城市街道界面節奏對行人心理認知的影響

孫晨雪 趙建波

0 引言

設計一個具有良好空間品質的街道環境，對于步行活動心理體驗提升具有重要價值。揚·蓋爾（Jan Gehl）認為建筑底層對城市生活起著決定性作用，尤其是街道空間尺度、界面形態關系多樣性都與步行感受存在不同程度影響性[1]，這說明水平維度街道界面是行人空間感受的重要參量。凱文·林奇（Kevin Lynch）則表示，環境意象是觀察者與所處環境雙向作用的結果[2]，這個意象必須包括物體與觀察者以及物體與物體之間的空間或形態上的關聯[2]，因而，街道空間形態的研究應當反映行人視覺感知的規律。德國心理物理學家古斯塔夫·費希納（Gustav Theodor Fechner）則以身心規律為切入點，對客觀物象與心理感覺的作用機制有著更為深入的理解：“人類存在正性與負性感受，但負性感受并不代表感受的缺失、減少或消除。相反，它們可能比正性感受更強烈。”[3]正、負感受之于街道界面，為實、虛形態差異所給予的刺激。凡街道界面不是絕對連續的線性街墻，就表示界面形態存在虛體元素的影響。由此可見，街道界面虛體元素在視覺感知上起著至關重要的作用。

在定量描述方面，較為熟知的是蘆原義信以測度指標面寬比（W/D，W為臨街界面寬度，D為街道寬度）[4]實現了街道水平片段的量化，并以此為基礎探討了界面形態與心理認知的關系。而在實際情況下，即使絕對連續的建筑界面也會被橫向道路所打斷，物理上的界面斷開帶來街道界面的虛實變化，以W/D的描述效果并不明顯。近年來，我國街道空間心理認知研究領域出現了如“界面密度”“貼線率”[5]“近線率”[6]等街道界面形態測度指標，亦有學者發現街道空間物質環境與心理認知的情感屬性存在關聯性[7]；“建筑密度”“高寬比”（H/W，H為建筑高度，W為街道寬度）則對街道空間宜人屬性具有積極影響[8]。在有關街道界面虛體部分的研究方面，有學者將街道界面通透特性描述為視覺延伸性問題，發現適宜綠視率有助于提高街道空間迷人感，且街道界面“空”的部分最具視覺吸引力[9]；視覺延伸性好的街道界面還有助于提高街道步行環境療愈潛能[10]。亦有學者發現街道界面存在虛體構成元素“隙”，以一系列參數指標與波形圖像描述方法考察了街道界面虛實關系對心理認知的影響性[11]。在步行心理體驗問題上，街道底層界面透明度與步行活動存在直接關聯[12]，但評價因子并未考慮街道界面物理上的斷開問題。

構建一個宜人的街道空間十分重要，然而以上研究多集中考察街道空間“虛”“實”環境某一方面的心理認知問題，也未從行人自身視覺規律出發考慮一段完整街道界面虛實關系的心理認知影響。城市形成的過程就是采用地理空間上相似的韻律重復自身的過程[13]，街道界面虛實關系其實就是虛實元素作為結構單元反復呈現并加以組織的結果，為此，本文嘗試以步行者視角，實證研究街道界面（虛實）節奏對行人心理認知的影響，期望構建一套可有效反映街道界面節奏“物—心”影響關系的定量描述方法。

1 城市街道界面節奏影響行人心理認知的定量測算方法

街道界面節奏影響心理認知主要涉及兩個方面（圖1）：一是城市街道界面節奏的幾何形態特點對行人心理認知的影響性，二是基于行人知覺規律的城市街道界面節奏量化方法。

圖1 研究方法流程圖Fig.1 research methods flowchart

第一，理論架構與算法構建。以簡化的幾何圖形構建得到概念模型，利用可有效反映視覺感知規律的波形函數圖像，提取得到界面節奏4個方面的主要特點；借鑒心理物理學與空間知覺理論，推導得到可有效描述“物—心”函數關系的心理量算法。

第二，VR心理認知實驗與“界面節奏—心理認知”影響性分析。選取真實街道案例轉化為VR場景，按步驟進行心理認知實驗，測算分析界面節奏特點反映于行人心理的主次關系；篩取最受人矚目的界面節奏特點，發展為可直接反映“物—心”函數關系的街道界面節奏定量測算方法；分析城市街道界面節奏與行人心理認知的影響關系，以期為行人知覺范圍內街道空間形態測度方法帶來精細化補充，為街道界面步行活動的相關研究帶來實踐價值。

1.1 街道界面節奏的評估模型

1.1.1 概念模型

街道界面是行人空間感受的最直接作用對象，能夠有效反映視覺感知規律的物象研究才是具有價值的。由于行人視覺有連續性特點，在對街道空間沿街面感知時，亦可由街墻缺失處受到部分街區肌理的影響。視覺感知過程不僅涉及到傳統意義上線性向度的界面關系，可能還與垂直于線性界面的縱向延伸空間有關。以現代規劃模式城市街區的典型肌理——均質格網狀路網為原型（圖2），模型由13個街塊、貫穿模型的4條主街以及與主街可獨立形成串聯關系的4條小路構成；街塊緊貼道路邊界，以“街道寬度”a0①表示寬度均質的主街。模型中具有道路屬性的空隙兩兩相交得到道路節點，這些節點互為并置關系。

圖2 概念模型 Fig.2 conceptual model

1.1.2 波形圖像描述方法與視覺規律的擬合性

以概念模型界面節奏變化較為豐富的一側界面為例，依據既有研究方法[11]，可以虛實關系“可視化”方式，將街道界面節奏直接提取并轉化為波形函數圖像y′=f(x′)（圖3）。

圖3 街道界面節奏波形函數圖像Fig.3 street interface rhythm waveform function graph

假設測算界面所處主街空間存在任意行人視點x0，取波形函數圖像的映射視點x0′，可得函數表達式：

據此可知，視覺感知的連續屬性具有了數學函數的連續性。波形圖像能夠有效反映街道界面節奏物理形態特點及其視覺感知規律的共變關系，描述方法有效可行。

1.1.3 街道界面節奏的物理形態特點

分析函數圖像y′=f（x′）可知，波形的有無是一系列節奏關系存在與否的先決條件，與之對應的是街道界面是否發生了（物理上的）“斷裂”或“位移”，即是否存在街道界面的中斷現象。通過對函數圖像推演發現，波動關系主要體現在3個方面：一是波段起伏次數的變化；二是波段尺度方面的變化，包括沿y軸方向的長短變化，即界面空間的延伸程度，以及沿x軸方向的寬窄變化，即界面空間的延展關系；三是波段空間分布的變化，即界面空間的分布關系。綜上，街道界面節奏存在4個方面的主要特點——街道界面中斷次數、界面空間延伸程度、界面空間延展關系與界面空間分布關系。

1.2 街道界面節奏的“物理量—心理量”算法

本文借鑒心理物理學與空間知覺理論作為研究方法的理論依據，嘗試構建由“物理刺激量”直接推導“心理感覺量”的量化算法，以便下文科學闡釋街道界面節奏與心理認知之間的影響關系。

1.2.1 基于心理物理學“感受測量原理”與冪定律的心理量算法

1.2.1.1 心理物理學“感受測量原理”

由于心理量難以被直接測量，目前所能進行的心理測量只是量化了人們的生理顯象行為。而心理物理學“感受測量原理”為心靈參數關系提供了間接獲得的重要方法：感受的大小不能直接確定，但可以記錄描述決定相應感受的刺激量而非感受量[3]；凡具有數量性質的物象，皆可被測量。也即，當刺激與感受大小作為彼此函數時，可以物理量推導感覺量的大小。據此，可利用具有共變關系的物理指標實現感受的等價推導，這使得利用街道界面節奏的“物理刺激量（或程度）”來確定“心理感覺量（或程度）”的操作方法，具備了理論支撐與可行性。

1.2.1.2 冪定律

“冪定律”②考慮了不同感覺通道外部刺激給人的感覺程度（圖4），也是心理學科公認的“物—心”關系表達式。冪定律提供了由“物理刺激量”到“心理感覺量”等價轉換的橋梁，依據冪定律可有效闡釋街道界面節奏“物—心”之間的共變函數關系。當已知街道界面節奏的某一具體刺激量I及該類型物理刺激的冪指數a，將I與a代入冪定律公式，即可求解關于該刺激量I的心理感覺量S。

圖4 “冪定律”函數圖像（物理量與心理量的關系）Fig.4 “power law” function graph (the relationship between physical quantity and mental quantity)

1.2.2 基于空間知覺理論與韋伯定律的心理量算法

1.2.2.1 空間知覺理論

由經驗可知，物理刺激變化程度的信息解析不僅與物質本體相關，可能還與視線路徑上的空間參照物有關。同時，人們知覺上的物體大小并不伴隨物理刺激距離的變化而改變[14]。依據“大小—距離不變”假設③可知，視距D具有視線路徑上的空間參照物性質。由于視線需先經過主街a0再與目標界面相交，因而a0充當界面節奏視覺感知上的視距D，界面節奏物理上的絕對變化程度充當視像a。當主街寬度a0越小，界面節奏的絕對變化程度越顯著，界面節奏給人的視覺感受性也就越強。

1.2.2.2 韋伯定律

人們對刺激的差別感受并非依賴于刺激的絕對變化量，而是建立在刺激差異量與原刺激量比較的基礎上。依據韋伯定律④可知，為引起有效的覺察，刺激強度I越大則差別閾限ΔI的需求越大。假設主街寬度a0為原刺激量，界面節奏的變化差異量為Δx，據此可知界面節奏變化程度的心理感覺量：y=Δx+a0，Δx越大，界面節奏變化程度的心理感覺量y就越大。

空間知覺理論闡釋了視知覺作用機制，韋伯定律描述了“知覺”前一階段即“感覺”階段的心理規律。基于空間知覺理論與韋伯定律的心理量算法，可有效闡釋街道界面節奏變化程度與空間參照物協同影響下的心理感覺程度，這對于分析可能存在主街寬度a0影響的界面節奏特點具有借鑒價值。

2 街道界面節奏的心理認知實驗

2.1 實驗技術與平臺搭建

采用對照實驗模式，包括1個對照組與2個實驗組。對照組采用原始場景，使用Sketchup2020建模，虛擬模型物質要素主要有建筑主體、道路及其紅線。主街長度（1 000 m）、建筑高度（20 m）、建筑風貌以及沿主街界面絕大多數建筑的退線距離一致，街道寬度a0為30 m。道路以瀝青素材貼圖建模，場景不設綠植等其他附屬配置，以使被試集中精力體驗界面節奏有關空間要素，減少無關因素干擾。

實驗組為對照組加入a0/H⑤影響因素所得，以驗證街道寬度a0與建筑高度H對街道界面節奏心理認知的綜合影響。可知對照組a0/H為1.5，實驗組控制街道寬度a0=30 m不變，實驗1組的建筑高度H設為35 m（即a0/H＜1）；實驗2組的建筑高度H設為12 m（a0/H＞2）。

虛擬模型經過Unity軟件處理轉化成VR場景，使用HTC Vive眼鏡實現場景的虛擬現實。實驗以探究街道界面節奏的行人心理認知為目的，被試以“行人”身份參與街道活動，而不只是視覺上的探索。設計一個以行人真實視角為心理導向的認知實驗方法，對于研究框架的充分執行至關重要。因此，本實驗采用頭戴式VR眼鏡進行沉浸式虛擬現實體驗，視點位置沿主街中線布置，視點高度為1.6 m，視角為120°；行進速度以人的自然步速1 m/s為標準。被試可使用手柄自行控制前進與后退、行走與否，以增強身臨其境的感覺。也可自行回溯體驗各場景，以充分比較與提煉行進中的心理感知。

2.2 場景設置與實驗過程

實驗招募人員主要來自天津市，選取天津市歷史文化名街常德道與哈爾濱道，以及現代主義規劃模式的士英路與鞍山西道作為場景原型（圖5）。這些案例可較為貼近被試熟悉的街道環境，并較好覆蓋我國城市街道界面節奏的主要特點。以街道界面節奏4個方面的主要特點來說，假設數量等級表現為“非常高”與“非常低”的指標各4個，全排列可得16種界面節奏組合模式。

圖5 1 km取樣單元的天津主要街道的界面節奏（左側與右側界面分別為A、B側界面）Fig.5 the interface rhythm of main streets in Tianjin with 1 km sampling unit (the left and right interfaces are side A and side B)

結合圖5真實街道片段的主要界面關系，抽離出4種最具現實意義且獨具特點的組合模式，對不必要的空間形態簡單調整得到實驗樣本（圖6）。每個樣本雙側界面的節奏特點相一致，即對稱性雙側界面。各樣本對應界面節奏特點見表1。

表1 實驗樣本的街道界面節奏形態特點統計Tab.1 the statistical characteristics of street interface rhythm morphology of experimental samples

圖6 心理認知實驗樣本（左側與右側界面分別為A、B側界面）Fig.6 experimental model of psychological cognition(the left and right interfaces are side A and side B)

將對照組與實驗組的3組場景隨機分發給95個被試人員（對照組32人；實驗1組32人，2組31人）。按步驟進行漫游實驗，每人填寫1份調查問卷。

3 實驗結果

3.1 數據分析

圖9 街道界面節奏的心理認知程度Fig.10 psychological cognition of street interface rhythm

本次實驗產生有效問卷86份（對照組29份，實驗1組28份，實驗2組29份），無效問卷9份。行人在多視角觀察下（圖7、表2），獲得了主觀描述結果（表3）。對有效問卷統計分析可知（圖8-9），對照組與實驗組的心理認知趨勢具有相似性，說明街道界面節奏4個方面形態特點的心理認知程度幾乎不受街道寬度a0與建筑高度H變量的影響。再從a0/H對各組有效認知總人數的影響來看，對照組的總體有效認知人數相對較多，這可能與對照組a0/H在舒適區間有關；其次是實驗2組與實驗1組，說明當街道寬度a0相同時，建筑高度H越低則更有助于街道界面節奏的整體認知。總體來看，街道界面中斷次數的多/少，能夠準確認知并獨立描述出來的75人，占比87%；界面空間延伸程度64人，占比74%；界面空間延展關系16人，占比19%；界面空間分布關系36人，占比42%。

圖7 心理認知實驗場景的主街中線視像圖（對照組）Fig.7 central line view of main street in the scene of psychological cognition experiment scene（the control group）

表2 心理認知實驗場景的側界面視像圖（對照組）Fig.2 side interface view of psychological cognition experiment scene(the control group)

表3 心理認知實驗調查問卷統計Tab.3 psychological cognitive experimental questionnaire statistics

圖8 對照組與實驗組的心理認知程度比較Fig.8 comparison of psychological cognition between control group and experimental group

由實驗結果可知，街道界面節奏4個方面的特點皆可被行人認知并獨立描述，界面空間延伸程度還可被明顯知覺為“近界面沿街空間大/小”及“道路節點與主街距離遠/近”兩個方面。總的來看，街道界面中斷次數的多/少、界面空間延伸程度被描述出來的人數最多，也即“最受行人矚目”，因而在心理認知層面具有絕對優勢；其次為界面空間分布關系，再次為界面空間延展關系。

借鑒物理學科常用于描述波形圖像的基本參數對：頻率與幅度，分別描述街道界面的中斷次數、界面空間延伸程度這兩個最主要的心理認知特點，據此建立頻率與幅度相結合的定量描述方法。將物理學科描述方法引入街道界面節奏的心理認知研究，目的是在有效描述界面節奏形態差異的同時，更為準確的探析“物—心”之間的函數關系。

3.2 街道界面節奏特點的“物—心”參量轉化

3.2.1 頻率參數的量化推導

第一，作為客觀物理量的頻率，能否與心理量形成一一對應的函數關系；第二，對物理量標尺的統一，即從頻數意義“中斷次數/（街道）長度”參數單位到心理意義“中斷次數/時間”參數單位的有效轉換。

首先，街道界面中斷次數反映了物質“數”的多少，對應描述函數圖像連續波段即界面虛體片段的重復顯現次數。結合心理物理學“感受測量原理”與冪定律，由斯蒂文斯心理量表可知，物理現象重復率方面存在冪指數a=1.0的心物關系[14]，與圖3線段長度感覺量的直線型函數曲線特點相對應。因此，街道界面中斷次數的“物理量—心理量”存在1∶1線性關系，物理上的界面中斷次數與心理上的界面中斷次數存在一致性。

其次，步行是人感知街道空間的主要方式，步行時間是伴隨空間感知的外顯物理量。人的自然步速約為1 m/s（步距為60～75cm），1 km所需步行時間約為1 ks，結合速度公式可得等式：步行1 km所感覺到的界面中斷次數=步行耗時1 ks所經歷的界面中斷次數=1 km街道界面的客觀中斷次數。頻率⑥的心理意義可表述為：人在自然步速情況下每行進1 ks，所感覺到的街道一側界面上的實際中斷次數（單位：次/ks）。

至此，頻率參數以步速為“媒介”實現了長度到時間單位的有效轉化，頻率參數具備了心理認知的表征意義。

3.2.2 幅度參數的量化推導

依據空間知覺理論可知，界面空間延伸程度的心理認知存在主街寬度a0的協同影響。物理意義上的界面空間延伸程度即函數圖像y'=f(x')相對于a0邊界的絕對變化程度，可以ΔA來描述（圖10）。當主街寬度a0越小，ΔA的絕對變化程度越顯著，ΔA的視覺感受性就越強。

圖10 頻率與幅度測算圖像Fig.11 frequency and amplitude measurement

而當a0充當原刺激量時，界面空間延伸程度f(x')便轉化為影響感覺程度的刺激差異量。結合韋伯定律可知，當f(x')越小，視覺感受越弱，反之越強。據此，心理意義上的幅度可表示為：A=ΔA+a0（單位：km），ΔA越大，幅度A的心理感覺量就越大。幅度A的值域為y'=f(x')在y=a0下方與上方值域的并集：(0,a0]∪[a0,1]，A∈(0,1]。考慮人眼廣度閾限的視覺規律，當界面空間延伸程度無窮大（+∞），由該處所致的心理感覺量就無窮大（+∞）。

以上2點分別從界面節奏的頻率與幅度方面，實現了測算參數的“物—心”轉換。物理指標與心理指標形成了“數”與“量”的共變關系，量化方法具有了認知方面的描述意義。

3.3 城市街道界面節奏與行人心理認知的影響關系

現以圖6所示1 km街道片段為例，利用波形圖像提取得到測算數據，以檢驗量化方法的有效性，并在測算結果之間比對分析，見表4。

表4 實驗樣本頻率（f）與幅度（A）的量化測算Tab.4 quantitative measurement of frequency (f) and amplitude (A) of experimental samples

根據測算結果對照各個樣本發現，A、B兩側界面屬性基本一致，證明了前期給定的對稱性邊界假設是可行的。同時，四個樣本之間的界面節奏（頻率f及幅度A）存在明顯差異，并具有內在的關聯性。依本文構建的頻率f與幅度A相結合的定量描述方法，分析如下.

第一，以頻率f來看，樣本一與樣本三（雙側界面都在20次/ks以上）大于樣本二與樣本四（雙側界面都在15次/ks以下），這與樣本一與樣本三的沿街空間較多、沿街面短促有關，而樣本二與樣本四則沿街空間較少、沿街面較長，因而樣本一與樣本三給人感覺界面連續性較弱，樣本二與樣本四則較強。頻率f與界面連續性感受負相關。

第二，以幅度A來看，樣本一、樣本三與樣本四皆表現出階梯函數特點，這說明以上3個樣本都存在界面空間延伸程度不一的共同特點，而樣本二的界面空間延伸程度非常均勻。

較小數集反映了“近界面沿街空間大/小”的心理量影響途徑，樣本三與樣本四（雙側界面都在90 m以內）大于樣本一（雙側界面都在50 m以內），這與樣本三、樣本四沿街面凹凸程度或沿街建筑進深較大有關，因而樣本三與樣本四線性界面錯綜感及側界面縱深感較強，樣本一則較弱。幅度A較小數集的值與線性界面錯綜感及側界面縱深感正相關。

較大數集反映了“道路節點與主街距離遠/近”的心理量影響途徑，樣本三與樣本四（雙側界面都在250 m以上）大于樣本一與樣本二（雙側界面都為125 m），這與樣本三、樣本四街廓較大相關聯，因而樣本三與樣本四側界面道路便捷感較弱，樣本一與樣本二則較強。幅度A較大數集的值與側界面道路便捷程度的生理感受負相關。

第三，將頻率f與幅度A結合來看，樣本一與樣本三存在道路節點與主街距離遠/近的差異（側界面道路便捷感存在差異）；與樣本二存在界面中斷次數的多/少、近界面沿街空間大/小的差異（界面連續性、線性界面錯綜感存在差異），又與樣本四存在界面中斷次數的多/少、道路節點與主街距離遠/近的差異（界面連續性、側界面道路便捷感存在差異）。可見，頻率f與幅度A可分別描述街道界面節奏某一方面的心理認知特點，兩個參數的結合使用，可更為全面的解析街道界面節奏與行人心理認知的綜合影響關系。

數據分析結果與VR心理認知實驗的直觀感受相符，頻率與幅度相結合的定量描述方法可有效描述街道界面節奏的“物—心”影響關系，量化方法有效可行。

4 結語

4.1 研究結論

借鑒心理物理學與空間知覺理論，從行人身心規律的角度出發，構建了用以描述街道界面節奏“物—心”共變關系的定量描述方法，為解決街道界面節奏與行人心理認知關系的跨學科問題提供一種有效途徑。對天津市的研究表明，街道界面中斷次數、界面空間延伸程度是最受行人矚目的界面節奏形態特點，分別以“頻率”和“幅度”對以上兩個特點進行定量化描述；頻率的“物理量—心理量”存在1∶1線性關系，而幅度的“物理量—心理量”具有刺激差異量越大感覺量越大的正相關關系；頻率f與界面連續性感受負相關，幅度A較小數集的值與線性界面錯綜感及側界面縱深感正相關，幅度A較大數集的值與側界面道路便捷程度的生理感受負相關。

街道界面與行人心理認知的量化分析和實驗，可應用于城市街道近人空間環境與行人意識活動關系的相關研究，研究結果可作為城市街道步行空間設計與更新的評價依據。

4.2 研究局限性

本文研究工作尚存在局限性。第一，決策心理即行人固有的決策心理屬性是否會成為一系列空間感知上層意識的問題。第二，預設實驗條件的限制，本文為4個心理認知實驗場景設置了界面密度大致相同的同等街面條件，更低或更高的界面密度條件下影響關系還有待進一步考察。第三，實驗場景的簡化，本實驗以對稱性界面構建了4個心理認知實驗場景，非對稱性界面條件下的街道界面節奏與行人心理認知的互饋關系，也是值得進一步探索的問題。

注釋

① 本文以沿街建筑緊貼道路邊界的情況為例，構建概念模型。在實際測算中，若遇沿街建筑偏離道路邊界的情況，則以主街界面兩側絕大多數建筑所在面的間距為“街道寬度”a0。

② 美國心理學家斯蒂文斯（S. S. Stevens）在早期一系列心物函數的基礎上反思并發展，用數量估計法研究了刺激強度與感覺大小的關系，提出著名的“冪定律”：S=kIa。S是感覺量，I是刺激量，k與a是由感覺通道和刺激強度共同決定的常數與冪指數。

③ 人眼對物體大小的感知與視距成反比，與物體的視像大小成正比，這一現象可以“大小—距離不變”假設來描述，以公式表示為：a=A/D。a指視網膜成像的大小，A指物體的實際大小，D指物體與眼睛的距離。

④ 韋伯定律描述了感覺的差別閾限與原刺激量的共變規律：K=ΔI/I。ΔI表示差別閾限，I表示刺激強度，K表示常數。

⑤ 蘆原義信在《街道的美學（下）》書中提到，D/H=1～2是視覺感知上較為舒適的街道空間構成，式中D即本文參數街道寬度a0。

⑥ 街道界面節奏的周期T(T=1/f)，可理解為人在自然步速情況下的每經歷一次界面中斷所需的單位步行時間（單位：ks）。