數字化技術驅動下的交互景觀實踐與未來趨勢

張洋 李長霖 吳菲

第四次工業革命中出現的一系列顛覆性數字化技術，如大數據（big data）、物聯網（Internet of Things）、 人工智能（artificial intelligence, AI）、虛擬現實（virtual reality, VR）、增強現實（augmented reality, AR）、云計算、區塊鏈、機器人與自動化系統，一方面對城市空間和社會生活產生深遠影響，另一方面也為建成環境研究提供了新數據、新方法和新技術[1]。近年來，風景園林領域的學者開始探索數字化技術與風景園林行業結合的可能性：1）體現在數字化技術作為工具輔助設計的過程，如數據化信息采集、景觀過程模擬及可視化、參數化設計等[2]，使得風景園林設計過程和結果更加科學化和理性化；2）體現在對景觀空間的數字化增強，設計師嘗試將數字化技術引入風景園林設計中，創造新型的人與環境的動態互動方式[3]，豐富公眾的體驗參與行為，后者即交互景觀（interactive landscape）。

交互景觀采用計算機或微處理器，將捕捉到的人的行為變化如觸摸、踩踏、吶喊等，或環境要素的變化如光照、溫濕度、動植物等，按照預設的程序進行運算，轉為圖像、光效、數字等可視化形式輸出，并激發人、環境等做出相應的交互反饋。區別于傳統型景觀向公眾單向輸出的參與模式，交互性景觀通過將數字化技術手段作為一種媒介，使人與人、人與環境、動植物與環境之間產生良好互動，形成一種“雙向溝通”的反饋模式，從而激發場地的活力，提高城市綠地空間的品質。

交互景觀對景觀空間的介入，主要可以實現3個層面的“增強”：1）動態交互“增強”：傳統景觀以靜態觀賞為主，無法與公眾進行實時互動，公眾的參與感不強，而交互景觀則會根據公眾行為或環境變化，做出實時性的動態反饋，呈現出的景觀形式就由靜態觀賞性轉變為動態交互性；2）感知體驗“增強”：通過賦予物體“感知”功能，公眾可以借助物體增強對周圍環境的感知強度或者范圍，從而與外部環境產生更廣泛的關聯，獲取獨特的感知體驗；3）空間融合“增強”：通過VR、AR、可視化等技術的應用，促使物理空間與虛擬空間融合，實現空間在不同維度上的疊加（圖1）。

1 交互景觀實現空間3個層面的“增強”Interactive landscape “enhances” the space at three levels

本研究主要探討數字化技術驅動下交互景觀的跨學科研究和實踐探索，通過梳理當前國內外在此領域的研究和實踐進展，基于交互景觀的交互機制將其劃分為3種主要類型：行為感知交互景觀、環境感知交互景觀和虛擬交互景觀。其中，行為感知交互景觀建立了人的行為與景觀的動態交互，實現景觀的動態交互“增強”；環境感知交互景觀是環境要素與景觀的交互，人也可以借助交互景觀裝置感知環境的變化，實現景觀的感知體驗“增強”；虛擬交互景觀則是通過人與景觀裝置的交互，通過沉浸式體驗構建物理世界與虛擬世界的聯系，實現景觀的空間融合“增強”。

1 行為感知交互景觀

人是景觀空間中的行為主體，研究如何針對人的行為方式進行互動，是交互景觀中研究相對較多的一種類型。行為感知交互景觀利用其內置的攝像頭或傳感器等設備，感應和捕捉參與者的表情、手勢、吶喊等行為活動，再經過計算機或微處理器處理，轉換為電信號或其他所需形式的信息輸出，并觸發裝置內部的控制器引起景觀的變化。行為感知交互景觀作為人與風景園林的中間媒介，將人的行為“傳遞”并觸發交互效果，形成人與自然之間的互動，或者作為人與人之間的媒介，激發多人共同參與，形成人與人之間的互動（圖2），從而模糊人與景觀之間的界限，引發參與者心理和情感上的共鳴，提高公眾的參與性。

2 公眾與行為感知交互景觀的互動關系示意The interaction between the public and behavior perception interactive landscape

攝像頭主要用來獲取人的圖像信息，結合AI技術，它可以判斷目標人群的數量、行為或者目標的面部特征、指紋等，并將圖像結果傳遞給處理系統進行分類編程和處理[4]。例如交互景觀利用攝像頭捕捉參與者的面部表情圖像，經過AI技術識別判斷參與者的開心或難過的狀態，通過LED屏幕的虛擬人物表現出來，或者控制交互景觀的燈光顏色變化，通過圖像信息識別實現人與景觀的互動。傳感器則是用來感知參與者的行為方式，不同類型的傳感器可以感應參與者不同的行為方式，例如，聲敏傳感器可以感應參與者吶喊聲音的大小；紅外線傳感器或者超聲波傳感器，判斷人的移動距離或者手勢[5]；加速傳感器可感應物體的速度變化。例如，耐克公司在馬尼拉建造的耐克無限運動場公園（NIKE Unlimited Stadium），通過安裝在每一位跑步者耐克跑鞋上的紅外傳感器，精準地追蹤跑步者的動作和速率，并結合射頻識別技術和虛擬數字動畫技術，將跑步者的運動信息以虛擬影像的方式，投射到跑道內側的LED屏幕上，跑步者跑第二圈時可以與自己前一圈的成績進行競速，另外程序中還設置了國家田徑紀錄保持者的虛擬人物，跑步者可以通過手機APP選擇虛擬人物進行競速[6]，提高跑步的競技性和趣味性（圖3）。再如北京G-PARK能量公園（簡稱G-PARK公園）中的虛擬騎行裝置，借助加速傳感器感知人的騎行加速度，利用登山阻力模塊模擬騎行的爬坡難度，借助燈帶的變化顯示人在騎行中產生的動能，同時結合心率數據收集模塊和虛擬影像，呈現單人和多人競技的騎行狀態（圖4）[7]。

3 耐克無限運動場公園交互跑道[6]The interactive track in NIKE Unlimited Stadium[6]

4 北京G-PARK能量公園虛擬騎行裝置[7]The virtual cycling device in Beijing G-Park Energy Park[7]

還有一些行為感知交互景觀，是將人的行為與環境要素相結合，從而豐富人介入景觀的方式。例如G-PARK公園互動霧噴裝置，探索如何將參與者的行為與水景進行互動，設計中利用集電地磚中的壓力傳感器感應人的踩踏行為，使參與者與景觀水景進行互動，當參與者踩踏包含觸控感應器、壓力轉化器、LED燈等6層結構的集電地磚時，地磚由于被擠壓發生形變產生電信號，電信號通過傳輸與水景裝置聯動，形成霧噴的效果，實現水景對人行為的實時反饋，形成參與者與景觀之間的趣味互動（圖5）。同時人體踩踏的動能可以轉化為電能，參與者每次踩踏地磚發生的微小形變會產生電能，并收集傳輸到中控機房進行儲存，以供園內路燈、數字水簾等其他景觀設施的用電，在一定程度節省了公園的日常能耗。

5 北京G-PARK能量公園互動霧噴裝置The interactive fog spray device in Beijing G-Park Energy Park

2 環境感知交互景觀

環境感知交互景觀主要是借助交互裝置呈現環境中氣候、光照、溫度等各類環境要素的變化，其作為人感知自然環境的中間媒介，可以將難以感知或者不可見的微小變化，以可視化的方式呈現給公眾。一方面使得人們可突破人體本能的感知局限，擴展視、聽等感覺范圍，從而與外部環境之間產生更廣泛的關聯，獲取自然感知的獨特體驗；另一方面，利用互動裝置可將變化的結果進行信息可視化，從而使人們能對超越自身感知能力的復雜外部環境的動態關系進行闡釋，建立風景園林中物質空間與非物質空間之間的關聯（圖6）。

6 公眾與環境感知交互景觀的互動關系示意The interaction between the public and environment perception interactive landscape

環境數據信息主要依靠傳感器來采集，利用傳感器感應到的環境微小變化，可以通過交互景觀的變化“放大”反饋給公眾。例如北京林業大學學研中心景觀中的PM2.5空氣質量感應玻璃藝術裝置，就是一個實驗性的交互景觀，設計師在溪山行旅下沉庭院的竹林種植池，設有5片PM2.5空氣質量感應玻璃藝術裝置，它是由PM2.5傳感器和Arduino單片機組成的控制系統，其中PM2.5空氣質量感應玻璃藝術裝置選用了Microduino作為控制核心，連接夏普粉塵傳感器。粉塵傳感器的數據傳遞至單片機，并通過燒錄入芯片的程序來根據相應的傳感器數字信號控制數控LED燈條的顏色變化。夜晚暗藏在玻璃之下的LED燈條會實時地根據當時庭院內空氣中PM2.5微塵數量改變顏色，并通過雕刻在玻璃中的植物紋樣表現出來，當空氣質量良好時，燈光為藍白色，空氣質量越差，則燈光越紅[8]，公眾可以借助這些感應玻璃的顏色感知PM2.5的變化情況（圖7）。

7 PM2.5 空氣質量感應玻璃藝術裝置[8]PM2 .5 air quality sensing glass art installation[8]

傳感器對環境變化的感知不止可以反饋給公眾，還可以直接反饋給植物等環境要素，激發它們自身做出適應性變化。英國倫敦大學學院（University College London）交互建筑實驗室（Interactive Architecture Lab）的威廉·維克多·卡米爾（William Victor Camilleri）和達尼洛· 桑帕約（Danilo Sampaio） 在reEarth項目中，進行了刺激植物的自主環境感知實驗，研究者認為植物雖然沒有人類所說的“神經系統”，但實際上是有感知能力的，它們在受到周圍光線、溫度、濕度、污染和振動的電化學刺激時，會做出“適應性”反應；并希望通過實驗驗證植物在城市環境中的“行為主動性”[9]（圖8）。研究者通過對植物電生理學的研究，發現光會引起植物電生理狀態的顯著變化，而且變化程度的數據相對容易測量統計，因此研究者設計了一個半花園、半機器的球形交互裝置—“Hortummachina, B”，該交互裝置主要由1個機器核心、12個英國本土植物模塊以及具有伸縮性的線性執行器組成（圖9）[10]，它可以利用安裝在裝置內部的多個傳感器和插入式電極，分析外部光照條件以及植物對光的生理變化。當裝置上部的植物受到的光照過強時，球形裝置就會利用線性執行器改變其重心，將下部的植物轉動上來，保證每個植物模塊都能夠受到合適的光照；當裝置處于陰影下光照不足時，球形裝置就會自主移動尋找新的光照；當夜晚傳感器探測到完全無光時，裝置就會停止轉動。“Hortummachina, B”作為一個自主感知環境的交互景觀裝置，通過在城市中移動發現適宜的微氣候和棲息地，讓本地物種重新繁衍，既是倫敦市區種植本地植物的容器，也成為倫敦城市公園的延伸。

8 “Hortummachina， B”在草地上自主轉動[10]“Hortummachina， B” rotates autonomically on the grass[10]

9 “Hortummachina， B”交互裝置結構圖[10]The structure chart of “Hortummachina， B” interactive device[10]

3 虛擬交互景觀

虛擬現實（VR）、增強現實（AR）和混合現實（mixed reality, MR）技術的發展，城市的物質空間逐漸依賴于虛擬網絡來強化彼此的聯結，人們對城市的主觀感知不再囿于傳統物質空間的體驗，傾向于從網絡空間獲得更多新的認知與發現[11]。虛擬交互景觀借助手機、iPad等移動端設備、LED屏幕以及各種類型的穿戴設備，可以有效構建起物理世界與虛擬世界的聯系（圖10）。

10 公眾與虛擬交互景觀的互動關系示意The interaction between the public and virtual interactive landscape

VR技術借助穿戴設備使公眾完全沉浸在虛擬世界中，利用虛擬空間展示更多在物理空間中無法充分呈現的場景，建立公眾與過去、現在、未來的連接。而且沉浸式技術使不同背景的人們可以產生直觀互動，這種互動仿佛是在現實環境中自然發生的過程[12]。目前VR技術的研究相對成熟，公眾的沉浸體驗感也較好，如筆者參與的北京海淀公園科普體驗館“未來空間”設計中，利用VR技術使游客完全沉浸在北京“三山五園”之一的暢春園復原模型中進行虛擬漫游，同時利用手柄控制器進行建筑榫卯結構的交互搭建模擬，創新性地探索了歷史科普的方式。

AR技術則是借助手機、iPad等移動端設備，將三維模型、動畫或數據信息疊加在真實存在的場所之上，實現虛擬信息在物理世界的“附著”，擴大了人們對物理空間的感知范圍。如Pokémon公司和谷歌的Niantic Labs公司聯合制作開發的AR手游Pokémon Go，就是典型的借助手機實現人機虛擬互動的案例，設計將虛擬“小精靈”設置在城市不同的真實場景中，玩家可以通過智能手機在現實世界里發現“小精靈”，進行探索捕捉和戰斗，豐富玩家參與的趣味性。類似的AR技術也應用于園林動植物科普中，如筆者參與設計的北京溫榆河濕地公園的AR植物科普系統，就是從園區的上百種植物品種中選擇10種常見的植物，包括蘆葦（Phragmites australis）、海棠（Malus spectabilis）、百合（Lilium brownii）、馬兜鈴（Aristolochia debilis）等，構建虛擬三維動態模型，利用圖像識別技術通過掃描匹配植物的特征后，虛擬植物形態就會疊加在現實植物上，并在此基礎上模擬該植物的整個生長過程和形態變化，另外也選取10種園區特色的動物，例如絲帶鳳蝶（Sericinus montelus）、低斑蜻（Libellula angelina）等，模擬動物生存環境和形態等，提高科普的質量和趣味性（圖11）。另外，還有一些虛擬交互是借助網絡或者LED屏幕，實現更大范圍甚至不受空間限制的多人互動，如“Colour by Numbers”是斯德哥爾摩Telefonplan地區的一個永久性景觀燈光裝置，由設計師丹·弗萊文（Dan Flavin）和詹姆斯·特瑞爾（James Turrell）創作，鎮上的居民都可以通過網絡或手機向該景觀裝置發送信息，遠程遙控改變燈塔上的圖案和顏色，燈塔有20層72 m高，燈塔裝置在整個斯德哥爾摩南部地區半徑10 km內的地區都能看到，也是通過這種公眾參與的方式向塔的歷史致敬[13]（表1）。

11 百合AR植物科普動態演示Dynamic display of AR popularization of Lilium brownii

表1 3種類型交互景觀交互機制對比Tab. 1 Comparison of three types of interactive landscape interaction mechanisms

4 交互景觀的未來趨勢與挑戰

4.1 未來發展趨勢

4.1.1 行為感知交互景觀由“被動交互”轉變為智能反饋

當前行為感知交互景觀的基本邏輯是“輸入命令—反饋”循環，在這個循環中，參與者負責“對互動裝置進行有目的性的操作”，機器負責“計算—反饋互動結果”，在這一循環過程中，人處于主動地位，而機器始終是被動的[14]。而基于大數據的AI交互方式，轉變為由機器為起點的“主動交互”，交互景觀裝置通過社會計算、城市計算、情感計算等工具，對參與者個性化行為數據和生理數據的分析和挖掘[15]，計算出參與者在當前場景下的互動需求，主動輸出執行結果或者提供互動建議給參與者進行互動體驗，不再需要人來輸入或下達命令，而這個過程的輸入和輸出完全由機器來完成，做出個性化的智能反饋。

這種大數據支撐下的反饋結果更具有隨機性和不可預知性，能夠給參與者帶來不確定性和趣味性體驗，而且通過收集參與者大量的數據，交互景觀裝置可以根據參與者的行為模式、使用偏好、使用對象等信息，進行“自我更新”和“再設計”，使其更加符合不同參與者的體驗需求，實現自主智能反饋。

4.1.2 環境感知交互景觀拓展交互景觀多功能化

現階段大多數的交互景觀研究集中在行為感知交互景觀，對其他類型的交互景觀研究仍然相對較少。交互景觀應與風景園林場景深度結合，發揮其在數據監測收集、交互方式靈活、成果可視化等方面的優勢，使其成為解決傳統景觀無法解決問題的重要工具，承載多樣化的功能。

在后疫情時代，環境感知交互景觀可以拓展其在生態環境、公共健康、公眾科普等方面的應用空間。在生態環境方面可以監測感知生態環境，對空氣質量、水質、土壤干濕度等進行監測預警。北京林業大學“林之心”項目中[16]，利用土壤傳感器感知校內國槐（Sophora japonica）、油松（Pinus tabuliformis）、檜柏（Sabina chinensis）等11棵有代表性的大樹根系的水分變化，夜間燈柱的光線顏色又與大樹的水分相對應，當植物缺水時，燈柱顏色就變紅并發出警報。在公共健康方面，交互景觀能夠可視化地展示城市綠地空間的人流密度、洪水的水位變化、海洋的潮汐變化；在動植物多樣性保護方面，可以激發動植物的生理應激反應，創造其對環境的適應性反饋。另外，此類交互景觀可視化的展示方式，還可以起到公眾科普的作用。

4.1.3 虛擬交互景觀促進虛實空間體驗融合

當下的景觀體驗仍以物理空間體驗為主，隨著技術的不斷完善、更加逼真的效果、更為直觀的軟件界面，以及更易操作、佩戴更為舒適的硬件都將一一實現，并可能開辟出更廣闊的應用前景[17]。虛擬空間會進一步“入侵”甚至有可能替代物理空間，虛擬空間中的各類數據信息，可以更好地“附著”在物理空間的物體上并借助虛擬交互景觀裝置呈現出來，人們“看見”和感知的景觀將是一個虛實結合的景觀，景觀體驗也將突破三維空間的限制，拓展到更廣的維度[18]。人們借助虛擬設備甚至不需要出門就可以完全沉浸在虛擬世界中進行景觀游覽，像在物理世界一樣聽到鳥鳴、聞到花香，也可以突破時間的限制重新回到已經消失的歷史園林中，或者穿越到未來景觀世界中，從而獲得更豐富的景觀體驗。

4.2 面臨挑戰與應對策略

4.2.1 定制化生產的非標準化建造

交互景觀區別于傳統景觀最大的特點是定制化，而這也帶來設計和建造過程無法標準化的問題，設計和建造過程需要根據每個應用場景進行單獨探索，包括裝置的外觀設計、交互程序的編寫、管線的鋪設等，過程中遇到的各種難以解決的棘手問題遠遠超過標準化建造。例如，北京林業大學學研中心景觀空氣質量感應玻璃藝術裝置，由于裝置屬于自制而非工業化生產，在安裝過程中也遇到了種種問題，如線纜信號的干擾、低壓電無法遠程傳輸、燈座無法徹底防水等問題。未來隨著交互景觀應用的普及，有望實現生產流程中部分零件和加工工藝的標準化，將交互景觀的感應端、傳輸端及反饋終端盡可能模塊化，封裝成穩定性強，易于安裝、維修、替換的戶外設備。提高設備的環境適應性，便于融合到戶外的景墻、小品、水景或照明等裝置中。

4.2.2 建設和后期維護成本較高

定制化生產將帶來成本較高的問題：1）建設成本高，人員的研發成本和材料成本都會有所提高，以互動旱噴為例，定制化生產的交互噴泉比批量生產的常規噴泉成本提高30%以上；2）后期維護成本高，交互景觀裝置大多數為電子產品，需要專業的人員定期進行維護，而且長期暴露在室外環境中，其耐久性也會受到一定的影響。如何控制生產和設計過程中的成本以及后期的維護費用，是亟待解決的問題，也是制約交互景觀未來能否快速推廣和普及的關鍵因素之一[19]。未來需要進行3個方面的改進。1）探索交互裝置無線化，盡量采用低功耗太陽能供電，及邊緣計算4G/5G傳輸的方式，減少挖溝、埋管、穿線等工程量；同時將交互裝置模塊化，作為園林設計素材的一部分，融入設計中，降低研發成本。2）在維護方面，做好結構設計，保證設備對抗戶外晝夜溫差大、潮氣重等問題，減少設備腐蝕和損壞；同時設備安裝做到易拆卸、易簡修、易替換，降低設備運維費用。3）結合互動設備探索空間的運營屬性，保證設備長期高頻次使用。

4.2.3 跨學科合作難度較大

從技術角度來說，交互景觀研發過程中應用到多種技術手段，諸如網絡技術、計算機技術、語音識別、圖像和文字識別、多媒體技術、VR技術、光學技術以及電子信息技術、光控和聲控技術和生物科技等。這也就意味著開發中會涉及風景園林、AI、計算機等多個學科領域[20]，G-PARK公園互動霧噴交互景觀研發過程中，風景園林師、計算機工程師、工業設計師由于專業認知的不同，合作過程中會出現工作交接配合的各種問題，需要額外花費大量的時間和人力成本協調溝通，以保證最終的建成效果。因此，風景園林數字化教學過程中，應該注重跨專業內容的教學交叉，引入計算機編程、網絡技術、AI等方面的知識，培養跨專業的人才，為交互景觀的發展提供更多可能性。

5 結語

交互景觀在數字化技術驅動下為風景園林的研究提供了新的視角，盡管當前交互景觀與風景園林的結合尚不成熟，但隨著數字技術的飛速發展，大數據及開放數據共同構成的新數據環境、深度學習及AI等形成的新技術環境[21]，為未來交互景觀的研究帶來了新的機遇，推動交互景觀研究朝著場景化、多元化、信息共享化的方向發展：利用物聯網技術可以有效打破單個裝置的“孤島效應”，通過數據信息的共享，形成多個交互裝置互聯、互感、互知的整體感知場景；交互景觀功能會更加全面、類型會更多樣，更好地服務于風景園林的可持續性發展；交互景觀可能成為與城市其他領域數據連接的重要媒介，通過收集公眾的個性化數據，更好地在城市和公民之間創建更大尺度的數據信息空間與合作互動空間，使生活管理、生態環境、公共資源、城市經濟等領域實現信息共享[22]，實現人、城市、環境全場景的連接。

圖表來源(Sources of Figures and Table)：

圖1、2、6、10、11由作者繪制；圖3引自參考文獻[6]；圖4引自參考文獻[7]；圖5由北京甲板智慧科技有限公司提供；圖7引自參考文獻[8]；圖8、9引自參考文獻[10]。表1由作者繪制。