實景實時感受支持的城市街道景觀視覺評價及設計

陳 箏 何曉帆 楊 汶 董楠楠 丁 茜

同濟大學建筑與城市規劃學院景觀學系 上海 200092

實景實時感受支持的城市街道景觀視覺評價及設計

陳 箏 何曉帆 楊 汶 董楠楠 丁 茜

同濟大學建筑與城市規劃學院景觀學系 上海 200092

文章選取凱文·林奇和唐納德·阿普爾亞德20世紀60年代關于快速移動車輛中的環境認知研究為例，結合神經認知學原理，對其圖式分析的方法進行了重新解析。盡管該方法對其后的城市設計、風景園林規劃設計特別是公路景觀設計研究有著深遠的影響，但由于此方法較為繁雜，一定程度上限制了其成果在規劃設計實踐中的直接應用。文章的重新解讀將其圖式系統按照視覺、知覺2條皮質層通路的不同功能重新組織，有效簡化了其邏輯結構，為其在實踐中的應用創造了條件。在認知心理學的基礎上，采用實驗手段為進一步通過神經生物反饋測量人們的環境感受提出修改建議。

視覺規劃設計，線性景觀設計，神經認知學，情感計算

1 研究背景和問題

隨著我國城市生活水平的提高，城市建設工作的重點也由城市化初期的追求規模擴張，向追求以人為核心的、重視城市風貌和環境質量的方向轉換。2017年2月出臺的《中共中央國務院關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》中明確提出,城市規劃建設管理的總體目標為實現城市有序建設、適度開發、高效運行,努力打造和諧宜居、富有活力、各具特色的現代化城市,讓人民生活更美好[1]。由此，提升環境質量、創造宜居城市是現階段我國城市發展的核心戰略。

改善城市風貌提高人們環境體驗，在新階段的中國城市建設中顯得尤為重要。這方面的實證研究和技術仍相對薄弱。文獻研究表明，環境體驗是個復雜的認知過程。由于本身的隱晦特點,使得對環境認知的測量分析非常困難。凱文·林奇(Kevin Lynch)的《城市意象》一書，建立了以認知學為核心的環境感受分析方法[2]。他提出感覺質量可以通過一般的方法處理，具備與物質環境合理的連接，中心因素是場所與人的感覺的相互影響過程，通常包括環境的感知的特色，觀察者的能力、價值和境況。在理論層面上，部分國內學者認為，環境認知對環境行為有著一定影響，可以在提升公眾環境認知水平的基礎上，促發更多的環境行為[3]。在實踐層面上，有學者根據游客的環境認知測量為改進或完善景區管理提供理論支持[4]。

那么空間認知及情感是怎么逐漸產生并累積的呢?有沒有好的工具可以用來描述這種積累變換的空間體驗呢？這種空間體驗是如何在變化的時間中，在動態行進中逐漸累積的呢？本文將主要以林奇和另一位研究空間形態及使用的著名學者唐納德·阿普爾亞德(Donald Appleyard)在20世紀60年代的關于快速移動車輛中的環境認知研究為例，對其圖式語言體系進行了解析。由于其分析較為繁雜，一定程度上限制了該研究成果在規劃設計實踐中的直接應用。

本文根據認知學和神經生物學相關原理，特別是視知覺2條皮質層通路的不同認知活動分工，對阿普爾亞德等人的研究分析予以重新解讀和組合。在此基礎上，結合神經生物學的先進測量和計算技術，探索了基于生物反饋技術的環境感知測量，以及在城市設計改造中的應用。

2 阿普爾亞德等人的高速公路動態體驗研究

人們對于空間真實環境的感知，往往是在運動過程中逐漸累積形成的。著名人文地理學家段義孚先生在《經驗透視中的空間與地方(Space and place: the perspective of experience)》一書關于場所和認知的論述中，曾多次提到過伯克利學者布朗在20世紀30年代做的迷宮認知實驗[5]。該實驗旨在探索人們是如何認知一個陌生的環境，如不熟悉的城市道路。該實驗發現，雖然某些視覺信息很重要，但是在認知空間方位的過程中，人們其實也很大程度上借助了視覺之外的其他感官，特別是肢體記憶。通過多感官的參與，人們逐漸形成對迷宮空間的一個經驗認知。值得注意的是，當讓人們將迷宮以圖的形式呈現出來，布朗發現空間認知圖式在個體間實際存在著一定的扭曲變形。但不同的變形圖式都如實描述了真實的拓撲關系，所以這種認知變形對于指導實際使用并沒有太大的影響。

不同于靜止的迷宮，為了描述動態行進，特別是高速公路上快速移動車輛中的空間認知，阿普爾亞德等人選取了波士頓東北快速路等高速公路為例，共同發明了一套可用于描述高速公路行進中空間感知的圖式語言[6]。他們將行駛中車輛里觀察到的視覺變化以連續照片的形式記錄下來，結合實景體驗的記憶轉化成抽象的認知速記，標注出不同路段中的主要視覺焦點等，接著進一步轉化成包含空間特征、視覺變化、空間感受等等多方面信息的認知圖式。

2.1 特征認知

和觀看照片以及步行體驗不同，在高速公路行進中汽車不能像我們通常探索一個空間那樣根據自己的興趣駐足停留或來回移動。作為實驗觀察者的副駕駛很難有足夠的時間捕捉諸多物體特征細節。正因如此，和靜態分析不同，阿普爾亞德等人的研究一方面在《城市意象》5大空間認知要素基礎上，拓展補充了和動態空間相關的若干圖式語匯，另一方面又增加了一個基于時間的空間序列分析。人們認識空間特征的方式，正如林奇在《城市意象》中總結的，主要依賴道路、邊界、區節點、地標和區域五大認知要素進行。針對高速公路上的運動特點，阿普爾亞德等人在原來五大要素的基礎上增加了若干新的要素。同時，在增加了一個時間變量的環境中，為了描述人們對空間特征的認知，阿普爾亞德等人選取了空間限定方式、開敞度水平、采光方向和水平、空間滲透變換等4個新的要素來描述動態體驗中空間隨時間變換的特征。為了全面考察觀測者對空間特征的整體認知，阿普爾亞德等人還加入了一個對東北快速路全程的空間序列手繪分析。手繪分析從不同的角度直觀而又相對完整地記錄了觀測者在行進過程中對變化的場景和空間特征的印象。

2.2 運動和定位認知

阿普爾亞德等人除了考察視覺的變化之外，也將肢體感覺納入運動感的分析范圍。在空間定位分析中，由于高速公路運動的特殊性他們使用了主要城市地標作為空間定位的參考點。

在高速公路行進汽車中，觀測者對運動的感知主要來自于2個方面，一個是肢體感覺，一個是對車外環境相對運動的視覺感知，并針對上述2方面分別發展了獨立的運動感知圖式語匯。

由于高速公路被限制在二維線性空間中運動，其中的空間定位變得很大程度上依賴于城市地標的可見性和地標之間的相互關系。地標不是一直可見的。在可見和不可見交替變換中，觀測者不斷更新的心理預期成為高速公路體驗中空間定位圖式分析的主要內容。

2.3 認知整合及整體分析

腹瀉是我國小兒疾病中第二常見的疾病,第一位是呼吸道感染[1]。腹瀉的發病因素復雜多樣,是消化道綜合征,在我國嬰幼兒中比較普遍。6個月至2歲的嬰幼兒是高發群體,約有一半的患者是1歲以內的患兒,腹瀉會引起營養不良,生長發育障礙和死亡[2]。該疾病影響了水和食物的消化吸收,腸液滲透壓上升,導致了滲透性腹瀉;產毒性細菌感染會對腸粘膜溶質運轉造成影響,導致分泌性腹瀉。不同原因引起的腹瀉,其生理變化特征存在差異性,小兒腹瀉疾病都有一個共通之處,腸道內環境被破壞,菌群失調。所以,臨床中對小兒腹瀉治療非常重要,需要引起重視。此次就我院的95例患兒開展了分析研究,臨床中效果突出,現進行以下報道。

由于運動感中視野變化的確定和空間序列的變化關系較為密切，而空間定位又基本上依賴于地標，阿普爾亞德等人就將它們兩兩結合起來，對東北快速路的認知體驗進行空間序列及運動變化以及基于空間認知的空間定位兩方面的全程整體分析。與此同時，為了進一步了解時間變換的審美偏好，阿普爾亞德等人還對時間變化快慢程度進行了全程韻律分析。

在這樣一系列的動態空間認知分析基礎上，阿普爾亞德等人針對如何強化東北高速路的空間特征，如何清晰而富有韻律感地逐漸從起伏的山地農場過渡到高樓林立的波士頓中心城區，提出了規劃設計方案。

3 動態線性空間景觀視覺規劃實例

阿普爾亞德和林奇對東北快速路的環境感受研究，為動態空間設計奠定了理論基礎。通過簡單的圖式，將難以理解的存在現象轉化為系統的、有靈性的、可以被理解的信息。這種物質形態的知覺認知著重于細部，卻不拘泥于瑣碎，而是通過局部的角度出發來分析其總體的變化和規律。這種方法不僅有效，而且易于操作，因此得到廣泛運用。

然而這種方法并非完美無缺。環境感受是基于觀察者與環境雙向作用的結果。觀察者不同的性別、年齡、文化甚至受教育程度都會對其環境感受造成影響。不僅如此，人們的地方認同感也常常在景觀中得以體現。為更好地對景觀起到管理、保護與設計的作用，在對環境感受的研究中，便不能滿足于出自專家視角的知覺認知，基于使用者視角的研究亦應有一席之地。更因為專家和大眾的環境認知偏好常常并不完全一致，所以采集普通民眾的環境認知數據也非常重要。

這種情況的出現正是理論發展的必經過程，為了深化阿普爾亞德和林奇的研究，許多學者在各方面進行了努力，更是在此基礎上發展出一系列評價環境含義的方法。

3.1 主要研究方法

為了探索環境感受評價手段以及設計改造對策，我們選擇了標簽分析和生物反饋2個評價手段，選取了校園中的一系列動態環境，通過行走實驗的方法對環境體驗進行采集和評價。采用了主觀客觀結合的分析技術。其中主觀技術采用標簽分析方法，客觀技術采用生理測量方法。

3.1.1 主觀體驗分析技術：標簽分析

在規劃設計實踐中，為更好地采集理解非專業者真實的環境感知，密西根大學的盧斯克(Lusk)在阿普爾亞德和林奇的基礎上，提出了“標簽分析”方法[7]。盧斯克選取了她認為8個最為重要的空間認知因素，分別是起點、可以有到達感的重要節點、宜人的場所、具有空間定位作用的地點、宜人的路段、無聊的路段、惱人的事物或地點、宜人的視線。隨后盧斯克將這8個要素附上說明，制作成不同的貼紙發給普通民眾，讓他們在地圖上標出來相應的位置。

隨著認知心理、神經生物學以及計算機科學的飛速發展，我們可以用更為快速簡便的方法來測量人的感受。近年來，隨著測量技術的發展和普及，研究者利用心電儀、肌電儀、腦波儀和眼動儀等若干儀器，可以實時記錄環境中人對于建筑、開放空間、綠色植物等多種環境要素的反映，可以實時捕捉并觀察受測者對于不同建成環境的喜好程度及其他心理反應，還能進一步分析人的空間認知過程，比如是否有迷路等。這些技術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，使實時采集人實景實地的感受信息成為可能。MIT媒體實驗室羅瑟琳·皮卡(Rosalind Picard)教授提出的利用生理測量情緒計算方法，通過采集生物反饋指標，對人情緒的有效捕捉可以達到81%[8]。

3.2 主觀指標結論

在第1部分實驗中，我們在上海同濟大學校園中設計了一個15 min的步行路線，并將此路線分割成6個不同的區域或位置。其中包括開放空間、空間局促的小巷、綠地、混凝土廣場、車行道和人行道。實驗要求4名不具有專業能力的實驗參與者佩戴生物傳感器和攝影機，在選定線路上從同一起點以穩定適度的步行速度行走，并將此過程重復3次，每次步行之間都有較短的休息時間，將疲憊等因素對實驗結果的影響降到最低。步行結束后對實驗參與者進行了感知記錄和問卷調查，通過標簽分析采集環境行走中的主觀體驗(圖1)[9]。

圖1 基于標簽分析采集的情感地圖(作者自繪)

根據實驗者的環境感知記錄，利用環境要素標記的方法，繪制出了初步的情感分布地圖(圖1)。從地圖中可以清晰地看到，在整段線路，根據不同的環境情感，標識出了6個主要的情感區域。其中，在1區、5區、6區實驗參與者有較為積極的環境感受，在2區、3區、4區則是較為消極的環境感受。通過實驗參與者的敘述可以了解到，1區和5區提供有進行各種活動的場地，這些多樣化的戶外景觀空間環境和生動有趣的活動，可能會對參與者帶來積極的影響。特別是在5區的一個開放的景觀，通達性良好，有很大的吸引力，這可能會使參與者感到愉快。就令人不愉快的地區而言，2區的道路和建筑物的規模感和壓迫感很不舒服。此外，在3區和4區中，略顯擁擠的人群和繁忙的交通可能會帶來負面的感覺。

3.3 客觀指標結論

生物反饋技術可以確定潛在的壓力源和景觀環境中積極或消極的刺激。在第2部分實驗中，實驗組利用便攜式多參數生物反饋儀，對環境行走體驗過程中腦電、心電、皮電、皮溫、呼吸等多項生理指標進行分析獲取客觀體驗。

將采集的生理指標數據，與不同實驗中各個生理指標的時域數據進行疊加分析，就數據的一致性和可靠性進行分析檢驗。在分析檢驗中選取一致性較好的指標，結合時程同步的GPS地理數據，繪制具體情緒維度的主題圖。無論積極情緒還是消極情緒，其細微變化都可以通過顏色反應出來。

將第2部分實驗中基于純生理數據的情緒地圖，與第1部分實驗中基于實景錄像的敘述進一步結合。從2部分的實驗結果進行解讀和分析，可以更為精準地確定情緒源的類型，保證數據的可靠性。因此，未來實驗組計劃將實景行走任務和照片情緒識別任務、實驗室虛擬行走任務等結合起來，從而對實驗設計、多角度三角測量檢驗實驗結論、情感地圖分析技術進行優化。

3.4 基于綜合分析的改進建議

在實驗結束后，為進一步了解環境感知變化的成因，對實驗參與者進行了深入訪談。同時，也對具體環境進行多次踏勘。將生理測量結果與訪談結果、實地調查所得進行整理分析。 生理測量發現在路過寬廣的草坪、整潔干凈的運動場或沒有圍欄的點綴有景觀小品的開闊空間時，各種類型的活動和豐富的景觀體驗對參與者極具吸引力。這些地點同樣是標簽分析中令人感到愉悅輕松或舒適的節點。其中最具特點的要屬于5區的大面積開放空間，不僅具有良好的可達性，大塊的草坪、樹蔭下的座椅也為人們的活動提供了更多的可能。而在建筑物尺度較大、密度較高并且缺乏綠化的地區，人們表現得多為焦躁不安等負面情緒，這也是標簽分析時發現的負面情緒地區之一。同樣在行走中，路過使用率高的停車場和路邊隨意停放的自行車，直面男生宿舍雜亂的建筑立面，經過一些堆放棄置物的角落、空調外機或其他外置設備模型附近的道路時，人們也會產生較為負面的情緒，這些部分與標簽分析的結果亦有很多的重合部分。在確定環境體驗不足的地點后，我們進一步提出了改進建議。根據訪談和調查內容，所有的實驗參與者都反映，2、3、4區會給人帶來消極的情感影響。其中2區和3區被描述為2棟高樓和隨意停放汽車的小路；4區被描述為一條較為寬闊且沒有太多變化的單調道路；6區的道路則是直面男生宿舍晾曬衣服的外立面。由此，可以提出以下幾個建議：

1) 避免在道路上停車，用開放空間和綠化帶來優化環境；

2) 用植物帶來緩解部分交通帶來的環境壓力；

3) 路旁植物盡量減少設計為大范圍的單一植物，運用多種植物組合來增加其變化；

4) 一樓的空調外機及其他外置設備需要做隔音與散熱處理，理想情況下可以使用植物來作為隔離帶；

5) 廢棄物品棄置處需規劃設計；

6) 加強對連接各個主要景觀空間的道路的管理；

7) 在主要景觀空間附近設立專門的自行車停放場地；宿舍與道路之間使用植物進行隔離，保護隱私的同時也保證了美觀。

4 結論與討論

理解人被空間環境引發的情感是理解人空間體驗的核心。對使用者可能的空間體驗的深刻理解和準確預測對于設計師如何通過景觀空間的設計介入并觸發人的情感反應以及相關行為活動也至關重要。設計的核心不僅僅是滿足基本功能需求，更重要的是滿足人們的情感需求，制造情感驚喜，對人的使用體驗進行充分的考慮和仔細的設計。隨著生活水平逐漸提高，中國城市和景觀規劃設計行業的主要任務也從為新增城市人口提供基本住房和設施保障開始逐漸轉換到創造高品質城市生活空間上，這離不開對人情感體驗的關照和設計考慮。將情感納入景觀建筑設計將會是景觀建筑實踐的發展趨勢，而現今正受到對于人的體驗的實時數據的收集和即時的場地互動的阻礙。情感地圖技術雖是初步的，但可以在一定程度上反映在影響人的感知和行為的多樣環境因素刺激下的人的直觀情感反應。也就是說，我們即將獲得更可靠的實時環境體驗。

阿普爾亞德等人的高速公路環境認知研究較為全面地記錄了人們視知覺中特征識別和空間定位2個主要活動，并發展了一套系統的、可用于分析的圖式語言。該圖式分析方法較好地將快速行進中的認知體驗有效地整合到規劃設計中，對之后的城市設計、風景園林規劃設計特別是公路景觀設計的相關研究有著深遠的影響。結合后人的研究，將其受眾擴大，將非專業使用者的環境感知更加準確地反應出來。同時本文通過對該方法的重新解讀，將其圖式系統按照視知覺兩條皮質層通路的不同功能重新組織，對其邏輯結構進行了有效的簡化，為其在實踐中的應用提供了更多的可能。

在神經生物學發展的推動下，采用功能性核磁(fMRI)、腦磁(MEG)、腦電(EEG)、近紅外(NRIS)等神經影像技術探索環境感受的大腦活動，以及皮電、肌電等各種電生理記錄自主神經電生理信號，用以描述人們的環境心理感受，已經成為探索環境感受、輔助環境設計的一個國際新前沿。我們嘗試通過這些技術手段繪制情感地圖，通過識別對人們產生情緒影響的壓力源和興趣點，改進環境設計，為人們提供促進正向情緒、緩解壓力、利于改善認知狀況的環境。這些測量分析手段為環境體驗分析和設計提供了新的可能。相對于傳統的方法，基于心理物理的體驗測量可以有效地反映出對環境的感知細節，同時可以清晰地描繪出環境的壓力點和吸引點分布，由此進一步繪制出情感地圖。雖然某些數據并非100%完全關聯，隨著生物反饋儀設備和分析算法的進步，情況可以得到一定的改善。根據情感地圖設計師可以進行更有針對性的環境設計。對于消極的環境感知點，可以通過設計對現有環境進行改善；對于積極的環境感知點可以做出很好的示范和借鑒。

在本文中，我們提出了一種新的測量環境體驗的技術。我們提供的這種實時環境體驗測量技術為空間包容性設計提供了基礎，它允許在特定場合和時間(例如開花季節和太陽升起等)中進行單獨用戶組的觀察。另外，由于不同用戶組之間的年齡、性別、文化背景等因素導致的描述習慣或解釋能力的差異，主觀感知變得更加難以測量。在這種情況下，情感映射技術可以幫助設計師更好地了解用戶，考慮到城市和景觀設計的規模以及所涉及的無數利益相關者，其對城市宜居性建設的重要性由此可見。

城市宜居性在景觀建筑環境影響人們心智健康方面的體現也許可以借助智能環境來完成。微軟的人機交互小組研究中指出收集和回應人的個人情感對于人的身心健康是非常重要的。在情感映射地圖技術之上，設計師可以不僅理解人在空間環境中的真實情感感受，并能夠進一步生成情感響應型的空間環境設計。此項技術可以繼續和地理信息協作平臺和增強現實等技術結合，建立一個整體的室外設計作業支持系統。其中生物反饋技術可彌補在整體環境感知和情感繪圖中的主觀意識的不足，可以清楚地描繪環境負面施壓因子以及正向吸引因子，從而為規劃和設計提供更好的定量參考。據此，設計師可以給出有針對性的反饋，以改善空間環境體驗。并且對于觸發人正向情感反應的空間環境的設計積累與參考可以對往后的空間設計有所裨益。

致謝：感謝參與實驗的邱明、鄧文欣、呂詩陽、黃銘鈺、趙洋、鄭志誠、張煊閣、張曜麒、宋一飛、寧雪蓮、李明、陳亦凡、蘇日、楊云同學。

[1]新華社.中共中央國務院關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見[EB/OL].[2017-03-01].http://www.gov.cn/zhengce/2016-02/21/content_5044367.htm,2016-02-21/2017-03-16.

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Streetscape Visual Assessment and Design Supported by Real-timeIn-SituExperience

Chen Zheng He Xiaofan Yang Wen Dong Nannan Ding Qian

(College of Architecture and Urban Planning, Tongji University, Shanghai 200092,China)

This paper reinterpreted based on cognitive neuroscience the graphic analysis syntax of the highway study on environmental cognition in fast moving vehicles conducted by Kevin Lynch and Donald Appleyard in the 1960s. Although their study has had a significant impact on the research in relation to urban design, landscape planning and design, and especially road landscape design, their direct application in planning and design is limited, probably due to its complex graphic analysis syntax. The reinterpretation, i.e., organizing the graphic analyses under the two fundamental cognitive functions in different cortex pathway during visual cognition, simplifies the logic organization, and therefore somehow facilitates its application in practice. Based on the cognitive psychology, experiments were designed using neurobiological sensors to predict human affective reactions, and design proposals were then suggested to improve environmental experiences.

visual landscape planning and design, linear landscape design, cognitive neuroscience, affective computing

2017-03-16

國家自然基金“基于環境實景感知實證模型的景觀視覺規劃設計方法研究(51408429)”；同濟大學優青培育“基于神經生物測量的環境情緒地圖分析技術”

陳箏(1983-)，女，博士，助理教授，研究方向為風景園林規劃設計，E-mail:zhengchen@tongji.edu.cn

10.3969/j.issn.1672-4925.2017.04.008