城市微觀空間感知對居民健康影響研究
——以天津市和平區3個歷史街區為例

李澤關睿

(天津大學 建筑學院，天津300072)

0 引言

促進城市公共健康是城市規劃的初衷和終極目標之一，近年關于建成環境與居民健康關系的研究引起了規劃學者的大量關注。已有研究證明城市建成環境對居民健康能夠產生顯著影響，土地利用[1]、功能布局[2]、交通連接[3]、綠化景觀[4]、環境安全性[5]、目的地可達性[6]等空間屬性成為討論最多的影響要素，但基于人本視角的空間感知要素卻涉及極少，尤其是客觀空間組合要素和主觀視覺感知要素，以及與居民體力活動的相關研究就更少。微觀實證研究的缺失，導致不同的研究出現相悖的結論。

在微觀人本尺度的建成環境與居民健康關系的研究中，有3個問題仍需明晰，即(1)顯著影響居民健康的人本視角的空間感知要素有哪些，通過何種機制影響居民健康水平?(2)空間感知要素對居民健康水平的影響是否存在閾值或閾值區間?(3)如何通過優化空間感知要素提升居民的健康水平?

基于健康促進的設計理念，洞悉城市微觀建成環境和居民健康兩者關系，設計體力活動激發型的建成空間以減少城市孕病環境、提高空間健康績效、促進居民主動型體力活動，從而提高健康水平，這已成為城市規劃研究者的重要使命。文章以天津3個歷史街區為例，分析城市空間組合和視覺感知要素對居民健康的影響因素、影響方式，并通過回答上述3個問題，深化已有建成環境對基于體力活動的居民健康影響的機制研究，進而為制定基于微觀空間尺度的我國健康城市設計導則提供依據。

1 空間感知與居民健康研究現狀

1.1 空間感知要素對居民健康的分析研究

1.1.1 視覺感知要素對居民健康的分析研究

人的視覺感知是對周邊環境感知和評價的主要途徑?；谝曈X角度的城市空間研究主要將視覺感知要素分成色彩、要素和空間秩序3大類[7-8]，具體評價要素包括空間視線控制、通透性、復雜性、路徑、城市節點、易讀性、趣味性、圖像性、圍合性、人的尺度性、開窗率、貼線率等[9-14]。盡管這些指標在城市設計、建筑美學等領域得到了大量應用，但視覺感知要素在居民健康領域的研究數量仍然很少?；谝曈X感知的健康評價指標尚未形成體系，且指標偏向于定性分析，使部分指標難以量化，而且當前實證研究較少，因此視覺感知對居民健康的具體影響因素和影響方式均有待討論。

1.1.2 空間組合要素對居民健康的分析研究

城市空間組合能通過物質和心理的綜合作用影響居民的體力活動[15-16]?；诳臻g角度的城市空間分析將研究重點放在建筑密度、寬高比、界面密度、貼線率等方面[17-18]，而一些研究開始將緊湊度、邊界維數、集中度等更細化描述的指標納入評價方法中[19-20]。在空間組合與居民健康關系研究中，指出了可達性、空間感知距離、鄰里連接性、街道建設環境、空間形態、綠地開放空間、綠視率、街道開敞度、界面圍合度等與居民健康相關的指標[21-29]。但多數研究集中于街道或交通性指標對居民健康的影響，對于街區等面域指標研究較少。另外，在三維空間評價方面相對缺失，難以全面解析人本尺度的空間感知，并且缺少實證分析。

1.1.3 相關微觀空間要素研究矛盾

此前的一些研究嘗試得出微觀空間要素對居民健康的影響閾值，但在這些結論中指標影響閾值并不統一。蘆原義信[30]提出街道寬高比維持在1 ～2時的空間感受適宜，但也有部分研究提出不同街道寬高比能使人們活動更舒適[31-32]；多數研究認為合適的街道綠視率比例能舒緩人們的心理壓力，從而促進健康，但具體的綠視率數值在不同研究中各異，比例在15%～34%范圍內各有不同[33-35]。多數指標影響閾值尚未深入計算，其影響能力還處于定性研究階段，具體影響方式需要通過進一步的量化分析來揭示。

1.1.4 空間感知要素對居民健康的分析研究總結

在當前空間感知與居民健康關系的相關研究中，存在的4個缺陷是：(1)城市建成環境對居民健康水平的影響研究集中于中宏觀視角，多數研究基于城市整體視角出發，缺乏從人本視角分析，視覺要素和空間組合等居民微觀空間感知因素分析尤其少；(2)空間感知評價體系尚未建立，指標要素分析片面單一，難以綜合評價兩者間的關系；(3)實證案例分析稀缺，導致研究停留在理論及模型探討階段，基于實際建成環境指標的量化分析不充分；(4)兩者間的影響機制大多停留在理論階段，缺少基于實例論證的機制分析。

1.2 居民健康水平測度研究

城市建成環境對居民健康水平的影響是一個循序漸進的過程，在測度居民健康水平時宜選擇慢性病癥狀作為衡量指標。通常以身體質量指數BMI(Body Mass Index)和高血壓、2型糖尿病等慢性病作為因變量指標，相關研究顯示上述要素受建成環境影響，但居民經濟社會背景屬性和建成空間環境分別對慢性病的影響強度尚未明晰[36-37]。健康水平數據可通過主觀匯報和客觀記錄的方式搜集數據，前者一般通過問卷調查收集數據，操作簡單但容易產生誤差，后者可利用儀器記錄或收集醫院等機構的居民體檢數據，數據精確但成本較高[38-39]。

1.3 微觀空間感知對居民健康的分析模型研究

居民病癥與客觀環境要素間的關系研究通常采用多元線性回歸方法，但難以體現數據樣本中的空間異質性。而地理加權回歸模型能更加準確地反映不同空間單元內自變量對因變量的影響[40-41]。

對于連續資料結果與其他要素關系的分析可使用線性回歸分析，但在是否患病等疾病研究中，數據樣本通常為二分類數據，如是否患高血壓、糖尿病等，對于這類情況往往采用二元Logistic回歸，以便分析不同影響要素對是否發生該結果的顯著程度[42-44]。

2 空間感知與居民健康研究框架與方法

2.1 研究框架

借鑒空間感知研究中的分類層次，選擇視覺感知要素三類七子項和空間組合要素三類六子項作為空間感知指標體系，如圖1所示。要素、色彩、秩序三類視覺要素指標和線性空間、平面布局、三維形態三類空間組合指標作為自變量，能較全面地覆蓋微觀空間感知的多個維度。BMI 數據是連續數據的因變量，采用ArcGIS 10.4平臺進行地理加權回歸GWR(Geographically Weighted Regression)分析；是否患糖尿病和高血壓癥狀是二分類數據因變量，采用SPSS 22.0 中的二元Logistic回歸分析進行分析，并將居民背景數據作為協變量分組對照。此指標分類和研究方法能較好地解釋居民在空間感知對體力活動的影響。

圖1 空間感知與居民健康研究框架圖

2.2 微觀空間感知指標測度方法

各指標數據均來自于實地調研和由Python程序爬取獲得的百度地圖數據。指標量化方法包括人工智能語義分割和公式計算等。這樣的數據獲取和處理方式能較全面而客觀地量化微觀空間感知。

街道空間圍合度、天空開敞度、綠視率表示各要素在居民視野中的占比。測度可利用Segnet 圖片分割技術識別爬取的街景圖片要素的方法獲得，其中圍合度為識別的植物、建筑、圍欄面積之和與圖片的總面積之比；天空開敞度為識別的天空面積與圖片的總面積之比；綠視率為識別的植物面積與圖片的總面積之比。視覺熵表示居民視野中各種色彩的混亂程度，可利用Matlab程序批量計算爬取的街景圖片，其由式(1)表示為

式中：Himg為視覺熵；Ps(k)為計算每一個灰度級像素點所占的概率。

色相變化度表示居民視野中色相在調研區域中的變化，可利用MaTool 在線圖片識別工具識別街景圖片的色相、飽和度、亮度HSL(Hue、Saturation、Lightness)色彩模型中的H色相值；天際線變化度表示居民視野中城市天際線的復雜和變化程度，可利用入ArcGIS軟件對調研區域模型進行天際線分析，以測量點天際線結果的頂點數量作為該測量點的天際線變化度；視域通視度表示居民視野中視野的通達性，可利用Depthmap軟件對街區CAD數據進行可視性分析獲得；街道貼線變化率表示街道界面的變化程度，可圍繞街塊均等取若干點，測量該點對應建筑退線距離，利用偏離度公式計算，由式(2)表示為

式中：E為街道貼線變化率；Dn為各點建筑實際退線距離；D為街道控制退線距離。

街道開敞變化率表示街道可提供開敞視野的程度，可利用調研區域模型數據對街塊周邊街道開敞程度運用公式計算，由式(3)表示

式中：B為街道開敞變化率；G為該點街道兩側建筑高度平均值；K為該點街道寬度。

建筑布局分維度表示街塊內建筑斑塊形狀的復雜程度，建筑布局離散度表示街塊內建筑斑塊的離散程度，可分別利用Fragstats軟件中的分維度和離散度公式對調研區域建筑平面斑塊輪廓進行計算獲得。三維多樣性指數測度表示街塊建筑在三維空間中的分布均勻程度，可利用香農多樣性公式計算，由式(4)表示為

式中：Pi為街塊中單個建筑體積占整個街塊內建筑總體積的比例。

三維集聚度指數表示街塊建筑在三維空間中的集聚程度，可利用莫蘭公式計算，由式(5)表示為

式中：xi、yi、zi為街塊中各建筑的空間重心坐標；xm、ym、zm為街塊中各建筑平均重心坐標。

2.3 研究區域及問卷概況

選取天津市和平區的五大道、鞍山道、赤峰道3個歷史街區為研究對象，其控制性詳細規劃如圖2所示。3個歷史街區都具有建成時間久、建筑密度大和居民結構相對穩定的特點，客觀環境產生的微觀空間感知對居民健康產生的影響可以得到較好的解釋。同時，3個街區在功能、尺度和建筑布局等方面各有特點，使得居民在3個街區內會產生不同的空間感知，因此能橫向對比不同微觀空間感知類型對居民健康的影響。

根據地塊大小與人口密度分布，在3個研究地塊通過抽樣發放問卷的方式調查居民健康數據，調查問卷內容包括年齡、性別、收入等社會背景數據和BMI指數、是否患糖尿病及高血壓等癥狀。共收集居民數據363份，有效數據為346 份，有效率達95.32%。其中，五大道為202 份、鞍山道為148份、赤峰道為46份，基本覆蓋調研區域的所有居住用地。居民性別、年齡等分布與和平區人口分布大致相同，因此可認為研究問卷能反映3個街區實際居民背景屬性。

圖2 研究區域控制性詳細規劃圖[45-47]

3 城市微觀空間感知測度

3個歷史街區微觀空間感知測度分析圖如圖3所示。赤峰道街區的外圍環境中，南側為現代風貌的天津現代城，北部為中心公園，肌理與街區內部差別較大，導致了赤峰道多數視覺要素指標高于其他兩個街區。在空間組合方面，赤峰道街區的建筑布局分維度、建筑布局離散度、三維多樣性指數等指標同樣也高于另外兩個街區。鞍山道街區各個街塊基本為方格網布局，內部建筑組合和界面變化較少，因此街道貼線變化率、街道開敞變化率、建筑布局離散度、三維多樣性指數等指標值均較低。五大道街區各街區建筑布局類型多樣且街區密度較大，因此街道貼線變化率和三維集聚度指數較高。

圖3 3個歷史街區微觀感知空間測度分析圖

4 回歸分析結果

利用ArcGIS空間分析提取工具將柵格數據對樣本點賦值，以樣本點空間屬性進行回歸。

各回歸模型分為3組分析，其中模型1回歸因子為協變量，模型2回歸因子為自變量，模型3回歸因子為協變量和自變量。3組模型對比，可以比較居民社會經濟屬性與微觀空間感知屬性對居民健康的相對影響程度。

4.1 微觀空間感知指標與居民BMI指數的地理加權回歸分析

4.1.1 全局自相關檢驗

對3個街區的空間全局自相關性進行檢驗，結果見表1。其空間Moran I指數均＞0，P值均＜0.05，可認為各街區的居民BMI指數與空間在全局有較強正相關聚集現象，可以進行地理加權回歸分析。

表1 3個街區居民BMI指數全局空間自相關分析結果表

4.1.2 地理加權回歸結果驗證

運用普通最小二乘法OLS(Ordinary Least Squares)建立樣本點中空間參數自變量與居民BMI指數關系模型，剔除分析結果中未通過零假設檢驗的變量，再運用方差膨脹因子法和條件指標—方差分解比法剔除會產生全局和局部多重共線性的冗余變量[48]，將剩余的變量進行地理加權回歸分析。

建立自變量組與居民BMI指數的模型，結果見表2。五大道、鞍山道和赤峰道等3個街區模型擬合優度R2分別為0.862、0.855和0.556，五大道和鞍山道地理加權回歸的模型擬合優度R2優于普通最小二乘法，赤峰道地理加權回歸擬合優度R2差于普通最小二乘法，說明地理加權回歸能在一定程度上更好地解釋建成空間與居民BMI指數的關系。

各街區模型對協變量組合自變量—協變量組進行回歸，結果顯示自變量組比協變量組和自變量—協變量組有更好的擬合優度，說明加入模型的微觀空間感知指標參數相比于居民背景屬性更能對居民BMI指數產生影響，同時說明微觀空間感知能夠對居民健康產生影響。

表2 微觀空間感知指標與居民BMI指數的地理加權回歸分析結果表

4.1.3 地理加權回歸系數空間分布

各街區樣本點在空間中分布均質，因此可利用反距離權重法對各點的自變量回歸系數進行空間插值，五大道微觀空間感知要素回歸系數空間分布如圖4所示。五大道街區街道貼線變化率系數在街區中部及南部與BMI指數呈負相關，而在街區中部偏北及街區東北側與BMI指數呈正相關；色相變化度系數整體與BMI指數呈正相關，系數影響自街區南北兩側向中部逐漸增強；建筑布局離散度系數在街區中部及南部與BMI指數呈負相關，而在街區北部與BMI指數呈正相關；三維集聚度指數在街區東南側呈負相關，在街區東北側及西南側則呈正相關。

圖4 五大道微觀空間感知要素回歸系數空間分布圖

圖5 鞍山道微觀空間感知要素回歸系數空間分布圖

鞍山道微觀空間感知要素回歸系數空間分布如圖5所示。鞍山道街區視域通視度系數在街區南部和北側部分區域與BMI指數呈負相關，自南北向中部正相關影響逐漸增強；建筑布局離散度系數整體與BMI指數呈負相關，自南向北負相關影響逐漸增強；三維集聚度指數系數在街區中部偏西與BMI指數呈正相關影響，在中部自南北兩側負相關影響逐漸增強。赤峰道微觀空間感知要素回歸系數空間分布如圖6所示。赤峰道街區色相變化度系數整體與BMI指數呈正相關，自中部向南北正相關影響逐漸增強；建筑布局離散度系數在中部及北側與BMI指數呈負相關，在中部向東西兩側正相關影響逐漸增強；三維集聚度指數系數在南側與BMI指數呈負相關影響，自南向北正相關影響逐漸增強，中部和北部出現兩處峰值。

圖6 赤峰道微觀空間感知要素回歸系數空間分布圖

4.2 微觀空間感知指標與居民患糖尿病癥狀的二元Logistic回歸分析

用3個歷史街區的協變量組、自變量組和協變量—自變量組與居民患糖尿病癥狀進行二元Logistic回歸分析，結果見表3。各組模型至少能解釋87.2%的數據；自變量組結果中，五大道街區顯著性為0.913，其值較高；鞍山道和赤峰道顯著性分別僅為0.289和0.426，其值較低。

表3 微觀空間感知要素與居民患糖尿病癥狀的二元Logistic回歸分析結果表

3個街區的居民背景屬性回歸顯著性均優于空間變量回歸顯著性，說明居民背景屬性對是否患糖尿病的影響程度大于建成空間的影響程度；3個街區中未出現能通過微觀空間感知影響居民患糖尿病癥狀的指標。鞍山道街區的綠視率系數顯著性＜0.05，說明在鞍山道街區的綠視率是對居民患糖尿病影響最顯著的因子，微觀空間感知總體上對居民是否患高血壓的影響力較弱。

4.3 微觀空間感知指標與居民患高血壓癥狀的二元Logistic回歸分析

用3個歷史街區的協變量組、自變量組和協變量—自變量組與居民患高血壓癥狀進行二元Logistic回歸分析，結果見表4。各組模型至少能解釋86.1%的數據，各組變量均能對患高血壓癥狀產生影響但擬合度不高。鞍山道街區的居民背景屬性回歸顯著性均優于空間變量回歸顯著性，而五大道和赤峰道街區則相反，說明居民背景屬性與微觀空間感知屬性分別對患高血壓癥狀的相對影響強弱程度因選取樣本而異。僅有五大道街區的天空開敞度顯著性＜0.05，說明此街區的天空開敞度是對居民患高血壓癥狀影響最顯著的因子，微觀空間感知總體上對居民是否患高血壓的影響力較弱。

表4 微觀空間感知要素與居民患高血壓癥狀的二元Logistic回歸分析結果表

4.4 建成環境對居民健康水平的影響機制

色相變化度整體與BMI指數呈正相關，原因可能是歷史街區整體營造出偏暖色的視覺空間會使人沉浸于歷史街區風貌的觀覽體驗，降低步行速度和體力活動水平，從而提高BMI指數。

視域通視度鞍山道街區視域通視度處于高值時，視域通視度與居民BMI指數呈負相關，當視域通視度處于低值時則反之，說明居民偏向于在空間視覺滲透性更強的區域活動，這種空間的步行選擇度更高，促進居民的步行體力活動，從而降低BMI指數。

街道貼線變化率五大道街區當街道貼線變化率處于高、低值時，貼線變化率系數與BMI指數呈負相關，當貼線變化率處于中間值時則反之，說明街道貼線變化率在五大街區對居民BMI指數的影響存在閾值區間。對街道貼線變化率及其回歸系數在Excel進行擬合回歸，取R2較高結果分析。如圖7所示，當街道貼線變化率分別＜2.12、4.51 ～5.20和＞5.84時，與BMI指數呈負相關；當貼線變化率為4.21時，貼線變化率對BMI指數正相關，影響最強。當貼線變化率處于高值時，容易在臨街界面出現半圍合空間，促進居民活動交流，從而降低居民BMI指數；街道貼線變化率低值區域對應五大道街區內臨近大型公共空間，此時齊整的空間界面容易引導居民進行公共活動，促進BMI指數下降；而當貼線變化率處于中間值時，較為破碎的界面難以形成圍合空間或引導活動，反而降低居民活動率，因此與BMI指數呈正相關。

圖7 街道貼線變化率閾值曲線擬合圖

三維集聚度指數在相鄰街塊間集聚度變化較大的區域，三維集聚度指數系數與BMI指數呈負相關影響，反之則呈正相關。歷史街區中整體集聚度變化較大的區域相對于重復的歷史建筑群，更容易產生空間豐富性和層次感，吸引居民在該區域進行戶外交流活動，從而利于居民BMI指數下降。

建筑布局離散度在五大道街區建筑布局離散度處于高值時，建筑布局離散度系數與BMI指數呈正相關，處于低值時則與BMI指數呈負相關，而在赤峰道街區建筑部布局離散度分布規律與五大道街區相反；鞍山道街區建筑布局離散度和系數間無明顯空間規律。建筑布局離散度回歸系數的空間分布規律可能受街區功能影響，當街區功能以公共服務或商業功能為主時，建筑部布局離散度越低，較為緊密的建筑空間組合更能組織人群活動，促進居民體力活動水平，此時離散度系數與BMI指數呈負相關；當街區功能以居住功能為主時，建筑布局離散越高，在高密度的歷史街區中有利于形成公共休閑交流空間，此時離散度系數與BMI指數呈負相關。

五大道的天空開敞度對是否患高血壓癥狀產生影響，赤峰道的綠視率對是否患糖尿病癥狀產生影響，說明視覺要素能影響居民在特定空間中的愉悅感、私密感等，從而影響居民體力活動。

5 結論

文章利用地理加權回歸和二元Logistic回歸建立模型，著重討論了微觀尺度空間感知對居民健康的影響要素、方式、閾值和機制，得到主要結論如下：

(1)影響居民健康的微觀空間感知要素包括天空開敞度、綠視率、色相變化度、視域通視度、街道貼線變化率、建筑布局離散度、三維集聚度指數，其中街道貼線變化率存在影響閾值。

(2)空間感知要素對BMI指數的影響較居民經濟社會背景屬性而言更強，居民背景屬性是主導糖尿病和高血壓的致病因素，一定程度上反映糖尿病和高血壓可能受遺傳因素影響更顯著。

(3)不同街區的影響要素組合相似，建筑布局離散度和三維集聚度指數在3個街區中都是都是影響居民BMI指數的因子，色相變化度是影響五大道和赤峰道街區居民BMI指數的因子。

(4)空間感知要素影響居民健康的機制包括街道視線的滲透、街道界面的引導、街區功能的協調以及構造街區空間的豐富性、層次感、愉悅感、私密感等途徑，空間要素通過激發居民的感官體驗來提升居民戶外活動頻率，進而影響健康水平。