人本視角下多維數字技術在總體城市設計中的集成應用探索

劉文波 徐夢潔 孫洋洋

關鍵詞：數字技術；多源數據；存量地區；城市設計

0 引言

隨著我國城鎮化步入后半程，城市設計已由增量階段的藍圖式設計逐漸轉向存量時代的治理型設計。相比藍圖式城市設計，在“見物又見人”的治理型城市設計中，其研究和實踐關注點從聚焦形態美學轉向更加追求人本品質，其核心服務對象“人”也從模糊畫像向精準在地群體轉變。

以往受制于數據和技術，人本尺度分析精度的數據難以在城市尺度分析范圍上獲得[2]。隨著新數據和新技術環境發展，城市設計方法與新數據、新技術的協作得到了應用推廣，便于人們更全面和精準地認知城市。一方面，開源地圖、街景等數據使人們了解城市運行體征的廣度和便捷度顯著提升；興趣點、位置服務等數據便于我們結合人在城市中活動的時空軌跡解讀多要素聯動。另一方面，空間大數據自動化獲取處理、多學科交叉量化分析和基于機器學習的規劃模擬仿真等多維新技術的不斷涌現，為空間本底識別與規劃設計決策提供量化分析手段。

當前，數字技術在城市設計某個單一維度，如街道空間品質評價、公共空間活力測度等方面已有較為成熟的研究成果，但如何在一個城市設計項目中合理選擇并運用這些紛繁復雜的數字技術，以全面精準支持存量地區城市設計編制的現狀診斷、模擬校驗等全過程，目前尚缺乏系統性總結和綜合性集成應用。本文系統總結梳理人本導向的城市設計多維數字技術，構建面向存量型城市設計編研全過程的數字技術“工具箱”，并以太原市總體城市設計為例，探討數字技術集成應用方法，以期為存量時期城市設計實踐中的數字技術應用提供參考。

1 數字技術助力城市設計編研的4個維度

2021年發布的《國土空間規劃城市設計指南》要求以整體統籌、以人為本、因地制宜、問題導向為原則開展城市設計工作，以“國土空間整體布局的結構優化、生態系統的健康持續、歷史文脈的傳承發展、功能組織的活力有序、風貌特色的引導控制和公共空間的系統建設”為主要工作目標。存量地區城市設計目標的實現需要面臨復雜的建成現狀，及其背后社會、經濟和文化等多元復雜系統，需要兼顧目標導向和問題導向，對存量地區的過去與未來、物質與非物質因素進行系統綜合考量，基于人本視角，塑造美好人居環境和宜人空間場所。總結來看，數字技術能夠對存量地區城市設計的4個關注維度在現狀診斷和方案模擬校驗等過程中起到量化支撐作用。

1.1 重構城市總體空間格局

城市空間格局是城市各類要素的空間形態或功能布局，存量時期城市設計重點對功能結構、中心體系、道路網絡、通風廊道和生態網絡等進行精細化診斷、分析和重構。

目前基于地理空間大數據和多維數字技術的城市空間格局定量化診斷分析研究已較為成熟。功能結構方面，主要通過聚類分析、機器學習等方法提取人地業等數據的分布及分級情況，識別城市的結構和功能分布。如鈕心毅等[3]采用手機信令獲取用戶時空分布，識別公共中心體系、功能分區等；姜佳怡等[4]統計各研究單元各類POI占比，進行城市功能區識別；楊俊宴等[5]交叉利用建筑形態及業態POI，采用監督深度學習進行城市用地精細識別。道路網絡方面，典型方法是利用開放地圖數據識別全時段交通擁堵路段，如鄭凌瀚[6]基于高德地圖數據分析上海市快速路路網擁堵成因。

同時，多維數字技術為規劃設計方案的模擬校驗提供助力。道路網絡方面，多利用空間句法對規劃前后街道網絡的集成度、選擇度等指標進行對比，宋小冬等[7]系統比較了相關方法的適用性。通風廊道構建方面，典型研究有匡曉明等[8]、張桂欣等[9]利用ENVI-met從通風效能、局地熱環境等方面進行多方案對比研究；劉勇洪等[10]基于粗糙度長度、天空開闊度等對存量地區通風潛力進行評價。生態網絡構建的方法大致分為基于生物多樣性保護的最小成本路徑法[11]、基于生態安全等目標的適宜性分析法[12]，以及基于網絡連接度、線點率和閉合度等指標的網絡分析法[13]。

總體而言，對現有城市空間格局進行量化評價的技術較為多元，尤其是對于現狀空間格局的診斷技術已較為完善。而針對模擬校驗階段的各種技術有特定情況下的最佳適用性，需要在實踐中合理選擇，發揮各自優勢。

1.2 優化城市空間形態秩序

城市設計作為富有秩序的城市空間的有效織補和建構手段，需要對建筑高度、天際輪廓和城市地標等空間要素進行引導控制。相關理論和實踐研究聚焦兩方面。一是空間形態秩序的現狀診斷。針對城市天際線，學者們從視覺影響[14]、分形理論[15]等方面提出諸多量化分析方法，旨在塑造整體有序、重點突出和特色鮮明的城市天際輪廓。針對城市地標識別，較為成熟的方法有陳香等[16]基于知名度、通達度和個體特征等因子的分層提取法，凡來等[17]基于圖像語義識別與文本語義分析法進行地標等的城市意象提取，以及鞏玥[18]基于隨機森林算法進行的城市地標提取。二是構建適宜模型對空間秩序進行管控。在高度管控方面，主要分為基于景觀眺望的視覺影響分析法[19]和基于多因子評價的疊加分析法[20]。在強度管控方面，多基于不同目標導向構建強度分區管控模型，如薄力之等[21]探討了基于公共中心和公共交通導向的寧波中心城建設強度分區規劃。

空間形態秩序維度的數字技術應用應注意以下3點：①以美學為基礎的量化指標目的在于幫助規劃師加強對空間秩序的認識，不能直接評價方案優劣；②多因子疊加分析中因子選擇及權重設計會極大影響評價結果，需因地制宜合理制定；③在存量時期，受限于既定的建成環境，研究成果較難從全局對城市空間秩序進行優化調整，如何針對存量空間加強理論和技術的現實適應性是今后的重點研究方向。

1.3 塑造城市文化風貌特色

城市風貌特色的塑造應立足于對城市歷史演進過程中所形成的文化遺存、特色要素、環境風貌和人本需求等的深入診斷，解決風貌特色所面臨的現實問題。傳統城市設計中對風貌特色的診斷主要依靠主觀感知，近年來隨著機器學習算法和智能設備在規劃學科中的應用，城市色彩、景觀品質和文化意象等抽象的感知評價結果能夠得到數字化轉譯。

城市色彩提取主要是利用深度學習算法對街景圖像中的視覺信息進行量化分析，如江浩波等[22]運用街景圖像識別技術進行建筑色彩分析與主導色提取。景觀品質評價方面，典型研究有葉宇等[23]利用街景圖像語義識別技術提取天空、人行道、車道、建筑和綠化等要素，并進一步使用人工神經網絡算法訓練街道場所品質評價模型；李舒揚等[24]提取社交媒體中空間審美相關文本和圖像信息，利用語義分析法評價空間品質；劉昆等[25]通過眼動追蹤和腦電技術引導公眾參與空間品質評價。文化意象感知方面多利用主題模型的文本語義挖掘技術，借助社交媒體數據展開研究，如曹越皓等[26]借助微博數據，研究城市意象的結構、類型和評價。

風貌特色維度的數字技術應用將理性空間分析與傳統空間感知手段相結合，以計算機深度學習算法為主構建了城市空間感知評價新方法，但當前人工智能尚在快速發展階段，加之城市空間的復雜性，此類研究還有待繼續探索完善。

1.4 完善城市公共活動體系

城市公共活動體系由公共空間、公共服務設施和慢行體系等公共要素構成。應對存量地區普遍存在的公共要素總量不足、布局不均和活力偏低等問題，數字技術聚焦以下兩方面研究。

一是對現狀公共要素的可達性、活力等進行充分的診斷。公共要素可達性研究包括空間可達性和規模可達性兩方面，空間可達性主要包括GIS網絡分析、基于在線地圖導航的可達性分析[27]兩類方法，規模可達性主要利用高斯兩步移動搜索法進行公平視角的可達性測度[28]。在活力測度方面，包括利用LBS定位數據[29]、手機信令[30]等多源大數據進行大尺度的空間活力研究和利用智能采集設備[31]進行小尺度的空間活力研究等類型。

二是在土地資源總量有限的約束下，通過構建科學的量化分析模型進行方案模擬校驗，實現增量公共要素的精準布局。關于公共服務設施布局的模型類型較多、優化目標各異，應用最廣泛的是區位分配模型（location-allocation model）[32]，可通過ArcGIS的區位分配集成模塊實現。此外，公平最大化模型、多目標規劃模型和決策樹模型[33]也有一定程度的應用，但需要較強的數理知識和計算機能力支撐。

目前，公共要素的均衡和選址等空間層面的研究已較為成熟，未來需加強對于人群畫像、活動時段和要素類型的匹配研究，實現“以人為本”的公共要素的精準配置。

2 城市設計數字技術“工具箱”的構建

存量地區復雜多元的社會經濟與空間博弈問題使城市設計的技術內容必然走向更加系統化、多樣化和定制化的解決方案范式。為了使城市設計編研工作更加有的放矢，本文以空間格局、空間秩序、風貌品質和公共活動4大維度城市設計關注重點為基礎，細分14項管控要素，依據易實現、較常用和盡量全等原則，篩選出36項數字技術，構建城市設計數字技術“工具箱”（見圖1，表1），大致分為數據統計分析與可視化技術、數據建模與模擬技術及機器學習技術3類。明確各項數字技術的數據基礎、典型研究、應用尺度和設計階段，便于規劃工作者結合現狀問題及規劃目標，進行定制化的數字技術和多源數據菜單式選擇。

3 太原市總體城市設計中的數字技術集成應用探索

太原市擁有優越的自然山水格局和悠久的歷史文化底蘊，但存在山水不連、文脈不顯、活力不足和風貌不清等問題。針對中心城區存量與增量交織的復雜性，綜合運用多維數字技術和多源數據進行定量診斷分析模擬，落實“錨固山水生態格局、重塑都市風貌秩序、彰顯城市人文特色、營造公共空間體系”4大核心任務，全面重塑太原市生態和人文價值。

3.1 基于風熱環境模擬的山水生態格局錨固

構建通山達水、藍綠交織的生態格局是總體城市設計的重要目標。通過對典型日Landsat衛星遙感影像的熱島效應分析可見，太原市已形成連綿熱島區域。面對老城區既定的建成環境現狀，規劃采用基于迎風面積密度算法識別老城區潛在風廊。根據分析結果，規劃4條南北向季風廊道和多條東西向局地環流廊道。通過Fluent軟件對設計方案的風環境進行校驗，結果顯示夏季廊道內的風速基本維持在3.5—5.0 m/s之間，起到了理想的通風效果；而地塊內部風速在1.0—3.5 m/s之間，可為居民提供舒適宜人的微氣候（見圖2）。通過通風廊道構建，結合山體修復、水系治理，共同錨固全域生態格局。

3.2 基于高度管控的都市空間秩序重塑

太原具有“一水中分，兩山環抱”的優越風貌基礎，但近年來新建的插花式大量高層建筑對城市風貌的整體性造成了較大破壞。城市設計基于視線通廊、天際線和城市地標等方面對現狀三維空間秩序進行診斷。通過GIS視域分析，對汾河兩岸對東西兩側山體頂部20%的可見區域和城市重點景觀標志進行可視面域分析，識別嚴重遮擋區域。對濱水公共活動節點進行基于人眼視覺的360度天際線分析，識別出天際線曲折度和過渡性不足等問題。通過百度檢索詞頻，識別太原市民認知中的城市地標，診斷地標空間周邊的高度管控缺失和地標感不強等問題（見圖3）。

依托現狀診斷，城市設計整合各類限制要素及發展導向，構建城市高度秩序框架。首先，基于現狀高度、已出讓地塊規劃意向高度和基準強度模型，疊加生態敏感、微波通道、機場凈空和基準地價等剛性限制因素，形成空間秩序框架的本底模型。其次，綜合考慮公共中心體系、交通條件、景觀風貌和歷史文化等因子對空間秩序模型進行整體修正，形成高度管控分布圖，并建立基準高度和標識高度相結合的高度分區管控體系（見圖4）。

3.3 基于市民心理認知地圖的城市人文特色彰顯

針對太原市城市意象不明晰、歷史文化名城辨識度不高等問題，首先基于微博文本信息數據處理，構建基于主題模型的文本語義分析模型，基于文化主題相關的詞頻數據統計，識別太原市民心中重要的文化區域與文化路徑，繪制心理認知地圖。在此基礎上，利用POI數據進行核密度分析，并疊加城區典型休息日的日間熱力圖，診斷出市民心理認知中的人文特色區域與高活力區域之間重疊性較低、人文特色空間活力不足等問題（見圖5）。

在現狀診斷基礎上，城市設計提出以汾河文化景觀帶為主脈有機串聯重要人文片區，以歷史感知路徑為支脈鏈接人文景觀群落，建立“如意形”文化展示系統框架（見圖6）。

3.4 基于活力品質測度的公共空間體系營造

從前期問卷調查來看，太原市民對公共空間品質和服務水平提升的訴求較高，為滿足市民對美好生活的向往，規劃從服務均衡、有機鏈接和品質提升3方面入手，通過百度人群分布熱力數據和業態POI數據的核密度分析識別城市活力區域，通過深度卷積神經網絡算法從街景圖像中識別像素語義類別，形成行人和自行車出現率、綠視率、圍合度和機動化程度4項指標，疊加得到各街道步行適宜性評價結果，最終構建由活力空間和慢行網絡組成的公共空間網絡體系（見圖7）。

3.5 基于數字技術集成的總體城市設計空間框架構建

基于上述分析結論，構建了由生態轉化體系、秩序優化體系、文化顯化體系和空間活化體系組成的總體城市設計框架。生態轉化體系通過對生態廊道、濱水空間、生態山體和通風廊道進行管控，形成藍綠交織、通山達水的山水生態格局；秩序優化體系通過對地標體系、視線通廊、天際輪廓和建筑高度的整體控制，重塑層次清晰、顯山露水的城市風貌秩序；文化顯化體系通過對文化地標、人文網絡和風貌分區等的引導控制，彰顯一帶雙城、古今交融的龍城人文魅力；空間活化體系通過對公共綠地、公共空間和街巷網絡的系統串聯，營造富有溫度、可識可感的公共空間體系。最終共同塑造了“三山環抱筑翠屏，一干多支營水網，雙城相映續文脈，多軸多點興龍城”的總體城市設計框架（見圖8）。

4 結語

存量時期城市設計的工作領域已從單一的空間維度拓展到復雜多維的城市巨系統，其研究包含更為多元的社會和人文內容的“顯隱互鑒”[34]。數據環境和數字技術的協同發展極大促進了城市設計的技術創新。數據驅動下客觀理性的量化分析替代了大量繁瑣復雜和基于經驗主義哲學基礎的分析工作，使得城市設計成果有了超越以往的客觀理性參考依據和決策基礎。

然而，在城市設計中如何合理運用多源數據和數字技術仍存在一定的挑戰。其一，多源數據的可信度與可靠度存在一定提升空間，如何從海量數據中汲取、分析、綜合、集成出相對完整、系統和可靠的數據，是需要關注的重點。其二，數據和技術是進行城市設計的輔助工具，不能替代規劃師決策，如何設計合理的技術路線使其與規劃方案生成邏輯對應，是數據和技術發揮作用的關鍵。其三，當前多源數據和數字技術主要應用于現狀診斷和模擬校驗階段，對設計生成和過程控制的支持效果有待提升，如何利用其更好地輔助全流程城市設計是未來的研究方向。