3.1 研究對象

本研究選取荷蘭烏德勒支市中央車站區(qū)域為研究對象。該區(qū)域自20世紀(jì)60年代以來歷經(jīng)了兩次大幅度的城市更新，城市形態(tài)經(jīng)歷了顯著轉(zhuǎn)變。發(fā)生在1960—1970年代的第一輪城市更新使城市的安全性急劇下降，居民對安全宜居空間品質(zhì)的訴求驅(qū)動了第二輪城市更新。自2004年以來，隨著第二輪更新逐步落地，包含安全性在內(nèi)的空間品質(zhì)得到了明顯提升。因此，該區(qū)域具有典型性和較高的研究價值（圖3）。

本研究從烏德勒支檔案館、Google地球、CadMapper地圖信息網(wǎng)站、CU2030項目官網(wǎng)獲取各時期的空間信息，比對信息后選取1968年、1992年、2030年三個代表性時間點，獲取各建筑的平面輪廓和高度信息，構(gòu)建核心區(qū)域的城市三維模型（圖4）。另外，從Open Street Map網(wǎng)站下載了該區(qū)域的道路中心線地圖，用于后文的可達性疊加分析。

3.2 軟件平臺

Grasshopper軟件中的Ladybug插件，其視野分析功能原理如下：

（1）輸入“分析物件”（城市地面空間），軟件按照設(shè)定的尺寸將“分析物件”劃分成各“單元平面”（本案為4m見方），生成各單元平面的“單元中心點”。

（2）以各“單元中心點”為起點，分別向各空間方位做等間距的放射線，通過視錐參數(shù)進一步限定放射線為仰視0～30°，長度≤30m。

（3）計算每一根放射線是否和“背景物件”（城市建筑物）相交，統(tǒng)計每個點上放射線和“背景建筑物”相交的比例，該值近似為上文的V監(jiān)護33。

（4）將各“單元中心點”的V監(jiān)護33賦值給對應(yīng)的各“單元平面”并上色，得到“視野覆蓋率地圖”。

4 結(jié)果分析

4.1 視野覆蓋率揭示城市演變特征

按照上述方法得到烏德勒支中央站區(qū)域的“視野覆蓋率地圖”（圖5），從分析結(jié)果可以看到，經(jīng)歷20世紀(jì)60年代到70年代的城市更新后，伴隨著建筑覆蓋率的下降，公共空間的視野覆蓋率也出現(xiàn)了明顯的降低。1961年、1992年、2030年區(qū)域內(nèi)的視野覆蓋率總平均值分別為：82.37%、76.67%、80.07%。

2003年制定的第二次城市更新方案中，規(guī)劃了連接?xùn)|西的城市軸線（圖6），付諸實施的2030版方案中，該軸線無論是在建筑形態(tài)還是空間形態(tài)上，并沒有做到肉眼可見的清晰表達。但通過視野覆蓋率地圖，我們便可清晰地識別，在該軸線上視野覆蓋率品質(zhì)連貫統(tǒng)一，明顯高于周邊（圖7）。換言之，2003年版方案規(guī)定的軸線，仍然在城市更新的空間塑造中發(fā)揮了有效地作用。

3 烏德勒支中央車站區(qū)域

4 不同時期的烏德勒支車站區(qū)域空間模型

5 不同時期的烏德勒支車站區(qū)域視野覆蓋率

6 第二次城市設(shè)計中的城市軸線、綠軸

7 城市軸線、空間、視野覆蓋率（2030年版）

8 可達性與視野覆蓋率的疊加分析

在一些重要的空間中，如Jaarbeurs廣場、Stationsplein廣場、Vredenburgplein廣場通過周邊建筑的加建，廣場界面變得清晰，尺度更加親切宜人，視野覆蓋得到改善。例如賈布爾街道、東站廣場街道，通過建筑的加建形成清晰的街道，視野覆蓋率提升。

4.2 視野覆蓋率測度輔助設(shè)計決策

利用定量化方法可以對單一的空間屬性進行研究，多個定量化的空間屬性進行疊加，則可進一步綜合評價空間品質(zhì)[17]。本文以烏德勒支2030版方案為分析對象，以視野覆蓋率和可達性兩個空間屬性疊加分析為例，演示該技術(shù)拓展應(yīng)用的前景。

利用可達性—視野覆蓋率的評價維度對街道的空間進行品質(zhì)評估，可以發(fā)現(xiàn)可達性和視野覆蓋率的矛盾：哪些空間可達性高但視野覆蓋率不盡如人意，哪些空間視野覆蓋率高但可達性有待提升。

4.2.1 可達性與測度

良好的步行可達性是城市活動的空間基礎(chǔ)[18]，當(dāng)前利用路網(wǎng)模型對可達性進行量化，已是衡量城市形態(tài)的普遍方式。

本研究選用“空間設(shè)計網(wǎng)絡(luò)分析”軟件sDNA[19]，將基于角度距離的中間性（Angular Betweenness）作為每條道路的可達性度量值?？紤]到500m常被認(rèn)為是步行舒適距離[20]，本研究將該值作為步行出行的計算半徑（圖8左）。

4.2.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)一化處理

為了將可達性和視野覆蓋率疊加分析，需要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一格式。在視野覆蓋率地圖的基礎(chǔ)上，將每條街道中心線兩側(cè)所有單元面中心點的視野覆蓋率取均值后賦值給各街道，獲得可達性線條圖（圖8中）。

4.2.3疊加分析

本次分析以烏德勒支中央站區(qū)域整體步行可達性的中位值為界，將可達性分為可達性高、可達性低值，以視野覆蓋率測度結(jié)果的中位值為界，將視野覆蓋率分為視野覆蓋率高、視野覆蓋率低值1，兩個維度整合可以將空間劃分為四類（圖8右）。

由可達性地圖可以看到，機動交通功能占據(jù)主導(dǎo)的火車站、公交車站、西廣場等，以及公園、河流附近，路網(wǎng)密度較稀疏，步行可達性數(shù)值偏低。而Lombok社區(qū)和老城，路網(wǎng)稠密，可達性較高。視野覆蓋率線條地圖和上述視野覆蓋率網(wǎng)格地圖所反映的分布現(xiàn)象一致，沿東西向城市軸線范圍視野覆蓋率較高。兩地圖疊加后，可以看到：

（1）可達性高&視野高：此類道路多分布于Lombok社區(qū)和老城區(qū)，該區(qū)域路網(wǎng)和建筑均較為稠密，視野監(jiān)護較好，空間氛圍親切。

（2）可達性高&視野低：圖中幾乎沒有出現(xiàn)?？梢苑从吵?，該區(qū)域的路網(wǎng)是伴隨建筑出現(xiàn)的，很少有步行路網(wǎng)先于建筑出現(xiàn)。

（3）可達性低&視野高：此類道路多分布在軸線區(qū)域，視野覆蓋較好，但步行選擇性較少。這符合原方案的意圖，可以將火車站的交通人流快速、定向地疏散到東側(cè)商業(yè)區(qū)和西側(cè)會展中心，為主軸線沿線商業(yè)帶來經(jīng)濟效益。

（4）可達性低&視野低：此類道路多分布在河流附近，該區(qū)域視野開闊，同時因河流阻隔，步行選擇性較少，可以適當(dāng)增加橋梁，提升步行的自由度。

5 討論與展望

5.1 技術(shù)運用前景

本研究提出視野覆蓋率的概念，將肉眼不易識別的空間品質(zhì)進行解碼，揭示了其城市發(fā)展過程中，形態(tài)演化背后的視線監(jiān)護品質(zhì)、城市安全性的內(nèi)在變化。

本文提出的方法，可直接運用于城市設(shè)計的前期場地調(diào)研評估和后期方案評價。長期來看，還可以將視野覆蓋率作為變量，融入智慧城市的評價框架中，助力于大數(shù)據(jù)背景下的城市感知，解決城市問題。

在具體操作中，本方法僅需獲取城市建筑平面輪廓和高度信息、道路中心線，即可進行軟件計算分析，可操作性強。未來可疊加建筑功能、建造年代等信息，進行更細(xì)致的分類細(xì)化研究。

5.2 研究局限

本研究以烏德勒支中央車站區(qū)域為例進行了量化計算，視野覆蓋率數(shù)值所揭示的特征與目前讀者進行資料調(diào)研、實地調(diào)研所取得的空間特征感知相吻合。但因為個體感知標(biāo)準(zhǔn)差異較大，視野監(jiān)護和城市安全之間的有效聯(lián)系程度還需要后續(xù)更多的案例來應(yīng)用驗證。

目前的安全性測度是通過視野體現(xiàn)的。但實際情形中，視野監(jiān)護水平的高低還涉及到除形態(tài)之外其他因素的影響，如不同建筑功能的分時段使用、綠化/構(gòu)筑物對建筑視線產(chǎn)生的遮擋等。因此，后續(xù)研究可以對各類要素進行更精細(xì)的加權(quán)分析。

注釋

1 這里說的高低不是絕對意義上的高低，只是在本次研究中基于該區(qū)域而言的相對高低情況。