文章信息
Zhang J, Yu Z, Li Y, Wang X. Uncovering Bias in Objective Mapping and Subjective Perception of Urban Building Functionality: A Machine Learning Approach to Urban Spatial Perception. Land. 2023; 12(7):1322. https://doi.org/10.3390/land12071322 （SSCI，JCR Q2）
论文摘要
城市空间感知对人类行为和情绪反应有着重要影响，这强调了使城市空间与人类需求相一致以提高城市生活质量的必要性。然而，基于功能的城市建筑分类容易受到偏见的影响，这些偏见源于客观测度和主观感知之间的差异。这些偏见可能导致城市规划和设计无法充分满足城市居民的需求和偏好，从而对他们的生活质量和城市的整体功能产生负面影响。本研究深入探讨了城市空间中建筑功能分布的感知偏见和差异，特别关注了上海市中心城区。本研究采用机器学习来澄清城市空间感知研究中的这些偏见，采用了三部分的方法论：客观测度、主观感知分析和感知偏差评估。研究发现，商业建筑与住宅或公共建筑的分布重心之间存在显著差异。这一结果揭示了城市建筑功能的空间组织特性，为城市规划和发展提供了宝贵的参考。此外，它揭示了不同数据源和技术在解释城市空间感知方面的优点和缺点，为对该主题的更全面理解铺平了道路。我们的研究结果强调了需要制定与人类感知需求相一致的城市规划策略，从而提高城市环境的质量，促进更适宜居住和可持续的城市空间的形成。研究的启示表明，对感知需求的深入理解可以优化建筑功能分布，提高城市环境的质量。
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https://doi.org/10.3390/land12071322
研究框架
图1：研究框架
该研究的工作流程包括三个主要步骤（图1）：客观映射、主观感知和感知偏差。首先，通过使用POI映射技术结合频率比方法和反距离加权法，确定城市规模的建筑功能分布。利用现有的POI数据，根据它们的功能识别和分类不同类型的建筑。其次，通过评估建筑功能进行主观感知。本研究中的街景图像来自百度街景，被用作主观评估的工具，领域专家根据这些图像主观分类建筑。此外，还使用了预训练模型来增强对城市环境中建筑功能的感知。最后一步涉及到计算感知偏差，这量化了客观映射和主观感知之间的差异。空间聚类分析被用来识别客观和主观数据集之间建筑功能分布的差异。此外，还评估了网格结构的空间模式相似性，以确定从客观映射和主观感知得到的结果之间的一致性程度。
图2：基于建筑功能和建筑类别的POI分类——用于客观测度。
在数据验证之后，进行数据清洗；将12类POI的Excel文件转换为矢量数据，并消除原始数据中如报刊亭和公共厕所等公众认知度低的POI数据。然后，根据建筑的类型和功能对处理过的POI数据进行重新分类。按照“国家标准—土地利用现状分类（GB/T 21010-2017）”，所有的建筑功能被分为商业、公共和住宅类别。考虑到建筑类型的分类扩展到建筑的感兴趣区域（AOI），因此也需要获取研究范围内所需的建筑面积数据。最后，将所有文件的地理坐标系统转换为投影坐标系统，并将收集到的数据的空间坐标统一转换为WGS-84坐标系统，以便进行后续的整体空间结构分析。
图3：基于街景图像的视觉分类——用于主观感知。
结果
图4：物理的和感知的街道步行性结果
为了便于与主观视觉感知进行后续比较，我们参考了有关建筑立面观察的既定标准。通常情况下，人们可以在近距离（约25米）看清楚建筑的整体形状和复杂特征。相反，在较远的距离（约250米），人们的注意力主要集中在建筑的突出性和在城市环境中的空间关系上。考虑到在实际观察中，个体可能从不同的距离审视建筑，我们选择了中位数距离50米（视野在两侧各延伸25米）作为适当的测量标准。这个距离足够考虑到建筑的整体形状和部分复杂特征，同时反映了其在城市环境中的空间关系。因此，我们对建筑进行了50米的缓冲区分析，并对基于POI数据的建筑分类结果进行了空间分布可视化。
图5 街道尺度上街景图片的城市建筑功能分类视觉感知结果。
从主观的人类视角来看，上海核心区的建筑主要功能主要是住宅和商业。这两种功能在视觉景观中占据了重要的位置。住宅建筑可能是主导功能，反映了核心区的高人口密度和城市住宅区。商业结构，如购物中心和零售店，也很常见，反映了城市内充满活力的经济活动和商业中心。
图6 网格结构空间模式相似性。
在整体相似性方面，主观感知和客观统计在城市规模的空间分布上表现出一定程度的相似性。例如，靠近黄浦江的区域通常展现出更高的相似性。关于局部差异，尽管两张地图在总体上相似，但在某些局部区域仍存在显著的差异。通过对网格化空间模式相似性的分析，我们可以更深入地理解这两种空间感知分布的特性以及它们之间的差异。这有助于城市规划者和相关利益相关者更好地理解城市的发展模式，从而能够制定自上而下的规划策略和干预措施。
讨论和结论
总的来说，本研究阐明了客观地图绘制与主观感知之间的差异对城市建筑功能分类的影响。我们采用了机器学习方法来揭示城市空间感知研究中的潜在模式和显著特征，有效地解决了这一挑战，并对城市设计和规划有了更全面的理解。我们的研究结果对城市设计和规划具有重要的意义。它们强调了将客观地图绘制和主观感知整合起来的必要性，以便更好地理解城市环境中各种社区的多样化需求和偏好。这种综合方法可以指导更具包容性、可持续性和宜居性的城市策略的发展。此外，我们的研究强调了商业建筑的空间分散和住宅建筑的主导地位在塑造城市空间视觉景观中的重要性。这些洞见，源自上海市中心城区的研究，可以为类似的城市环境中的城市规划策略提供参考。这些发现的意义在于，它们有可能指导更有效和可持续的城市策略的制定。具体来说，客观地图绘制和主观感知的整合允许我们更深入地理解城市环境中各种社区的多样化需求和偏好。这种方法促进了更具包容性和宜居性的城市规划的创建。此外，我们的研究强调了跨学科研究在解决与城市空间感知和设计相关的复杂问题中的关键作用。通过弥合城市规划、认知科学和开源数据之间的鸿沟，我们可以促进对城市空间以及其居民如何感知和体验它们的更全面理解。