陳 箏 劉 頌

以審美體驗(yàn)為核心的環(huán)境感受一直是國(guó)內(nèi)外風(fēng)景園林領(lǐng)域的核心問(wèn)題[1-3]。有學(xué)者認(rèn)為審美感受是人對(duì)于環(huán)境的情緒判斷，它同理性判斷互為補(bǔ)充[1]。進(jìn)化環(huán)境心理學(xué)學(xué)者進(jìn)一步認(rèn)為，審美感受背后是人長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中積累的經(jīng)驗(yàn)判斷，其審美偏好不僅帶來(lái)了愉悅的環(huán)境體驗(yàn)，更反映著和人們生存相關(guān)的環(huán)境決策[4]，其中西方的疏林草地景觀[5]和中國(guó)的文人園林[1]就是2種適宜人居的自然環(huán)境代表。人類對(duì)環(huán)境的審美反映，可能是其在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成的與生存條件相關(guān)的本能判斷，比如喜歡有庇護(hù)的環(huán)境可能是出于早期生活中對(duì)于躲避野獸追擊的需求，而喜歡可以瞭望的環(huán)境可能是出于狩獵需求等[6-7]。人們對(duì)自然環(huán)境的審美偏好，可能也是出于某種未被完全認(rèn)知的生理需求[8]。

雖然環(huán)境情緒感受非常重要，但由于它常?；逎y以付諸言語(yǔ)，所以描述或測(cè)量起來(lái)卻并不容易。目前基于抽象描述和心理學(xué)的方法存在一定的弊端，而隨著認(rèn)知神經(jīng)學(xué)、可穿戴傳感器技術(shù)和生物信號(hào)數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)可穿戴傳感器來(lái)測(cè)量實(shí)時(shí)環(huán)境情緒感受評(píng)價(jià)成為可能。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)嘗試驗(yàn)證實(shí)時(shí)環(huán)境情緒感受的技術(shù)方法。

1 傳統(tǒng)的環(huán)境感受度量方法及其局限性

中國(guó)古典園林和風(fēng)景園林設(shè)計(jì)理論很多都采用委婉含蓄的抽象描述來(lái)傳遞情緒感受[9]。環(huán)境心理學(xué)者通過(guò)心理學(xué)的萊克特梯度量表(likert scale)，對(duì)篩選的照片進(jìn)行打分，從而得到受測(cè)者對(duì)于每張照片的心理感受一個(gè)量化指標(biāo)。通過(guò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而發(fā)現(xiàn)審美偏好的普遍規(guī)律，即不同受測(cè)者對(duì)于不同照片所普遍存在的連鎖反應(yīng)現(xiàn)象。

但基于抽象描述和心理學(xué)萊克特梯度量表的測(cè)量方法仍然存在諸多問(wèn)題。這2種方法首先都要求參與者具備一定的經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)知識(shí)，在經(jīng)驗(yàn)或知識(shí)不足的情況下都容易造成信息傳遞障礙。為了減小這種影響，更好地采集理解非專業(yè)者真實(shí)的環(huán)境感知，密西根大學(xué)的盧斯克(Ann Lusk)提出了“標(biāo)簽分析”方法[10]。盧斯克選取了她認(rèn)為8個(gè)最為重要的空間認(rèn)知因素，分別是：起點(diǎn)、可以有到達(dá)感的重要節(jié)點(diǎn)、宜人的場(chǎng)所、具有空間定位作用的地點(diǎn)、宜人的路段、無(wú)聊的路段、惱人的事物或地點(diǎn)、宜人的視線。隨后盧斯克將有這8個(gè)要素附上說(shuō)明，制作成不同的貼紙發(fā)給普通民眾，讓他們?cè)诘貓D上標(biāo)出來(lái)相應(yīng)的位置。

2 利用可穿戴傳感器的實(shí)時(shí)環(huán)境情緒感受測(cè)量技術(shù)方法及應(yīng)用

可穿戴傳感器是可穿戴設(shè)備的重要組成部分，如可以監(jiān)控皮膚出汗情況的皮電傳感器(skin conductance sensor)、監(jiān)控皮膚溫度調(diào)節(jié)的皮溫傳感器(skin temperature sensor)、監(jiān)控心血管活動(dòng)的心電傳感器(electrocardiogram sensor，簡(jiǎn)稱EKG/ECG)、監(jiān)控大腦活動(dòng)的腦電傳感器(electroencephalogram sensor，簡(jiǎn)稱EEG)、監(jiān)控呼吸活動(dòng)的呼吸傳感器(respiration sensor)等。受到下丘、交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)等神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)，情緒體驗(yàn)會(huì)表現(xiàn)為一系列的生理反應(yīng)，而這些生理反應(yīng)對(duì)于環(huán)境刺激可形成毫秒級(jí)的響應(yīng)，甚至包括不被人充分自覺(jué)的域下知覺(jué)，而這些生理反應(yīng)可以較為準(zhǔn)確快速地被生物傳感器測(cè)量[11]。隨著傳感技術(shù)的不斷進(jìn)步，可穿戴傳感器監(jiān)測(cè)精度迅速提高，并向便攜性、小型化方向發(fā)展，使這些可穿戴傳感器不僅是健康、醫(yī)療、運(yùn)動(dòng)、工業(yè)和軍事等領(lǐng)域的傳感測(cè)量工具，也成為環(huán)境設(shè)計(jì)領(lǐng)域中獲取環(huán)境感受的重要工具。

圖1 利用實(shí)景行走中采集的皮電數(shù)據(jù)繪制行人的空間壓力應(yīng)激情況(編譯自Bergner，2013：415)

利用可穿戴設(shè)備采集神經(jīng)生物電反應(yīng)，從而觀察記錄實(shí)時(shí)實(shí)景環(huán)境體驗(yàn)是一種研究環(huán)境綜合體驗(yàn)評(píng)價(jià)新技術(shù)。有先驅(qū)學(xué)者利用皮電、腦電技術(shù)來(lái)測(cè)量行走中的體驗(yàn)，識(shí)別情緒壓力源，分析評(píng)價(jià)環(huán)境對(duì)人的情緒體驗(yàn)和認(rèn)知功能的影響。

2.1 利用皮電傳感器識(shí)別城市環(huán)境中的壓力源

德國(guó)凱撒斯勞滕大學(xué)的本杰明·伯格納(Benjamin Bergner)采集了實(shí)景環(huán)境行走中行人的皮電反應(yīng)加以分析識(shí)別行進(jìn)空間中潛在的壓力[12]。皮電或稱皮阻記錄的是皮膚導(dǎo)電特征，由于皮電受皮膚的汗液分泌情況影響顯著，所以是一個(gè)較好反映情緒壓力的生理指標(biāo)。伯格納等人利用實(shí)時(shí)實(shí)景的皮電數(shù)據(jù)，通過(guò)和空間GPS數(shù)據(jù)同步分析進(jìn)而識(shí)別出潛在的空間環(huán)境壓力源。

伯格納等人對(duì)埃及亞歷山大港濱水步行道的皮電數(shù)據(jù)分析表明，在更靠近海岸一側(cè)的步行道(圖1-2)行人行走時(shí)感受壓力的強(qiáng)度和頻度要明顯低于在更靠近城市一側(cè)的行人(圖1-3)。無(wú)論是在海岸一側(cè)還是城市一側(cè)，特別是在車行道路交叉口的地方人們都會(huì)顯得比較緊張，這種緊張程度也表現(xiàn)出和道路車流量有一定關(guān)系：車流量越高，人的緊張程度也相應(yīng)越高。

2.2 利用便攜腦電傳感器捕捉步行環(huán)境中的焦慮、注意和冥想情緒

愛丁堡大學(xué)的彼得·阿斯皮納爾(Peter Aspinall)及其同事利用14個(gè)電極的便攜式腦電儀采集了實(shí)景行走中行人的腦電數(shù)據(jù)，并對(duì)他們腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行加工分析(圖2)[13]。相對(duì)于皮電，腦電數(shù)據(jù)的信噪比要差一些，但可挖掘的數(shù)據(jù)信息要豐富很多。

在實(shí)驗(yàn)中，佩戴便攜腦電儀的被試行人依次穿過(guò)購(gòu)物街區(qū)、綠色自然和繁忙的商業(yè)區(qū)。研究者利用儀器開發(fā)商基于機(jī)器學(xué)習(xí)的腦電情緒分析模塊，對(duì)采集的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，試圖理解行人當(dāng)時(shí)的環(huán)境體驗(yàn)。阿斯皮納爾等人的研究發(fā)現(xiàn)，在從城市街區(qū)進(jìn)入綠化較好的自然環(huán)境時(shí)，行人表現(xiàn)出更平靜的情緒，更少的受挫焦慮感受和主動(dòng)注意力，同時(shí)呈現(xiàn)出更多的冥想思維活動(dòng)。自然環(huán)境引起的這種恢復(fù)性感受特征和環(huán)境心理學(xué)家開普蘭夫婦的恢復(fù)性自然理論呈現(xiàn)出較好的一致性[8,14]。

3 利用多導(dǎo)生物傳感器測(cè)量描述環(huán)境體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)

在上述2個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，希望進(jìn)一步尋找可以將皮電、腦電，甚至更多生理信號(hào)納入的普適性生理情緒測(cè)量模型。這個(gè)工作首先必須更好地量化描述情緒。雖然情緒看上去很復(fù)雜，但心理學(xué)家發(fā)現(xiàn)其實(shí)大部分情緒可以簡(jiǎn)化成一個(gè)由情緒效價(jià)(valence)和情緒喚醒度(arousal)組成的二維模型[15](圖3)。其中情緒效價(jià)(即圖中的縱軸)描述喜好程度，從喜歡(第一、第二象限)到不喜歡(第三、第四象限)；而情緒喚醒度(即圖中的橫軸)描述興奮程度，從低興奮度(第二、三象限)到高興奮度(第一、第四象限)。

在二維情緒模型的基礎(chǔ)上，美國(guó)精神衛(wèi)生署的情緒研究中心通過(guò)大量的圖片情緒刺激實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這2個(gè)維度可以較好地通過(guò)皮電、心電、腦電、表情肌肌電等生理信號(hào)反映，其電信號(hào)單因子回歸模型能較好地預(yù)測(cè)2個(gè)情緒維度(R=0.58～0.90)。麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室的皮卡德教授進(jìn)一步在此基礎(chǔ)上引入機(jī)器學(xué)習(xí)提出情感計(jì)算(affective computing)技術(shù)，將模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率從50%～60%提升到80%～90%[16]。該論斷也成為本研究實(shí)驗(yàn)實(shí)施的依據(jù)。

圖2 佩戴便攜腦電(左)的行人通過(guò)穿越不同城市地區(qū)(中)反映出來(lái)的腦電情緒特征(引自Aspinall，2013：2-4)

圖3 情緒的二維模型(引自Russell，1981：251)

圖4 本實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)時(shí)多參數(shù)生物反饋儀和佩戴儀器的被試(照片經(jīng)授權(quán)使用)

圖5 利用LedaLab軟件包對(duì)皮電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本實(shí)驗(yàn)旨在驗(yàn)證采集實(shí)景行走環(huán)境中的多種生理信號(hào)用于擬合環(huán)境體驗(yàn)的可行性。雖然目前在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下采用照片、錄像刺激，通過(guò)采集人的生理信號(hào)能夠較好地?cái)M合人的情緒感受[16-17]，但尚缺乏足夠的實(shí)驗(yàn)證據(jù)驗(yàn)證這種方法在行走干擾的情況下仍然有效。另外，一般的室內(nèi)外環(huán)境刺激比起更常使用的電影片花、災(zāi)難場(chǎng)景等刺激，對(duì)人的情緒影響更低。故此，本實(shí)驗(yàn)計(jì)劃通過(guò)采集實(shí)景行走環(huán)境中的生理信號(hào)，擬合人的情緒體驗(yàn)，并通過(guò)與傳統(tǒng)的打分和訪談標(biāo)簽等環(huán)境評(píng)價(jià)方法比較，驗(yàn)證其可靠性。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)選擇了校園內(nèi)一條行走路徑，其中穿越了教學(xué)區(qū)、生活區(qū)、運(yùn)動(dòng)娛樂(lè)區(qū)、自然休閑區(qū)、醫(yī)院等后勤輔助功能區(qū)等較為豐富的空間環(huán)境。行走全程大約10min。4位被試者穿戴多種生理監(jiān)測(cè)傳感器，每人沿該路徑行走3次。實(shí)驗(yàn)采用了加拿大Thought Technology公司生產(chǎn)的便攜式Procomp Infiniti八導(dǎo)生物測(cè)量?jī)x(圖4)，被試者在實(shí)景環(huán)境行走體驗(yàn)時(shí)的皮電、心電、腦電、表情肌肌電、呼吸、皮溫信號(hào)被采集，同時(shí)Garmin便攜式eTrex201xGPS儀記錄行徑過(guò)程中的地理軌跡。

實(shí)驗(yàn)收集了4位被試者在同樣的路線下的3次測(cè)量值予以平均，并通過(guò)整合情感數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的情感制圖(affective mapping)技術(shù)[18]，實(shí)現(xiàn)對(duì)建成環(huán)境體驗(yàn)的實(shí)景視覺(jué)體驗(yàn)評(píng)價(jià)，識(shí)別激發(fā)負(fù)面體驗(yàn)的環(huán)境因素并進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

數(shù)據(jù)處理在Matlab平臺(tái)上利用LedaLab,EEGLab、HRVAS等軟件包完成。數(shù)據(jù)先通過(guò)儀器自帶的軟件導(dǎo)出，再在matlab里面先后經(jīng)過(guò)降噪、偽跡去除、時(shí)頻分析等，計(jì)算生成采樣率為1幀每秒的情緒評(píng)價(jià)值，再與GPS空間位置做數(shù)據(jù)融合，生成具有空間屬性的情緒評(píng)價(jià)軌跡。以皮電數(shù)據(jù)為例，利用LedaLab軟件包對(duì)原始皮電數(shù)據(jù)(圖5-1黑色)進(jìn)行時(shí)域分析，去除長(zhǎng)程低頻變化成分(tonic，圖5-1灰色)，保留和環(huán)境刺激密切相關(guān)的高頻變化成分(phasic，圖5-2)。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)合時(shí)空間軌跡的生理情緒數(shù)據(jù)較好地反映了被試受空間影響的情緒反應(yīng)(圖6)。在生理記錄的同時(shí)，也在行走結(jié)束后通過(guò)訪談采集了被試者對(duì)于行走體驗(yàn)的主觀感受描述，并利用地圖標(biāo)簽分析方法[10]對(duì)空間環(huán)境體驗(yàn)進(jìn)行了分析(圖7)。通過(guò)對(duì)比2個(gè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，生理傳感器采集的情緒結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后訪談中實(shí)驗(yàn)者表達(dá)的環(huán)境體驗(yàn)結(jié)果吻合較好，很好地反映了主要的環(huán)境壓力刺激源和快樂(lè)刺激源。該方法直接讓我們識(shí)別出有的空間由于設(shè)計(jì)考慮不周而顯得局促、拘謹(jǐn)，帶給人壓抑的感覺(jué)，是一個(gè)較為消極的空間(如附近有大體量建筑和停車的地點(diǎn)3，表1)，而有的空間則由于交通繁忙、經(jīng)過(guò)的車流量，容易引起緊張的氣氛，給行人帶來(lái)不適的體驗(yàn)(如橫穿主要車行交通的地點(diǎn)4)；同時(shí)也較好地識(shí)別出一些空間，因?yàn)橛腥说慕?jīng)過(guò)、活動(dòng)、交流，而變得更加生動(dòng)有趣，使被試者產(chǎn)生積極的情緒反應(yīng)(如有較多人活動(dòng)大草坪的地點(diǎn)7)。

3.4 拓展實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方法的可靠性，我們同期采用類似的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，針對(duì)不同場(chǎng)所進(jìn)行了平行拓展實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，對(duì)情緒喚醒和效價(jià)2個(gè)情緒軸進(jìn)行分析模擬。同上述實(shí)驗(yàn)類似，采用環(huán)境行走過(guò)程中皮電的變化來(lái)擬合情緒喚醒，采用環(huán)境中表情肌肌電的變化來(lái)擬合情緒效價(jià)(圖8)。拓展實(shí)驗(yàn)的結(jié)論較好地驗(yàn)證了前面實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，選擇的指標(biāo)能夠較好地反映相應(yīng)的情緒反應(yīng)。

3.5 基于環(huán)境感受評(píng)價(jià)的環(huán)境更新設(shè)計(jì)

將情緒反應(yīng)與實(shí)際環(huán)境特征結(jié)合，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致情緒壓力源的原因，為環(huán)境的更新設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，我們對(duì)于步行、車行和停車空間提出了調(diào)整設(shè)計(jì)建議，以改進(jìn)環(huán)境體驗(yàn)(表1)。如地點(diǎn)3(圖9)，原本樹木綠化的布局將空間分隔成了2個(gè)空間，一側(cè)是在建筑入口處的步行空間，另一側(cè)是建筑背面的停車通道。然而，由于經(jīng)常有車輛在兩側(cè)空間通行，車輛占用了人行空間，人們無(wú)法有一個(gè)舒適自如的步行休憩空間。經(jīng)過(guò)我們的調(diào)整，我們將樹木種植向一側(cè)移動(dòng)并縮減建筑背面綠地帶的寬度，給停車道留出更多空間，減小步行空間寬度，使得兩側(cè)空間分工明確，人行、車行互不干擾，從而給行人一個(gè)更加舒適的環(huán)境體驗(yàn)。

圖6 根據(jù)GPS定位可穿戴傳感器的環(huán)境體驗(yàn)評(píng)價(jià)

圖7 根據(jù)訪談和地圖標(biāo)簽分析的環(huán)境體驗(yàn)評(píng)價(jià)

圖8 拓展實(shí)驗(yàn)環(huán)境引起的情緒分析

圖9 對(duì)于誘發(fā)壓力環(huán)境的改進(jìn)設(shè)計(jì)

4 結(jié)論與展望

以審美愉悅體驗(yàn)為核心的環(huán)境情緒感受，一直被國(guó)內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為是風(fēng)景園林學(xué)科的核心問(wèn)題之一[2]，它是一種與生存密切相關(guān)的直覺(jué)判斷[6]。另一方面，近二三十年流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)優(yōu)美的環(huán)境和公共健康密切相關(guān)[19-20]，城市景觀設(shè)計(jì)開始受到醫(yī)學(xué)和公共健康領(lǐng)域的重視[21-22]。換句話說(shuō)，優(yōu)美宜人的景觀環(huán)境不僅給人審美愉悅感受，更和公共健康息息相關(guān)。

基于可穿戴傳感器的生理體驗(yàn)測(cè)量技術(shù)，將有助于更好地測(cè)量并理解環(huán)境體驗(yàn)，為未來(lái)設(shè)計(jì)提供諸多可能。這些技術(shù)可以幫助更準(zhǔn)確地描述哪些體驗(yàn)者自己都無(wú)法準(zhǔn)確付諸言語(yǔ)的環(huán)境感受，能夠較好地捕捉語(yǔ)言能力較弱群體(如幼兒、失智老人、殘疾人等)的環(huán)境感受和環(huán)境需求。另一方面，生理體驗(yàn)測(cè)量技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于個(gè)性化環(huán)境需求的實(shí)時(shí)響應(yīng)，創(chuàng)造具有情緒智能的建成環(huán)境。

表1 環(huán)境體驗(yàn)評(píng)價(jià)及規(guī)劃設(shè)計(jì)建議

致謝：感謝參與實(shí)驗(yàn)的邱明、楊汶、鄧文欣、呂詩(shī)陽(yáng)、黃銘鈺、趙洋、鄭志誠(chéng)、張煊閣、張曜麒、宋一飛、李明、寧雪蓮、何曉帆、陳亦凡、蘇日等同學(xué)，以及幫助改進(jìn)設(shè)計(jì)的何曉帆同學(xué)。