吳莞姝 馬子迎 郭金函 趙 凱

活力是城市內(nèi)部的原始動力，能綜合體現(xiàn)城市的發(fā)展質(zhì)量[1]。充滿活力的空間可以激發(fā)人類活動，促進社會交流與互動，增強居民的安全感與歸屬感[2]。街道活力是城市活力的重要體現(xiàn)，是提供可持續(xù)且以人為本的公共空間的關(guān)鍵[3]。街道活力可通過設(shè)計手段進行營造[4-5]。既有研究證實，功能組合、開發(fā)強度、可達性、商業(yè)設(shè)施、景觀等環(huán)境要素可以有效增強街道活力[6-7]。

然而，多數(shù)研究預(yù)設(shè)建成環(huán)境與街道活力為線性關(guān)系，忽略了可能存在的非線性關(guān)系。線性假設(shè)容易過度簡化或錯誤估計建成環(huán)境與街道活力之間的復(fù)雜關(guān)系[8]。例如，雖然開發(fā)強度可以提升街道活力，但過度密集的建筑反而抑制活力[9]。非線性關(guān)系的探索有助于細化不同取值范圍內(nèi)環(huán)境要素影響的差異。雖有少量研究針對居民行為與建成環(huán)境之間的非線性關(guān)系展開探索[10]，但對于街道活力的直接研究還較少。

建成環(huán)境是一個復(fù)雜系統(tǒng)，包含多元要素。這些要素除了直接作用于街道活力外，相互之間也會產(chǎn)生交互效應(yīng)。2個環(huán)境要素的組合會在一定程度上放大或縮小對于被解釋變量的影響[8]。例如，中心性較高的街道兩側(cè)往往建設(shè)寫字樓、商場等中高層建筑，然而中低層建筑與較高中心性交互作用，可以引發(fā)街道上更多的經(jīng)濟活動[11]。明晰環(huán)境要素的交互效應(yīng)可有效指導(dǎo)建成環(huán)境的綜合營造，促進街道活力的形成。

此外，不同類型建成環(huán)境對街道活力的影響機制存在差異，對應(yīng)的活力提升策略也有所不同。人們在生活性街道、商業(yè)街道及就業(yè)崗位密集街道中的行為需求不同，老城區(qū)與新城區(qū)的街道肌理與空間形態(tài)也存在差異。雖已有研究從街道形態(tài)、功能類型等方面進行分類探討，但多集中在中觀尺度，選取的建成環(huán)境要素也相對單一[12]。

機器學(xué)習(xí)算法可有效解決上述問題。eXtreme Gradient Boosting(XGBoost)等機器學(xué)習(xí)模型擺脫了解釋變量對于被解釋變量線性影響的假設(shè)，為非線性關(guān)系的探討提供了多樣化工具[13]。然而，該類模型通常是黑匣子，很難解釋內(nèi)部變量。為克服這一障礙，Lundberg等提出機器學(xué)習(xí)模型解釋性工具Shapley Additive Explanation(SHAP)[14]，可準確解釋每個特征變量對于結(jié)果的貢獻度，提供全局模型和單個特征的局部解釋結(jié)論[15]。近年來，SHAP在交通、公共服務(wù)等多個研究領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

綜上，本研究以廈門島為例，使用多源大數(shù)據(jù)測度街道活力與建成環(huán)境，使用SHAP解釋XGBoost模型探索街道活力與建成環(huán)境的非線性關(guān)系。

1 建成環(huán)境影響街道活力的研究進展

1.1 街道活力的內(nèi)涵與測度

街道活力是一種場所感，需在社會背景下感知[16]，具體指人們在街道中的活動，也是居民與環(huán)境之間的相互作用[17]。

信息通信技術(shù)的發(fā)展與多源大數(shù)據(jù)的普及為街道活力的大規(guī)模與精細化測度提供了可能性，主要包括LBS數(shù)據(jù)[18]、手機信令數(shù)據(jù)[19]、社交媒體數(shù)據(jù)[20]等。這些數(shù)據(jù)包含豐富的活動信息，為街道研究提供了新的粒度和視角。

1.2 建成環(huán)境對街道活力的影響

密度、多樣性、小街區(qū)和老建筑共同作用能夠激發(fā)街道活力[16]。

一些學(xué)者通過實證探索土地利用、城市形態(tài)、可達性等環(huán)境條件對街道活力的影響，但結(jié)論存在差異[6，21]。Sun等認為高容積率和建筑密度會提高微觀尺度下的活力[22]，而Lu等發(fā)現(xiàn)密度和容積率對于不同發(fā)展階段的活力有不同影響[23]；Lin等在中觀研究中發(fā)現(xiàn)人行道設(shè)計與行人活動沒有顯著關(guān)系[24]，但Li等發(fā)現(xiàn)步行友好型街道可聚集活力[25]。

1.3 關(guān)于非線性關(guān)系的探討

既有研究多基于線性假設(shè)，容易過度簡化或誤算建成環(huán)境的真實影響，無法真正解釋環(huán)境與行為之間的關(guān)系[26]。一些變量只有在達到閾值后才具有影響力，且影響效應(yīng)會在某個閾值處達到飽和[10]。XGBoost、隨機森林、梯度提升決策樹(Gradient Boosting Decision Tree，GBDT)等機器學(xué)習(xí)算法可以有效解釋自變量與因變量之間的非線性關(guān)系及其他影響效應(yīng)，目前已應(yīng)用于多個領(lǐng)域，但針對街道活力的研究仍較少。

2 研究設(shè)計

2.1 研究區(qū)域

廈門是國家中心城市之一，以舒適的生活環(huán)境、快速的經(jīng)濟發(fā)展與繁榮發(fā)達的旅游業(yè)而聞名。廈門島是廈門市中心城區(qū)，面積約132.2km2，人口密集，環(huán)境多樣，設(shè)施完善。這里歷經(jīng)了租界、海防的歷史演變，形成了多樣化的街道形態(tài)與路網(wǎng)肌理，是探索街道活力與建成環(huán)境的典型樣本(圖1)。

圖1 研究區(qū)域

2.2 研究數(shù)據(jù)

本研究使用多源大數(shù)據(jù)展開分析，數(shù)據(jù)類型、來源、獲取時間與預(yù)處理情況詳見表1。

表1 研究數(shù)據(jù)介紹

2.3 變量介紹

1)空間單元劃分。

街道空間界定為街道兩側(cè)建筑、植物等界面所圍合的空間。由于道路交叉口會產(chǎn)生一定的空間割裂作用，因此，以道路交叉口為分隔，共劃分2 482個空間單元。

2)被解釋變量。

街道活力表現(xiàn)為街道空間在各時段進行著各類基于步行或停留的活動[4，16]。由于人們在外部空間中操作手機時一般處于停駐或慢行狀態(tài)，因此LBS數(shù)據(jù)可用于指代該類活動。計算8：00—22：00各整點街道活動強度的多日平均值，并匯總工作日和休息日的整點平均值，從而指代工作日與休息日的街道活力。

3)解釋變量。

5D理論常被用于探究建成環(huán)境對居民活動的影響，包括密度、多樣性、設(shè)計、目的地可達性和交通距離[27]。本研究提取5D的關(guān)鍵變量來測度建成環(huán)境，詳見表2。

表2 建成環(huán)境指標及計算方法

2.4 研究方法

XGBoost模型是一個開源機器學(xué)習(xí)項目，是GBDT的改進版本。模型通過加入正則項來降低復(fù)雜性，防止過擬合，并對損失函數(shù)進行二階泰勒展開，使誤差更小[28]。此外，XGBoost支持數(shù)據(jù)采樣和列采樣，在滿足計算精度的同時提高了計算速度和效率[29]。對于XGBoost這類復(fù)雜模型，無法用原始模型本身去解釋，SHAP可克服這一障礙[14]。SHAP可通過計算每個建成環(huán)境變量對模型中街道活力基值到輸出值的貢獻，從而準確量化其對活力預(yù)測的貢獻。此外，SHAP還可以提供基于所有街道的全局模型，以及單個環(huán)境變量的局部解釋結(jié)論，從而更豐富且準確地解釋建成環(huán)境對街道活力的非線性效應(yīng)。

3 結(jié)果分析

3.1 特征變量貢獻度

開發(fā)強度、街段開敞度與綠視率的貢獻度最高，街道等級、可步行性、街段長度的貢獻度較低(圖2)。開發(fā)強度總體為提升作用，而開敞度和綠視率為削弱作用。在宏觀尺度上，較高的街段開敞度與綠視率意味著稀疏的沿街建筑與功能，反而不利于提升街道活力。

圖2 特征變量的相對重要性

3.2 建成環(huán)境與街道活力的非線性關(guān)系

1)密度。當功能密度小于0.01時，影響為負；大于0.01時，影響由負轉(zhuǎn)正，此時功能密度基本滿足人群活動需求(圖3-1)。當開發(fā)強度大于2時，影響由負轉(zhuǎn)正；超過4時，影響效應(yīng)趨于穩(wěn)定(圖3-2)。

2)多樣性。當功能混合度小于0.5時，可提升街道活力，效應(yīng)在0.2時達到最大(圖3-3)。當功能混合度超過0.5時，影響由正轉(zhuǎn)負，表明功能混合度并非越高越好。該結(jié)果與功能分類有關(guān)，功能混合度的探討應(yīng)在類型與密度的前提下展開。

3)交通便利性。500m是地鐵與BRT站點影響街道活力的門檻距離。當街道與最近地鐵/BRT站點的距離小于500m時，街道活力較高；當該距離大于500m時，影響效應(yīng)幾乎為0(圖3-4)。公交站點密度的影響近似“1”字形，較為微弱，主要由于公交站點需步行可達，在空間分布上具有均質(zhì)性(圖3-5)。

4)設(shè)計。主干路活力最高，其次為支路(圖3-6)，這與廈門島土地開發(fā)模式有關(guān)。廈門島街段長度較為合理，平均203m(表1)，差異不明顯(圖3-7)。當寬高比在1～1.8時，尺度宜人，更容易集聚人群(圖3-8)。當綠視率小于0.23時，可提升街道活力(圖3-9)。過高的綠化條件意味著稀疏的街道功能，缺乏必要的公共服務(wù)設(shè)施，難以聚集大量人氣。當開敞度大于0.4時，正向效應(yīng)轉(zhuǎn)為負向(圖3-10)，其原因與綠視率相似。當可步行性大于0.02時，對于街道活力的影響基本保持穩(wěn)定(圖3-11)。

5)可達性。當距離大于1 000m時，影響幾乎為0(圖3-12)。當區(qū)位大于1 000m時，休息日比工作日表現(xiàn)出更強烈的抑制作用。當網(wǎng)絡(luò)穿行度小于5時，影響為負，表明這類街道未達到基本出行需求(圖3-13)。當網(wǎng)絡(luò)穿行度大于5時，街道一般為支路，街道活力隨其增加而提升。

圖3 建成環(huán)境指標對街道活力的非線性效應(yīng)

3.3 建成環(huán)境指標的交互效應(yīng)

計算建成環(huán)境變量兩兩之間的交互效應(yīng)，分別選擇工作日和休息日子樣本中交互作用最強的10對，分析環(huán)境變量對街道活力的影響如何隨另一個變量的變化而增大或減小(圖4)。

圖4 建成環(huán)境指標的交互效應(yīng)

有7對變量的交互效應(yīng)在工作日和休息日均排序前10。1)在開敞度較高的景觀性街道上，綠化可以吸引更多活動。當綠視率大于0.25時，二者交互效應(yīng)為負。2)隨著開發(fā)強度增大，功能越混合的街道活力越高。3)在高開發(fā)強度街道上，適當提升開敞度可有效增加空間舒適感。4)當開發(fā)強度大于2且綠視率小于0.4時，會產(chǎn)生正向交互效應(yīng)。5)區(qū)位與開發(fā)強度的同步提升可顯著促進街道活力。6)當街道位于地鐵、BRT站點周邊500m范圍內(nèi)時，開發(fā)強度的作用較強。7)當區(qū)位小于1 000m時，地鐵/BRT站點對街道活力的提升作用顯著。

此外，在工作日，當街道至最近地鐵或BRT站點小于500m時，開敞度影響較大。當綠視率小于0.25或開敞度小于0.4時，網(wǎng)絡(luò)穿行度可顯著提升街道活力。在休息日，開敞度較低的街道功能越混合，活力越高。然而，當開敞度較高時，即使提升混合也無法促進活力。距離商業(yè)中心越近的街道，功能混合度的影響也越大。

3.4 不同類型街道的活力形成機制

基于13個建成環(huán)境指標，對街道進行聚類。使用迭代鄰域聚類分析(Iterative Neighborhood Cluster Analysis，INCA)，通過INCA指數(shù)確定最優(yōu)聚類數(shù)。計算發(fā)現(xiàn)，聚5類INCA指數(shù)最高(圖5-1)，各類街道的數(shù)量見圖5-2，空間分布見圖5-3。

圖5 街道聚類結(jié)果及空間分布情況

A類街道大多分布在發(fā)展成熟的老城區(qū)及綜合居住片區(qū)。開發(fā)強度、綠視率和網(wǎng)絡(luò)穿行度顯著促進活力，而與最近地鐵/BRT站點較遠的距離(810m)是抑制活力的首要因素(圖6-1)。

B類街道主要位于筼筜湖、軟件園等行政與商務(wù)區(qū)。較高的開發(fā)強度、功能混合度及較低的開敞度可提升活力(圖6-2)。在工作日，綠視率顯著抑制活力；在休息日，距商業(yè)中心較遠(1 936m)顯著抑制活力。

C類街道主要位于工業(yè)區(qū)、物流區(qū)及會展中心等特定功能區(qū)域，開發(fā)強度較低，距離中心較遠，公共服務(wù)設(shè)施少且類型單一。開敞度(0.5)及距離地鐵/BRT站點較遠是主要限制因素(圖6-3)。

D類街道分布在廈門島邊緣地區(qū)，主要包括北部機場空港片區(qū)及東南側(cè)環(huán)島路片區(qū)，距市中心較遠，配套設(shè)施較稀疏。較高開敞度(0.5)、較低開發(fā)強度(1.4)及距離地鐵/BRT站點遠達2 000m均抑制了街道活力(圖6-4)。

E類街道主要為景區(qū)道路及景觀性街道。雖然景觀環(huán)境較好，綠視率和開敞度較高，但距離地鐵/BRT站點較遠，功能相對單一且稀疏。較高的開敞度(0.5)與綠視率(0.3)及較低的開發(fā)強度是主要抑制因素(圖6-5)。

圖6 5類街道典型案例的活力形成機制

4 討論

4.1 對街道精細化設(shè)計的啟示與建議

在城市層面上，提升開發(fā)強度是促進街道活力最有效的措施。改變街道等級和街段長度、改善可步行性對街道活力的作用有限。在用地開發(fā)充分、功能密集的街道上，即使步行環(huán)境有所欠缺，依然能聚集大量人群。與工作日相比，餐飲、娛樂、休閑、公共服務(wù)等多樣化功能為主的界面在休息日吸引力更強。

只有將建成環(huán)境要素控制在合理范圍內(nèi)才能有效提升街道活力。明確環(huán)境要素的閾值范圍可以減少街道設(shè)計中的不確定性。當開發(fā)強度大于2或功能混合度在0.2～0.5時，建成環(huán)境可激發(fā)街道活力。地鐵/BRT站點與商業(yè)中心分別對周邊500和1 000m范圍內(nèi)的街道活力促進作用顯著。當街段寬高比為1～1.8，或網(wǎng)絡(luò)穿行度大于5時，街道活力會有效提升。

改變某一環(huán)境要素會導(dǎo)致其他環(huán)境要素的影響發(fā)生變化，街道設(shè)計應(yīng)綜合考慮環(huán)境要素間的交互效應(yīng)。開發(fā)強度可加強其他要素的影響，在交互中一般處于主導(dǎo)地位。高綠視率與開敞度均抑制活力，二者交互加劇削弱活力，不宜過度增加街道兩側(cè)廣場與綠化面積，尤其在景觀性街道上，應(yīng)結(jié)合功能進行合理配置。在地鐵/BRT站點周邊500m或商業(yè)中心周邊1 000m內(nèi)的街道上，功能混合度、開敞度等對街道活力的影響被強化。

不同類型街道的活力形成機制存在差異，應(yīng)根據(jù)街道類型形成差異化的活力提升策略。功能密度與綠視率是提升老城區(qū)街道活力的主要因素。在商務(wù)辦公區(qū)，提升密度與多樣性可顯著提升街道活力。較高開敞度是抑制工業(yè)與物流園區(qū)及大型區(qū)域交通設(shè)施周邊街道活力的首要原因。對于景觀街道而言，改善交通便利性可顯著促進活力。

4.2 方法創(chuàng)新與研究意義：基于機器學(xué)習(xí)的客觀規(guī)律總結(jié)

本研究探討了一個非線性視角下的街道研究方法，對于大尺度上人與空間的關(guān)系研究具有參考意義。使用LBS數(shù)據(jù)、街景數(shù)據(jù)等基于人本尺度的多源大數(shù)據(jù)，可以大規(guī)模、精細化評估街道活力與建成環(huán)境，彌補傳統(tǒng)調(diào)查方法成本較高、時空范圍受限的不足。使用機器學(xué)習(xí)算法，不預(yù)設(shè)解釋變量與被解釋變量之間的關(guān)系，通過算法從大量數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)客觀規(guī)律，進而對新的樣本做出決策。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)了街道活力與建成環(huán)境之間的非線性關(guān)系，這為街道精細化設(shè)計的標準制定提供了有力支撐。此外，通過數(shù)據(jù)挖掘方法將街道按照環(huán)境屬性進行明確分類，提出不同類型街道的差異化設(shè)計策略，不僅在理論上為街道研究提供了以人為本的精細化、系統(tǒng)化回應(yīng)，也在實踐上加強了數(shù)據(jù)驅(qū)動下街道空間品質(zhì)提升策略的可操作性。

4.3 研究局限與未來探索

本研究存在以下局限：首先，基于廈門島得出的結(jié)果較為具體，仍需針對不同樣本進行驗證從而獲取更具普適性的結(jié)論；其次，街道活力是一個綜合概念，除活動強度外，還包含多樣性、時變特征等多方面內(nèi)涵，未來可借助生理傳感器數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、深度學(xué)習(xí)和強化學(xué)習(xí)等多源數(shù)據(jù)與前沿技術(shù)，完善關(guān)鍵變量的多維量化，將“人-時-地”信息進一步有效統(tǒng)籌，開展深層次的機制分析，從而滿足精準規(guī)劃與設(shè)計的需求。

5 結(jié)語

本研究使用多源大數(shù)據(jù)與機器學(xué)習(xí)算法，突破了傳統(tǒng)的線性假設(shè)，遵循空間活力形成的客觀規(guī)律，在城市層面考察了建成環(huán)境特征變量重要性、建成環(huán)境對街道活力的非線性效應(yīng)和交互效應(yīng)，以及不同類型街道的活力形成機制。

結(jié)果顯示，在城市層面，開發(fā)強度與空間設(shè)計對街道活力的影響最強。建成環(huán)境對街道活力的影響表現(xiàn)出非線性特征，一個變量的影響隨著另一個變量的變化會被放大或縮小。老城區(qū)、商務(wù)片區(qū)、工業(yè)與大型交通設(shè)施周邊區(qū)域及景觀性街道的活力形成機制存在顯著差異。

本研究可為政策制定者在街道設(shè)計與管理中的相關(guān)工作提供依據(jù)，輔助形成具有精細化設(shè)計標準的針對性策略，其中包括開發(fā)強度、功能多樣性、高寬比等指標的量化控制，以街道活力為導(dǎo)向的交通設(shè)施與商業(yè)中心選址，以及在資源有限的情況下，如何針對不同類型街道取得最有效的活力提升效果。

注：文中圖片均由作者繪制。

注釋：

① 極光Aurora Mobile是以開發(fā)者服務(wù)平臺、數(shù)據(jù)服務(wù)平臺、數(shù)據(jù)商業(yè)化平臺為中心的數(shù)據(jù)生態(tài)體系，監(jiān)測約145.2萬移動應(yīng)用程序端(Aps)，包括騰訊、百度、淘寶、新浪微博等主流APPs，具有較強的普及性和較廣的覆蓋性。數(shù)據(jù)采集機制包括周期性位置更新和事件觸發(fā)。