视觉自然中的分形复杂性：叶片轮廓的感知偏好及其对亲生物设计的启示

为探索分形维度(D值)如何影响人类对自然形态的感知偏好，研究人员通过235名受试者对12种叶片轮廓的60项强制选择任务，首次证实可识别自然形状的分形特征遵循分形流畅性模型(Fractal Fluency Model)。研究发现中等D值(1.3-1.5)叶片更易激发兴奋感与兴趣，而低D值(1.1)叶片更具放松效果，为城市景观设计中的树种选择提供了科学依据。

　　

随着城市化进程加速，城市居民面临的压力问题日益凸显。研究表明，缺乏自然接触的都市环境会导致"感官超载"，而基于生物亲和性(Biophilia)理论的亲生物设计(Biophilic design)被认为是缓解这一问题的有效途径。自然界中广泛存在的分形(Fractal)图案——即在不同尺度上重复自相似结构的复杂模式——因其能引发积极的生理心理反应而备受关注。然而，以往研究多聚焦于抽象分形图案，对可识别自然形态(如叶片轮廓)的分形感知机制尚不明确。

在这项发表于《Trees, Forests and People》的研究中，Amari Davison团队首次将分形分析应用于可识别的叶片轮廓，系统探索了分形维度(D-value)与人类感知偏好的关系。研究采用标准化的分形计算方法，通过FracLac插件在FIJI软件中运用盒计数法(Box-counting method)测定12种常见城市树种的叶片轮廓D值(1.1-1.5)。研究人员通过QualtricsXM平台对235名参与者开展60项强制选择任务，评估六类判断标准：自然度(Naturalness)、兴奋度(Excitement)、趣味性(Interest)、吸引力(Appeal)、复杂度(Complexity)和放松度(Relaxation)。数据分析采用ELO算法进行项目评级，并通过ANOVA检验组间差异。

3.1 判断类型评级

研究发现不同D值叶片在不同判断维度表现迥异：东方悬铃木(Platanus orientalis)和欧洲七叶树(Aesculus hippocastanum)等D值1.3-1.5的中等复杂度叶片在兴奋度和趣味性评分中显著领先(p<0.05)，而银杏(Ginkgo biloba)等D值1.1的简单叶片最有利于放松。自然度评分呈现典型的二次多项式趋势，峰值出现在D值1.3附近，印证了分形流畅性模型的最优复杂度假说。

3.2 成对比较结果

在10组预设叶片对比中，复杂叶片在自然度(7:3)、兴奋度(7:3)和趣味性(8:2)判断中占据优势，而简单叶片在复杂度(7:3)和放松度(6:4)评分中更受青睐。值得注意的是，具有羽状复叶的物种(如刺槐Robinia pseudoacacia)普遍获得更高评价，暗示叶片排列方式可能影响感知。

3.3 物种特异性趋势

研究揭示了显著的物种差异：豆科植物如北美皂荚(Gleditsia triacanthos)在多个判断维度表现优异，而银杏叶片的放松效果尤为突出。这种差异可能与叶片边缘的锯齿程度和叶脉分布模式有关，为城市树种选择提供了具体指导。

4.1 理论意义与实践价值

该研究首次证实可识别自然形状的分形感知仍遵循分形流畅性模型，将分形研究从抽象图案拓展到具象生物形态领域。在实践层面：

1. 1.

   城市景观设计可根据空间功能选择树种——需要激发活力的商业区宜选用D值1.4-1.5的复杂叶片，而医疗康复区域则适合配置D值1.1的简单叶片；

2. 2.

   研究提出的"判断类型-分形维度"对应关系为量化评估景观设计效果提供了新工具；

3. 3.

   发现叶片形态特征(如复叶结构)可能独立于D值影响感知，这为后续研究指明方向。

4.2 局限性与未来方向

当前研究受限于：1) D值范围较窄(1.1-1.5)；2) 未考虑树冠结构和三维形态的影响；3) 样本存在社交媒体招募偏差。后续研究可结合Dhal等(2025)提出的城市森林健康指标，探索分形复杂度与心理健康的长效关联，或如Liu等(2022)建议的，开发适用于宏观尺度的分形评估方法。

这项开创性工作架起了分形几何、环境心理学和城市林业的桥梁，其建立的"形态-感知"数据库不仅优化了亲生物设计策略，更为应对城市化带来的心理健康挑战提供了基于自然解决方案(Nature-based Solutions)的新思路。