基于眼動的城市森林景觀視覺質(zhì)量評價及距離變化分析*

張 昶 王 涵 王 成

1 中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所 北京 100091

2 國家林業(yè)和草原局林木培育重點實驗室 北京 100091

3 國家林業(yè)和草原局城市森林研究中心 北京 100091

4 中國計量科學研究院 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)居民對生態(tài)游憩需求的日益增長,基于城市森林生態(tài)與景觀的綜合服務供給越來越受到重視[1-3],對城市森林生態(tài)功能與景觀視覺質(zhì)量的評價也成為國內(nèi)外生態(tài)學領域的熱點。在生態(tài)功能評價方面,已經(jīng)系統(tǒng)形成基于城市森林改善城市環(huán)境及應對城市環(huán)境問題的、包括降溫緩解城市熱島[4-7]等功能在內(nèi)的綜合生態(tài)功能效益評價體系[8-10];在景觀視覺質(zhì)量評價方面,大部分的研究仍采用心理物理學派方法[11-19],這些方法能夠較為整體地反映觀賞者對城市森林景觀質(zhì)量的感受,但其評價結果較為主觀,并且對于視覺質(zhì)量的影響因子解釋較弱。眼動 (眼睛在獲取外界信息時所發(fā)生的運動)能夠反映個體內(nèi)在認知景觀的過程,通過眼動追蹤得到的量化眼動數(shù)據(jù)可以客觀地反映觀測者主觀視覺感知特征,并能夠從時間維度與空間維度解釋視覺景觀的影響因素[20-22]。目前基于眼動的景觀質(zhì)量評價已在校園景觀[23-24]、旅游景觀[25]、公園綠地景觀[26]等方面展開,但針對城市森林的研究還較少,也未見從觀賞距離角度開展的相關分析,而不同觀賞距離會使觀測者產(chǎn)生不同景觀感知,影響其對景觀質(zhì)量的判定,這是城市森林游憩路徑設置,或針對已有游憩路徑的景觀提升需要考慮的重要因素,故有必要對城市森林景觀視覺質(zhì)量的距離變化展開研究。近年來,北京平原地區(qū)通過大規(guī)模生態(tài)建設工程,形成了油松、白蠟、國槐、銀杏、刺槐、旱柳等 (使用量100萬株以上)樹種為主的平原大斑塊城市森林,對這些平原城市森林質(zhì)量的評定及功能最優(yōu)化的游憩開發(fā)是目前需要解決的科學問題。本文選擇通州運河森林公園作為研究地點,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象展開相關研究,探索構建基于眼動指標的景觀視覺質(zhì)量評定模型,對旱柳景觀進行視覺質(zhì)量評價,并多維度對比眼動特征因子,分析觀賞距離變化對視覺景觀質(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)化的游憩路徑設置提供參考。

1 研究區(qū)概況及研究方法

通州運河森林公園位于北京東部平原,總面積約713萬m2,該公園是平原城市森林建設工程的重點實施地塊。全園喬木種類共計60種,通州運河森林公園的優(yōu)勢喬木種類以楊柳科、豆科、松科為主,具體包括毛白楊 (Populus tomentosa)、國槐(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。結合拍攝條件和場地可達性,在通州運河森林公園選定并設置5個旱柳景觀林樣點,記為P1,P2,P3,P4,P5,選擇北京植被生長狀況最好的6月份展開樣本圖像采集工作;以5 m為一個距離梯度,在同一方向直線設置5 m,10 m,15 m,20 m,25 m,30 m距離節(jié)點,利用同一相機,以1.5 m人體普遍視覺高度橫向拍攝,共計拍攝30個樣本圖像,將樣本圖像按照 “P樣點-距離梯度”的方式進行命名,如1號樣點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,對所有樣本的天空、地面草坪進行同質(zhì)色彩處理,并利用Matlab平臺,通過提取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)過人工校對,提取旱柳林(含樹冠與樹干)范圍,并將其設定為眼動實驗的AOI(AreaOfInterest)。

1.2 眼動測試

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

1.3 視覺景觀質(zhì)量評價模型構建

1.3.1 指標因子選擇

依據(jù)景觀美學、心理學等的研究成果,文本以景觀對視覺的聚集、興趣、關注、吸引4個視覺特征度量景觀的視覺質(zhì)量;依據(jù)眼動追蹤已有的研究成果,體現(xiàn)人視覺特征的眼動行為主要有注視、眼跳、追隨3種基本形式,考慮本文所采用的靜態(tài)圖片眼動測試方式,因此重點選擇注視與眼跳兩種形式的眼動指標;結合文本劃定的AOI特點,從時間維度與空間維度進行對比與梳理,選定能表征視覺吸引、關注、興趣、聚集程度的7個對應指標因子 (表1),以V代表指標因子,包括:V1注視點個數(shù)、V2注視頻率、V3平均注視時間、V4平均眼跳幅度、V5平均眼跳速度、V6首次注視時間、V7注視時間比重。

表1 景觀視覺質(zhì)量評價的指標因子

1.3.2 評價模型構建

從Eyeso分析軟件中按照表1中選取的指標因子,提取相應測試數(shù)據(jù)導入SPSS中。首先對30個樣本的指標因子值進行標準化處理;再利用主成分分析法對標準化后的指標因子進行加權計算,得到景觀視覺質(zhì)量評價值,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為各指標主成分得分 (表1);最后利用聚類分析劃分景觀視覺質(zhì)量等級,用以度量通州運河森林公園旱柳林各樣點整體的相對狀態(tài)。

2 結果與分析

2.1 景觀視覺質(zhì)量的評定結果

根據(jù)評價景觀視覺質(zhì)量模型計算得出各樣點的視覺質(zhì)量評價值 (圖1)。30個樣本的景觀視覺質(zhì)量值分布在0.13～1.49范圍內(nèi),對30個樣本的景觀視覺質(zhì)量值進行聚類以劃分等級 (表2),結果表明,其中處于高等級 (景觀視覺質(zhì)量相對較好,視覺的吸引力強、關注度高、興趣性強、視線在景觀中聚集,1.35＜VQ＞≤1.49)的樣本有12個,占40%;處于中等級 (景觀視覺質(zhì)量一般,對于觀測者具有一定的吸引力、興趣性與關注度,視線一定程度上在景觀中聚集,0.49＜VQ≤1.35)的樣本有15個,占50%;處于低等級(景觀視覺質(zhì)量相對較差,視覺的吸引力弱,關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,占10%。整體而言,通州運河森林公園旱柳林景觀具有較好的視覺質(zhì)量。

圖1 景觀視覺質(zhì)量值

2.2 景觀視覺質(zhì)量的SBE驗證

2.2.1 整體VQ等級與SBE等級對比情況

將視覺質(zhì)量模型求得的各樣本景觀視覺質(zhì)量評價值與前期研究所得的各樣本SBE評價值[26]進行對比。首先采用相同的聚類方法對樣本SBE評價值進行等級劃分,其等級分類范圍見表2。按照該分類標準,統(tǒng)計30個樣本SBE的等級情況,結果顯示,SBE處于高等級的樣本有11個,處于中等級的樣本有17個,處于低等級的樣本有2個;該結果與視覺質(zhì)量的評價結果具有很高的一致性,說明基于眼動的視覺質(zhì)量評價值能夠較好地總體反應觀測者的景觀感知。

表2 景觀視覺質(zhì)量與美景度等級劃分對比表

2.2.2 各樣本VQ等級與SBE等級對比情況

進一步對比并統(tǒng)計各樣本VQ等級與SBE等級差異 (圖2),雖然整體VQ評價與SBE評價結果具有較高的一致性,但各樣本VQ評價等級與SBE評價等級存在一定的差異,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觀測者主觀感受的影響 (SBE評價整個圖像,除主體旱柳林景觀,還包括天空與草地等其他元素,而VQ評價全部針對旱柳林景觀)。由圖2可知,15m和20m二者存在等級差異的樣本數(shù)量最少,其他元素對觀測者主觀感受影響少;而5m,10m,25m,30m差異樣本數(shù)量相對較多,天空、地面草地等元素對觀測者主觀感受存在一定的影響。

2.3 景觀視覺質(zhì)量的距離變化

對視覺質(zhì)量綜合指標值與各指標因子值進行Pearson相關性檢驗,結果表明,景觀視覺質(zhì)量綜合指標與注視頻率 (P=0.000)、平均眼跳幅度 (P=0.000)、注視時間比重 (P=0.000)顯著正相關,而與注視點個數(shù) (P=0.007)顯著負相關,該結果說明V1注視點個數(shù)、V2注視頻率、V4平均眼跳幅度、V7注視時間比重是對景觀視覺質(zhì)量構成顯著影響的重要指標;從指標的含義及對視覺質(zhì)量特征的表達來看,這4個指標能夠?qū)σ曈X質(zhì)量的聚集、興趣、關注、吸度量特征完全響應,評價模型能夠較好地反應視覺質(zhì)量。

圖2 景觀視覺質(zhì)量等級與SBE等級差異圖

重點對注視點個數(shù)、注視頻率、平均眼跳幅度、注視時間比重的距離變化進行分析,以探討觀賞距離對于景觀視覺質(zhì)量的影響。AVOVA分析結果表明,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存在顯著相關性,故距離變化通過顯著影響注視點個數(shù),并對注視頻率、平均眼跳幅度、注視時間比重產(chǎn)生相關影響,從而影響景觀的視覺質(zhì)量(圖 3)。

圖3 景觀視覺質(zhì)量的距離變化

1)注視點個數(shù)隨距離變化主要呈現(xiàn) “W” 型變化 (圖3),注視點個數(shù)在15m和25m時出現(xiàn)兩個谷值,30m時升高到最大值,即在15m與25m的觀賞距離時,視線在旱柳林內(nèi)較少的位置相對集中。為進一步明確在這兩個觀賞距離時注視點具體的位置,結合熱點圖 (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,時間最長的注視點基本都在樹冠與地面交界處,在樹冠內(nèi)形成的注視點相對較少。該結果與對生態(tài)景觀視覺熱點的已有研究結果一致,森林景觀的視覺熱點也會相對分散在多種生態(tài)元素交界的范圍內(nèi)。

圖4 各樣點15 m,25 m熱點圖

2)注視頻率隨距離變化主要呈現(xiàn) “V” 型變化 (圖3),從5 m開始隨距離增大注視頻率變低,25 m時出現(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,旱柳林對觀測者的吸引相對較小,關注程度也較弱,在30 m時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時達到峰值,在該觀賞距離時,視線掃視的幅度較大,森林景觀局部或細節(jié)興趣感不強;而30 m觀賞距離時平均眼跳幅度為最小值,森林景觀較為吸引觀賞者進行景觀的細節(jié)探索。

4)注視時間比重隨距離變化主要呈現(xiàn) “W”型變化 (圖3),從5 m開始隨距離增大注視時間比重變低,15 m與25 m出現(xiàn)兩個谷值,注視比重較低30 m出現(xiàn)最大值,說明在15 m和25 m時注視點對視覺吸引相對不夠,而30 m時注視點視覺吸引相對明顯。

2.4 基于距離影響的旱柳林游憩建設對策

1)景觀對視線的興趣、關注、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應避免將觀光游憩步道設置在25 m的視覺距離位置,而對25 m視覺距離位置已有路徑的游憩林景觀進行提升,視線范圍內(nèi)的草坪景觀也應共同納入提升。

2)景觀視覺質(zhì)量在5 m與30 m處呈現(xiàn)相對較高水平,其中在30 m處旱柳林景觀的視覺細節(jié)吸引特征表現(xiàn)得最明顯,在5 m處景觀的視覺關注強度特征表現(xiàn)得更為突出。路徑設置需要考慮5 m,30 m的設置距離,且需要高頻注視的元素(景觀標識等)更適合設置在5 m處,而需要長時間停留欣賞的元素 (標識性景觀等)更適合設置在30 m處。

3 結論

本文基于眼動指標構建VQ評價模型,運用模型評價通州運河森林公園旱柳林景觀視覺質(zhì)量,并運用ANOVA分析景觀視覺質(zhì)量的距離變化,結論如下。

1)旱柳林景觀視覺質(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,50%樣本處于中等級,10%樣本處于低等級。整體而言,通州運河森林公園旱柳林具有較好視覺質(zhì)量,景觀對視線的興趣、關注、吸引、聚集程度較高。

2)注視點個數(shù)、注視頻率、平均眼跳幅度、注視時間比重對景觀視覺質(zhì)量構成顯著影響,距離變化通過顯著影響注視點個數(shù),對注視頻率、平均眼跳幅度、注視時間比重產(chǎn)生相關影響,從而影響景觀視覺質(zhì)量。

3)隨著距離的變化,注視點個數(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)兩個谷值或峰值,對應了視覺興趣、視覺關注、視覺吸引、視覺聚集特征的較低水平。

4)旱柳林景觀視覺質(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質(zhì)量呈現(xiàn)相對較高水平,可作為游憩路徑設置參考值。