基于眼动的城市森林景观视觉质量评价及距离变化分析*

张 昶 王 涵 王 成

1 中国林业科学研究院林业研究所 北京 100091

2 国家林业和草原局林木培育重点实验室 北京 100091

3 国家林业和草原局城市森林研究中心 北京 100091

4 中国计量科学研究院 北京 100029

城市森林为城镇居民提供了重要的公共绿色休闲空间,随着城镇居民对生态游憩需求的日益增长,基于城市森林生态与景观的综合服务供给越来越受到重视[1-3],对城市森林生态功能与景观视觉质量的评价也成为国内外生态学领域的热点。在生态功能评价方面,已经系统形成基于城市森林改善城市环境及应对城市环境问题的、包括降温缓解城市热岛[4-7]等功能在内的综合生态功能效益评价体系[8-10];在景观视觉质量评价方面,大部分的研究仍采用心理物理学派方法[11-19],这些方法能够较为整体地反映观赏者对城市森林景观质量的感受,但其评价结果较为主观,并且对于视觉质量的影响因子解释较弱。眼动 (眼睛在获取外界信息时所发生的运动)能够反映个体内在认知景观的过程,通过眼动追踪得到的量化眼动数据可以客观地反映观测者主观视觉感知特征,并能够从时间维度与空间维度解释视觉景观的影响因素[20-22]。目前基于眼动的景观质量评价已在校园景观[23-24]、旅游景观[25]、公园绿地景观[26]等方面展开,但针对城市森林的研究还较少,也未见从观赏距离角度开展的相关分析,而不同观赏距离会使观测者产生不同景观感知,影响其对景观质量的判定,这是城市森林游憩路径设置,或针对已有游憩路径的景观提升需要考虑的重要因素,故有必要对城市森林景观视觉质量的距离变化展开研究。近年来,北京平原地区通过大规模生态建设工程,形成了油松、白蜡、国槐、银杏、刺槐、旱柳等 (使用量100万株以上)树种为主的平原大斑块城市森林,对这些平原城市森林质量的评定及功能最优化的游憩开发是目前需要解决的科学问题。本文选择通州运河森林公园作为研究地点,控制距离单变量,选取北京平原典型的旱柳城市森林景观作为对象展开相关研究,探索构建基于眼动指标的景观视觉质量评定模型,对旱柳景观进行视觉质量评价,并多维度对比眼动特征因子,分析观赏距离变化对视觉景观质量产生的影响,以期为城市森林景观功能提升与最优化的游憩路径设置提供参考。

1 研究区概况及研究方法

通州运河森林公园位于北京东部平原,总面积约713万m2,该公园是平原城市森林建设工程的重点实施地块。全园乔木种类共计60种,通州运河森林公园的优势乔木种类以杨柳科、豆科、松科为主,具体包括毛白杨 (Populus tomentosa)、国槐(Sophora japonica)、旱柳 (Salix matsudana)、油松 (Pinus tabuliformis)等,其中旱柳景观是全园最典型的城市森林景观类型[26]。

1.1 样本采集与样本处理

1)样本图像拍摄。结合拍摄条件和场地可达性,在通州运河森林公园选定并设置5个旱柳景观林样点,记为P1,P2,P3,P4,P5,选择北京植被生长状况最好的6月份展开样本图像采集工作;以5 m为一个距离梯度,在同一方向直线设置5 m,10 m,15 m,20 m,25 m,30 m距离节点,利用同一相机,以1.5 m人体普遍视觉高度横向拍摄,共计拍摄30个样本图像,将样本图像按照 “P样点-距离梯度”的方式进行命名,如1号样点15 m拍摄图像,命名为P1-15。

2)样本处理与AOI提取。为避免背景干扰,对所有样本的天空、地面草坪进行同质色彩处理,并利用Matlab平台,通过提取RGB分量、阈值分割、边界提取、边界链接,去除样本天空与地面,再经过人工校对,提取旱柳林(含树冠与树干)范围,并将其设定为眼动实验的AOI(AreaOfInterest)。

1.2 眼动测试

利用EyesoEc80遥测试眼动仪 (采集频率为80fps)、电脑 (液晶显示屏分辨率为 1920×1080)进行视觉追踪测试。以 “视觉正常、裸眼视力或矫正视力均在1.0以上”为条件,应征选取30名被试人员。被试人员以坐姿接受测试,坐落位置设定在其两眼与显示器中心位置距离约70cm的地方。正式测试前接受眼动校准,正式测试开始后播放天空与地面同质色彩处理后的样本 (样本随机分为3组,每组6张,为排除首因效应[24],每组包含3张预热照片),眼动仪开始追踪眼动数据,直到播放完毕停止追踪,样本播放过程由被试控制,不限制观看时间。整个实验过程通过Eyeso分析软件收集眼动指标的实验数据,后续分析依据需求提取数据,同时,还可依据需求对注视位置和时间等生成可视化图像。

1.3 视觉景观质量评价模型构建

1.3.1 指标因子选择

依据景观美学、心理学等的研究成果,文本以景观对视觉的聚集、兴趣、关注、吸引4个视觉特征度量景观的视觉质量;依据眼动追踪已有的研究成果,体现人视觉特征的眼动行为主要有注视、眼跳、追随3种基本形式,考虑本文所采用的静态图片眼动测试方式,因此重点选择注视与眼跳两种形式的眼动指标;结合文本划定的AOI特点,从时间维度与空间维度进行对比与梳理,选定能表征视觉吸引、关注、兴趣、聚集程度的7个对应指标因子 (表1),以V代表指标因子,包括:V1注视点个数、V2注视频率、V3平均注视时间、V4平均眼跳幅度、V5平均眼跳速度、V6首次注视时间、V7注视时间比重。

表1 景观视觉质量评价的指标因子

1.3.2 评价模型构建

从Eyeso分析软件中按照表1中选取的指标因子,提取相应测试数据导入SPSS中。首先对30个样本的指标因子值进行标准化处理;再利用主成分分析法对标准化后的指标因子进行加权计算,得到景观视觉质量评价值,记为VQ(Visual Quality),VQ=F1*W1+F2*W2+F3*W3,其中W1为0.51,W2为0.28,W3为0.21,F1,F2,F3为各指标主成分得分 (表1);最后利用聚类分析划分景观视觉质量等级,用以度量通州运河森林公园旱柳林各样点整体的相对状态。

2 结果与分析

2.1 景观视觉质量的评定结果

根据评价景观视觉质量模型计算得出各样点的视觉质量评价值 (图1)。30个样本的景观视觉质量值分布在0.13～1.49范围内,对30个样本的景观视觉质量值进行聚类以划分等级 (表2),结果表明,其中处于高等级 (景观视觉质量相对较好,视觉的吸引力强、关注度高、兴趣性强、视线在景观中聚集,1.35＜VQ＞≤1.49)的样本有12个,占40%;处于中等级 (景观视觉质量一般,对于观测者具有一定的吸引力、兴趣性与关注度,视线一定程度上在景观中聚集,0.49＜VQ≤1.35)的样本有15个,占50%;处于低等级(景观视觉质量相对较差,视觉的吸引力弱,关注度与兴趣性也较弱,视线向景观聚集程度非常低,0.13≤VQ≤0.49)的样本有3个,占10%。整体而言,通州运河森林公园旱柳林景观具有较好的视觉质量。

图1 景观视觉质量值

2.2 景观视觉质量的SBE验证

2.2.1 整体VQ等级与SBE等级对比情况

将视觉质量模型求得的各样本景观视觉质量评价值与前期研究所得的各样本SBE评价值[26]进行对比。首先采用相同的聚类方法对样本SBE评价值进行等级划分,其等级分类范围见表2。按照该分类标准,统计30个样本SBE的等级情况,结果显示,SBE处于高等级的样本有11个,处于中等级的样本有17个,处于低等级的样本有2个;该结果与视觉质量的评价结果具有很高的一致性,说明基于眼动的视觉质量评价值能够较好地总体反应观测者的景观感知。

表2 景观视觉质量与美景度等级划分对比表

2.2.2 各样本VQ等级与SBE等级对比情况

进一步对比并统计各样本VQ等级与SBE等级差异 (图2),虽然整体VQ评价与SBE评价结果具有较高的一致性,但各样本VQ评价等级与SBE评价等级存在一定的差异,二者的差异可以从某种程度上反映林分之外的天空与草地等元素对观测者主观感受的影响 (SBE评价整个图像,除主体旱柳林景观,还包括天空与草地等其他元素,而VQ评价全部针对旱柳林景观)。由图2可知,15m和20m二者存在等级差异的样本数量最少,其他元素对观测者主观感受影响少;而5m,10m,25m,30m差异样本数量相对较多,天空、地面草地等元素对观测者主观感受存在一定的影响。

2.3 景观视觉质量的距离变化

对视觉质量综合指标值与各指标因子值进行Pearson相关性检验,结果表明,景观视觉质量综合指标与注视频率 (P=0.000)、平均眼跳幅度 (P=0.000)、注视时间比重 (P=0.000)显著正相关,而与注视点个数 (P=0.007)显著负相关,该结果说明V1注视点个数、V2注视频率、V4平均眼跳幅度、V7注视时间比重是对景观视觉质量构成显著影响的重要指标;从指标的含义及对视觉质量特征的表达来看,这4个指标能够对视觉质量的聚集、兴趣、关注、吸度量特征完全响应,评价模型能够较好地反应视觉质量。

图2 景观视觉质量等级与SBE等级差异图

重点对注视点个数、注视频率、平均眼跳幅度、注视时间比重的距离变化进行分析,以探讨观赏距离对于景观视觉质量的影响。AVOVA分析结果表明,不同观赏距离V1存在显著差异 (F=2.977,P＜0.05),而 V2(P＞0.08)、V4(P＞0.9)、V7(P＞0.9)本身不存在显著的距离差异;但V2与V4(P=0.033)、V7(P=0.000),以及V4(P=0.003)、V7(P=0.03)与V1存在显著相关性,故距离变化通过显著影响注视点个数,并对注视频率、平均眼跳幅度、注视时间比重产生相关影响,从而影响景观的视觉质量(图 3)。

图3 景观视觉质量的距离变化

1)注视点个数随距离变化主要呈现 “W” 型变化 (图3),注视点个数在15m和25m时出现两个谷值,30m时升高到最大值,即在15m与25m的观赏距离时,视线在旱柳林内较少的位置相对集中。为进一步明确在这两个观赏距离时注视点具体的位置,结合热点图 (图4)解读分析可以看出,在15 m与25m处,视线由树冠与草坪相交的边缘向外分散,时间最长的注视点基本都在树冠与地面交界处,在树冠内形成的注视点相对较少。该结果与对生态景观视觉热点的已有研究结果一致,森林景观的视觉热点也会相对分散在多种生态元素交界的范围内。

图4 各样点15 m,25 m热点图

2)注视频率随距离变化主要呈现 “V” 型变化 (图3),从5 m开始随距离增大注视频率变低,25 m时出现谷值;在该观赏距离下,视线每秒在旱柳林内注视次数最少,旱柳林对观测者的吸引相对较小,关注程度也较弱,在30 m时注视频率又回到较高水平。

3)平均眼跳幅度随距离变化主要呈现 “M”型变化 (图3),在15 m与25 m时达到峰值,在该观赏距离时,视线扫视的幅度较大,森林景观局部或细节兴趣感不强;而30 m观赏距离时平均眼跳幅度为最小值,森林景观较为吸引观赏者进行景观的细节探索。

4)注视时间比重随距离变化主要呈现 “W”型变化 (图3),从5 m开始随距离增大注视时间比重变低,15 m与25 m出现两个谷值,注视比重较低30 m出现最大值,说明在15 m和25 m时注视点对视觉吸引相对不够,而30 m时注视点视觉吸引相对明显。

2.4 基于距离影响的旱柳林游憩建设对策

1)景观对视线的兴趣、关注、吸引程度普遍在25 m处较低,且25 m处视线多向树冠与草坪交界面聚集,草坪对景观感知存在一定影响。因此,以旱柳林为主体景观的游憩建设应避免将观光游憩步道设置在25 m的视觉距离位置,而对25 m视觉距离位置已有路径的游憩林景观进行提升,视线范围内的草坪景观也应共同纳入提升。

2)景观视觉质量在5 m与30 m处呈现相对较高水平,其中在30 m处旱柳林景观的视觉细节吸引特征表现得最明显,在5 m处景观的视觉关注强度特征表现得更为突出。路径设置需要考虑5 m,30 m的设置距离,且需要高频注视的元素(景观标识等)更适合设置在5 m处,而需要长时间停留欣赏的元素 (标识性景观等)更适合设置在30 m处。

3 结论

本文基于眼动指标构建VQ评价模型,运用模型评价通州运河森林公园旱柳林景观视觉质量,并运用ANOVA分析景观视觉质量的距离变化,结论如下。

1)旱柳林景观视觉质量综合指数值分布在0.13～1.49的范围内,40%样本处于高等级,50%样本处于中等级,10%样本处于低等级。整体而言,通州运河森林公园旱柳林具有较好视觉质量,景观对视线的兴趣、关注、吸引、聚集程度较高。

2)注视点个数、注视频率、平均眼跳幅度、注视时间比重对景观视觉质量构成显著影响,距离变化通过显著影响注视点个数,对注视频率、平均眼跳幅度、注视时间比重产生相关影响,从而影响景观视觉质量。

3)随着距离的变化,注视点个数主要呈现“W”型变化,注视频率主要呈现 “V”型变化,平均眼跳幅度主要呈现 “M”型变化,时间比重主要呈现 “W”型变化,均在15 m与25 m处出现两个谷值或峰值,对应了视觉兴趣、视觉关注、视觉吸引、视觉聚集特征的较低水平。

4)旱柳林景观视觉质量在25 m观赏距离处最低,且25 m处视线多向树冠与草坪交界面聚集,草坪对景观感知存在一定的影响;在5 m与30 m观赏距离处景观视觉质量呈现相对较高水平,可作为游憩路径设置参考值。