傅倩，王暄，黃鈺靖，周旭

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院，湖南 長沙 410004；2.長沙學(xué)院藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，湖南 長沙 410022）

一 引言

城市色彩是在文化、歷史、社會及經(jīng)濟等眾多因素影響下形成的一種城市形象，其面貌展現(xiàn)了一個地區(qū)的地域、文化及民族特征。城市可以理解為由“形”和“色”構(gòu)成的空間，物質(zhì)的形態(tài)及色彩共同決定了城市空間的本質(zhì)。城市色彩可謂是影響城市面貌最為活躍的因素之一，是人們認識城市的最直觀感受，也是最能影響人們感知城市特質(zhì)的表現(xiàn)要素。然而，隨著城市的快速發(fā)展，在經(jīng)濟全球化、社會多元化及城市的拆遷、規(guī)劃、再建過程中受到許多外來元素影響的大背景下，城市逐漸丟失了許多傳統(tǒng)的元素。如今城市發(fā)展進入轉(zhuǎn)型期，追求打造高品質(zhì)的城市空間成為趨勢，旨在為城市居民提供更舒適的工作空間和生活空間，城市色彩問題成為城市規(guī)劃不可忽視的一個重要議題。我國關(guān)于城市色彩的研究起步較晚，20世紀末開始才在我國受到重視，相關(guān)研究也才逐漸隨之增多與深入［1-4］，對于色彩實踐也已提出許多設(shè)想，但還處于探索階段。近年來，隨著大數(shù)據(jù)的蓬勃發(fā)展，針對傳統(tǒng)色彩采集方法的缺陷，計算機方面的新數(shù)據(jù)與新技術(shù)向建成環(huán)境領(lǐng)域不斷拓展，為以往難以定量、精細化測度的要素提供了新的可能［5-6］。該視角下通過從圖片數(shù)據(jù)采集、色彩提取到最終的分析，構(gòu)建了一個可視化、可量化的色彩數(shù)據(jù)模型，為城市色彩研究提供了一個較理性客觀的分析路徑［7］。

隨著新時期我國城市建設(shè)從“新區(qū)拓展”轉(zhuǎn)向“城市更新”，在城市發(fā)展上更加重視塑造人性化、高品質(zhì)的建成環(huán)境，城市色彩在城市規(guī)劃和城市設(shè)計領(lǐng)域受到前所未有的高度關(guān)注。北京、上海、天津、廣州、青島等多個城市都先后開展了城市建筑色彩方面的導(dǎo)控實踐［8］。長沙市也于2009年制定了《長沙市城市色彩規(guī)劃》（以下簡稱《色彩規(guī)劃》）和《長沙市城市建筑色彩管理規(guī)定》，對城市建筑色彩控制和引導(dǎo)做出了有益的探索。但是，利用大數(shù)據(jù)進行城市色彩研究的文獻相對較少，本文參考前人對街景評價的研究思路，對長沙的城市色彩進行分析。在色彩提取與分析方面，則基于計算機深度學(xué)習(xí)，對長沙市市區(qū)范圍內(nèi)的街景圖像進行建筑外立面色彩可視化分析，把握長沙市主城區(qū)建筑色彩構(gòu)成現(xiàn)狀，并與2009年的色彩規(guī)劃進行比對，評測長沙市對色彩規(guī)劃的管控力度，探討長沙市城市色彩現(xiàn)狀、特點及城市色彩分析的優(yōu)化方式。

二 研究思路及數(shù)據(jù)處理

（一）研究思路

《色彩規(guī)劃》指出長沙市建筑色彩規(guī)劃適用范圍包括芙蓉區(qū)、天心區(qū)、岳麓區(qū)、開福區(qū)、雨花區(qū)5個行政區(qū)與望城縣等城市外圍區(qū)。鑒于2011年望城縣已撤縣設(shè)區(qū)，本研究將范圍選為長沙市6個市轄行政區(qū)。本研究包括圖像采集、建筑提取、主導(dǎo)色計算和建筑色彩導(dǎo)控等四個主要步驟；通過提取城市空間內(nèi)街景圖像，構(gòu)建城市色彩量化模型，對大規(guī)模的城市街景圖像進行色彩分析，對空間內(nèi)的色彩進行等分取樣，將城市空間的片段劃分為不同的抽象空間，以此模擬人眼在城市空間片段中的色彩認知；將人眼對所有色彩片段產(chǎn)生的色彩認知進行疊加，進一步研究城市的色彩構(gòu)成。

（二）數(shù)據(jù)來源及處理

1.數(shù)據(jù)來源

街景圖像數(shù)據(jù)獲取的主要步驟如下。首先，進入OpenStreetMap獲取長沙市路網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過ArcGIS對處理過的路網(wǎng)以250米為間隔進行采樣點的布點，生成采樣點11 600個，基于84坐標(biāo)系對導(dǎo)出的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在獲取到每個采樣點的百度地圖坐標(biāo)系的經(jīng)緯度后，利用Python調(diào)用百度地圖API獲得大規(guī)模街景圖像，間隔為250m，視線垂直角度統(tǒng)一設(shè)置為0°，即視線平視的角度。采樣點的水平角度分別抓取平行于道路（前、后）和垂直于道路（左、右）的4張街景視圖（圖1），每個視線方向的視角為90°。經(jīng)過校準(zhǔn)和篩選，最終爬取到的街景圖像有5 729張。

圖1 街景圖像爬取示意圖

2.圖像數(shù)據(jù)處理

在MATLAB中調(diào)用訓(xùn)練成熟的SegNet網(wǎng)絡(luò)模型進行遷移學(xué)習(xí)，對街景圖像進行語義分割，提取建筑元素，得到語義分析結(jié)果圖（圖2（2））。接著，對獲取到的建筑元素，進行基于灰度世界算法的圖像色彩校正。在規(guī)避因天氣、光線等因素造成的圖像色彩偏差基礎(chǔ)上，進行相近色彩的提取并二值化，得到以建筑為白色、其他元素為黑色的建筑灰度圖（圖2（3））。建筑灰度圖的矩陣數(shù)據(jù)由0和1構(gòu)成，其中0為黑色，1為白色。然后，將處理過的圖片基于MATLAB利用K-means聚類法進行圖片主色調(diào)的提取，將數(shù)據(jù)為1的矩陣塊填入原街景圖像（圖2（1））的色彩數(shù)據(jù)，即可得到建筑物提取結(jié)果圖（圖2（4））。將所有圖片的主色調(diào)在色彩空間中進行三維可視化，觀察城市色彩的構(gòu)成情況。

圖2 基于SegNet網(wǎng)絡(luò)模型的圖像分割

3.色彩校正及量化

為使色彩更為準(zhǔn)確，本研究采用了Photoshop中的CameraRaw進行色彩校正。在Photoshop中以CameraRaw的方式打開圖片，選取中性灰度，即RGB大致相等的灰度色彩，就可對所有圖片色彩進行統(tǒng)一調(diào)整。色彩空間被用來量化人眼可見的色彩，常見的色彩空間有RGB、HSV等。RGB色彩空間是由紅（R）、綠（G）、藍（B）三色光混合形成的色彩，能反映出色彩的冷暖構(gòu)成，常用于光柵圖形的顯示和進行色彩的色相分析。HSV色彩空間中H（Hue）為色調(diào)、S（saturation）為飽和度、V（value）為明度，本研究將選取這兩類色彩空間進行色彩量化研究。

對建筑色彩的取色，基于K-means聚類算法進行提取。建筑色彩的RGB像素點在色彩三維空間中呈散點，利用該算法將建筑色彩進行聚集、篩選，歸類為4類主色團，以團簇中間值作為建筑的主導(dǎo)色，則每張街景圖像可選出四個色彩點作為其主導(dǎo)色。通過MATLAB對提取出的主色調(diào)進行色彩空間的轉(zhuǎn)換，則可得到主導(dǎo)色對應(yīng)的HSV值。

借助MATLAB和ArcGIS平臺，將每張街景圖像提取出的主導(dǎo)色置于以色彩明度（V）為X軸、色彩色調(diào)（H）為Y軸及色彩飽和度（S）為Z軸的三維空間中，觀察城市色彩在HSV色彩空間中的分布情況，通過觀察色彩信息在HSV三維色彩空間中的分布來解析城市色彩的色調(diào)、明度和飽和度構(gòu)成及城市空間中主色調(diào)的分布情況，并解析長沙市主城區(qū)色彩主色調(diào)以及色彩構(gòu)成、分布情況。

三 長沙市主城區(qū)主導(dǎo)色提取

城市色彩構(gòu)成是指將每張街景圖像提取出的主導(dǎo)色置于以色彩明度（V）為X軸、色彩色調(diào)（H）為Y軸及色彩飽和度（S）為Z軸的三維空間中，觀察城市色彩在HSV色彩空間中的分布情況，對圖片主色調(diào)的數(shù)據(jù)進行色彩數(shù)據(jù)可視化。散點聚集程度說明使用程度，聚集程度越高則該色彩在城市中的使用頻率越高，就越有可能被體驗者所感知，因此通常將使用頻率高的色彩定義為城市的基因色彩。另一方面，色彩散點的聚集程度和分散程度反映固定的色彩模式。散點分散說明了該城市對城市色彩方面的管控力度不足，或在進行城市設(shè)計時缺少對城市內(nèi)建筑色彩的考慮。

（一）H、S、V數(shù)值特征分析

HSV色彩空間主要由6個色系組成，其中色調(diào)值對應(yīng)的0至30為紅色系，30至90為黃色系，90至150為綠色系，150至210為青色系，210至270為藍色系，270至330為洋紅色系。通過色彩現(xiàn)狀的色調(diào)（H）構(gòu)成圖（表1）可以看出，長沙市市區(qū)范圍內(nèi)建筑色調(diào)中紅色系占60%，黃色系占5%，綠色系占1.5%，青色系占6.5%，藍色系占24%，洋紅色系占3%，即黃紅色調(diào)（紅色系、黃色系及洋紅色系的總和）所占比重較大，比重為68%；藍綠色調(diào)（綠色系、青色系及藍色系的總和）占比較小，比重為32%。

表1 色調(diào)（H）構(gòu)成示意圖

在長沙市色彩規(guī)劃中運用了蒙賽爾色系，該色系使用字母表示色彩的色調(diào)，字母前的數(shù)字表示色差，色系主要有紅色系、黃色系、綠色系、藍色系及紫色系。在規(guī)劃中紅色系占8%，黃色系占67%，綠色系占7.3%，藍色系占9.6%，紫色系占8.1%。即黃紅色調(diào)（紅色系及黃色系的總和）占比較大，比重為75%；藍綠色調(diào)（綠色系、藍色系及紫色系的總和）占比較小，比重為25%?；谝陨戏治隹芍?，長沙市的城市色彩以黃紅色調(diào)為主要色調(diào)，與長沙市城市色彩規(guī)劃中的色調(diào)構(gòu)成基本相符，在色調(diào)構(gòu)成上滿足規(guī)劃中“碧水紅城”的色彩定位。

長沙市色彩的明度構(gòu)成現(xiàn)狀有以下特點：明度在0.1至0.2之間的色彩點數(shù)量占比最大，比重為31%，色彩點的數(shù)量隨著色彩明度的增高而減少，說明長沙市色彩的明度均較低，低于明度0.6的色彩點占90%。在長沙市色彩規(guī)劃中，明度主要集中在0.4至0.7之間（表2）。

表2 明度（V）構(gòu)成

通過以上分析可以看出，從現(xiàn)狀而言，長沙市色彩的明度均偏低，與城市色彩規(guī)劃不相吻合。但該分析結(jié)果與實際存在一定偏差，偏差主要源于街景圖像中的建筑存在受光面和背光面。在進行圖片色彩校正的前提下，建筑背光面的明度仍然會低于受光面。因此，在色彩聚類中提取主導(dǎo)色會對色彩明度產(chǎn)生影響。另一方面，長沙市色彩飽和度構(gòu)成現(xiàn)狀的主要特點為：城市色彩的飽和度均較低，其中飽和度小于0.1的色彩點占比最大，比重為48%，飽和度越高色彩點占比越少。該分析結(jié)果與城市色彩規(guī)劃要求較一致，城市以低飽和度的色彩為主，高飽和色彩作為點綴，長沙市打造了素雅的城市色彩形象。

表3 飽和度（S）構(gòu)成

（二）雙數(shù)值特征分析

在進行長沙市色彩的雙數(shù)值特征分析時，本研究以S-H散點分布圖（圖3）、S-V散點分布圖（圖4）及V-H散點分布圖（圖5）為可視化載體研究和探討長沙市的基因色彩類型及特點?；赟-H散點分布圖中散點在H軸上的聚集程度，可觀察到長沙市的基因色主要有四類，即H值為0.1-0.12、0.45-0.48、0.6-0.63及0.95-0.98范圍內(nèi)聚集的四簇色彩點，其色彩飽和度在0.1-0.7的范圍之內(nèi)。基于S-V散點分布圖的散點分布情況可觀察到，隨著色彩明度的增加，色彩散點數(shù)量減少的同時色彩飽和度也逐漸降低，色彩明度主要聚集在0-0.3的范圍之內(nèi)?；赩-H散點分布圖中散點的分散程度及聚集程度，可觀察到藍綠色系的色彩點較分散，黃紅色系的色彩點較聚集，說明長沙市在進行色彩管控時對黃紅色系的色彩規(guī)劃管控較嚴格。

圖3 S-H散點分布圖

圖4 S-V散點分布圖

圖5 散點V-H分布圖

長沙市色彩散點在三維空間中分布較集中，呈現(xiàn)出較明顯的以黃紅色系為主的色彩特征，與長沙市城市色彩的規(guī)劃定位和目標(biāo)相符合，說明長沙市在近10年來對城市的整體色彩進行規(guī)劃時基本落實了城市色彩規(guī)劃中的內(nèi)容，對城市的主要色調(diào)進行了有效的管控和統(tǒng)一。

四 典型空間主導(dǎo)色分析

（一）商業(yè)空間基因色彩分布

在商業(yè)性空間方面本文選取了主城區(qū)內(nèi)具有代表性的五一商圈和梅溪湖商圈進行典型色彩分析，兩個商圈內(nèi)的建筑風(fēng)格以現(xiàn)代簡約為主，就整體而言基因色分布均是以藍色系為主色調(diào)?？紤]商圈內(nèi)建筑外立面廣泛使用玻璃幕墻，增加了藍色系色彩點的數(shù)量。除此以外，紅色系也被較多使用，多出現(xiàn)在廣告宣傳牌或店鋪標(biāo)識上。底層商業(yè)外立面則以色彩明度較低的黃色系為主。

（二）街道色彩分析

在道路空間方面本文選取了黃興中路、坡子街和太平老街三條老街作為色彩分析樣本，建筑風(fēng)格以傳統(tǒng)建筑為主。通過計算，黃興中路的色彩點分布主要呈現(xiàn)出在縱軸（H軸）上聚集的三簇色彩散點，其閾值分別為0至0.15、0.5至0.7、0.9至1，色相值的最大跨度為0.2；橫軸（V軸）的閾值為0至0.8，色彩大量集中在小于0.3的區(qū)域。黃興中路中的色彩以低明度色彩為主、高明度色彩為輔，采用的色系有三種，分別為藍色系、紅色系和黃色系。

坡子街的色彩散點分布主要呈現(xiàn)為色彩點在縱軸（H軸）上聚集的兩簇色彩散點，其閾值范圍為0至0.2、0.5至1，色相值的最大跨度為0.5，主要呈現(xiàn)出藍色系和黃色系的色調(diào)，以黃色系為主，藍色系為輔；橫軸（V軸）的閾值為0至1，其中有較多色彩點聚集的范圍為0至0.4，說明坡子街中的色彩明度有高有低，色彩明度覆蓋范圍廣。太平老街的色彩散點分布主要呈現(xiàn)為色彩點在縱軸（H軸）上聚集的三簇色彩散點，其閾值范圍分別為：0至0.15、0.6至0.78、0.9至1，色相值的最大跨度為0.18，色系表現(xiàn)為以黃紅色系為主，藍色系為輔；橫軸（V軸）的閾值為0至0.9，其中色彩點大量集中在0至0.3的范圍內(nèi)，太平老街中色彩的明度構(gòu)成以低明度色彩為主，高明度色彩為輔。

表4 商業(yè)空間基因色分布情況

五 結(jié)論與建議

（一）基于數(shù)字化研究的長沙市主城區(qū)色彩空間分布特征

本研究利用街景數(shù)據(jù)和機器學(xué)習(xí)，對長沙市主城區(qū)內(nèi)的建筑色彩點信息進行了可視化分析。長沙市主城區(qū)城市色彩的色調(diào)以黃紅色調(diào)為主，色彩的飽和度均為低值，呈現(xiàn)以低飽和度色彩為主、高飽和度色彩為點綴的特點。色彩的明度整體偏低，主要聚集在0-0.3的范圍之內(nèi)。以《色彩規(guī)劃》為依據(jù)，目前長沙市整體色調(diào)基本與規(guī)劃相吻合，但色彩明度低于規(guī)劃中0.7的要求，說明了城市內(nèi)色彩偏暗的現(xiàn)狀。

通過對長沙市建筑色彩的提取進行分析，長沙市內(nèi)黃紅色調(diào)主要運用于居住建筑、低層商業(yè)及傳統(tǒng)型商業(yè)街區(qū)的建筑外立面中，藍綠色調(diào)主要運用于現(xiàn)代型商業(yè)的高層建筑和底層商業(yè)建筑的立面中，色彩來源主要為建筑外立面的大面積玻璃幕墻反光產(chǎn)生的藍綠色系的光線。同時，在研究中發(fā)現(xiàn)，部分案例空間中，同一空間內(nèi)出現(xiàn)涉及多個色系色彩使用的現(xiàn)象，沒有形成主次，導(dǎo)致空間內(nèi)出現(xiàn)建筑色彩混亂的情況（圖6）。

圖6 現(xiàn)代商業(yè)區(qū)建筑街景圖

由此可以看出，良好的色彩環(huán)境主要與空間中色彩的色相跨度及色彩明度相關(guān)。同一街道空間內(nèi)的色系應(yīng)以一種色調(diào)為主，主要色調(diào)的色相跨度范圍也不宜過大，宜取同一色調(diào)組團內(nèi)的顏色互為色調(diào)調(diào)和，且應(yīng)盡量控制在0.2之內(nèi)，保持空間內(nèi)色彩的一致性。同時，應(yīng)盡量控制輔助色調(diào)的空間布局，如廣告牌的位置、店鋪的名稱標(biāo)識等，降低輔助色調(diào)對空間色彩產(chǎn)生的影響。應(yīng)保證色彩明度以高明度色彩為主，尤其是在街道寬度較小的街道空間內(nèi)。高明度色彩具有空間膨脹效果，為較狹窄的街道空間營造更好的體驗效果。

（二）基于數(shù)據(jù)分析平臺的色彩數(shù)據(jù)分析及可視化應(yīng)用探討

人本視角下的城市建筑色彩分析與評估，一直是構(gòu)建城市色彩總譜、建立城市色彩庫、劃定城市主導(dǎo)色和色彩基調(diào)等城市設(shè)計工作中的核心內(nèi)容［8］。本文利用MATLAB深度學(xué)習(xí)工具箱中遷移學(xué)習(xí)的功能，進行基于SegNet語義網(wǎng)絡(luò)的圖像語義分割；利用其中的K-means算法對色彩數(shù)據(jù)進行色彩聚集和提取，并對聚集色彩進行疊加及可視化，從而得出長沙市城市建筑色彩的結(jié)構(gòu)。同時，通過ArcGIS軟件將色彩點的空間位置與特征進行可視化呈現(xiàn)，直觀地反映了長沙市主城區(qū)色彩分布的情況?；诮志皵?shù)據(jù)和機器學(xué)習(xí)的城市色彩評估，解決了以往建筑色彩分析拘泥于手工小樣本采集，難以大范圍運用的問題。但是，街景圖片的拍攝受到時間、季節(jié)、光線以及街道綠植干擾等因素的影響，由此產(chǎn)生的光影、色偏、建筑反光燈效果均不相同，導(dǎo)致獲取到的街景圖像之間存在較大的色彩差異，在對建筑色彩進行顏色聚類提取的時候會與實際的色彩效果產(chǎn)生偏差。因此，在往后的研究中應(yīng)發(fā)掘和引入更好的圖像色彩偏差校正方法，力求減少獲取的數(shù)據(jù)與實際街景之間的誤差。

（三）優(yōu)化建議

本研究主要對長沙市主城區(qū)的主色調(diào)及代表區(qū)域的色彩進行了提取分析，嘗試將主觀感受轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)表達，并使用統(tǒng)一的數(shù)字化色彩表達語匯，賦予城市色彩以地理空間屬性，以探討長沙市主城區(qū)的建筑色彩分布特征。本文沒有評判建筑色彩使用的優(yōu)劣，也未探究市民對于城市色彩的喜好程度。但是，伴隨著品質(zhì)化城市更新的不斷推進，城市色彩的研究越來越被人們所重視，大眾對城市的個性以及特色的要求也越來越高。因此，未來應(yīng)依托計算機技術(shù)，優(yōu)化評價手段，重視主客合一的思維方式，基于城市自身的文化基因特色，探討一套更完整、更直觀的色彩評價體系。這不僅能為城市色彩規(guī)劃提供一個更精準(zhǔn)的量化標(biāo)準(zhǔn)，還能因地制宜地營造出具有不同性格特點的街道空間；既使城市色彩能符合城市特色發(fā)展的需求，同時也能滿足體驗者的心理需求。除此之外，在未來的城市規(guī)劃中，應(yīng)針對建筑材料、建筑外觀的色彩屬性特征提出具體的控制要求，同時加強項目審批階段的色彩監(jiān)管及建筑色彩日常維護、更新管理方面的制度建設(shè)，才能使整體色彩品質(zhì)能夠長期維持下去，并維護良好的城市色彩形象。