地空学院刘瑜课题组在街景图像定量分析方面取得系列成果

　　场所(place)是地理分析中的基础概念，它是联系人和地理环境相互作用的纽带，也是表达地理知识的基本单元。如何形式化表达场所，并在此基础上，揭示人的行为模式与地理空间格局之间的关系，一直是地理信息科学领域所关注的问题。北京大学地球与空间科学学院刘瑜教授课题组张帆博士利用街景图像大数据观测城市物质环境，结合人工智能技术进行定量化分析，并提出了一系列研究分析方法，探讨了场所尺度的人地关系，并为城市研究和智慧城市建设提供了理论基础。

　　街景图像是观测城市物质空间的一种新型的大数据源，其观测视角更接近于人，所表达的内容也更为丰富。街景图像不但详尽地描绘了城市物质空间的组成（建筑物、道路、交通设施等），同时蕴含了大量有关城市功能和社会经济属性的信息。为了量化场所间物质环境的相似度和特异度，并挖掘每个场所中最有特色的场景，课题组提出了一种基于机器学习和混淆矩阵的方法。通过分析数百万张来自于社交媒体的城市街景照片，该研究计算了全球18个城市的城市景观特色程度，及城市间的相似程度，并挖掘出了最有城市代表性的照片（图1）。

　　

　　图1 利用街景图像计算城市景观特色度与相似度，并挖掘城市最有代表性的场景

　　街景图像所表达的城市物质空间，在很大程度上与人们在城市中行为特征相关联。如何度量城市物质空间对人们情感体验的影响，进而为城市设计和规划提供决策支持？课题组利用机器学习模型，学习了来自于全世界几万名志愿者对数十万张街景的评分结果，实现了对任意自然场景的感知评分评估。图2所示为模型对北京五环内100万张街景图片，在安全感、生机感、压抑感等六个维度的评分结果。该工作从个体感知的角度提供了新的视角来观测城市空间的分异格局，为构建和谐、宜居环境提供方法支持。

　　

　　图2 利用街景图片观测大尺度城市区域居民情感感知评价

　　而什么样的城市物质空间会使居民产生更积极的情感体验？为了回答这一问题，首先需要对城市物质空间进行定量化表达。课题组提出了基于计算机视觉的，城市街道场景要素提取和基本分类方法，从“人-地”、“静-动”等多个层次对场景中可能出现的64种视觉要素（建筑、车辆、植被等）进行了梳理，进一步实现对场景、街道和区域类型的分类，辅助城市物质环境的定性理解和定量分析（图3）。基于此工具，研究不但验证了自然要素对居民情感体验的积极作用，同时发现了围墙、大规模人造地物对居民的消极作用。

　　

　　图3 利用街景图片定量研究城市物质空间的基本框架

　　城市物质空间不但影响居民的情感体验，同时也蕴含了城市功能和居民活动等信息。但城市物质空间和社会空间之间存在多大程度的关联性，一直是有待回答的问题。研究利用街景表达城市物质空间，设计了一种基于深度学习的模型，来学习和预测每条街道上每小时居民出行的模式。发现仅仅根据街景图片，算法就可以还原65%以上的相关场所居民日出行活动的时空分布模式（图4）。该工作构建了连接物质空间与社会活动空间关系的桥梁，可以潜在地衡量建成环境与居民活动、社会经济水平发展之间的不均衡性，从而为城市设计与管理提供参考和决策支持。

　　

　　图4 利用街景图片预测城市居民活动模式

刘瑜教授课题组长期致力于利用多源时空大数据来开展分析及应用研究，提出了“社会感知（Social Sensing）”的概念。基于街景图像定量分析的系列研究，为“社会感知”提供了新的视角，将帮助我们全面研究地理环境。相关成果近日分别发表在地理信息科学、遥感、城市研究等领域的重要刊物ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924271619301133)，Landscape and Urban Planning (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169204618308545)，Computers, Environment and Urban Systems (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0198971517303903)，Royal Society Open Science (https://royalsocietypublishing.org/doi/full/10.1098/rsos.181375)中，张帆博士为论文第一作者。该系列研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。