高层建筑户外景观空间感知机制量化研究

刘滨谊 (埃及)穆罕默德·埃尔萨德克

城市化的负面作用让自然栖息地和绿地有减无增，潜在的健康威胁接踵而至，如心血管疾病和抑郁症等非传染性疾病正在成为增速最快的健康问题[1]。这一趋势对于那些接触绿地和户外空间机会有限的群体尤为不利，极易产生身心健康障碍[2]。受制于城市土地的稀缺，高层建筑已成为全球高密度城市人居的主要建筑形式[3]。新的问题随之而来，由于城市地区缺乏绿地和植被，高层建筑的居住者和聚集者往往会经受更大的压力、心理健康问题和潜在的神经疾病[4]。随着高层建筑和垂直城市的有增无减，对于那些生活在混凝土丛林中，既看不见树木，又进不了公园绿地的人们而言，从抑郁症到心脏病[5-7]，因有限的绿色景观空间所引发的身心健康问题日益严重。因此，寻找创新的解决方案，提供绿色景观空间，立体化地将自然融入高层建筑环境，势在必行。

1 城市高层建筑景观感知的作用研究

以风景园林学科的专业视角，高层建筑环境营造的新方法可以从城市高层景观及其感知的统领协调展开：1)保护、恢复、新增高层建筑周围的自然环境；2)设计、维护、管理绿色高层建筑建成环境；3)探索人类景观感知响应的基本规律[8](图1)，发挥“人-景感应”的优势，在有限的高层景观空间范围内，创造“小中见大”“无界空间”的景观感。高层建筑作为城市景观的重要组成部分，为其周围环境提供了独特的视角。同时，由于景观的高空视点，自然景观的可进入性和可达性也会受到限制，因此对景观感知产生的影响较低空视点更为敏感。尽管迄今从环境心理学到景观感知的研究，绝大多数是基于传统场所研究城市景观，但是其研究的重点指向仍可为高层景观感知研究参考。例如，绿色空间对个体和社区群体发挥着减轻压力、恢复心理状态、增加身体活动和改善免疫功能[10-12]等重要作用，以及深入绿色空间所带来的增强心理健康、促进社区互动和提高社区凝聚力[13]的作用。

城市化及其对公共卫生的影响使人们对亲生物设计领域产生了愈发浓厚的兴趣，这种设计优先考虑将自然融入建成环境。从景观感知和绿色空间着眼，将自然融入高层建筑环境设计，创造更加宜居和可持续的城市高层景观环境，可以大大提升高层建筑景观潜在的健康效益，从而为高层建筑使用者创造一个更为健康、和谐的聚居环境。

如同桥连接两岸，高层建筑的窗连接着高层建筑的室内与室外景观，从高层建筑室内向室外观看所获得的景观，本研究称之为“高层窗景”。高层窗景的质量可以显著影响人的高层景观感知和健康状况。尽管高层建筑和道路交通的景观会引发压抑和烦恼的感觉[14]，但在高层建筑周围布置绿色空间却可以对心理健康和福祉产生显著的积极影响。之前诸多窗景的研究表明，接触自然和绿色可以减缓心理困扰的症状，改善情绪状态，即便是在21层高度上的高层建筑中[15-16]。这些研究和结论开启了笔者对于高层窗景的期待。

常规的窗景对于视觉舒适至关重要，可以显著提升个体的生活质量[17]。研究表明，包含绿化和天空的自然景观具有显著的健康效益，“视入其景”可以促进心理康复[18-21]。观察树木和观赏植物的实验表明，观察者的心理健康得到了改善。从住宅内可以看见树木的住户景观研究表明，他们的生活满意度更高[22-23]。此外，窗景会影响大脑活动[4]，在实验室环境中观看绿色覆盖率高的景色可以增加大脑中与放松相关的α波强度。因此，高层建筑空间形态学在确定窗景之于人类感知和健康的影响方面有着重要作用。居住和办公建筑首先是服务于使用者，其重点是内部的使用和由内向外的观看，从建筑外部观看到的建筑风貌是次要的。高层景观和高层窗景同理，高层建筑“由内而外”的窗景质量是城市设计中需要考虑的重要因素，因为其对人类的感知、心理健康和幸福感有着潜移默化的影响。基于高层窗景感知研究，提升高层建筑设计质量，结合绿色空间和自然元素提供一个发挥积极作用的窗景，让其使用者受益，这也是本研究的出发点。

作为高层景观研究的起步，本研究从高层建筑出发，以高层建筑窗景感知为切入，聚焦于探索高层建筑中水平向视觉景观的感知和恢复性影响，采用了脑电图(EEG)、心率变异性(HRV)和皮肤电导率(SC)测量，以及语义差异(SD)方法的心理问卷，旨在更好地理解高层建筑的视觉体验如何影响居民的生理和心理状态，建立现代城市空间的景观感知理论，以求对城市高空景观感应理论研究“填补空白”。

2 实验材料与方法

2.1 受试者

本研究招募了20名生活在城市中的健康大学生(平均年龄22±2岁)作为受试者。受试者经2种方式选出：通过微信群发布招聘广告和在大学校园面对面招聘。受试者排除目前正在接受任何疾病治疗，以及有吸烟或饮酒习惯的学生。所有受试者都是惯用右手，视力正常或矫正视力正常。在参与研究之前，所有参与者都签署了书面知情同意书。本研究遵循《赫尔辛基宣言》概述的原则，并获得了同济大学伦理委员会批准(批准文号：tjdxsr013)。

2.2 视觉刺激

使用一架位于120m高空的无人机，拍摄了3张展示不同环境的照片，包括城市建筑、绿地和水景(图2)。航拍照片拍摄于上海杨浦区的共青森林公园(图3)。该公园曾经是上海的第二大公园，位于上海的北部。将受试者分为3组，每组被分配观看3种视觉刺激中的1种(城市空间、绿地或水景)。受试者被要求观察和欣赏各自环境中的景观。实验在上海大学进行，视觉刺激在白天通过大型等离子显示器呈现，以创造一种真实感。

图2 视觉刺激：城市空间(建筑空间，2-1)、绿地空间(2-2)和水体空间(2-3)Fig.2 Visual stimuli: urban space (architectural space,2-1),green space (2-2),and water space (2-3)

图3 上海市共青森林公园影像(引自谷歌地图)Fig.3 Gongqing Forest Park (from Google Maps)

2.3 过程

受试者在等候室接受了研究和目标的概述后，进入室内。连接EEG电极和ErgoLAB传感器来测量参与者在头皮和身体上的生理反应。每位坐在椅子上的受试者都被告知了实验程序和注意事项。随后，受试者静息1min，并用灰色图像记录其生理反应。下一步，受试者观看实验照片(城市图像、绿地或水景)3min，同时记录其生理反应。然后，受试者使用改进的语义差异(SD)方法完成一份心理问卷，耗时约2min。休息2min后，观看一张新的图像并重复上述测量方案。该研究采用了被试间设计(withinparticipants design)，并平衡了3种视觉刺激的呈现顺序以消除顺序效应(图4)。

图4 测试过程Fig.4 Study procedure

3 实验测试

3.1 生理测量

生理测量包括脑电图(EEG)、心率变异性(HRV)和皮肤电导(SC)。采用北京金发公司的ErgoLAB平台测量心率变异性(HRV)和皮肤电导(SC)。这些平台由无线可穿戴传感器和通过无线接收器连接的基于计算机的平台组成。ErgoLAB的准确性已得到相关领域研究人员的证实[24]。

3.2 脑电图(EEG)数据的收集、处理和分析

利用Emotiv EPOC EEG耳机测量大脑的电活动[25]。EEG被广泛认为是皮层觉醒的可靠指标，为脑电波模式提供了有价值的参照[26]。便携式Emotiv EPOC耳机根据国际公认的10-20电极系统定位了14个通道，提供了脑电波振幅和频率的非侵入性和高分辨率测量[27]。EEG信号被捕获、放大、数字化，并通过蓝牙传输到计算机。这些信号经过滤波以消除电噪声和不需要的特性。使用MATLAB进行数据处理，基于自动独立分量分析的算法(ADJUST)在每个通道的基础上去除剩余的伪像。在EEG通道中，使用来自前额叶的2个通道(AF3、AF4)来捕获α相对波能。电极位置的选择侧重于前额叶皮层在调节认知和思维过程中的作用，以及在这些区域α波能的突出作用[28]。图5显示了Emotiv EPOC耳机和前额叶电极通道的位置。

图5 Emotiv EPOC耳机(5-1)和头皮位置(5-2)Fig.5 Emotiv EPOC (5-1) and scalp locations (5-2)

3.3 心率变异性(HRV)

HRV描述了在特定时间内连续心跳之间的时间间隔变化[29]。为了分析频域HRV，测量了低频功率(LF)(0.04～0.1Hz)来表示交感神经活动；测量了高频功率(HF)(0.15～0.4Hz)来表示副交感神经活动，以及LF/HF的比值。这些指标可说明交感神经的活动水平，较高的LF/HF值表明交感神经系统活动增加，这与压力和焦虑水平升高有关[30]。过滤技术，如白去噪、低通去噪、基线去噪和带阻，被应用于去除噪声和心率干扰。ErgoLAB为HRV和其他生理数据的处理与分析提供了平台。

3.4 皮肤电导(SC)

反映皮肤电活动(EDA)的皮肤电导率是用一个放置在左手2个手指上的无线传感器测量的。这种活动是人体体温调节的重要指标，反映了血管的扩张和收缩以及皮肤汗腺的活动[31]。通过测量皮肤阻力和出汗的变化，皮肤电导可以提供关于个体生理状态的信息。传感器的测量范围为0～30μs，精度为0.13，采样频率为32Hz。为了完成电路，将传感器的2个电极放置在左手的2个不同手指上(图6)。利用滤波技术和图像反卷积方法对EDA信号进行处理，去除噪声，然后进行时域分析。

图6 用于记录心率(6-1)和皮肤电导(6-2)的多通道传感器Fig.6 Multi-channel physiological machine for recording heart rate (6-1) and skin conductance (6-2)

3.5 心理测量

使用改进的语义差异(SD)方法检验视觉刺激引起的印象。在这项研究中，参与者以5分制(-2～2)对3对形容词进行评分。

3.6 统计分析

采用SPSS 25.0版本(IBM Corp,Armonk,NY,USA)进行统计分析。采用重复测量方差分析(ANOVA)和Bonferroni检验来评估3种情况之间的生理差异。生理数据分析的显著性水平设为P＜0.05。心理资料分析采用steel-dwass检验。生理数据分析的显著性水平设为P＜0.05。所有数据均以均数±标准差表示。

4 实验测试结果

4.1 脑电描记法

比较了2个电极(AF3、AF4)的平均α相对功率，如图7所示。当受试者观看所测试的视觉刺激时，可观察到α相对功率的显著差异。在AF3通道中，建筑物图像(1.30±0.02)与绿地图像(2.37±0.14)(P=0.001)、建筑物图像(1.30±0.02)与水体图像(2.18±0.06)(P=0.001)之间存在显著差异。此外，在绿色空间和水景图像的视觉刺激过程中，α相对功率也存在显著差异(P=0.01)。

图7 观察建筑物、绿地和水体图像时AF3和AF4电极的Alpha相对功率变异性(n=20，均值±SD；＊＊经Bonferroni校正P＜0.01)Fig.7 Alpha relative power variability in AF3 and AF4 electrodes while viewing buildings,green space,and water space images (n=20,mean±SD;＊＊P＜0.01,Bonferroni correction)

移动到AF4通道，建筑物图像(1.27±0.07)与绿地图像(2.24±0.02)(P=0.05)、建筑物图像(1.27±0.07)与水体图像(2.22±0.07)之间的差异显著(P=0.001)。不同的是，在AF3通道上，绿地图像与水体图像的α相对功率没有显著差异(P=0.1)。这些发现表明，绿地图像和水体图像的视觉刺激有助于使参与者放松。此外，与观看建筑物相比，绿地图像和水体图像都会在前额叶产生显著的情绪反应，这可以通过更高的α相对功率来证明。

4.2 心率变异性

图8显示了当参与者观看绿地和水体空间影像时，副交感神经活动的HF值的平均总和。与观看城市建筑影像相比，观看绿地和水体空间影像显著增加了HF值(绿地：383.82±59.80mesc2VS 建筑物：248.32±42.92 mesc2，P=0.007；水景：350.85±76.93mesc2VS 建筑物：248.32±42.92mesc2，P=0.009)。而绿地空间视觉刺激与水体空间视觉刺激的HF值无显著差异。这一发现表明，与观看建筑物影像相比，观看绿地空间和水体空间影像会增加交感神经活动。

图8 ln(HF)在3min内观看城市建筑空间、绿地空间和水体空间(n=20，均值±SD；＊＊P＜0.01)Fig.8 ln(HF) during 3-min viewing of urban architectural space,green space,and water space (n=20,mean±SD,＊＊P＜0.01)

此外，建筑物影像的平均LF/HF值显著高于绿地和水景(建筑物：2.43±0.81 VS 绿地：1.84±0.30，P＜0.01)与对照(建筑物：2.43±0.81 VS 水域：1.99±0.65，P＜0.01)，如图9所示。然而，在观看2种视觉刺激时，LF/HF值没有显著差异。这表明，观看绿地和水体影像时的放松状态高于观看建筑物影像。

图9 3min体验期LF/HF[n=20，mean±SD，＊＊表示P＜0.01(Bonferroni检验)]Fig.9 LF/HF during the 3-min experience period (n=20,mean±SD,＊＊P＜0.01,Bonferroni test)

4.3 皮肤电导

图10展示了参与者在3min体验期间的平均皮肤电导。参与者看到建筑物影像时的平均皮肤电导(2.25±0.36)略高于看到绿地(2.14±0.31)和水体(2.20±0.35)影像时的平均皮肤电导。然而，在3种视觉刺激之间没有发现显著差异。

图10 参与者在3min体验期间的平均皮肤电导(n=20)Fig.10 Mean skin conductance of participants during the 3-min experience period (n=20)

4.4 心理反应

采用语义差异问卷(SD)进行测量。图11显示了在观看了城市建筑、绿地和水体影像后，使用3个相反的形容词对进行感知评价的结果。对于舒适-不舒服的评价，绿地空间和水体空间影像被评为舒适(分别为1.37±0.61和1.27±0.64)，而建筑影像被评为不舒服(-0.50±0.86)，这表明从高层观看绿地空间或水体空间给人的感知明显比建筑影像更为舒适。在放松-觉醒评价中，绿地空间(1.50±0.51)和水体空间(0.93±0.79)影像得分为放松，而建筑影像(-0.70±0.65)得分为几乎轻微觉醒，表明3个图像之间存在显著差异(图7，P＜0.001)。此外，受试者在观看绿地空间影像时报告了更放松的感觉。

图11 观看城市建筑、绿地和水体空间后对“舒适”“放松”和“自然”感觉的主观评分比较(n=20，mean±SD，＊＊P＜0.01)Fig.11 Comparison of subjective scoring for "comfortable","relaxed" and "nature" feelings after viewing urban architectural space,green space,and water space (n=20,mean±SD,＊＊P＜0.01)

在自然-人工印象评价中，绿地空间(1.63±0.49)和水体空间(0.90±0.85)影像被评价为非常自然，而建筑影像(-1.43±0.86)被评为人工印象，3幅影像之间差异显著。研究结果表明，与观看建筑影像相比，观看绿地空间和水体影像具有与“舒适”“放松”和“自然”印象相关的心理效应。

5 讨论

高层窗景作为高层室内环境的外延，会对人们的心理健康产生更大影响。本研究测试高层景观的生理和心理反应，采用了反映3类不同环境(城市建筑、绿地和水体)的实验照片。受试者观看这些照片的时间为3min，同时记录他们的生理反应。随后，研究人员使用改进的SD方法对参与者进行心理问卷调查。在环境心理学研究中，使用影像作为视觉刺激是一种有效且被广泛接受的方法[4，32-34]。基于此，本研究调查了从120m高度拍摄的城市建筑空间、绿地空间和水体空间影像对个体生理和心理反应的影响。

研究结果表明，与观看城市建筑相比，从高海拔观看绿地空间和水体空间对大脑功能的影响存在差异。当受试者观看绿地空间和水体空间影像时，其α波振幅始终较高，这与促进平静和放松感有关[11，35]。研究结果显示了对不同视觉刺激产生的不同生理和心理反应，如城市建筑影像可能导致的某些生理变化归因于城市建筑的固有特征，如高密度、结构复杂性和缺乏自然元素。这些发现与早期的研究一致，强调了城市建筑对个体压力水平和唤醒状态的潜在影响。对前额叶α波的分析显示，在从120m的高度观看绿地空间和水景空间的受试者中，α波的相对强度显著增加。这一发现与笔者团队之前的研究结果一致[16]，并支持Olszewska-Guizzo等[4]2018年的研究结果，该结果表明，从较低高度拍摄的绿化覆盖率较高的照片，会引发更强的α波。在观看绿地空间和水体空间的受试者中，α波的增加表明对他们的认知和情绪状态有潜在的积极影响，因为α波与感知和认知过程密切相关[36-37]。此外，α波活动的增强和创造力的增加与抑郁症状的减少有关[38]。因此，观察到α波增加，表明在高层景观环境中加入绿地空间和水体空间大有益处，因为它们有助于放松和推动认知过程。这些发现强化了在城市空间中融入自然元素的重要性。此外，从120m的高度观看绿色空间和水体空间会引发α功率的增大，这表明抑郁症状的减少和平静感受的增强[39]。研究同时表明，观看自然元素会诱发积极的情绪、健康的心态，以及宁静平和的感受，正如脑血流量的变化所证明的那样[40]。因此，本研究结果表明，与观看城市建筑物相比，绿地空间和水体空间在高层窗景的视觉暴露增强了人们放松的感受。

与笔者团队之前的研究结果一致[16]，本研究结果证明了绿地空间和水体空间在120m高度的视觉暴露对自主神经系统活动具有显著影响。具体而言，与城市建筑空间的视觉暴露相比，我们观察到：展示绿地空间和水体空间会使副交感神经活动显著增加，表明放松感受的增加，同时伴有交感神经活动减少，反映了应激反应的减少。这些生理变化是通过测量心率变异性(HRV)来评估的，心率变异性是与压力、焦虑、放松和平静相关的交感和副交感神经系统动力学的公认指标[30]。

改进的SD方法显示，与城市建筑空间相比，受试者观看绿色空间和水体空间的感觉更为“舒适”。此外，与其他视觉刺激相比，在观看绿地空间时，他们体验到了更大的“放松”感，感觉与“自然”的联系更加密切。因此，与观看城市建筑空间相比，绿地空间和水体空间在120m高度的视觉暴露引发了舒适、放松和更接近自然的感觉[41-42]。这些发现突显了自然环境的积极心理影响，特别是在与高层建筑相结合时。

这一发现表明，个体普遍倾向于沉浸在自然环境中，而不是城市建筑环境之中[43]。在住宅和办公环境中，通过高层窗户看到的自然景观与人类健康呈正相关，从而证实了先前研究的发现[22，44-45]。本研究结果表明，从更高的视点观察自然绿地和水体景观与整体健康之间存在正相关关系。观察绿地或水体景观的人往往会体验到更大程度的放松、平静和舒适。研究结果强调了高层建筑周围近自然环境的重要性，这种现象可能归因于人类个体长期进化历程中自然感知的比重远大于其他类型的感知，并且包含了视觉、听觉和嗅觉信号等多种感官途径的自然感知[46]。视觉刺激通过提供有关景观、颜色和整体审美吸引力的信息，在感知和欣赏自然环境方面发挥着至关重要的作用，它们可以唤起放松的感觉及与自然的联系[47-48]。

本研究结果对于城市环境规划设计，特别是高层建筑设计与布局具有启示意义。从高层的视角结合视觉上可观看到的绿地空间和水体空间，可以增强聚居者的放松感并减少压力水平。风景园林设计师、建筑师和城市规划师可以通过了解这种高层景观的生理和心理影响，为创造更健康、更可持续的城市空间作出贡献。在高层建筑设计中考虑自然环境的恢复性，可以促进居住者的福祉和整体生活质量。这项研究的发现也佐证了从高层建筑之内向外观看自然山水景观、绿地和建筑物的组合对个体幸福感的重要性。基于本研究的发现，未来的研究可以寻找那些能够发挥积极影响的特定元素和自然组合。例如，调查几种类型的绿地空间、水体或建筑景观形态对个体生理和心理反应的影响。进一步，研究高层景观基于自然视觉刺激的长期影响，评估在较长一段时间内其对个体健康和生活质量的持续效益与潜在变化，这将有助于更加全面地掌握高层景观对于聚居者福祉影响的科学规律。

6 结论

作为高层景观的初步研究，从居于高层向外观看的感受出发，本研究通过探讨观看城市建筑空间、绿地空间和水体空间的图像对生理和心理的影响，从120m的高度拍摄照片，为城市景观视觉研究开辟了新的领域，揭示了与建筑空间、绿地空间和水体空间相关的2个显著影响: 与城市建筑空间相比，一方面，绿地空间和水体空间的α相对波和副交感神经活动增加；另一方面，绿地空间和水体空间能诱导人产生舒适和放松感。观察到的α相对波和副交感神经活动的增加表明，对绿色空间和水体景观图像的视觉接触会使人产生生理反应，这可能表明注意力和兴趣状态的提高，该发现有助于理解人类对视觉感受与反应的联动性。此外，绿地空间和水体空间诱导人产生舒适和放松感后，人们的心理反应特征是平静和安宁。这些发现突显了展示高层景观中绿色空间和水体景观图像对于个体健康潜在而有益的影响。

基于高层景观感受的研究结果，人们可以有意识地在高层建筑周围规划、整合、优化绿地和水体景观，为优先考虑居民健康和福祉的高层建筑提供循证设计指南，为提升城市高密度与高层人居环境的宜居性提供具体可行的创新思维和途径。对于城市规划师和建筑设计师，应以风景园林学科专业的视角，考虑将高层建筑附近的绿地空间和水体景观元素纳入其规划设计中，以促进城市环境中个体的放松感和幸福感，实现将自然元素融入高层建筑环境，创造出更和谐、更健康、更具美感的城市高层景观。

注：文中图片除注明外，均由作者绘制或拍摄。