文／賈江旭 安徽建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院 碩士研究生

潘 超 安徽建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院

夏曉春 安徽建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院

孫 進 安徽建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院 碩士研究生

引言

一百多年來，研究者對生存環(huán)境的情緒評價研究大多集中于調(diào)查問卷后構(gòu)建情緒模型，一方面龐大的樣本量會造成采集研究困難，另一方面過于主觀性的個人差異也會帶來對結(jié)論科學(xué)性的偏離[1]。實驗內(nèi)容集中于調(diào)查問卷或者圖片分析上面，對景觀的主要使用者“人”的研究過少。近年來，不斷有學(xué)者利用新技術(shù)來對環(huán)境評價進行量化，如利用儀器獲取觀察者的心電、肌電、皮電等實時生理指標(biāo)變化，從而較為科學(xué)地表現(xiàn)景觀評價[2]，但純生理指標(biāo)難以挖掘受試者內(nèi)心的真實想法，無論是心跳血壓都容易受到環(huán)境或身體因素影響，不易獲取令人信服的生理與心理外向指標(biāo)。城鎮(zhèn)中生活的居民是街道景觀的主要使用者，居民的情緒變化反饋了核心問題，在以人為本的設(shè)計理念下，合理參考情緒評價能為城市環(huán)境帶來科學(xué)的品質(zhì)提升。

只有對被試者在城市環(huán)境游覽時的生理、心理數(shù)據(jù)科學(xué)分析和量化，才能更有效更準(zhǔn)確地為設(shè)計者和研究者提供有科學(xué)依據(jù)的改進方向。個體在游覽城市空間時情緒的變化反映了真實的環(huán)境評價，合理利用腦電等新技術(shù)將情緒波動量化分析即可得到改進的方向，神經(jīng)學(xué)科與環(huán)境學(xué)科融合交叉為未來城市設(shè)計提供了新思路。通過實驗獲取的量化的數(shù)據(jù)更加兼具主觀性與客觀性，為人居環(huán)境提升提供更綜合全面的分析模型，無論在國內(nèi)外的城市環(huán)境研究中，研究方法由定性關(guān)系轉(zhuǎn)向定性定量關(guān)系相結(jié)合被國內(nèi)外學(xué)者所認(rèn)可。新技術(shù)與科學(xué)的研究方法已經(jīng)日趨成為主流，能真實反映個體情緒的腦電評價技術(shù)正與傳統(tǒng)主觀研究方法一起開辟城市環(huán)境評價新維度。

1 腦電與城市空間

1.1 腦電節(jié)律簡述

頻率范圍相同、起伏周期一樣且重復(fù)出現(xiàn)的腦電波，稱為腦電節(jié)律。德國心理與生理學(xué)家Hans Berger 分析研究大量EEG 記錄后命名了α 節(jié)律與β 節(jié)律，常見的生活態(tài)腦電波集中在1～30hz 之間，根據(jù)頻率高低分為四個波段，即δ波、θ 波、α 波和β 波（圖1）。δ 波和θ 波屬于慢波，通常在人處于睡眠或陷入沉思時出現(xiàn)；α 波是人腦常見節(jié)律，通常出現(xiàn)在大腦清醒且放松的狀態(tài)，閉目時可檢測α 波段較密集；β 波屬于快波，通常在個體處于緊張或亢奮狀態(tài)時出現(xiàn)，睜眼時可檢測β 波段較密集。靜坐（站）狀態(tài)獲取腦電數(shù)據(jù)研究實驗被稱為靜息態(tài)實驗，對四種節(jié)律能量變化的分析是較為常用的腦電研究方式，無論是情緒變化、舒適度、疲勞性以及注意力問題都可以通過對不同節(jié)律的研究得到結(jié)論。

圖1 腦電節(jié)律特征(圖片來源：作者自繪）

1.2 量化節(jié)律可以用于城市環(huán)境評價研究

腦電（Electroencephalography, EEG）涉及生物醫(yī)學(xué)、神經(jīng)學(xué)、電信技術(shù)、心理學(xué)、計算機、信號處理以及社會學(xué)等多種行業(yè)學(xué)科[3]。1924 年德國心理與生理學(xué)家Hans Berger 教授通過一次電流計實驗發(fā)現(xiàn)了腦電波動，并將這種神經(jīng)電刺激記錄方法命名為腦電圖EEG（圖2）[4]。這種腦細(xì)胞群的自發(fā)性電活動具有周期變化性[5,6]，腦電信號相對其他生理信號更加精準(zhǔn)，其最大的優(yōu)點是檢測到的情感難以被偽裝或誤導(dǎo)[7]。敏感且隨機的腦電屬性容易受到外界的影響，無論是個人精神變化還是環(huán)境刺激，都會引起腦波變化，腦電信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后可以直觀地表現(xiàn)出受試者的心理變化，δ 波和θ 波功率譜密度變化可以體現(xiàn)舒適度及瞌睡疲勞程度；α 波功率譜密度變化也被用于評價舒適度及愉悅度[8]；β 波功率譜密度變化可用于檢測喚醒度及壓力值[9]。量化的情緒數(shù)據(jù)恰好彌補了城市環(huán)境設(shè)計當(dāng)中感官數(shù)據(jù)不足的缺陷，為城市環(huán)境提升提供了可靠依據(jù)。目前暫時國內(nèi)運用到城市環(huán)境研究的腦電實驗較少，接下來對腦電技術(shù)與環(huán)境研究的文獻進行梳理總結(jié)。

圖2 兩組實驗者α 波能量腦地形圖（圖片來源：作者自繪）

2 不同城市環(huán)境下的神經(jīng)科學(xué)研究總結(jié)

2.1 腦電技術(shù)與環(huán)境研究總結(jié)

國外早在20 世紀(jì)90 年代就有學(xué)者研究腦電節(jié)律與行為環(huán)境之間的關(guān)系，但多集中于利用動物實驗來探究腦電信號與環(huán)境行為之間的關(guān)系[10]，真正使用腦電技術(shù)在外部環(huán)境進行研究，出現(xiàn)在21 世紀(jì)伊始，并有逐年增多趨勢。涵蓋類別包括光線、聲音、視覺、語言等人體感官實驗。當(dāng)前涉及城市環(huán)境相關(guān)的發(fā)文較少，研究方式多為利用儀器軟件給出的黑箱算法得出情緒評價，結(jié)合主觀問卷得出相應(yīng)結(jié)論[11]。理解居民城市感知是研究的主要內(nèi)容，市民在游覽街道景觀時會調(diào)動大量感覺器官對景觀的周遭環(huán)境進行觀察分析，而其中視覺能從周遭環(huán)境中獲取最多最全面的信息，所以關(guān)于城市環(huán)境研究也以視覺景觀為主要研究點。

2.1.1 腦電技術(shù)與建筑環(huán)境研究

建筑是城市環(huán)境構(gòu)建的主體，兩千年以來建筑設(shè)計行業(yè)依然遵循羅馬工程師維特魯威（Marcus Vitruvius Pollio）提出的“堅固、實用、美觀”三原則，不同建筑的空間形式、立面風(fēng)格帶給游覽者的情緒變化不盡相同。程車智等[12]選取中外不同風(fēng)格建筑照片各十張對大學(xué)生群體進行腦電測試，以被試者專注度變化為變量，得出不同建筑風(fēng)格對個體的影響。劉玉福[13]研究了建筑室內(nèi)不同光環(huán)境對個體學(xué)習(xí)注意力的影響，基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建在線學(xué)習(xí)注意力分級模型，得出最有利于建筑室內(nèi)學(xué)習(xí)的光環(huán)境。腦電數(shù)據(jù)可以直觀地表達(dá)人群對建筑外觀和使用的評價，目前建筑與腦電領(lǐng)域研究較少且多為平面研究，后續(xù)研究可以加入立體思維創(chuàng)造更加真實可信的實驗環(huán)境。

2.1.2 腦電技術(shù)與景觀環(huán)境研究

景觀是環(huán)境中較大的一個組成，國內(nèi)外對游覽景觀的人群情緒變化都有研究。英國約克大學(xué)的Jenny Roe 等利用腦電儀測量被試者觀看不同環(huán)境影像時的EEG 變化，通過對比實驗者在不同環(huán)境中的興奮程度（Excitement）、沉思程度（Meditation）等指標(biāo)，他們發(fā)現(xiàn)個體面對城市環(huán)境時興奮值較高；看向自然景觀時興奮值較低，但卻有較高的冥想值[14]。李軻、恭忱等以便攜腦機接口設(shè)備為采集工具，智能手機為數(shù)據(jù)平臺，組織學(xué)生佩戴儀器對三條景觀路線進行實地游覽并記錄下沿路腦電注意力數(shù)據(jù)，最終找出最吸引游客注意力的沿線景觀節(jié)點[15]。金夢瀟、鄭權(quán)一等利用個體的α 波的功率譜密度變化來進行微氣候因子舒適性研究，結(jié)合問卷探討了城市綠地微氣候設(shè)計策略[16]。技術(shù)的進步讓科學(xué)評價景觀環(huán)境成為可能，傳統(tǒng)的景觀環(huán)境研究方法多使用主觀性較強的問卷等方法，神經(jīng)科學(xué)與景觀學(xué)的結(jié)合為新的研究方法帶來了突破，主客觀協(xié)同分析的方式拓寬了景觀環(huán)境評價的維度和方法。

2.1.3 腦電技術(shù)與交通環(huán)境研究

腦電與城市環(huán)境研究中涉及交通領(lǐng)域的文獻數(shù)量多、開展研究早，主要涉及交通安全、疲勞與喚醒的長時間駕駛模擬實驗。HANS 等發(fā)現(xiàn)駕駛員在單調(diào)缺乏變化的道路駕駛?cè)菀桌Ь肭宜俣容^快，環(huán)境變化豐富的道路能讓駕駛者保持警惕性，駕駛速度得以控制體現(xiàn)了更好的安全性[17]。

Jap 等對α、β、θ 和δ 四種節(jié)律能量變化進行組合研究，發(fā)現(xiàn)多種節(jié)律組合變化可以衡量駕駛疲勞度[18]。吳紹斌等首先對被試者進行睡眠剝奪，保證其在實驗中一直處于疲勞狀態(tài)，其后將駕駛者的腦電功率譜比值R=（α+θ）/β 與主觀疲勞問卷對應(yīng)分析，最后得出駕駛中R 值越大越疲勞的結(jié)論[19]。王琳虹研究了道路周邊環(huán)境色彩變化對駕駛者疲勞度的聯(lián)系，實驗發(fā)現(xiàn)道路周邊主體景觀色彩越豐富（鮮艷、明亮），駕駛員的α/β波比值越接近1，可以高效安全地完成駕駛?cè)蝿?wù)[20]。EEG 中的α、β、θ 波的變化都能表達(dá)疲勞趨勢，早期節(jié)律變化與駕駛疲勞的關(guān)系研究通常是簡單的定性分析[21]，后期對腦電樣本熵的分析成為新的疲勞度檢測方法[22]。腦電駕駛疲勞研究體現(xiàn)了城市道路環(huán)境對個體的情緒影響，也為街道景觀、建筑室內(nèi)、慢行系統(tǒng)等其他環(huán)境評價研究提供了新思路。

結(jié)語

技術(shù)的進步不斷影響著城市設(shè)計與人居環(huán)境領(lǐng)域，環(huán)境設(shè)計行業(yè)更加重視“人”的感受，世界頂尖的設(shè)計類機構(gòu)都將心理生理技術(shù)廣泛運用到產(chǎn)學(xué)研當(dāng)中。美國建筑師學(xué)會（AIA）于2003 年成立了建筑神經(jīng)科學(xué)分會（ANFA）,美國環(huán)境行為學(xué)會（EDRA）將環(huán)境行為作為2015 年的學(xué)會主題，學(xué)科前沿學(xué)者們肯定了神經(jīng)科學(xué)在未來環(huán)境評價中的重要地位。盡管目前腦電科學(xué)可以描述的環(huán)境體驗和健康影響仍然較為有限，但與其他學(xué)科的交叉研究會越發(fā)密集，例如腦電成分的能量比值功率譜估計涉及隨機信號分析、概率統(tǒng)計、隨機過程等一系列基礎(chǔ)學(xué)科[23,24]，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于通信、產(chǎn)品設(shè)計及生物醫(yī)學(xué)工程等眾多領(lǐng)域[25]。在交叉學(xué)科的互利互補之下，風(fēng)景園林、城鄉(xiāng)規(guī)劃、建筑學(xué)這些需要廣泛涉及人的使用感覺的設(shè)計學(xué)科，與腦電等新技術(shù)相結(jié)合的優(yōu)勢展露無遺，未來腦電技術(shù)與城市設(shè)計方面的研究將有深厚的潛力等待挖掘。