中国园林·新刊导读|基于可解释机器学习模型的大学校园绿地积极情绪影响研究(全文)

郭思远/GUO Siyuan

哈尔滨工业大学建筑与设计学院在读博士研究生，中国风景园林学会学生会员

薛滨夏*/XUE Binxia

哈尔滨工业大学建筑与设计学院研究员、博士生导师，美国注册园艺治疗师(HTR)

赖锦玉/LAI Claudia Kam Yuk

香港理工大学护理学院名誉教授，美国护理科学院院士，香港护理科学院院士

雷逸华/LIU Yat Wa Justina

香港理工大学护理学院副院长，教授，博士生导师，美国护理科学院院士，香港护理科学院院士

摘要

校园绿地是大学生日常生活中易于接触的自然环境，对提高大学生积极情绪具有重要作用。为探究校园绿地视觉特征对大学生积极情绪的影响，以南京市6所高校为例，采集绿地全景图像，通过SegFormer-B5语义分割模型和MatLab平台，从空间、自然、人工与色彩4个维度量化13项视觉特征；并使用嵌入随机森林(RF)算法的“人机对抗”评价系统，获取绿地的积极情绪促进效益得分；进一步运用XGBoost机器学习模型与SHAP可解释方法，量化各特征的重要性，明晰影响方向及交互效应。识别出5项对大学生积极情绪影响最为显著的主导性视觉特征，包括负向影响的铺装比例、视觉复杂度、色彩丰富度，以及正向影响的绿视率和天空开敞度。基于特征交互呈现出“绿视率-复杂度适度调控”“铺装-色彩相互补偿”“开敞度-铺装率动态平衡”的非线性关联，结合各特征的潜在调控阈值，提出在高绿视率环境中构建有序多变的景观(控制视觉复杂度7.57以内)，在高铺装区域引入适量色彩元素(控制色彩丰富度49.68以内)等积极情绪促进策略，为校园健康环境的循证设计与精准优化提供理论依据与实践支持。

关键词

风景园林；积极情绪；大学校园；心理健康；机器学习

校园绿地如何“治愈”大学生？AI揭秘情绪密码

漫步校园，是开阔的草坪让你轻松惬意，还是密集的铺装让你略感烦躁？你是否想过，那些习以为常的绿地景观，其实正在悄悄影响你的情绪？

一项针对南京6所高校(图1)的最新研究，借助“可解释机器学习”技术，量化揭示了校园绿地中“看不见”的情绪密码。结果发现：影响积极情绪的，远不止“绿不绿”，更在于绿量、铺装、色彩、开敞度等特征之间的“黄金比例”。

图1 研究高校分布及部分校园绿地实景(作者绘)

校园绿地不仅是休憩场所，更是情绪“调节器”。但什么样的绿地能让我们更快乐？传统研究多依赖主观评价，难以系统量化复杂环境特征，更无法揭示特征间的交互作用。近年来，可解释机器学习技术的引入，为打开校园绿地与心理健康之间的“黑箱”提供了新工具。

借助图像语义分割等技术(表1)，对绿地全景图像进行指标量化(图1)。同时，引入嵌入随机森林算法的“人机对抗”评价系统，获取绿地的积极情绪得分。最后，运用XGBoost-SHAP可解释机器学习模型，识别特征的重要性、调控阈值与交互效应。

▽表1 大学校园绿地特征指标及量化方法

△图2 绿地全景图像语义分割示例(作者绘)

保留与积极情绪相关性较高的特征变量(图3)进行XGBoost-SHAP分析，5项特征影响最为显著(图4)：

·负向影响：R2铺装比例、K3视觉复杂度、S1色彩丰富度

·正向影响：Z1绿视率、K1天空开敞度

△图3 绿地特征与积极情绪相关性分析热力图(注：*P<0.05；**P<0.01；***P<0.001)(作者绘)

△图4 SHAP特征概要图(作者绘)

当铺装比例高于0.45左右时(归一化值，对应原始值18.9%)，SHAP值基本为负，抑制积极情绪产生，其余关键特征的潜在调控阈值如下（表2）：

表2 主导视觉特征对积极情绪的影响方向与潜在调控阈值

更关键的是，这些特征的作用并非简单叠加，而是存在重要的交互关系(图5)。

图5 单因子特征依赖图与双因子交互效应图(作者绘)

(1)“绿量与复杂”的适度调控

Z1绿视率与K3视觉复杂度之间的交互作用表明，当Z1绿视率处于较高水平，即＞0.55左右时(归一化值，对应原始值41.9%)，过低的视觉复杂度与绿视率形成负向交互，削弱高绿视率的积极情绪增益。

因此，高绿视率需搭配适度的视觉复杂度。单一草坪虽绿意盎然却易显单调，建议在绿视率不低于34.40%的基础上，将视觉复杂度控制在7.57以下，并通过丰富植被层次，塑造微地形、采用自然式空间分隔等设计手法，构建协调而富有趣味的景观环境(图6)。

图6 高绿视率草坪场地现状及优化方案

(2)“铺装与色彩”的相互补偿

R2铺装比例和S1色彩丰富度的交互分析显示，在高铺装比例环境中(即铺装比例＞0.52左右时，对应原始值21.8%)，较高的色彩丰富度与铺装比例形成正向交互，一定程度上削弱了铺装比例对积极情绪的负面影响。

因此，在高铺装率空间中，可引入适量的色彩元素(控制色彩丰富度在49.68以下)，作为关键的补偿性感官刺激，削弱高硬质环境的感官单一性(图7)。

图7 庭院空间场地现状及优化方案

(3)“开敞与硬质”的动态平衡

K1天空开敞度和R2铺装比例的交互效应呈现动态变化。当天空开敞度较低时(＜0.7左右，对应原始值24%)，高铺装率有益于积极情绪的预测；而天空开敞度较高时(＞24%)，低铺装率更利于情绪提升。

在较封闭的空间里，建议通过植物修剪保证天空开敞度不低于15.60%，同时提升铺装比例，以强化空间结构，但不宜高于18.90%(图8)；但在开阔的空间里，过多的铺装则会破坏自然感。设计需要因地制宜，动态调控。

图8 低天空开敞度植被区现状及优化方案

这项研究打开了校园绿地与学生心理健康之间的“黑箱”，为数据驱动的健康校园建设提供了科学依据。下次漫步校园，不妨观察身边的绿地设计，那些让你驻足放松的空间，或许正藏着这份研究揭示的科学密码。

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