《Advanced Engineering Informatics》：Integrating restorative benefits into age-friendly community design: A data-driven approach using multimodal psychophysiological and visual sensing
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摘要随着人口老龄化的加速，促进社区环境中老年人的身心恢复显得尤为重要。尽管恢复性效益日益被视为心理健康的一条关键途径，但目前仍缺乏将恢复性效益整合到适老社区评估与规划中的系统性研究。以往研究通常受限于单模态数据，无法捕捉环境暴露与恢复性反应之间的复杂关系。为克服这些局限，本研
摘要
随着人口老龄化的加速，促进社区环境中老年人的身心恢复显得尤为重要。尽管恢复性效益日益被视为心理健康的一条关键途径，但目前仍缺乏将恢复性效益整合到适老社区评估与规划中的系统性研究。以往研究通常受限于单模态数据，无法捕捉环境暴露与恢复性反应之间的复杂关系。为克服这些局限，本研究开发了一种数据驱动框架，利用实时视觉感知、空间等视线分析和生理测量，探索社区环境如何塑造恢复性效益。我们在城乡社区的多条路线上，对34名老年人进行了现场步行实验，同步采集了视觉、空间和生理数据。本研究运用多层线性回归和广义加性模型检验线性与非线性关联，并应用随机森林模型识别关键环境贡献因素及其交互效应。结果显示，除植被和天空等常见自然元素外，水体和土壤元素与情绪效价及恢复性评价呈正相关（β = 0.1535 至 0.7337，p < 0.05）。视觉几何指标，尤其是等视线面积，与情绪效价、恢复性评价和唤醒水平呈统计学显著关联（β = ?0.0156 至 0.5197，p < 0.05）。值得注意的是，社区环境因素如植被、水体和紧凑度与心理恢复结果之间表现出显著的非线性及阈值关系。最后，我们识别出植被、漂移角和漂移量为主要贡献因素，三者之间存在强烈的交互作用，共同影响恢复性反应。这些发现强调，恢复性反应是由环境元素的组合配置而非孤立属性所塑造的。本研究为理解视觉环境的恢复性效益提供了有价值的见解，增强了数字孪生分析对智慧社区管理的支持，并对适老社区的设计具有启示意义。
引言
全球人口老龄化正在加速，65岁及以上人口占比预计将从2020年的9.3%上升至2050年的16.0%[1]。老年人特别容易受到心理压力和不良情绪的影响，因为老龄化往往限制其行动能力并缩小日常活动空间。社区环境是人们生活与互动的重要场所，对老年人的心理健康产生深远影响[2]。与年轻人相比，大多数老年人在退休后将更大比例的时间花在社区环境中，导致其对周围环境特征的长期、反复暴露。同时，由于身体机能下降、认知功能减退和社会联系减少，老年人对其社区环境在身体和心理上更为脆弱[3]、[4]、[5]、[6]。然而，当前的社区设计与评估主要侧重于实体设施和可达性[7]、[8]、[9]，对日常环境暴露中的生理心理恢复性体验关注有限。推进对恢复性效益的理解已成为聚焦心理健康的社区规划中的关键议题，为健康导向型适老社区的发展提供了关键证据。
恢复性效益是指在暴露于恢复性环境中所经历的心理和生理恢复，包括情绪恢复、压力减轻和放松等[10]、[11]。此类效益源于与环境互动过程中视觉感知、认知评估和自主神经生理调节的综合过程[12]。因此，单一数据模态无法充分捕捉恢复性反应。自我报告量表，包括感知恢复性量表（PRS）[13]和恢复性成分量表（RCS）[14]，已被广泛用于评估情绪状态和注意力恢复。然而，这些测量方法可能无法捕捉复杂社区环境中微妙的差异和及时反应[15]。生理指标，如心率变异性（HRV）和皮肤电反应（SCR），提供了自主神经活动的连续性和客观性测量[16]、[17]，但难以揭示与这些反应相关的环境特征。此外值得注意的是，主观评估通常以离散观测形式收集，而生理信号则以连续时间序列形式记录。这种数据结构上的差异使得直接的时间对齐变得困难。这些局限性表明需要一种多模态框架，能够同时捕捉主观感知和生理调节。
鉴于恢复性反应由动态环境体验所驱动，需要对环境暴露进行个性化和多维度的表征。街景图像已被广泛用于从以人为本的视角捕捉视觉元素，包括绿植、建筑立面和天空开阔度等[18]、[19]。然而，从公共平台获取的图像是在预定义路线上的固定位置采集的，因此无法反映实际步行过程中的视觉暴露，也无法与心理和生理测量进行时间对齐。此外，具有固定视角的街景图像也无法考虑个体在运动模式或观察方向上的差异，从而削弱了其表征个性化暴露条件的能力。此外，仅依靠二维视觉特征不足以刻画空间结构。作为补充方法，等视线分析通过空间配置的数学表征来刻画空间几何、视觉可达性和围合感[20]、[21]、[22]。这些局限性凸显了需要一种整合视觉元素和空间几何的个性化、动态环境暴露表征方法。
近年来，可穿戴传感、街景图像和等视线分析的进步使得全面评估环境条件与恢复性反应成为可能。基于可穿戴设备的生理信号和自我报告的心理学指标，恢复性反应可从自主神经调节和主观感知两个维度进行量化。实时街景图像和基于等视线的空间指标可提供视觉元素和视觉几何的测量。然而，关于适老社区中多模态环境暴露与恢复性反应之间关系的了解仍然有限。现有研究大多聚焦于年轻人群体[23]、[24]，因此对老年人恢复性反应的洞察有限。来自非城市环境的实证证据也较为稀缺，而主要关注城市环境的做法限制了现有发现的普适性[25]。此外，传统统计分析方法在探索社区环境与恢复性效益之间的非线性关系和交互效应时可能存在困难[26]、[27]。为弥补这些空白，有必要结合传统回归分析与机器学习方法，对多模态环境和生理心理数据进行整合分析，从而增强对社区环境中恢复性效益的理解。
本研究提出了一种数据驱动框架，将恢复性效益整合到适老社区环境的评估与设计中。通过在城乡社区开展的两地步行实验，我们同步采集了心理评价、生理信号和视觉环境的多模态数据。首先，基于注意力恢复理论（ART）[28]和压力恢复理论（SRT）[29]，我们运用心理和生理指标全面评估恢复性反应。随后，我们利用实时街景图像和等视线分析量化步行实验过程中的视觉环境特征。同步数据采集使得动态环境暴露与生理心理反应之间能够进行时间对齐。最后，为识别关键环境因素并探索非线性关系和交互效应，我们在多层线性回归和广义加性模型的基础上，辅以随机森林模型。本研究建立了一个将数据驱动方法与城市规划研究相联系的框架，为数字城市背景下适老环境的评估与设计提供支持。
章节摘要
恢复性反应的量化
恢复性效益是环境暴露所产生的健康效益的一个关键方面，涉及心理和生理机制[30]、[31]、[32]。从生理角度看，压力会引发多种反应，这些反应由自主神经系统（ANS）调节，其中副交感神经的激活通过降低心率、促进消化和恢复能量等功能参与恢复过程。从心理角度看，恢复性体验可能产生于……
方法
本研究开发了一种基于步行实验的数据驱动框架，将社区环境特征与老年人的生理心理恢复性反应联系起来，如图1所示。首先，我们招募了34名老年人，在城乡两地开展了实地步行实验，并同步采集了来自可穿戴设备和问卷的多模态数据。其次，我们通过心理和生理指标量化恢复性反应，并刻画……
城乡社区中环境特征的空间分布
图7汇总了步行路线上视觉元素和空间指标的分布情况。语义分割结果表明视觉构成存在显著异质性。植被比例范围为4.02%至51.00%，建筑覆盖率范围为3.56%至53.62%，路面面积比例范围为0.12%至27.41%，表明建成环境主导区与自然主导环境之间存在显著对比。等视线指标也表现出较大差异，等视线面积范围为……
讨论
在数据驱动实验框架的基础上，本研究通过在真实世界中的两地步行实验，同时捕捉主观心理评价、生理反应和视觉环境暴露，推进了恢复性效益在社区环境中的整合。利用可穿戴生理信号和街道级图像，我们的方法实现了多模态数据的同步融合，减少了对单模态指标的依赖。我们的结果……
结论
本研究开发了一种数据驱动的多模态框架，用于探究社区环境与老年人恢复性效益之间的关联。通过整合心理评估、生理信号、街道级视觉语义和基于等视线的视觉几何，该框架提供了对环境暴露和恢复性结果的综合表征，超越了单一指标。本研究揭示了显著的线性关联、非线性……
CRediT作者贡献声明
蓝怡群：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，监督指导，软件。李陈爽：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，监督指导，软件。李震文：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，软件，调查研究。丁可仁：撰写——审阅与编辑，监督指导，项目管理，概念构思。周莹：撰写——审阅与编辑，监督指导，项目管理，概念构思。
利益冲突声明
作者声明不存在任何已知可能影响本文工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究得到国家自然科学基金委员会 [项目编号：72071089, 72525007]和湖北省自然科学基金 [项目编号：2026AFB704]的资助。
蓝怡群|李陈爽|李震文|丁可仁|周莹
