圖像語義視野下城市地標建筑影響作用量化研究

周 韜 | Zhou Tao

鄭文暉 | Zheng Wenhui

李岳川 | Li Yuechuan

1 研究背景

地標是人類認知環(huán)境的重要因素，它能夠幫助人類建立對空間方位與距離的感知[1]?！暗貥恕边@一詞語由英語的“l(fā)andmark”翻譯而來，在中文語境下，一般將“l(fā)andmark”理解為人們對“地面空間方位的標記與指示物”這一地理事物的規(guī)范化簡稱[7]。在城市設(shè)計領(lǐng)域，城市地標更多的是指對城市空間結(jié)構(gòu)具有指引性和影響作用的建筑物或構(gòu)筑物。城市地標建筑具有突出的視覺代表性，反映的是城市人群對地標建筑乃至其所在區(qū)域城市空間的認知程度。當代科學(xué)技術(shù)背景下，人們對城市空間設(shè)計的認識已不再局限于三維空間建構(gòu)，如尺度、比例等內(nèi)容，更側(cè)重于從人群的視覺感受出發(fā)，對三維物質(zhì)空間進行調(diào)整與優(yōu)化。從視覺感受出發(fā)研究城市地標建筑的影響幅度與范圍，并以此為基礎(chǔ)探索以城市地標建筑為視覺主體的城市空間設(shè)計方法是現(xiàn)今城市設(shè)計的重要趨向之一。

2 相關(guān)研究綜述

關(guān)于城市地標建筑的研究，國外學(xué)者已積累了大量相關(guān)經(jīng)驗。Kevin Lynch[1]、Gibberd[2]、Aldo Rossi[3]和Cliff Moughtin[4]等學(xué)者對城市空間、城市形態(tài)和城市相關(guān)標志性要素的研究成為城市地標研究的基礎(chǔ)。

隨著我國城市建設(shè)速度不斷加快，城市規(guī)劃學(xué)者們大多從定性的角度對城市地標建筑開展研究。卜巍[5-6]、藍力民[7]和劉云[8]等學(xué)者對城市地標的相關(guān)概念進行了辨析，探討了“城市地標”與“城市標志性建筑”的差異，為后續(xù)研究提供了界定研究對象的方法。在城市地標建筑的設(shè)計方法上，亦有諸多學(xué)者對此進行了探索。鄧昭華提出了“背景—差異對象”的城市地標認知概念，并在此基礎(chǔ)上提出城市地標體系塑造方法[9]。莊宇在分析地標特性、與城市背景的關(guān)系及地標的感知空間等基礎(chǔ)上，提出構(gòu)建城市空間秩序的原則[10]。楊俊宴以尺度作為基本概念，從建筑形態(tài)、空間布局及景觀觀望入手，分析高層地標建筑與城市環(huán)境的相關(guān)性[11]。涂勝杰結(jié)合歷次黃鶴樓視線保護規(guī)劃的控制要點，詳細闡述了武漢市在黃鶴樓視線保護工作中的思路和方法演進過程，提出了城市地標視線管控所應(yīng)關(guān)注的重點[12]。在以上理論與實踐中，大多數(shù)學(xué)者對城市地標建筑進行定性分析，取得了重要的研究成果。但在從視覺感受角度研究地標建筑對城市空間的影響方面，少有研究涉及。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者嘗試以圖像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)開展城市研究。MIT 的學(xué)者CésarA.Hidalgo及其團隊基于谷歌街景地圖，通過問卷調(diào)查對街區(qū)的安全性、居民富裕程度和活力指數(shù)進行評級,從而生成新的語義信息[13-15]。Xiao jiang Li（李小江）等以美國紐約曼哈頓東村為例，使用谷歌街景地圖專門針對綠視率進行測度研究[16]，較為準確地從街道圖像中識 出不同的城市特征[17]。劉祎緋的研究主要以視覺感知數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，探究不同人群對城市歷史景觀的空間認知，對數(shù)據(jù)進行處理后得到城市意象感知體系[18-21]。龍瀛、曹越皓等基于網(wǎng)絡(luò)照片數(shù)據(jù)提出城市意象研究模型，在大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)背景的支持下從意象結(jié)構(gòu)、意象類型和意象評價3個維度深度刻畫城市意象，拓展城市意象的認知方法[22-24]。

以圖像為數(shù)據(jù)源的城市研究已具備一定的理論基礎(chǔ)，但研究對象多集中于城市街道空間和城市意象，以特定目標為研究對象的研究較為少見。本研究希望在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，以特定目標（城市地標建筑）為研究對象，基于圖像數(shù)據(jù)源開展定量分析，從人的視覺認知與感受出發(fā)，以量化的方式研究城市地標建筑對城市空間環(huán)境與區(qū)域的影響。

3 研究方法

3.1 要素分類與量化

視覺感受是人們對城市空間環(huán)境認知的基礎(chǔ)，人們需要依靠視覺接收到的信息理解和認識城市空間。本研究中，借用計算機領(lǐng)域的“圖像語義”①的概念，使用直觀的圖像數(shù)據(jù)源對各類城市空間視覺信息分類處理，針對地標建筑分割出的目標圖像可引申為“地標建筑認知畫面”。以圖1、圖2內(nèi)容為例，使用相機拍攝到的城市空間照片（圖1）模擬人眼接受到的視覺信息，將圖像中的各類要素分類表現(xiàn)為“地標建筑認知畫面”（圖2）(下文簡稱為“認知畫面”）。在圖2中，將城市空間視覺信息簡化分為四類，分別為天空、建筑（不含地標建筑）、地標建筑、綠化。認知畫面中偶有如汽車、天線等建筑要素之外的遮蔽物進入畫面中，在繪制過程中進行部分糾偏。使用具體數(shù)值量化各類要素在畫面中所占比例，要素在畫面中所占比例的數(shù)值在本研究中稱為“畫面占有率”。

圖1 實景照片

圖2 地標建筑認知畫面

3.2 地標建筑的選取與觀察

以圖3為例，依據(jù)既往研究對地標建筑的界定，圖3中的地標建筑為超過100m的高層建筑，以該地標建筑為圓心，分別以100m、200m、300m為圈層半徑設(shè)定該地標建筑的觀察范圍。在每一圈層平均分布12個觀察點，以正北為起點，按照順時針順序環(huán)繞一周。在每個觀察點上使用相機對該地標建筑進行拍攝觀察，所得觀察結(jié)果以照片方式記錄。局部如觀察點落在建筑內(nèi)部之處，在距離相差不大的情況下可按實際情況對拍攝點進行調(diào)整。將拍攝好的照片歸納表現(xiàn)為認知畫面，計算畫面占有率，以百分數(shù)表示。

圖3 地標建筑的觀察方式

3.3 數(shù)據(jù)處理

將認知畫面中地標建筑的畫面占有率數(shù)值抽出，逐步進行數(shù)據(jù)處理分析。

（1）計算平均值

以各圈層為單位，對地標建筑畫面占有率數(shù)值進行平均值計算，計算公式為：，式中：表示地標建筑畫面占有率的平均值，Xi表示圈層中各觀察點的地標建筑畫面占有率，n表示觀察點的數(shù)量。該數(shù)據(jù)表示地標建筑在不同觀察距離上對城市空間的平均影響程度。

（2）計算方差

對各圈層地標建筑畫面占有率數(shù)值進行方差計算，計算公式為Var=，式中：Var表示地標建筑畫面占有率的方差，Xi表示圈層中各觀察點的地標建筑畫面占有率，表示地標建筑畫面占有率的平均值，n表示觀察點的數(shù)量。該數(shù)據(jù)表示地標建筑在不同觀察距離上對城市空間影響程度的穩(wěn)定性。

（3）計算相關(guān)性

同時對城市區(qū)域中多處地標建筑開展研究時，通過相關(guān)性分析可以考察地標建筑對城市空間影響的相似性與差異性。將各地標建筑數(shù)據(jù)輸入SPSS軟件計算做相關(guān)性分析，以R值表示數(shù)據(jù)之間關(guān)聯(lián)性的強弱。

4 數(shù)據(jù)采集與分析

4.1 確定調(diào)研對象

依據(jù)既往研究對地標建筑概念的界定，結(jié)合本研究的實際情況，在江西省南昌市紅谷灘中心區(qū)選取建筑高度超過100m的高層公共建筑作為本研究的調(diào)研對象（圖4）。紅谷灘新區(qū)是為拓展城市規(guī)模，構(gòu)建“一江兩岸”城市發(fā)展格局而設(shè)立的城市新區(qū)。紅谷灘中心區(qū)在行政區(qū)劃建制不到20年的時間內(nèi)迅速發(fā)展，已成為集商貿(mào)金融、行政辦公、信息、文化、居住等多功能為一體的新型城市中心區(qū)。該區(qū)的城市建設(shè)活動大多是在城市規(guī)劃管理條例限制下進行的，用地性質(zhì)與建筑功能多樣，符合條件的調(diào)研對象數(shù)量較多，預(yù)計分析結(jié)果可以有效地反映城市地標建筑對城市空間環(huán)境的影響程度。選取的調(diào)研對象信息如表1所示。

表1 選取調(diào)研對象信息

圖4 調(diào)研對象位置

4.2 計算地標建筑畫面占有率

考慮到冬季樹木落葉對觀察認知畫面的影響，調(diào)研時間選定為2019年10月至11月。根據(jù)前文所述編號方法，對各地標進行編號觀察，并繪制每個觀察點的認知畫面。以各地標建筑為單位計算各地標建筑畫面占有率數(shù)據(jù)，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 地標建筑畫面占有率統(tǒng)計表（以地標建筑A為例，部分數(shù)據(jù)省略）

將各地標建筑的畫面占有率數(shù)據(jù)進行可視化處理，得到圖5、圖6、圖7、圖8、圖9。

圖5 地標A各觀察點畫面占有率統(tǒng)計

圖6 地標B各觀察點畫面占有率統(tǒng)計

圖7 地標C各觀察點畫面占有率統(tǒng)計

圖8 地標D各觀察點畫面占有率統(tǒng)計

圖9 地標E各觀察點畫面占有率統(tǒng)計

如圖5～9所示，受觀察距離的限制，在100m圈層觀察范圍上各地標建筑的畫面占有率均較高，隨著觀察距離的增大，畫面占有率相應(yīng)遞減，呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系。這種數(shù)值的變化反映了地標建筑對城市空間的影響程度與觀察距離有一定的關(guān)系，但隨著觀察距離的變化，對地標建筑觀察產(chǎn)生影響的城市空間要素增多，地標建筑的畫面占有率也會產(chǎn)生一定波動。以地標E為例，該地標在100m圈層觀察范圍從各個方向上對城市空間的影響程度都十分明顯。究其原因，地標E所處區(qū)域為城市中心，東南方向面向這一區(qū)域的城市開敞綠地，較低的建筑密度使地標E在這一區(qū)域內(nèi)視覺特性十分突出。而隨著觀察距離增加，影響觀察地標建筑的其他因素增多，地標E的影響幅度也隨之降低。

4.3 數(shù)據(jù)處理與分析

（1）計算平均值

根據(jù)前文所述研究方法，以各地標的各圈層觀察范圍為單位，計算地標建筑畫面占有率平均值，計算結(jié)果如表3所示。

將表3的數(shù)據(jù)可視化處理，如圖10所示。

圖10 各地標建筑畫面占有率平均值

表3 各地標建筑畫面占有率平均值

地標建筑畫面占有率平均值表示的是地標建筑在不同觀察距離上對城市空間的平均影響程度。從整體上來看，隨著觀察距離的不斷增加，地標建筑對城市空間的平均影響程度在不斷遞減。以不同觀察圈層為單位，對比不同地標的數(shù)值可以看到：在100m圈層觀察范圍上，地標E的平均影響程度遠遠大于其他地標，數(shù)值接近50%。如前文所述，地標E周邊較低的建筑密度使其呈現(xiàn)這一特征。由此也可推斷，當人群在距該地標建筑100m范圍左右活動時，該地標在城市空間中對人群的視覺影響是非常顯著的，在城市空間結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位。

（2）計算方差

根據(jù)前文所述研究方法，以各地標的各圈層觀察范圍為單位，計算地標建筑畫面占有率的方差，計算結(jié)果如表4所示。

表4 各地標建筑畫面占有率方差

將表4的數(shù)據(jù)可視化處理，如圖11所示。

圖11 各地標建筑畫面占有率方差

地標建筑畫面占有率方差用來表述數(shù)據(jù)的波動性，即表示地標建筑對城市空間的影響程度是具有較強跳躍性的還是連續(xù)穩(wěn)定的。以不同觀察圈層為單位，對比不同地標的數(shù)值可以看到：在100m圈層觀察范圍上，地標E的方差數(shù)值遠大于其他地標，表示地標E對城市空間的影響是具有跳躍性的。結(jié)合圖11中地標E各觀察點的畫面占有率，可以發(fā)現(xiàn)，地標E在東面和南面方向影響幅度較大，在北面和西面影響則較弱。地標D的方差數(shù)據(jù)較小，表示該地標對周邊城市空間的影響較為連續(xù)穩(wěn)定。在200m圈層觀察范圍上，各地標的影響差異較小。

（3）計算相關(guān)性

根據(jù)前文所述研究方法，以各地標的各圈層觀察范圍為單位，使用SPSS軟件對各觀察點的地標建筑畫面占有率進行相關(guān)性分析，以此結(jié)果考察各地標建筑對城市空間影響的相似性與差異性。抽出顯著相關(guān)的數(shù)據(jù)（表5）。

表5 以圈層為單位的地標建筑畫面占有率相關(guān)性分析

一般認為，|R|≥0.800時為兩變量間高度相關(guān)，0.800＞|R|≥0.500時認為兩變量中度相關(guān)，0.500＞|R|≥0.300時認為兩變量低度相關(guān)。從表5分析結(jié)果看，地標C在100m圈層上對城市空間的影響作用與其在200m圈層上類似，兩者的關(guān)聯(lián)性在統(tǒng)計學(xué)意義上比較明顯，呈現(xiàn)高度顯著正相關(guān)關(guān)系。由此可以推斷地標C給人帶來的空間感受較為穩(wěn)定，雖然觀察距離發(fā)生變化，在多數(shù)情況下該地標對城市空間產(chǎn)生的影響作用是相似的。同理，分析結(jié)果顯示地標B和地標E在100m圈層上，地標C和地標D在300m圈層上對城市空間的影響作用類似。結(jié)合圖4、圖7～11，考察以上地標的空間位置關(guān)系、周邊環(huán)境與其地標建筑畫面占有率，可知這種相關(guān)性是由建筑本身的形態(tài)關(guān)系、建筑周邊環(huán)境的空間關(guān)系和城市空間結(jié)構(gòu)形成的。例如地標C和地標D的西北側(cè)建筑密度均較高，因此在一定的觀察距離上兩者產(chǎn)生的空間感受比較接近。

（4）數(shù)據(jù)分析結(jié)果小結(jié)

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，可以對城市地標建筑的影響作用總結(jié)如下：

①在一定的觀察距離范圍內(nèi)（如100～200m），城市地標建筑對周邊城市空間的影響作用比較突出，同時也存在一定的波動性。究其原因，在這一相對較近的觀察距離內(nèi)，對地標產(chǎn)生遮擋的建筑、綠化等因素較多，同時，地標建筑周邊的城市建設(shè)控制因素也會對其產(chǎn)生一定的影響。例如較高的建筑密度和容積率會減弱地標建筑的視覺主體性。當觀察距離增加到一定程度后，各地標的影響作用逐漸減弱，趨于類似。

②從視覺觀察認知的角度來看，部分地標建筑對人形成的影響作用具有相似性，即差異性較小。例如地標B和地標E，地標C和地標D，在一定觀察距離上的認知畫面中，地標建筑的畫面占有率的變化較為相似。形成這一結(jié)果的原因可以從兩方面考慮：首先，兩組地標建筑本身的形體設(shè)計方式基本都是裙房和塔樓組合的方式，建筑的尺度比例相近。其次，受到地標建筑周邊的城市建設(shè)控制的影響，周邊建筑的密度和容積率、綠化環(huán)境等要素組合使得兩組地標建筑的影響作用具有一定的相似性。

結(jié)語

本文基于人體視覺認知，以圖像語義原理為基礎(chǔ)，對城市地標進行觀察并使用連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)對其進行量化處理，以數(shù)值的方式反映出人對地標建筑的感知狀況，由此反映地標建筑對周邊城市空間的影響作用。在研究中使用量化的數(shù)據(jù)以利于在城市設(shè)計階段對城市空間環(huán)境認知進行把握與控制。但由于本文中的調(diào)研樣本數(shù)量較少，不足以證明如天空、綠化和其他建筑等因素是否對地標建筑的作用程度產(chǎn)生影響。因此，當前的分析研究僅是階段性成果，在今后的研究中將增大樣本數(shù)量，將其他因素加入數(shù)據(jù)分析過程，構(gòu)建完整的指標體系。

資料來源：

文中所有圖片均為作者自攝、自繪。

注釋

①圖像語義（分割）是AI領(lǐng)域中一個重要的分支，是機器視覺技術(shù)中關(guān)于圖像理解的重要一環(huán)。普通的圖像分割往往是根據(jù)圖像的顏色紋理進行劃分區(qū)域，而語義分割是基于一個語義單元，例如將人，車等目標從圖像中分割出來。