基于眼动分析的个人与环境因素对寻路行为的影响研究——以沈阳建筑大学校园为例

叶英奇 屈海燕 马艺萌 王 康

目前校园中的体育中心、图书馆、宾馆以及博物馆等已经成为城市中重要的文化资源，校园开放程度逐渐增加[1]。而大学校园面积较大，建筑环境复杂，导致去往校园内各开放建筑的寻路问题凸显。沈阳建筑大学校园规划以方格网形式布局，分为教学区、生活区、办公区和体育运动区。由于受到方格网形式布局的影响，校园道路较为复杂，增加了人在校园中的寻路难度。本研究使用眼动追踪技术，对校园内特定路线的寻路行为进行分析，探讨环境因素和个人因素对寻路行为的影响，为校园环境景观优化设计提供理论支持。

1 研究背景

1.1 寻路研究进展

寻路（Wayfinding）是人们从起点到达特定远程目的地的、有目的、有针对性的运动[2]。在寻路过程中，人们必须利用自己的认知能力和空间能力，参考环境要素来确定方向、判断距离，同时识别环境标志物的位置及其与周边环境要素的相互关系[3]。根据对国内外相关研究的分析，寻路主要受到三方面因素的影响：个人因素，包括性别、年龄、专业背景、方向感等；环境因素，包括标识、道路宽度、环境光线等；寻路方式，包括使用地图或标识、主动或被动、单人或协作等。

早期寻路研究主要使用问卷调查、行为观察，近年来增加了计算机虚拟现实实验等方法，Chen等人使用虚拟现实技术，探索了导向标识与YAH地图两种导航方式下，寻路策略与性别对寻路效率的影响[4]；文强以北京南站、广州南站等大型铁路客站为空间对象，对个人因素对寻路效率的影响进行了研究，结果表明男性的寻路表现优于女性[5]；房慧聪等人使用虚拟现实技术，探索空间焦虑、导航方式对寻路的影响，同时关注性别与专业差异[6-7]；赵梦雅以商场和办公楼为空间对象，探索了性别对方向感与寻路的影响，结果表明男性在部分实验任务中的表现优于女性[8]；李晓阳以商场为空间对象，探索了性别、寻路策略、任务难度、地图类型对寻路任务和指向任务的影响[9]；Muffato等人通过在植物园进行寻路任务，探索了老年人与青年人在不同寻路任务中的差异[10]。Suzer等人使用虚拟现实技术，探讨了色温对寻路行对寻路效率的影响[11]。

眼动追踪技术常被应用于驾驶研究、广告研究、阅读研究以及店内购物等研究中[12-14]。近年来，也逐渐应用于寻路研究中，Andersen等人利用实验室实验将虚拟和眼动追踪技术相结合，探索不同性别在寻路过程中地标使用的差异[15]；Kiefer等人利用现场眼动实验，探索地图与地标的使用情况，结果表明成功的寻路者在地图上与环境中有更多的视觉切换[16]；Schwarzkopf等人通过现场眼动实验，比较了个人和协作两种寻路模式中的注视行为[17]；Afrooz等人在现场寻路实验后，进行实验室眼动实验，探索主动与被动两种寻路模式下寻路者视觉记忆的差异[18]；孙澄等人以购物中心为空间对象，进行现场眼动实验，分析了复杂商业综合体中主要寻路标志物的视觉显著性水平，并对主要视觉标志物进行评价[19]。

通过对相关研究分析发现，在研究方法方面，早期主要使用问卷调查和行为观察，随着计算机技术的发展，虚拟现实也应用于寻路研究中。近年来更多的研究者倾向于使用眼动追踪技术，眼动研究分为实验室实验和现场实验，实验室实验通常以场景图片为实验刺激材料，分析被试的视觉记忆与眼动行为，现场实验则更直接分析被试置身于环境中的寻路行为。由于现场环境较为复杂，目前可穿戴式眼动仪的应用较少。在研究对象方面，早期主要关注室内空间或虚拟空间中的寻路效率，对于室外空间和环境因素关注较少。

综上，本研究使用可穿戴式眼动仪进行现场寻路实验，探索真实校园环境中寻路行为的性别差异与专业背景差异，及寻路行为与个体方向感的关系；以被试在场景中的视觉注意分配情况，探讨不同环境因素对寻路行为的影响。

1.2 眼动指标选择

眼动指标包括注视指标、扫视指标、瞳孔指标以及眨眼指标[20]。注视是相对稳定的眼球运动状态[21]，通常在50～500ms的范围内，注视时间和注视次数对心理变化敏感，而扫视过程中不会获得新信息[22]，眨眼指标和瞳孔指标虽与心理变化关系密切，但更易受光线、风等自然条件的影响，因此本研究主要关注注视指标。

2 研究方法

2.1 实验地点

实验在沈阳建筑大学进行，寻路任务的两个目标地点分别为建筑博物馆和第一餐饮中心。建筑博物馆是外来人员参与学术会议、讲座等活动的常用地点，从正门入口—建筑博物馆—第一餐饮中心的路线也是学术活动和就餐的常用路线。

2.2 实验工具

实验工具主要包括地图、眼动仪、个人信息与方向感问卷。寻路实验起点位于正门，标地点为建筑博物馆及第一餐饮中心，由50名熟悉校园环境的学生绘制路线，对其进行叠加（图1左侧），得到最佳路线，绘制实验地图（图1右侧）。实验使用Tobii Glasses 2眼动仪记录眼动数据。方向感评价指标以SBSOD（Santa Barbara Sense of Direction Scale）量表为基础[23]，共15个问题，以李克特7分量表计数。

图1 路线叠加图与实验地图

2.3 实验时间与被试

实验在2019年10月进行共7天，每天下午3：00到5：00，避免光线和温度对眼动数据采集造成干扰，且秋季植物生长状态较好、色彩丰富有一定的代表性，同时避免下课时间人群活动对实验的影响。每天有4到6名被试参与，共有40人，均从未来过沈阳建筑大学，控制熟悉程度相同，单人实验时间大约30min。

排除眼动数据采集率低或记录不完整的数据，最终保留32人的数据（男生17人，女生15人），其中建筑设计类专业组16人（男生8人，女生8人），非建筑设计类专业组16人（男生9人，女生7人），年龄19岁到25岁（M=21.8，SD=1.48）。

2.4 实验流程

实验分为3个阶段：实验前阶段、寻路实验阶段、实验完成阶段（图2）。实验前阶段，实验人员向被试说明实验目的与流程（实验为使用地图的校园寻路任务，被试需根据地图先后到达两个指定地点），被试阅读实验要求与注意事项；寻路实验阶段分两部分，实验准备阶段，被试填写基本信息与方向感问卷，之后佩戴眼动仪并校准，校准成功后主试带领被试到起点；寻路以主试将地图交给被试开始计时，当被试确认到达建筑博物馆入口示意主试并继续，当被试确认到达第一餐饮中心结束实验停止计时，期间主试使用手机录像；实验完成阶段，被试取下仪器并返回出发点，进行访谈和交流。

图2 实验流程

3 结果与分析

3.1 个人因素对寻路行为的影响

（1）性别对校园寻路行为的影响

以寻路时长、犹豫行为次数、折返行为次数为寻路表现的衡量指标，以地图中的注视持续时间和地图与场景的视觉切换次数作为地图使用的衡量指标。寻路时长以被试拿到地图开始到被试指出第一餐饮中心结束；犹豫行为以被试脚步停止记为一次；折返行为以被试进行一次重复路线行走记为一次；地图使用行为由眼动分析平台进行统计。使用SPSS 21.0进行数据分析，寻路时长、地图与场景视觉切换次数符合正态分布进行独立样本t检验，犹豫次数、折返次数及地图中的注视持续时间数据不符合正态分布则进行Mann-Whitney U检验。结果参看表1，性别在寻路表现和地图使用上均无显著差异（p＞0.05）。

表1 寻路时长、犹豫次数、折返次数、地图使用的性别差异

（2）专业背景对校园寻路行为的影响

专业背景对寻路行为影响的统计分析结果参看表2，仅地图与场景的视觉切换次数一项差异显著（p=0.033）。

表2 寻路时长、犹豫次数、折返次数、地图使用的专业背景差异

（3）个人方向感对校园寻路的影响

方向感对寻路行为影响的相关分析结果参看表3，方向感与寻路时长、犹豫行为次数呈极显著负相关（-0.508；-0.454），与折返行为次数呈显著负相关（-0.409），表明方向感评分越高，被试的寻路时长越短，发生犹豫行为和折返行为的次数越少。方向感与地图中的注视持续时间和地图与场景的视觉切换关系不显著（-0.291，-0.009）。

表3 寻路时长、犹豫次数、折返次数、地图使用与方向感的相关性

3.2 环境因素对寻路行为的影响

（1）决策点场景人工与自然要素关注差异

发生路径决策的场景共7个。使用眼动分析平台划分人工要素与自然要素兴趣区（AOI），人工要素主要包括道路、景观小品、建筑等，自然要素主要包括植物、水体、天空。使用Mann-Whitney U检验进行分析，结果参看表4，被试在起点场景、建筑博物馆场景、6号公寓场景、2号公寓场景和第一餐饮中心场景，对人工要素的关注显著高于自然要素（p=0.018，p=0.000，p=0.000，p=0.006，p=0.000）；在长廊场景和水系场景，对人工和自然要素的关注无显著差异（p=0.374，p=0.511）。

表4 决策点场景要素类别的注视持续时间差异

（2）寻路行为与场景相对应

通过对实验录像进行观察和统计，将犹豫行为、折返行为与寻路决策点场景相对应，叠加被试的数据得到犹豫和折返行为发生频率较高的场景（图3），横坐标为路程，纵坐标为被试编号。在起点场景、长廊场景、水系场景和建筑博物馆场景中，被试发生犹豫和折返行为的频率较高，与访谈的结果基本一致，第一餐饮中心为寻路实验的终点，对此5处场景的热点图进一步分析。

图3 犹豫、折返行为-场景

（3）热点图

a 起点场景

起点场景位于沈阳建筑大学正门入口，左右两侧为车行道，正对入口广场，场景中主要包括车行指示牌、广场道路、景观小品（置石）、草坪、树阵等环境要素。被试在此场景中对左侧的广场道路和远处的长廊建筑关注度最高，对入口车行导视牌、出口标识、景观小品以及远处的长廊的关注度比较高。此处道路复杂且为寻路起点，被试需要时间适应环境，导致此处的犹豫和折返行为频率较高（图4）。

图4 起点场景热点图

b 长廊场景与水系场景

长廊场景位于水系与长廊相交的位置，此处道路复杂，左侧为龙潭广场、水系、长廊一层道路等环境要素，右侧为庭院三号门（图5）。水系场景左侧是校园的中央水系以及沿水系种植的湿生植物香蒲，右侧是茂密的树丛（图6）。被试在这两个场景中对远处的道路、植物、建筑等关注度最高，对近处的道路和植物关注度较高。3.1的（1）段表明此两处场景中被试对人工要素和自然要素的关注程度无显著差异，热点图表明此两处场景中植物对建筑、道路等人工要素的遮挡较多，被试对自然要素关注度增加，且景深较长的空间对被试有一定的引导性，导致了犹豫和折返行为发生的频率较高。

图5 长廊场景热点图

图6 水系场景热点图

c 建筑博物馆场景

建筑博物馆是寻路任务的第一个目标地点，正对面是树阵和停车场，左侧是图书馆入口，右侧是建筑博物馆入口。热点图表明被试在此场景中对图书馆标识和建筑博物馆介绍展板的关注度最高，对建筑博物馆标识的关注度较低，被试在该场景中大多首先识别到图书馆标识，未能识别到建筑博物馆标识，导致了犹豫和折返行为的发生（图7）。

图7 建筑博物馆场景热点图

d 第一餐饮中心场景

第一餐饮中心是寻路任务的终点，建筑有大面积广场，周边是校园的车行道。热点图表明被试对第一餐饮中心入口的关注度最高，对道路和右侧景深较长的空间关注度较高。由于此处道路简单，建筑标识清晰、入口明确，被试都能快速识别目标建筑（图8）。

图8 第一餐饮中心场景热点图

4 结论与讨论

本研究通过真实环境中的寻路实验，分析了个人与环境因素对寻路行为的影响，得出如下结论：个人因素方面，性别对寻路行为没有显著影响；专业背景仅对地图与场景的视觉切换次数上有显著影响；个体方向感对寻路表现有显著影响，但对地图使用没有显著影响。环境因素方面，多数场景中被试对人工要素的关注度较高，对自然要素的关注度较低；被试对景深较长之处关注度较高；景深较长的空间对寻路行为有一定的引导性。

4.1 个人因素

已有许多研究证明寻路策略的性别差异，即男性更倾向于使用定向策略，女性更倾向于使用路线策略[9]。而性别在寻路表现上是否有差异一直存在争议[5，8][24-25]，本研究也并未发现寻路表现和地图使用上的性别差异，原因如下：文强、赵梦雅等人的研究对象为室内环境，室内与室外环境的寻路难度不同[26]，因此本研究和室内实验的结果有差异；Persson等人使用虚拟现实方法，虚拟场景与真实场景存在差异；实验任务的设置不同，赵梦雅、Persson等人的研究除寻路任务外还包括其他任务，而本研究仅设置寻路；由于本研究为现场实验，样本量较少，对实验结果有一定影响。

Dupont等人的研究表明景观与非景观专业在观看景观照片时存在差异[27]，但专业背景对寻路的影响研究较少，仅有房慧聪等人研究了文史类和理工类大学生在寻路策略和空间焦虑上的差异。本研究表明建筑设计类专业比非建筑设计类专业被试在地图和场景中存在更多视觉切换，Kiefer的研究指出成功的寻路者在地图和场景中有更多的视觉切换，说明他们有着更有效的自我定位策略[16]，由于专业知识的学习，使建筑设计类专业被试有更强的自我定位能力。但未发现专业背景在寻路表现和地图注视行为上的差异，可能由于校园寻路任务难度较低，未来应进行更有针对性的实验来对比寻路行为的专业背景差异。

本研究发现方向感与寻路时长、犹豫行为次数以及折返行为次数显著相关，表明方向感对寻路表现有显著影响。但并未发现方向感对地图使用的影响，一方面由于本研究的样本量较小，另一方面方向感可能并未对注视行为有显著影响，未来应更多地考虑方向感对其他视觉行为的影响。

4.2 环境因素

本研究发现在道路较为复杂的场景中犹豫行为和折返行为发生的频率较高。在起点场景中，由于缺少建筑作为参照，广场道路复杂不明确，且被试刚拿到地图需要时间适应，导致被试在该场景中发生犹豫和折返行为；在长廊场景和水系场景中，由于没有明确的主路，且植物对道路和建筑有一定的遮挡，导致被试在该场景中发生犹豫行为；在建筑博物馆场景中，由于建筑标识设置不清晰，被试在识别建筑博物馆入口时存在困难。

从环境要素方面来看，被试在多个场景中对人工要素的关注高于自然要素，与Amati等人的研究结论相似[28]，人们的视觉会被显著性高的环境要素吸引，环境的显著性是一个事物与环境中的其他事物的对比，例如色彩、形状、质感等[29]，被试对人工要素关注度更高一方面由于目标地点为人工要素，其易于成为寻路过程中自我定位的参照，而植物要素难以作为参照。另一方面由于人工要素与自然要素有着强烈的对比，格式塔延续性原则指出，人们更倾向于将形状延续到终点之外[30]，自然要素在大多数空间中都以“背景”的形式出现，当自然要素被人工要素打断时，形成对比，导致被试对此区域的关注度更高。这也可以解释在建筑博物馆场景中，被试对于图书馆标识和博物馆介绍展板的关注度高，而对博物馆标识的关注度低，是由于前者在色彩和质感上与周边对比更加强烈。

在多个场景中被试都对景深较长的空间关注更高，与Wiener等人的研究结论相似，被试对视觉复杂的区域、地平线、消失点区域有更多的关注[31]。而景深较长的空间对寻路行为有一定的引导性。同时也可以解释被试在长廊场景和水系场景中对自然要素和人工要素的关注无显著差异，是由于景深较长的空间中存在更多自然要素。

5 设计建议

现根据研究结果提出如下设计建议：第一，由于实验中被试多在入口部分发生犹豫和折返行为，校园入口处应设置导视系统，以提高寻路效率，导视系统的设置应当注意人工与自然要素之间的对比，增强导视系统视觉显著性；第二，基于人们对景深较长空间的关注及其对寻路行为的影响，入口广场应当空间开敞，增加其景深长度，明确空间的引导性；第三，道路复杂的场景中应适当地设置指向标识，增加主要道路宽度，提高主路的视觉显著性与识别性；第四，建筑的标识设置应当清晰明确，标识的色彩、材质等方面要注重与周边环境的对比。

资料来源：

文中图片均由作者绘制。