李鹍 薛麗蓮 / LI Kun, XUE Lilian

城市風(fēng)環(huán)境的影響因素較多，從大的環(huán)境范圍來(lái)講，風(fēng)環(huán)境會(huì)受周圍山體、湖泊、地形以及季節(jié)的影響；從城市規(guī)劃的角度來(lái)講，影響風(fēng)環(huán)境的因素主要有兩個(gè)層面：一是城市地塊的總?cè)萘亢腕w量，包括建筑密度、容積率和平均高度，二是城市街區(qū)的空間形態(tài)特征，包括圍合度、錯(cuò)落度和最大高度（張濤 等，2017）。因此，關(guān)于城市風(fēng)環(huán)境的研究難度較大，單一化處理方法很難取得效果。本文采用街景數(shù)據(jù)與圖像分割技術(shù)相結(jié)合的方法，通過(guò)定量分析，探尋街道的影像圍合度與實(shí)測(cè)風(fēng)速的關(guān)系。

1 街景及城市風(fēng)環(huán)境的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 城市街景

街景作為新型的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放數(shù)據(jù)源，國(guó)內(nèi)外街道視覺(jué)領(lǐng)域都以此為基礎(chǔ)開(kāi)展了相關(guān)研究。在我國(guó)目前的研究中，唐靜嫻等（2016）利用街景圖片研究了街道空間品質(zhì)的智能評(píng)價(jià)；劉星等（2018）利用百度街景地圖為城市公共空間的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)和居民的戶外行為研究提供數(shù)據(jù)支持，做出了街景地圖對(duì)街道活力分析的適用性研究。國(guó)外學(xué)者的研究也比較成熟，大部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源為谷歌（Google）街景。LI等（2015）利用谷歌街景對(duì)曼哈頓東村的綠化水平進(jìn)行了評(píng)價(jià)，提出改進(jìn)的綠地景觀指數(shù)，并與植被覆蓋度進(jìn)行比較，評(píng)價(jià)街道綠地的空間分布；LI等（2017）研究改進(jìn)的街景分析工具，有助于更好地理解市民與城市建成環(huán)境的相互作用，并使用谷歌街景評(píng)估城市街道景觀；此外，還有學(xué)者借助街景圖片數(shù)據(jù)，量化分析美國(guó)5個(gè)城市連續(xù)數(shù)年的環(huán)境變化，研究其與城市經(jīng)濟(jì)變化的關(guān)系（Naik et al.，2015）。

1.2 城市風(fēng)環(huán)境

楊俊宴等（2016）通過(guò)對(duì)南京新街口的區(qū)塊劃分及測(cè)點(diǎn)的測(cè)量，得出街區(qū)或用地的建筑密度、平均高度和圍合度與其行人高度處平均風(fēng)速水平存在的線性關(guān)系，并且認(rèn)為各因素的影響程度依次為平均高度＞建筑密度＞圍合度。李瓊（2009）研究發(fā)現(xiàn)，在居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)的主要因子中，組團(tuán)室外行人高度處的平均風(fēng)速主要受首層架空率、建筑群平均高度及建筑密度的影響，而平均溫度主要受綠地率的影響。

圖1 武漢天地測(cè)量

圖3 街景數(shù)據(jù)處理過(guò)程

圖2 黎黃陂路測(cè)量

從以上文獻(xiàn)綜述中可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于街景的研究主要是從視覺(jué)領(lǐng)域提出綠地景觀指數(shù)、研究街道的活力、對(duì)街景空間品質(zhì)做出評(píng)價(jià)，以及研究街景與經(jīng)濟(jì)變化的關(guān)系等，但是關(guān)于街景與街道熱環(huán)境各類指標(biāo)之間相關(guān)性的研究還不多見(jiàn)。

2 研究對(duì)象

武漢有著悠久的歷史，其城市也是在長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展中形成的，街道呈現(xiàn)多種形態(tài)和布局混雜的形式，與北京、西安等城市規(guī)整的街道布局大相徑庭。我國(guó)最長(zhǎng)的河流長(zhǎng)江及其最大支流漢江將武漢分為武昌、漢口、漢陽(yáng)3個(gè)區(qū)域。武昌地區(qū)高校較多，且有城中湖——東湖，因此綠化區(qū)域較多；而漢口地區(qū)偏重商業(yè)發(fā)展，建筑密集，道路相對(duì)狹??；漢陽(yáng)地區(qū)則由南太子湖等數(shù)個(gè)城市湖泊圍成核心區(qū)，內(nèi)部主要功能為居住區(qū)。

武漢是夏熱冬冷氣候區(qū)的典型城市，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。由于武漢江河、湖泊眾多且地處海拔較低的長(zhǎng)江流域河谷中，因此夏季高溫高濕，使人感到悶熱潮濕，雖然絕對(duì)溫度不高，但仍被稱為“四大熱爐”之一。隨著城市化進(jìn)程的加快，建筑的高度與密度都有了極大的增加，導(dǎo)致通風(fēng)除濕更加困難，夏季也更顯炎熱，因此，改善城市通風(fēng)對(duì)于減輕武漢夏季的熱島效應(yīng)，提高熱舒適度十分重要。

本文以武漢夏季風(fēng)環(huán)境特征為基礎(chǔ)，著重探索城市通風(fēng)與圍合度的關(guān)系。研究范圍以武漢市中心城區(qū)即三環(huán)線以內(nèi)為主，屬于建筑、人口集中密集區(qū)域。選取2015～2017年的夏季作為測(cè)量時(shí)間段，共設(shè)置116個(gè)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行熱環(huán)境指標(biāo)的測(cè)量。

3 研究方法

由于城市空間具有復(fù)雜多樣的特點(diǎn)，單一的研究方法很難取得效果，因此，本研究綜合利用實(shí)地調(diào)研、實(shí)地測(cè)量風(fēng)速、圖像分割法等方法進(jìn)行研究。

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文的研究重點(diǎn)是城市風(fēng)環(huán)境與街景圍合度的關(guān)系。城市風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)方面，通過(guò)實(shí)地測(cè)量的方式，獲取城市典型空間的風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度等指標(biāo)；街景圖像數(shù)據(jù)則來(lái)自開(kāi)放數(shù)據(jù)源的百度地圖和騰訊地圖。

3.1.1 風(fēng)環(huán)境測(cè)量

在武漢市范圍內(nèi)選擇具有代表性的城市空間進(jìn)行熱環(huán)境相關(guān)氣象指標(biāo)的觀測(cè)（圖1、2）。具體做法為：（1）在2015～2017年每年的6～8月，在各測(cè)量點(diǎn)使用便攜式的氣象站進(jìn)行風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度等指標(biāo)的測(cè)量；（2）每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量時(shí)間為3天，每天的測(cè)量時(shí)間段為8:00～20:00，測(cè)量高度為行人的影響范圍，即距地約1.5m處；（3）為防止周圍固體壁面自身邊界層的影響，儀器與固體壁面保持1m以上的距離，為避免其他不可控因素的干擾，有專人在其旁邊看護(hù)；（4）測(cè)量?jī)x器主要為超聲波測(cè)風(fēng)儀、萬(wàn)向風(fēng)速計(jì)、溫濕度自記儀等；（5）風(fēng)環(huán)境指標(biāo)的測(cè)量時(shí)間間隔為1min，最終求取穩(wěn)定時(shí)間段9:00～18:00的平均值。

3.1.2 街景圖像的獲取

在測(cè)點(diǎn)街景圖像數(shù)據(jù)的獲取方面，根據(jù)GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）所測(cè)得的坐標(biāo)，將WGS84（World Geodetic System，世界大地測(cè)量系統(tǒng)）坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為百度坐標(biāo)，然后在百度地圖的全景模式中，分別選擇該測(cè)點(diǎn)90°、180°、270°和360° 4個(gè)不同角度的街景圖像。

街景圖像作為一類新型的開(kāi)放數(shù)據(jù)源，具有明確的網(wǎng)絡(luò)共享特征，有助于更加人性化地分析街道特點(diǎn)，從而分析整個(gè)區(qū)域的環(huán)境狀態(tài)。百度地圖街景的更新比較快，圖像獲取時(shí)間范圍為2014～2017年，不同街區(qū)有所不同。騰訊地圖街景的更新比較慢，通常有2013年和2015年兩個(gè)年份的數(shù)據(jù)，但是其數(shù)據(jù)覆蓋率比較高，比如江漢路步行街、楚河漢街以及漢口江灘的綠道在百度街景上沒(méi)有圖像，而在騰訊地圖上有相對(duì)較全的街景數(shù)據(jù)庫(kù)。因此，本研究在獲取數(shù)據(jù)時(shí)將兩種來(lái)源相結(jié)合，各取其優(yōu)勢(shì)。

3.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)數(shù)據(jù)搜集的過(guò)程，對(duì)風(fēng)環(huán)境及街景數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理，風(fēng)環(huán)境的處理主要是把不同年份不同時(shí)間段的風(fēng)速進(jìn)行歸一化處理，以進(jìn)行相互比較；而對(duì)街景圖像的處理，主要采用圖像分割法進(jìn)行語(yǔ)義分割，用于求取街景圍合度。

3.2.1 風(fēng)速的歸一化處理

風(fēng)環(huán)境參數(shù)采用氣象數(shù)據(jù)歸一化處理方法。根據(jù)在武漢各空間的測(cè)量，每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)時(shí)間為3天，每天的測(cè)量時(shí)段為8:00～20:00?？紤]實(shí)驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)觀測(cè)環(huán)境易受影響的情況，所有觀測(cè)點(diǎn)統(tǒng)一選擇9:00～18:00共10h的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化分析。將在測(cè)量點(diǎn)實(shí)地觀測(cè)到的3天風(fēng)環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)的平均值與武漢氣象站提供的相應(yīng)3天9:00～18:00的風(fēng)速平均值的比值作為歸一化系數(shù)，分別乘以氣象站2015～2017年6～8月共計(jì)9個(gè)月白天9:00～18:00風(fēng)環(huán)境相應(yīng)指標(biāo)的平均值，該結(jié)果即為各測(cè)點(diǎn)相對(duì)于武漢氣象站2015～2017夏季測(cè)量值的歸一化值（ZHANG et al.，2018）。

3.2.2 街景圖像處理

將獲取的武漢夏季測(cè)點(diǎn)的街景圖像導(dǎo)入segnet①圖像分割法在線平臺(tái)，進(jìn)行在線處理（圖3）。最后將處理好的街景圖片進(jìn)行結(jié)果求取，求得每一張圖片中代表天空、建筑、柱體、人、車輛元素的像素大小，進(jìn)而可以得到街道的圍合度，以及各元素比例所體現(xiàn)的不同的街道屬性。本文主要研究典型城市空間的圍合度，因此并沒(méi)有采用批量處理的方式，而是采用圖像截取軟件進(jìn)行人視選取，并進(jìn)行人工處理及計(jì)算。在研究目標(biāo)數(shù)量較少的情況下，該方法可以避免機(jī)器的識(shí)別誤差，對(duì)本研究而言更為適合。

圖4 群光廣場(chǎng)測(cè)點(diǎn)4個(gè)角度的街景圖像（左）及處理后圖像（右）

圖5 群光廣場(chǎng)各元素比例

在街景圖像中，天空、樹(shù)木、建筑、柱體、人、車輛等12種元素最能代表街道的特點(diǎn)，通過(guò)圖像分割法將這些元素進(jìn)行區(qū)分，進(jìn)而可以透視出不同街道的景觀個(gè)性及其空間分布特征，量化分析不同街道的屬性。比如，群光廣場(chǎng)的街景圖像經(jīng)過(guò)分割法處理之后（圖4），可得出天空、建筑、樹(shù)木、柱體、人、車輛元素的平均值（表1）。將天空比率定義為街道天空的開(kāi)敞度；將樹(shù)木、建筑、柱體、車輛和人的占比作為該點(diǎn)界面的圍合度。經(jīng)計(jì)算，群光廣場(chǎng)的開(kāi)敞度為14.67%，圍合度為61.45%。

根據(jù)街景元素的不同比例，將2015～2017年夏季的所有測(cè)點(diǎn)分為3種類型：以樹(shù)木要素為主的街道、以建筑要素為主的街道和以天空要素為主的街道。根據(jù)群光廣場(chǎng)各元素占比情況（圖5），其建筑像素占比達(dá)到61%，因此，群光廣場(chǎng)是以建筑像素為主的空間屬性。

4 數(shù)據(jù)處理與分析

LI等（2017）認(rèn)為街道天空的可視開(kāi)敞性（openness of streetcanyon）是研究城市小氣候、空氣污染遷移和人們對(duì)環(huán)境的感知的重要參考。在城市中，風(fēng)速大小與天空可視開(kāi)敞性和視野圍合度有較大關(guān)系，一般而言，開(kāi)敞性越大，視野越廣闊，風(fēng)速越大。而圍合度與開(kāi)敞度是兩個(gè)相對(duì)的概念，由此可推理出，圍合度越大的街道可能風(fēng)速越小，對(duì)減輕熱島效應(yīng)、降低空氣污染越不利。街景圍合度表現(xiàn)的是除天空之外的建筑、柱體、樹(shù)木、人、車輛對(duì)街道的圍合感。

表1 群光廣場(chǎng)測(cè)點(diǎn)4個(gè)不同角度圖片的元素的像素大小及平均值

本研究共選取了116個(gè)典型城市空間，每個(gè)空間選取4張不同角度的街景圖像，總共464張。每個(gè)城市空間進(jìn)行了3天的風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)測(cè)量，在這些數(shù)據(jù)中，有些是屬于無(wú)序和離散的無(wú)效數(shù)據(jù)，因此在做圍合度與風(fēng)速歸一值相關(guān)性分析時(shí)應(yīng)該去掉，從而避免復(fù)雜的城市空間干擾。

4.1 統(tǒng)計(jì)分析流程

對(duì)夏季所有測(cè)點(diǎn)的圍合度與風(fēng)速歸一化值進(jìn)行相關(guān)性分析（圖6），可以看出圍合度與風(fēng)速的關(guān)系呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的趨勢(shì)，但是在趨勢(shì)線附近有較多離散點(diǎn)，因此其相關(guān)性分析中，=0.0719，顯示圍合度與風(fēng)速歸一化值的關(guān)系較弱。另一方面，根據(jù)2015～2017年夏季116組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，相伴概率值p=0.004＜0.05，兩個(gè)數(shù)據(jù)之間存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。因此，在下一步研究中，將著重分析對(duì)兩個(gè)數(shù)據(jù)相關(guān)性產(chǎn)生干擾的空間類型。

4.1.1 以樹(shù)木要素為主的綠地公園類測(cè)點(diǎn)的干擾分析

圖7 夏季圍合度與風(fēng)速的關(guān)系（去除公園類的測(cè)量點(diǎn)）

圖8 風(fēng)速熱點(diǎn)分布

由于百度地圖及騰訊地圖沒(méi)有公園內(nèi)部的街景，因此在求取公園街景時(shí)只能選擇靠近公園的其他點(diǎn)的街景圖像，導(dǎo)致公園類街景圍合度的求取無(wú)法十分準(zhǔn)確。同時(shí)，周邊建筑立面上不同孔隙表面的圍合度對(duì)于風(fēng)速的影響也不同。比如以樹(shù)木要素為主的空間，由于樹(shù)葉間的縫隙很多，因此孔隙率高，其對(duì)于風(fēng)速的阻擋相對(duì)堅(jiān)硬的建筑表面來(lái)說(shuō)要小得多，這與以建筑要素為主的空間的風(fēng)速遮擋不同。因此，在進(jìn)行圍合度與風(fēng)速歸一值相關(guān)性分析時(shí)，由于無(wú)法計(jì)算邊界圍合度以及樹(shù)木較多帶來(lái)的高孔隙率，所有公園周圍的測(cè)點(diǎn)對(duì)相關(guān)性分析影響較大。如圖7所示，在去除公園類的測(cè)量點(diǎn)后，圍合度與風(fēng)速歸一值的相關(guān)性增加，但依然不理想。

4.1.2 以天空要素為主的開(kāi)敞度較大的干擾點(diǎn)分析

根據(jù)所有測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速熱點(diǎn)分布，部分測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速明顯大于其他測(cè)點(diǎn)，比如分布在長(zhǎng)江與漢水旁邊的開(kāi)敞度大的測(cè)點(diǎn)風(fēng)速較大，其次是分布在武昌的東湖、南湖、沙湖和分布在漢口的菱角湖公園、后襄河公園等開(kāi)敞度大的測(cè)點(diǎn)。分析其原因，上述測(cè)量點(diǎn)周邊都是武漢市面積較大的水體，空間開(kāi)敞，而水體本身溫度比較恒定，也會(huì)促使其周圍大氣邊界層產(chǎn)生空氣流動(dòng)。所以這些點(diǎn)受環(huán)境影響形成較大風(fēng)速，與空間圍合度無(wú)法形成較大相關(guān)關(guān)系，在進(jìn)一步的相關(guān)性的研究中，將取消這類城市空間。

圖9 夏季圍合度與風(fēng)速的關(guān)系（去除開(kāi)敞度大的測(cè)點(diǎn)）

圖10 夏季圍合度與風(fēng)速的關(guān)系（最終結(jié)果）

除了上述測(cè)點(diǎn)外，以天空要素為主的空間也有類似特征：開(kāi)敞度較大，圍合度與風(fēng)速的關(guān)系很微弱，其原因也與湖泊、河流等地域的測(cè)點(diǎn)類似——受空曠的地表大氣的影響。比如琴臺(tái)大劇院測(cè)量點(diǎn)靠近漢江，周邊環(huán)境較為開(kāi)闊；中海琴臺(tái)華府、月亮灣碼頭、南岸嘴江灘及臨江公園也均靠近大型水體，空間開(kāi)闊，開(kāi)敞度較大，都會(huì)對(duì)圍合度與風(fēng)速的相關(guān)性產(chǎn)生影響。如圖9所示，在去掉這些測(cè)量點(diǎn)的干擾之后，圍合度與風(fēng)速歸一值的相關(guān)性分析中，R2=0.2157，相關(guān)性顯著增加。

4.1.3 建筑密度高的測(cè)點(diǎn)的干擾分析

在分析一些離散度較高的測(cè)點(diǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，這些測(cè)點(diǎn)周圍建筑密度較高，由此形成過(guò)高的圍合度。而由于建筑密集，對(duì)風(fēng)速有較大干擾，難以進(jìn)行通風(fēng)，所以這些測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速歸一值一般較小。在這種情況下，街景圍合度與風(fēng)速歸一值幾乎毫無(wú)關(guān)系，因此需要消除這類無(wú)效點(diǎn)的干擾。

比如根據(jù)實(shí)地調(diào)研測(cè)量與百度街景的數(shù)據(jù)，可知水果湖步行街周圍建筑密度高，步行街的兩側(cè)都是建筑與樹(shù)木，來(lái)往車輛與人群密集，因此圍合度較高，水果湖步行街風(fēng)速歸一值較小。同樣，漢汽社區(qū)及司門口等周圍建筑密度也較高的測(cè)點(diǎn)，其風(fēng)速歸一值也較小。如圖10所示，在去除這類測(cè)點(diǎn)后，R2=0.7349，街景圍合度與風(fēng)速的相關(guān)性明顯增強(qiáng)。

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)上述步驟可以看到，由于城市空間的復(fù)雜性，并非所有空間其圍合度與風(fēng)速都有明顯的相關(guān)性。綠地公園類空間周圍分布著孔隙率比較高的樹(shù)木，建筑比較少，對(duì)風(fēng)的遮擋比較小，因此，風(fēng)速受街景圍合度的影響很小，且大多數(shù)綠地公園內(nèi)部并沒(méi)有街景。在一些建筑密度高的商業(yè)、居住區(qū)內(nèi)部，街景被大量建筑包圍，城市風(fēng)很難進(jìn)入內(nèi)部，這時(shí)風(fēng)速受街景圍合度的影響很小。河道兩旁或地域開(kāi)闊位置的測(cè)點(diǎn)，即開(kāi)敞度較大的測(cè)點(diǎn)一般風(fēng)速較大，在這些測(cè)量點(diǎn)，街景圍合度與風(fēng)速歸一值幾乎毫無(wú)關(guān)系。因此，在研究中去除這3類測(cè)量點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)，街景圍合度與風(fēng)速的相關(guān)性較高，=0.7349，兩者呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。同時(shí)，可以看出建筑密度較高的測(cè)點(diǎn)對(duì)街景圍合度與風(fēng)速的相關(guān)性影響最大，其次是比較開(kāi)敞的測(cè)點(diǎn)，以樹(shù)木為主的公園類測(cè)點(diǎn)雖然也有影響，但是相對(duì)比較微弱。

5 結(jié)語(yǔ)

從以上數(shù)據(jù)及分析結(jié)果可以看出，在不同類型的城區(qū)，街景圍合度與風(fēng)速的關(guān)系呈現(xiàn)出不同的相關(guān)性特征?？傮w來(lái)說(shuō)，對(duì)于城市中建筑分布均勻、開(kāi)敞度適當(dāng)?shù)膹V大空間區(qū)域，街景圍合度與風(fēng)速有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，武漢地區(qū)夏季可用關(guān)系式y(tǒng)=-0.2076x+0.8386表示。由此可以在該地區(qū)根據(jù)城市中建筑密度的分布特征來(lái)推導(dǎo)風(fēng)環(huán)境較差的區(qū)域，也可以根據(jù)某區(qū)域的風(fēng)環(huán)境要求來(lái)設(shè)計(jì)周邊空間的圍合度。這為科學(xué)規(guī)劃、改善城市通風(fēng)、提高環(huán)境熱舒適性提供了量化的研究方法。但同時(shí)也應(yīng)該考慮到該量化關(guān)系有較多的空間局限性，比如建筑密度高的城區(qū)、開(kāi)敞度大的水域、樹(shù)木較多的公園都無(wú)法使用該關(guān)系式進(jìn)行環(huán)境規(guī)劃，這也是未來(lái)研究需要更多深入思考的地方。另外，本文主要研究測(cè)點(diǎn)街景圍合度與風(fēng)速的關(guān)系，很多其他氣候指標(biāo)未考慮在內(nèi)，在以后的研究中指標(biāo)方面可以更加全面。

注釋

①Segnet是利用像素級(jí)語(yǔ)義分割的深編碼解碼器體系結(jié)構(gòu)，能識(shí)別室外天空、建筑、柱體、道路標(biāo)志、道路、人行道、樹(shù)木、標(biāo)識(shí)、圍欄、車輛、行人、自行車等12種街道要素。