李苗裔 楊忠豪 薛峰
隨著近年來(lái)城鎮(zhèn)化率不斷提高,許多城市用地趨于飽和。城市發(fā)展不再單純追求建設(shè)速度與規(guī)模,新時(shí)期的城市規(guī)劃越來(lái)越注重以人為本和人居環(huán)境的提升[1]。2015年住房城鄉(xiāng)建設(shè)部提出大力開(kāi)展“城市雙修”工作,即“城市修補(bǔ)、生態(tài)修復(fù)”,旨在修復(fù)“城市病”,改善人居環(huán)境。然而目前城市雙修的工作多關(guān)注于山水格局、歷史文脈等宏觀層面。在街道層面的綠化提升尚停留在傳統(tǒng)規(guī)劃層面上,缺乏人本尺度[2]32。街道綠化是城市設(shè)計(jì)層面評(píng)估城市形態(tài)的重要指標(biāo),同時(shí)是居民接觸最為頻繁的城市綠化形式。街道綠化在實(shí)用功能、景觀營(yíng)建、生態(tài)效益3方面發(fā)揮的作用,是其他街道組成因素?zé)o法替代的[3]。因此,街道綠化的改善提升是城市改善人居環(huán)境品質(zhì)、完成“城市雙修”任務(wù)工作中不可忽視的一環(huán)。
關(guān)于如何提升城市街道綠化品質(zhì),使街道綠化更符合以人為本的理念,已有不少學(xué)者指出,目前中國(guó)的城市綠化常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要用于衡量平面綠量,相比之下綠視率更貼近三維綠化效果的評(píng)估[4]。綠視率(green view index, GVI)指人的視野中綠色的占比,更貼近人的視覺(jué)綠化體驗(yàn)[5]。已有研究發(fā)現(xiàn)GVI的提升在一定程度上能緩解人的壓力[6],街道GVI的提升對(duì)城市整體綠化品質(zhì)提升具有重要意義。
目前在街道綠化品質(zhì)提升研究方面,已經(jīng)積累了很多研究成果。例如,街道植物配置模式的研究[7-8],規(guī)劃布局與景觀設(shè)計(jì)方面的研究[9-10],以及基于生態(tài)效益角度的綠色街道研究等[11]。隨著新數(shù)據(jù)環(huán)境帶來(lái)的城市研究變革,研究視角逐漸從“以地為本”轉(zhuǎn)向“以人為本”[12]。街景圖片成為從人本尺度測(cè)度空間品質(zhì)的有效數(shù)據(jù)源[13-15],學(xué)者們有了較為便利的條件對(duì)街道GVI進(jìn)行大規(guī)模的測(cè)算分析[2,16],這大大拓寬了街道GVI的研究的“廣度”,同時(shí)也使進(jìn)一步結(jié)合多源數(shù)據(jù)對(duì)GVI與綠化覆蓋率等其他指標(biāo)的疊合分析成為新的研究趨勢(shì)[17-18]。Dong等[19]基于騰訊街景計(jì)算GVI,比較不同道路類型的綠化差異,并將GVI與道路參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)性分析。已有許多相關(guān)研究可以用于確定城市綠化亟須改進(jìn)的區(qū)域和位置,為城市綠化修補(bǔ)提供宏觀導(dǎo)控。但在對(duì)街道具體的綠化問(wèn)題方面缺少研究,如何有針對(duì)性地改善街道綠化設(shè)計(jì)的問(wèn)題沒(méi)有得到解決。
已有的研究多從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度研究GVI與其他指標(biāo)的相關(guān)性,較少?gòu)囊?guī)劃設(shè)計(jì)的角度切入。同時(shí)多在空間分布格局上探討街道綠化品質(zhì)的影響因素,較少由空間分布格局深入到街道尺度,對(duì)其綠化布局形式展開(kāi)研究。多源數(shù)據(jù)環(huán)境下的街道綠化測(cè)度與規(guī)劃提升策略研究,是現(xiàn)有街道綠化研究中較少關(guān)注的。
然而在街道綠化越來(lái)越重視人本尺度的背景下,必然需要針對(duì)一些街道進(jìn)行綠化修補(bǔ)。已有學(xué)者基于多源數(shù)據(jù)指出衛(wèi)星遙感尺度與人本尺度在城市空間中的差異[17]28,給出規(guī)劃導(dǎo)控方面的建議,在對(duì)比2種視角時(shí),缺少具體的街道設(shè)計(jì)層面的差異分析與規(guī)劃建議。本研究基于較微觀的街道尺度,旨在進(jìn)一步探究衛(wèi)星遙感尺度與人本尺度在綠化布局上的差異性,并提出由平面轉(zhuǎn)向三維綠化的規(guī)劃布局策略,以期助推“以人為本”的規(guī)劃導(dǎo)控的落實(shí)。
街道綠化的品質(zhì)提升可以基于衛(wèi)星遙感尺度與人本尺度之間的差異,有針對(duì)性地對(duì)一些植被覆蓋率與GVI差異顯著的典型街道進(jìn)行綠化布局研究。筆者首先基于騰訊街景數(shù)據(jù),通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法定量化精細(xì)化地計(jì)算出福州市主城區(qū)的街道GVI,以包含觀測(cè)點(diǎn)的250 m×250 m的網(wǎng)格作為研究單元[4]2,進(jìn)而將其與基于衛(wèi)星遙感影像提取計(jì)算的植被覆蓋率進(jìn)行對(duì)比分析。并結(jié)合GVI與植被覆蓋率的空間差異性進(jìn)行街道調(diào)查,總結(jié)造成差異的綠化布局特征,最終提出規(guī)劃設(shè)計(jì)提升策略,以期為城市街道更好地實(shí)現(xiàn)人本尺度綠化品質(zhì)的營(yíng)造提供支撐。
以福州市主城區(qū)為研究對(duì)象,主要包括鼓樓區(qū)、臺(tái)江區(qū)、倉(cāng)山區(qū)、晉安區(qū)和馬尾區(qū)(長(zhǎng)樂(lè)于2017年底撤市設(shè)區(qū),不納入研究范圍)。福州市位于東經(jīng)118°08′~120°31′、北緯25°15′~26°39′,屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,具有夏季高溫、冬季寒冷、全年濕潤(rùn)多雨等特點(diǎn)。福州市自然條件優(yōu)越,中心區(qū)常見(jiàn)的園林植物約300余種,其中花灌木、常綠喬木、攀緣植物等品種繁多,為福州的城市綠化提供了良好條件[20]。
福州市于2017年初被選為“城市雙修”第二批試點(diǎn)城市,針對(duì)五城區(qū)388 km2范圍的城市雙修工作由此展開(kāi),目前福州城市街道層面的風(fēng)貌提升主要關(guān)注于歷史文脈,城市綠化提升層面主要關(guān)注于山水關(guān)系,而對(duì)于街道綠化的集約化提升尚未明確提及。選取福州市作為研究區(qū)域,不僅由于其較好的地理區(qū)位環(huán)境,同時(shí)符合其城市環(huán)境提升的需求(圖1)。
1研究區(qū)街道分布Street distribution in the study area
2.2.1 衛(wèi)星遙感影像
衛(wèi)星遙感影像用于計(jì)算歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI),并以NDVI表征植被覆蓋率。通過(guò)地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)①獲取2016年7月27日少云的Landsat 8 OLI_TIRS軌道號(hào)119/41的衛(wèi)星遙感影像,空間分辨率為30 m。在ENVI 5.1軟件中進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正等預(yù)處理步驟。
2.2.2 街景圖片
街景圖片用于測(cè)算街道GVI。通過(guò)公開(kāi)的API接口請(qǐng)求的方式獲取騰訊街景地圖中245萬(wàn)張街景圖片,共計(jì)41 773個(gè)觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù),覆蓋整個(gè)福州主城區(qū)(圖2),通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)的方法識(shí)別出天空、道路、建筑、植物等要素。
2 GVI點(diǎn)數(shù)據(jù)Green view index point data
通過(guò)如下兩步對(duì)GVI、植被覆蓋率的空間特征進(jìn)行深入研究:1)基于街景圖片用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法自動(dòng)識(shí)別福州市主城區(qū)245萬(wàn)張街景圖片;2)根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)識(shí)別的綠量計(jì)算GVI,同時(shí)用相同月份的衛(wèi)星遙感影像計(jì)算NDVI。
2.3.1 基于街景圖片的機(jī)器學(xué)習(xí)自動(dòng)識(shí)別
對(duì)街景圖片GVI的識(shí)別基于機(jī)器學(xué)習(xí)分割網(wǎng)絡(luò)工具(SegNet)提取圖像特征[21],將圖像中的像素點(diǎn)分類為天空、道路、建筑、植物等要素,計(jì)算每張圖片中綠化要素所占的比例(圖3),同一觀測(cè)點(diǎn)以4個(gè)方向GVI的平均值作為該點(diǎn)的GVI值[2]33。
3 基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的街景圖片模式識(shí)別技術(shù)流程[21]Technical process of street view image pattern recognition based on machine learning algorithm[21]
2.3.2 歸一化植被指數(shù)計(jì)算
歸一化植被指數(shù)(NDVI),也稱為植被覆蓋指數(shù),計(jì)算表達(dá)式為:
NDVI=(NIR–R)/(NIR+R), (1)式中,NIR即Near Infrared,是近紅外波段的反射值;R即RED,是紅光波段的反射值。
NDVI的值域?yàn)閇-1,1],負(fù)值表示云或者地面覆蓋為水、雪等;0表示有巖石或裸土等;正值表示有植被覆蓋,且隨覆蓋度增大而增大。因此,用于表征植被覆蓋率。使用預(yù)處理后的衛(wèi)星遙感影像,在ENVI 5.1平臺(tái)中計(jì)算得到NDVI,導(dǎo)入到ArcGIS中進(jìn)行裁剪、柵格轉(zhuǎn)面等處理。
以網(wǎng)格作為基本單元研究福州市主城區(qū)的GVI、植被覆蓋的空間分布情況,在ArcGIS中創(chuàng)建250 m×250 m的網(wǎng)格(已有研究指出人視線所能看到的最遠(yuǎn)距離是250 m,250 m×250 m大概符合街區(qū)尺度),保留所有包含GVI點(diǎn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)格,共計(jì)3 226個(gè)(圖4)。將各個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的GVI平均值作為該網(wǎng)格的GVI值,并以此裁剪NDVI面數(shù)據(jù),同樣將其平均值作為所在網(wǎng)格的NDVI值,最終得到附有GVI值和NDVI值的網(wǎng)格數(shù)據(jù)(圖5、6)。
4 裁剪后包含GVI觀測(cè)點(diǎn)的網(wǎng)格The cropped grid containing the green view index observation points
5 福州市GVI空間分布Spatial distribution of GVI in Fuzhou
6 福州市NDVI空間分布Spatial distribution of NDVI in Fuzhou
結(jié)果顯示,G V I與N D V I在空間分布特征上存在較為明顯的差異。二環(huán)內(nèi)大部分區(qū)域G V I可以達(dá)到1 9%~2 8%,形成“二環(huán)內(nèi)較高,二環(huán)外遞減”的“核心-邊緣”結(jié)構(gòu)。僅三環(huán)沿線靠近山體的部分區(qū)域出現(xiàn)高值。與之相反,N D V I普遍存在“街道低,山體與城郊高”的現(xiàn)象,呈現(xiàn)自外圍向中心遞減的趨勢(shì)。三環(huán)內(nèi)大部分街道區(qū)域?yàn)榈椭脖桓采w區(qū),僅二環(huán)、三環(huán)的西側(cè)與北側(cè)部分街道植被覆蓋較高,N D V I值在0.1 8~0.3 2。高植被覆蓋區(qū)主要分布在三環(huán)外的自然生態(tài)環(huán)境較好的山體附近,如鼓嶺、鼓山、妙峰山等,以及城郊的快速路段,這些區(qū)域NDVI值多在0.32以上。
為更加精細(xì)地了解GVI與NDVI的數(shù)值分布情況,按5%的梯度劃分GVI為不同等級(jí)(圖7),GVI水平整體維持在0~30%,占網(wǎng)格樣本總數(shù)的87.1%。根據(jù)統(tǒng)計(jì),福州市主城區(qū)GVI的平均值為18.10%,且GVI在10%~20%內(nèi)的樣本量最多。按0.05的梯度劃分NDVI為不同等級(jí)(圖8),NDVI水平整體維持在0~0.25,占網(wǎng)格樣本總數(shù)的78.0%。福州市主城區(qū)NDVI的平均值為0.18,且NDVI越低其所占的樣本量越大,以低值分布為主。
7 不同GVI等級(jí)的網(wǎng)格數(shù)Number of grids of different GVI levels
8 不同NDVI等級(jí)的網(wǎng)格數(shù)Number of grids of different NDVI levels
進(jìn)一步探究GVI、NDVI的分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)目前福州市綠化品質(zhì)待提升的街道多存在于一些城中村等基礎(chǔ)設(shè)施滯后的區(qū)域,而通常發(fā)展較好地區(qū)的街道綠視率也相對(duì)較高,這反映出街道GVI的提升一般與城市片區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平有關(guān),經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好的片區(qū)其GVI也較高。
3.1的分析結(jié)果表明人本尺度下與衛(wèi)星遙感尺度下的街道綠化品質(zhì)測(cè)度結(jié)果存在較大差異。在街道綠化越來(lái)越重視以人為本的背景下,如何由傳統(tǒng)的綠化評(píng)估測(cè)度向人本尺度轉(zhuǎn)型是當(dāng)前的重要問(wèn)題。為更有針對(duì)性地開(kāi)展街道綠化品質(zhì)提升,篩選出GVI與NDVI差異較大的兩類網(wǎng)格:NDVI低而GVI高的網(wǎng)格,以及NDVI高而GVI低的網(wǎng)格。前者包含了衛(wèi)星遙感尺度下品質(zhì)較差,而人本尺度下街道品質(zhì)較好的街道;后者包含了衛(wèi)星遙感尺度下品質(zhì)較好,但人本尺度下品質(zhì)較差的街道(圖9、10)。
9 NDVI低而GVI高的網(wǎng)格Grids with low NDVI and high GVI
10 GVI低而NDVI高的網(wǎng)格Grids with low GVI and high NDVI
結(jié)果顯示,福州市主城區(qū)GVI與NDVI空間差異性的分布格局為:GVI高而NDVI低的區(qū)域較多,主要分布在三環(huán)內(nèi)以及馬尾區(qū)建成區(qū)。GVI低而NDVI高的區(qū)域僅少數(shù)零散分布在三環(huán)內(nèi),而在三環(huán)外多沿快速路段呈線形分布。
結(jié)合分布位置與調(diào)查,可將GVI高而NDVI低的街道分為8類:1)自然風(fēng)景區(qū)附近的部分路段,例如蓮花山風(fēng)景區(qū)附近的萬(wàn)壽路以及鼓山附近的福馬路,雖然某些路段植被覆蓋低但周邊環(huán)境好;2)河流水系附近路段,例如白馬河沿線的白馬路、晉安河沿線的晉安路和六一路以及閩江兩岸的江濱西大道和倉(cāng)前路等,河流水系的沿岸綠化可能是周邊路段GVI高的原因;3)靠近公園的路段,例如西二環(huán)北路臨近左海公園,洪灣路臨近金山公園;4)學(xué)校周邊路段,例如福建農(nóng)林大學(xué)北側(cè)的淮安路、至誠(chéng)學(xué)院路段。校園內(nèi)的綠化環(huán)境可能對(duì)內(nèi)部及周邊路段的GVI提高有影響;5)工業(yè)區(qū)路段,例如福興投資區(qū)路段和羅星中路等;6)主干道路段,例如金山大道、則徐大道、鼓屏路等;7)施工篷布影響路段,通過(guò)街景調(diào)查發(fā)現(xiàn):一些路段的NDVI不高而GVI高,可能受到綠色的施工篷布的干擾;8)其他,GVI的影響因素往往是多方面的,在調(diào)研過(guò)程中,一些路段沒(méi)有特別明顯的主導(dǎo)影響因素,歸至此類。
GVI低而NDVI高的區(qū)域較少且分布零散,僅隧道路段呈較連續(xù)的線形。主要分布于以下8類路段。1)有高差的路段,高架橋或是周邊是下沉式的公園綠化;2)農(nóng)田旁的路段,周邊植被覆蓋較好,但街道綠化設(shè)施不完善;3)兩側(cè)圍擋的路段;4)空間狹窄的路段,與兩側(cè)圍擋的路段類似,通常一側(cè)建筑一側(cè)實(shí)墻;5)建設(shè)施工路段,一般其周邊環(huán)境較好,但道路的建設(shè)施工降低了觀測(cè)點(diǎn)的GVI;6)靠近入口的路段,一些公園入口處,例如金山公園入口;7)隧道,因隧道位于山體,NDVI高而GVI低符合常理;8)其他,調(diào)研時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的主導(dǎo)影響因素。
通過(guò)探究2種視角下綠化評(píng)估結(jié)果差異較大的街道布局形式,有助于探究影響GVI的消極因素與積極因素,從而提出對(duì)應(yīng)的規(guī)劃提升策略,在一定程度上為城市街道下一步的綠化修補(bǔ)與人本化轉(zhuǎn)型提供參考,實(shí)現(xiàn)更加集約的街道綠化品質(zhì)提升。
為進(jìn)一步由空間分布格局深入到街道尺度,對(duì)街道綠化布局形式展開(kāi)研究。根據(jù)空間位置,將NDVI的平均值附到由主次干道生成的地塊上(圖11),同時(shí)與GVI觀測(cè)點(diǎn)結(jié)合進(jìn)行可視化,可以更加直觀地觀察衛(wèi)星遙感尺度與人本尺度在街道層面上的差異。在此基礎(chǔ)上疊加3.2的兩類網(wǎng)格,并篩選出NDVI與GVI差異顯著的部分典型街道(圖12、13)。
11 地塊尺度的NDVI可視化結(jié)果NDVI visualization results at the plot scale
12 NDVI高而GVI低的典型街道Typical streets with high NDVI and low GVI
13 NDVI低而GVI高的典型街道Typical streets with low NDVI and high GVI
主要將街道分為兩類進(jìn)行調(diào)研:NDVI高而GVI低的街道、NDVI低而GVI高的街道。調(diào)研發(fā)現(xiàn):1)NDVI高而GVI低的街道,多為單幅路或沒(méi)有綠化帶的雙幅路,空間特征為實(shí)墻遮擋、道路高差、基礎(chǔ)設(shè)施落后以及臨街入口開(kāi)敞等,可分為高差型、圍擋型、開(kāi)敞型(表1)。2)NDVI低而GVI高的街道,多呈現(xiàn)出行道樹(shù)高大、設(shè)有綠化帶、設(shè)有街旁綠地或地塊附屬綠地景觀較好等特征,可分為窄巷型、綠帶型、環(huán)境型(表2)。
表1 NDVI高而GVI低的街道調(diào)研Tab.1 Survey of streets with high NDVI and low GVI
表2 NDVI低而GVI高的街道調(diào)研Tab.2 Survey of streets with low NDVI and high GVI
基于GVI與NDVI在空間分布與街道空間特征上呈現(xiàn)出的差異,可以更直觀地看到,衛(wèi)星遙感尺度的綠化品質(zhì)測(cè)度更多關(guān)注于平面,而人本尺度下更關(guān)注于綠化的立面效果。
NDVI與GVI分別代表了平面綠量與三維綠量。在城市發(fā)展越來(lái)越注重人本尺度的背景下,對(duì)街道綠化品質(zhì)的要求也從平面到立體。對(duì)于NDVI高而GVI低的街道,需要提高三維綠量,即提高其GVI。與單純?cè)黾悠矫婢G量投入相比,通過(guò)規(guī)劃設(shè)計(jì)手段提升三維綠量能使得綠化資源得以更高效的配置與更為集約的利用,且能最大程度上提升綠化帶給人的滿意度與獲得感。街道是居民最常使用的城市空間,街道綠化的“城市修補(bǔ)、生態(tài)修復(fù)”更加需要向人本尺度轉(zhuǎn)型。
本研究基于街景數(shù)據(jù)與衛(wèi)星遙感影像,利用傳統(tǒng)遙感解譯與機(jī)器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合的方法,對(duì)福州市主城區(qū)街道的GVI與NDVI進(jìn)行了測(cè)度。從衛(wèi)星遙感尺度與人本尺度存在差異的角度,以規(guī)劃設(shè)計(jì)響應(yīng)為落腳點(diǎn),分析不同綠化布局對(duì)GVI的影響,并總結(jié)影響三維綠量的消極因素與積極因素,一定程度上更好地解釋與回應(yīng)了不同評(píng)估尺度的街道綠化的差異(圖14)。為提高人本尺度下的街道綠化品質(zhì),基于上述空間分布特征與空間差異性的分析,筆者提出以下街道綠化品質(zhì)集約化提升的策略:1)城市街道應(yīng)通過(guò)減少實(shí)墻圍擋、營(yíng)造街旁休憩空間等方式提升沿街的景觀滲透性,并增加對(duì)街道高差變化處綠化修補(bǔ)的關(guān)注;2)在城市設(shè)計(jì)中應(yīng)注重地塊臨街入口、臨街綠地的景觀設(shè)計(jì);3)下階段在補(bǔ)足經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的街道GVI缺陷同時(shí),應(yīng)加快完善經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),重視經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)內(nèi)及與經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)交界處GVI的提升,從而提升城市街道綠化的連貫性與均衡性,最終提升城市街道整體的綠化品質(zhì)。
14 不同視角下的綠化品質(zhì)差異Differences in greening quality from different perspectives
值得一提的是,蘆原義信在《街道的美學(xué)》中,也曾提到立面細(xì)節(jié)對(duì)于街道環(huán)境美觀的影響[22]。下階段在針對(duì)街道綠化進(jìn)行城市雙修的過(guò)程中,可以通過(guò)不同視角下的街道綠化空間差異性找出現(xiàn)有不足的街道綠化空間,對(duì)立面空間進(jìn)行改造,從而提高路側(cè)綠化的可見(jiàn)性與可接觸程度。
本研究也存在以下不足:1)本研究采用的街景圖片來(lái)自街景采集車,與行人及行車對(duì)街景的實(shí)際觀察視角存在些許差別;2)在探討GVI、植被覆蓋的空間分布時(shí),本研究以街區(qū)尺度作為參考來(lái)選擇研究統(tǒng)計(jì)單元(250 m× 250 m網(wǎng)格),統(tǒng)計(jì)過(guò)程中結(jié)果精細(xì)度可能受街區(qū)附近路段影響。因而未來(lái)還需要對(duì)研究方法與技術(shù)進(jìn)行發(fā)展創(chuàng)新,以便提供更好的技術(shù)支撐,展開(kāi)更為準(zhǔn)確和深入的規(guī)劃設(shè)計(jì)響應(yīng)研究。
注釋(Note):
① 地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)網(wǎng)址:http://www.gscloud.cn/。
圖表來(lái)源(Sources of Figures and Tables):
圖1~2、4~13由作者繪制,底圖來(lái)自2019年高德地圖開(kāi)放數(shù)據(jù)(阿里地圖選擇器)網(wǎng)址:http://datav.aliyun.com/tools/atlas/#&lat=30.316551722910102&lng=106.688986 66525284&zoom=3.5;圖3引自參考文獻(xiàn)[21],圖14截取自百度地圖(2017年6月);表1~2由作者繪制。