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(guó)已經(jīng)進(jìn)入了轉(zhuǎn)型階段。中國(guó)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(gè)新的水平。作為城市發(fā)展的工具之一，城市意象對(duì)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(lái)了新的途徑和方法1國(guó)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(shí)、節(jié)點(diǎn)、路徑、邊界、區(qū)域?yàn)橐氐某鞘锌臻g意象認(rèn)知方法。顧朝林、宋國(guó)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(jì)領(lǐng)域應(yīng)用前景城市意象從提出至今，其研究?jī)?nèi)容和研究方法都有了較大發(fā)展。研究?jī)?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(shí)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(lái)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(chǎng)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(lái)源、技術(shù)方法3個(gè)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(lái)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(píng)價(jià)的3個(gè)維度。在城市意象認(rèn)知過(guò)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(gè)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(lái)源，其中包括圖像數(shù)據(jù)、語(yǔ)言數(shù)據(jù)和時(shí)空數(shù)據(jù)；在模型運(yùn)算中，圖像數(shù)據(jù)與語(yǔ)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(píng)價(jià)，時(shí)空數(shù)據(jù)采用GIS空間分析得到意象結(jié)構(gòu)，形成3個(gè)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(shí)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(jì)、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(guò)程序采集目標(biāo)點(diǎn)周邊一段時(shí)間、一定距離范圍內(nèi)，同時(shí)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(shí)間、經(jīng)度、緯度、文本、照片ID共計(jì)8項(xiàng)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(shí)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(píng)價(jià)。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(lái)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(diǎn)和標(biāo)志。根據(jù)城市意象內(nèi)涵的拓展，結(jié)合圖像識(shí)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(jì)算機(jī)視覺深度學(xué)習(xí)算法對(duì)微博圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)容識(shí)別，將得到的標(biāo)簽與意象類型進(jìn)行對(duì)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(shí)，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(shí)，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(yǔ)義深度學(xué)習(xí)算法對(duì)微博語(yǔ)言數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，可以判斷該語(yǔ)言所表達(dá)的情感，并以此作為意象評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)劃分為3類，當(dāng)0≤e<0.40時(shí)表示負(fù)面意象，數(shù)值為0.40≤e<0.60時(shí)表示中性意象，數(shù)值為0.60≤e≤1.00時(shí)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(diǎn)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(guò)新浪微博開放平臺(tái)獲取了研究范圍內(nèi)2016年8月1—30日期間同時(shí)帶有照片圖像、文字內(nèi)容和位置信息的微博，共計(jì)58741條。經(jīng)過(guò)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(jì)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(lái)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(lái)看，重慶主城區(qū)擁有清晰的意象結(jié)構(gòu)，其中包括6個(gè)區(qū)域、4條邊界、7條路徑、28個(gè)節(jié)點(diǎn)和8個(gè)標(biāo)志(表3)。1城區(qū)意象區(qū)域區(qū)域是意象點(diǎn)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(chǎng)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(lái)看，共形成4條明顯的邊界，分別是嘉陵江、長(zhǎng)江、歌樂山和南山。從結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，山體與河流對(duì)意象區(qū)域的分隔作用最為明顯，道路對(duì)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(gè)研究范圍來(lái)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(wú)沿江分布路徑。4節(jié)點(diǎn)分布的總體特征節(jié)點(diǎn)是意象要素點(diǎn)聚集密度較高的點(diǎn)狀區(qū)域，通過(guò)判斷選擇，研究范圍內(nèi)共形成28個(gè)意象節(jié)點(diǎn)，整體分布較為平均，其中有16個(gè)節(jié)點(diǎn)分布在5個(gè)意象區(qū)域之內(nèi)，23個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(chǎng)、磁器口古鎮(zhèn)、時(shí)代天街、楊家坪、萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)共計(jì)8個(gè)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(lái)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(lái)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(diǎn)聚集，散點(diǎn)分布”的特征，但每個(gè)單項(xiàng)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?yàn)橛^音橋和解放碑2個(gè)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(huì)館等重要意象節(jié)點(diǎn)，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(chǎng)口等濱江區(qū)域?yàn)橹鳎蛔匀痪坝^的具體內(nèi)容以山水為主，特別是長(zhǎng)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(chǎng)口和洪崖洞，三者都是重要的城市廣場(chǎng)，行為活動(dòng)豐富，其他區(qū)域還包括傳統(tǒng)街巷、交通場(chǎng)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(diǎn)都在核心區(qū)域聚集。具體來(lái)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(píng)價(jià)從意象評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)的正面和負(fù)面分布趨勢(shì)來(lái)看，人們對(duì)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(píng)價(jià)有28085條，占60.46%；中性評(píng)價(jià)有6348條，占13.66%；負(fù)面評(píng)價(jià)有12023條，占25.88%。從意象類型的分類評(píng)價(jià)來(lái)看，自然景觀的意象評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)的空間分布來(lái)看(圖10)，在研究范圍內(nèi)，正面意象評(píng)價(jià)的區(qū)域占54.89%，中性意象評(píng)價(jià)占35.51%，負(fù)面意象評(píng)價(jià)占8.60%。通過(guò)進(jìn)一步分析，可以發(fā)現(xiàn)意象評(píng)價(jià)的城市整體空間中的分布有以下幾個(gè)特點(diǎn)。一是城市意象評(píng)價(jià)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(diǎn)；而非核心區(qū)域在城市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和功能結(jié)構(gòu)中所處地位較低，同時(shí)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(zhǎng)江、嘉陵江的南側(cè)城市意象評(píng)價(jià)明顯高于北側(cè)(圖12)。就嘉陵江兩岸來(lái)看，位于北側(cè)的北濱路負(fù)面意象路段長(zhǎng)約6km，位于南側(cè)的沙濱路-嘉濱路負(fù)面意象路段長(zhǎng)約1.5km；就長(zhǎng)江兩岸來(lái)看，位于北側(cè)的長(zhǎng)濱路負(fù)面意象路段長(zhǎng)約8.4km，位于南側(cè)的南濱路負(fù)面意象路段長(zhǎng)約2.2km。這些意象評(píng)價(jià)較低區(qū)域多集中在大型樓盤、立交橋和交通節(jié)點(diǎn)，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(duì)于大型社區(qū)與城市交通基礎(chǔ)設(shè)施的負(fù)面評(píng)價(jià)較高。3.4問(wèn)題識(shí)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(gè)方面存在的問(wèn)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(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)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(dú)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(gè)獨(dú)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(gè)獨(dú)立的路徑網(wǎng)絡(luò)，這2個(gè)意象路徑網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立，并未連接成為一個(gè)完整的系統(tǒng)；主城區(qū)的各意象區(qū)域間較為獨(dú)立，相互聯(lián)系較弱。4數(shù)據(jù)來(lái)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(lái)源和技術(shù)方法3個(gè)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