城市街道界面节奏对行人心理认知的影响

孙晨雪 赵建波

0 引言

设计一个具有良好空间品质的街道环境，对于步行活动心理体验提升具有重要价值。扬·盖尔（Jan Gehl）认为建筑底层对城市生活起着决定性作用，尤其是街道空间尺度、界面形态关系多样性都与步行感受存在不同程度影响性[1]，这说明水平维度街道界面是行人空间感受的重要参量。凯文·林奇（Kevin Lynch）则表示，环境意象是观察者与所处环境双向作用的结果[2]，这个意象必须包括物体与观察者以及物体与物体之间的空间或形态上的关联[2]，因而，街道空间形态的研究应当反映行人视觉感知的规律。德国心理物理学家古斯塔夫·费希纳（Gustav Theodor Fechner）则以身心规律为切入点，对客观物象与心理感觉的作用机制有着更为深入的理解：“人类存在正性与负性感受，但负性感受并不代表感受的缺失、减少或消除。相反，它们可能比正性感受更强烈。”[3]正、负感受之于街道界面，为实、虚形态差异所给予的刺激。凡街道界面不是绝对连续的线性街墙，就表示界面形态存在虚体元素的影响。由此可见，街道界面虚体元素在视觉感知上起着至关重要的作用。

在定量描述方面，较为熟知的是芦原义信以测度指标面宽比（W/D，W为临街界面宽度，D为街道宽度）[4]实现了街道水平片段的量化，并以此为基础探讨了界面形态与心理认知的关系。而在实际情况下，即使绝对连续的建筑界面也会被横向道路所打断，物理上的界面断开带来街道界面的虚实变化，以W/D的描述效果并不明显。近年来，我国街道空间心理认知研究领域出现了如“界面密度”“贴线率”[5]“近线率”[6]等街道界面形态测度指标，亦有学者发现街道空间物质环境与心理认知的情感属性存在关联性[7]；“建筑密度”“高宽比”（H/W，H为建筑高度，W为街道宽度）则对街道空间宜人属性具有积极影响[8]。在有关街道界面虚体部分的研究方面，有学者将街道界面通透特性描述为视觉延伸性问题，发现适宜绿视率有助于提高街道空间迷人感，且街道界面“空”的部分最具视觉吸引力[9]；视觉延伸性好的街道界面还有助于提高街道步行环境疗愈潜能[10]。亦有学者发现街道界面存在虚体构成元素“隙”，以一系列参数指标与波形图像描述方法考察了街道界面虚实关系对心理认知的影响性[11]。在步行心理体验问题上，街道底层界面透明度与步行活动存在直接关联[12]，但评价因子并未考虑街道界面物理上的断开问题。

构建一个宜人的街道空间十分重要，然而以上研究多集中考察街道空间“虚”“实”环境某一方面的心理认知问题，也未从行人自身视觉规律出发考虑一段完整街道界面虚实关系的心理认知影响。城市形成的过程就是采用地理空间上相似的韵律重复自身的过程[13]，街道界面虚实关系其实就是虚实元素作为结构单元反复呈现并加以组织的结果，为此，本文尝试以步行者视角，实证研究街道界面（虚实）节奏对行人心理认知的影响，期望构建一套可有效反映街道界面节奏“物—心”影响关系的定量描述方法。

1 城市街道界面节奏影响行人心理认知的定量测算方法

街道界面节奏影响心理认知主要涉及两个方面（图1）：一是城市街道界面节奏的几何形态特点对行人心理认知的影响性，二是基于行人知觉规律的城市街道界面节奏量化方法。

图1 研究方法流程图Fig.1 research methods flowchart

第一，理论架构与算法构建。以简化的几何图形构建得到概念模型，利用可有效反映视觉感知规律的波形函数图像，提取得到界面节奏4个方面的主要特点；借鉴心理物理学与空间知觉理论，推导得到可有效描述“物—心”函数关系的心理量算法。

第二，VR心理认知实验与“界面节奏—心理认知”影响性分析。选取真实街道案例转化为VR场景，按步骤进行心理认知实验，测算分析界面节奏特点反映于行人心理的主次关系；筛取最受人瞩目的界面节奏特点，发展为可直接反映“物—心”函数关系的街道界面节奏定量测算方法；分析城市街道界面节奏与行人心理认知的影响关系，以期为行人知觉范围内街道空间形态测度方法带来精细化补充，为街道界面步行活动的相关研究带来实践价值。

1.1 街道界面节奏的评估模型

1.1.1 概念模型

街道界面是行人空间感受的最直接作用对象，能够有效反映视觉感知规律的物象研究才是具有价值的。由于行人视觉有连续性特点，在对街道空间沿街面感知时，亦可由街墙缺失处受到部分街区肌理的影响。视觉感知过程不仅涉及到传统意义上线性向度的界面关系，可能还与垂直于线性界面的纵向延伸空间有关。以现代规划模式城市街区的典型肌理——均质格网状路网为原型（图2），模型由13个街块、贯穿模型的4条主街以及与主街可独立形成串联关系的4条小路构成；街块紧贴道路边界，以“街道宽度”a0①表示宽度均质的主街。模型中具有道路属性的空隙两两相交得到道路节点，这些节点互为并置关系。

图2 概念模型 Fig.2 conceptual model

1.1.2 波形图像描述方法与视觉规律的拟合性

以概念模型界面节奏变化较为丰富的一侧界面为例，依据既有研究方法[11]，可以虚实关系“可视化”方式，将街道界面节奏直接提取并转化为波形函数图像y′=f(x′)（图3）。

图3 街道界面节奏波形函数图像Fig.3 street interface rhythm waveform function graph

假设测算界面所处主街空间存在任意行人视点x0，取波形函数图像的映射视点x0′，可得函数表达式：

据此可知，视觉感知的连续属性具有了数学函数的连续性。波形图像能够有效反映街道界面节奏物理形态特点及其视觉感知规律的共变关系，描述方法有效可行。

1.1.3 街道界面节奏的物理形态特点

分析函数图像y′=f（x′）可知，波形的有无是一系列节奏关系存在与否的先决条件，与之对应的是街道界面是否发生了（物理上的）“断裂”或“位移”，即是否存在街道界面的中断现象。通过对函数图像推演发现，波动关系主要体现在3个方面：一是波段起伏次数的变化；二是波段尺度方面的变化，包括沿y轴方向的长短变化，即界面空间的延伸程度，以及沿x轴方向的宽窄变化，即界面空间的延展关系；三是波段空间分布的变化，即界面空间的分布关系。综上，街道界面节奏存在4个方面的主要特点——街道界面中断次数、界面空间延伸程度、界面空间延展关系与界面空间分布关系。

1.2 街道界面节奏的“物理量—心理量”算法

本文借鉴心理物理学与空间知觉理论作为研究方法的理论依据，尝试构建由“物理刺激量”直接推导“心理感觉量”的量化算法，以便下文科学阐释街道界面节奏与心理认知之间的影响关系。

1.2.1 基于心理物理学“感受测量原理”与幂定律的心理量算法

1.2.1.1 心理物理学“感受测量原理”

由于心理量难以被直接测量，目前所能进行的心理测量只是量化了人们的生理显象行为。而心理物理学“感受测量原理”为心灵参数关系提供了间接获得的重要方法：感受的大小不能直接确定，但可以记录描述决定相应感受的刺激量而非感受量[3]；凡具有数量性质的物象，皆可被测量。也即，当刺激与感受大小作为彼此函数时，可以物理量推导感觉量的大小。据此，可利用具有共变关系的物理指标实现感受的等价推导，这使得利用街道界面节奏的“物理刺激量（或程度）”来确定“心理感觉量（或程度）”的操作方法，具备了理论支撑与可行性。

1.2.1.2 幂定律

“幂定律”②考虑了不同感觉通道外部刺激给人的感觉程度（图4），也是心理学科公认的“物—心”关系表达式。幂定律提供了由“物理刺激量”到“心理感觉量”等价转换的桥梁，依据幂定律可有效阐释街道界面节奏“物—心”之间的共变函数关系。当已知街道界面节奏的某一具体刺激量I及该类型物理刺激的幂指数a，将I与a代入幂定律公式，即可求解关于该刺激量I的心理感觉量S。

图4 “幂定律”函数图像（物理量与心理量的关系）Fig.4 “power law” function graph (the relationship between physical quantity and mental quantity)

1.2.2 基于空间知觉理论与韦伯定律的心理量算法

1.2.2.1 空间知觉理论

由经验可知，物理刺激变化程度的信息解析不仅与物质本体相关，可能还与视线路径上的空间参照物有关。同时，人们知觉上的物体大小并不伴随物理刺激距离的变化而改变[14]。依据“大小—距离不变”假设③可知，视距D具有视线路径上的空间参照物性质。由于视线需先经过主街a0再与目标界面相交，因而a0充当界面节奏视觉感知上的视距D，界面节奏物理上的绝对变化程度充当视像a。当主街宽度a0越小，界面节奏的绝对变化程度越显著，界面节奏给人的视觉感受性也就越强。

1.2.2.2 韦伯定律

人们对刺激的差别感受并非依赖于刺激的绝对变化量，而是建立在刺激差异量与原刺激量比较的基础上。依据韦伯定律④可知，为引起有效的觉察，刺激强度I越大则差别阈限ΔI的需求越大。假设主街宽度a0为原刺激量，界面节奏的变化差异量为Δx，据此可知界面节奏变化程度的心理感觉量：y=Δx+a0，Δx越大，界面节奏变化程度的心理感觉量y就越大。

空间知觉理论阐释了视知觉作用机制，韦伯定律描述了“知觉”前一阶段即“感觉”阶段的心理规律。基于空间知觉理论与韦伯定律的心理量算法，可有效阐释街道界面节奏变化程度与空间参照物协同影响下的心理感觉程度，这对于分析可能存在主街宽度a0影响的界面节奏特点具有借鉴价值。

2 街道界面节奏的心理认知实验

2.1 实验技术与平台搭建

采用对照实验模式，包括1个对照组与2个实验组。对照组采用原始场景，使用Sketchup2020建模，虚拟模型物质要素主要有建筑主体、道路及其红线。主街长度（1 000 m）、建筑高度（20 m）、建筑风貌以及沿主街界面绝大多数建筑的退线距离一致，街道宽度a0为30 m。道路以沥青素材贴图建模，场景不设绿植等其他附属配置，以使被试集中精力体验界面节奏有关空间要素，减少无关因素干扰。

实验组为对照组加入a0/H⑤影响因素所得，以验证街道宽度a0与建筑高度H对街道界面节奏心理认知的综合影响。可知对照组a0/H为1.5，实验组控制街道宽度a0=30 m不变，实验1组的建筑高度H设为35 m（即a0/H＜1）；实验2组的建筑高度H设为12 m（a0/H＞2）。

虚拟模型经过Unity软件处理转化成VR场景，使用HTC Vive眼镜实现场景的虚拟现实。实验以探究街道界面节奏的行人心理认知为目的，被试以“行人”身份参与街道活动，而不只是视觉上的探索。设计一个以行人真实视角为心理导向的认知实验方法，对于研究框架的充分执行至关重要。因此，本实验采用头戴式VR眼镜进行沉浸式虚拟现实体验，视点位置沿主街中线布置，视点高度为1.6 m，视角为120°；行进速度以人的自然步速1 m/s为标准。被试可使用手柄自行控制前进与后退、行走与否，以增强身临其境的感觉。也可自行回溯体验各场景，以充分比较与提炼行进中的心理感知。

2.2 场景设置与实验过程

实验招募人员主要来自天津市，选取天津市历史文化名街常德道与哈尔滨道，以及现代主义规划模式的士英路与鞍山西道作为场景原型（图5）。这些案例可较为贴近被试熟悉的街道环境，并较好覆盖我国城市街道界面节奏的主要特点。以街道界面节奏4个方面的主要特点来说，假设数量等级表现为“非常高”与“非常低”的指标各4个，全排列可得16种界面节奏组合模式。

图5 1 km取样单元的天津主要街道的界面节奏（左侧与右侧界面分别为A、B侧界面）Fig.5 the interface rhythm of main streets in Tianjin with 1 km sampling unit (the left and right interfaces are side A and side B)

结合图5真实街道片段的主要界面关系，抽离出4种最具现实意义且独具特点的组合模式，对不必要的空间形态简单调整得到实验样本（图6）。每个样本双侧界面的节奏特点相一致，即对称性双侧界面。各样本对应界面节奏特点见表1。

表1 实验样本的街道界面节奏形态特点统计Tab.1 the statistical characteristics of street interface rhythm morphology of experimental samples

图6 心理认知实验样本（左侧与右侧界面分别为A、B侧界面）Fig.6 experimental model of psychological cognition(the left and right interfaces are side A and side B)

将对照组与实验组的3组场景随机分发给95个被试人员（对照组32人；实验1组32人，2组31人）。按步骤进行漫游实验，每人填写1份调查问卷。

3 实验结果

3.1 数据分析

图9 街道界面节奏的心理认知程度Fig.10 psychological cognition of street interface rhythm

本次实验产生有效问卷86份（对照组29份，实验1组28份，实验2组29份），无效问卷9份。行人在多视角观察下（图7、表2），获得了主观描述结果（表3）。对有效问卷统计分析可知（图8-9），对照组与实验组的心理认知趋势具有相似性，说明街道界面节奏4个方面形态特点的心理认知程度几乎不受街道宽度a0与建筑高度H变量的影响。再从a0/H对各组有效认知总人数的影响来看，对照组的总体有效认知人数相对较多，这可能与对照组a0/H在舒适区间有关；其次是实验2组与实验1组，说明当街道宽度a0相同时，建筑高度H越低则更有助于街道界面节奏的整体认知。总体来看，街道界面中断次数的多/少，能够准确认知并独立描述出来的75人，占比87%；界面空间延伸程度64人，占比74%；界面空间延展关系16人，占比19%；界面空间分布关系36人，占比42%。

图7 心理认知实验场景的主街中线视像图（对照组）Fig.7 central line view of main street in the scene of psychological cognition experiment scene（the control group）

表2 心理认知实验场景的侧界面视像图（对照组）Fig.2 side interface view of psychological cognition experiment scene(the control group)

表3 心理认知实验调查问卷统计Tab.3 psychological cognitive experimental questionnaire statistics

图8 对照组与实验组的心理认知程度比较Fig.8 comparison of psychological cognition between control group and experimental group

由实验结果可知，街道界面节奏4个方面的特点皆可被行人认知并独立描述，界面空间延伸程度还可被明显知觉为“近界面沿街空间大/小”及“道路节点与主街距离远/近”两个方面。总的来看，街道界面中断次数的多/少、界面空间延伸程度被描述出来的人数最多，也即“最受行人瞩目”，因而在心理认知层面具有绝对优势；其次为界面空间分布关系，再次为界面空间延展关系。

借鉴物理学科常用于描述波形图像的基本参数对：频率与幅度，分别描述街道界面的中断次数、界面空间延伸程度这两个最主要的心理认知特点，据此建立频率与幅度相结合的定量描述方法。将物理学科描述方法引入街道界面节奏的心理认知研究，目的是在有效描述界面节奏形态差异的同时，更为准确的探析“物—心”之间的函数关系。

3.2 街道界面节奏特点的“物—心”参量转化

3.2.1 频率参数的量化推导

第一，作为客观物理量的频率，能否与心理量形成一一对应的函数关系；第二，对物理量标尺的统一，即从频数意义“中断次数/（街道）长度”参数单位到心理意义“中断次数/时间”参数单位的有效转换。

首先，街道界面中断次数反映了物质“数”的多少，对应描述函数图像连续波段即界面虚体片段的重复显现次数。结合心理物理学“感受测量原理”与幂定律，由斯蒂文斯心理量表可知，物理现象重复率方面存在幂指数a=1.0的心物关系[14]，与图3线段长度感觉量的直线型函数曲线特点相对应。因此，街道界面中断次数的“物理量—心理量”存在1∶1线性关系，物理上的界面中断次数与心理上的界面中断次数存在一致性。

其次，步行是人感知街道空间的主要方式，步行时间是伴随空间感知的外显物理量。人的自然步速约为1 m/s（步距为60～75cm），1 km所需步行时间约为1 ks，结合速度公式可得等式：步行1 km所感觉到的界面中断次数=步行耗时1 ks所经历的界面中断次数=1 km街道界面的客观中断次数。频率⑥的心理意义可表述为：人在自然步速情况下每行进1 ks，所感觉到的街道一侧界面上的实际中断次数（单位：次/ks）。

至此，频率参数以步速为“媒介”实现了长度到时间单位的有效转化，频率参数具备了心理认知的表征意义。

3.2.2 幅度参数的量化推导

依据空间知觉理论可知，界面空间延伸程度的心理认知存在主街宽度a0的协同影响。物理意义上的界面空间延伸程度即函数图像y'=f(x')相对于a0边界的绝对变化程度，可以ΔA来描述（图10）。当主街宽度a0越小，ΔA的绝对变化程度越显著，ΔA的视觉感受性就越强。

图10 频率与幅度测算图像Fig.11 frequency and amplitude measurement

而当a0充当原刺激量时，界面空间延伸程度f(x')便转化为影响感觉程度的刺激差异量。结合韦伯定律可知，当f(x')越小，视觉感受越弱，反之越强。据此，心理意义上的幅度可表示为：A=ΔA+a0（单位：km），ΔA越大，幅度A的心理感觉量就越大。幅度A的值域为y'=f(x')在y=a0下方与上方值域的并集：(0,a0]∪[a0,1]，A∈(0,1]。考虑人眼广度阈限的视觉规律，当界面空间延伸程度无穷大（+∞），由该处所致的心理感觉量就无穷大（+∞）。

以上2点分别从界面节奏的频率与幅度方面，实现了测算参数的“物—心”转换。物理指标与心理指标形成了“数”与“量”的共变关系，量化方法具有了认知方面的描述意义。

3.3 城市街道界面节奏与行人心理认知的影响关系

现以图6所示1 km街道片段为例，利用波形图像提取得到测算数据，以检验量化方法的有效性，并在测算结果之间比对分析，见表4。

表4 实验样本频率（f）与幅度（A）的量化测算Tab.4 quantitative measurement of frequency (f) and amplitude (A) of experimental samples

根据测算结果对照各个样本发现，A、B两侧界面属性基本一致，证明了前期给定的对称性边界假设是可行的。同时，四个样本之间的界面节奏（频率f及幅度A）存在明显差异，并具有内在的关联性。依本文构建的频率f与幅度A相结合的定量描述方法，分析如下.

第一，以频率f来看，样本一与样本三（双侧界面都在20次/ks以上）大于样本二与样本四（双侧界面都在15次/ks以下），这与样本一与样本三的沿街空间较多、沿街面短促有关，而样本二与样本四则沿街空间较少、沿街面较长，因而样本一与样本三给人感觉界面连续性较弱，样本二与样本四则较强。频率f与界面连续性感受负相关。

第二，以幅度A来看，样本一、样本三与样本四皆表现出阶梯函数特点，这说明以上3个样本都存在界面空间延伸程度不一的共同特点，而样本二的界面空间延伸程度非常均匀。

较小数集反映了“近界面沿街空间大/小”的心理量影响途径，样本三与样本四（双侧界面都在90 m以内）大于样本一（双侧界面都在50 m以内），这与样本三、样本四沿街面凹凸程度或沿街建筑进深较大有关，因而样本三与样本四线性界面错综感及侧界面纵深感较强，样本一则较弱。幅度A较小数集的值与线性界面错综感及侧界面纵深感正相关。

较大数集反映了“道路节点与主街距离远/近”的心理量影响途径，样本三与样本四（双侧界面都在250 m以上）大于样本一与样本二（双侧界面都为125 m），这与样本三、样本四街廓较大相关联，因而样本三与样本四侧界面道路便捷感较弱，样本一与样本二则较强。幅度A较大数集的值与侧界面道路便捷程度的生理感受负相关。

第三，将频率f与幅度A结合来看，样本一与样本三存在道路节点与主街距离远/近的差异（侧界面道路便捷感存在差异）；与样本二存在界面中断次数的多/少、近界面沿街空间大/小的差异（界面连续性、线性界面错综感存在差异），又与样本四存在界面中断次数的多/少、道路节点与主街距离远/近的差异（界面连续性、侧界面道路便捷感存在差异）。可见，频率f与幅度A可分别描述街道界面节奏某一方面的心理认知特点，两个参数的结合使用，可更为全面的解析街道界面节奏与行人心理认知的综合影响关系。

数据分析结果与VR心理认知实验的直观感受相符，频率与幅度相结合的定量描述方法可有效描述街道界面节奏的“物—心”影响关系，量化方法有效可行。

4 结语

4.1 研究结论

借鉴心理物理学与空间知觉理论，从行人身心规律的角度出发，构建了用以描述街道界面节奏“物—心”共变关系的定量描述方法，为解决街道界面节奏与行人心理认知关系的跨学科问题提供一种有效途径。对天津市的研究表明，街道界面中断次数、界面空间延伸程度是最受行人瞩目的界面节奏形态特点，分别以“频率”和“幅度”对以上两个特点进行定量化描述；频率的“物理量—心理量”存在1∶1线性关系，而幅度的“物理量—心理量”具有刺激差异量越大感觉量越大的正相关关系；频率f与界面连续性感受负相关，幅度A较小数集的值与线性界面错综感及侧界面纵深感正相关，幅度A较大数集的值与侧界面道路便捷程度的生理感受负相关。

街道界面与行人心理认知的量化分析和实验，可应用于城市街道近人空间环境与行人意识活动关系的相关研究，研究结果可作为城市街道步行空间设计与更新的评价依据。

4.2 研究局限性

本文研究工作尚存在局限性。第一，决策心理即行人固有的决策心理属性是否会成为一系列空间感知上层意识的问题。第二，预设实验条件的限制，本文为4个心理认知实验场景设置了界面密度大致相同的同等街面条件，更低或更高的界面密度条件下影响关系还有待进一步考察。第三，实验场景的简化，本实验以对称性界面构建了4个心理认知实验场景，非对称性界面条件下的街道界面节奏与行人心理认知的互馈关系，也是值得进一步探索的问题。

注释

① 本文以沿街建筑紧贴道路边界的情况为例，构建概念模型。在实际测算中，若遇沿街建筑偏离道路边界的情况，则以主街界面两侧绝大多数建筑所在面的间距为“街道宽度”a0。

② 美国心理学家斯蒂文斯（S. S. Stevens）在早期一系列心物函数的基础上反思并发展，用数量估计法研究了刺激强度与感觉大小的关系，提出著名的“幂定律”：S=kIa。S是感觉量，I是刺激量，k与a是由感觉通道和刺激强度共同决定的常数与幂指数。

③ 人眼对物体大小的感知与视距成反比，与物体的视像大小成正比，这一现象可以“大小—距离不变”假设来描述，以公式表示为：a=A/D。a指视网膜成像的大小，A指物体的实际大小，D指物体与眼睛的距离。

④ 韦伯定律描述了感觉的差别阈限与原刺激量的共变规律：K=ΔI/I。ΔI表示差别阈限，I表示刺激强度，K表示常数。

⑤ 芦原义信在《街道的美学（下）》书中提到，D/H=1～2是视觉感知上较为舒适的街道空间构成，式中D即本文参数街道宽度a0。

⑥ 街道界面节奏的周期T(T=1/f)，可理解为人在自然步速情况下的每经历一次界面中断所需的单位步行时间（单位：ks）。