恒隆研究| 龍瀛研究團隊：基于時間序列街景和深度學習測度全國城市空間失序的演變

恒 隆 研 究

【作者】馬悅 李彥^1213*

清華大學建筑學院

中國地質(zhì)大學（北京）土地科學技術(shù)學院

3 清華大學恒隆房地產(chǎn)研究中心；清華大學生態(tài)規(guī)劃與綠色建筑教育部重點實驗室

【通訊作者郵箱】ylong@tsinghua.edu.cn

【原文信息】

Ma, Y., Li, Y., & Long, Y. (2025). Measuring Temporal Evolution of Nationwide Urban Physical Disorder: An Approach Combining Time-Series Street View Imagery with Deep Learning. Annals of the American Association of Geographers, 1-26.

內(nèi)容導讀

城市空間失序（Urban physical disorder）是指城市景觀中出現(xiàn)的顯著衰敗和惡化現(xiàn)象。隨著城市的發(fā)展，空間失序現(xiàn)象也在不斷演變。然而，測量城市空間失序的演變?nèi)匀皇且豁椞魬?zhàn)。本研究創(chuàng)新性地采用了時間序列街景圖像和深度學習技術(shù)，分析全國范圍內(nèi)城市空間失序的時間演變，既包括總體水平，也包括不同的表現(xiàn)形式。本研究在中國共收集了2013年到2022年的2000余萬張街景圖像。通過訓練 YOLOv8 目標檢測模型，準確識別出14個城市空間失序元素。每個元素都被賦予權(quán)重，以反映城市空間失序的總體水平?；趫D神經(jīng)網(wǎng)絡的聚類分析確定了四種不同的表現(xiàn)形式：質(zhì)量良好、空置衰敗、在建和缺乏維護。研究結(jié)果表明，中國的城市空間失序總體水平有所下降，主要問題已從缺乏維護轉(zhuǎn)向空置衰敗。經(jīng)濟增長與空間失序的整體改善相關(guān)，而人口減少的城市往往有更多的空置衰敗問題。通過測量城市空間失序的演變過程，可以對這一現(xiàn)象有更細致的了解，并有助于預測城市空間質(zhì)量面臨的挑戰(zhàn)，從而幫助城市規(guī)劃者制定具體的應對策略。

研究背景

城市空間失序（Urban physical disorder）指嚴重衰敗和退化的城市景觀，包括破損和維護不善的外墻、廢棄建筑、街頭垃圾、涂鴉和破損道路。這些狀況不僅會對居民的生活質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，而且還與不利的公共衛(wèi)生和社會穩(wěn)定結(jié)果相關(guān)聯(lián)。全世界的城市都面臨著空間失序的挑戰(zhàn)。因此，迅速、準確地識別城市空間失序是關(guān)鍵的一步

城市環(huán)境會隨著時間的推移而發(fā)生變化。除了與居民使用公共空間相關(guān)的正常損耗外，由于經(jīng)濟增長、政策實施、生態(tài)條件和人口遷移等多種因素，城市面臨的空間失序問題也在不斷演變美國的 “紐約東區(qū)鄰里計劃”和中國的 “城市更新行動”等舉措都在積極應對城市空間失序 問題，振興公共空間。與此同時，工業(yè)衰退和經(jīng)濟衰退導致美國 “鐵銹地帶 ”城市中大量住宅無人居住或被遺棄。一些歐洲國家正在經(jīng)歷難民危機。難民營的建立和隨后的管理不善導致衛(wèi)生條件惡化和垃圾堆積。鑒于城市不斷經(jīng)歷復雜的轉(zhuǎn)型，先前存在的空間失序問題有可能已經(jīng)解決、加劇或引發(fā)新的挑戰(zhàn)。正如城市生命周期理論劃分了一個城市從開始到衰落的發(fā)展階段，城市面臨的空間失序問題也有可能在這些階段中不斷演變

大多數(shù)研究都集中在特定時間點對城市空間失序進行評估，很少考慮其時間演變。量化 UPD 的演變可以幫助政策制定者和研究人員確定預測和緩解空間失序的有效策略，這對于發(fā)展安全、健康和可持續(xù)的城市環(huán)境至關(guān)重要。本研究對城市空間失序的演變進行了大規(guī)模分析，并提出了兩個研究問題：

(1）如何量化城市空間失序隨時間的演變？

(2）在廣闊而多樣的地理區(qū)域中，城市空間失序演變的動態(tài)特征是什么？

為了解決這些問題，本研究提出了一種結(jié)合時間序列街景圖像和深度學習的新方法，從整體層面和不同表現(xiàn)形式揭示中國城市空間失序的演變特征。

研究方法和數(shù)據(jù)

（1）研究區(qū)域與數(shù)據(jù)由于中國城市行政邊界與實際建成區(qū)常存在差異，研究采用實體城市概念，通過地理特征的空間聚集（如興趣點、道路交叉口和人工不透水面）更準確地表征城市化區(qū)域。本研究所有的核心數(shù)據(jù)來源于百度地圖，研究收集了2013年至2022年間覆蓋2,665個實體城市的5540萬街景圖像。通過數(shù)據(jù)處理篩選出698個符合條件的實體城市，包含264萬個有效采樣點和2111萬張街景圖像，并結(jié)合經(jīng)濟、人口等社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，分析UPD的演變。

圖1. 研究區(qū)域及街景圖像收集過程

（2）城市空間失序要素識別：研究采用適用于中國城市的UPD指標體系，包含15個要素，涵蓋建筑、商業(yè)、道路、綠化和基礎(chǔ)設施五個維度。由于季節(jié)和氣候差異對綠化評估的影響較大，研究排除了綠化要素，保留14個要素。訓練深度學習模型（YOLOv8）實現(xiàn)了空間失序要素的準確識別。

（3）UPD要素權(quán)重分配：研究采用德爾菲法對14個UPD要素進行權(quán)重分配。邀請21位建筑與城市規(guī)劃領(lǐng)域?qū)＜覍σ剡M行評分，并通過兩輪評分和討論，最終獲得高度一致的結(jié)果。評分結(jié)果經(jīng)過標準化，形成適用于中國城市空間失序評估的加權(quán)指標體系。

（4）城市空間失序特征聚類：本研究基于Tobler第一地理定律、破窗理論和城市研究的綜合理論，提出城市中鄰近區(qū)域的空間失序特征往往具有相似性，并通過網(wǎng)絡分析結(jié)合地理關(guān)系對空間失序特征進行整合，以提高聚類的準確性并揭示空間失序的不同表現(xiàn)形式。研究以中國最小的行政單元“街道辦”為分析單元，構(gòu)建無向圖模型，將每個街道辦視為圖中的節(jié)點，若兩個街道辦相鄰則建立無向邊以表征其空間聯(lián)系。通過對每個街道辦的14個空間失序要素進行匯總和歸一化處理，構(gòu)建特征矩陣，并結(jié)合圖神經(jīng)網(wǎng)絡（GraphSAGE）提取節(jié)點嵌入信息，捕捉空間關(guān)聯(lián)性。最終采用K-means和層次聚類方法對城市空間失序特征進行分類，最終揭示了不同空間失序表現(xiàn)類型的特征。

研究結(jié)果

）總體城市空間失序水平的變化

從2013年到2022年，中國城市空間失序的總體水平有所下降，平均得分從2.16降至1.73。其中，80.7%的城市表現(xiàn)出城市空間失序水平的下降，而19.3%的城市則有所上升。城市空間失序水平下降的城市主要分布在長江三角洲地區(qū)，而城市空間失序水平上升的城市則集中在中部和東北地區(qū)。

圖4. 城市尺度下總體空間失序水平的變化

（2）城市空間失序形式的識別

根據(jù)聚類分析的結(jié)果，我們識別出4類城市空間失序形式：

①質(zhì)量良好：這些區(qū)域環(huán)境整潔有序，幾乎沒有城市空間失序問題。街道保持清潔，建筑物和基礎(chǔ)設施維護良好。

②空置衰敗：這些區(qū)域的特點是行人流量減少，商業(yè)活動減少，主要問題是空置商店和建筑物。

③在建：這些區(qū)域通常正在進行施工，主要問題涉及施工圍欄和損壞的公共界面。

④缺乏維護：這些區(qū)域常見于居民活動頻繁的區(qū)域，存在基礎(chǔ)設施損壞、垃圾和非法廣告等問題。

5. 四類城市空間失序形式特征

（3城市空間失序形式的演變

數(shù)量變化：超過一半的街道辦保持品質(zhì)良好的狀態(tài)。最顯著的變化是5.89%的子區(qū)域從品質(zhì)良好轉(zhuǎn)變?yōu)榭罩盟?。最主要的城市空間失序問題也從缺乏維護轉(zhuǎn)變?yōu)榭罩盟　?/span>

空間分布：空置與衰敗區(qū)域和在建區(qū)域在城市中分布較為廣泛，而缺乏維護的區(qū)域則更多集中在非中心的局部地區(qū)。

圖6. 從時間段1到時間段2城市空間失序不同形式的比例和演變實例

圖7. 時間段1和時間段2 各種形式的空間失序的空間分布模式及所占比例

圖8. 城市空間失序不同形式演變的空間模式

）影響城市空間失序演變的因素

經(jīng)濟因素：經(jīng)濟增長與城市空間失序水平的改善呈正相關(guān)。GDP的增長有助于減少城市空間失序，尤其是對缺乏維護型的城市空間失序。

人口因素：人口減少與空置衰敗區(qū)域的增加密切相關(guān)，而人口增長則增加了維護壓力。

城市發(fā)展：城市擴張與建設中的區(qū)域和空置與衰敗區(qū)域的增加有關(guān)。市政公用設施建設和市政衛(wèi)生投資對減少缺乏維護的城市空間失序有顯著效果。

討論

本研究通過結(jié)合時間序列街景圖像和深度學習技術(shù)，量化了城市空間失序的演變過程，揭示了中國城市空間失序的動態(tài)特征和模式。研究結(jié)果表明，城市空間失序的演變不僅受到經(jīng)濟、人口和城市發(fā)展的影響，還表現(xiàn)出不同的空間分布特征?？罩门c衰敗區(qū)域的增加與城市擴張和人口減少密切相關(guān)，而缺乏維護的區(qū)域則反映了城市管理中的不足。

從全球視角來看，城市空間失序是一個普遍存在的問題，不同地區(qū)的表現(xiàn)形式和演變趨勢各不相同。例如，歐美國家的城市在工業(yè)化后期經(jīng)歷了城市衰敗和空置問題，而印度等人口密集的國家則面臨垃圾和空氣污染等問題。本研究的方法框架可以為其他地區(qū)的城市空間失序研究提供參考，但需要根據(jù)當?shù)氐木唧w情況調(diào)整指標列表。

政策方面，研究建議針對不同類型的城市空間失序采取分區(qū)分類管理機制。對于空置與衰敗區(qū)域，應通過經(jīng)濟激勵和振興項目吸引投資；對于缺乏維護的區(qū)域，應加強社區(qū)管理和公共服務；對于建設中的區(qū)域，應實施更精細的施工管理計劃。此外，研究還建議建立動態(tài)監(jiān)測機制，及時跟蹤城市空間失序的變化，為政策調(diào)整提供依據(jù)。

基金資助：這項工作得到了中國國家自然科學基金重大項目（項目號：62394335和62394331）、面上項目（項目號：52178044）的資助。

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