一种基于VR全景视觉感知的街道环境质量评价方法

一种基于vr全景视觉感知的街道环境质量评价方法
技术领域
1.本发明涉及城市设计规划技术领域，是一种基于vr全景视觉感知的街道环境质量评价方法。


背景技术：

2.街道是城市景观的重要组成部分，对街道环境质量进行评价对于城市规划及更新具有重要价值。城市街道环境质量指的是人们对于日常生活街道的主观偏好，对于人们理解城市环境与居民心理健康交互方式提供重要的基础。准确评价街道环境质量，可以在城市发展过程中，将人们对于环境的选择偏好融入到科学的城市规划及更新当中，对于城市规划设计有重要作用。
3.叙述性偏好法(stated preference survey)是指为了获得“人们对假定条件下的多个选择方案所表现出来的主观偏好”而进行的意愿调查方法，又称作sp调查、意愿调查法。由于是在“假定条件下”，sp调查可以虚拟更加广泛的选择方案供被调查者选择。一方面为得到尽量全面的调查资料，调查组织者希望被调查者回答尽量多的问题；另一方面，为保证调查过程得到被调查者的全面配合而不引起其反感心理，又希望合理地、尽量少地设计调查问题。sp调查法通过情景偏好问卷，来获得人们复杂情况下的空间环境偏好，能很便捷地移植到空间环境规划设计中。sp调查法因可以模拟未在现实环境中产生的要素，具备较好的预测性；且有可控性好、成本较低等优点，已被广泛应用于交通分析、环境评定、价格制定、产品选择、住宅选择等市场调查。sp调查法的评估结果精度很大程度上取决于假设市场的模拟效果，其可信度受到抽样质量和样本量影响，局限性是需要被调查者有很好的感知能力。如果问题的复杂性超过被调查者的感知能力，就可能引起被调查者采用简单的策略，比如直观推断或试探法，选择那些存在微妙差异影响中的任意一个，导致估计参数矢量存在较大偏差。
4.随着多源地理大数据的发展，在城市规划领域采用街景图片来评价街道环境质量是一种常规的评价方法。带有地理标签的街景图片可以从二维层面上刻画城市街道的视觉物理环境，进而辅助人们对城市街道品质感知的定性分析和定量评价。然而，基于街景图片的计算机图像分析技术，不仅在交互性上有所欠缺，而且街景图片只包含城市街道现状的二维视觉图像，无法实现视点全覆盖和做出优化回应。目前从三维角度上城市街道建立起街道空间评价的方法仍然有限。
5.当下vr技术的迅猛发展为城市空间模拟和交互研究提供了新的机遇，基于vr技术增强现场感知的特性，使之逐步成为在城市及建筑设计推进三维可视化的蓝海领域。同时通过vr虚拟现实技术可快速、全面和精确地了解体验者对于城市街道的视觉和心理感知，可为城市街道环境质量评价和城市更新提供广阔的发展空间。


技术实现要素：

6.本发明为将传统的sp调研法与vr虚拟现实技术结合产生新突破，并将其应用到街
道环境质量评价体系，本发明提供了一种基于vr全景视觉感知的街道环境质量评价方法。本发明提供了以下技术方案：
7.一种基于vr全景视觉感知的街道环境质量评价方法，包括以下步骤：
8.步骤1：通过预调查，获取影响街道环境的主要要素及水平设定；
9.步骤2：进行正交设计，提取最有代表性的偏好选项，生成一定数量具有代表性的虚拟街景方案组合；
10.步骤3：通过vr全景建模渲染，借助vr全景设备和相关技术平台，构建城市街道环境虚拟仿真方案场景；
11.步骤4：通过佩戴vr头盔体验城市vr全景虚拟仿真街道，并根据个人偏好选择虚拟方案，设计调查问卷；
12.步骤5：通过采用统计软件stata se v15.1处理问卷数据，建立离散选择模型；
13.步骤6：通过模型拟合构建效用函数，研判各影响要素权重关系，根据离散选择模型的随机效用理论，行人选择对其效用最大的步行环境情景；
14.步骤7：按照权重关系的绝对值从大到小依次排列，获得不同类型人群对于街道环境要素选择行为的偏好分析；
15.步骤8：调研城市中具体实际街道中的环境要素，通过sp法的效用函数统计得出综合评价量表，有改造需求街道还可计算得出改善效果评价量表；
16.步骤9：使用arcgis软件分析得到城市中实际街道环境的整体评价图，通过arcgis操作图层，图面仅保留街道网络，按照评价结果中的效用值大小确定所属等级，在arcgis中用四种颜色作为四种等级的代表，用以填充不同城市街道，最终形成可视化街道环境整体的现状评价图及改善后效果评价图。
17.优选地，步骤1具体为：
18.所述进行预调查，获取影响街道环境的主要要素及其水平设定的具体方法可为：根据自动化网络爬虫程序webspider抓取当地城市街道环境的网络兴趣点大数据，并综合当地城市规划与建筑领域的专家认定的当地城市街道最具有代表性的环境要素意见，选取当地城市最具有代表性的街区，对当地城市街道环境要素进行筛选和归类，用于确立影响街道环境的主要要素及其水平设定。
19.优选地，所述步骤2具体为：
20.通过spss软件进行正交实验设计，正交实验设计在统计软件spss statistics 23中选择data
‑‑
orthogonal design
‑‑
generate，弹出的就是正交设计窗口：点击factor name框：输入a：单击add钮：单击define value钮：分别在value列的头三行输入1、2和3，单击continue钮，这样就定义好了变量a；
21.定义变量b、|c的2-3个水平，单击ok，系统输出一个新定义的数据集，前几个个变量就是要分析的a、b、c等变量，各个水平已经按正交设计的要求排列。
22.优选地，正交设计分析用glm模块进行，具体操作如下：analyze-general linear model-univariate...dependent中选入应变量，在fixed factor中选入自变量，进入model钮进行模型设置，设置模型为custom，选择需要分析的主效应和交互作用，确认后得到所需要的结果；
23.过程中要注意控制要素变量不宜过多，最多为10个。
24.优选地，所述步骤3具体为：
25.首先通过无人机航空倾斜测量、手持地面gps姿态相机测量、车载地面激光雷达点云测量数据导入三维实景建模软件进行空地一体实景渲染建模，实现多源现实数据的有机融合,并导入unreal engine 5虚拟引擎，构建虚拟现实vr城市场景；所述三维实景建模软件包括context capture、pix4d mapper、photoscan。
26.优选地，所述步骤4具体为：
27.构建完城市街道环境虚拟仿真方案场景后，应当根据虚拟方案环境要素来设计调查问卷。然后找随机样本，其中包括不同类型人群，填写完人员基本信息问卷部分，用于给人群进行分类后，实验样本进行一定时间的vr眼镜适应，再进行正式实验；vr正式体验过程中实验样本可以通过访谈回复实验人员的问题,或者是vr体验结束后以笔答方式，最终完成sp环境偏好选择调查问卷部分。优选地，所述步骤5具体为:
28.收集问卷样本数据后，首先进行信度及效度分析，确定有效样本数及有效率；受访人群要求覆盖青少年、中年和老年群体；样本中性别比例、居住时间等人数比例相对均衡，即样本整体结构相对均衡才可满足模型分析的要求,然后针对若干次虚拟城市街道环境选择记录进行模型拟合，建立离散选择模型。
29.优选地，所述步骤6具体为：
30.通过模型拟合构建效用函数，研判各影响要素权重关系，根据离散选择模型的随机效用理论，行人选择对其效用最大的步行环境情景，步行环境效用定义为：
[0031][0032]
其中，v为步行者从步行环境所能获得的总效用，αi表示各步行环境变量xi的效用系数；
[0033]
定性变量做虚拟变量处理，在模型拟合结果中可能出现部分城市街道环境变量统计显著性不足，按显著度从大到小的顺序依次去掉不显著的变量，重新建模，直至所有变量都显著为止，显著度小于0.1，从而精简模型。
[0034]
优选地，所述步骤7具体为：
[0035]
城市街道环境要素的影响程度是通过变量系数的绝对值反映的，按照绝对值从大到小依次排列，得到环境因素的影响程度排序，反映出总体人群对于街道环境要素选择行为的偏好程度；
[0036]
比较不同样本的性别、年龄和地区等多方面的模型结果，模型拟合度若优于总体样本结果，则相比全样本模型解释能力准确反映各类人群的偏好特征。
[0037]
优选地，所述步骤8具体为：
[0038]
以相同水平的城市街道环境的最长可能路段为基本单元，进行分段并编号，评估城市街道环境质量，在量化街道环境要素的基础上，结合离散选择模型，估算城市街道环境效用并作为评价结果；
[0039]
以最优路段效用和最差路段效用作为极大值和极小值，平均划分四个取值区间，将步行环境分成“优秀”、“良好”、“中等”、“较差”四个等级，对于街道环境现状进行整体评价，基于模型中的步行环境要素参数，以“行人效用提升最大化”为目标，估计步行环境改善措施的实施效果，最终基于stata se v15.1软件统计能够形成综合评价量表和改善效果评
价量表。
[0040]
本发明具有以下有益效果：
[0041]
本发明将传统的sp调研法与vr虚拟现实技术结合产生新突破，并将其应用到街道环境质量评价体系。突破了传统sp调查问卷中用于评价的文字法或虚拟街景图片的真实性与视角范围限制，本发明采用vr设备能够从三维角度上建立起城市虚拟街道空间方案的评价方法，加强虚拟方案的真实性和现场感，实现了视点全覆盖和仿真方案的预评估，降低不同人群根据主观经验的评价误差，进一步提升了sp调研法的真实性和准确性。
[0042]
本发明在不同类型人群通过vr虚拟体验后，可以结合sp调查问卷参与到街道空间的定性与定量评估当中。通过对城市实际街道环境要素的具体调研，最后能形成定量化的综合评价以及改善效果评价，还可以通过arcgis软件形成整体评价图。研究结果直观性和实践性强，可直接运用于街道改造的实际项目中。
附图说明
[0043]
图1为一种基于vr全景视觉感知的街道环境质量评价方法流程图。
具体实施方式
[0044]
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
[0045]
具体实施例一：
[0046]
根据图1所示，本发明提供一种基于vr全景视觉感知的街道环境质量评价方法，包括以下步骤：
[0047]
步骤1：通过预调查，获取影响街道环境的主要要素及水平设定；
[0048]
本发明首先通过专家、使用者访谈的方式进行预调查，获取影响街道环境的主要要素及其水平设定；
[0049]
在步骤1中，所述进行预调查，获取影响街道环境的主要要素及其水平设定的具体方法可为：根据自动化网络爬虫程序webspider抓取当地城市街道环境的网络兴趣点(point of interest)大数据，并综合当地城市规划与建筑领域的专家认定的当地城市街道最具有代表性的环境要素意见，选取当地城市最具有代表性的街区，对当地城市街道环境要素进行筛选和归类，用于确立影响街道环境的主要要素及其水平设定。
[0050]
步骤2：通过spss软件进行正交实验设计，提取少数最有代表性的偏好选项，生成一定数量具有代表性的虚拟街景方案组合，并设计调查问卷。
[0051]
在步骤2中，正交实验设计是利用一套规格化的“正交表”，将实验因素、各水平之间的组合均匀搭配、合理安排，用较少的、有代表性的处理组合数，提供充分有用信息的一种高效、快速的多因素实验设计方法。在统计软件spss statistics 23中选择data
‑‑
orthogonal design
‑‑
generate，弹出的就是正交设计窗口：点击factor name框：输入a：单击add钮：单击define value钮：分别在value列的头三行输入1、2和3，单击continue钮，这样就定义好了变量a。按类似的方法定义好变量b、|c等的2-3个水平。单击ok，系统就输出一个新定义的数据集，前几个个变量就是要分析的a、b、c等变量，各个水平已经按正交设计的要求排列。随后正交设计分析用glm模块进行，具体操作如下：analyze-general linear model-univariate...dependent中选入应变量，在fixed factor中选入自变量。然后进入
model钮进行模型设置，设置模型为custom，然后选择需要分析的主效应和交互作用。然后确认，就可以得到所需要的结果。过程中要注意控制要素变量不宜过多，最多在10个左右，否则生成正交方案过多，要求的实验次数和样本数量也因此大量增加，加大操作难度。
[0052]
步骤3：通过vr全景建模渲染，借助vr全景设备和相关技术平台，构建城市街道环境虚拟仿真方案场景；
[0053]
在步骤3中，虚拟现实vr城市的具体方法可为：首先通过无人机航空倾斜测量、手持地面gps姿态相机测量、车载地面激光雷达点云测量数据导入三维实景建模软件进行空地一体实景渲染建模，实现多源现实数据的有机融合,并导入unreal engine 5虚拟引擎，构建虚拟现实vr城市场景；所述三维实景建模软件包括context capture、pix4d mapper、photoscan等。
[0054]
步骤4：通过佩戴vr头盔体验城市vr全景虚拟仿真街道，并根据个人偏好选择虚拟方案，设计调查问卷；
[0055]
在步骤4中，构建完城市街道环境虚拟仿真方案场景后，应当根据虚拟方案环境要素来设计调查问卷。然后找随机样本，其中包括不同类型人群，填写完人员基本信息问卷部分，用于给人群进行分类后，实验样本进行一定时间的vr眼镜适应，再进行正式实验；vr正式体验过程中实验样本可以通过访谈回复实验人员的问题,或者是vr体验结束后以笔答方式，最终完成sp环境偏好选择调查问卷部分。通过监控端实时观察体验者的视觉影像、身体运动的规律和异常特殊情况，并利用广角摄像机记录体验者的现场感受，实验后对实验过程进行回顾核对，及时对实验样本数据进行修正和补充，提高视觉感知精度。注意实验过程中建议录音录像，记录全过程实验者的肢体动作、视野转向及访谈记录，可以用来适当修正实验样本问卷数据的主观性误差。
[0056]
步骤5：结合叙述性偏好法(stated preference method，简称sp)的研究理论，采用统计软件stata se v15.1处理问卷数据，建立离散选择模型。
[0057]
在步骤5中，收集问卷样本数据后，首先进行信度及效度分析，确定有效样本数及有效率。受访人群要求覆盖青少年、中年和老年群体。样本中性别比例、居住时间等人数比例相对均衡，即样本整体结构相对均衡才可满足模型分析的要求。然后针对若干次虚拟城市街道环境选择记录进行模型拟合，建立离散选择模型。
[0058]
步骤6：通过模型拟合构建效用函数，研判各影响要素权重关系，根据离散选择模型的随机效用理论，行人选择对其效用最大的步行环境情景；
[0059]
在步骤6中，步行环境效用定义为：
[0060][0061]
其中：v为步行者从步行环境所能获得的总效用，αi表示各步行环境变量xi的效用系数。定性变量做虚拟变量处理。
[0062]
在模型拟合结果中可能出现部分城市街道环境变量统计显著性不足，按显著度从大到小的顺序依次去掉不显著的变量，重新建模，直至所有变量都显著为止(显著度小于0.1)，从而精简模型。
[0063]
步骤7：按照权重关系的绝对值从大到小依次排列，获得不同类型人群对于街道环境要素选择行为的偏好分析；
[0064]
在步骤7中，城市街道环境要素的影响程度是通过变量系数的绝对值反映的，按照绝对值从大到小依次排列，能得到环境因素的影响程度排序，反映出总体人群对于街道环境要素选择行为的偏好程度。同时，进一步地研究不同人群的休闲步行环境偏好有助于深入理解城市街道环境选择行为的多样性。例如比较不同样本的性别、年龄和地区等多方面的模型结果，模型拟合度若优于总体样本结果，则相比全样本模型解释能力就越好，更准确反映各类人群的偏好特征。从模型系数可看出，不同类型人群的关注城市街道环境要素不同，其偏好程度不同。
[0065]
步骤8：调研城市中具体实际街道中的环境要素，通过sp法的效用函数统计得出综合评价量表，有改造需求街道还可计算得出改善效果评价量表；
[0066]
在步骤8中，选择实际城市街区作为研究案例，应用模型结果进行分析评价。以相同水平的城市街道环境的最长可能路段为基本单元，进行分段并编号。评估城市街道环境质量，要在量化街道环境要素的基础上，结合离散选择模型，估算城市街道环境效用并作为评价结果。鉴于人们偏好在街道环境相对较好的一侧活动，故选择街道环境要素水平较高的一侧进行评价。以理论的最优路段效用和最差路段效用作为极大值和极小值，平均划分四个取值区间，将步行环境分成“优秀”、“良好”、“中等”、“较差”四个等级，对于街道环境现状进行整体评价。基于模型中的步行环境要素参数，以“行人效用提升最大化”为目标，能够进一步估计步行环境改善措施的实施效果。最终基于stata se v15.1软件统计能够形成综合评价量表和改善效果评价量表。
[0067]
步骤9：使用arcgis软件分析得到城市中实际街道环境的整体评价图，通过arcgis操作图层，图面仅保留街道网络，按照评价结果中的效用值大小确定所属等级，在arcgis中用四种颜色作为四种等级的代表，用以填充不同城市街道，最终形成可视化街道环境整体的现状评价图及改善后效果评价图。
[0068]
以上所述仅是一种基于vr全景视觉感知的街道环境质量评价方法的优选实施方式，一种基于vr全景视觉感知的街道环境质量评价方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。