基于武漢長江主軸橋梁空間色彩特征的優(yōu)化設(shè)計(jì)

文／易西多，王長曦（武漢理工大學(xué) 藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院）

城市是人類文明傳承與發(fā)展的載體，其景觀色彩特征蘊(yùn)藏著地方文化氣息的積累與沉淀，也向外傳遞著地域文化和生態(tài)價值符號[1]。武漢市作為 “九省通衢” 之地，處長江黃金水道重要部位，城市文化特征主要體現(xiàn)在以下3個方面：（1）多元融合性。武漢市2 400多年的建城史，實(shí)質(zhì)上是一個多種地域、經(jīng)濟(jì)、民族、時代文化類型碰撞、交融的過程。這一過程伴隨一部分文化的日漸式微或消失，以及另一部分文化的保留、傳承、演進(jìn)與積淀。近代以來，多民族、多地域人群的聚居共存，血緣、親緣的廣泛交織，多樣性文化的積聚融合，以及時代變革對城市文化的沖擊與洗禮，使武漢市成為一個文化的大熔爐。（2）荊楚文化符號。荊楚文化因楚國和楚人而得名，是周代至春秋戰(zhàn)國時期在江漢流域興起的一種地域文化，主要是指以當(dāng)今湖北地區(qū)為主要輻射地的歷史文化，繼承了許多商周文化特點(diǎn)，具有鮮明的地域特色和巨大的經(jīng)濟(jì)文化開發(fā)價值。（3）高度的集聚性和強(qiáng)大的輻射性。作為湖北省省會城市，武漢市系統(tǒng)地集聚了高層次的文化機(jī)構(gòu)設(shè)施、文化人才以及文化產(chǎn)品和服務(wù)，而且以經(jīng)濟(jì)、文化、科技、教育的中心地位，以國家歷史文化名城、中國優(yōu)秀旅游城市、中國衛(wèi)生城市、中國中部地區(qū)中心城市、世界橋梁之都等 “品牌”，發(fā)揮其巨大的輻射力。

武漢獨(dú)特的地理位置組成和濃厚的歷史文化價值，使得整個城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步都與跨江主軸橋梁密切相關(guān)。武漢跨江橋梁是連接區(qū)域交通、生態(tài)特色、文化交流和信息傳遞等基本民生活動的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，不僅具有交通運(yùn)輸?shù)墓δ軐傩?，同時也是城市文化景觀的重要載體[2]。然而隨著服役年限的遞增，武漢跨江主軸橋梁呈現(xiàn)出新舊各異、色彩混雜且缺乏整體設(shè)計(jì)感等問題，極大地阻礙了城市區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展腳步。因此，深入調(diào)研武漢跨江主軸橋梁的空間色彩分布規(guī)律能夠有效塑造城市的綜合價值符號，促進(jìn)武漢城市文化的積極輸出，提升城市諸如旅游業(yè)、金融投資業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)展效率。

色彩是視覺特征的重要表現(xiàn)形式，Michael Lancaster[3]認(rèn)為色彩景觀是通過人的視覺反映出來的所有要素的群體面貌，色彩是城市景觀重要的組成元素，要針對景觀特點(diǎn)設(shè)計(jì)色彩方案。Jean-Philippe Lenclos[4]的色彩地理學(xué)主張對某個區(qū)域的綜合色彩表現(xiàn)方式做調(diào)查與分析的工作，以確認(rèn)這個區(qū)域的“景觀色彩特質(zhì)”。目前國內(nèi)外研究中景觀色彩的提取分析方法較多，主要有色彩直方圖法、聚類算法、光譜分析測量法、顏色量化算法等。趙源萌等[5]應(yīng)用直方圖法對區(qū)域紋理進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得自然感優(yōu)越的彩色化圖像；任艷博等[6]基于聚類算法對蝴蝶色彩進(jìn)行分析，得到色彩網(wǎng)絡(luò)模型；基于光譜分析技術(shù)，韓煒師等[7]對壁畫彩繪進(jìn)行顏料分析；陳登凱等[8]選擇顏色量化算法對布老虎的色彩搭配進(jìn)行特征分析，形成了可視化的配色圖譜。然而，目前國內(nèi)外鮮有研究結(jié)合多種色彩分析方法對城市橋梁色彩進(jìn)行深入探討，尤其是對于類似武漢這種跨江主軸橋梁分布較廣且與城市經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展密切掛鉤的地區(qū)，如何科學(xué)地對其景觀色彩進(jìn)行調(diào)研提取和分析并進(jìn)行合理優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的理論和實(shí)踐意義。

文中以武漢長江主軸橋梁景觀為研究對象，基于8座跨江主軸橋梁景觀色彩的調(diào)研成果考察橋梁的建筑環(huán)境與周圍景觀色彩特征，結(jié)合空間色彩混合和色彩直方圖統(tǒng)計(jì)了空間色彩的分布情況，同時采用K均值（K-Means）聚類算法提取了空間景觀的特征色彩，結(jié)合城市文化和生態(tài)特色建立橋梁色彩優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，最后得出研究結(jié)論及建議。研究結(jié)果可以為相關(guān)橋梁景觀色彩的分析設(shè)計(jì)等多個方面提供參考依據(jù)，同時補(bǔ)充了橋梁景觀色彩研究的進(jìn)展，豐富了橋梁設(shè)計(jì)研究的色彩語言，為橋梁空間色彩的提取提供了新的思路。

一、長江主軸空間特征的色彩設(shè)計(jì)模型和橋梁生態(tài)景觀調(diào)研

1.1 長江主軸橋梁空間特征的色彩設(shè)計(jì)模型

1.1.1 色彩設(shè)計(jì)方案的指導(dǎo)原則 橋梁城市色彩景觀應(yīng)用不是單一的模仿和重復(fù)，而是要將城市的文化價值融入其中，構(gòu)建具備特色文化內(nèi)涵的整體城市視覺形象和生態(tài)發(fā)展。在綜合了城市文化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展背景的基礎(chǔ)上，本研究提煉了視覺優(yōu)化指導(dǎo)性方案設(shè)計(jì)的5個方面原則。

（1）協(xié)調(diào)性生態(tài)原則：橋梁景觀是長江主軸景觀形象的有機(jī)組成部分，應(yīng)服從武漢市整體文化定位協(xié)調(diào)生態(tài)、社會、經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)系，保證生態(tài)效益的充分發(fā)揮；協(xié)調(diào)景觀與生態(tài)、保護(hù)和開發(fā)、建設(shè)與維護(hù)的多重關(guān)系，使橋梁建筑與視覺系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，形成統(tǒng)一的景觀風(fēng)格。

（2）人本化生態(tài)原則：城市景觀視覺設(shè)計(jì)的主要作用是美化環(huán)境、擴(kuò)展生活空間、安全保護(hù)、減少交通事故和改善城市形象。無論是功能性還是裝飾性景觀照明，都應(yīng)以人為本，體現(xiàn)對人尊重以及生理和心理健康的關(guān)懷。

（3）文化性生態(tài)原則：荊楚文化是武漢市文化建設(shè)的根脈、靈魂、精髓和品牌，是彰顯城市特色和魅力的雄厚資本，是塑造良好城市形象，提升城市影響力和競爭力的重要基礎(chǔ)。

（4）科學(xué)性生態(tài)原則：在符合國內(nèi)景觀、照明標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，盡量采用先進(jìn)的景觀設(shè)計(jì)理念和先進(jìn)的照明技術(shù)和照明設(shè)備，注重環(huán)保、節(jié)能與全壽命經(jīng)濟(jì)性。

（5）經(jīng)濟(jì)性生態(tài)原則：規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建設(shè)統(tǒng)籌考慮。多用節(jié)能照明設(shè)備，少用耗能設(shè)備，多用經(jīng)濟(jì)型設(shè)備，少用非經(jīng)濟(jì)型設(shè)備。

1.1.2 主軸橋梁色彩設(shè)計(jì)三元耦合模型 基于符號學(xué)設(shè)計(jì)和空間色彩研究文獻(xiàn)的調(diào)研分析，提出以色彩設(shè)計(jì)組成、色彩分布特征、色彩識別分析的三元耦合優(yōu)化模型，對應(yīng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)邏輯如圖1所示。根據(jù)模型可知，優(yōu)化體系中需要先對研究對象進(jìn)行調(diào)研，對其組成色彩進(jìn)行有效分析識別，主要考察跨江主軸橋梁的橋體涂裝、周圍生態(tài)景觀情況和實(shí)際地理位置的水土特色；然后基于橋梁色彩調(diào)研情況，結(jié)合色彩空間混合、全局RGB直方圖方法對其顏色具體RGB元素分布，進(jìn)而利用K-Means聚類算法提取對應(yīng)橋梁顯示的色彩分布規(guī)律；最后考察城市地區(qū)的文化符號和生態(tài)背景，通過融入城市文化、周邊環(huán)境等元素，創(chuàng)建整體性主題圖案，合理規(guī)劃貼合城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的橋梁視覺元素，提出系統(tǒng)性的構(gòu)圖方案展現(xiàn)城市形象和特色。

圖1 橋梁視覺優(yōu)化三要素模型

1.2 長江主軸橋梁生態(tài)景觀色彩調(diào)研

跨江橋梁作為一種特殊的構(gòu)筑物，以其重要的地理位置和巨大的體量成為城市景觀的重要組成部分，具有重要的使用價值和視覺上的藝術(shù)價值[9]。橋梁自身的雄壯秀麗在大自然中是相對渺小的，其色彩及裝飾設(shè)計(jì)要與所在城市的色調(diào)定位及自然環(huán)境相協(xié)調(diào)，才能真正體現(xiàn)出重要的藝術(shù)價值[10]。為了科學(xué)地對武漢跨江橋梁色彩開展優(yōu)化設(shè)計(jì)，本研究根據(jù) “三元耦合模型” 開展橋梁色彩組成設(shè)計(jì)調(diào)研，對橋梁本身色彩涂裝效果和周邊環(huán)境與生態(tài)分布情況進(jìn)行實(shí)地考察，武漢8座跨江主軸橋梁的相關(guān)基礎(chǔ)信息概述如表1所示。基于調(diào)研信息可知，目前8座跨江主軸橋梁主要存在以下5個方面的問題：（1）長江主軸8座橋梁建成時間跨度極大（1957—2019年）；（2）橋梁色彩缺乏整體規(guī)劃；（3）橋梁建設(shè)時間跨度大，橋梁色彩“新舊不一”；（4）橋梁色彩缺乏與城市環(huán)境色彩的科學(xué)融合；（5）橋梁景觀標(biāo)志性略顯不足。

表1 長江主軸橋梁色彩調(diào)研信息

二、橋梁空間景觀色彩統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)三元耦合模型分析步驟，對橋梁色彩組成設(shè)計(jì)開展調(diào)研后，應(yīng)該需要根據(jù)調(diào)研信息深入探究色彩分布特征，本節(jié)主要借助 “色彩空間混合” 和 “全局RGB直方圖統(tǒng)計(jì)” 兩種方法表征橋梁色彩的分布特性。

2.1 色彩空間混合分析

色彩的空間混合是一種視覺生理現(xiàn)象，即在一定距離，人的眼睛能夠把兩種以上并置色彩自動感應(yīng)與同化為新色彩的混合方法。由于距離的增加和視覺分辨力降低，從正常的角度觀看兩種及以上交叉分布的色彩時，看不清各自的色彩特征而形成綜合色覺，色彩空間混合是一種視覺上的混合。該方法實(shí)踐過程中需要注重的問題主要有3個方面：（1）形態(tài)特征：色彩空混對并置的色彩形態(tài)有著特定的要求，通常采取短小的點(diǎn)形或細(xì)長的線作為造型表達(dá)的元素；（2）構(gòu)成方式：空混在組織結(jié)構(gòu)上以密集狀的點(diǎn)簇或線形成的色域分布于畫面，效果與形態(tài)的排列秩序密切關(guān)聯(lián)；（3）色彩組合：互為補(bǔ)色關(guān)系的色彩按照一定比例并置能得到灰色系、非補(bǔ)色關(guān)系的色彩空混能形成中間色序列，有彩系同無彩系空混可獲得不同明度的淺紅色?？紤]分析的可操作性和系統(tǒng)邏輯性，目前研究中“馬賽克式”色彩空間混合方法應(yīng)用最多，即選擇色相感較強(qiáng)的作品，并將面分割為不規(guī)則的斑點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提煉或分解原畫色彩。

基于上述色彩空間混合原理的歸納分析，本研究同樣采用 “馬賽克式” 色彩空間混合方法，對武漢8座跨江主軸橋梁周邊環(huán)境的色彩進(jìn)行分析，選取與環(huán)境色彩較為融合的顏色作為設(shè)計(jì)方案的基本色調(diào)?？紤]武漢鸚鵡洲長江大橋和楊泗港長江大橋建成通車不久，其色彩涂裝鮮艷且特征明顯，因此此處主要針對6 座建成時間較久橋梁的視覺景觀開展針對化分析。從空混分析來看，主要呈現(xiàn)出冷、暖兩類色調(diào)，如圖2所示。

圖2 橋梁周邊景觀顏色空混分析

為了進(jìn)一步明確主要色彩元素分布規(guī)律，本研究利用全局RGB直方圖統(tǒng)計(jì)了武漢8座橋梁視覺優(yōu)化前周圍景觀及橋梁主體組成部分色彩空間混合的主色調(diào)。

2.2 全局RGB直方圖統(tǒng)計(jì)

顏色直方圖可以準(zhǔn)確反映圖像中顏色的組成分布，即顏色種類以及各種顏色出現(xiàn)的概率。特別適用于對橋梁及周圍景觀的空間混合色彩精選描述，以圖2中調(diào)研圖像為樣本，對各主軸橋梁及景觀色彩的RGB進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖3所示。

結(jié)合圖3中的色彩提取規(guī)律可以看出，主軸橋梁的色彩分布具有較為顯著的差異，其中天興洲大橋、晴川橋、白沙洲大橋、鸚鵡洲大橋以及楊泗港大橋RGB直方圖呈凸型分布，顏色較為亮麗；而二七大橋、長江二橋和長江大橋直方圖以凹型為主，色彩以灰暗為主。通過RGB直方圖，可以得到8座橋梁的主要顏色分布情況，但難以做到特征色彩的定量化捕捉。

圖3 RGB 直方統(tǒng)計(jì)

三、基于K-Means 聚類算法的空間色彩提取及特征色彩的設(shè)計(jì)方案

3.1 基于K-Means 聚類算法的空間色彩提取

3.1.1 特征色彩提取方法及流程 基于三元耦合模型可知，確認(rèn)色彩分布規(guī)律后應(yīng)精準(zhǔn)提取并識別空間色彩特征。為實(shí)現(xiàn)主軸橋梁特征色彩提取的可視化，本研究采用K-Means算法對其進(jìn)行定量化分析。K-Means算法屬于無監(jiān)督的聚類算法，具有良好的聚類效果和極強(qiáng)的可操作性，使得其在色彩提取方面應(yīng)用廣泛。本文采用K-Means算法，運(yùn)用Python軟件實(shí)現(xiàn)對主軸橋梁景觀調(diào)研圖像的特征色彩提取，其流程如圖4所示。具體操作步驟如下：

圖4 色彩提取流程

（1）隨機(jī)初始化k個點(diǎn)作為簇的質(zhì)心；

（2）將樣本集中的每個點(diǎn)分配到一個簇中，計(jì)算每個點(diǎn)與質(zhì)心之間的歐式距離見式（1），并將其分配給距離最近的質(zhì)心所對應(yīng)的簇中

式中：設(shè)d（x，y）為本次簇質(zhì)心和上次簇質(zhì)心的最大距離，xi=R，G，B為本次簇質(zhì)心的R，G，B值，yi=R，G，B為其他像素的R，G，B值；

（3）更新簇的質(zhì)心，每個簇的質(zhì)心更新為該簇所有點(diǎn)的平均值；

（4）反復(fù)迭代（2）（3）步驟，直到簇心不再發(fā)生明顯的變化，即收斂為止。

3.1.2 基于K-Means 聚類算法特征色彩選取 以調(diào)研圖像為樣本，將樣本圖像的顏色分為4組（K-Means），每組顏色以平均色彩值表征，名稱以最接近的顏色命名，其中距離使用ΔE表示。各主軸橋梁及景觀的特征色彩如表2所示。

表2 長江主軸橋梁及景觀的特征色彩

3.2 基于特征色彩的設(shè)計(jì)方案

基于8座橋梁調(diào)研結(jié)果和空間景

觀特征色彩的成果，結(jié)合城市文化和整體色彩搭配的協(xié)調(diào)性，本研究分別確定了各個橋梁的色彩設(shè)計(jì)方案。如圖5所示，由上游白沙洲大橋起始至天興洲大橋終章，結(jié)合橋梁現(xiàn)有條件及形象特征，提出由紅、黃暖色到白、灰中性色，再到青、黛冷色的整體城市橋梁色彩規(guī)劃，形成多彩絢麗、工整有序的城市橋架整體色彩印象，展現(xiàn)城市人文精神及宏遠(yuǎn)愿景。白沙洲長江大橋作為長江主軸橋梁規(guī)劃中最上游的大橋，橋梁色彩利用原有朱紅色斜拉索，將橋梁鋼梁部分涂裝成與之相呼應(yīng)的曙紅，橋塔、橋墩涂裝成茶白，從而勾勒出暖陽普照、光芒濺射的景觀意向線條，塑造出最靈動溫暖的橋梁形象。武漢長江二橋建設(shè)時間較早，現(xiàn)狀外貌陳舊，對全橋進(jìn)行整體防腐、色彩涂裝，橋塔、梁體、橋墩部分進(jìn)行統(tǒng)一涂裝更新，對纜索部分保持原色并清潔修繕，橋梁整體涂裝色彩采用雅灰色涂裝，展現(xiàn)精煉雅致、穩(wěn)重純粹的整體形象。同時穩(wěn)重蘊(yùn)合的色彩能夠在橋梁整體主題中起到承上啟下的關(guān)鍵作用。二七長江大橋高聳的3座橋塔有著獨(dú)特的景觀標(biāo)志性，整體凸顯了“鶴舞祥云、三鎮(zhèn)騰飛”的寓意，橋梁橋塔、梁體、橋墩等結(jié)構(gòu)主題部分整體采用茶白色涂裝，勾勒出跨江大橋的景觀主干線。

圖5 跨江主軸橋梁生態(tài)主色調(diào)與地理位置分布

四、結(jié) 語

武漢長江主軸橋梁是武漢生態(tài)文化及城市面貌不可忽視的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。文中系統(tǒng)考量了8座跨江主軸橋梁的空間色彩特征，同時整體考慮了城市文化、環(huán)境和生態(tài)特色，提出了武漢長江主軸橋梁的視覺優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。主要結(jié)論如下：

（1）研究歸納了基于特征色彩的城市橋梁生態(tài)視覺設(shè)計(jì)方案的5項(xiàng)指導(dǎo)原則，建立了色彩優(yōu)化三元耦合模型，從色彩設(shè)計(jì)組成、色彩分布特征、色彩識別分析三元素之間必要性和關(guān)聯(lián)性構(gòu)建城市橋梁生態(tài)視覺色彩形象。

（2）綜合探討了武漢城市文化和發(fā)展背景，同時系統(tǒng)性調(diào)研分析了8座跨江橋梁存在的色彩美化設(shè)計(jì)問題，提出了橋梁視覺優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

（3）通過RGB 直方圖統(tǒng)計(jì)和K-Means聚類算法確定了橋梁空間景觀的特征色彩，同時參考橋梁色彩空間混合配色和橋梁地理位置分布，結(jié)合武漢城市符號，設(shè)計(jì)了城市橋梁色彩景觀主題方案，突顯了武漢地域符號特征的城市橋梁景觀體系。