張 昶 王 涵 王 成

1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所 北京 100091

2 國(guó)家林業(yè)和草原局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100091

3 國(guó)家林業(yè)和草原局城市森林研究中心 北京 100091

4 中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院 北京 100029

城市森林為城鎮(zhèn)居民提供了重要的公共綠色休閑空間,隨著城鎮(zhèn)居民對(duì)生態(tài)游憩需求的日益增長(zhǎng),基于城市森林生態(tài)與景觀的綜合服務(wù)供給越來(lái)越受到重視[1-3],對(duì)城市森林生態(tài)功能與景觀視覺(jué)質(zhì)量的評(píng)價(jià)也成為國(guó)內(nèi)外生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。在生態(tài)功能評(píng)價(jià)方面,已經(jīng)系統(tǒng)形成基于城市森林改善城市環(huán)境及應(yīng)對(duì)城市環(huán)境問(wèn)題的、包括降溫緩解城市熱島[4-7]等功能在內(nèi)的綜合生態(tài)功能效益評(píng)價(jià)體系[8-10];在景觀視覺(jué)質(zhì)量評(píng)價(jià)方面,大部分的研究仍采用心理物理學(xué)派方法[11-19],這些方法能夠較為整體地反映觀賞者對(duì)城市森林景觀質(zhì)量的感受,但其評(píng)價(jià)結(jié)果較為主觀,并且對(duì)于視覺(jué)質(zhì)量的影響因子解釋較弱。眼動(dòng) (眼睛在獲取外界信息時(shí)所發(fā)生的運(yùn)動(dòng))能夠反映個(gè)體內(nèi)在認(rèn)知景觀的過(guò)程,通過(guò)眼動(dòng)追蹤得到的量化眼動(dòng)數(shù)據(jù)可以客觀地反映觀測(cè)者主觀視覺(jué)感知特征,并能夠從時(shí)間維度與空間維度解釋視覺(jué)景觀的影響因素[20-22]。目前基于眼動(dòng)的景觀質(zhì)量評(píng)價(jià)已在校園景觀[23-24]、旅游景觀[25]、公園綠地景觀[26]等方面展開(kāi),但針對(duì)城市森林的研究還較少,也未見(jiàn)從觀賞距離角度開(kāi)展的相關(guān)分析,而不同觀賞距離會(huì)使觀測(cè)者產(chǎn)生不同景觀感知,影響其對(duì)景觀質(zhì)量的判定,這是城市森林游憩路徑設(shè)置,或針對(duì)已有游憩路徑的景觀提升需要考慮的重要因素,故有必要對(duì)城市森林景觀視覺(jué)質(zhì)量的距離變化展開(kāi)研究。近年來(lái),北京平原地區(qū)通過(guò)大規(guī)模生態(tài)建設(shè)工程,形成了油松、白蠟、國(guó)槐、銀杏、刺槐、旱柳等 (使用量100萬(wàn)株以上)樹種為主的平原大斑塊城市森林,對(duì)這些平原城市森林質(zhì)量的評(píng)定及功能最優(yōu)化的游憩開(kāi)發(fā)是目前需要解決的科學(xué)問(wèn)題。本文選擇通州運(yùn)河森林公園作為研究地點(diǎn),控制距離單變量,選取北京平原典型的旱柳城市森林景觀作為對(duì)象展開(kāi)相關(guān)研究,探索構(gòu)建基于眼動(dòng)指標(biāo)的景觀視覺(jué)質(zhì)量評(píng)定模型,對(duì)旱柳景觀進(jìn)行視覺(jué)質(zhì)量評(píng)價(jià),并多維度對(duì)比眼動(dòng)特征因子,分析觀賞距離變化對(duì)視覺(jué)景觀質(zhì)量產(chǎn)生的影響,以期為城市森林景觀功能提升與最優(yōu)化的游憩路徑設(shè)置提供參考。

1 研究區(qū)概況及研究方法

通州運(yùn)河森林公園位于北京東部平原,總面積約713萬(wàn)m2,該公園是平原城市森林建設(shè)工程的重點(diǎn)實(shí)施地塊。全園喬木種類共計(jì)60種,通州運(yùn)河森林公園的優(yōu)勢(shì)喬木種類以楊柳科、豆科、松科為主,具體包括毛白楊 (Populus tomentosa)、國(guó)槐(Sophora japonica)、旱柳 (Salix matsudana)、油松 (Pinus tabuliformis)等,其中旱柳景觀是全園最典型的城市森林景觀類型[26]。

1.1 樣本采集與樣本處理

1)樣本圖像拍攝。結(jié)合拍攝條件和場(chǎng)地可達(dá)性,在通州運(yùn)河森林公園選定并設(shè)置5個(gè)旱柳景觀林樣點(diǎn),記為P1,P2,P3,P4,P5,選擇北京植被生長(zhǎng)狀況最好的6月份展開(kāi)樣本圖像采集工作;以5 m為一個(gè)距離梯度,在同一方向直線設(shè)置5 m,10 m,15 m,20 m,25 m,30 m距離節(jié)點(diǎn),利用同一相機(jī),以1.5 m人體普遍視覺(jué)高度橫向拍攝,共計(jì)拍攝30個(gè)樣本圖像,將樣本圖像按照 “P樣點(diǎn)-距離梯度”的方式進(jìn)行命名,如1號(hào)樣點(diǎn)15 m拍攝圖像,命名為P1-15。

2)樣本處理與AOI提取。為避免背景干擾,對(duì)所有樣本的天空、地面草坪進(jìn)行同質(zhì)色彩處理,并利用Matlab平臺(tái),通過(guò)提取RGB分量、閾值分割、邊界提取、邊界鏈接,去除樣本天空與地面,再經(jīng)過(guò)人工校對(duì),提取旱柳林(含樹冠與樹干)范圍,并將其設(shè)定為眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)的AOI(AreaOfInterest)。

1.2 眼動(dòng)測(cè)試

利用EyesoEc80遙測(cè)試眼動(dòng)儀 (采集頻率為80fps)、電腦 (液晶顯示屏分辨率為 1920×1080)進(jìn)行視覺(jué)追蹤測(cè)試。以 “視覺(jué)正常、裸眼視力或矯正視力均在1.0以上”為條件,應(yīng)征選取30名被試人員。被試人員以坐姿接受測(cè)試,坐落位置設(shè)定在其兩眼與顯示器中心位置距離約70cm的地方。正式測(cè)試前接受眼動(dòng)校準(zhǔn),正式測(cè)試開(kāi)始后播放天空與地面同質(zhì)色彩處理后的樣本 (樣本隨機(jī)分為3組,每組6張,為排除首因效應(yīng)[24],每組包含3張預(yù)熱照片),眼動(dòng)儀開(kāi)始追蹤眼動(dòng)數(shù)據(jù),直到播放完畢停止追蹤,樣本播放過(guò)程由被試控制,不限制觀看時(shí)間。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程通過(guò)Eyeso分析軟件收集眼動(dòng)指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),后續(xù)分析依據(jù)需求提取數(shù)據(jù),同時(shí),還可依據(jù)需求對(duì)注視位置和時(shí)間等生成可視化圖像。

1.3 視覺(jué)景觀質(zhì)量評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

1.3.1 指標(biāo)因子選擇

依據(jù)景觀美學(xué)、心理學(xué)等的研究成果,文本以景觀對(duì)視覺(jué)的聚集、興趣、關(guān)注、吸引4個(gè)視覺(jué)特征度量景觀的視覺(jué)質(zhì)量;依據(jù)眼動(dòng)追蹤已有的研究成果,體現(xiàn)人視覺(jué)特征的眼動(dòng)行為主要有注視、眼跳、追隨3種基本形式,考慮本文所采用的靜態(tài)圖片眼動(dòng)測(cè)試方式,因此重點(diǎn)選擇注視與眼跳兩種形式的眼動(dòng)指標(biāo);結(jié)合文本劃定的AOI特點(diǎn),從時(shí)間維度與空間維度進(jìn)行對(duì)比與梳理,選定能表征視覺(jué)吸引、關(guān)注、興趣、聚集程度的7個(gè)對(duì)應(yīng)指標(biāo)因子 (表1),以V代表指標(biāo)因子,包括:V1注視點(diǎn)個(gè)數(shù)、V2注視頻率、V3平均注視時(shí)間、V4平均眼跳幅度、V5平均眼跳速度、V6首次注視時(shí)間、V7注視時(shí)間比重。

表1 景觀視覺(jué)質(zhì)量評(píng)價(jià)的指標(biāo)因子

1.3.2 評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

從Eyeso分析軟件中按照表1中選取的指標(biāo)因子,提取相應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS中。首先對(duì)30個(gè)樣本的指標(biāo)因子值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理;再利用主成分分析法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)因子進(jìn)行加權(quán)計(jì)算,得到景觀視覺(jué)質(zhì)量評(píng)價(jià)值,記為VQ(Visual Quality),VQ=F1*W1+F2*W2+F3*W3,其中W1為0.51,W2為0.28,W3為0.21,F1,F2,F3為各指標(biāo)主成分得分 (表1);最后利用聚類分析劃分景觀視覺(jué)質(zhì)量等級(jí),用以度量通州運(yùn)河森林公園旱柳林各樣點(diǎn)整體的相對(duì)狀態(tài)。

2 結(jié)果與分析

2.1 景觀視覺(jué)質(zhì)量的評(píng)定結(jié)果

根據(jù)評(píng)價(jià)景觀視覺(jué)質(zhì)量模型計(jì)算得出各樣點(diǎn)的視覺(jué)質(zhì)量評(píng)價(jià)值 (圖1)。30個(gè)樣本的景觀視覺(jué)質(zhì)量值分布在0.13～1.49范圍內(nèi),對(duì)30個(gè)樣本的景觀視覺(jué)質(zhì)量值進(jìn)行聚類以劃分等級(jí) (表2),結(jié)果表明,其中處于高等級(jí) (景觀視覺(jué)質(zhì)量相對(duì)較好,視覺(jué)的吸引力強(qiáng)、關(guān)注度高、興趣性強(qiáng)、視線在景觀中聚集,1.35＜VQ＞≤1.49)的樣本有12個(gè),占40%;處于中等級(jí) (景觀視覺(jué)質(zhì)量一般,對(duì)于觀測(cè)者具有一定的吸引力、興趣性與關(guān)注度,視線一定程度上在景觀中聚集,0.49＜VQ≤1.35)的樣本有15個(gè),占50%;處于低等級(jí)(景觀視覺(jué)質(zhì)量相對(duì)較差,視覺(jué)的吸引力弱,關(guān)注度與興趣性也較弱,視線向景觀聚集程度非常低,0.13≤VQ≤0.49)的樣本有3個(gè),占10%。整體而言,通州運(yùn)河森林公園旱柳林景觀具有較好的視覺(jué)質(zhì)量。

圖1 景觀視覺(jué)質(zhì)量值

2.2 景觀視覺(jué)質(zhì)量的SBE驗(yàn)證

2.2.1 整體VQ等級(jí)與SBE等級(jí)對(duì)比情況

將視覺(jué)質(zhì)量模型求得的各樣本景觀視覺(jué)質(zhì)量評(píng)價(jià)值與前期研究所得的各樣本SBE評(píng)價(jià)值[26]進(jìn)行對(duì)比。首先采用相同的聚類方法對(duì)樣本SBE評(píng)價(jià)值進(jìn)行等級(jí)劃分,其等級(jí)分類范圍見(jiàn)表2。按照該分類標(biāo)準(zhǔn),統(tǒng)計(jì)30個(gè)樣本SBE的等級(jí)情況,結(jié)果顯示,SBE處于高等級(jí)的樣本有11個(gè),處于中等級(jí)的樣本有17個(gè),處于低等級(jí)的樣本有2個(gè);該結(jié)果與視覺(jué)質(zhì)量的評(píng)價(jià)結(jié)果具有很高的一致性,說(shuō)明基于眼動(dòng)的視覺(jué)質(zhì)量評(píng)價(jià)值能夠較好地總體反應(yīng)觀測(cè)者的景觀感知。

表2 景觀視覺(jué)質(zhì)量與美景度等級(jí)劃分對(duì)比表

2.2.2 各樣本VQ等級(jí)與SBE等級(jí)對(duì)比情況

進(jìn)一步對(duì)比并統(tǒng)計(jì)各樣本VQ等級(jí)與SBE等級(jí)差異 (圖2),雖然整體VQ評(píng)價(jià)與SBE評(píng)價(jià)結(jié)果具有較高的一致性,但各樣本VQ評(píng)價(jià)等級(jí)與SBE評(píng)價(jià)等級(jí)存在一定的差異,二者的差異可以從某種程度上反映林分之外的天空與草地等元素對(duì)觀測(cè)者主觀感受的影響 (SBE評(píng)價(jià)整個(gè)圖像,除主體旱柳林景觀,還包括天空與草地等其他元素,而VQ評(píng)價(jià)全部針對(duì)旱柳林景觀)。由圖2可知,15m和20m二者存在等級(jí)差異的樣本數(shù)量最少,其他元素對(duì)觀測(cè)者主觀感受影響少;而5m,10m,25m,30m差異樣本數(shù)量相對(duì)較多,天空、地面草地等元素對(duì)觀測(cè)者主觀感受存在一定的影響。

2.3 景觀視覺(jué)質(zhì)量的距離變化

對(duì)視覺(jué)質(zhì)量綜合指標(biāo)值與各指標(biāo)因子值進(jìn)行Pearson相關(guān)性檢驗(yàn),結(jié)果表明,景觀視覺(jué)質(zhì)量綜合指標(biāo)與注視頻率 (P=0.000)、平均眼跳幅度 (P=0.000)、注視時(shí)間比重 (P=0.000)顯著正相關(guān),而與注視點(diǎn)個(gè)數(shù) (P=0.007)顯著負(fù)相關(guān),該結(jié)果說(shuō)明V1注視點(diǎn)個(gè)數(shù)、V2注視頻率、V4平均眼跳幅度、V7注視時(shí)間比重是對(duì)景觀視覺(jué)質(zhì)量構(gòu)成顯著影響的重要指標(biāo);從指標(biāo)的含義及對(duì)視覺(jué)質(zhì)量特征的表達(dá)來(lái)看,這4個(gè)指標(biāo)能夠?qū)σ曈X(jué)質(zhì)量的聚集、興趣、關(guān)注、吸度量特征完全響應(yīng),評(píng)價(jià)模型能夠較好地反應(yīng)視覺(jué)質(zhì)量。

圖2 景觀視覺(jué)質(zhì)量等級(jí)與SBE等級(jí)差異圖

重點(diǎn)對(duì)注視點(diǎn)個(gè)數(shù)、注視頻率、平均眼跳幅度、注視時(shí)間比重的距離變化進(jìn)行分析,以探討觀賞距離對(duì)于景觀視覺(jué)質(zhì)量的影響。AVOVA分析結(jié)果表明,不同觀賞距離V1存在顯著差異 (F=2.977,P＜0.05),而 V2(P＞0.08)、V4(P＞0.9)、V7(P＞0.9)本身不存在顯著的距離差異;但V2與V4(P=0.033)、V7(P=0.000),以及V4(P=0.003)、V7(P=0.03)與V1存在顯著相關(guān)性,故距離變化通過(guò)顯著影響注視點(diǎn)個(gè)數(shù),并對(duì)注視頻率、平均眼跳幅度、注視時(shí)間比重產(chǎn)生相關(guān)影響,從而影響景觀的視覺(jué)質(zhì)量(圖 3)。

圖3 景觀視覺(jué)質(zhì)量的距離變化

1)注視點(diǎn)個(gè)數(shù)隨距離變化主要呈現(xiàn) “W” 型變化 (圖3),注視點(diǎn)個(gè)數(shù)在15m和25m時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)谷值,30m時(shí)升高到最大值,即在15m與25m的觀賞距離時(shí),視線在旱柳林內(nèi)較少的位置相對(duì)集中。為進(jìn)一步明確在這兩個(gè)觀賞距離時(shí)注視點(diǎn)具體的位置,結(jié)合熱點(diǎn)圖 (圖4)解讀分析可以看出,在15 m與25m處,視線由樹冠與草坪相交的邊緣向外分散,時(shí)間最長(zhǎng)的注視點(diǎn)基本都在樹冠與地面交界處,在樹冠內(nèi)形成的注視點(diǎn)相對(duì)較少。該結(jié)果與對(duì)生態(tài)景觀視覺(jué)熱點(diǎn)的已有研究結(jié)果一致,森林景觀的視覺(jué)熱點(diǎn)也會(huì)相對(duì)分散在多種生態(tài)元素交界的范圍內(nèi)。

圖4 各樣點(diǎn)15 m,25 m熱點(diǎn)圖

2)注視頻率隨距離變化主要呈現(xiàn) “V” 型變化 (圖3),從5 m開(kāi)始隨距離增大注視頻率變低,25 m時(shí)出現(xiàn)谷值;在該觀賞距離下,視線每秒在旱柳林內(nèi)注視次數(shù)最少,旱柳林對(duì)觀測(cè)者的吸引相對(duì)較小,關(guān)注程度也較弱,在30 m時(shí)注視頻率又回到較高水平。

3)平均眼跳幅度隨距離變化主要呈現(xiàn) “M”型變化 (圖3),在15 m與25 m時(shí)達(dá)到峰值,在該觀賞距離時(shí),視線掃視的幅度較大,森林景觀局部或細(xì)節(jié)興趣感不強(qiáng);而30 m觀賞距離時(shí)平均眼跳幅度為最小值,森林景觀較為吸引觀賞者進(jìn)行景觀的細(xì)節(jié)探索。

4)注視時(shí)間比重隨距離變化主要呈現(xiàn) “W”型變化 (圖3),從5 m開(kāi)始隨距離增大注視時(shí)間比重變低,15 m與25 m出現(xiàn)兩個(gè)谷值,注視比重較低30 m出現(xiàn)最大值,說(shuō)明在15 m和25 m時(shí)注視點(diǎn)對(duì)視覺(jué)吸引相對(duì)不夠,而30 m時(shí)注視點(diǎn)視覺(jué)吸引相對(duì)明顯。

2.4 基于距離影響的旱柳林游憩建設(shè)對(duì)策

1)景觀對(duì)視線的興趣、關(guān)注、吸引程度普遍在25 m處較低,且25 m處視線多向樹冠與草坪交界面聚集,草坪對(duì)景觀感知存在一定影響。因此,以旱柳林為主體景觀的游憩建設(shè)應(yīng)避免將觀光游憩步道設(shè)置在25 m的視覺(jué)距離位置,而對(duì)25 m視覺(jué)距離位置已有路徑的游憩林景觀進(jìn)行提升,視線范圍內(nèi)的草坪景觀也應(yīng)共同納入提升。

2)景觀視覺(jué)質(zhì)量在5 m與30 m處呈現(xiàn)相對(duì)較高水平,其中在30 m處旱柳林景觀的視覺(jué)細(xì)節(jié)吸引特征表現(xiàn)得最明顯,在5 m處景觀的視覺(jué)關(guān)注強(qiáng)度特征表現(xiàn)得更為突出。路徑設(shè)置需要考慮5 m,30 m的設(shè)置距離,且需要高頻注視的元素(景觀標(biāo)識(shí)等)更適合設(shè)置在5 m處,而需要長(zhǎng)時(shí)間停留欣賞的元素 (標(biāo)識(shí)性景觀等)更適合設(shè)置在30 m處。

3 結(jié)論

本文基于眼動(dòng)指標(biāo)構(gòu)建VQ評(píng)價(jià)模型,運(yùn)用模型評(píng)價(jià)通州運(yùn)河森林公園旱柳林景觀視覺(jué)質(zhì)量,并運(yùn)用ANOVA分析景觀視覺(jué)質(zhì)量的距離變化,結(jié)論如下。

1)旱柳林景觀視覺(jué)質(zhì)量綜合指數(shù)值分布在0.13～1.49的范圍內(nèi),40%樣本處于高等級(jí),50%樣本處于中等級(jí),10%樣本處于低等級(jí)。整體而言,通州運(yùn)河森林公園旱柳林具有較好視覺(jué)質(zhì)量,景觀對(duì)視線的興趣、關(guān)注、吸引、聚集程度較高。

2)注視點(diǎn)個(gè)數(shù)、注視頻率、平均眼跳幅度、注視時(shí)間比重對(duì)景觀視覺(jué)質(zhì)量構(gòu)成顯著影響,距離變化通過(guò)顯著影響注視點(diǎn)個(gè)數(shù),對(duì)注視頻率、平均眼跳幅度、注視時(shí)間比重產(chǎn)生相關(guān)影響,從而影響景觀視覺(jué)質(zhì)量。

3)隨著距離的變化,注視點(diǎn)個(gè)數(shù)主要呈現(xiàn)“W”型變化,注視頻率主要呈現(xiàn) “V”型變化,平均眼跳幅度主要呈現(xiàn) “M”型變化,時(shí)間比重主要呈現(xiàn) “W”型變化,均在15 m與25 m處出現(xiàn)兩個(gè)谷值或峰值,對(duì)應(yīng)了視覺(jué)興趣、視覺(jué)關(guān)注、視覺(jué)吸引、視覺(jué)聚集特征的較低水平。

4)旱柳林景觀視覺(jué)質(zhì)量在25 m觀賞距離處最低,且25 m處視線多向樹冠與草坪交界面聚集,草坪對(duì)景觀感知存在一定的影響;在5 m與30 m觀賞距離處景觀視覺(jué)質(zhì)量呈現(xiàn)相對(duì)較高水平,可作為游憩路徑設(shè)置參考值。