数字化技术驱动下的交互景观实践与未来趋势

张洋 李长霖 吴菲

第四次工业革命中出现的一系列颠覆性数字化技术，如大数据（big data）、物联网（Internet of Things）、 人工智能（artificial intelligence, AI）、虚拟现实（virtual reality, VR）、增强现实（augmented reality, AR）、云计算、区块链、机器人与自动化系统，一方面对城市空间和社会生活产生深远影响，另一方面也为建成环境研究提供了新数据、新方法和新技术[1]。近年来，风景园林领域的学者开始探索数字化技术与风景园林行业结合的可能性：1）体现在数字化技术作为工具辅助设计的过程，如数据化信息采集、景观过程模拟及可视化、参数化设计等[2]，使得风景园林设计过程和结果更加科学化和理性化；2）体现在对景观空间的数字化增强，设计师尝试将数字化技术引入风景园林设计中，创造新型的人与环境的动态互动方式[3]，丰富公众的体验参与行为，后者即交互景观（interactive landscape）。

交互景观采用计算机或微处理器，将捕捉到的人的行为变化如触摸、踩踏、呐喊等，或环境要素的变化如光照、温湿度、动植物等，按照预设的程序进行运算，转为图像、光效、数字等可视化形式输出，并激发人、环境等做出相应的交互反馈。区别于传统型景观向公众单向输出的参与模式，交互性景观通过将数字化技术手段作为一种媒介，使人与人、人与环境、动植物与环境之间产生良好互动，形成一种“双向沟通”的反馈模式，从而激发场地的活力，提高城市绿地空间的品质。

交互景观对景观空间的介入，主要可以实现3个层面的“增强”：1）动态交互“增强”：传统景观以静态观赏为主，无法与公众进行实时互动，公众的参与感不强，而交互景观则会根据公众行为或环境变化，做出实时性的动态反馈，呈现出的景观形式就由静态观赏性转变为动态交互性；2）感知体验“增强”：通过赋予物体“感知”功能，公众可以借助物体增强对周围环境的感知强度或者范围，从而与外部环境产生更广泛的关联，获取独特的感知体验；3）空间融合“增强”：通过VR、AR、可视化等技术的应用，促使物理空间与虚拟空间融合，实现空间在不同维度上的叠加（图1）。

1 交互景观实现空间3个层面的“增强”Interactive landscape “enhances” the space at three levels

本研究主要探讨数字化技术驱动下交互景观的跨学科研究和实践探索，通过梳理当前国内外在此领域的研究和实践进展，基于交互景观的交互机制将其划分为3种主要类型：行为感知交互景观、环境感知交互景观和虚拟交互景观。其中，行为感知交互景观建立了人的行为与景观的动态交互，实现景观的动态交互“增强”；环境感知交互景观是环境要素与景观的交互，人也可以借助交互景观装置感知环境的变化，实现景观的感知体验“增强”；虚拟交互景观则是通过人与景观装置的交互，通过沉浸式体验构建物理世界与虚拟世界的联系，实现景观的空间融合“增强”。

1 行为感知交互景观

人是景观空间中的行为主体，研究如何针对人的行为方式进行互动，是交互景观中研究相对较多的一种类型。行为感知交互景观利用其内置的摄像头或传感器等设备，感应和捕捉参与者的表情、手势、呐喊等行为活动，再经过计算机或微处理器处理，转换为电信号或其他所需形式的信息输出，并触发装置内部的控制器引起景观的变化。行为感知交互景观作为人与风景园林的中间媒介，将人的行为“传递”并触发交互效果，形成人与自然之间的互动，或者作为人与人之间的媒介，激发多人共同参与，形成人与人之间的互动（图2），从而模糊人与景观之间的界限，引发参与者心理和情感上的共鸣，提高公众的参与性。

2 公众与行为感知交互景观的互动关系示意The interaction between the public and behavior perception interactive landscape

摄像头主要用来获取人的图像信息，结合AI技术，它可以判断目标人群的数量、行为或者目标的面部特征、指纹等，并将图像结果传递给处理系统进行分类编程和处理[4]。例如交互景观利用摄像头捕捉参与者的面部表情图像，经过AI技术识别判断参与者的开心或难过的状态，通过LED屏幕的虚拟人物表现出来，或者控制交互景观的灯光颜色变化，通过图像信息识别实现人与景观的互动。传感器则是用来感知参与者的行为方式，不同类型的传感器可以感应参与者不同的行为方式，例如，声敏传感器可以感应参与者呐喊声音的大小；红外线传感器或者超声波传感器，判断人的移动距离或者手势[5]；加速传感器可感应物体的速度变化。例如，耐克公司在马尼拉建造的耐克无限运动场公园（NIKE Unlimited Stadium），通过安装在每一位跑步者耐克跑鞋上的红外传感器，精准地追踪跑步者的动作和速率，并结合射频识别技术和虚拟数字动画技术，将跑步者的运动信息以虚拟影像的方式，投射到跑道内侧的LED屏幕上，跑步者跑第二圈时可以与自己前一圈的成绩进行竞速，另外程序中还设置了国家田径纪录保持者的虚拟人物，跑步者可以通过手机APP选择虚拟人物进行竞速[6]，提高跑步的竞技性和趣味性（图3）。再如北京G-PARK能量公园（简称G-PARK公园）中的虚拟骑行装置，借助加速传感器感知人的骑行加速度，利用登山阻力模块模拟骑行的爬坡难度，借助灯带的变化显示人在骑行中产生的动能，同时结合心率数据收集模块和虚拟影像，呈现单人和多人竞技的骑行状态（图4）[7]。

3 耐克无限运动场公园交互跑道[6]The interactive track in NIKE Unlimited Stadium[6]

4 北京G-PARK能量公园虚拟骑行装置[7]The virtual cycling device in Beijing G-Park Energy Park[7]

还有一些行为感知交互景观，是将人的行为与环境要素相结合，从而丰富人介入景观的方式。例如G-PARK公园互动雾喷装置，探索如何将参与者的行为与水景进行互动，设计中利用集电地砖中的压力传感器感应人的踩踏行为，使参与者与景观水景进行互动，当参与者踩踏包含触控感应器、压力转化器、LED灯等6层结构的集电地砖时，地砖由于被挤压发生形变产生电信号，电信号通过传输与水景装置联动，形成雾喷的效果，实现水景对人行为的实时反馈，形成参与者与景观之间的趣味互动（图5）。同时人体踩踏的动能可以转化为电能，参与者每次踩踏地砖发生的微小形变会产生电能，并收集传输到中控机房进行储存，以供园内路灯、数字水帘等其他景观设施的用电，在一定程度节省了公园的日常能耗。

5 北京G-PARK能量公园互动雾喷装置The interactive fog spray device in Beijing G-Park Energy Park

2 环境感知交互景观

环境感知交互景观主要是借助交互装置呈现环境中气候、光照、温度等各类环境要素的变化，其作为人感知自然环境的中间媒介，可以将难以感知或者不可见的微小变化，以可视化的方式呈现给公众。一方面使得人们可突破人体本能的感知局限，扩展视、听等感觉范围，从而与外部环境之间产生更广泛的关联，获取自然感知的独特体验；另一方面，利用互动装置可将变化的结果进行信息可视化，从而使人们能对超越自身感知能力的复杂外部环境的动态关系进行阐释，建立风景园林中物质空间与非物质空间之间的关联（图6）。

6 公众与环境感知交互景观的互动关系示意The interaction between the public and environment perception interactive landscape

环境数据信息主要依靠传感器来采集，利用传感器感应到的环境微小变化，可以通过交互景观的变化“放大”反馈给公众。例如北京林业大学学研中心景观中的PM2.5空气质量感应玻璃艺术装置，就是一个实验性的交互景观，设计师在溪山行旅下沉庭院的竹林种植池，设有5片PM2.5空气质量感应玻璃艺术装置，它是由PM2.5传感器和Arduino单片机组成的控制系统，其中PM2.5空气质量感应玻璃艺术装置选用了Microduino作为控制核心，连接夏普粉尘传感器。粉尘传感器的数据传递至单片机，并通过烧录入芯片的程序来根据相应的传感器数字信号控制数控LED灯条的颜色变化。夜晚暗藏在玻璃之下的LED灯条会实时地根据当时庭院内空气中PM2.5微尘数量改变颜色，并通过雕刻在玻璃中的植物纹样表现出来，当空气质量良好时，灯光为蓝白色，空气质量越差，则灯光越红[8]，公众可以借助这些感应玻璃的颜色感知PM2.5的变化情况（图7）。

7 PM2.5 空气质量感应玻璃艺术装置[8]PM2 .5 air quality sensing glass art installation[8]

传感器对环境变化的感知不止可以反馈给公众，还可以直接反馈给植物等环境要素，激发它们自身做出适应性变化。英国伦敦大学学院（University College London）交互建筑实验室（Interactive Architecture Lab）的威廉·维克多·卡米尔（William Victor Camilleri）和达尼洛· 桑帕约（Danilo Sampaio） 在reEarth项目中，进行了刺激植物的自主环境感知实验，研究者认为植物虽然没有人类所说的“神经系统”，但实际上是有感知能力的，它们在受到周围光线、温度、湿度、污染和振动的电化学刺激时，会做出“适应性”反应；并希望通过实验验证植物在城市环境中的“行为主动性”[9]（图8）。研究者通过对植物电生理学的研究，发现光会引起植物电生理状态的显著变化，而且变化程度的数据相对容易测量统计，因此研究者设计了一个半花园、半机器的球形交互装置—“Hortummachina, B”，该交互装置主要由1个机器核心、12个英国本土植物模块以及具有伸缩性的线性执行器组成（图9）[10]，它可以利用安装在装置内部的多个传感器和插入式电极，分析外部光照条件以及植物对光的生理变化。当装置上部的植物受到的光照过强时，球形装置就会利用线性执行器改变其重心，将下部的植物转动上来，保证每个植物模块都能够受到合适的光照；当装置处于阴影下光照不足时，球形装置就会自主移动寻找新的光照；当夜晚传感器探测到完全无光时，装置就会停止转动。“Hortummachina, B”作为一个自主感知环境的交互景观装置，通过在城市中移动发现适宜的微气候和栖息地，让本地物种重新繁衍，既是伦敦市区种植本地植物的容器，也成为伦敦城市公园的延伸。

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

9 “Hortummachina， B”交互装置结构图[10]The structure chart of “Hortummachina， B” interactive device[10]

3 虚拟交互景观

虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实（mixed reality, MR）技术的发展，城市的物质空间逐渐依赖于虚拟网络来强化彼此的联结，人们对城市的主观感知不再囿于传统物质空间的体验，倾向于从网络空间获得更多新的认知与发现[11]。虚拟交互景观借助手机、iPad等移动端设备、LED屏幕以及各种类型的穿戴设备，可以有效构建起物理世界与虚拟世界的联系（图10）。

10 公众与虚拟交互景观的互动关系示意The interaction between the public and virtual interactive landscape

VR技术借助穿戴设备使公众完全沉浸在虚拟世界中，利用虚拟空间展示更多在物理空间中无法充分呈现的场景，建立公众与过去、现在、未来的连接。而且沉浸式技术使不同背景的人们可以产生直观互动，这种互动仿佛是在现实环境中自然发生的过程[12]。目前VR技术的研究相对成熟，公众的沉浸体验感也较好，如笔者参与的北京海淀公园科普体验馆“未来空间”设计中，利用VR技术使游客完全沉浸在北京“三山五园”之一的畅春园复原模型中进行虚拟漫游，同时利用手柄控制器进行建筑榫卯结构的交互搭建模拟，创新性地探索了历史科普的方式。

AR技术则是借助手机、iPad等移动端设备，将三维模型、动画或数据信息叠加在真实存在的场所之上，实现虚拟信息在物理世界的“附着”，扩大了人们对物理空间的感知范围。如Pokémon公司和谷歌的Niantic Labs公司联合制作开发的AR手游Pokémon Go，就是典型的借助手机实现人机虚拟互动的案例，设计将虚拟“小精灵”设置在城市不同的真实场景中，玩家可以通过智能手机在现实世界里发现“小精灵”，进行探索捕捉和战斗，丰富玩家参与的趣味性。类似的AR技术也应用于园林动植物科普中，如笔者参与设计的北京温榆河湿地公园的AR植物科普系统，就是从园区的上百种植物品种中选择10种常见的植物，包括芦苇（Phragmites australis）、海棠（Malus spectabilis）、百合（Lilium brownii）、马兜铃（Aristolochia debilis）等，构建虚拟三维动态模型，利用图像识别技术通过扫描匹配植物的特征后，虚拟植物形态就会叠加在现实植物上，并在此基础上模拟该植物的整个生长过程和形态变化，另外也选取10种园区特色的动物，例如丝带凤蝶（Sericinus montelus）、低斑蜻（Libellula angelina）等，模拟动物生存环境和形态等，提高科普的质量和趣味性（图11）。另外，还有一些虚拟交互是借助网络或者LED屏幕，实现更大范围甚至不受空间限制的多人互动，如“Colour by Numbers”是斯德哥尔摩Telefonplan地区的一个永久性景观灯光装置，由设计师丹·弗莱文（Dan Flavin）和詹姆斯·特瑞尔（James Turrell）创作，镇上的居民都可以通过网络或手机向该景观装置发送信息，远程遥控改变灯塔上的图案和颜色，灯塔有20层72 m高，灯塔装置在整个斯德哥尔摩南部地区半径10 km内的地区都能看到，也是通过这种公众参与的方式向塔的历史致敬[13]（表1）。

11 百合AR植物科普动态演示Dynamic display of AR popularization of Lilium brownii

表1 3种类型交互景观交互机制对比Tab. 1 Comparison of three types of interactive landscape interaction mechanisms

4 交互景观的未来趋势与挑战

4.1 未来发展趋势

4.1.1 行为感知交互景观由“被动交互”转变为智能反馈

当前行为感知交互景观的基本逻辑是“输入命令—反馈”循环，在这个循环中，参与者负责“对互动装置进行有目的性的操作”，机器负责“计算—反馈互动结果”，在这一循环过程中，人处于主动地位，而机器始终是被动的[14]。而基于大数据的AI交互方式，转变为由机器为起点的“主动交互”，交互景观装置通过社会计算、城市计算、情感计算等工具，对参与者个性化行为数据和生理数据的分析和挖掘[15]，计算出参与者在当前场景下的互动需求，主动输出执行结果或者提供互动建议给参与者进行互动体验，不再需要人来输入或下达命令，而这个过程的输入和输出完全由机器来完成，做出个性化的智能反馈。

这种大数据支撑下的反馈结果更具有随机性和不可预知性，能够给参与者带来不确定性和趣味性体验，而且通过收集参与者大量的数据，交互景观装置可以根据参与者的行为模式、使用偏好、使用对象等信息，进行“自我更新”和“再设计”，使其更加符合不同参与者的体验需求，实现自主智能反馈。

4.1.2 环境感知交互景观拓展交互景观多功能化

现阶段大多数的交互景观研究集中在行为感知交互景观，对其他类型的交互景观研究仍然相对较少。交互景观应与风景园林场景深度结合，发挥其在数据监测收集、交互方式灵活、成果可视化等方面的优势，使其成为解决传统景观无法解决问题的重要工具，承载多样化的功能。

在后疫情时代，环境感知交互景观可以拓展其在生态环境、公共健康、公众科普等方面的应用空间。在生态环境方面可以监测感知生态环境，对空气质量、水质、土壤干湿度等进行监测预警。北京林业大学“林之心”项目中[16]，利用土壤传感器感知校内国槐（Sophora japonica）、油松（Pinus tabuliformis）、桧柏（Sabina chinensis）等11棵有代表性的大树根系的水分变化，夜间灯柱的光线颜色又与大树的水分相对应，当植物缺水时，灯柱颜色就变红并发出警报。在公共健康方面，交互景观能够可视化地展示城市绿地空间的人流密度、洪水的水位变化、海洋的潮汐变化；在动植物多样性保护方面，可以激发动植物的生理应激反应，创造其对环境的适应性反馈。另外，此类交互景观可视化的展示方式，还可以起到公众科普的作用。

4.1.3 虚拟交互景观促进虚实空间体验融合

当下的景观体验仍以物理空间体验为主，随着技术的不断完善、更加逼真的效果、更为直观的软件界面，以及更易操作、佩戴更为舒适的硬件都将一一实现，并可能开辟出更广阔的应用前景[17]。虚拟空间会进一步“入侵”甚至有可能替代物理空间，虚拟空间中的各类数据信息，可以更好地“附着”在物理空间的物体上并借助虚拟交互景观装置呈现出来，人们“看见”和感知的景观将是一个虚实结合的景观，景观体验也将突破三维空间的限制，拓展到更广的维度[18]。人们借助虚拟设备甚至不需要出门就可以完全沉浸在虚拟世界中进行景观游览，像在物理世界一样听到鸟鸣、闻到花香，也可以突破时间的限制重新回到已经消失的历史园林中，或者穿越到未来景观世界中，从而获得更丰富的景观体验。

4.2 面临挑战与应对策略

4.2.1 定制化生产的非标准化建造

交互景观区别于传统景观最大的特点是定制化，而这也带来设计和建造过程无法标准化的问题，设计和建造过程需要根据每个应用场景进行单独探索，包括装置的外观设计、交互程序的编写、管线的铺设等，过程中遇到的各种难以解决的棘手问题远远超过标准化建造。例如，北京林业大学学研中心景观空气质量感应玻璃艺术装置，由于装置属于自制而非工业化生产，在安装过程中也遇到了种种问题，如线缆信号的干扰、低压电无法远程传输、灯座无法彻底防水等问题。未来随着交互景观应用的普及，有望实现生产流程中部分零件和加工工艺的标准化，将交互景观的感应端、传输端及反馈终端尽可能模块化，封装成稳定性强，易于安装、维修、替换的户外设备。提高设备的环境适应性，便于融合到户外的景墙、小品、水景或照明等装置中。

4.2.2 建设和后期维护成本较高

定制化生产将带来成本较高的问题：1）建设成本高，人员的研发成本和材料成本都会有所提高，以互动旱喷为例，定制化生产的交互喷泉比批量生产的常规喷泉成本提高30%以上；2）后期维护成本高，交互景观装置大多数为电子产品，需要专业的人员定期进行维护，而且长期暴露在室外环境中，其耐久性也会受到一定的影响。如何控制生产和设计过程中的成本以及后期的维护费用，是亟待解决的问题，也是制约交互景观未来能否快速推广和普及的关键因素之一[19]。未来需要进行3个方面的改进。1）探索交互装置无线化，尽量采用低功耗太阳能供电，及边缘计算4G/5G传输的方式，减少挖沟、埋管、穿线等工程量；同时将交互装置模块化，作为园林设计素材的一部分，融入设计中，降低研发成本。2）在维护方面，做好结构设计，保证设备对抗户外昼夜温差大、潮气重等问题，减少设备腐蚀和损坏；同时设备安装做到易拆卸、易简修、易替换，降低设备运维费用。3）结合互动设备探索空间的运营属性，保证设备长期高频次使用。

4.2.3 跨学科合作难度较大

从技术角度来说，交互景观研发过程中应用到多种技术手段，诸如网络技术、计算机技术、语音识别、图像和文字识别、多媒体技术、VR技术、光学技术以及电子信息技术、光控和声控技术和生物科技等。这也就意味着开发中会涉及风景园林、AI、计算机等多个学科领域[20]，G-PARK公园互动雾喷交互景观研发过程中，风景园林师、计算机工程师、工业设计师由于专业认知的不同，合作过程中会出现工作交接配合的各种问题，需要额外花费大量的时间和人力成本协调沟通，以保证最终的建成效果。因此，风景园林数字化教学过程中，应该注重跨专业内容的教学交叉，引入计算机编程、网络技术、AI等方面的知识，培养跨专业的人才，为交互景观的发展提供更多可能性。

5 结语

交互景观在数字化技术驱动下为风景园林的研究提供了新的视角，尽管当前交互景观与风景园林的结合尚不成熟，但随着数字技术的飞速发展，大数据及开放数据共同构成的新数据环境、深度学习及AI等形成的新技术环境[21]，为未来交互景观的研究带来了新的机遇，推动交互景观研究朝着场景化、多元化、信息共享化的方向发展：利用物联网技术可以有效打破单个装置的“孤岛效应”，通过数据信息的共享，形成多个交互装置互联、互感、互知的整体感知场景；交互景观功能会更加全面、类型会更多样，更好地服务于风景园林的可持续性发展；交互景观可能成为与城市其他领域数据连接的重要媒介，通过收集公众的个性化数据，更好地在城市和公民之间创建更大尺度的数据信息空间与合作互动空间，使生活管理、生态环境、公共资源、城市经济等领域实现信息共享[22]，实现人、城市、环境全场景的连接。

图表来源(Sources of Figures and Table)：

图1、2、6、10、11由作者绘制；图3引自参考文献[6]；图4引自参考文献[7]；图5由北京甲板智慧科技有限公司提供；图7引自参考文献[8]；图8、9引自参考文献[10]。表1由作者绘制。