文／賈江旭 安徽建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院 碩士研究生

潘 超 安徽建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院

夏曉春 安徽建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院

孫 進(jìn) 安徽建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院 碩士研究生

引言

一百多年來，研究者對生存環(huán)境的情緒評價(jià)研究大多集中于調(diào)查問卷后構(gòu)建情緒模型，一方面龐大的樣本量會造成采集研究困難，另一方面過于主觀性的個(gè)人差異也會帶來對結(jié)論科學(xué)性的偏離[1]。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容集中于調(diào)查問卷或者圖片分析上面，對景觀的主要使用者“人”的研究過少。近年來，不斷有學(xué)者利用新技術(shù)來對環(huán)境評價(jià)進(jìn)行量化，如利用儀器獲取觀察者的心電、肌電、皮電等實(shí)時(shí)生理指標(biāo)變化，從而較為科學(xué)地表現(xiàn)景觀評價(jià)[2]，但純生理指標(biāo)難以挖掘受試者內(nèi)心的真實(shí)想法，無論是心跳血壓都容易受到環(huán)境或身體因素影響，不易獲取令人信服的生理與心理外向指標(biāo)。城鎮(zhèn)中生活的居民是街道景觀的主要使用者，居民的情緒變化反饋了核心問題，在以人為本的設(shè)計(jì)理念下，合理參考情緒評價(jià)能為城市環(huán)境帶來科學(xué)的品質(zhì)提升。

只有對被試者在城市環(huán)境游覽時(shí)的生理、心理數(shù)據(jù)科學(xué)分析和量化，才能更有效更準(zhǔn)確地為設(shè)計(jì)者和研究者提供有科學(xué)依據(jù)的改進(jìn)方向。個(gè)體在游覽城市空間時(shí)情緒的變化反映了真實(shí)的環(huán)境評價(jià)，合理利用腦電等新技術(shù)將情緒波動量化分析即可得到改進(jìn)的方向，神經(jīng)學(xué)科與環(huán)境學(xué)科融合交叉為未來城市設(shè)計(jì)提供了新思路。通過實(shí)驗(yàn)獲取的量化的數(shù)據(jù)更加兼具主觀性與客觀性，為人居環(huán)境提升提供更綜合全面的分析模型，無論在國內(nèi)外的城市環(huán)境研究中，研究方法由定性關(guān)系轉(zhuǎn)向定性定量關(guān)系相結(jié)合被國內(nèi)外學(xué)者所認(rèn)可。新技術(shù)與科學(xué)的研究方法已經(jīng)日趨成為主流，能真實(shí)反映個(gè)體情緒的腦電評價(jià)技術(shù)正與傳統(tǒng)主觀研究方法一起開辟城市環(huán)境評價(jià)新維度。

1 腦電與城市空間

1.1 腦電節(jié)律簡述

頻率范圍相同、起伏周期一樣且重復(fù)出現(xiàn)的腦電波，稱為腦電節(jié)律。德國心理與生理學(xué)家Hans Berger 分析研究大量EEG 記錄后命名了α 節(jié)律與β 節(jié)律，常見的生活態(tài)腦電波集中在1～30hz 之間，根據(jù)頻率高低分為四個(gè)波段，即δ波、θ 波、α 波和β 波（圖1）。δ 波和θ 波屬于慢波，通常在人處于睡眠或陷入沉思時(shí)出現(xiàn)；α 波是人腦常見節(jié)律，通常出現(xiàn)在大腦清醒且放松的狀態(tài)，閉目時(shí)可檢測α 波段較密集；β 波屬于快波，通常在個(gè)體處于緊張或亢奮狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)，睜眼時(shí)可檢測β 波段較密集。靜坐（站）狀態(tài)獲取腦電數(shù)據(jù)研究實(shí)驗(yàn)被稱為靜息態(tài)實(shí)驗(yàn)，對四種節(jié)律能量變化的分析是較為常用的腦電研究方式，無論是情緒變化、舒適度、疲勞性以及注意力問題都可以通過對不同節(jié)律的研究得到結(jié)論。

圖1 腦電節(jié)律特征(圖片來源：作者自繪）

1.2 量化節(jié)律可以用于城市環(huán)境評價(jià)研究

腦電（Electroencephalography, EEG）涉及生物醫(yī)學(xué)、神經(jīng)學(xué)、電信技術(shù)、心理學(xué)、計(jì)算機(jī)、信號處理以及社會學(xué)等多種行業(yè)學(xué)科[3]。1924 年德國心理與生理學(xué)家Hans Berger 教授通過一次電流計(jì)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了腦電波動，并將這種神經(jīng)電刺激記錄方法命名為腦電圖EEG（圖2）[4]。這種腦細(xì)胞群的自發(fā)性電活動具有周期變化性[5,6]，腦電信號相對其他生理信號更加精準(zhǔn)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是檢測到的情感難以被偽裝或誤導(dǎo)[7]。敏感且隨機(jī)的腦電屬性容易受到外界的影響，無論是個(gè)人精神變化還是環(huán)境刺激，都會引起腦波變化，腦電信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后可以直觀地表現(xiàn)出受試者的心理變化，δ 波和θ 波功率譜密度變化可以體現(xiàn)舒適度及瞌睡疲勞程度；α 波功率譜密度變化也被用于評價(jià)舒適度及愉悅度[8]；β 波功率譜密度變化可用于檢測喚醒度及壓力值[9]。量化的情緒數(shù)據(jù)恰好彌補(bǔ)了城市環(huán)境設(shè)計(jì)當(dāng)中感官數(shù)據(jù)不足的缺陷，為城市環(huán)境提升提供了可靠依據(jù)。目前暫時(shí)國內(nèi)運(yùn)用到城市環(huán)境研究的腦電實(shí)驗(yàn)較少，接下來對腦電技術(shù)與環(huán)境研究的文獻(xiàn)進(jìn)行梳理總結(jié)。

圖2 兩組實(shí)驗(yàn)者α 波能量腦地形圖（圖片來源：作者自繪）

2 不同城市環(huán)境下的神經(jīng)科學(xué)研究總結(jié)

2.1 腦電技術(shù)與環(huán)境研究總結(jié)

國外早在20 世紀(jì)90 年代就有學(xué)者研究腦電節(jié)律與行為環(huán)境之間的關(guān)系，但多集中于利用動物實(shí)驗(yàn)來探究腦電信號與環(huán)境行為之間的關(guān)系[10]，真正使用腦電技術(shù)在外部環(huán)境進(jìn)行研究，出現(xiàn)在21 世紀(jì)伊始，并有逐年增多趨勢。涵蓋類別包括光線、聲音、視覺、語言等人體感官實(shí)驗(yàn)。當(dāng)前涉及城市環(huán)境相關(guān)的發(fā)文較少，研究方式多為利用儀器軟件給出的黑箱算法得出情緒評價(jià)，結(jié)合主觀問卷得出相應(yīng)結(jié)論[11]。理解居民城市感知是研究的主要內(nèi)容，市民在游覽街道景觀時(shí)會調(diào)動大量感覺器官對景觀的周遭環(huán)境進(jìn)行觀察分析，而其中視覺能從周遭環(huán)境中獲取最多最全面的信息，所以關(guān)于城市環(huán)境研究也以視覺景觀為主要研究點(diǎn)。

2.1.1 腦電技術(shù)與建筑環(huán)境研究

建筑是城市環(huán)境構(gòu)建的主體，兩千年以來建筑設(shè)計(jì)行業(yè)依然遵循羅馬工程師維特魯威（Marcus Vitruvius Pollio）提出的“堅(jiān)固、實(shí)用、美觀”三原則，不同建筑的空間形式、立面風(fēng)格帶給游覽者的情緒變化不盡相同。程車智等[12]選取中外不同風(fēng)格建筑照片各十張對大學(xué)生群體進(jìn)行腦電測試，以被試者專注度變化為變量，得出不同建筑風(fēng)格對個(gè)體的影響。劉玉福[13]研究了建筑室內(nèi)不同光環(huán)境對個(gè)體學(xué)習(xí)注意力的影響，基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建在線學(xué)習(xí)注意力分級模型，得出最有利于建筑室內(nèi)學(xué)習(xí)的光環(huán)境。腦電數(shù)據(jù)可以直觀地表達(dá)人群對建筑外觀和使用的評價(jià)，目前建筑與腦電領(lǐng)域研究較少且多為平面研究，后續(xù)研究可以加入立體思維創(chuàng)造更加真實(shí)可信的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

2.1.2 腦電技術(shù)與景觀環(huán)境研究

景觀是環(huán)境中較大的一個(gè)組成，國內(nèi)外對游覽景觀的人群情緒變化都有研究。英國約克大學(xué)的Jenny Roe 等利用腦電儀測量被試者觀看不同環(huán)境影像時(shí)的EEG 變化，通過對比實(shí)驗(yàn)者在不同環(huán)境中的興奮程度（Excitement）、沉思程度（Meditation）等指標(biāo)，他們發(fā)現(xiàn)個(gè)體面對城市環(huán)境時(shí)興奮值較高；看向自然景觀時(shí)興奮值較低，但卻有較高的冥想值[14]。李軻、恭忱等以便攜腦機(jī)接口設(shè)備為采集工具，智能手機(jī)為數(shù)據(jù)平臺，組織學(xué)生佩戴儀器對三條景觀路線進(jìn)行實(shí)地游覽并記錄下沿路腦電注意力數(shù)據(jù)，最終找出最吸引游客注意力的沿線景觀節(jié)點(diǎn)[15]。金夢瀟、鄭權(quán)一等利用個(gè)體的α 波的功率譜密度變化來進(jìn)行微氣候因子舒適性研究，結(jié)合問卷探討了城市綠地微氣候設(shè)計(jì)策略[16]。技術(shù)的進(jìn)步讓科學(xué)評價(jià)景觀環(huán)境成為可能，傳統(tǒng)的景觀環(huán)境研究方法多使用主觀性較強(qiáng)的問卷等方法，神經(jīng)科學(xué)與景觀學(xué)的結(jié)合為新的研究方法帶來了突破，主客觀協(xié)同分析的方式拓寬了景觀環(huán)境評價(jià)的維度和方法。

2.1.3 腦電技術(shù)與交通環(huán)境研究

腦電與城市環(huán)境研究中涉及交通領(lǐng)域的文獻(xiàn)數(shù)量多、開展研究早，主要涉及交通安全、疲勞與喚醒的長時(shí)間駕駛模擬實(shí)驗(yàn)。HANS 等發(fā)現(xiàn)駕駛員在單調(diào)缺乏變化的道路駕駛?cè)菀桌Ь肭宜俣容^快，環(huán)境變化豐富的道路能讓駕駛者保持警惕性，駕駛速度得以控制體現(xiàn)了更好的安全性[17]。

Jap 等對α、β、θ 和δ 四種節(jié)律能量變化進(jìn)行組合研究，發(fā)現(xiàn)多種節(jié)律組合變化可以衡量駕駛疲勞度[18]。吳紹斌等首先對被試者進(jìn)行睡眠剝奪，保證其在實(shí)驗(yàn)中一直處于疲勞狀態(tài)，其后將駕駛者的腦電功率譜比值R=（α+θ）/β 與主觀疲勞問卷對應(yīng)分析，最后得出駕駛中R 值越大越疲勞的結(jié)論[19]。王琳虹研究了道路周邊環(huán)境色彩變化對駕駛者疲勞度的聯(lián)系，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)道路周邊主體景觀色彩越豐富（鮮艷、明亮），駕駛員的α/β波比值越接近1，可以高效安全地完成駕駛?cè)蝿?wù)[20]。EEG 中的α、β、θ 波的變化都能表達(dá)疲勞趨勢，早期節(jié)律變化與駕駛疲勞的關(guān)系研究通常是簡單的定性分析[21]，后期對腦電樣本熵的分析成為新的疲勞度檢測方法[22]。腦電駕駛疲勞研究體現(xiàn)了城市道路環(huán)境對個(gè)體的情緒影響，也為街道景觀、建筑室內(nèi)、慢行系統(tǒng)等其他環(huán)境評價(jià)研究提供了新思路。

結(jié)語

技術(shù)的進(jìn)步不斷影響著城市設(shè)計(jì)與人居環(huán)境領(lǐng)域，環(huán)境設(shè)計(jì)行業(yè)更加重視“人”的感受，世界頂尖的設(shè)計(jì)類機(jī)構(gòu)都將心理生理技術(shù)廣泛運(yùn)用到產(chǎn)學(xué)研當(dāng)中。美國建筑師學(xué)會（AIA）于2003 年成立了建筑神經(jīng)科學(xué)分會（ANFA）,美國環(huán)境行為學(xué)會（EDRA）將環(huán)境行為作為2015 年的學(xué)會主題，學(xué)科前沿學(xué)者們肯定了神經(jīng)科學(xué)在未來環(huán)境評價(jià)中的重要地位。盡管目前腦電科學(xué)可以描述的環(huán)境體驗(yàn)和健康影響仍然較為有限，但與其他學(xué)科的交叉研究會越發(fā)密集，例如腦電成分的能量比值功率譜估計(jì)涉及隨機(jī)信號分析、概率統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)過程等一系列基礎(chǔ)學(xué)科[23,24]，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于通信、產(chǎn)品設(shè)計(jì)及生物醫(yī)學(xué)工程等眾多領(lǐng)域[25]。在交叉學(xué)科的互利互補(bǔ)之下，風(fēng)景園林、城鄉(xiāng)規(guī)劃、建筑學(xué)這些需要廣泛涉及人的使用感覺的設(shè)計(jì)學(xué)科，與腦電等新技術(shù)相結(jié)合的優(yōu)勢展露無遺，未來腦電技術(shù)與城市設(shè)計(jì)方面的研究將有深厚的潛力等待挖掘。