Вычислительный подход к «Образу города»

2.1 . Пробел синтаксис

Взаимосвязь между пространственной и социальными явлениями является движущей силой космического синтаксиса, набора теорий и методов «для представления, количественной оценки и интерпретации пространственной конфигурации в зданиях и поселениях» ( Hillier, Hanson, & Graham, 1987 , стр.363). С этой точки зрения планировка улиц и конфигурация пространства оказывают сильное влияние на развитие ментальных представлений ( Kim & Penn, 2004 ). Связь между конфигурацией улиц и когнитивным картированием нерецедентна. Что отличает исследование синтаксиса пространства, так это акцент на топологии, а не на метрических свойствах.

В рамках этого сообщества Далтон и Бафна (2003) пытаются переопределить пять элементов с помощью построения осевых линий ( Hillier & Hanson, 1984 ) и исовистов ( Benedikt, 1979 ). Они показали и выявить элементы первого порядка (пространственные и структурные), придающие форму ментальному представлению, и элементы второго порядка (визуальные), обогащающие изображение. Элементы могут быть захвачены с использованием осевых линий и изовистов, отсортированных в порядке значимости.

Цзян (2013) предполагает, что закон масштабирования артефактов ( Ципф, 1949 ) поддерживает идентификацию основных элементов в городе. Он проверил свою гипотезу на путях, преобразовав улицы в осевые линии и ранжируя их по связности. Независимо от исследуемого города и морфологии улиц.

Подход Space Syntax был подвергнут сомнению из-за исключения метрической информации из анализа, высоты зданий и свойств землепользования из анализа ( Ratti, 2004 ). Более, хотя линии центра дорог были недавно приняты ( Тернер, 2007 г. ), осевые линии препятствий пространственного синтаксиса в ГИС ( Цзян и Лю, 2009 г. ). Тем не менее, активным аргументом в пользу использования вычислительного подхода к когнитивным картам.

2.2 . Информационный подход

Хакен и Португали (2003) разработали основу «Образа города», которая объединяет синергетический подход ( Haken, 1983 ) и современные тенденции в когнитивной науке с теорией Линча. Исследователи делают связь между понятиями imageability и affordance ( Gibson, 1979 ) явно, с одной стороны, и использовать теории информации Шеннона, с другой стороны , для изучения того, как психическое изображение формируется из конкретных городских элементов. При таком информационном подходе разборчивые состоят из информативных и значимых артефактов или городских инфраструкций.Городские узлы, тропы или районы являются «носителями информации», которые формируют мысленный образ. Здесь исходная мера информации ( Shannon & Weaver, 1949 ) - форма энтропии, которая количественно измеряет «неожиданность» - корректируется с помощью индекса, включающего семантическую информацию. Этот компонент представляет собой результат биологической, социальной, социальной и прагматической категоризации.

Их теория укрепляет идею о том, что городские элементы можно запоминать по символическим и социальным значениям ( Appleyard, 1969 ). Кроме того, он вводит вычислительную основу для «Образа города», которая учитывает комбинацию этих черт и их вклад в удобочитаемость городов. Недостатком их подхода является то, что он предполагает меру энтропии, подходящую для уровня города или района.

2.3 . Автоматическое извлечение ориентира

Sorrows и Hirtle (1999) уточняют понятие ориентира. Авторы различают визуальные ориентиры - объекты, используемые в пространственных ориентиров для их видимости - когнитивных ориентиров, имеющих отношение к необычному и значимому содержанию, и структурным ориентировам, узнаваемым по их выгодному и заметному положению в пространстве. Эта работа вдохновила сообщество ГИС на исследования, заинтересованные в системе идентификации ориентиров для проектирования навигации и поддержки навигации: Раубаль и Винтер (2002) разработали модель, измеряет значимость зданий по отношению к восприятию и когнитивным свойствам. Зима (2003)улучшает модель, рекомендуя рассматривать трехмерную видимость как еще одно свойство. Элиас (2003) представляет собой аналогичный подход, основанный на проверенных алгоритмах машинного обучения, которые представляют геометрические, топологические и семантические архитектуры, классифицируемые объекты архитектуры ориентиров. Кроме того, Винтер, Томко, Элиас и Сестер (2008) объединяют предыдущие подходы для построения иерархии ориентиров, подчеркивая различие между местными ориентирами и общегородскими (глобальными) ориентирами.

Таким образом, хотя эти работы продвинули вперед важные исследования, другие линчианские элементы малоинтересны и редко встречаются здесь.

2.4 . Вклады и пробелы

Несмотря на то, что модели автоматического распознавания ориентиров широко распространены ( Richter, 2013 ), предположительно из-за их потенциальной применимости в проектировании навигационных систем, ни один из подходов не предлагает набор методов и инструментов для количественного определения пяти элементов образа города. .

•

Космический синтаксис при переформулировке «Образа города» в основном рассматривал визуальные аспекты, игнорируя важные последствия, касающиеся настоящего поведения человека и окружающей среды, и определился на идентификационных путей.

•

Информационный подход, основанный на использовании индекса набора расширенных данных, возвращает читаемости на макроуровне.

•

Кромки обычно привлекают внимание к типу и оцениваются на предмет их структурных свойств (например, Richter and Winter, 2014 , Raubal and Winter, 2002 ); Были переведены районы в Вороных разделах, чей когнитивный заметность спорно.

•

Что еще более важно, в упомянутой выше литературе, когда применяется методологий, набор данных обычно относится к небольшим областям, он создается специально исследователями или на основе анкет, что затрудняет использование исследования для новых областей.

3.1 . Узлы

Узлы - это стратегические фокусы, которые могут войти в наблюдатель, которые являются интенсивными фокусами, к которым он движется. В первую очередь это могут быть перекрестки, остановки транспорта, пересечения или схождения путей ( Линч, 1960 , с. 47).

Исследователи космического синтаксиса показали, что элементы, содержащиеся в когнитивной карте людей, связаны с мерами центральности ( Хак и Джиротто, 2003 г. , Юн и Ким, 2007 г. ). В этой структуре топологических свойств обычно вычисляются представления двойного графа, в которых используются отдельные данные вершинами, а соединения - связями. Однако По Порта, Круситти и Латор (2006b) утверждает, что подход первичного представления, в котором сегментах улиц представлены звенья, а соединения - вершины, более эффективны при использовании индексов центральности для захвата каркаса городской структуры и определения важнейших перекрестков .

Централизованные городские узлы становятся настоящими городскими узлами ( Newman & Kenworthy, 1999 ). Узлы Линча можно рассматривать как места, которые конструктивно созданы для прохождения, узлы (вершины) с наивысшими показателями центральными в уличной сети. В нашем подходе центральность промежуточности вычислялась в неориентированном плоском графе как: (1)CiB=∑j,k∈G,j≠k≠injk(i)njk" role="presentation" style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px;">CяBзнак равно∑j,k∈грамм,j≠k≠япjk(я)пjk

где в неориентированного графа G , п Ю.К. является число кратчайших путей между вершинами J и К , и п JK ( я ) это число кратчайших путей между вершинами J и К , которые проходят через я .

3.2 . Пути

Пути - это каналы. (..). Люди наблюдают за городом, перемещаясь по нему, и на этих путях другие элементы окружающей среды расположены и связаны ( Lynch, 1960 , с. 47).

Дорожки - это основные направления движения в городе; они направляют движение людей, поддерживая ориентацию. В условиях быстрого разборчивости, когда в условиях не используется яркими действиями или особыми свойствами, в игру вступает непрерывность восприятия: люди действуют на это функциональное качество, чтобы последовательно перемещаться по городу. Концепция непрерывности напоминает идею о том, что люди склонны выбирать маршруты, которые минимизируют угловые изменения, не расстояние ( Sadalla и Montello, 1989 , Golledge, 1995 , Hillier and Iida, 2005 ).В этом смысле угловая промежуточность описывается как лучший предсказатель движения пешеходов и транспортных средств, когда в распоряжении исследователя находится только уличная сеть ( Cooper, 2015 ). Центральность посредничества, как определено выше (см. Уравнение ( 1 )), была вычислена для вершин в представлении дуального графа, сгенерированном таким образом:

•

Сегменты улиц преобразуются в вершины;

•

Когда два сегмента улиц пересекают друг друга в дорожной сети, создается связь, соединяющая соответствующая вершину в двойном представлении.

•

Амплитуда угла падения, образованного двумя уличными сегментами, назначается соответствующему звену в качестве веса.

Наконец, значения центральности вершин в такой сети были переназначены исходным сегментом. Таким образом, нормальным, каковыми являются те, которые сводятся к минимуму угловых изменений при перемещении по городу. Здесь мы не принимали во внимание класс типа дороги (например, главная дорога, второстенная дорога и т. Д.), Предполагаемая, что сегменты улиц, образующие линии, продолжающиеся под углом (например, Porta et al., 2006a , Figueiredo and Amorim, 2005 г. ) принадлежат к той же категории или схожие структурные свойства ( Томсон, 2004 ).

3.3 . Районы

Районы - это относительно большие городские районы, внутрь которых наблюдатель может мысленно отправиться и который имеет некоторый общий характер ( Lynch, 1960 , стр. 66). Характеристики, определяющие районы, представляют собой тематическую преемственность, которая может состоять из бесконечного множества компонентов ( Lynch, 1960 , стр. 67).

Space Syntax предполагает, что топология уличной сети взаимодействует с восприятием людей мест и регионов: Закон (2017) иллюстрирует процесс создания подграфов из уличной топологии с использованием методов обнаружения сообществ. Образованные таким образом уличные локальные территории (SLA) ( Turner, 2007 ) - это регионы, внутренняя однородность, которые имеют социальную и функциональную основу (Girvan & Newman, 2002 ).

В этом обсуждении, что различные районы города можно идентифицировать, анализируя схему дороги. Функция оптимизации модульности ( Blondel, Guillaume, Lambiotte, & Lefebvre, 2008 ) принята для извлечения SLA. Этот алгоритм оптимизирует модульность ( Girvan & Newman, 2002 ), индекс, который измеряет качество разделения сети. Модульность ( Q ) вычисляет разницу между ребрами внутри сообщества и ожидаемым продуктом ребер в сети с той же структурой, но случайными связями. Когда количество краев внутри сообщества не более чем случайное, структура сообществ плохая и Q равно нулю. Напротив, высокие значения QПредоставьте себе сильное разделение между хорошо структурированными сообществами. Реализация метода оптимизации модульности включает следующие шаги:

1.

Каждый узел я считаю сообществом.

2.

Для каждого узла i алгоритм оценивает выигрыш в модульности ( Q ), который может быть получен путем присоединения к каждому из соседних сообществ j .

3.

Если возможный выигрыш не обнаружено, узел я остается в своем первоначальном сообществе, в противном случае он помещается в сообществе, в котором выигрыше от модульности будет максимальное.

4.

Узлы в одном сообществе образуют новую супервершину.

5.

Предыдущие шаги повторяются до тех пор, пока модульность больше не будет оптимизирована (слияние сообщества не дает положительного результата).

Функция запускалась на неориентированном двойном графике. Разделы были извлечены из сети, где вес были основаны на углах падения между парами сегментов, как описано выше. Таким образом, районы - это подграфы, полученные из уличной сети оптимизации модульности.

3.4 . Достопримечательности

Ориентиры - это точечные ссылки, которые считаются внешними по отношению к наблюдателю. Их легче идентифицировать, если они имеют четкую форму; если они контрастируют со своим фоном; и если есть некоторая значимость значительного пространственного положения ( Линч, 1960 , стр. 78–79).

Настоящая работа следует концепции Скорби и Хиртла ( Sorrows & Hirtle, 1999 ) в различных типах типов: визуальных, структурных и когнитивных (прагматические и культурные значения). Действительно, для Линча здание может стать ориентиром, когда оно выделяется на фоне. Кроме того, занятия и исторические ссылки улучшают читаемости, когда привлекательной привлекательности недостаточно. Набор методов Раубала и Винтера ( Raubal & Winter, 2002 ) был расширен, чтобы учесть топологические отношения, видимость, семантические и прагматические аспекты идентификации ориентиров. Наш анализ был выполнен наборе данных, содержащем исключительно здания;другие элементы, такие как деревья, скамейки или мосты, не рассматривались.

Визуальные свойства высоты, площадь фасада и видимость. Максимальная высота здания использовалась для расчета трехмерной видимости: для каждого здания сохранялась длина самой длинной линии обзора и использовалась как приблизительное значение видимости. Что касается структурных и топологических свойств, улучшенная видимость - двумерная область видимости без препятствий вокруг здания - максимальное расстояние от дороги, количество соседних зданий (по крайней мере, частично в буфере x метров) и площадь многоугольника. Культурное значение здания было получено путем подсчета количества внесенных в список исторических элементов, экосистем в его границах.Наконец, прагматическая значимость была рассчитана после упрощения информационного подхода как показатель неожиданности: (2)Psb=1−NbN" role="presentation" style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px;">пsбзнак равно1-NбN

где в буфере x метров вокруг здания b , N b - частота использования земли b, а N - количество построек. Баллы индексов были масштабированы и объединены в относительный компонент, а затем в общий балл (подробности см. В Таблице 1 ).

Таблица 1 . Ориентир добычи: индексы и веса.

Компонент	Индекс	Вес индекс	Вес компонента
Визуальный	3D видимость	0,50	0,50
Фасадная площадь	0,30
Высота	0,20
Структурные	Площадь	0,30	0,30
2д предварительная видимость	0,30
Соседи (буфер 150 мт)	0,20
Расстояние от дороги	0,20
Семантический	Историческое значение	1.0	0,10
Прагматичный	Землепользование (буфер 200 мт)	1.0	0,10

3.5 . Края

Края - это линейные элементы, которые не рассматриваются как пути: они обычно являются границами между двумя областями. Они как боковые ссылки. Наиболее сильными формами кажутся те края, которые не только визуально выделяются, но также имеют непрерывную и непроницаемы для поперечного движения ( Lynch, 1960 , стр. 62).

Края - это аутентичные организующие элементы, основной чертой которых является линейная непрерывность. Тем не менее, пересекающимися границами могут быть совпадающие и пересекающиеся дорожки. В текущем анализе следующих линейных элементов с заранее минимальной длины были извлечены как ребра:

•

Участки железнодорожных сооружений в виде объездных дорог или других видимых сооружений.

•

Участки крупных дорог (например, дороги с двусторонним движением).

•

Участки автомагистралей.

•

Берега рек или общая берега (озера, побережье).

3.6 . Пример из практики

Описанные выше методы были применены к центру города Бостон, Массачусетс (США), на территории, Линчем ( рис. 1 ). Результаты анализа представлены и сравниваются с картой, изображенной Линчем, который попросил 30 жителей и рабочих, описать привычные маршруты и события, а также узнать места (см. Рис. 2 ).

Рис. 1 . Центр города Бостон и его окрестности.

Источник: Mapbox, OpenStreetMap.

Наш анализ в основном опирается на уличную сеть и следы зданий. Хотя наборы данных специфичны для Бостона, используемые источники носят общий характер (и часто доступны в виде открытых данных), что позволяет применять этот подход для других тематических исследований. Источники:

•

Дорожная сеть ( Управление географической и экологической информации Массачусетса, 2014 г. ), обрезанная двумя буферами 4000 и 8000 м вокруг мэрии Бостона. Меньшая сеть использовалась для идентификации узлов и путей, более широкая - для обнаружения регионов.

•

Следы зданий ( Управление географической и экологической информации Массачусетса, 2002 г. ); этот набор включает упрощенное представление контуров зданий вместе с их максимальной высотой.

•

Основное землепользование зданий (участники OpenStreetMap, 2017 г. ) и Реестр исторической Бостона ( г. Бостон, 2017 г. ). Классы землепользования, использованные для расчета прагматической оценки, включали: привлечение, коммерческое, культурное, питание и питье, образование, экстренная помощь, развлечения, гостеприимство, промышленность, библиотека, производство, медицинское обслуживание, военные, места поклонения, общественные, жилые, спорт, транспорт, университет .

•

Железные дороги ( Управление географической и экологической информации Массачусетса, 2015 г. ) и водные ресурсы ( Управление географической и экологической информации Массачусетс, 2017 г. ) для обнаружения краев.

Мы субъективно определили веса для каждого компонента показателей, как указано в таблице 1 , в соответствии с наблюдениями Линча. Тем не менее, определение весов может изменяться в зависимости от городских структур, социальных контекстов и так далее, и им можно соответственно манипулировать для других тематических исследований. Наконец, чтобы получить общее изображение города, диапазон исходных значений был изменен в диапазоне от 0 до 1 на основе максимальных и минимальных характеристик каждого элемента; диапазоны, используемые Линчем, применялись к масштабируемым оценкам узлов, путей и ориентиров, для их окраски и ранжирования. Из-за использования методов районы и края не ранжировались.

4.1 . Узлы, пути и районы

Мы нашли несколько важных узлов ( рис. 3 ) в городе, таких как Чарльз-стрит, Ротари и перекресток между Стейт-стрит и Конгресс-стрит. Этот кластер представлен как один узел на юго-восточной оконечности Чарльз-Ривер-роуд (см. Рис. 2). ). Точно так же туннели Самнер и Каллахан, важные соединения в Восточный Бостон и из него, делают упор на узлы у их входов и на ближайший перекресток (Конгресс и Северная улица).

Как и Линч, мы обнаруживаем отсутствие основных узлов в западной части города. Тем не менее, результаты нашего анализа не указывают на Вустер-сквер и Юнион-парк как важные узлы, а также на пересечения Хантингтон-авеню и Колумбия-авеню, соответственно, с Сент-Джеймс-авеню и Стюарт-стрит. Кроме того, Копли-сквер, Сколлай-сквер и Южный вокзал не выделяются, как на карте Линча (см. Рис. 2 ). Хотя большинство этих узлов упоминалось всего несколькими респондентами (кластер 12–25%), Южный вокзал (более 75%) и площадь Копли (50–75%) могут получить свое значение в ментальных картах граждан из-за их роли в сеть общественного транспорта, что не учитывается в нашем анализе.

Линч описывает систему дорожек в Бостоне как запутанную, но, тем не менее, функциональную: основные линии движения формируют общий образ города, сходясь в центре города. Здесь автомагистраль может рассматриваться как сдерживающий и ограничивающий элемент, наделенный организационными свойствами, а не значимыми для движения.

Угловая граница промежуточности захватила основные пути, обнаруженные Линчем как Бикон-стрит, Бойлстон-стрит, Кембридж-стрит, Чарльз-стрит, Тремонт-стрит и Массачусетс-авеню ( рис. 4 ). Тем не менее, Линч также изображает как основные тропы Атлантик-авеню и узкую Вашингтон-стрит. В то время как первая получает свое значение от морского берега и гавани, Вашингтон-стрит обязана своей удобочитаемостью высоким зданиям вдоль нее. Тот факт, что архитектурные свойства и оценки окружающей среды не были приняты во внимание в нашем подходе к идентификации путей, может объяснить это различие. Кроме того, наш метод не идентифицировал Storrow Drive, дорогу, которую опрошенные Линч также воспринимали как препятствие.

Районы в Бостоне - это яркие и ориентирующие объекты: даже несмотря на то, что их структура может сбивать с толку и непонятна с чисто структурной точки зрения, их тематическая идентичность сильна ( Линч, 1960 ). Из-за своей связи с личным опытом и деятельностью опрошенные Линчем указали районы в Бостоне как главные элементы в ментальном представлении города. Эти области имеют центральные ядра и неопределенные границы, своего рода «тематический градиент», которые исчезают постепенно, а не точно.

В наших результатах Бэк-Бэй, который морфологически показывает необычную регулярность по сравнению с остальной частью города, района Северный Энд-Доки и Финансовый район четко выделяются на фоне остальной части центра города ( рис. 5 ). В то же время треугольник между Бэк-Бэй и Саут-Энд, изображенный в «Образе города» как пустая область, лишенные каких-либо символов, извлекается алгоритмом как единое целое (окрашено в цвет фуксии). Эти части почти совпадают с результатами и соображениями Линча. Напротив, Бикон-Хилл и Вест-Энд здесь объединены в макрорегион, в то время как некоторые микрорайоны, такие как Театры, Чайна-таун или район текстильной кожи, в наших результатах ассимилированы финансовым / торговым районом.Их яркое значение, возможно, из-за специфических значений зданий, агломерированной деятельности и присутствия этнических сообществ, не может быть полностью уловлено сетевыми методами. Услуги автомагистрали и система развязок вызвали некоторые перекосы, в этом случае также использовалась сеть, состоящая только из местных дорог; результаты приведены в Приложении ( Рис. A1 )

4.2 . Ориентиры и края

По словам Линча, в Бостоне здания воспринимаются как единичные объекты, когда на центр города можно любоваться с берегов реки Чарльз, и лишь некоторые из них обладают достаточной яркостью, чтобы их можно было идентифицировать как единичные ориентиры. В частности, известность Государственного дома, Старого здания Джона Хэнкли (ныне здание Беркли) и таможни на остальной части города в основном было замечено с внешней точки зрения. ( Линч, 1960 ).

Полученных результатов ( рис. 6 и A2 для оценок подкомпонентов) использованными ориентирами были Пруденшал-центр, башня Джона Хэнкока, здание Беркли, башня Копли, больница общего профиля Массачусетса, Южный вокзал и Т-Гарден Арена. с большим количеством других. Однако, Массачусетская больница общего профиля и здания Беркли, Линч также указывает на некоторые другие важные достопримечательности, такие как Государственный дом, Церковь Христианской, Публичная библиотека, Церковь Троицы и Таможня, которые не особо выделяются в нашем анализе.

Рис. 6 . Достопримечательности: здания, окрашенные в общий балл. (Для интерпретации ссылок на цвет в легенде рисунка читателю отсылается ссылка на веб-версию этой статьи.)

В то время как основное направление движения, конфигурация улиц и узлы может немного измениться со времени первоначального исследования Линча, центр города претерпел более последовательную эволюцию с точки зрения вертикального развития. Большое количество небоскребов, возведенных за последние 60 лет, а также общая эволюция города и возможное перераспределение видов деятельности отчасти объясняют расхождения между оценками Линча и нашими знаковыми показателями. Интересно, что такие различия раскрывают динамический характер мысленного представления города, которое меняется и адаптируется, охватывая новые элементы, значения и возможности.

В Бостоне ребра, кажется, играют две роли. С одной стороны, река и гавань определяют очертания центра города; с другой стороны, автомагистрали, помимо усиления профиля полуострова, представляют собой преграды, разделяют различные участки и затрудняют движение. Центральная артерия описывается собеседниками Линча как фрагментарный и абстрактный край: даже если иногда она не видна, люди осознают ее присутствие и невозможность пересечь ее. Норт-Энд - яркий тому пример. Центральная артерия полностью отделяет этот район от остальной части центра города.

Выявленные в нашем анализе края ( рис.7 ) примерно соответствуют тем, которые обсуждались в «Образе города».. Набережная автоматически изображается как сплошной и непрерывный край, который рисует основной контур познавательного представления города. Однако Линч показывает, как граждане редко присоединяются к берегу реки Чарльз с гаванью. Вода между Вест-Эндом и Норт-Эндом скрыта за несколькими зданиями и железнодорожными сооружениями, что затрудняет концептуальное и мысленное представление непрерывности набережной. Из нашего анализа также следует взаимодействие между рекой и Сторроу-Драйв: последняя усиливает значение первой, но, тем не менее, вызывает ощущение расстояния между водой и районами Бэк-Бэй и Бикон-Хилл. И наоборот, край, представленный гаванью, более плавный: наличие удобств и процветающих мероприятий делает эту область яркой и удобной для жизни.