基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)和城市感知的碳排評(píng)價(jià)方法
——以都江堰為例

張雨舟， 鄧穎睿

（1. 成都市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司；2. 四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院）

1 研究現(xiàn)狀

城市感知相關(guān)：居民對(duì)街景圖像的感知?jiǎng)t是這種動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)的具體體現(xiàn)，該類(lèi)感知稱(chēng)為場(chǎng)景感知，場(chǎng)景感知是指居民對(duì)城市場(chǎng)景的心理感受和認(rèn)知[1]。城市因?yàn)楠?dú)有的形狀、氛圍、規(guī)模等會(huì)帶給觀察者不同的感受。居民對(duì)街景圖像的感知是一種對(duì)場(chǎng)景感知?jiǎng)討B(tài)關(guān)聯(lián)的具體體現(xiàn)，該類(lèi)感知稱(chēng)為場(chǎng)景感知，場(chǎng)景感知是指居民對(duì)城市場(chǎng)景的心理感受和認(rèn)知[2]。Lynch[3]進(jìn)一步從理論上解釋調(diào)查問(wèn)卷可行的原因。Jane Jacobs[4]在“街道眼”理論中提出，可能因職業(yè)背景等不同，而導(dǎo)致視覺(jué)場(chǎng)景感受不同。Naik[5]Dubey[6]分別創(chuàng)建了和完善了視覺(jué)感知數(shù)據(jù)集Place Pulse。

碳排放相關(guān)：“低碳”理念由英國(guó)于2003年在《能源白皮書(shū)》中提出。中國(guó)在2006年頒布了碳排放相關(guān)文件：《氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告》與《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》。2008年提出“低碳城市”的概念，并在該理念下，形成一系列理論研究成果，如“空間規(guī)劃”與碳排放強(qiáng)相關(guān)等結(jié)論[7-9]，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)合理的城市規(guī)劃可以有效降低碳排放，形成了“多規(guī)合一”的國(guó)土空間規(guī)劃體系，主要是利用總體規(guī)劃[10]、城鄉(xiāng)總體規(guī)劃[11]、控制性詳細(xì)規(guī)劃[12]等傳統(tǒng)方法與“低碳”理念相結(jié)合。

計(jì)算機(jī)相關(guān)：隨著如百度地圖API 的開(kāi)放以及GIS 的普及，為從視覺(jué)感知角度研究城市相關(guān)課題提供基礎(chǔ)。2014年，Quercia[13]通過(guò)眾包采集街道圖像以及對(duì)應(yīng)標(biāo)簽。同年，由Arietta[14]使用支持向量機(jī)構(gòu)建回歸模型，實(shí)現(xiàn)基于圖像預(yù)測(cè)非視覺(jué)屬性。2017年，Cheng[15]提出了表征街道視覺(jué)感知的四種指標(biāo)：顯著區(qū)域飽和度、視覺(jué)熵、綠色視圖指數(shù)和天空開(kāi)放指數(shù)。2018年開(kāi)始，Zhang 率先提出場(chǎng)景元素由街景本體和街景視覺(jué)組成的理念，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建表示框架，而后Porzi、Naik和Liu分別使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）、SS-CNN 與RSS-CNN 等模型用于城市感知研究[16-18]。

2 模型過(guò)程

本文是基于城市感知對(duì)碳排放評(píng)價(jià)問(wèn)題的研究，其過(guò)程類(lèi)似馬爾科夫決策過(guò)程（MDP）。本文構(gòu)建強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型，設(shè)計(jì)Reward 函數(shù)等，使用深度學(xué)習(xí)解決相關(guān)策略問(wèn)題，以視覺(jué)特征等作為模型輸入，通過(guò)眾包完成數(shù)據(jù)標(biāo)注，構(gòu)建一個(gè)碳排放評(píng)價(jià)方法。其具體過(guò)程如圖1所示。

圖1 模型示意圖

2.1 專(zhuān)家參與

根據(jù)“街道眼”理論[5]，需領(lǐng)域?qū)＜腋鶕?jù)自身領(lǐng)域知識(shí)對(duì)數(shù)據(jù)選取、特征選取等進(jìn)行選擇和優(yōu)化，以減少可能存在的影響主觀偏差的因素影響。為此，本研究與城市規(guī)劃、計(jì)算機(jī)、風(fēng)景園林等相關(guān)領(lǐng)域11名相關(guān)人員進(jìn)行合作完成工作：一是初始數(shù)據(jù)篩選；二是功能區(qū)域劃分；三是對(duì)有爭(zhēng)議數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；四是根據(jù)領(lǐng)域知識(shí)修正強(qiáng)化學(xué)習(xí)所需Q值。

2.2 輸入及描述

本文選取的特征分為四類(lèi)，具體見(jiàn)表1。

表1 特征類(lèi)別和描述

3 模型

3.1 基于圖像特征建模

基于前人研究成果，本文構(gòu)建了一個(gè)城市碳排放評(píng)價(jià)模型，其中使用強(qiáng)化學(xué)習(xí)的部分其原理如圖2所示。

圖2 State和Action交互過(guò)程

為獲得較好性能，本文使用特征的線性組合作為獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)，其表達(dá)式如下：

按照[19][20]研究結(jié)論進(jìn)行了特征?(s,a)選取和權(quán)重ω設(shè)計(jì)，完成了MDP 所需Reward 函數(shù)設(shè)計(jì)，而后本文確定使用DRL的方法尋找最優(yōu)策略，用以解決真實(shí)世界的復(fù)雜決策問(wèn)題。本文模型中的Action是離散行為，因此本文確定使用在離散動(dòng)作空間有較好效果的D3QN算法。

3.2 輸出描述

本文模型是對(duì)圖片低碳 “是與否”的分類(lèi)問(wèn)題。模型輸出：圖片低碳“是與否”的分類(lèi)；在確保準(zhǔn)確率的同時(shí)，盡可能降低Kullback-Leibler散度（KLD），使得能夠模擬人類(lèi)感知的水平。研究結(jié)論獲取：在上述基礎(chǔ)上，首先統(tǒng)計(jì)影響判斷的因素，分為與低碳判斷正相關(guān)和負(fù)相關(guān)兩類(lèi)，而后擬合低碳相關(guān)影響因素的數(shù)值（像素占比或數(shù)量），然后利用KLD為數(shù)值設(shè)置閾值（對(duì)于正相關(guān)的值取并集得到，而負(fù)相關(guān)的則取交集得到），以此得到理想狀態(tài)下，兼顧生活舒適度和低碳的理論值。

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

選取分類(lèi)準(zhǔn)確率（AUC）和KL 散度（KLD）作為模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)，旨在衡量模型的分類(lèi)準(zhǔn)確度以及視覺(jué)感知水平。分別使用了SAC、PPO 和D3QN 進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，最后結(jié)果如表2所示。

表2 SAC、PPO和D3QN對(duì)比數(shù)據(jù)表

4.2 對(duì)像素占比的碳排感知

為了了解像素占比對(duì)空間碳排的感知影響程度，對(duì)同時(shí)被專(zhuān)家和受調(diào)查人員同時(shí)標(biāo)注的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)天空、墻體、道路、建筑、城市家具、綠化擬合的像素占比如圖3所示，低碳環(huán)境與綠化、天空和城市家具正相關(guān)，與建筑、道路和墻體負(fù)相關(guān)。建筑、天空和綠化對(duì)碳排感知有明顯的影響，而墻體、道路、城市家具對(duì)碳排感知有明顯次一級(jí)影響。

圖3 像素占比圖

結(jié)合KLD值對(duì)擬合數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而得出基于城市感知下的低碳環(huán)境的理論值，以此作為優(yōu)化城市界面參考依據(jù)。理論值如圖4所示。

圖4 優(yōu)化城市界面參考依據(jù)

4.3 對(duì)數(shù)量類(lèi)的碳排感知

為了解數(shù)量類(lèi)對(duì)空間碳排的感知影響程度，本文對(duì)車(chē)輛、公交車(chē)、自行車(chē)、摩托車(chē)等數(shù)量進(jìn)行換算后分析，車(chē)輛、電桿、路燈、裸露電線與低碳負(fù)相關(guān)，公交車(chē)、自行車(chē)、摩托車(chē)與低碳正相關(guān)，理論值如圖5所示。

圖5 理論值對(duì)比圖

5 都江堰碳排城市感知結(jié)果

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，都江堰理論值如上述，屬于較高水平，但依舊存在以下問(wèn)題。

1）老城區(qū)綠化覆蓋率較低

都江堰是生態(tài)旅游城市，又處在成都西控方向，城市開(kāi)發(fā)為限制性發(fā)展，故都江堰綠化整體保持在較高水平。但實(shí)驗(yàn)中可以看出局部問(wèn)題：老城區(qū)綠化較少，造成主要原因：一是老城區(qū)在建設(shè)過(guò)程中缺少統(tǒng)一規(guī)劃，綠化樹(shù)池本身就少，且大部分綠化帶被違規(guī)占用，居民自種農(nóng)蔬；二是近兩年的都江堰老舊小區(qū)改造主要是在小區(qū)內(nèi)部，街道的綠化改造明顯不足。綠化是對(duì)低碳感知最重要的因素，因此低綠化率的老城區(qū)讓人們無(wú)法感知低碳。

2）商業(yè)區(qū)大型車(chē)輛疏導(dǎo)未進(jìn)行交通管制

通過(guò)對(duì)交通路網(wǎng)、熱力圖、不同時(shí)期的街景圖分析，都江堰商業(yè)區(qū)，對(duì)車(chē)輛類(lèi)型沒(méi)有交通管制，人流車(chē)流混雜，大型車(chē)輛，如卡車(chē)也是進(jìn)出人口密集的商業(yè)街區(qū)中。對(duì)行人造成了不友好的通行體驗(yàn)，也間接造成區(qū)域排碳量高的感知。

3）景區(qū)可視能耗設(shè)備較多

都江堰景區(qū)的光彩工程設(shè)備較多時(shí)，設(shè)備設(shè)施大多采用明線、外露安裝，導(dǎo)致人群感知該區(qū)域的能耗較大。

6 結(jié)語(yǔ)

本文研究從一定程度上幫助建立了完整的城市碳排評(píng)價(jià)體系，并取得了較高的準(zhǔn)確性。但仍存在一定的不足，一是對(duì)碳排主觀感受問(wèn)題僅進(jìn)行了簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)化，即主觀居住舒適度；二是忽略了參與調(diào)查者的相關(guān)知識(shí)背景、年齡、是否長(zhǎng)期居住于當(dāng)?shù)氐扔绊懀蝗菂⑴c調(diào)查者人數(shù)較少導(dǎo)致的數(shù)據(jù)集較小；四是預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度仍有提高空間，對(duì)城市管理工作針對(duì)性仍有較大提升空間。為此下一步工作則是針對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，以期達(dá)到更好效果。