基于深度學(xué)習(xí)的城市意象認(rèn)知方法研究

基于深度學(xué)習(xí)的城市意象認(rèn)知方法研究

現(xiàn)在，中國已經(jīng)進(jìn)入了轉(zhuǎn)型階段。中國美麗的城市、城市美化和城市發(fā)展的提出，將城市特色的重要性提高到了一個新的水平。作為城市發(fā)展的工具之一，城市意象對提高城市的空間質(zhì)量和城市特色風(fēng)格具有重要意義。大數(shù)據(jù)以其數(shù)據(jù)規(guī)模龐大、定量化分析等特征，為規(guī)劃研究、編制與決策帶來了新的途徑和方法1國內(nèi)外相關(guān)研究1.1城市意象的概念20世紀(jì)60年代，凱文·林奇提出以標(biāo)識、節(jié)點、路徑、邊界、區(qū)域為要素的城市空間意象認(rèn)知方法。顧朝林、宋國臣綜述了城市意象的概念與內(nèi)涵，強(qiáng)調(diào)了城市意象在城市設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用前景城市意象從提出至今，其研究內(nèi)容和研究方法都有了較大發(fā)展。研究內(nèi)容從單純的城市空間意象發(fā)展到以空間要素為主，同時融合城市文化、自然景觀等非空間要素；研究方法從描述性研究發(fā)展到類型學(xué)研究與定量化研究相結(jié)合1.2利用深度學(xué)習(xí)的街道安全度模型目前，大數(shù)據(jù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于城市研究與規(guī)劃編制中，主要應(yīng)用領(lǐng)域有區(qū)域城鎮(zhèn)體系Naik等利用街景照片與深度學(xué)習(xí)算法建立了街道安全度的研究模型1.3．深度學(xué)習(xí)與城市認(rèn)知結(jié)合從城市意象、大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)三者的關(guān)系來看，大數(shù)據(jù)與城市意象結(jié)合，可以補(bǔ)充城市研究的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；深度學(xué)習(xí)與城市意象結(jié)合，可以擴(kuò)展城市認(rèn)知的維度和廣度；大數(shù)據(jù)與深度學(xué)習(xí)結(jié)合，可以為城市數(shù)據(jù)的深度挖掘提供技術(shù)上的可能。三者互相支撐，能多維度、全方面地刻畫城市的整體意象，亦能從更大范圍思考城市意象形成與發(fā)展的深層邏輯及其應(yīng)用場景。2基于深度學(xué)習(xí)的城市意象認(rèn)知模型綜合目前大量利用大數(shù)據(jù)進(jìn)行城市研究的理論基礎(chǔ)與應(yīng)用邏輯，本文擬提出基于深度學(xué)習(xí)的城市意象認(rèn)知模型。該研究模型在理論層面，包括基礎(chǔ)理論、數(shù)據(jù)來源、技術(shù)方法3個基本要素；在應(yīng)用層面，理論基礎(chǔ)為城市意象認(rèn)知方法，數(shù)據(jù)來源為城市大數(shù)據(jù)，技術(shù)方法為深度學(xué)習(xí)(圖1)。2.1模型2：城市意象認(rèn)知該認(rèn)知模型以凱文·林奇的城市意象認(rèn)知方法作為理論基礎(chǔ)，并結(jié)合城市意象內(nèi)涵新發(fā)展與新技術(shù)的支撐，提出城市意象認(rèn)知方法的創(chuàng)新與拓展。在城市意象認(rèn)知維度上，將傳統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)的單一維度拓展為包含意象結(jié)構(gòu)、意象類型和意象評價的3個維度。在城市意象認(rèn)知過程中，該模型包含了數(shù)據(jù)獲取、模型運(yùn)算和規(guī)劃應(yīng)用3個步驟。在數(shù)據(jù)獲取中，本文以新浪微博數(shù)據(jù)作為主要來源，其中包括圖像數(shù)據(jù)、語言數(shù)據(jù)和時空數(shù)據(jù)；在模型運(yùn)算中，圖像數(shù)據(jù)與語言數(shù)據(jù)采用深度學(xué)習(xí)分別得到意象類型與意象評價，時空數(shù)據(jù)采用GIS空間分析得到意象結(jié)構(gòu)，形成3個維度的城市意象認(rèn)知；在規(guī)劃應(yīng)用中，城市意象認(rèn)知模型增強(qiáng)了傳統(tǒng)城市意象的實踐性，拓展了城市意象的應(yīng)用范圍，該模型的分析結(jié)果可以應(yīng)用于城市設(shè)計、城市風(fēng)貌、城市色彩、城市特色等領(lǐng)域的規(guī)劃與研究中(圖2)。2.2照片、文本和定位本文通過程序采集目標(biāo)點周邊一段時間、一定距離范圍內(nèi)，同時包含照片、文本和定位3類信息的微博。然后選取微博數(shù)據(jù)中的用戶ID、性別、地址、時間、經(jīng)度、緯度、文本、照片ID共計8項數(shù)據(jù)作為本次研究的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。2.3城市意象識別城市意象的認(rèn)知維度包括意象結(jié)構(gòu)、意象類型和意象評價。意象結(jié)構(gòu)是意象要素在城市空間中分布、組合和變化的規(guī)律，本文延續(xù)了城市意象空間五要素認(rèn)知方法，根據(jù)微博數(shù)據(jù)空間位置的分布特征來判定城市意象的空間結(jié)構(gòu)，包括區(qū)域、邊界、路徑、節(jié)點和標(biāo)志。根據(jù)城市意象內(nèi)涵的拓展，結(jié)合圖像識別的規(guī)則內(nèi)容，本文將城市意象分為自然景觀、標(biāo)志建筑、公共空間和文化生活4種類型(圖3)。利用微軟計算機(jī)視覺深度學(xué)習(xí)算法對微博圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)容識別，將得到的標(biāo)簽與意象類型進(jìn)行對應(yīng)(表1)，即可得到照片表征的意象類型。城市空間與環(huán)境能夠影響人情感與行為的表達(dá)，當(dāng)研究樣本數(shù)量較小時，這種關(guān)聯(lián)性并不強(qiáng)，但以海量樣本數(shù)據(jù)作為研究支撐時，則可以建立情感與空間的高關(guān)聯(lián)性。本文利用玻森自然語義深度學(xué)習(xí)算法對微博語言數(shù)據(jù)進(jìn)行識別，可以判斷該語言所表達(dá)的情感，并以此作為意象評價的依據(jù)。根據(jù)情感數(shù)值e的大小，本文將城市意象的評價劃分為3類，當(dāng)0≤e<0.40時表示負(fù)面意象，數(shù)值為0.40≤e<0.60時表示中性意象，數(shù)值為0.60≤e≤1.00時則表示正面意象(表2)。3重慶主要城市的城市形象認(rèn)知3.1范圍：重慶區(qū)域由于新浪微博數(shù)據(jù)獲取的技術(shù)特征，本文研究范圍是以重慶主城區(qū)的幾何中心點為圓心，以11km為半徑所形成的圓形區(qū)域，該范圍覆蓋了重慶主城區(qū)的核心區(qū)域，面積約為380km3.2照片圖像和文字內(nèi)容和位置信息的微博數(shù)量本文通過新浪微博開放平臺獲取了研究范圍內(nèi)2016年8月1—30日期間同時帶有照片圖像、文字內(nèi)容和位置信息的微博，共計58741條。經(jīng)過數(shù)據(jù)清洗和篩選后，獲得了與城市意象研究相關(guān)的有效微博數(shù)據(jù)共計46456條(圖4)，其中包含了159883張照片，以此作為本文的研究數(shù)據(jù)。3.3城市形象的認(rèn)知3.3.1城市意象結(jié)構(gòu)的形態(tài)結(jié)構(gòu)按照城市意象空間結(jié)構(gòu)的認(rèn)知方法，生成城市意象空間結(jié)構(gòu)圖(圖5)。從整體上來看，重慶城市意象結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多中心組團(tuán)式的分布，組團(tuán)與組團(tuán)間有較為明顯的隔離，這種形態(tài)與重慶主城區(qū)的空間結(jié)構(gòu)一致；從組團(tuán)的分布來看，重慶主城區(qū)擁有清晰的意象結(jié)構(gòu)，其中包括6個區(qū)域、4條邊界、7條路徑、28個節(jié)點和8個標(biāo)志(表3)。1城區(qū)意象區(qū)域區(qū)域是意象點聚集程度高且連續(xù)分布的范圍，重慶主城區(qū)共形成了6處意象區(qū)域。這些區(qū)域主要聚集在各城市組團(tuán)的中心區(qū)和重要的城市交通場站，其中渝中半島意象區(qū)規(guī)模最大，意象要素的聚集程度也最高。2邊界：協(xié)商家在校園從劃分意象區(qū)域的邊界來看，共形成4條明顯的邊界，分別是嘉陵江、長江、歌樂山和南山。從結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，山體與河流對意象區(qū)域的分隔作用最為明顯，道路對意象區(qū)域的影響則很小。3意象區(qū)域相互交流的路徑從整個研究范圍來看，形成了7條主要的意象路徑，這些路徑構(gòu)成了各意象區(qū)域之間相互交流的通道。從功能上看，意象路徑均為交通性道路，其中有4條路徑為跨江道路，無沿江分布路徑。4節(jié)點分布的總體特征節(jié)點是意象要素點聚集密度較高的點狀區(qū)域，通過判斷選擇，研究范圍內(nèi)共形成28個意象節(jié)點，整體分布較為平均，其中有16個節(jié)點分布在5個意象區(qū)域之內(nèi)，23個節(jié)點分布在意向區(qū)域之外。5意象標(biāo)志的形成意象標(biāo)志是意象要素聚集密度最高，并在意象空間感知中發(fā)揮著特征性指引作用的點狀區(qū)域，形成了大解放碑都市圈、觀音橋、重慶北站、三峽廣場、磁器口古鎮(zhèn)、時代天街、楊家坪、萬達(dá)廣場共計8個意象標(biāo)志。3.3.2意象類型空間分布研究將意象類型劃分為標(biāo)志建筑、自然景觀、公共空間和文化生活4種類型。從重慶主城區(qū)意象類型的整體構(gòu)成來看，在159883張照片中，標(biāo)志建筑的有47210張，占29.53%；自然景觀的有447051張，占27.55%；公共空間的有35466張，占22.18%；文化生活的有33157張，占20.74%。從結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，重慶主城區(qū)的主導(dǎo)城市意象為標(biāo)志建筑，其次是自然景觀、公共空間、文化生活；4種意象類型的構(gòu)成比例較為均衡，表明重慶在城市意象的特色較為多元。從意象類型的空間分布來看，標(biāo)志建筑、自然景觀、公共空間和文化生活4種意象要素均呈現(xiàn)“節(jié)點聚集，散點分布”的特征，但每個單項意象類型都未形成完整的結(jié)構(gòu)體系。標(biāo)志建筑意象聚集程度最高，最為聚集的區(qū)域為觀音橋和解放碑2個商圈(圖6)。觀音橋的建筑以現(xiàn)代、摩登為特色；解放碑商圈則包含了解放碑、洪崖洞、湖廣會館等重要意象節(jié)點，以融合現(xiàn)代、傳統(tǒng)、地域的多元建筑意象為特色。自然景觀的意象類型特征范圍最廣，整體分布較為平均，這也反映了重慶主城區(qū)擁有良好的自然景觀資源。其中自然景觀意象最為聚集的區(qū)域是大解放碑都市圈，以洪崖洞、朝天門、較場口等濱江區(qū)域為主；自然景觀的具體內(nèi)容以山水為主，特別是長江、嘉陵江、南山和歌樂山，都展現(xiàn)了重慶極具特色的自然景觀(圖7)。在公共空間意象的分布方面，最集中的區(qū)域是大解放碑都市圈，其中包括了解放碑、較場口和洪崖洞，三者都是重要的城市廣場，行為活動豐富，其他區(qū)域還包括傳統(tǒng)街巷、交通場站等城市公共空間(圖8)。文化生活是構(gòu)成比例最少的意象類型，大部分意象要素點都在核心區(qū)域聚集。具體來講，最聚集的區(qū)域是解放碑、洪崖洞和觀音橋，其中解放碑與洪崖洞是重慶最核心的旅游目的地，以旅游觀光為主，觀音橋則是以市民生活為主(圖9)。3.3.3自然意象評價從意象評價的整體情況看，研究區(qū)域情感數(shù)值的平均值為0.64，標(biāo)準(zhǔn)差為0.33，表明重慶主城區(qū)城市意象在整體傾向上呈現(xiàn)中性偏正面；從意象評價的正面和負(fù)面分布趨勢來看，人們對重慶的情感認(rèn)知兩極分化比較明顯，呈兩極數(shù)量大、中間數(shù)量小的微笑曲線型分布。其中正面評價有28085條，占60.46%；中性評價有6348條，占13.66%；負(fù)面評價有12023條，占25.88%。從意象類型的分類評價來看，自然景觀的意象評價最高，數(shù)值為0.71，標(biāo)準(zhǔn)差為0.29；其次是公共空間意象、標(biāo)志建筑和文化生活。這表明重慶大山大水的自然景觀得到了廣泛認(rèn)可。從意象評價的空間分布來看(圖10)，在研究范圍內(nèi)，正面意象評價的區(qū)域占54.89%，中性意象評價占35.51%，負(fù)面意象評價占8.60%。通過進(jìn)一步分析，可以發(fā)現(xiàn)意象評價的城市整體空間中的分布有以下幾個特點。一是城市意象評價較低的區(qū)域主要位于各意象核心區(qū)外圍或區(qū)域與區(qū)域之間的邊界地帶(圖11)。由于核心區(qū)域往往是資本和人流的匯集地，是城市建設(shè)的重點；而非核心區(qū)域在城市的社會經(jīng)濟(jì)和功能結(jié)構(gòu)中所處地位較低，同時這些區(qū)域也存在大量的山體與飛地，得到的資本投入和更新維護(hù)較少。二是在兩江四岸中，長江、嘉陵江的南側(cè)城市意象評價明顯高于北側(cè)(圖12)。就嘉陵江兩岸來看，位于北側(cè)的北濱路負(fù)面意象路段長約6km，位于南側(cè)的沙濱路-嘉濱路負(fù)面意象路段長約1.5km；就長江兩岸來看，位于北側(cè)的長濱路負(fù)面意象路段長約8.4km，位于南側(cè)的南濱路負(fù)面意象路段長約2.2km。這些意象評價較低區(qū)域多集中在大型樓盤、立交橋和交通節(jié)點，例如北岸風(fēng)光小區(qū)、江灣城小區(qū)、石門大橋北橋頭、嘉華大橋北橋頭、石板坡立交、鵝公巖立交等，表明人們對于大型社區(qū)與城市交通基礎(chǔ)設(shè)施的負(fù)面評價較高。3.4問題識別綜合上文的分析與論述，可以總結(jié)出重慶主城區(qū)的城市意象在以下幾個方面存在的問題，為城市意象優(yōu)化與城市特色塑造提供指引。3.4.1自然山水在城市意象中的衰落大山大水的自然格局本是重慶城市特色的主要特征，兩江四岸的景觀資源賦予了重慶得天獨厚的優(yōu)勢，近年來城市規(guī)模的迅速擴(kuò)張、高強(qiáng)度的城市建設(shè)破壞了原有自然山水格局，山與水在城市意象中逐漸失落。3.4.2人文要素在城市意象中的缺位重慶擁有幾千年的歷史，獨特的地形地貌孕育了具有山城特色的山水人文，九開八閉、江湖碼頭、吊腳樓等重慶的傳統(tǒng)人文要素在當(dāng)下的城市意象中并沒有得到很好的體現(xiàn)。3.4.3個獨立的路徑網(wǎng)絡(luò)雖然重慶主城區(qū)的城市意象結(jié)構(gòu)較為完善，但仍有優(yōu)化和提升的空間，意象路徑形成了2個獨立的路徑網(wǎng)絡(luò)，這2個意象路徑網(wǎng)絡(luò)相互獨立，并未連接成為一個完整的系統(tǒng)；主城區(qū)的各意象區(qū)域間較為獨立，相互聯(lián)系較弱。4數(shù)據(jù)來源與技術(shù)方法的局限性本文基于城市規(guī)劃的轉(zhuǎn)型革新、大數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用和人工智能的技術(shù)突破三大背景，將城市意象、大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)相結(jié)合，從理論基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)來源和技術(shù)方法3個方面形成了研究的基本范式，并構(gòu)建了基于深度學(xué)習(xí)的城市意象認(rèn)知模型，拓展了城市意象的理論內(nèi)涵