基于生理反馈的城市滨河步道对青年人压力缓解的研究

李 鑫

王子尧

吴丹子

谭 立

林 箐*

在中国，激烈的社会竞争使青年人的精神压力不断增加，精神压力会导致各种生理和心理疾病，影响人的健康与福祉[1]。长期的压力积累与消极情绪对健康具有不利影响，情绪调节是维持健康与减轻城市生活压力的主要方式[2]。青年人迫切寻求减压的健康生活方式，而城市公共环境正是影响青年人健康与幸福感的关键因素之一。近年来，探究公共环境景观对人的情绪的恢复作用成为心理学、运动医学与风景园林学等多学科的关注焦点[3-4]。

恢复性环境研究中的压力减少理论(SRT)认为：人在环境中所体验到的积极情绪是缓解压力的关键[5]。在某些环境中，人的注意力被吸引，从而阻断消极想法、抑制消极情绪、激发积极情绪，使原本低落的认知和行为能力随之恢复[6]。近年来，景观对压力的缓解作用成为研究热点，众多研究表明，自然环境可以提高人的注意力并缓解消极的情绪状态[7-8]；在城市自然环境中步行可以有效缓解年轻人的压力[9]；城市景观的自然程度与压力缓解呈正相关[10]。城市滨河步道是人们日常可利用的休闲空间，有利于促进居民的心理健康和社会福祉，且滨河步道具有的蓝色空间相较纯绿色空间具有更高的情绪恢复作用[11]。随着中国河道环境治理工作的开展，滨河空间的使用需求日益增加，对滨河步道的改造提升不仅需要运用景观处理手法，也要充分结合当代青年人缓解压力的需求。滨河步道在生理水平上对情绪恢复的影响程度如何？什么样的滨河步道环境对压力缓解的增益作用更强？如何在提升滨河步道景观效果的同时缓解使用者的压力？这些问题的解决有助于增强滨河景观的积极影响，早日达成“健康中国”的宏伟目标。

在以往的研究中，景观对公众造成的心理影响多用情绪量表的形式记录或进行抽象描述[12-13]，但情绪恢复的过程可能是无意识的[14]，且人在环境中的情绪变化程度不剧烈，因此传统的数据采集方法很难客观反映并捕捉实时的情绪。生理反馈作为实时情绪识别的数据源具有不受人主观干扰的优势[15]。近些年，相关学者通过皮电、心率、皮质醇、血压、脉搏等生理压力指标进行情绪识别，准确率达到95%[16]。国外已有学者通过记录人在公园、森林、竹林、城市公共空间等多种自然环境下的生理反馈数据来研究不同类型景观的生理恢复性[17-20]，并取得了丰硕的研究成果。国内也在此方面展开了积极探索，将人在街道、城市开放空间和校园绿地中的生理反馈结果运用到景观疗愈的相关研究中[21-23]。可见，用生理反馈作为数据源进行情绪识别，反映滨河步道景观对青年人的压力缓解情况具有客观性和可行性。

前人的研究主要是对比自然环境与城市环境的健康影响差异，缺乏对城市绿色空间的健康影响探究。本文采集青年人在实景环境下的心电数据，并结合眼动信号特征，对滨河步道进行2个方面的研究：1)探索景观差异明显的不同段城市滨河步道对行人压力缓解的增益作用；2)明确行人在滨河步道中的视觉偏好，从缓解压力的角度对滨河景观的改造提升提出合理建议。

1 研究方法

1.1 研究地点

本研究主要针对城市渠化河道中的滨河步道展开。研究对象为北京市城区四环内的亮马河滨河景观步道，从中选取具有代表性的2段长500m的复层滨河步道进行对比研究(图1)。滨河步道周边主要为商业办公区，青年人多在此活动。河段1位于燕莎桥到新源街之间，滨河步道两侧绿化程度高，滨河步道与城市间由缓坡绿地分隔，滨水侧用透明玻璃、植物分隔带或矮木墩作为围护，并种有水生植物；对岸植物种植丰富，绿化程度高。河段2位于朝阳公园路与麦子店街之间，滨河步道为双层形式，2层步道间利用挡墙或台地消除高差。上层步道与城市交接侧用草坪与植物进行空间的分隔，滨水侧与下层道路间利用植物分隔，视觉感知以植物景观为主；下层滨河步道的人工化程度较高，硬质挡墙的视觉占比高，滨河步道直接与河道衔接，水面鲜有水生植物生长，对岸的滨河步道上下层通过硬质挡墙衔接。

图1 研究地点

1.2 参与者

由于室外环境实景动态测量的难度较高，本试验从报名人员中筛选出13名青年志愿者进行小样本初探(男6名，女7名，平均年龄21.2±0.9岁，平均身高1.69±0.08m)，筛选出的青年群体志愿者具有以下特征：1)没有身体或精神疾病；2)没有色盲、弱视与斜视；3)心律规律，且无肥胖症；4)经情绪稳定性自测量表(ESS)检验评判为情绪稳定者；5)参与者了解并同意进行试验。

1.3 试验设计

滨河步道在城市中属线性廊道，景观一致性与连续性较强，本研究主要对人行走状态下的压力缓解情况进行研究。现场试验于2020年10月4—6日进行，试验日天气晴朗且温度适宜。在进行试验前的24h内，参与者禁止吸烟、饮酒、喝咖啡和剧烈运动，保证前一天晚上的睡眠质量良好，避免其他活动对自主性调节的影响。试验当天，按照参与者到达的先后顺序，分别从河段1与河段2开始试验。试验前，研究人员在场地外为参与者介绍有关规则和注意事项，佩戴好生理测量仪和眼镜佩戴式眼动仪后，参与者在场地外先停留5min，以确保情绪稳定，再由研究人员带入场地，按照规定的路线游览10min，期间生理测量仪和眼动仪持续记录数据，走完第一段后暂停仪器的数据采集。在进行第二段试验时，同样在场地外停留5min后再进入场地，过程同上。2段的测试内容全部完成后摘下仪器。试验期间，对可能造成生理数据变化幅度异常的身体运动进行标记，如咳嗽、打喷嚏和打哈欠等。

1.4 测量

1.4.1 生理信号

通过加拿大Thought Technology公司生产的便携式Procomp Infiniti八导生理测量仪进行生物信号的收集，采集心电(ECG)、脑电(EEG)、肌电(EMG)、皮电(EDA)和呼吸波(RESP)数据，通过OpenSignals实时可视化程序进行数据监测，在Matlab平台上利用LedaLab、ECGLab、HRVAS等软件包完成数据处理，经降噪、伪迹去除、滤波，生成不同生理指标的生理反馈图。其中，因八导生理测量仪对EEG、EMG和EDA数据的采样率仅为1k(图2)，EEG、EMG和EDA的信号变化杂乱，尖峰信号(spike signal)不明显，不便于分析，而ECG和RESP可见明显的尖峰信号，故采用ECG和RESP数据进行后续处理。RESP用于分析每分钟间隔期内的呼吸频率和深度，以判断和清除ECG中的残留假象[24]。对ECG数据进行处理提取R波波峰，计算RR间期获得心率变异性(HRV)信号。

图2 不同生理指标生理反馈图

采用HRV指标表明ECG中的情绪状况。HRV反映逐次心跳周期差异的变化情况，由2个相邻的RR间期时间长短决定。HRV是研究自主神经系统的一种非入侵性的有效方法，可以看出心脏的迷走神经和交感神经控制的变化，有效反映人的情绪状况[25]。通过时域特征和频域特征对HRV进行量化描述，用RR间期的总体标准差(SDNN)(式1)、相邻RR间期差值均方的平方根(RMSSD)(式2)和Lorenz散点图作为量化指标。对不同滨河场景下人的情绪感知进行判断，当压力得到缓解、情绪向正向发展时，SDNN、RMSSD的值越低[26]。Lorenz散点图是利用迭代方法描记连续的心电RR间期，反映了HRV线性和非线性的变化趋势，其正常心律应集中在45°角平分线附近，呈彗星状对称分布。在正面或负面情绪的影响下，散点分布偏离45°角平分线。其中，负面情绪趋势下，心率增快，散点形状偏锥形，长轴更长，短轴更短，分散程度低[27]；积极情绪趋势下，心率变缓，散点形状偏椭圆形，长轴较短，短轴较长，分散程度高。

式中，N为RR间期数量；RRi为第i个RR间期值；△RRi为第i个相邻的RR间期差值。

1.4.2 视觉偏好

视觉偏好与注意力之间有着显著的相关性[28]，可以通过视觉关注的内容反映出参与者的视觉偏好，参与者对观赏性高的景观的注视时间长，注视次数多[29]。眼动仪通过对参与者眼球的追踪记录，捕捉参与者对场景中元素的注视频率与时长，是研究视觉偏好的有效方法。本研究通过Pupil Labs眼镜佩戴式眼动仪和Pupil Player v2.4.0软件对眼动数据进行采集并输出，运用GIS对8个场景各10s的凝视点位置和时间进行可视化处理，生成参与者在不同场景下的眼动热点图，反映参与者在行走过程中对景观要素的注视时间和视线变化，获取参与者在滨水步道环境中对景观元素的关注度，并将视觉关注与压力缓解的结果相结合，分析视觉偏好与压力缓解之间的关系。

2 研究结果

参与本次试验的13名志愿者中，有1人由于中间信号间断，数据不完整而被剔除，最终共收集12人的有效数据。

2.1 生理恢复结果

对河段1和河段2全段的生理指标进行独立样本检验，由表1可知，数据均可假定等方差(莱文方差等同性检验的显著性大于0.05就可以认为方差齐性的假设成立)，且均可通过平均值等同性t检验，其中SDNN在0.01水平上具有显著性差异，RMSSD在0.05水平上具有显著性差异。进一步对2段河道进行组统计(表2)，可见河段1的SDNN和RMSSD明显小于河段2。如Lorenz散点图(图3)所示，河段1的心率整体水平低于河段2，河段1散点分布趋于椭圆形，短轴更长，河段2散点则整体趋于锥形，点位在长轴方向更分散。以上图表结果均表明，河段1相较河段2对情绪的正向恢复作用更强，对压力的缓解效果更佳。

图3 全段Lorenz散点图

表1 独立样本检验

表2 组统计

根据不同场景将河段1和河段2划分为4个区段进行分析(图4)，得出2个河段的情绪状态趋势有所不同：河段1各区段的散点形状均近椭圆形，且长轴方向的分散程度较低，情绪变化较为平稳，心率随时间推移逐渐上升，情绪整体偏向于正向；河段2中的1、2区段散点形状近椭圆形，短轴长，长轴的分散程度较低，情绪偏向于正向，3、4区段散点形状偏锥形，长轴的分散程度更高，情绪变化幅度更大，情绪的正向影响作用减弱，其中4区段的情绪最为紧张。由此可见，河段1这种自然化程度更高的滨河步道环境对积极情绪具有持续的增益作用，对压力的缓解作用更强；河段2这种硬质化处理的复层滨河步道环境对情绪的影响与场景有关，上层滨河步道对积极情绪的增益作用强，下层滨河步道对积极情绪的增益作用减弱。

图4 不同区段的Lorenz散点图

2.2 景观偏好

热点图以颜色呈现视觉关注度和关注时间，颜色越暖，关注度及关注时间越长，反之亦然。分析行人在2段滨河步道8个场景中行走状态下的眼动数据热点图(图5)可知：1)在点位1-1、1-3、1-4、2-1、2-3中，视觉焦点除集中在滨河道路前方外，还集中分布于滨水侧，且主要集中于水生植物；2)从8个场景中均可看出，人们对城市中的建筑、挡墙等硬质化景物的关注度较低，对植物、水体等自然类景物的关注度较高，在硬质挡墙和植物交替出现的台地环境下(点位2-3)和具有大面积硬质挡墙的环境中(点位2-4)，视线更多被绿色植物所吸引，滨河步道景物的整体关注度由强至弱依次为水生植物＞灌木＞水体，滨水侧的植物对人在观赏状态下的视觉吸引力最强；3)滨河步道周边的开阔程度和自然化程度越高，或当行人经过休憩活动空间时，人的视觉关注点越分散。在自然化程度高的场景中(点位1-3、1-4、2-1)，行人的视线更分散，注意力更偏向于周边的景观；在硬质化程度高的场景中(点位2-4)，行人的视线主要集中于正前方，极少向周围观望；点位1-2虽然绿化程度高，但滨水侧种植的乔木对望向水面侧的视线有一定的阻碍作用，故视线较为集中。

图5 各场景眼动数据热点图

3 讨论

3.1 滨河景观与压力缓解的关系

本研究通过测量青年人在城市渠化滨河步道中SDNN、RMSSD和Lorenz散点图3种HRV特征所表现出的情绪状态差异，验证了不同景观类型对人的情绪和注意力恢复有着不同的影响[30-31]，其中人工化程度更低、拥有更多植物或具有水生植物的河段，具有更好的压力缓解效果。同时发现，全程保持自然化程度高的滨河步道环境对青年人的情绪增益作用持续性更强；从自然元素偏多的空间场景转换到硬质化元素偏多的空间场景后，人的情绪出现回落。压力缓解作用的强弱与视觉对植被和人工元素的感知时长有关，视野中人工元素的可见时间越长，滨河步道起到的压力缓解作用越弱。至于点位2-2中绿色植物少但恢复效果较佳的情况，可能与此场景具有休憩功能和开敞程度高有关。由此可见，偏自然的空间类型、具有水生植物或有连续较高绿视率的滨河步道环境对青年人的压力缓解具有重要作用。

3.2 特定场景的恢复性与审美偏好

由眼动数据的研究结果可知，在自然化程度高或可提供除步行外更多使用功能的空间中，青年群体的视线更分散、观赏需求更高，且视线偏向于滨水侧的开敞空间，此结果验证了植物是吸引视觉关注的重要因素。同时发现，在滨河步道场景中进行观赏时，人们对水生植物和灌木的关注程度高，且对水生植物的关注程度比灌木更高。此结果是因为水生植物的种植使城市硬质河道在视觉上呈现出更多的自然化特征，提高了场景的自然度，对压力缓解的促进作用更佳。

本试验验证了Acar等研究中的推测：建成环境中的硬质景观会对视觉产生负面影响[32]。并在此基础上发现：在青年群体中，视觉感知强度和压力缓解作用与行人和硬质景观的距离有关。人在正常行走状态下主要为平视，当城市与滨河步道间存在高差，且有植物阻隔城市空间时，建筑对视觉感知的影响相对较小；当硬质挡墙紧贴滨河步道时，受关注程度低的人工化景观对行人视觉的影响更强，会导致人的视线集中、对滨河景观的关注度低，使恢复性作用有所降低。

场景2-2与其他硬质化程度高的滨河步道段相比，对青年人的压力缓解作用更强，分析其原因如下：1)虽然休憩平台的硬质化程度高，但场景的开阔度高、具有良好的滨河景观眺望视线，为滨河步道单调的空间增添了亮点，而步道场景中增加的硬质化部分主要是垂直硬化，对视线起到一定的阻挡作用，空间封闭性更强；2)虽然都是硬质化程度高的场景，但以休憩功能为主的场景与主要供步行的场景的空间属性不同，不同的空间利用方式会产生不同的生理反馈结果[33]，人们普遍认同休憩空间具有高度的情绪恢复功能，参与者在路过休憩空间时虽无停留，但潜意识也会感到放松。

3.3 对设计、研究和利益相关者的启示

由于生理反馈是对样本通过连续的数据采集提取到大量的信息作为数据源，且生理反馈是人下意识的感知，不存在主观影响，因此研究的精度更高，结果更具有说服力。在对景观差异性较小的场地进行健康影响评价时，可借助生理反馈数据进行研究，提升准确度。

规划设计者与相关研究人员可以借鉴青年人在滨河步道中压力缓解和景观偏好的研究结果，注重青年群体集中活动地区的河道对身心健康的促进作用。在规划改造实践中，针对研究结果提出以下实用性建议。1)水景是最具修复性的景观[34]，城市河道作为贯穿城市的纽带，承担了人们日常使用的重任，加强滨河步道的景观营建，有助于城市开发、健康促进和景观塑造。2)由于人们偏好自然程度高的场景，且视线倾向开敞的空间与滨水空间，因此在规划设计时应注重滨河步道两侧植物的种植数量、种类选择与配植，提升滨河步道远水侧绿视率，选用树冠茂密、树形舒展的植物遮挡城市硬质景观并提供阴凉；加强滨水侧的景观丰富度与吸引力，岸上的植物种植采用不遮挡滨水侧视线的小灌木+草本的复层种植模式，或只有草本的单层种植模式，提升行人对水面的视觉感知效果，在不侵占河道的情况下，适量增加水生植物种植；在滨河步道沿途适量布置具有休憩功能且景观视线良好的硬质场地。3)对于人工化程度高的滨河步道，应兼顾滨水侧景观的视觉吸引力与远景的景观效果，如改善滨水栏杆的透景效果，控制滨河两侧城市天际线与建筑立面效果；对于滨河步道旁挡墙无法拆除的情况，可在挡墙前增加绿化条带，柔化水平与垂直界面的衔接，从视觉上缓解硬质驳岸空间的紧张感(图6)。

图6 理想滨河步道景观模式

3.4 研究的局限性

本文针对滨河步道对青年群体的压力缓解作用进行了量化研究，但仍存在不足之处，待后续解决：1)现阶段仅针对城市复层式渠化滨河步道展开研究，未涉及软质化处理的滨河步道和单层式渠化滨河步道，未来应拓展研究的多样性；2)限于滨河步道实景环境收集生理数据的困难性和室外环境其他信号对生理信号的干扰，本次仅对青年群体的压力缓解作用进行研究，后续应选择更多的年龄段和更大的样本容量，以扩大受众群体范围、提升研究可信度；3)限于Procomp Infiniti八导生理测量仪对生理数据采集的不足，以及Pupil Labs眼镜佩戴式眼动仪目前无法采集眼跳和瞳孔数据，因此本文的生理反馈种类较为单一，未来研究应采集更多种类的生理数据，扩充研究数据的多样性；4)景观要素的配比(如植物搭配比例、空间的硬质化程度、休憩场地的大小、服务设施的配置)与吸引力大小及压力缓解的关联性，也需要进一步研究。

注：文中图片均由作者绘制或拍摄。