眼动追踪应用于景观领域的研究综述*

刘凌汉 吴美阳 马艺萌 屈海燕

0 引言

随着人们生活水平的提高，对景观的需求也不断地提升。目前，景观评价的方法多以评价者主观角度出发；定性研究和间接评价的方法为主，如问卷法、访谈法等；研究的主观性较强，结果可靠性低。而眼动追踪技术是景观设计和环境心理学中一种相对新颖的研究手段，通过客观的记录人们对景观环境的观察，量化人眼的视觉关注与认知过程，使评价者的主观感受通过眼动指标得以客观体现。相较于被试的语言报告等方式眼动追踪技术更具客观性，具有定量研究与直接评价的优势，在景观领域研究上是一种强有力的研究工具。本文旨在回顾相关研究文献的基础上，对眼动追踪技术在景观领域研究中的应用、一般应用特点、局限以及趋势做出总结和展望。

1 眼动基本理论及应用

1.1 眼动基本理论

在人的认知过程中，视觉是获得信息的最主要途径，眼动是视觉信息加工过程的行为表现[1], 可以在一定程度上反映出个体内在的认知过程[2]。不同的认知过程表现出不同的眼动行为特点，通过记录和分析人的眼动数据可以推断其心理过程[3]。

1.2 眼动追踪技术的应用

人们对眼动追踪的研究起源于19世纪末，利用所获取的眼动数据，探究眼动行为与心理活动之间的关系。眼动追踪早期主要应用于广告评估[4-7]和阅读等研究中[8-11]。近年来，眼动追踪技术逐渐被引入到设计心理学，地图学，道路驾驶，多媒体课件设计，地理学及人居环境等研究中。目前，已有学者将眼动追踪技术应用于景观视觉评估，主要用于测量人们对景观的视觉感知特征，进而做出推论。

2 眼动追踪在景观领域中的应用

在景观领域中，眼动研究仍是一项相对较新的技术。本文利用CiteSpace可视化图谱分析工具，分别基于中国知网（CNKI）期刊数据库和Web of Science (WoS) 数据库作为文献来源，检索条件为主题：“眼动追踪+眼动”或“眼动追踪+环境”“eye tracking / eye movement + landscape”或“eye tracking / eye movement + environment”，共检索到中文文献88篇、英文文献127篇，作为本研究的样本。通过对关键词共线网络进行聚类分析，cnki数据库结果显示modularity (0.865 7) >0.3，mean silhouette(0.993 0) >0.5；wos数据库结果显示modularity(0.886 9) >0.3，mean silhouette (0.533 6) >0.5，即整个网络构成了较为明显并具有联系的聚类。中文和英文文献分类结构时间线图分别如图1-2所示。

由图1-2可见，眼动研究近年已广泛地应用于景观领域的各类研究当中，且呈上升趋势；国外较早地将眼动追踪技术引入到了景观领域研究中。通过对时间线图中所呈现的研究热点发现，当前景观领域中的眼动研究主要关注审美心理与审美反应的关系，将其进行量化，从而对景观视觉质量进行量化分析。此外，仅借助分析工具并不能对本领域内研究内容做出完全科学准确的判断，因此，本文通过对相关文献进行更深入的梳理后，最终以眼动追踪应用于景观的美学效应、实用效应及复愈效应三方面对已有研究成果进行总结分析。

2.1 眼动追踪与景观的美学效应

美学效应是城市居民和景观联系的纽带，以往景观美学效应的评估多为主观评价方法，如美景度评价法（SBE）和景观比较法（LCJ），这些方法多为专家或公众的主观评价，在一定程度上可反映被试对环境的感知情况，但其评价的标准主观性占据主导，仍会对结果的准确性、客观性产生影响。

眼动追踪技术近年在景观美学效应评价中多有应用。部分研究者利用眼动追踪技术，对被试的视觉行为和景观质量进行分析，对景观空间的整体或内部要素对景观质量的影响作出推断。如张卫东[12]、蔡政旻[13]、唐岳兴[14]等人，通过眼动实验对景观图片的质量和观赏性等进行了评估。

图1 中文文献分类结构时间线图Fig.1 the classification structure timeline of Chinese literature

图2 英文文献分类结构时间线图Fig.2 the classification structure timeline of English literature

此外，也有部分研究者将眼动追踪技术与其他研究手段相结合，在此基础上对景观的美学效应进行了更深入的探讨。如孙亮等人将眼动追踪与美景度评价法相结合，应用于城市滨水景观质量评价[15]，并发现有利的景观设计应安排的视觉焦点，即道路转弯处，消失点等位置。张昶等人同样将眼动追踪与美景度评价法结合，探究了植物对河岸景观视觉质量的影响[16]。郭素玲等以乡村旅游地宏村为研究案例，通过眼动与主观量表结合，主观量表用SD法与SBE法结合，构建旅游景观视觉质量的主观评价体系。刘芳芳[17]、任欣欣[18-19]、赵兵[20]等人将眼动实验与视听评价相结合，从多感官感知和相互作用的维度，分别对欧洲城市景观、湿地景观、森林景观进行了视听景观综合分析。王敏等人将眼动追踪技术与认知地图的研究方法相结合，探究了眼动与城市空间构成要素之间的心理机制，通过比较被试的眼动数据和感知差异，总结出最能引起被试兴趣的环境要素[21]。

将眼动追踪技术应用于景观美学评价，不仅为传统的主观评价方式提供了客观数据的支撑，有效地提高了评价的客观性、科学性，也为景观评估研究提供了更多深入发展的可能性。

2.2 眼动追踪与景观的实用效应

景观在为人们提供审美享受的同时也为人们营造不同的场所，而景观的实用性便是指其能否更好的满足人们亲景、观景、用景的需求。眼动追踪技术已在众多领域中被应用于有效性评价研究，在景观领域中也有较好的研究进展，具体表现在寻路、旅游资源、地图使用等方面。

李学芹等将眼动设备引入到旅游领域，以南京大学校园旅游景观北大楼为例，将眼动技术应用到景观实景研究当中，探讨旅游者在观赏旅游资源景观时的眼动规律[22]。周心怡[23]使用眼动仪来观察被试在观察公园旅游地图时的眼球运动，并将研究成果应用于旅游地图和景观设计中。高峻等人对黄山户外环境解说牌的有效性进行了眼动研究[24]，其眼动实验所产生的数据资料还可以刺激环境解说的展示设计，有助于设计者在环境解说展示方面做出效用性更高、观感更好的设计思考。基弗·彼得（Kiefer Peter）等通过眼动实验探究了游客对陌生景点的观赏兴趣的持续时间，进而为游客信息服务的改善提供依据[25]。

另外，部分研究者将眼动追踪应用于寻路实验，探究人们在行走过程中对环境的视觉关注。如眼动在室内空间导向系统研究中的应用以及结合眼动数据分析模型等；基弗·彼得等人通过眼动眼动实验探究了地图、标志物和方向选择三者之间在寻路过程中对人们感知的影响[26]。

眼动追踪为景观的实用效应评估提供了更为便捷、准确的研究手段。通过科学的实验设计对景观设计的有效性进行评估，不仅对已建成环境的改善具有促进作用，也可以为日后的景观设计提供参考依据。

2.3 眼动追踪与景观的复愈效应

随着社会的发展，人们对景观的需求不仅停留在景观的审美层面上，其承担着重要的社会属性。对人们影响较为直接，同时也广泛受到研究者关注的便是景观对个体身心健康的调节作用，也就是景观的复愈效应。

景观的复愈效应与景观给人的空间认知感相关。在此类研究中，多采用问卷调查和量表等研究手段[27]，少部分研究结合生理测量技术[28]。而随着眼动追踪技术的成熟，眼动追踪技术作为心理学实验常用的研究手段之一，可直观的反映出被试的视觉关注点[29]，以客观数据分析被试的心理活动和感知过程[12]。目前，已有研究者将眼动追踪用于景观复愈性效应方面的研究[30]，并取得一定成果：如杜邦·连恩（Dupont Lien）[31]等人，通过分析被试观察景观图片时的视觉行为，发现相对于乔木和灌木，被试对草地的注视时长对被测图片的恢复性评价有积极影响。阿玛蒂·马可（Amati Marco）等人邀请35名被试，对澳大利亚墨尔本市中心的两个不同公园的视频刺激材料进行了眼动追踪。结果显示：当被试处于压力状态或疲劳状态时，相对于其他物体，被试的注视更多的停留在树木和灌木丛中，将注释时长与不同环境要素的空间占比结合分析时，被试的更多的关注在诸如灯柱，远处建筑物和长凳等人造物体上[32]。姜英恩（Youngeun Kang）等人利用眼动追踪技术对比了城市景观和绿地景观的恢复性差异[33]。乔尔·马丁内斯·索托（Joel Martínez-Soto）[34]和马雷克·弗兰克（Marek Franek）[35]均利用眼动追踪技术探究了个体在观察不同恢复程度景观环境时的视觉行为差异。

根据以上研究成果，我们可以发现通过眼动追踪技术，在探讨环境要素与个体的行为心理之间的联系方面更有助益。而在景观领域研究中，对于环境要素的探讨相较于针对空间整体层面的探讨，更有助于我们提出具体的设计指导，以达到人居环境的改善和提升的目的。

3 景观领域中眼动研究的一般特点

眼动实验为心理学实验，实验结果与被试的个体属性、实验材料、指标的选择等均有一定的关系，该研究方法在景观领域研究中的应用尚处于起步阶段。因此，本文对景观领域中现有的眼动研究进行梳理，从被试、实验材料、眼动指标三方面，总结出景观领域中眼动研究的一般特点，以期为后续景观领域中眼动研究的开展提供可参考的依据。

3.1 被试选择

首先，在被试人群方面，在景观领域所开展的眼动研究中，为了便于实验开展和精确实验结论，包括对实验的解释、问卷设计及被试的信息反馈等，大部分研究选用大学生作为研究对象[34,36-37]。此外，也有部分研究将不同被试人群作为研究对象，如探究不同种族[38-39]，不同专业背景[40]的个体在观察景观环境时的眼动行为差异。

其次，在被试数量方面，景观领域中眼动研究大多邀请30名左右被试参与实验[34,36]，仅少数研究达到60名左右，或更多[35,41]。基于实验难度，数据提取分析的工作量，以及被试征集存在一定困难，眼动实验普遍不会涉及大量被试。但是，对于设计领域而言，被试的人群类别和数量对研究结果有较为直接的影响，应结合研究目的尽可能通过随机选取被试人群参与调查，扩大被试者的基数，使样本具有多样性。

3.2 实验材料

眼动追踪实验刺激材料包括静态刺激、动态刺激以及真实环境三种。

3.2.1 静态刺激

眼动实验受外界影响较大，绝大多数情况下，眼动追踪研究倾向于使用静态刺激以受控方式检查刺激材料和眼动的关系。景观领域中眼动研究大多采用环境图片作为视觉刺激材料[37,42]，与真实场景或动态刺激相比，使用图片可更好地控制评价对象，捕获自然场景中的许多重要属性，有利于眼动数据的采集，其可靠性已被许多相关研究所证实。在实验之前首先要对实验图片进行预筛选和预处理，其中包括根据景观的特点选取不同景观尺度、光线、角度和色彩等的图片。图片作为视觉刺激材料也存在一定弊端，眼动仪所记录的只是眼睛在平面维度上的移动，无法验证空间纵深变化对眼动的影响[43]。

近年来，部分研究已将真实场景视频或虚拟场景建模动画作为眼动视觉刺激材料，用于景观的质量评价。如阿玛蒂·马可以动态视频作为视觉刺激材料，向被试展示了澳大利亚墨尔本市两个城市公园的高清视频[44]。然而，动态刺激和移动场景会产生更大的数据集，大量的数据集在处理和分析中增加了实验的难度[45-46]。最近一项关于眼动追踪数据分析技术的综述考虑了2010年至20世纪50年代发表的研究，结果显示，之前只有8项研究使用了动态刺激[47]。

3.2.3 真实环境

真实的景观场景相对于静态或动态刺激材料，其优点在于具有更丰富的细节和复杂的空间布局，被试处于真实环境中可以自由地改变他们的视野。缺点在于真实环境中影响实验的因素过多，难以控制实验变量，且便携式眼动设备对室外的光线要求较高，如强光下不能完整记录眼动信息。若要以真实环境下记录的眼动数据解释景观，能够控制被试和刺激之间的变量关系是必不可少的步骤。因此，将眼动追踪技术应用于真实景观场景中仍然存在重大的挑战。

静态刺激、动态刺激与真实场景三种刺激材料的呈现方式各有利弊，从目前研究的可行性和数据解释的系统性角度考量，静态刺激材料应用最为广泛。未来随着研究的深入，被试在不同刺激呈现方式中眼动行为是否存在差异性，以及何种刺激呈现方式能够更科学的解释人对环境的观察，是我们需要探究的问题之一。

3.3 相关眼动指标

眼动指标是指反映视觉行为变化的各项指标。人在进行生理或心理活动时，其活动过程一定程度会反应在视觉变化上[48-49]，通过研究眼动指标的差异可以推断被试在观看刺激材料时获取的信息量大小以及相应的心理活动[50]。随着眼动追踪技术的发展，已有数十种眼动指标应用于各项研究中[9]，其中常用眼动指标包括注视指标、扫视指标以及瞳孔指标。

3.3.1 注视指标

注视是指眼球中央窝对准某一对象超过200 ms，在此期间该对象被映射在中央窝上形成清晰的像[51]。绝大部分的视觉信息获取是在注视期间完成的，因此，注视也被认为是获取信息的有效眼动行为。相关注视指标主要包括首次注视时间、注视点数量、注视点持续时间、注视次数和较为直观的注视热点图等。

老巴说：“阿里放哀乐的时间，是你姆妈每天早上喊他起床的时间，他拿它当成姆妈了。也不晓得他是怎么想的。”

注视时间越长表明该对象越能吸引被试的兴趣[4,9]，在景观领域的眼动研究中多作为衡量被试注意力分配的指标。研究发现，人们的注视点多关注于更具特色的位置，具体表现为：形态、方向或颜色对比明显或突出的景物容易引起持续的注视[40]。丰富的景深层次能够引起更多注视行为的发生，注视时间更长，而不会对注视点分布产生影响。框景的手法会使被试的注视点更加集中，注视时间也会更长[52]。首次有效注视多被用于旅游解说牌有效性评价中[46]。

3.3.2 扫视指标

扫视是指眼动在注视点之间快速移动的过程，产生于两个注视行为之间，其停留时间通常为20~200 ms，转移速度不低于50 deg/s[44,53]。扫视过程中，眼球的中央窝难以形成清晰的像，其功能在于转换注视的对象。扫视指标包括：扫视速度、扫视幅度、扫视加速度等。扫视指标常用于道路景观对于驾驶员眼动特征影响研究中，扫视幅度可衡量驾驶员视觉信息搜索的范围；扫视速度和扫视加速度反映驾驶员对信息的搜索和加工效率[44,54-55]。

3.3.3 瞳孔指标

瞳孔直径即瞳孔的大小，与知觉、记忆、思维活动、语言加工等心理活动紧密相关, 瞳孔指标能够有效的反映被试进行认知加工时的心理负荷情况[56-57]。在景观领域的眼动研究中，瞳孔指标也多用于分析环境对个体认知加工影响，如研究发现被试观看兴趣区内景物时瞳孔普遍大于其观看兴趣区外景物[17]；或心理负荷相关研究中，如环境对个体的复愈效应研究[34]，通过分析被试观察不同环境或环境要素时的产生的瞳孔指标变化，进而对环境的复愈效应作出推断。

4 眼动追踪应用于景观领域研究中的局限及趋势

眼动追踪技术在一定程度上克服了传统研究方法的局限，使得以往一些必须通过主观类调查方法才能获取信息的研究得以获得客观数据的支撑，从而进一步揭示科学问题，弥补不足。不过，新技术的应用相对于传统方法并非一味的否定，而是在一定的程度上相互补充。眼动追踪技术应用于景观领域仍存在一定的局限性，通过总结已有研究的不足及发展趋势，能够促使研究手段更准确的助力于科学实验，有助于我们更好的探究和解释“人—空间—感知”之间的关系。

4.1 眼动追踪应用于景观领域的局限

4.1.1 数据提取问题

目前，眼动追踪设备的典型采样速率为50~500 Hz[58]，实验过程中会积累大量的数据，如何对大量数据进行精准有效地分析是得出研究结论的关键，也是我们需要攻克的难点。由于对注视等相关眼动指标的概念界定尚未形成统一的标准，导致不同研究对注视、扫视等指标提取标准不同，分析结果可能存在巨大不同。且不同分析软件的参数定义不同，对数据分析的结果会有差异，不同研究的可比性较低。

此外，针对不同的实验刺激材料，真实环境下或使用动态刺激材料的眼动研究面临的一个挑战是如何分析动态场景下的眼动数据。由于被试关注的场景不断发生变化，而景观环境又较为复杂，难以直接准确地映射出兴趣区域，且被试在环境中的行为不同，因此不同被试的眼动数据不宜直接对比[59]。传统的数据分析方法是手工对数据进行处理，如逐帧查看眼动数据，手动创建动态兴趣区等[60-61]。但是真实环境或动态刺激材料下实验采集得到的视频数据量非常大，在数提取上增加了实验的难度和时间成本，且数据分析的可靠性、准确性难以保证。这也是造成目前多以静态刺激材料进行试验的主要原因之一。

4.1.2 数据解释问题

由于对眼动数据的解释中使用的参数缺乏统一的定义,且有时不同的研究者对同一指标的解释甚至是矛盾的, 因此要正确的解释眼动追踪数据也是非常困难的[58]。目前，在景观研究中的眼动实验数据采集与解释大多基于认知心理学的研究模型。对相关眼动指标的解释也是依据心理学已有的眼动研究成果，如注视时长，瞳孔直径与被试对观察对象的感兴趣程度相关[34-35]。这些基于认知负荷与感知的解释能够为景观设计提供决策参考和设计指导，但是,若不能做到合理的将研究模型及相关解释理论应用在景观领域研究中，也难以充分地发挥出多学科研究的优势。

4.1.3 实验过程控制问题

眼动实验的实验条件、环境及过程控制环节不一致, 会使所得结果难以比较。景观领域中的眼动研究对实验控制的标准不同,实验过程中实验条件的不同、刺激材料呈现方式不同均会造成不同研究之间结论的可比性降低。如刺激材料呈现尺度不同就会导致被试观看的距离及视野不同，如研究发现，图片的尺寸影响着人们探索景观环境时的视觉行为[42,62]；刺激材料的呈现方式也有多种形式，包括幻灯片、投影、电视、电影画面以及真实场景等；实验室研究中对实验变量控制严格，会与现实环境差距有一定差距，导致实验室研究所得结论在真实环境中可能难以成立。这些问题均会导致所得结论的可比性下降。

4.2 眼动追踪应用于景观领域研究中的趋势

4.2.1 加强与生理传感器技术的结合

虽然眼动追踪技术能有效推测人们的内在认知过程，但是却不能直接对信息加工的生理机制进行解释。而生理传感器技术可以实时地对被试的生理数据进行反馈与记录[63]，如皮肤电导反应、心率变异性、脑电指标等。眼动研究与生理传感器技术的结合，可以把那些将被试难以直观体现的潜意识感知，如压力状态、情绪反应等得以反馈和记录并进行量化分析[64]，从而对人们的认知过程的神经生理机制进行深层次探讨，避免出现在主观类调查方法中信度受限问题。此类研究手段已越来越多的应用于景观领域的研究中，但是结合使用的研究仍较少。将多种新手段、新技术结合应用于景观领域研究中，是我们未来可发展的方向之一，以完成对景观环境更深入，更全面的研究。需要指出的是，生理指标和人的感受仍有一定的区别，存在一个转译的步骤，因此在景观研究中，有必要同时采用问卷手段对各项生理指标的代表性进行校核。

4.2.2 与认知心理学测试方法相结合

现有的眼动研究，因变量大多为眼动指标，眼动指标的测量与认知心理学测试方法结合的研究近年来呈增长趋势，如前文提及的景观的复愈效应便是景观环境与认知心理学的结合，但数量仍然偏少。部分研究仅以眼动数据作为数据基础，对于解释个体探索景观环境的视觉行为规律，或简单的景观评估，能够达到较高的可信度。但是，实验测试的眼动指标多为眼动的外部特征，这些外部特征只能部分的反应被试的感知过程和状态[43]，难以深入的解释被试的心理变化或感知过程，不能仅凭借眼动追踪技术探究更深入的景观问题。而认知心理学已有较长的发展历史，可借鉴的研究范式众多。所以，将眼动研究与心理学测试等方法相互结合，如心理学量表、口语报告、问卷、访谈调查等方式相结合,更深入的探讨被试的在产生不同眼动行为过程时相应的心理活动，进而分析景观环境对个体的影响作用，是我们将来可以努力的方向。

4.2.3 加强多感官综合评估

虽然在景观评估中视觉占主导地位，但是人的感知是多感官共同作用的，单独的视觉效果并不能为景观评估提供足够的信息，当视觉不能提供足够信息的时候，其他感觉就会增加。在对景观进行评估时，多感官体验的重要性就一直在讨论。如近年来声景观和自然环境之间的关系，在质量和数量方面均已成为重点的研究方向[20]；景观研究中声音与场景可视化之间的关系也吸引了众多研究者[19]。多感官的评估提供了更全面的评估过程，可目前的模拟现实技术仍无法完全取代人们对真实环境的感受，并且对于不同感官获取的信息不能分别作出相应的判断。但是，多感官评价扩展了景观视觉评估的有效性和全面性，可作为日后研究的发展趋势。

5 结语

景观的建设、保护与发展是影响当前城市功能品质的重要因素，而如何科学合理对景观质量进行评估监测则显得至关重要。从已有研究趋势上看，随着眼动追踪技术的发展，眼动研究已在众多领域取得突出的成果，但在景观视觉评价方面仍涉及较少。应用眼动追踪技术将人们对景观环境的感知情况进行深入探究和量化，以客观数据增强景观评价的可信度，提高景观质量，势必在景观设计和优化等方面得到更多的关注和认可，眼动追踪也将成为景观视觉评价中一种不可替代的方式和手段。

虽然眼动追踪在景观研究方面取得了一定的成绩，但在实验设计及多学科、多技术的实验方法结合方面尚需进一步努力；在眼动数据的提取、处理以及解释上，仍有许多改善和提升的空间。相信随着研究的发展，眼动追踪技术在景观领域中会有更广泛的应用，完成更多深入、系统的研究。