基于街景和POI 數(shù)據(jù)的街道空間品質(zhì)評(píng)價(jià)

李有鵬，劉國棟

（1.重慶交通大學(xué) 智慧城市學(xué)院，重慶 400074）

良好的街道空間不僅能滿足居民的日常出行、購物等活動(dòng)，還能在視覺、心理等多種感官上有舒適的體驗(yàn)[1]。本文遵循“以人為本”的發(fā)展理念，使用深度學(xué)習(xí)及空間句法等空間分析方法從街景影像、POI以及路網(wǎng)數(shù)據(jù)中提取評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建層次分析模型對(duì)渝中半島街道空間品質(zhì)展開評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)獲取

1.1 研究區(qū)概況

渝中區(qū)是重慶主城九區(qū)之一，與江北區(qū)、沙坪壩區(qū)、九龍坡區(qū)、南岸區(qū)相鄰，位于長江、嘉陵江交匯地帶，由于兩江環(huán)抱，形似半島，又名渝中半島，是重慶市的城市核心地區(qū)。全區(qū)水陸域面積為23.24 km2,其中陸地面積20.08 km2，下轄解放碑街道、朝天門街道、大溪溝街道等11個(gè)行政街道。

1.2 數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

1）OSM 路網(wǎng)。OSM 路網(wǎng)數(shù)據(jù)來源于OpenStreet-Map（https://www.openstreetmap.org/），對(duì)研究區(qū)路網(wǎng)經(jīng)過簡(jiǎn)化、拓?fù)錂z查，并在交叉點(diǎn)處分割為路段處理后共得到道路604條。根據(jù)30 m間隔對(duì)路網(wǎng)增密獲取采集點(diǎn)，以此作為街景圖片采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2）街景影像。街景圖片數(shù)據(jù)從百度地圖(https://map.baidu.com/)獲取，根據(jù)百度開發(fā)文檔調(diào)用API 服務(wù)接口，設(shè)置視場(chǎng)角參數(shù)為360°（fov = 360），使用Python編寫程序獲取全景圖，最終獲得有效街景圖片為7 844張。

3）POI 數(shù)據(jù)。POI 數(shù)據(jù)通過調(diào)用百度地圖API 獲取，對(duì)原始數(shù)據(jù)經(jīng)過清洗、投影變換及矢量化處理，根據(jù)其作用功能重分類，再將各類別POI數(shù)據(jù)連接到鄰近道路上，設(shè)置連接距離為100 m。

2 研究方法

立足居民在街道空間中的感受對(duì)街道空間品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，首先搭建基于深度學(xué)習(xí)的PSPNet（pyramid scene parsing network）網(wǎng)絡(luò)提取街景要素，并將街景數(shù)據(jù)經(jīng)過投影轉(zhuǎn)換得到魚眼圖，計(jì)算太陽輻射比例。隨后計(jì)算道路100 m 范圍內(nèi)各類別POI 數(shù)據(jù)的密度以及多樣性。再使用空間句法獲取路網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)特征信息，并將各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)使用空間連接的方法鏈接到對(duì)應(yīng)路網(wǎng)。最后構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算街道空間品質(zhì)綜合得分。

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

在密集的城市三維空間中，居民生活體驗(yàn)不僅受到建筑界面、可步行空間等建成環(huán)境的影響，還與街道空間服務(wù)設(shè)施的便捷程度以及安全保障息息相關(guān)。因而根據(jù)居民在街道空間中的主觀感受，結(jié)合空間數(shù)據(jù)以及街景影像特征，構(gòu)建舒適度、安全性、便捷性以及活力度4個(gè)維度的街道空間評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（表1）。

表1 層次結(jié)構(gòu)模型指標(biāo)組成及權(quán)重

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)量化

2.2.1 語義分割

借助語義分割技術(shù)，搭建經(jīng)Cityscapes數(shù)據(jù)集訓(xùn)練的金字塔場(chǎng)景解析網(wǎng)絡(luò)PSPNet語義分割模型提取各類街景要素，并計(jì)算各類要素比值。與全卷積網(wǎng)絡(luò)FCN（fully convolutional network）相比，PSPNet可以更好地獲取場(chǎng)景全局信息，從而提高精度[2]。最終得到道路、車輛、行人、綠植、建筑物等19種要素的像素?cái)?shù)占比及位置信息，將識(shí)別結(jié)果分類計(jì)算得到界面圍合度、車輛通行指數(shù)、路面可行性、綠視率、天空可見度5 項(xiàng)指標(biāo)，并使用Simpson指數(shù)計(jì)算街道空間的色彩豐富度。

2.2.2 太陽輻射比例

太陽輻射會(huì)影響城市熱環(huán)境[3]，對(duì)居民舒適體驗(yàn)產(chǎn)生影響。通過投影轉(zhuǎn)換將街景全景圖轉(zhuǎn)換制作魚眼圖，并根據(jù)道路與正北方向的偏轉(zhuǎn)角度將魚眼圖的正上方調(diào)整為正北方向，以6 min為間隔計(jì)算太陽高度角和天頂角，可得到任意一天（北京時(shí)間）內(nèi)的太陽運(yùn)動(dòng)軌跡。將太陽運(yùn)動(dòng)軌跡與魚眼圖重疊，若與天空要素重合，則判定該時(shí)間點(diǎn)陽光可照射到地面，從而可得到觀測(cè)點(diǎn)接收的太陽漫輻射比例PF 與直接輻射比例PD[4]。因在不同天空視域因子值條件下直接輻射均值明顯大于漫輻射均值，且在輻射總量中占較大比重[5]，故使用直接輻射比例（式1）代表觀測(cè)點(diǎn)太陽輻射強(qiáng)度。

式中，h1為日出時(shí)間；h2為日落時(shí)間；θh為太陽對(duì)應(yīng)時(shí)刻的天頂角；Bh為太陽軌跡被否與天空要素重合的布爾變量，若與天空要素重合則為1，否則為0。

2.2.3 空間句法

空間句法以拓?fù)潢P(guān)系為基礎(chǔ)，將社會(huì)網(wǎng)絡(luò)的分析方法引入到城市物質(zhì)空間，適用于城市街道空間的精細(xì)尺度研究[6]。在sDNA 中接近度(式2)反映了城市區(qū)域?qū)煌鞯奈?，吸引力越高則交通越便捷[7]。

式中，W(y)為路段權(quán)重；P(y)為搜索半徑內(nèi)節(jié)點(diǎn)的權(quán)重，在連續(xù)空間取值為[0,1]；nqp dn 與nqpdd 取值為1。

2.3 基于層次分析法的評(píng)價(jià)方法

層次分析法(The analytic hierarchy process, AHP)，是一種解決多指標(biāo)復(fù)雜問題的定性與定量相結(jié)合的決策分析方法。根據(jù)目標(biāo)將影響要素分為不同的聚類，組成多層次的結(jié)構(gòu)模型，再判斷各組成指標(biāo)的重要程度，獲得各指標(biāo)的權(quán)數(shù)。基于層次分析法構(gòu)建舒適度、安全性、便捷性和活力度4個(gè)感知維度為準(zhǔn)則層的層次分析模型對(duì)渝中區(qū)街道空間品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)的主要步驟為：

1）根據(jù)目標(biāo)及評(píng)價(jià)指標(biāo)建立層次結(jié)構(gòu)模型。

2）構(gòu)造判斷矩陣，采用相對(duì)尺度方法將各層次指標(biāo)的重要程度兩兩對(duì)比，減少不同性質(zhì)指標(biāo)在比較時(shí)的困難。

3）層次單排序及一致性檢驗(yàn)，獲得同層次因素對(duì)上一層次因素的重要性，并引入判斷矩陣，保證判斷矩陣滿足一致性要求。

4）層次總排序及一致性檢驗(yàn)，得到各層次指標(biāo)對(duì)于目標(biāo)層次的相對(duì)重要性權(quán)重。

5）權(quán)重與指標(biāo)值疊合，得到目標(biāo)層次綜合評(píng)分。

由于獲得的多項(xiàng)指標(biāo)間的量綱和數(shù)值均存在差異，故使用max-min 方法將各項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理，使其值在[0,1]范圍內(nèi)。再將標(biāo)準(zhǔn)化后值與指標(biāo)的權(quán)重對(duì)應(yīng)，得到各街道的綜合品質(zhì)得分（式3）。

式中，ai為指標(biāo)歸一化后的結(jié)果；wi為對(duì)應(yīng)的權(quán)重。

3 結(jié)果與分析

3.1 街道空間品質(zhì)總體特征

計(jì)算得到渝中區(qū)街道空間品質(zhì)平均分為0.47，使用自然間斷法將計(jì)算結(jié)果分為5個(gè)等級(jí)（圖1），發(fā)現(xiàn)各區(qū)域空間品質(zhì)特征差異性較大，且呈散狀分布，說明建成環(huán)境復(fù)雜的渝中半島街道空間品質(zhì)雖整體良好，但多樣性和差異性并存。

圖1 街道空間品質(zhì)結(jié)果

對(duì)各行政街道空間品質(zhì)得分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（圖2），結(jié)果表明得分聚集區(qū)間為0.47～0.48、0.48～0.53，平均得分基本與整體保持一致。在0.48～0.53 得分區(qū)間內(nèi)，化龍橋街道占比最大，達(dá)到了50.00%，南紀(jì)門街道在得分區(qū)間為0.47～0.48 內(nèi)占比最大為58.62%，大溪溝街道占比最小為35.19%。而在綜合得分為0.33～0.40 區(qū)間內(nèi)，化龍橋街道占比最大為2.56%。由此可得出渝中半島內(nèi)街道空間品質(zhì)特征雖高低品質(zhì)并存，但以較高品質(zhì)為主，未出現(xiàn)明顯的兩極分化現(xiàn)象。

圖2 各行政街道自然間斷法分類區(qū)間占比

渝中區(qū)有深厚的歷史文化底蘊(yùn)，且作為重慶市的城市核心區(qū)域，各類生活配套設(shè)施較為完備。將評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際結(jié)合發(fā)現(xiàn)，渝中區(qū)東部區(qū)域的解放碑商業(yè)步行街、洪崖洞民俗風(fēng)貌區(qū)及眾多歷史人文景點(diǎn)極大地滿足了居民在街道中的生活體驗(yàn)感，民族路、新華路、長江濱江路等街道空間品質(zhì)較高，但江家巷、白象街等街道空間內(nèi)由于道路較窄且綠化較少，是街道空間品質(zhì)較低的主要原因。中部李子壩正街區(qū)域，鄰近嘉陵江以及李子壩抗戰(zhàn)遺址公園等景點(diǎn)，街道空間品質(zhì)較好。西部區(qū)域隨著大坪商業(yè)圈的不斷發(fā)展，該區(qū)域也正在成為居民和游客所青睞的地方，但時(shí)代大道受到密集建筑物的影響品質(zhì)相對(duì)較低。

3.2 多感知維度街道空間品質(zhì)特征

根據(jù)圖3 及表2 可知在舒適度、安全性、便捷性和活力度4 個(gè)感知維度，渝中半島品質(zhì)差異性較大，且不同行政街道各感知維度品質(zhì)也存在較大差異。

圖3 各感知街道空間品質(zhì)特征分布

表2 各行政街道不同維度感知評(píng)分平均值

舒適度得分區(qū)間為[0.11，0.64]，平均得分0.41。整體上東西部區(qū)域差異明顯，東部區(qū)域解放碑街道、朝天門街道和七星崗街道3個(gè)行政街道內(nèi)道路舒適度得分均較低，而西部區(qū)域僅石油路街道內(nèi)的時(shí)代大道區(qū)域舒適度較低。該部分區(qū)域建筑物密集，天空可見度較低，綠化設(shè)施相對(duì)較少是使舒適感較低的主要原因。

安全性得分區(qū)間為[0.12，0.68]，平均得分0.34。由于建筑物等物體對(duì)行人視線的遮擋，以及密集的車流量限制行人的可步行空間，影響人群在街道中的安全感，但由于解放碑及大坪商業(yè)街范圍內(nèi)部分道路少有或限制機(jī)動(dòng)車輛通行，行人可步行空間較大，街道空間內(nèi)安全感較高。

便捷性得分區(qū)間為[0.04，0.52]，平均得分0.27，表現(xiàn)為中等水平。各街道空間的連通與公共服務(wù)設(shè)施為街道空間中生活的居民提供了便利。由于渝中區(qū)極具山地城市特征，在地形因素的影響下，區(qū)域內(nèi)道路密度分布不均，且地勢(shì)不平坦，使得各街道空間的便捷性存在差異。

活力度平均得分為0.70，密集的商業(yè)設(shè)施以及功能的多樣性促進(jìn)了街道活力，吸引較多行人參與街道空間生活，洪崖洞、十八梯、李子壩等眾多旅游景點(diǎn)也吸引了大量的游客，從而使各街道的活力度較高。中部區(qū)域受到地形因素影響商業(yè)設(shè)施較少，但鵝嶺公園以及佛圖關(guān)公園為居民休閑提供場(chǎng)所，因此鄰近的鵝嶺正街以及長江二路街道活力度較高。

3.3 道路等級(jí)空間品質(zhì)對(duì)比

對(duì)不同等級(jí)道路的空間品質(zhì)進(jìn)行對(duì)比分析（圖4），發(fā)現(xiàn)渝中區(qū)各等級(jí)道路空間綜合品質(zhì)基本保持一致，且在不同感知維度中活力度得分較高，但便捷性分值較低，與各行政街道多維度品質(zhì)感知結(jié)果一致。舒適度隨著道路等級(jí)的升高而升高，主要原因在于支路與次干道大多處于城市空間內(nèi)部，周圍高大的建筑物遮擋了行人的可視空間，而主干道不僅提供開闊的視野環(huán)境，寬敞的路邊空間也為綠色植物提供了生長空間；同時(shí)由于城市支路對(duì)車行速度的限制以及行人可步行空間的提高，安全性隨著道路等級(jí)的降低而升高。

圖4 不同等級(jí)道路空間品質(zhì)

4 結(jié) 論

結(jié)合街景圖像和POI 數(shù)據(jù)對(duì)渝中區(qū)街道空間品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)渝中區(qū)各街道空間品質(zhì)雖存在差異，但整體表現(xiàn)較好，且未出現(xiàn)明顯的兩極分化現(xiàn)象。通過對(duì)各行政街道和不同等級(jí)道路的舒適度、安全性、便捷性、活力度4 個(gè)感知維度空間品質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)，在建成環(huán)境和設(shè)施布局的影響下，各感知維度品質(zhì)均不相同。為進(jìn)一步提高街道空間品質(zhì)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求適當(dāng)提高綠化率，增加公共服務(wù)設(shè)施數(shù)量以及多樣性，提升街道空間色彩多樣性，改善街面圍合度、車輛通行指數(shù)以及路面可行性，使居民在街道空間中有更好的感知體驗(yàn)。