1 背景

優(yōu)美宜人的城市景觀環(huán)境不僅給人審美愉悅感受，更和公共健康息息相關(guān)，是當前中國城市建設(shè)和風景園林學科的重要問題。以審美愉悅體驗為核心的環(huán)境感受，一直被國內(nèi)外學者認為是風景園林學科的核心問題之一[1-2]，它是一種與生存密切相關(guān)的直覺判斷[3]。近20～30年流行病學研究發(fā)現(xiàn)優(yōu)美的環(huán)境和公共健康密切相關(guān)[4]，城市景觀設(shè)計開始受到醫(yī)學和公共健康領(lǐng)域的重視[5]。

改善快速城市化引起的健康及環(huán)境問題，是風景園林學科的核心問題，也是當前國內(nèi)外風景園林學科發(fā)展和城市人居環(huán)境研究前沿[6-10]。2016年2月出臺的《中共中央國務(wù)院關(guān)于進一步加強城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》中明確提到，現(xiàn)階段城市建設(shè)管理工作的總體目標是“實現(xiàn)城市有序建設(shè)、適度開發(fā)、高效運行，努力打造和諧宜居、富有活力、各具特色的現(xiàn)代化城市，讓人民生活更美好”[11]。

高密高異質(zhì)性城市景觀容易誘發(fā)各種心理疾病，而優(yōu)美的景觀環(huán)境對公共健康有保護機制。盡管城市給人們帶來了便利的生活和更好的就業(yè)機會，但越來越多的證據(jù)表明快速的城市生活和高密度高異質(zhì)性城市街區(qū)景觀環(huán)境，容易誘發(fā)廣泛性焦慮、心境障礙和精神障礙等各種心理疾病[12]。高復雜度、高異質(zhì)性景觀風貌給視、聽等多維感官帶來認知負荷和壓力升高，進而誘發(fā)各種心理問題[13]。

雖然諸多證據(jù)表明在城市街區(qū)中提高可視化自然、環(huán)境宜人性等規(guī)劃設(shè)計干預可有效緩解壓力反應(yīng)并提高認知能力從而改善人的身心健康[14-16]，但是在實際規(guī)劃設(shè)計中如何快速識別出能引起人情緒壓力的空間要素卻是一個難題。本文旨在通過神經(jīng)生物測量，快速而有效地識別出引起人情緒壓力的空間點及其要素特征，評價其對認知和健康影響，并在此基礎(chǔ)上提出設(shè)計改進建議。

2 國內(nèi)外理論和實證研究進展

2.1 恢復性綠色自然可緩解城市環(huán)境誘發(fā)的長期壓力及相應(yīng)健康問題

由于其高密和高異質(zhì)性等特征，城市環(huán)境容易誘發(fā)人的長期壓力反應(yīng)影響健康[13]，而豐富自然要素的恢復性環(huán)境可以有效緩解這種壓力反應(yīng)，從而促進公共健康。綠色自然要素能夠有效地緩解城市環(huán)境誘發(fā)的情緒壓力[14]，對負面情緒起到一定的調(diào)節(jié)作用[16]，并且能夠進一步抑制炎癥[13]和焦慮反應(yīng)[16-17]。

更多接觸自然可以緩解上述應(yīng)激反應(yīng)的“恢復性（restorative）”影響，促進城市居民的健康。一項綠地布局和流行病分布的空間統(tǒng)計研究證據(jù)表明在公園1km半徑內(nèi)居住、經(jīng)常接觸綠地的居民，其冠心病、脖頸及肩周疾病、背部疾病、抑郁、焦慮、上呼吸道感染、氣喘、偏頭疼、頭暈、腸道疾病、尿路感染等諸多疾病的發(fā)病率顯著低于居住在離公園更遠地區(qū)的居民[17-18]。

2.2 景觀優(yōu)美度等設(shè)計考量對健康有直接影響

在作者對130個實驗進行系統(tǒng)性梳理的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)[19]，絕大部分文獻主要旨在量化評價自然和城市在健康影響方面的差異，很少考量空間設(shè)計對健康的影響。值得注意的是，有實驗表明即使是類似綠化程度的環(huán)境，自然與自然之間、城市與城市之間，對人的恢復性健康影響也存在較大差異，并不能簡單地認為自然環(huán)境一定比城市環(huán)境好[20]。

最新證據(jù)表明風景優(yōu)美程度可能比自然綠化對健康的影響更為直接。一項英國流行病學研究對英國全境疾病進行統(tǒng)計分布，同共基于20多萬張風景照片眾包（crowdsourcing）數(shù)據(jù)的風景優(yōu)美程度打分和英國了綠化覆蓋率進行了多元回歸分析[4]。研究結(jié)論發(fā)現(xiàn)在控制經(jīng)濟等外部變量之后，優(yōu)美程度對健康有顯著影響；當進一步控制優(yōu)美度后，綠化覆蓋率對健康的影響主要是城鄉(xiāng)之間的差異。

街道界面等設(shè)計要素都會影響我們對于環(huán)境的安全性評價，從而通過改變壓力應(yīng)激影響健康。當人們對環(huán)境的不安全感升高時，容易提高人的警覺度，誘發(fā)“下丘腦—垂體—腎上腺”壓力應(yīng)激反應(yīng)。對街安全性的研究發(fā)現(xiàn)[21]，街道界面、臨街建筑的體量和高寬比、行道樹樹冠比例等設(shè)計因素會顯著影響人們對于街區(qū)安全性的判斷，從而激發(fā)壓力應(yīng)激反應(yīng)。

2.3 神經(jīng)生物技術(shù)可以評價測量環(huán)境體驗對健康影響

近年來，國際研究前沿開始引入眼動儀、腦電波、肌電、心電等生理檢測技術(shù)，用以輔助以問卷和照片打分為主要數(shù)據(jù)收集手段的傳統(tǒng)心理感受研究。這些技術(shù)的引入突破了原有僅能使用照片打分、認知地圖和問卷訪談等間接方式來探索認知過程的方法，使實時采集人的實景實地感受信息成為可能。通過對環(huán)境視覺認知者腦電心電皮電等生理信號的采集，可以實時捕捉觀察受測者對于建筑、開放空間、綠色植物等多種不同特征環(huán)境的生理反應(yīng)及其健康影響。目前這種生理測量技術(shù)已運用于街道設(shè)計[22]、校園設(shè)計[23-24]、公路景觀[25]、城市環(huán)境[26]、室內(nèi)[27]等空間設(shè)計研究領(lǐng)域。

3 研究方法

本研究旨在利用神經(jīng)生物測量等一系列先進技術(shù)量化環(huán)境體驗，并在醫(yī)學和神經(jīng)認知學已有實證證據(jù)的基礎(chǔ)上進一步進行健康影響評價，提出基于健康影響評價的循證設(shè)計方法。具體包括測量高密高異質(zhì)性街區(qū)中不同環(huán)境空間要素組合對人的健康影響，分析識別具體案例中最容易誘發(fā)壓力和認知負荷的空間要素，針對性地提出設(shè)計干預策略并依托增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行績效預估。

主要采用循證設(shè)計的“知識—診斷—干預—評估—知識”路徑，就具體案例提出解決策略，并通過對個案的量化薈萃分析歸納總結(jié)出普適性結(jié)論。其中診斷是重點，也是主要創(chuàng)新點。在分析診斷中，我們先利用生理測量，識別街區(qū)環(huán)境中造成健康影響的重要節(jié)點。在確定了若干節(jié)點基礎(chǔ)上，進一步鎖定節(jié)點中具體哪些空間要素組合導致了認知過程中能耗和負荷增加，并對此采取相應(yīng)的對策。

我們將研究分解成街區(qū)和節(jié)點兩個尺度，分別進行了預實驗，接下來的章節(jié)將就兩個預實驗結(jié)論及相應(yīng)的進展予以進一步介紹。

4 街區(qū)尺度負面情緒影響源的空間診斷

4.1 研究目的

街區(qū)尺度負面情緒影響源的空間診斷旨在通過神經(jīng)生物測量鎖定引起情緒，特別是負面情緒的空間節(jié)點，并進行相應(yīng)規(guī)劃干預。

在街區(qū)尺度，通過便攜式生物反饋儀，采集實時實景下，實際環(huán)境使用群體的自主神經(jīng)反應(yīng)（皮電、心電、皮溫、呼吸等），通過情感計算[28-29]來解析受環(huán)境影響下人的生理情緒和壓力變化，并與問卷量表和標簽等主流方法進行三角互證（triangulation），檢驗在實景環(huán)境下生物指標情感計算的信度。通過和GPS時間序列數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)情緒反應(yīng)和地理數(shù)據(jù)的空間匹配，制作情緒地圖進行環(huán)境情緒壓力診斷。

在診斷識別基礎(chǔ)上，針對具體案例通過優(yōu)化布局主要活動空間、優(yōu)化交通組織等規(guī)劃策略，對識別的高健康負影響節(jié)點進行干預。并結(jié)合社區(qū)參與等手段對績效進行評估。研究主要用到“情感地圖”技術(shù)融合GPS時空間軌跡的新技術(shù)。作者在對大量實驗結(jié)論進行綜述和量化薈萃分析的基礎(chǔ)上[19]，對此技術(shù)進行了小樣本前期預實驗。

4.2 預實驗及其發(fā)現(xiàn)

由于現(xiàn)有的文獻主要集中于室內(nèi)靜坐時照片或錄像刺激的神經(jīng)生物指標采集或者對于實景行走的訪談或問卷數(shù)據(jù)采集，我們并不知道神經(jīng)生物指標是否可以用于實景環(huán)境行走條件下。我們預實驗的目的旨在確定神經(jīng)生物指標對于確定環(huán)境感受的有效性和可靠性。

在預實驗中，我們選取了校園中一段大約10分鐘的步行環(huán)境，里面包括教學區(qū)、運動健身區(qū)、生活區(qū)、自然休閑區(qū)等。我們招募了4位被試（圖1），每位被試在同樣的路線上行走3次，一共獲得12組10分鐘數(shù)據(jù)。我們采集了心電、腦電、皮電、皮溫、呼吸、皺眉肌肌電數(shù)據(jù)，采樣率為256幀每秒。獲得的數(shù)據(jù)在matlab平臺，再經(jīng)過數(shù)據(jù)重采樣、濾波降噪預處理、時頻分析等信號分析后，利用美國精神衛(wèi)生署（National Institute of Mental Health，簡稱NIMH）的情緒生理測量技術(shù)[29]，將神經(jīng)生物信號數(shù)據(jù)線性擬合成能夠描述1幀每秒的情緒效價（正情緒或負情緒）和喚醒度（情緒的強烈程度），再進一步和GPS收集的1幀每秒地理位置信息做數(shù)據(jù)融合。

預實驗的生理測量結(jié)果表明（圖2），情感地圖技術(shù)較好地識別引起負面情緒壓力的健康負影響源（紅色的環(huán)境2，3和4）和正面情緒促進源（綠色的1，6，7和8）。其中環(huán)境2和3由于周邊建筑體量過大、人車混行并且人需要穿行停放車輛較多的場地，故容易引起負面情緒壓力。環(huán)境4因需要橫穿有較多車輛的主要車行交通通道，故也容易引起負面情緒壓力。其中環(huán)境6、7、8都緊鄰開放綠地，而環(huán)境1緊鄰籃球場地，有較多有趣的活動。在生理測量的同時，我們也采用了訪談式標簽制圖[30]以及環(huán)境萊克特（Likert）情緒量表等常用的環(huán)境評價手段，發(fā)現(xiàn)與生理測量結(jié)果吻合非常好。

1 實驗者穿戴實驗裝置Participants with wearable bio-sensors

2 基于預實驗采集數(shù)據(jù)所繪情感地圖Affective map based on biofeedback data collected during environmental walk in pilot study

通過情緒刺激源識別，我們對引起負面情緒的空間進行了設(shè)計改進。當我們識別出環(huán)境3后，我們通過和被試一起觀看行走錄像，并對被試進行深入訪談，理解被試在環(huán)境3情緒壓力的主要來源。通過訪談我們了解到，環(huán)境3主要因為周圍建筑體量較大，缺乏人性尺度設(shè)計，加上原有停車空間考慮不夠，導致人行道被占用，所以穿越時引起明顯不適。在這種因素下，我們嘗試對環(huán)境3進行了改進設(shè)計，將停車和人行空間分開（圖3）。

4.3 預實驗意義和下一階段研究

預實驗發(fā)現(xiàn)目前主要應(yīng)用在實驗室照片錄像刺激下的神經(jīng)生物信號能較好地反映實景環(huán)境行走下的情緒及其負面壓力。我們的預實驗成果先后在德國Real Corp城市規(guī)劃和區(qū)域發(fā)展信息地理科技年會[31]、英國MMP情緒及移動性空間研究會議[32]、中國環(huán)境行為學年會[33]、中國人類工效學學會年會[34]等多個國際會議中取得良好反映。

鑒于預實驗人群樣本過少（4人），實驗環(huán)境相對單一，下一階段的研究計劃會擴展到城市街道，將選取具有典型特征的城市街道，探索高密高異質(zhì)性的城市空間和城市街道中導致負面情緒的主要空間節(jié)點，并嘗試通過設(shè)計緩解這種負面影響。

5 節(jié)點尺度認知壓力源的空間診斷

5.1 研究目的

節(jié)點尺度認知壓力源空間診斷旨在進一步深入了解引起環(huán)境情緒壓力的認知神經(jīng)學機制，以及具體引起認知壓力的環(huán)境要素空間特征，以此指導設(shè)計。

在節(jié)點尺度，利用腦電和眼動深入剖析具體環(huán)境認知過程，有效識別影響健康的關(guān)鍵空間要素組合，并進行相應(yīng)設(shè)計干預。然后，通過專家調(diào)查識別出高密高異質(zhì)性的環(huán)境節(jié)點。在此基礎(chǔ)上，利用腦電儀和眼動儀，在實驗室環(huán)境下采集使用者的腦電信號，結(jié)合環(huán)境恢復性量表、數(shù)字廣度測試等信度校核，綜合考察環(huán)境暴露前后的認知負荷和注意力耗損情況。將心理物理實驗數(shù)據(jù)與腦電信號和眼動信號進行特征匹配，進一步計算腦功能網(wǎng)絡(luò)的效率和能耗，進行注意力耗損評價，并通過腦電眼動的注視時間熱點圖識別潛在的高認知負荷要素。在診斷識別基礎(chǔ)上，針對具體案例進行設(shè)計優(yōu)化，如綠化引入、景觀整治、視覺引導、噪聲降低等。并結(jié)合選擇增強現(xiàn)實（適用于現(xiàn)狀環(huán)境復雜、設(shè)計調(diào)整簡單的情況）或虛擬現(xiàn)實（適用于現(xiàn)狀環(huán)境簡單、設(shè)計調(diào)整復雜的情況）技術(shù)對績效進行評估。

3 對高誘發(fā)負情緒環(huán)境3的設(shè)計干預Design intervetion towards environment 3 which triggered high negatine emotions3-1 環(huán)境3現(xiàn)場照片Photo of existing condition of environment 33-2 環(huán)境3現(xiàn)狀平面圖Existing plan of environment 33-3 環(huán)境3改進平面圖Proposed plan of environment 33-4 環(huán)境3現(xiàn)狀剖面圖Existing section of environment 33-5 環(huán)境3改進剖面圖Proposed section of environment 3

4 高低恢復性實景環(huán)境及相應(yīng)腦功能網(wǎng)絡(luò)效率High and low restorative enviroments and correspend brain functional connectivity of the participants sitting in them4-1 高恢復性自然實景環(huán)境High restorative natural environment4-2 低恢復性城市實景環(huán)境Low restorative urban environment4-3 自然實景環(huán)境中腦功能網(wǎng)絡(luò)效率In situ natural environmental experience and the brain functional connectivity of the participants sitting in the environment4-4 城市實景環(huán)境腦功能網(wǎng)絡(luò)效率In situ urban environmental experience and the brain functional connectivity of the participants sitting in the environment

5.2 預實驗及其發(fā)現(xiàn)

我們通過對采集的腦電數(shù)據(jù)進行時序相關(guān)和功能網(wǎng)絡(luò)分析，其分析結(jié)果表明環(huán)境的有序度可影響人的認知負荷，進而影響健康。

我們選取了32位健康被試并隨機分配到在初期行走實驗和問卷中表現(xiàn)的能激發(fā)有高正面和高負面情緒的2種環(huán)境中。被試在上述環(huán)境中靜坐20分鐘，觀察周圍環(huán)境。我們測量他們?nèi)虒嵕办o坐體驗時的腦電信號（EEG），并測量他們在靜坐前后的情緒變化、體驗和注意力疲勞（圖4）。

我們的研究發(fā)現(xiàn)，在高正面情緒的環(huán)境中，人腦功能網(wǎng)絡(luò)能更為有效，同時大腦能耗更少（圖5）。通過進一步對比，我們發(fā)現(xiàn)這種大腦效率和環(huán)境有序度感受統(tǒng)計相關(guān)，而在上述兩個環(huán)境中，高速運動的車輛、刺眼的光照、刺耳的喇叭聲等都會明顯地影響有序度。

在此研究基礎(chǔ)上，我們提出了整治街道景觀改善景觀有序度，并通過增加垂直綠化、水池、吸音墻等手段隔離或減緩負面環(huán)境影響源，以降低環(huán)境認知負荷，緩解環(huán)境引起的負面情緒和壓力。

5.3 預實驗意義和下一階段研究

預實驗證實了環(huán)境和諧感受對于認知注意力的促進影響，為設(shè)計美學價值提供了強有力的神經(jīng)學和醫(yī)學證據(jù)。環(huán)境的和諧性一直是設(shè)計的核心議題，也是環(huán)境心理學的核心議題，同時也是環(huán)境對于認知注意力恢復性影響的核心因素[35]，但它通過什么機制造成影響仍然不得而知。通過實時實景環(huán)境體驗的腦電記錄，預實驗發(fā)現(xiàn)這種環(huán)境和諧感也許反映了更深層的大腦活動，即自然信息能夠被更高效地（以低頻波的形式）信息傳遞。這種高效的信息傳遞，同時表現(xiàn)為和高級認知相當?shù)模ㄝ^高的）底層視覺低頻波，以及大腦內(nèi)部之間突出的低頻段信息傳遞。預實驗成果除了在國內(nèi)風景園林[36]和建筑規(guī)劃學術(shù)期刊[37]發(fā)表，同時受到生物醫(yī)學界的肯定，發(fā)表在生物及醫(yī)學SCI3區(qū)期刊[38-39]。

在下一階段，在探索了高恢復性的自然環(huán)境和低恢復性的城市環(huán)境對認知負荷和注意力耗損差異以及相應(yīng)腦功能影響的基礎(chǔ)上，我們進一步利用眼動和虛擬現(xiàn)實拓展探索這些差異究竟是受到哪些具體空間要素影響導致。研究選取了更為豐富環(huán)境組合，如不同開放程度的街道空間、同一容積率和建筑密度下不同空間組合等，更具針對性地探索具體環(huán)境空間中對于影響認知負荷和注意力耗損的主要景觀要素。在第一期的研究中，我們采用了眼動和虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究不同綠視率和街道界面要素條件下街道的環(huán)境恢復性影響評價及因果機制分析（圖6-1、6-2）。我們進一步計劃同同濟大學軟件學院計算機視覺團隊合作（圖6-3），采用團隊帶頭人勞倫特·伊緹（Laurent Itti）著名的顯著性檢測技術(shù)[40]，具體分析街道感受的認知原理。

5 正面情緒刺激環(huán)境和負面情緒刺激環(huán)境對腦功能網(wǎng)絡(luò)效率的影響The impact of positive emotional stimuli and negative emotional stimuli on human brain functional connectivity

6 對于綠視率和街道界面的虛擬現(xiàn)實實驗Visual reality experiment on the impact of green view ratio and street facade6-1 綠視率和街道界面要素組合一及其眼動熱力圖The combined impact of green view ratio (scenario 1) and street fa?ade on eye-tracking heatmap6-2 綠視率和街道界面要素組合二及其眼動熱力圖The combined impact of green view ratio (scenario 2) and street fa?ade on eye-tracking heatmap6-3 虛擬現(xiàn)實實驗Visual reality experiment

6 結(jié)語

實證證據(jù)表明高密高異質(zhì)性城市環(huán)境對心理健康有負面影響[13]。如何在不影響城市空間功能的前提下優(yōu)化綠化空間布局及設(shè)計，緩解高密城市街區(qū)環(huán)境對健康的負面影響，是風景園林學科的核心問題和研究前沿，也是當前中國城市建設(shè)的重點問題。

本研究探索了如何通過神經(jīng)生物手段來測量評價在行走和靜坐等實時實景體驗環(huán)境中，高密高異質(zhì)性城市街區(qū)環(huán)境對城市居民心理情緒和認知水平等的健康影響。通過這種測量，我們可以識別造成負面壓力的空間環(huán)境壓力源以及具體場景空間要素的特征，并在此基礎(chǔ)上通過規(guī)劃設(shè)計干預盡可能減小負面影響。通過在高密高異質(zhì)性城市街區(qū)開放空間中重新整合優(yōu)化流線、增加環(huán)境有序度等手段可有效地降低壓力應(yīng)激及其引起的免疫下降等健康相關(guān)的連鎖反應(yīng)。這種健康影響可較好地通過神經(jīng)生物手段來測量，并通過循證設(shè)計有效導入規(guī)劃設(shè)計實踐。

這種基于神經(jīng)生理證據(jù)的健康實證研究的新思潮，在國際環(huán)境設(shè)計領(lǐng)域引起了研究范式革命。美國建筑師協(xié)會（American Institute of Architects，簡稱AIA） 2003年成立了建筑神經(jīng)科學分會（the Academy of Neuroscience for Architecture，簡稱ANFA），美國風景園林學科評估委員會（Landscape Architecture Accreditation Board，簡稱LAAB）也將健康納入最新的學科核心考量要素。美國環(huán)境行為學會( Environmental Design and Research Association，簡稱EDRA)更將2015年年會主題確定為“頭腦風暴：環(huán)境行為和神經(jīng)科學的動態(tài)互動”（BrainSTORM: Dynamic Interactions of Environment-Behavior and Neuroscience），2016年年會4個主題報告全部與環(huán)境設(shè)計的健康實證研究有關(guān)。中國也有不少學者系統(tǒng)性介紹了這種新的研究范式，并開展了一系列研究[7-8，20，36-37]。這種基于神經(jīng)生物和醫(yī)學實證研究的新趨勢，將會顯著加強風景園林規(guī)劃設(shè)計實踐的理論和科學基礎(chǔ)，鞏固和提高風景園林在相關(guān)行業(yè)中的競爭力和專家地位。

注釋：

圖1為作者自攝；圖2詳見參考文獻[23]；圖3中，圖3-1為作者自攝，其它由何曉帆繪制；圖4為作者自攝和自繪；圖5為作者自繪；圖6詳見參考文獻[36]。

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