恢复性虚拟自然环境研究进展*——基于CiteSpace可视化分析

尹程程 李同予 翟长青 薛滨夏 安 欣

哈尔滨工业大学建筑学院寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室 哈尔滨 150000

《2021世界卫生统计报告》指出:人类身心疾病发病率升高，愤怒、焦虑、抑郁等消极情绪会导致肥胖、糖尿病、心血管疾病、内分泌-免疫系统等多种疾病。身心健康问题已成为当代人类快节奏生活下需面临的巨大挑战。环境心理学者Kaplan[1]与Ulrich[2]专注于恢复性环境对心理生理复愈效益的研究，分别提出“注意力恢复理论”与“压力缓解理论”。恢复性自然环境是指对人身心健康具有恢复促进作用的自然环境，对人类健康的积极贡献已在许多研究中得到检验[3]。由于城市化导致自然生境减少，恢复性自然环境成为了城市中的稀缺资源，难以在日常生活中充分接触，人们迫切希望于日常生活中也能拥有身处自然般的身心体验，因此，虚拟现实技术为人们自然复愈提供了机会。近年来信息、传感、网络和人工智能等技术发展迅速，带动了智能康复技术发展，国内外已开展诸多利用智能技术进行临床康复干预与评估的研究应用[4]，虚拟现实技术作为人类健康治疗的一种替代手段，被用来引发特定情绪状态、调节呼吸、改善心率变异性水平、减少疼痛焦虑，提高专注力[5]。虚拟现实的沉浸感、交互性和构想性为用户提供身临其境的仿真视景，运用虚拟现实技术搭建人与自然间的桥梁，人们能便利地亲近体验自然，使虚拟自然环境疗愈成为缓解各类身心疾病的有效方法，是恢复性虚拟自然环境研究的目的与意义所在。本研究数据来源于Web of science核心合集数据库，检索时间为2010—2022年，采用“主题”AND“文献类型”AND“语种”基本检索模式，主题词为恢复性自然环境(Restorative Environment OR Nature OR Forest OR Garden OR Green)、虚拟现实(Virtual Reality OR VR)和康复(Recovery OR Health OR Fitness OR Healing OR Benefit)，使用AND检索式进行交叉组合检索，语种为“English”，最后获取2010—2022年的文献共335篇，去 除 重 复 得 到 目 标 文 献95篇。采 用Citespace5.8.R3进行发文量、研究国家地区、发文作者及机构可视化分析，探究国际上此领域研究的国家、集中区域与研究强度，以及权威学者与合作网络。通过关键词聚类共现与时间线图谱展现文章研究重点，从时间维度体现关键词演变情况及发展趋势；通过高中心性关键词(Between Centrality)度量关键词节点重要程度。

1 研究规模

1.1 发文量

如图1所示:恢复性虚拟自然环境领域研究始于2010年初，至2017年文章数量均较少；2018—2020年文章数量增加，尤其在2020年全球疫情暴发背景下，此领域开始引起学者重视[6-7]；2021年发文量稍有减少，但不足以说明热度退却；2022年第一季度内有11篇文章发表。

图1 2010—2022年虚拟现实恢复性环境发文量变化

1.2 研究国家与地区

研究国家共现图谱(图2)表明，研究强度较大的国家依次为英格兰、美国、中国、德国、意大利、加拿大、瑞典。研究国家时序图谱(图3)表明，依次开展研究的国家为加拿大、瑞典、英格兰、德国、美国、中国。

图3 研究国家时序图谱

1.3 发文作者与研究机构

如图4所示，节点较大的前4名作者为White、Browning、Chirico、Gaggioli。目前作者间主要形成两个合作网络，分别以White、Browning为中心，前者进行虚拟自然环境减轻病患治疗痛苦体验方向研究[8]，后者进行虚拟自然环境唤醒积极情绪方向研究[9]。

图4 发文作者共现图谱

由图5可知，影响力较大的研究机构依次是埃克塞特大学、哈佛大学公共卫生学院、哈佛艺术研究生院、伯明翰大学、瑞典卡罗琳学院。目前研究机构间以爱沙尼亚生命科学大学和英属哥伦比亚大学为中心形成最大合作辐射网络，第二大合作网络以瑞典卡罗琳学院为中心。哈佛大学公共卫生学院、哈佛艺术研究生院研究强度分别位列全球第二、三名，联合波士顿癌症研究所形成美国本土最大合作网络。

图5 发文机构网络共现图谱

2 研究热点

2.1 关键词分析

由表1可知:环境、焦虑、压力恢复、森林、健康等词为近年热点词汇；中心性最高关键词为环境，包括景观、森林、绿地等自然环境，此外还涉及焦虑、压力、健康等心理生理相关词汇。

表1 高中心性关键词前10总览

2.2 关键词聚类分析

如图6所示，文献规模最大为＃0探索心理生理恢复，聚类轮廓值最高为＃1减轻病人疼痛感，聚类＃3心率变异性生物反馈和聚类＃7环境感知为最新研究热点。筛选文献高被引频次的6个聚类，总结13篇核心文献研究内容与研究方法，其中被引频次最高的4篇文献为:Valtchanov等[10]最早提出虚拟自然具有复愈效果；Tashjian等[11]首次测量了虚拟自然对住院患者疼痛感受的影响；Gold等[12]发现虚拟自然体验可减少儿童抽血时的痛苦；Anderson等[13]提出虚拟自然可为宇航员、潜水员等长期封闭人员放松(表2)。

表2 6个聚类核心文献研究概况

图6 关键词聚类时间线图谱

3 研究热点领域

3.1 营造健康人居环境的虚拟自然

1)提升办公空间疗愈能力。Yin等[18]使用虚拟现实技术模拟自然环境融入办公空间对办公人员可产生“镇静”效果，对血压、皮肤电导变化以及短期记忆都有积极影响。Yin等[23]评估不同虚拟自然元素对办公人员压力焦虑恢复影响差异，发现有虚拟绿植、木材、日光的窗景有助于恢复压力，改善焦虑。

2)增强校园环境恢复效力。将虚拟自然作为学生与自然互动教育的补充，可在认知恢复和增强心理状态方面提供益处。O'Meara等[24]发现受考试焦虑影响的学生不断增多，通过提供虚拟现实绿色环境暴露有效削弱了学生考试焦虑，改善考试体验，提高成绩。Fleury等[25]发现在虚拟自然环境下工科学校设计专业学生的创造力会有所提升，他们的草图构思与方案设计更具创新性。

3)改善生活居住环境品质。合理运用虚拟自然视听觉元素营造舒适宜居的室内环境，对长期在室内的人群健康有重要意义。Chung等[26]利用智能手机和便携VR眼镜，克服时空限制，居民可在360°虚拟自然环境下恢复定向注意力，应对精神疲劳。Riva等[7]发现每周居家虚拟自然花园体验可以缓解居民焦虑、增加幸福感、加强社会联系，减轻疫情下的心理负担。Yeom等[6]验证了室内虚拟绿墙在减轻居民压力方面的有效性，面积适中的小型绿墙会让居民感到更放松。

4)指导城市景观规划设计。虚拟自然环境研究有助于环境心理学和公共卫生领域研究人员理解自然复愈的心理生理机制，辅助公共空间规划和人居环境自然化决策，增强居民在休息娱乐和社会交往方面幸福感与健康。Huang等[27]研究发现绿草如茵、树木成林的虚拟城市环境更能支持压力恢复。Baran等[28]使用虚拟环境探索居民对社区公园自然景观的安全感知，使城市规划者和公园管理者更好地理解城市绿地的空间特征如何影响人们的安全感知，进而影响使用模式以及城市公园提供的社会和心理效益的实现。

3.2 改善病患身心体验的虚拟自然

1)减轻病人疼痛感。自然沉浸通过分散病患注意力达到生理上的病痛舒缓，将其用于伤口护理、化疗、牙科治疗等医疗程序中，病患高度沉浸并产生多模式视听感官体验，达到减轻疼痛的效果。相比其他虚拟元素，自然元素(自然窗景、流水、风景画)在医疗环境中最常见[29-30]:病房天花板布置模拟自然天空场景、墙上设置增强现实的自然壁画、候诊室放映虚拟水族馆影像等，烧伤患者在虚拟环境疗法后所感受到的疼痛刺激也极大减少[31-35]。虚拟自然环境充分调动有限的定向注意力资源，不需使患者更多地集中注意力，减轻疼痛与焦虑的效果更胜一筹。

2)调节患者情绪状态。虚拟自然沉浸的情绪调节作用是通过影响患者心理活动来实现的。Tanja-Dijkstra等[8]使用虚拟自然改善牙科患者治疗体验，减少患 者对牙齿疾病治疗的恐惧与焦虑情绪。Gerber等[36]为心脏外科病人呈现沉浸自然场景，减轻病人认知障碍，使病人得到明显放松与减压。Uwajeh等[37]运用VR营建康复花园帮助阿尔茨海默病人和痴呆症患者降低血压，改善压力焦虑水平，减少负面情绪。Scates等[38]给接受静脉注射的癌症中心患者观看虚拟自然视频，患者放松、平和感显著增加。

3)提高治疗效益。Veling等[39]运用沉浸自然环境对焦虑症、精神病、抑郁症和双向情感障碍患者进行心理健康干预，发现虚拟自然是一种高效的自我放松方式，可提高精神疾病治疗效益。Appel等[40]发现虚拟自然是一种安全、廉价、非药理学的治疗方法，能显著提高感知及行动障碍的老年人抑郁、焦虑、认知困难等病症的治疗效果。

3.3 虚拟自然助力绿色运动

绿色运动是将接触绿色自然与体力活动结合，比单纯进行体育锻炼能给人带来更大健康益处，与无自然元素的室内或城市环境中进行体育活动相比，绿色运动可明显减少压力疲劳、削弱愤怒悲伤等消极情绪[41]。

许多城市居民无法定期进行绿色运动，虚拟自然可使参与者在室内运动也产生与在大自然中运动同样的健康效益，通过触发注意力恢复机制，降低人们感知体力消耗水平，诱导运动者进行更剧烈的身体活动，提高运动强度[42-43]。目前研发了许多虚拟现实绿色运动软件系统，如Steam VR平台已经做到室内外运动视野兼备的效果，用户可以选择自己喜欢的虚拟自然场景(海边、优美公路、雪山、丛林)，使用体感交互设备进行冲浪、摩托车骑行、滑雪、野外探索等运动，这些运动若未经专业训练在真实自然中很难独自完成，但通过VR设备就可轻松实现，有助增强参与者锻炼意愿，增加锻炼行为[44]。

3.4 虚拟自然结合智能康复技术

1)脑机接口-虚拟现实系统。脑机接口(Brain-computer interface)是利用中枢神经产生的信号，不依赖外周神经肌肉，在大脑与外部设备之间建立直接交流和控制通道[45]。将BCI与VR组合设计成互补工具系统(BCI-VR系统)在康复领域拥有广阔前景:VR提供丰富的康复环境和真实体验，BCI能够实时监测用户心理状态，实现多种情绪(愉悦、悲伤、平静、愤怒、害怕)判别分析，以便动态调整VR环境内容，为用户提供良好疗愈体验。例如为行动障碍者或健康用户提供虚拟恢复性环境，可通过BCI采集并分析从用户传感器获得的需求信号，将其转换为命令转发给VR设备，及时向用户提供所需的虚拟自然、博物馆、艺术文化创作场所等环境的参观体验[46]，并且借助BCI探测的脑电图信号，检测用户的视觉注意力，以便其自如地进行360度虚拟环境环顾体验[47]。使用神经科学反馈手段客观定量研究用户感知，通过数据收集用户反馈的方法会更直观地为设计师提供环境优化设计策略。Li等[48]生成几种虚拟现实地下空间环境，使用脑机接口获取被试脑电图和脉搏血氧仪读数，结果显示在充满绿色植物的虚拟场景中，人们的认知表现能力及感受到的环境舒适度最高。

2)心率变异性生物反馈。心率变异性是指相邻心跳间显示出一定波动，随着呼吸、血压、情绪改变而起伏变化，受个体自主神经控制，是描述自主神经活动强弱的重要指标。心率变异性生物反馈可通过呼吸放松训练增强，并改善用户情绪，可以减轻压力和恢复自主神经系统平衡[19]。然而传统反馈形式存在使受试者生畏，产生应激反应，视觉吸引力不够导致无法专注等弊端[49]，研究人员以沉浸式装置提高受试者的参与感，将虚拟自然环境作为生物反馈发生背景，如自然声音[50]、舒缓的环境光[51]、声光组合[52]，智能手机动画游戏[53]，突破传统训练画面单调无趣的缺点，让受试者处于放松自信状态，缓冲负面影响，释放压力，调节自我，控制情绪与行为。可应用于缓解学生考试焦虑、学习压力；康复中心病人身心疾病辅助治疗；公安、武警、军队等心理训练，专业人才选拔；运动员、飞行员压力释放，精力专注。

4 研究展望

恢复性虚拟自然环境研究方兴未艾，未来研究还应深入挖掘以下3个方面:

1)强化多理论研究应用。目前研究均基于注意力恢复和减压理论，与其他理论结合应用有限。例如“亲生物假说”和“瞭望-庇护理论”分别从生物进化和居住地选择角度阐明了人对于自然存在审美、理智、认知和精神的依赖，反映人的行为心理与自然环境的互动关系[54-55]；Hartig[56]于2021年提出“关系恢复理论”与“集体恢复理论”，Egner等[57]于2020年提出“条件反射恢复理论”。上述理论均可作为虚拟自然环境空间布局设计的理论支撑，指导我们从自然中汲取经验，通过对自然的提取、模拟和重现等手段创造支持人类疾病恢复与健康生活的虚拟自然环境。

2)建立多维度恢复效果评估体系。目前研究大多从身心健康维度出发对恢复效果测量进行指导，而不对其他恢复关联维度进行研究，如社会维度，集体恢复理论则强调乐于助人性、同理心、利他主义、亲社会性等方面恢复效果[58-60]；生态心理学[61]从生态维度出发关注亲生态行为、自然关注度、自然连通性等恢复效果。社会维度和生态维度代表了个人对社会关系、自然关系的感知和行为，多维度恢复测评则可帮助研究设计出能够促进社会凝聚力、亲社会行为、环境可持续、绿色消费的虚拟自然环境。

3)加强作者间、机构间合作联系。目前发文作者与研究机构均表现出较强的独立性，受国家与地域分布影响较大，短时间难以建立合作关系。高校等研究机构合作网络的提升空间大，若能在现有机构网络基础上形成网络间合作纽带，研究面将覆盖更广泛，更有利于研究深入拓展。