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StreetVizor: Visual Exploration of Human-Scale Urban Forms Based on Street Views

论文:StreetVizor: Visual Exploration of Human-Scale Urban Forms Based on Street Views

作者:Qiaomu Shen, Wei Zeng, Yu Ye, Stefan Müller Arisona, Simon Schubiger,  Remo Burkhard, Huamin Qu

发表会议:IEEE SciVis 2017

介绍

城市的形态和人群在城市中的生活息息相关。当我们描述一个城市的时候,可以从宏观和微观两个角度。宏观的城市形态主要包括面积和人口等描述大范围的指标。而微观的城市形态是基于人的感知的,如视觉、触觉、听觉和在城市中的体验。微观的城市形态和人的生活更加密切,因此理解城市形态对于设计搞质量的城市空间非常重要。 经典的城市理论研究只是基于小范围人群的调研,不能提供更加广泛并且深入的指导性意见。而谷歌街景图忠实得记录了道路上多个地理位置的全景视角,这类似于人类的眼睛,提供了从视觉角度研究微观城市形态的方法。我们可以从街景图中查看绿化、天空和建筑等信息在城市不同区域的分布。

目标

量化城市形态的多个属性:绿化、天空、车辆
多个层次上探索城市形式:城市、区域、街道
比较不同区域的城市形式

分析任务

T1:多尺度的探索
    城市形态可以组织城市层次、区域层次、街道层次
    overview到detail
T2:定量测定
    特征:绿化、天空、建筑、道路、车辆
    城市形态的特征统计、特征分布、特征方差
T3:排序和比较
    方便浏览和探索,特征需要被排序
    选择两个区域进行比较特征

系统框架

1、数据采集:Google Street View
文章手机了170万张谷歌街景图片,包括新加坡、香港、伦敦和纽约等四个城市。首先从OpenStreetMap中获取路网信息,每隔50米采集一张谷歌街景图,只去街景采集车辆行进过程中向前向后的照片,因为这边照片包含了道路上的信息。
2、数据处理:SegNet
基于深度学习方法SegNet,所有图片的像素点被分为12个类,包括绿化、天空等。作者对12个类做了聚合,分为绿化、天空、建筑、道路、车辆和其他共6个类。每张图片按照6个类的像素点比例构成6维向量。
3、可视分析流程
整个可视化分析的流程包括两个步骤,首先在Ranking Explorer视图中选取两个要比较的街道或者区域,然后在对应的AOI Explorer或者Street Explorer比较不同层次的城市形态。
Ranking Explorer:选择两个街道/区域
AOI Explorer:城市、区域层次的比较
Street Explorer:街道层次的比较

可视化设计

可视化系统主要包含3个视图,分别是Ranking Explorer(左)、AOI Explorer(中)和Street Explorer(右)。

Ranking Explorer

本视图用于总览不同区域或者街道的特征分布,帮助用户选择感兴趣的对象。

布局:每一行代表城市、区域或者街道,每一列代表6个特征维度,每个单元格展示了特征的平均值。

AOI Explorer

此视图包含两个模块,地图模块(b)和统计模块(c)。

地图模块展示了要比较的两个区域的地理位置,其中使用点密度图展示了街景图的位置。点的颜色是街景图中最大值的特征颜色。

统计视图是为了展示不同特征维度间的相关关系。由于街景图太多,绘制效率比较低,所以作者先采用了聚类的方法,将多张街景图做聚合。然后,特征之间的相关关系分一下几个方面来展现:

Feature Correlation(a):散点图的形式展现两两维度之间的关系。
Feature Histogram(b):每个维度的数量统计
Feature Diversity(c):x轴为类均值,y轴为标准差

Street Explorer

街道视图也包含两个模块,分别是地图模块和统计模块。

统计模块中主要是结合了路网的平行坐标轴,它的绘制方法分以下几个步骤:
a)找到以起始点为边的最小长方形
b)旋转至起始点到上下绘制边界
c)主题河流:道路上的每一个采样点都有对应的六个维度的数值,数值作为河流的宽度
d)平行坐标轴显示属性值的分布
案例分析
City-scale Comparison
我们首先对比分析新加坡(左)和伦敦(右)的城市形态。我们可以看到新加坡形成了很多区域,黄色建筑和绿色植物参杂在一起。而在伦敦,市中心黄色建筑比较多,在城市边缘绿色逐渐增多。这是由于伦敦的城市发展过程中是不断扩张的,而新加坡由于岛屿的原因,无法扩张。
Region-scale Exploration
在这里我们比较了新加坡的东陵(红)和伦敦的中央公园(蓝),这两个地方都是公园性质的区域,具有类似的功能。从A1中可以看到,这两个区域都有非常高的绿化属性,而中央公园绿化更高一些。A2中说明新加坡的东陵有更高的建筑比例,这是由于新加坡希望最大化土地利用率。
Street-scale Comparison
最后我们对伦敦布鲁克林(左)和香港九龙(右)的街道进行比较。首先我们从地图和对应的街景图中就可以看到,伦敦布鲁克林拥有更高的绿化程度。平行坐标轴也是验证了这一个发现,布鲁克林的街道主要由绿化、天空、建筑、道路构成,而香港九龙的街景图主要由建筑和道路构成。
总结
文章提出了一个探索和比较城市形态的可视分析系统,StreetVizor。未来工作将从街景图中抽取更多的语义信息,比如布告板和POI信息等,这样可以接入更多种类的数据,从多个角度分析城市形态。

 

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