基于生理反饋的城市濱河步道對青年人壓力緩解的研究

李 鑫

王子堯

吳丹子

譚 立

林 箐*

在中國，激烈的社會競爭使青年人的精神壓力不斷增加，精神壓力會導致各種生理和心理疾病，影響人的健康與福祉[1]。長期的壓力積累與消極情緒對健康具有不利影響，情緒調節是維持健康與減輕城市生活壓力的主要方式[2]。青年人迫切尋求減壓的健康生活方式，而城市公共環境正是影響青年人健康與幸福感的關鍵因素之一。近年來，探究公共環境景觀對人的情緒的恢復作用成為心理學、運動醫學與風景園林學等多學科的關注焦點[3-4]。

恢復性環境研究中的壓力減少理論(SRT)認為：人在環境中所體驗到的積極情緒是緩解壓力的關鍵[5]。在某些環境中，人的注意力被吸引，從而阻斷消極想法、抑制消極情緒、激發積極情緒，使原本低落的認知和行為能力隨之恢復[6]。近年來，景觀對壓力的緩解作用成為研究熱點，眾多研究表明，自然環境可以提高人的注意力并緩解消極的情緒狀態[7-8]；在城市自然環境中步行可以有效緩解年輕人的壓力[9]；城市景觀的自然程度與壓力緩解呈正相關[10]。城市濱河步道是人們日常可利用的休閑空間，有利于促進居民的心理健康和社會福祉，且濱河步道具有的藍色空間相較純綠色空間具有更高的情緒恢復作用[11]。隨著中國河道環境治理工作的開展，濱河空間的使用需求日益增加，對濱河步道的改造提升不僅需要運用景觀處理手法，也要充分結合當代青年人緩解壓力的需求。濱河步道在生理水平上對情緒恢復的影響程度如何？什么樣的濱河步道環境對壓力緩解的增益作用更強？如何在提升濱河步道景觀效果的同時緩解使用者的壓力？這些問題的解決有助于增強濱河景觀的積極影響，早日達成“健康中國”的宏偉目標。

在以往的研究中，景觀對公眾造成的心理影響多用情緒量表的形式記錄或進行抽象描述[12-13]，但情緒恢復的過程可能是無意識的[14]，且人在環境中的情緒變化程度不劇烈，因此傳統的數據采集方法很難客觀反映并捕捉實時的情緒。生理反饋作為實時情緒識別的數據源具有不受人主觀干擾的優勢[15]。近些年，相關學者通過皮電、心率、皮質醇、血壓、脈搏等生理壓力指標進行情緒識別，準確率達到95%[16]。國外已有學者通過記錄人在公園、森林、竹林、城市公共空間等多種自然環境下的生理反饋數據來研究不同類型景觀的生理恢復性[17-20]，并取得了豐碩的研究成果。國內也在此方面展開了積極探索，將人在街道、城市開放空間和校園綠地中的生理反饋結果運用到景觀療愈的相關研究中[21-23]。可見，用生理反饋作為數據源進行情緒識別，反映濱河步道景觀對青年人的壓力緩解情況具有客觀性和可行性。

前人的研究主要是對比自然環境與城市環境的健康影響差異，缺乏對城市綠色空間的健康影響探究。本文采集青年人在實景環境下的心電數據，并結合眼動信號特征，對濱河步道進行2個方面的研究：1)探索景觀差異明顯的不同段城市濱河步道對行人壓力緩解的增益作用；2)明確行人在濱河步道中的視覺偏好，從緩解壓力的角度對濱河景觀的改造提升提出合理建議。

1 研究方法

1.1 研究地點

本研究主要針對城市渠化河道中的濱河步道展開。研究對象為北京市城區四環內的亮馬河濱河景觀步道，從中選取具有代表性的2段長500m的復層濱河步道進行對比研究(圖1)。濱河步道周邊主要為商業辦公區，青年人多在此活動。河段1位于燕莎橋到新源街之間，濱河步道兩側綠化程度高，濱河步道與城市間由緩坡綠地分隔，濱水側用透明玻璃、植物分隔帶或矮木墩作為圍護，并種有水生植物；對岸植物種植豐富，綠化程度高。河段2位于朝陽公園路與麥子店街之間，濱河步道為雙層形式，2層步道間利用擋墻或臺地消除高差。上層步道與城市交接側用草坪與植物進行空間的分隔，濱水側與下層道路間利用植物分隔，視覺感知以植物景觀為主；下層濱河步道的人工化程度較高，硬質擋墻的視覺占比高，濱河步道直接與河道銜接，水面鮮有水生植物生長，對岸的濱河步道上下層通過硬質擋墻銜接。

圖1 研究地點

1.2 參與者

由于室外環境實景動態測量的難度較高，本試驗從報名人員中篩選出13名青年志愿者進行小樣本初探(男6名，女7名，平均年齡21.2±0.9歲，平均身高1.69±0.08m)，篩選出的青年群體志愿者具有以下特征：1)沒有身體或精神疾病；2)沒有色盲、弱視與斜視；3)心律規律，且無肥胖癥；4)經情緒穩定性自測量表(ESS)檢驗評判為情緒穩定者；5)參與者了解并同意進行試驗。

1.3 試驗設計

濱河步道在城市中屬線性廊道，景觀一致性與連續性較強，本研究主要對人行走狀態下的壓力緩解情況進行研究。現場試驗于2020年10月4—6日進行，試驗日天氣晴朗且溫度適宜。在進行試驗前的24h內，參與者禁止吸煙、飲酒、喝咖啡和劇烈運動，保證前一天晚上的睡眠質量良好，避免其他活動對自主性調節的影響。試驗當天，按照參與者到達的先后順序，分別從河段1與河段2開始試驗。試驗前，研究人員在場地外為參與者介紹有關規則和注意事項，佩戴好生理測量儀和眼鏡佩戴式眼動儀后，參與者在場地外先停留5min，以確保情緒穩定，再由研究人員帶入場地，按照規定的路線游覽10min，期間生理測量儀和眼動儀持續記錄數據，走完第一段后暫停儀器的數據采集。在進行第二段試驗時，同樣在場地外停留5min后再進入場地，過程同上。2段的測試內容全部完成后摘下儀器。試驗期間，對可能造成生理數據變化幅度異常的身體運動進行標記，如咳嗽、打噴嚏和打哈欠等。

1.4 測量

1.4.1 生理信號

通過加拿大Thought Technology公司生產的便攜式Procomp Infiniti八導生理測量儀進行生物信號的收集，采集心電(ECG)、腦電(EEG)、肌電(EMG)、皮電(EDA)和呼吸波(RESP)數據，通過OpenSignals實時可視化程序進行數據監測，在Matlab平臺上利用LedaLab、ECGLab、HRVAS等軟件包完成數據處理，經降噪、偽跡去除、濾波，生成不同生理指標的生理反饋圖。其中，因八導生理測量儀對EEG、EMG和EDA數據的采樣率僅為1k(圖2)，EEG、EMG和EDA的信號變化雜亂，尖峰信號(spike signal)不明顯，不便于分析，而ECG和RESP可見明顯的尖峰信號，故采用ECG和RESP數據進行后續處理。RESP用于分析每分鐘間隔期內的呼吸頻率和深度，以判斷和清除ECG中的殘留假象[24]。對ECG數據進行處理提取R波波峰，計算RR間期獲得心率變異性(HRV)信號。

圖2 不同生理指標生理反饋圖

采用HRV指標表明ECG中的情緒狀況。HRV反映逐次心跳周期差異的變化情況，由2個相鄰的RR間期時間長短決定。HRV是研究自主神經系統的一種非入侵性的有效方法，可以看出心臟的迷走神經和交感神經控制的變化，有效反映人的情緒狀況[25]。通過時域特征和頻域特征對HRV進行量化描述，用RR間期的總體標準差(SDNN)(式1)、相鄰RR間期差值均方的平方根(RMSSD)(式2)和Lorenz散點圖作為量化指標。對不同濱河場景下人的情緒感知進行判斷，當壓力得到緩解、情緒向正向發展時，SDNN、RMSSD的值越低[26]。Lorenz散點圖是利用迭代方法描記連續的心電RR間期，反映了HRV線性和非線性的變化趨勢，其正常心律應集中在45°角平分線附近，呈彗星狀對稱分布。在正面或負面情緒的影響下，散點分布偏離45°角平分線。其中，負面情緒趨勢下，心率增快，散點形狀偏錐形，長軸更長，短軸更短，分散程度低[27]；積極情緒趨勢下，心率變緩，散點形狀偏橢圓形，長軸較短，短軸較長，分散程度高。

式中，N為RR間期數量；RRi為第i個RR間期值；△RRi為第i個相鄰的RR間期差值。

1.4.2 視覺偏好

視覺偏好與注意力之間有著顯著的相關性[28]，可以通過視覺關注的內容反映出參與者的視覺偏好，參與者對觀賞性高的景觀的注視時間長，注視次數多[29]。眼動儀通過對參與者眼球的追蹤記錄，捕捉參與者對場景中元素的注視頻率與時長，是研究視覺偏好的有效方法。本研究通過Pupil Labs眼鏡佩戴式眼動儀和Pupil Player v2.4.0軟件對眼動數據進行采集并輸出，運用GIS對8個場景各10s的凝視點位置和時間進行可視化處理，生成參與者在不同場景下的眼動熱點圖，反映參與者在行走過程中對景觀要素的注視時間和視線變化，獲取參與者在濱水步道環境中對景觀元素的關注度，并將視覺關注與壓力緩解的結果相結合，分析視覺偏好與壓力緩解之間的關系。

2 研究結果

參與本次試驗的13名志愿者中，有1人由于中間信號間斷，數據不完整而被剔除，最終共收集12人的有效數據。

2.1 生理恢復結果

對河段1和河段2全段的生理指標進行獨立樣本檢驗，由表1可知，數據均可假定等方差(萊文方差等同性檢驗的顯著性大于0.05就可以認為方差齊性的假設成立)，且均可通過平均值等同性t檢驗，其中SDNN在0.01水平上具有顯著性差異，RMSSD在0.05水平上具有顯著性差異。進一步對2段河道進行組統計(表2)，可見河段1的SDNN和RMSSD明顯小于河段2。如Lorenz散點圖(圖3)所示，河段1的心率整體水平低于河段2，河段1散點分布趨于橢圓形，短軸更長，河段2散點則整體趨于錐形，點位在長軸方向更分散。以上圖表結果均表明，河段1相較河段2對情緒的正向恢復作用更強，對壓力的緩解效果更佳。

圖3 全段Lorenz散點圖

表1 獨立樣本檢驗

表2 組統計

根據不同場景將河段1和河段2劃分為4個區段進行分析(圖4)，得出2個河段的情緒狀態趨勢有所不同：河段1各區段的散點形狀均近橢圓形，且長軸方向的分散程度較低，情緒變化較為平穩，心率隨時間推移逐漸上升，情緒整體偏向于正向；河段2中的1、2區段散點形狀近橢圓形，短軸長，長軸的分散程度較低，情緒偏向于正向，3、4區段散點形狀偏錐形，長軸的分散程度更高，情緒變化幅度更大，情緒的正向影響作用減弱，其中4區段的情緒最為緊張。由此可見，河段1這種自然化程度更高的濱河步道環境對積極情緒具有持續的增益作用，對壓力的緩解作用更強；河段2這種硬質化處理的復層濱河步道環境對情緒的影響與場景有關，上層濱河步道對積極情緒的增益作用強，下層濱河步道對積極情緒的增益作用減弱。

圖4 不同區段的Lorenz散點圖

2.2 景觀偏好

熱點圖以顏色呈現視覺關注度和關注時間，顏色越暖，關注度及關注時間越長，反之亦然。分析行人在2段濱河步道8個場景中行走狀態下的眼動數據熱點圖(圖5)可知：1)在點位1-1、1-3、1-4、2-1、2-3中，視覺焦點除集中在濱河道路前方外，還集中分布于濱水側，且主要集中于水生植物；2)從8個場景中均可看出，人們對城市中的建筑、擋墻等硬質化景物的關注度較低，對植物、水體等自然類景物的關注度較高，在硬質擋墻和植物交替出現的臺地環境下(點位2-3)和具有大面積硬質擋墻的環境中(點位2-4)，視線更多被綠色植物所吸引，濱河步道景物的整體關注度由強至弱依次為水生植物＞灌木＞水體，濱水側的植物對人在觀賞狀態下的視覺吸引力最強；3)濱河步道周邊的開闊程度和自然化程度越高，或當行人經過休憩活動空間時，人的視覺關注點越分散。在自然化程度高的場景中(點位1-3、1-4、2-1)，行人的視線更分散，注意力更偏向于周邊的景觀；在硬質化程度高的場景中(點位2-4)，行人的視線主要集中于正前方，極少向周圍觀望；點位1-2雖然綠化程度高，但濱水側種植的喬木對望向水面側的視線有一定的阻礙作用，故視線較為集中。

圖5 各場景眼動數據熱點圖

3 討論

3.1 濱河景觀與壓力緩解的關系

本研究通過測量青年人在城市渠化濱河步道中SDNN、RMSSD和Lorenz散點圖3種HRV特征所表現出的情緒狀態差異，驗證了不同景觀類型對人的情緒和注意力恢復有著不同的影響[30-31]，其中人工化程度更低、擁有更多植物或具有水生植物的河段，具有更好的壓力緩解效果。同時發現，全程保持自然化程度高的濱河步道環境對青年人的情緒增益作用持續性更強；從自然元素偏多的空間場景轉換到硬質化元素偏多的空間場景后，人的情緒出現回落。壓力緩解作用的強弱與視覺對植被和人工元素的感知時長有關，視野中人工元素的可見時間越長，濱河步道起到的壓力緩解作用越弱。至于點位2-2中綠色植物少但恢復效果較佳的情況，可能與此場景具有休憩功能和開敞程度高有關。由此可見，偏自然的空間類型、具有水生植物或有連續較高綠視率的濱河步道環境對青年人的壓力緩解具有重要作用。

3.2 特定場景的恢復性與審美偏好

由眼動數據的研究結果可知，在自然化程度高或可提供除步行外更多使用功能的空間中，青年群體的視線更分散、觀賞需求更高，且視線偏向于濱水側的開敞空間，此結果驗證了植物是吸引視覺關注的重要因素。同時發現，在濱河步道場景中進行觀賞時，人們對水生植物和灌木的關注程度高，且對水生植物的關注程度比灌木更高。此結果是因為水生植物的種植使城市硬質河道在視覺上呈現出更多的自然化特征，提高了場景的自然度，對壓力緩解的促進作用更佳。

本試驗驗證了Acar等研究中的推測：建成環境中的硬質景觀會對視覺產生負面影響[32]。并在此基礎上發現：在青年群體中，視覺感知強度和壓力緩解作用與行人和硬質景觀的距離有關。人在正常行走狀態下主要為平視，當城市與濱河步道間存在高差，且有植物阻隔城市空間時，建筑對視覺感知的影響相對較小；當硬質擋墻緊貼濱河步道時，受關注程度低的人工化景觀對行人視覺的影響更強，會導致人的視線集中、對濱河景觀的關注度低，使恢復性作用有所降低。

場景2-2與其他硬質化程度高的濱河步道段相比，對青年人的壓力緩解作用更強，分析其原因如下：1)雖然休憩平臺的硬質化程度高，但場景的開闊度高、具有良好的濱河景觀眺望視線，為濱河步道單調的空間增添了亮點，而步道場景中增加的硬質化部分主要是垂直硬化，對視線起到一定的阻擋作用，空間封閉性更強；2)雖然都是硬質化程度高的場景，但以休憩功能為主的場景與主要供步行的場景的空間屬性不同，不同的空間利用方式會產生不同的生理反饋結果[33]，人們普遍認同休憩空間具有高度的情緒恢復功能，參與者在路過休憩空間時雖無停留，但潛意識也會感到放松。

3.3 對設計、研究和利益相關者的啟示

由于生理反饋是對樣本通過連續的數據采集提取到大量的信息作為數據源，且生理反饋是人下意識的感知，不存在主觀影響，因此研究的精度更高，結果更具有說服力。在對景觀差異性較小的場地進行健康影響評價時，可借助生理反饋數據進行研究，提升準確度。

規劃設計者與相關研究人員可以借鑒青年人在濱河步道中壓力緩解和景觀偏好的研究結果，注重青年群體集中活動地區的河道對身心健康的促進作用。在規劃改造實踐中，針對研究結果提出以下實用性建議。1)水景是最具修復性的景觀[34]，城市河道作為貫穿城市的紐帶，承擔了人們日常使用的重任，加強濱河步道的景觀營建，有助于城市開發、健康促進和景觀塑造。2)由于人們偏好自然程度高的場景，且視線傾向開敞的空間與濱水空間，因此在規劃設計時應注重濱河步道兩側植物的種植數量、種類選擇與配植，提升濱河步道遠水側綠視率，選用樹冠茂密、樹形舒展的植物遮擋城市硬質景觀并提供陰涼；加強濱水側的景觀豐富度與吸引力，岸上的植物種植采用不遮擋濱水側視線的小灌木+草本的復層種植模式，或只有草本的單層種植模式，提升行人對水面的視覺感知效果，在不侵占河道的情況下，適量增加水生植物種植；在濱河步道沿途適量布置具有休憩功能且景觀視線良好的硬質場地。3)對于人工化程度高的濱河步道，應兼顧濱水側景觀的視覺吸引力與遠景的景觀效果，如改善濱水欄桿的透景效果，控制濱河兩側城市天際線與建筑立面效果；對于濱河步道旁擋墻無法拆除的情況，可在擋墻前增加綠化條帶，柔化水平與垂直界面的銜接，從視覺上緩解硬質駁岸空間的緊張感(圖6)。

圖6 理想濱河步道景觀模式

3.4 研究的局限性

本文針對濱河步道對青年群體的壓力緩解作用進行了量化研究，但仍存在不足之處，待后續解決：1)現階段僅針對城市復層式渠化濱河步道展開研究，未涉及軟質化處理的濱河步道和單層式渠化濱河步道，未來應拓展研究的多樣性；2)限于濱河步道實景環境收集生理數據的困難性和室外環境其他信號對生理信號的干擾，本次僅對青年群體的壓力緩解作用進行研究，后續應選擇更多的年齡段和更大的樣本容量，以擴大受眾群體范圍、提升研究可信度；3)限于Procomp Infiniti八導生理測量儀對生理數據采集的不足，以及Pupil Labs眼鏡佩戴式眼動儀目前無法采集眼跳和瞳孔數據，因此本文的生理反饋種類較為單一，未來研究應采集更多種類的生理數據，擴充研究數據的多樣性；4)景觀要素的配比(如植物搭配比例、空間的硬質化程度、休憩場地的大小、服務設施的配置)與吸引力大小及壓力緩解的關聯性，也需要進一步研究。

注：文中圖片均由作者繪制或拍攝。