高層建筑戶外景觀空間感知機制量化研究

劉濱誼 (埃及)穆罕默德·埃爾薩德克

城市化的負面作用讓自然棲息地和綠地有減無增，潛在的健康威脅接踵而至，如心血管疾病和抑郁癥等非傳染性疾病正在成為增速最快的健康問題[1]。這一趨勢對于那些接觸綠地和戶外空間機會有限的群體尤為不利，極易產生身心健康障礙[2]。受制于城市土地的稀缺，高層建筑已成為全球高密度城市人居的主要建筑形式[3]。新的問題隨之而來，由于城市地區缺乏綠地和植被，高層建筑的居住者和聚集者往往會經受更大的壓力、心理健康問題和潛在的神經疾病[4]。隨著高層建筑和垂直城市的有增無減，對于那些生活在混凝土叢林中，既看不見樹木，又進不了公園綠地的人們而言，從抑郁癥到心臟病[5-7]，因有限的綠色景觀空間所引發的身心健康問題日益嚴重。因此，尋找創新的解決方案，提供綠色景觀空間，立體化地將自然融入高層建筑環境，勢在必行。

1 城市高層建筑景觀感知的作用研究

以風景園林學科的專業視角，高層建筑環境營造的新方法可以從城市高層景觀及其感知的統領協調展開：1)保護、恢復、新增高層建筑周圍的自然環境；2)設計、維護、管理綠色高層建筑建成環境；3)探索人類景觀感知響應的基本規律[8](圖1)，發揮“人-景感應”的優勢，在有限的高層景觀空間范圍內，創造“小中見大”“無界空間”的景觀感。高層建筑作為城市景觀的重要組成部分，為其周圍環境提供了獨特的視角。同時，由于景觀的高空視點，自然景觀的可進入性和可達性也會受到限制，因此對景觀感知產生的影響較低空視點更為敏感。盡管迄今從環境心理學到景觀感知的研究，絕大多數是基于傳統場所研究城市景觀，但是其研究的重點指向仍可為高層景觀感知研究參考。例如，綠色空間對個體和社區群體發揮著減輕壓力、恢復心理狀態、增加身體活動和改善免疫功能[10-12]等重要作用，以及深入綠色空間所帶來的增強心理健康、促進社區互動和提高社區凝聚力[13]的作用。

城市化及其對公共衛生的影響使人們對親生物設計領域產生了愈發濃厚的興趣，這種設計優先考慮將自然融入建成環境。從景觀感知和綠色空間著眼，將自然融入高層建筑環境設計，創造更加宜居和可持續的城市高層景觀環境，可以大大提升高層建筑景觀潛在的健康效益，從而為高層建筑使用者創造一個更為健康、和諧的聚居環境。

如同橋連接兩岸，高層建筑的窗連接著高層建筑的室內與室外景觀，從高層建筑室內向室外觀看所獲得的景觀，本研究稱之為“高層窗景”。高層窗景的質量可以顯著影響人的高層景觀感知和健康狀況。盡管高層建筑和道路交通的景觀會引發壓抑和煩惱的感覺[14]，但在高層建筑周圍布置綠色空間卻可以對心理健康和福祉產生顯著的積極影響。之前諸多窗景的研究表明，接觸自然和綠色可以減緩心理困擾的癥狀，改善情緒狀態，即便是在21層高度上的高層建筑中[15-16]。這些研究和結論開啟了筆者對于高層窗景的期待。

常規的窗景對于視覺舒適至關重要，可以顯著提升個體的生活質量[17]。研究表明，包含綠化和天空的自然景觀具有顯著的健康效益，“視入其景”可以促進心理康復[18-21]。觀察樹木和觀賞植物的實驗表明，觀察者的心理健康得到了改善。從住宅內可以看見樹木的住戶景觀研究表明，他們的生活滿意度更高[22-23]。此外，窗景會影響大腦活動[4]，在實驗室環境中觀看綠色覆蓋率高的景色可以增加大腦中與放松相關的α波強度。因此，高層建筑空間形態學在確定窗景之于人類感知和健康的影響方面有著重要作用。居住和辦公建筑首先是服務于使用者，其重點是內部的使用和由內向外的觀看，從建筑外部觀看到的建筑風貌是次要的。高層景觀和高層窗景同理，高層建筑“由內而外”的窗景質量是城市設計中需要考慮的重要因素，因為其對人類的感知、心理健康和幸福感有著潛移默化的影響。基于高層窗景感知研究，提升高層建筑設計質量，結合綠色空間和自然元素提供一個發揮積極作用的窗景，讓其使用者受益，這也是本研究的出發點。

作為高層景觀研究的起步，本研究從高層建筑出發，以高層建筑窗景感知為切入，聚焦于探索高層建筑中水平向視覺景觀的感知和恢復性影響，采用了腦電圖(EEG)、心率變異性(HRV)和皮膚電導率(SC)測量，以及語義差異(SD)方法的心理問卷，旨在更好地理解高層建筑的視覺體驗如何影響居民的生理和心理狀態，建立現代城市空間的景觀感知理論，以求對城市高空景觀感應理論研究“填補空白”。

2 實驗材料與方法

2.1 受試者

本研究招募了20名生活在城市中的健康大學生(平均年齡22±2歲)作為受試者。受試者經2種方式選出：通過微信群發布招聘廣告和在大學校園面對面招聘。受試者排除目前正在接受任何疾病治療，以及有吸煙或飲酒習慣的學生。所有受試者都是慣用右手，視力正常或矯正視力正常。在參與研究之前，所有參與者都簽署了書面知情同意書。本研究遵循《赫爾辛基宣言》概述的原則，并獲得了同濟大學倫理委員會批準(批準文號：tjdxsr013)。

2.2 視覺刺激

使用一架位于120m高空的無人機，拍攝了3張展示不同環境的照片，包括城市建筑、綠地和水景(圖2)。航拍照片拍攝于上海楊浦區的共青森林公園(圖3)。該公園曾經是上海的第二大公園，位于上海的北部。將受試者分為3組，每組被分配觀看3種視覺刺激中的1種(城市空間、綠地或水景)。受試者被要求觀察和欣賞各自環境中的景觀。實驗在上海大學進行，視覺刺激在白天通過大型等離子顯示器呈現，以創造一種真實感。

圖2 視覺刺激：城市空間(建筑空間，2-1)、綠地空間(2-2)和水體空間(2-3)Fig.2 Visual stimuli: urban space (architectural space,2-1),green space (2-2),and water space (2-3)

圖3 上海市共青森林公園影像(引自谷歌地圖)Fig.3 Gongqing Forest Park (from Google Maps)

2.3 過程

受試者在等候室接受了研究和目標的概述后，進入室內。連接EEG電極和ErgoLAB傳感器來測量參與者在頭皮和身體上的生理反應。每位坐在椅子上的受試者都被告知了實驗程序和注意事項。隨后，受試者靜息1min，并用灰色圖像記錄其生理反應。下一步，受試者觀看實驗照片(城市圖像、綠地或水景)3min，同時記錄其生理反應。然后，受試者使用改進的語義差異(SD)方法完成一份心理問卷，耗時約2min。休息2min后，觀看一張新的圖像并重復上述測量方案。該研究采用了被試間設計(withinparticipants design)，并平衡了3種視覺刺激的呈現順序以消除順序效應(圖4)。

圖4 測試過程Fig.4 Study procedure

3 實驗測試

3.1 生理測量

生理測量包括腦電圖(EEG)、心率變異性(HRV)和皮膚電導(SC)。采用北京金發公司的ErgoLAB平臺測量心率變異性(HRV)和皮膚電導(SC)。這些平臺由無線可穿戴傳感器和通過無線接收器連接的基于計算機的平臺組成。ErgoLAB的準確性已得到相關領域研究人員的證實[24]。

3.2 腦電圖(EEG)數據的收集、處理和分析

利用Emotiv EPOC EEG耳機測量大腦的電活動[25]。EEG被廣泛認為是皮層覺醒的可靠指標，為腦電波模式提供了有價值的參照[26]。便攜式Emotiv EPOC耳機根據國際公認的10-20電極系統定位了14個通道，提供了腦電波振幅和頻率的非侵入性和高分辨率測量[27]。EEG信號被捕獲、放大、數字化，并通過藍牙傳輸到計算機。這些信號經過濾波以消除電噪聲和不需要的特性。使用MATLAB進行數據處理，基于自動獨立分量分析的算法(ADJUST)在每個通道的基礎上去除剩余的偽像。在EEG通道中，使用來自前額葉的2個通道(AF3、AF4)來捕獲α相對波能。電極位置的選擇側重于前額葉皮層在調節認知和思維過程中的作用，以及在這些區域α波能的突出作用[28]。圖5顯示了Emotiv EPOC耳機和前額葉電極通道的位置。

圖5 Emotiv EPOC耳機(5-1)和頭皮位置(5-2)Fig.5 Emotiv EPOC (5-1) and scalp locations (5-2)

3.3 心率變異性(HRV)

HRV描述了在特定時間內連續心跳之間的時間間隔變化[29]。為了分析頻域HRV，測量了低頻功率(LF)(0.04～0.1Hz)來表示交感神經活動；測量了高頻功率(HF)(0.15～0.4Hz)來表示副交感神經活動，以及LF/HF的比值。這些指標可說明交感神經的活動水平，較高的LF/HF值表明交感神經系統活動增加，這與壓力和焦慮水平升高有關[30]。過濾技術，如白去噪、低通去噪、基線去噪和帶阻，被應用于去除噪聲和心率干擾。ErgoLAB為HRV和其他生理數據的處理與分析提供了平臺。

3.4 皮膚電導(SC)

反映皮膚電活動(EDA)的皮膚電導率是用一個放置在左手2個手指上的無線傳感器測量的。這種活動是人體體溫調節的重要指標，反映了血管的擴張和收縮以及皮膚汗腺的活動[31]。通過測量皮膚阻力和出汗的變化，皮膚電導可以提供關于個體生理狀態的信息。傳感器的測量范圍為0～30μs，精度為0.13，采樣頻率為32Hz。為了完成電路，將傳感器的2個電極放置在左手的2個不同手指上(圖6)。利用濾波技術和圖像反卷積方法對EDA信號進行處理，去除噪聲，然后進行時域分析。

圖6 用于記錄心率(6-1)和皮膚電導(6-2)的多通道傳感器Fig.6 Multi-channel physiological machine for recording heart rate (6-1) and skin conductance (6-2)

3.5 心理測量

使用改進的語義差異(SD)方法檢驗視覺刺激引起的印象。在這項研究中，參與者以5分制(-2～2)對3對形容詞進行評分。

3.6 統計分析

采用SPSS 25.0版本(IBM Corp,Armonk,NY,USA)進行統計分析。采用重復測量方差分析(ANOVA)和Bonferroni檢驗來評估3種情況之間的生理差異。生理數據分析的顯著性水平設為P＜0.05。心理資料分析采用steel-dwass檢驗。生理數據分析的顯著性水平設為P＜0.05。所有數據均以均數±標準差表示。

4 實驗測試結果

4.1 腦電描記法

比較了2個電極(AF3、AF4)的平均α相對功率，如圖7所示。當受試者觀看所測試的視覺刺激時，可觀察到α相對功率的顯著差異。在AF3通道中，建筑物圖像(1.30±0.02)與綠地圖像(2.37±0.14)(P=0.001)、建筑物圖像(1.30±0.02)與水體圖像(2.18±0.06)(P=0.001)之間存在顯著差異。此外，在綠色空間和水景圖像的視覺刺激過程中，α相對功率也存在顯著差異(P=0.01)。

圖7 觀察建筑物、綠地和水體圖像時AF3和AF4電極的Alpha相對功率變異性(n=20，均值±SD；＊＊經Bonferroni校正P＜0.01)Fig.7 Alpha relative power variability in AF3 and AF4 electrodes while viewing buildings,green space,and water space images (n=20,mean±SD;＊＊P＜0.01,Bonferroni correction)

移動到AF4通道，建筑物圖像(1.27±0.07)與綠地圖像(2.24±0.02)(P=0.05)、建筑物圖像(1.27±0.07)與水體圖像(2.22±0.07)之間的差異顯著(P=0.001)。不同的是，在AF3通道上，綠地圖像與水體圖像的α相對功率沒有顯著差異(P=0.1)。這些發現表明，綠地圖像和水體圖像的視覺刺激有助于使參與者放松。此外，與觀看建筑物相比，綠地圖像和水體圖像都會在前額葉產生顯著的情緒反應，這可以通過更高的α相對功率來證明。

4.2 心率變異性

圖8顯示了當參與者觀看綠地和水體空間影像時，副交感神經活動的HF值的平均總和。與觀看城市建筑影像相比，觀看綠地和水體空間影像顯著增加了HF值(綠地：383.82±59.80mesc2VS 建筑物：248.32±42.92 mesc2，P=0.007；水景：350.85±76.93mesc2VS 建筑物：248.32±42.92mesc2，P=0.009)。而綠地空間視覺刺激與水體空間視覺刺激的HF值無顯著差異。這一發現表明，與觀看建筑物影像相比，觀看綠地空間和水體空間影像會增加交感神經活動。

圖8 ln(HF)在3min內觀看城市建筑空間、綠地空間和水體空間(n=20，均值±SD；＊＊P＜0.01)Fig.8 ln(HF) during 3-min viewing of urban architectural space,green space,and water space (n=20,mean±SD,＊＊P＜0.01)

此外，建筑物影像的平均LF/HF值顯著高于綠地和水景(建筑物：2.43±0.81 VS 綠地：1.84±0.30，P＜0.01)與對照(建筑物：2.43±0.81 VS 水域：1.99±0.65，P＜0.01)，如圖9所示。然而，在觀看2種視覺刺激時，LF/HF值沒有顯著差異。這表明，觀看綠地和水體影像時的放松狀態高于觀看建筑物影像。

圖9 3min體驗期LF/HF[n=20，mean±SD，＊＊表示P＜0.01(Bonferroni檢驗)]Fig.9 LF/HF during the 3-min experience period (n=20,mean±SD,＊＊P＜0.01,Bonferroni test)

4.3 皮膚電導

圖10展示了參與者在3min體驗期間的平均皮膚電導。參與者看到建筑物影像時的平均皮膚電導(2.25±0.36)略高于看到綠地(2.14±0.31)和水體(2.20±0.35)影像時的平均皮膚電導。然而，在3種視覺刺激之間沒有發現顯著差異。

圖10 參與者在3min體驗期間的平均皮膚電導(n=20)Fig.10 Mean skin conductance of participants during the 3-min experience period (n=20)

4.4 心理反應

采用語義差異問卷(SD)進行測量。圖11顯示了在觀看了城市建筑、綠地和水體影像后，使用3個相反的形容詞對進行感知評價的結果。對于舒適-不舒服的評價，綠地空間和水體空間影像被評為舒適(分別為1.37±0.61和1.27±0.64)，而建筑影像被評為不舒服(-0.50±0.86)，這表明從高層觀看綠地空間或水體空間給人的感知明顯比建筑影像更為舒適。在放松-覺醒評價中，綠地空間(1.50±0.51)和水體空間(0.93±0.79)影像得分為放松，而建筑影像(-0.70±0.65)得分為幾乎輕微覺醒，表明3個圖像之間存在顯著差異(圖7，P＜0.001)。此外，受試者在觀看綠地空間影像時報告了更放松的感覺。

圖11 觀看城市建筑、綠地和水體空間后對“舒適”“放松”和“自然”感覺的主觀評分比較(n=20，mean±SD，＊＊P＜0.01)Fig.11 Comparison of subjective scoring for "comfortable","relaxed" and "nature" feelings after viewing urban architectural space,green space,and water space (n=20,mean±SD,＊＊P＜0.01)

在自然-人工印象評價中，綠地空間(1.63±0.49)和水體空間(0.90±0.85)影像被評價為非常自然，而建筑影像(-1.43±0.86)被評為人工印象，3幅影像之間差異顯著。研究結果表明，與觀看建筑影像相比，觀看綠地空間和水體影像具有與“舒適”“放松”和“自然”印象相關的心理效應。

5 討論

高層窗景作為高層室內環境的外延，會對人們的心理健康產生更大影響。本研究測試高層景觀的生理和心理反應，采用了反映3類不同環境(城市建筑、綠地和水體)的實驗照片。受試者觀看這些照片的時間為3min，同時記錄他們的生理反應。隨后，研究人員使用改進的SD方法對參與者進行心理問卷調查。在環境心理學研究中，使用影像作為視覺刺激是一種有效且被廣泛接受的方法[4，32-34]。基于此，本研究調查了從120m高度拍攝的城市建筑空間、綠地空間和水體空間影像對個體生理和心理反應的影響。

研究結果表明，與觀看城市建筑相比，從高海拔觀看綠地空間和水體空間對大腦功能的影響存在差異。當受試者觀看綠地空間和水體空間影像時，其α波振幅始終較高，這與促進平靜和放松感有關[11，35]。研究結果顯示了對不同視覺刺激產生的不同生理和心理反應，如城市建筑影像可能導致的某些生理變化歸因于城市建筑的固有特征，如高密度、結構復雜性和缺乏自然元素。這些發現與早期的研究一致，強調了城市建筑對個體壓力水平和喚醒狀態的潛在影響。對前額葉α波的分析顯示，在從120m的高度觀看綠地空間和水景空間的受試者中，α波的相對強度顯著增加。這一發現與筆者團隊之前的研究結果一致[16]，并支持Olszewska-Guizzo等[4]2018年的研究結果，該結果表明，從較低高度拍攝的綠化覆蓋率較高的照片，會引發更強的α波。在觀看綠地空間和水體空間的受試者中，α波的增加表明對他們的認知和情緒狀態有潛在的積極影響，因為α波與感知和認知過程密切相關[36-37]。此外，α波活動的增強和創造力的增加與抑郁癥狀的減少有關[38]。因此，觀察到α波增加，表明在高層景觀環境中加入綠地空間和水體空間大有益處，因為它們有助于放松和推動認知過程。這些發現強化了在城市空間中融入自然元素的重要性。此外，從120m的高度觀看綠色空間和水體空間會引發α功率的增大，這表明抑郁癥狀的減少和平靜感受的增強[39]。研究同時表明，觀看自然元素會誘發積極的情緒、健康的心態，以及寧靜平和的感受，正如腦血流量的變化所證明的那樣[40]。因此，本研究結果表明，與觀看城市建筑物相比，綠地空間和水體空間在高層窗景的視覺暴露增強了人們放松的感受。

與筆者團隊之前的研究結果一致[16]，本研究結果證明了綠地空間和水體空間在120m高度的視覺暴露對自主神經系統活動具有顯著影響。具體而言，與城市建筑空間的視覺暴露相比，我們觀察到：展示綠地空間和水體空間會使副交感神經活動顯著增加，表明放松感受的增加，同時伴有交感神經活動減少，反映了應激反應的減少。這些生理變化是通過測量心率變異性(HRV)來評估的，心率變異性是與壓力、焦慮、放松和平靜相關的交感和副交感神經系統動力學的公認指標[30]。

改進的SD方法顯示，與城市建筑空間相比，受試者觀看綠色空間和水體空間的感覺更為“舒適”。此外，與其他視覺刺激相比，在觀看綠地空間時，他們體驗到了更大的“放松”感，感覺與“自然”的聯系更加密切。因此，與觀看城市建筑空間相比，綠地空間和水體空間在120m高度的視覺暴露引發了舒適、放松和更接近自然的感覺[41-42]。這些發現突顯了自然環境的積極心理影響，特別是在與高層建筑相結合時。

這一發現表明，個體普遍傾向于沉浸在自然環境中，而不是城市建筑環境之中[43]。在住宅和辦公環境中，通過高層窗戶看到的自然景觀與人類健康呈正相關，從而證實了先前研究的發現[22，44-45]。本研究結果表明，從更高的視點觀察自然綠地和水體景觀與整體健康之間存在正相關關系。觀察綠地或水體景觀的人往往會體驗到更大程度的放松、平靜和舒適。研究結果強調了高層建筑周圍近自然環境的重要性，這種現象可能歸因于人類個體長期進化歷程中自然感知的比重遠大于其他類型的感知，并且包含了視覺、聽覺和嗅覺信號等多種感官途徑的自然感知[46]。視覺刺激通過提供有關景觀、顏色和整體審美吸引力的信息，在感知和欣賞自然環境方面發揮著至關重要的作用，它們可以喚起放松的感覺及與自然的聯系[47-48]。

本研究結果對于城市環境規劃設計，特別是高層建筑設計與布局具有啟示意義。從高層的視角結合視覺上可觀看到的綠地空間和水體空間，可以增強聚居者的放松感并減少壓力水平。風景園林設計師、建筑師和城市規劃師可以通過了解這種高層景觀的生理和心理影響，為創造更健康、更可持續的城市空間作出貢獻。在高層建筑設計中考慮自然環境的恢復性，可以促進居住者的福祉和整體生活質量。這項研究的發現也佐證了從高層建筑之內向外觀看自然山水景觀、綠地和建筑物的組合對個體幸福感的重要性。基于本研究的發現，未來的研究可以尋找那些能夠發揮積極影響的特定元素和自然組合。例如，調查幾種類型的綠地空間、水體或建筑景觀形態對個體生理和心理反應的影響。進一步，研究高層景觀基于自然視覺刺激的長期影響，評估在較長一段時間內其對個體健康和生活質量的持續效益與潛在變化，這將有助于更加全面地掌握高層景觀對于聚居者福祉影響的科學規律。

6 結論

作為高層景觀的初步研究，從居于高層向外觀看的感受出發，本研究通過探討觀看城市建筑空間、綠地空間和水體空間的圖像對生理和心理的影響，從120m的高度拍攝照片，為城市景觀視覺研究開辟了新的領域，揭示了與建筑空間、綠地空間和水體空間相關的2個顯著影響: 與城市建筑空間相比，一方面，綠地空間和水體空間的α相對波和副交感神經活動增加；另一方面，綠地空間和水體空間能誘導人產生舒適和放松感。觀察到的α相對波和副交感神經活動的增加表明，對綠色空間和水體景觀圖像的視覺接觸會使人產生生理反應，這可能表明注意力和興趣狀態的提高，該發現有助于理解人類對視覺感受與反應的聯動性。此外，綠地空間和水體空間誘導人產生舒適和放松感后，人們的心理反應特征是平靜和安寧。這些發現突顯了展示高層景觀中綠色空間和水體景觀圖像對于個體健康潛在而有益的影響。

基于高層景觀感受的研究結果，人們可以有意識地在高層建筑周圍規劃、整合、優化綠地和水體景觀，為優先考慮居民健康和福祉的高層建筑提供循證設計指南，為提升城市高密度與高層人居環境的宜居性提供具體可行的創新思維和途徑。對于城市規劃師和建筑設計師，應以風景園林學科專業的視角，考慮將高層建筑附近的綠地空間和水體景觀元素納入其規劃設計中，以促進城市環境中個體的放松感和幸福感，實現將自然元素融入高層建筑環境，創造出更和諧、更健康、更具美感的城市高層景觀。

注：文中圖片除注明外，均由作者繪制或拍攝。