基于宁静评级预测模型的北京城区公园绿地边界区域植物组成对城市宁静感影响探讨

阎姝伊 郑曦

1 研究背景

城市噪声污染是四大环境公害之一，是21世纪环境污染控制的主要对象。中国提出健康中国战略也指出着力解决突出的环境问题。世界卫生组织指出噪声是困扰现代社会的问题，对健康有害[1]。斯卡而巴克等研究表明，长期处于70dB噪声环境中，患心肌梗塞概率将会增加30%以上，在此环境中长期生活超过10年以上，患心肌梗塞概率将会增至80%[2]。

1.1 宁静及宁静环境的重要性

赫尔佐格和巴恩斯对宁静环境建设进行了大量的研究，认为“宁静” (tranquility)是由愉快和安静两个部分组成[3]。在城市环境中，“宁静环境”是由自然的声音或较低的人造声音为主的音景噪声和视觉体验舒服自在的绿色环境组成，在这种环境下人体对于声音以及视觉的感受被称为宁静感，越多的自然环境和越少的人工噪声宁静程度也就越高。

神经影像学研究显示，宁静环境有利于听觉—视觉交互从而影响人类大脑处理感觉输入问题[4]。兰姆研究表明大多数人更喜欢自然的音景和绿色环境[5]，卡普兰发现绿色景观环境可以让人心情愉悦，自然的声音可以帮助人们恢复生活中的精神疲劳[6]。博格、莱希特、格兰、乌尔里希研究表明宁静的环境和减压、幸福、长寿、缓解疼痛以及大脑处理听觉信号有关[7-10]。市中心密集的车辆交通很大程度上造成喧闹的环境，耸立的钢筋水泥的建筑形成乏味的环境，因此需要保护与提升城市中可以缓解人们日常压力的绿地景观。绿地和水边由于存在大量绿色植物、野生动物和鸟类歌声、水声是城市喧嚣的避难所。

1.2 植物对于宁静环境的影响

植物作为绿色声屏障，对声波具有显著的衰减作用。巴成宝对城市绿化植物减噪机理和城市绿化植物减噪效果进行综述研究[11]。影响减噪效果的因素主要包括林带宽度、郁闭度、配置方式以及植被类型[12]。植物还可通过多彩的颜色、丰富的形态使人们得到放松。

1.3 有关宁静环境评价方法的研究

通过对现有的文献阅读分析，何谋对声景的质量、评价等进行综述[13]，有关学者针对环境声级提出了多种预测模型，如人口密度预测背景噪声级（Population Density Modelling）[14]，根据人口密度对大区域噪声进行模拟。法森和万特等人使用宁静评级预测模型（TRAPT）对绿地宁静环境进行定量评价[15]。在噪声对绿地影响方面，扈军使用噪声衰减量，通过比较噪声经过绿地前后的变化，分析植物群落对减噪的影响[16]。而关于城市绿地视觉方面的研究主要集中在视觉景观的评价：唐真综述视觉景观评估的理论、方法和技术[17]，具体指标有李金路平面量化指标绿化覆盖率[18]、李晓三维立体指标绿视率（Green View Index，简称GVI）和谷歌街景视图（Google Street View，简称GSV）[19]与王大陆使用SBE法的美景度评价[20]。

现有的文献有以下局限性：1）噪声的研究大多数是对道路绿化带降噪效应的评测，针对城市公园噪声研究较少。 2）针对绿地降噪的研究与针对视觉景观营造的研究都比较丰富，而将二者结合并对绿地营造符合宁静环境的综合思考的研究比较少见。3）对于视觉景观的研究较少与具有恢复性的宁静环境联系。4）对于满足宁静环境的城市绿地植物组成及类型，缺乏定量研究。

1.4 公园绿地边界区域的研究意义

城市交通干线两侧区域是噪声污染较严重的区域[21]，根据声音传播衰弱规律，公园边界区域绿地相比于公园绿地中心区域更易受到噪声影响，如何打造更舒适宁静的城市环境，探索公园绿地边界区域研究意义相对更大，本文借助宁静评级预测模型对北京市城区公园绿地边界区域进行实地应用，更好地研究城市绿化对宁静感的影响，以期为未来营造宁静环境给予参考借鉴。

2 研究方法与对象

2.1 研究方法

宁静评级预测模型（Tranquility Rating Prediction Tool，公式1）[15]是由参与过英国环境噪声法规与安静区域国家标准制定的万特（Watts）教授（英国环境食品和农村事务部首席研究员）与其研究团队（英国布拉德福德可持续环境中心成员）提出，并在城市绿地中验证和校准，发现城市绿地的宁静程度与进入其中的人放松水平高度相关r = 0.98（p ＜0.001）[22]。

表1 宁静评分等级评判标准Tab. 1 Criteria for judging the tranquility rating

其中，宁静评级（Tranquility Rating）是0到10分的宁静程度评分等级，NCF（Natural and Contextual Features）是视觉场景中的自然成分百分比（这里的自然成分不包含天空），而 Lday（Daytime Equivalent Constant A-weighted Level）是白天的人造噪声源等价常数A加权值，MF（Moderating factors）是一个调节因素，保证TR值在0～10范围内。NCF和Lday分别代表视觉与听觉因素。

这个公式研究了TR和Lday在不同NCF级别的趋势。对于TR值为5.0，将近50%的访问者声称他们游览公园后“更加轻松”，TR值为8.0，约80%的报告是“更轻松”的。评判标准可以定量地评判环境的宁静程度，具体如表1[23]。

宁静评级预测模型（TRAPT）由英国地区根据当地居民实验得出，对于不同地区文化不同可能引起不同的感受反应，通过验证不同地区人们（实验人群由中国香港、中国大陆、16个不同国家的多元化团体组成）对于相同环境的宁静程度认知，发现不同地区的人所感知的宁静程度变化在一个标度点范围内[24]。宁静感是人主观感受，相比于单纯研究声学环境，本文使用的宁静评级预测模型研究宁静程度将视觉景观和声音景观纳入模型更为准确，此外增加抽样调查游客感知情况完善模型结论（图1）。

2.2 样地选取

1 宁静环境要素组成及宁静评级预测模型所需数据Composition of tranquil environment elements and data for tranquility rating prediction tool

为研究北京市城区公园绿地边界区域植物组成对城市宁静感影响，选择北京市被主要城市交通干道包围的城市公园进行调查。样地选取有以下几个原则：1）其噪声主要来源于道路交通，位置需避开其他长时间产生声源要素（如工业）。2）为了保证噪声环境一致性和可比性，样方外选择道路级别一致的北京市城市主要交通干道（双向六车道）；3）为了排除随机噪声的干扰，样本位置远离交叉口、弯道等频繁引起汽车加速、启动或鸣笛的区域，测量时间的选取也排除早晚高峰或者交通低谷时期；4）为了减少声音随距离自然衰减的影响，样方与道路垂直距离一致，距道路边缘25m左右且保证行人可穿行。

根据以上条件选取太阳宫公园北侧、紫竹院公园南侧、马甸公园东侧公园边界为本次实验样本获取点（图2）。在每个公园外侧道路旁选取1个源样本作为参照，假设噪声源均匀分布于道路；每个公园边界样方内按照植物群落结构与种植密度的差异各筛选出选取2个样方作为样方代表，其样方一边与道路平行且与道路间阻碍物只有植物，样方按照40 m×40 m面积计数。

3 实验分析

3.1 相关实验数据

通过实地调查方法收集宁静评级预测模型中视觉场景中的自然成分百分比（NCF）和噪声 （Lday）数据，结合抽样调查游客对于绿地宁静感受对模型进行校对。具体如下：

3.1.1 NCF测量

该方法与绿视率计算原理类似，均为提取图片中绿化部分像素研究其占图片的面积。人不需转动头部正常平视情况下垂直面视场约±20°，与相机视角类似，可保证相机垂直方向收录图像基本符合人视角。相机在水平面上大约51°的视角（未变形）。在1.5m的高度（接近成年人的平均视高）水平拍摄了7张连续的照片，完成近似360°的视野度。通过CAD软件中画方格分析图片的视觉场景中的自然成分百分比（去除天空）。部分场景会有重叠，因此计算中使用每个位置NCF的平均值。图3显示同一位置7张照片中的自然成分百分比。

3.1.2 Lday测量

使用HS5660C精密噪声频谱分析仪，测量前使用声校准器校正。测量时使用2台声级计同步进行，保证交通噪声源的一致性。将样地临近路面边缘一侧定为0m处，设置测点，并向绿地内部垂直于外边缘的方向延伸，在25m左右设置第2个测点，每个测点共测6组数据。测量高度设置为1.2m。测定时选择湿度、温度、风速、风向等因素影响较小的时间段，其中风速小于1.5 m/s，测量时间为3月上旬。时段为工作日平峰09: 00—11: 00 和13: 00—16: 00非早晚高峰及交通低谷，保证测量时段的可比性，测量参数选取A 计权声级，假设噪声源均匀分布于道路。

3.1.3 MF调节因素

此外存在某些因素对声音或视觉有附加影响，有实验表明水声可以改善被噪声污染的公园的宁静感，而垃圾的存在会使宁静度评分平均下降一个标准点[25]，因此设置调节因素保证TR值在0～10范围内。在同一方法测量情况下，假设没有听到水声或看见垃圾或涂鸦，考虑到在下面的所有计算中都是相同的。为简单起见，调节因子MF设置为0。公式调整为

2 同比例下样点区位图Sample locations under the same proportion

3 3个公园同一位置自然成分百分比Percentage of natural components in the same locations of the three parks

表2 3个公园样方植物群落特征Tab. 2 Sample plant characteristics of the three parks

3.1.4 游客宁静感调查

已有研究表明中国大陆地区与其他地区居民对于环境的宁静感认知差别不大[24]。在已有验证基础上针对各样本进行简单鲁棒验证，采用现场问卷调查法（使用李克特量表），在公园内每个样方处随机调查8名游客与2位园林专业从业者的宁静度体验①，通过原地匀速转动一周，对于视觉（自然程度极少，自然程度少，自然程度一般，自然程度多，自然程度极多5个等级）和声音（十分嘈杂、嘈杂、一般、安静、十分安静5个等级）环境进行感知，按等级赋值1、2、3、4、5，并最终给出宁静程度（差、较差、中、较好、好5个等级）。

3.2 实验结果分析

表2记录3个公园6个样方的植物群落特征情况，从实测平面图 （图4）可看出，除样方4、6外均为针阔混交林，靠近道路一侧为高大的乔木层，如样方1的油松、圆柏与旱柳、样方2的毛白杨与侧柏、样方3的国槐、毛白杨与圆柏、样方4的白皮松与早园竹、样方5的栾树与圆柏、样方6的洋白蜡，乔木层普遍高度在7～12m，除圆柏、侧柏外乔木枝叶繁茂处离地面约2.5m以上。灌木层普遍高度约为1.2～2m。从示意立面图可看出，在1.2m（噪声测量高度）高度各样方植物覆盖率有所不同，在相同面积中，样方1由于乔灌木共有35株，乔木层为油松、圆柏、旱柳，枝叶部分密集，又有丰富的灌木及地被植物；样方4有6株枝叶部分较密集的白皮松，又有320m2高为1.3m和20m2高约2m的密集竹篱，所以相对而言样方1、4的植物群落在绿地间密度较高。

表3②记录主要声音来源（均为交通噪声）、被测点距离主要声源的距离以及相关测量数据值，从表3中可以看出根据评判标准3个公园中只有太阳宫公园样方1与紫竹院公园样方4宁静程度达到“可以接受”的评级。游客对于样方1、4的宁静程度也有中等的评价，样方3、5的TR值在4分等级间，游客认为其宁静程度也还可以，游客认知感受符合已有研究验证结论，人体对于宁静感认知变化在一个标度点范围内。其他要想达到可以接受的宁静水平可以从1）减少交通噪声；2）增加自然特征的百分比；3）改变调节因素（增加水声）3方面进行改善。

4 3个公园种植平面图及示意立面图Plan and elevation views of plants in the three parks

表3 3个公园预测宁静评级Tab. 3 Predictive tranquility rating of three parks

5 3个公园游客视觉与听觉感知评级均值及方差与测量的NCF、Lday值Average rating of visual and auditory perception, variance, and measured NCF and Lday values visitors in the three parks

3.2.1 距声源距离分析

位于公园外侧靠近道路的样方a、b、c，因为机动车道等占据大量的面积，自然成分仅有少量行道树及公园边界的部分绿植导致其NCF均值极低，且与声源距离近，所以TR值都极其低。公园内距离声源30m的所有样方测量的噪声比较于道路旁的样方a、b、c均有所下降，TR值有所提高。

3.2.2 自然成分的组成结构与类型分析

1）从群落结构分析，具有乔—灌—草群落结构的样方1、3宁静评分等级高于乔—灌结构的样方5，高于乔—草结构的样方6。但存在乔—灌结构的样方4高于乔—灌—草结构的样方3，可能是因为在靠道路附近样方4垂直面上种植密度大于样方3。也存在乔—灌结构的样方2明显低于乔—草结构的样方6，这可能是由于样方2中种植疏于样方6，导致样方2的NCF平均值小于样方6的NCF平均值。

2）从群落特征分析，在种植密度相似的情况下，叶表面积大阔叶植物吸音效果比针叶植物效果好，如样方4缺少阔叶乔木，相较而言噪声减少量小于样方1。在种植密度相似的情况下，存在分枝点较低的高灌木更有利于减少噪声。由于样方5存在更多的分枝点较低的灌木，在NCF相对更高，植物群落的降噪能力也更强，宁静评分等级也比样方2高。样方3存在更多的针叶乔木和分枝点较低的灌木，宁静评分等级也比样方6高。

3）从种植形式看，样方1植物呈现较紧密的围合状态，种植密度也较紧密，因此宁静程度较高，样方3、5由于采用品字形列植，比起样方6列植形式所营造更好宁静环境，样方2由于种植过于稀疏，对于噪声阻隔效果较差。

4）从种植密度来看，密植的样方1、4宁静评分等级高于疏植的样方2、3、5、6，可能是因为密植相对于疏植来说自然成分百分比易更大，噪声衰减量更多，对于噪声的隔离效果更好。样方2靠近道路存在一排种植较密的侧柏，但由于后侧植物种植稀疏没有形成良好的屏障，比起其他疏植的样方3、5、6噪声较大。样方4由于种植大量分支点较低的高灌木形成绿篱，虽缺少阔叶乔木，相比于乔灌草结构完善的样方3，仍可以阻挡更多的声音，相对更为宁静。

3.2.3 游客体验分析

将游客感知均值与实际测量数据进行相对比较（图4），发现视觉自然程度感知均值与测量出NCF值基本对应，NCF值越大，游客视觉自然程度认知较高，方差基本上都在0.25左右。听觉认知则是Lday值越大，声音感知评级越低，方差在0.24左右。游客对于宁静度的视觉与听觉感知与宁静评级预测模型公式中要素因子对应的意义相同。

4 结论

通过分析发现太阳宫公园样方1（乔—灌—草结构密植，主要由针叶乔木+阔叶乔木+分枝点较低的灌木组成）与紫竹院公园样方4（乔—灌结构密植，主要由针叶乔木+分枝点较低的灌木组成）可以提供较好的宁静环境，是一种较为推荐的植物组合形式，根据宁静评级预测模型，影响宁静感的主要是音景中的人为噪声（通常是交通噪声）和视觉场景中的自然成分百分比。一般具有以下特点：

4.1 环境距声源的距离影响宁静感知

1）道路边缘距离声源不超过5m，由于存在道路等基础设施，NCF平均值小于30%时，一般噪声也超过70dB，此时宁静评分等级TR值小于1.5，人会感到非常喧闹，在人行道侧可适当增加自然成分或增设隔音装置提升宁静感。

2）在距离主要噪声源25m左右处，当NCF平均值在65%左右，噪声维持在62dB左右，此时宁静评分等级TR值为4.0档内，若想提高一个等级达到可以接受的程度（TR≥5）则需要将NCF平均值提升到67%以上，噪声则维持在60dB以内。

4.2 NCF影响宁静感知

在音景中的人为噪声相同的情况下，提高视觉场景中的自然成分百分比，可以提高人对于宁静感知。同样提高1个单位宁静评分等级TR值，噪音在60～70dB的环境需要提升10%NCF,而噪音超过70dB以上的环境,则需要提高25%NCF。选择冠型较为舒展的乔灌木有利于呈现相对宁静的环境。

4.3 自然成分的组成结构与类型对宁静感知影响

在视觉场景上自然成分百分比相同的情况下，自然成分的组成结构与类型影响了噪声削减程度，具体如下：

1）垂直面上植物覆盖密度越高，消减道路噪声越多。存在中下层植物和分枝较低的乔木的样方比没有的一般噪声衰减量可减少2dB以上，所以使用中下层植物和分枝较低的乔木，如采用乔—灌—草、乔—灌群落结构较优。分枝点低的高灌减噪效果好于分枝点高的乔木，表面积大的阔叶植物减噪效果好于针叶植物，可以较好营造宁静环境。

2）水平面上植物成品字形列植布置或较紧密的围合状态，对减噪有明显的作用。一般来说种植密度（距地高1.2m部分植物覆盖率）大于50%时，噪声衰减量可达到10～20dB，所以植物组合上采用相对连续性种植方式，在保证各植物正常生长情况下紧密布置有利于创造安静氛围。

3）由于声波震荡传播的原因，单排植物即使种植密集，但对噪声的消减能力较弱，所以建议公园边缘靠近道路的绿地采用多排植物种植。据调查3～4排小乔木可以形成明显的降噪作用[26]。

5 讨论

本文主要探讨毗邻城市干道的公园边界区域的植物组成对城市宁静环境塑造的影响。通过优化绿地植物结构、提升植被密度，可以有效缓解道路交通噪声对公园内部的负面影响，提升人体视觉场景中自然成分比例，使公园绿地给人提供更为舒适的宁静环境，这对于宁静环境塑造与游客体验有很重要的意义。此外，对宁静环境的研究还需要进一步深入，可以将更多影响要素考虑进宁静环境评价中；对宁静环境的评价不只局限在公园绿地边界区域，还可以对城市公共空间的绿地区域进行研究。

注释：

①公式已被验证应用，本实验中游客样本取样偏少且对于宁静感存在一定主观性，只是作为完善结论的参考。

②数据为现场实测，由于存在与噪声来源与植被存在一定夹角、随机非均匀噪声的干扰等不可抗拒的现场因素，故有一定误差。

③文中图表除图2底图为百度地图外均由作者拍摄及绘制。