本发明涉及大气污染防控技术与政策管理目标制定领域，涉及一种对大气污染人体指标的测量系统和方法。
背景技术：
近年来，高浓度、大范围细颗粒物(pm2.5)为主要特征的大气污染成为了我国最主要的环境风险问题。2010年，pm2.5是中国第4大致死风险因素，导致约123万过早死亡，该数字在2015年略微下降但仍高达111万人。此外，长期暴露于pm2.5污染还会形成环境压力作用于人的自主神经系统和大脑使其产生烦躁、抑郁等不良情绪，从而对心理健康造成负面影响。大气污染相关的健康风险问题引起了社会的广泛关注，也推动了我国大气污染风险管理的进程。过去几年间，中国政府高度重视大气污染防治，颁布了新的标准与法律，推行了《大气污染防治行动计划》等一系列政策，大气环境质量总体得到改善，空气质量优良天数明显提升。
尽管近年来空气质量总体呈现向好趋势，公众的满意度却无明显提升。治霾成果数据与公众感受不符、大气污染控制效果得不到百姓认可已经成为“后大气污染防治行动计划”时期亟待解决的政策难题。导致这一困境的重要原因之一在于现阶段制定的大气污染防治目标与公众对大气污染风险的主观认知之间存在错位。具体而言，我国大气污染控制的目标已经由早期的总量控制向现阶段的质量改善过渡，但是其直接管理的目标仍局限于污染物排放量、大气环境质量等客观指标的变化，忽略了大气污染对公众心理主观认知的影响。为了在满足人群需求的前提下开展大气污染防治工作，设计大气污染控制目标，需要更好了解公众面对大气污染时的心理情绪反馈规律。
然而，公众对大气污染风险的心理情绪反应是一类较难量化的复杂指标，目前并没有一套测量大气污染情绪反应的标准系统或方法。有学者以问卷调查的获取了公众的“幸福感”、“生活质量”、“生命满意度”、“烦扰度”、“接受度”、“压力”和“抑郁”等心理健康自述回答，并尝试建立起其与大气污染浓度之间的统计关联。显然，这种自述心理状态受各种日常生活因素的影响，与大气污染之间并没有直接的因果联系，不能给予大气污染控制足够的科学参考。基于此，为探讨人们面对大气污染的直观心理情绪反应，需要创新一套科学的标准化的公众对大气污染风险情绪反应的测量方法和系统。
中国专利申请多参数评估环境对人体的影响的方法和系统，申请号cn201680079054.9，公开日2018年08月31日，公开了一种基于环境参数预测人体状况的计算系统，并且更具体地涉及评估天气、地磁背景以及空气对人体状况的影响的方法和系统。该发明包括由计算机设备用户(2)输入至少包括性别和年龄的个人数据；由所述计算机设备用户(2)确定或指定地理位置；将包括个人数据和地理位置数据的用户数据发送至处理单元(4)；由所述处理单元(4)请求来自天气服务器(5)的环境预测数据，所述数据包括与所述地理位置相对应的关于天气、地磁背景和空气条件的预测数据；由所述天气服务器(5)将所述预测数据发送至所述处理单元(4)；将所述用户数据和预测数据发送至编码器(8)并生成包括所述用户数据和预测数据的单个哈希码；将所述哈希码发送至解码器(9)并将所述代码与人体系统的功能对天气、地磁背景和空气条件参数的依赖性的数据库(10)相关联；以及将所述关联的数据发送至显示装置(11)，该发明主要解决环境参数对人体系统的功能的影响，关联时未考虑自述情绪量表，预测维度单一，且该发明根据环境参数预测人体状况，对大气污染下的情绪反应测量不够具体。
技术实现要素：
1.要解决的技术问题
针对当前大气污染人群心理情绪反馈测量的技术缺失问题，本发明提供了一种对大气污染人体指标的测量系统和方法，该系统结合短时图片刺激和即时心理生理测量的手段测量了公众对客观风险的情绪反应，突破了传统问卷调查等高成本、低效率的测量手段，在标准的、不受外界因素干扰的实验条件下快速了解大气污染对公众心理认知的影响，将环境风险的认知和情绪研究深入到微观层面。
2.技术方案
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种对大气污染人体指标的测量系统，包括测量记录模块、处理模块和显示模块；显示模块显示大气污染图片，测量记录模块将测量生理信号发送至处理模块进行处理，处理模块将测量生理信号和自述情绪量表处理后在显示模块可视化展示。
更进一步的，处理模块包括情绪刺激单元、情绪测量单元和系统集成验证单元；情绪刺激单元使用大气污染图片刺激呈现；情绪测量单元记录情绪量表数据，并对生理神经信号指标进行测量；系统集成验证单元将测量数据集成，对测量数据进行自动分段、处理和计算。
更进一步的，测量记录模块包括生理记录仪和脑电测试系统。
一种对大气污染人体指标的测量方法，使用所述的一种对大气污染人体指标的测量方法，包括以下步骤：
步骤一：构建大气污染图片刺激呈现系统，对用户进行图片刺激；
步骤二：构建大气污染人体指标测量系统，测量大气污染人体反应生理数据和心理数据，生理数据通过测量记录模块获得，心理指标通过自述情绪量表获得；
步骤三：集成大气污染人体反应生理数据和心理数据，绘制大气污染浓度-人体指标反馈曲线，进行可视化展示，同时验证生理数据与心理数据匹配度。
本发明创新构建一套用来测量情绪反应的、标准的大气污染图片库系统，结合短时图片刺激和即时心理生理测量，快速刻画公众大气污染认知和情绪反应曲线。
更进一步的，步骤一中根据固定地点不同pm2.5浓度选择大气污染图片，图片选择完毕进行标准化处理。标准化处理包括将图片大小统一裁剪为固定大小，底色设置为相同底色，去除水印、logo和文字等无关信息，调整自动对比度和自动颜色。
更进一步的，大气污染图片刺激呈现系统中插入辅助图片与空气污染图片交替出现。辅助图片与污染图片交替出现，防止实验中持续观看大气污染图片可能产生的视觉疲劳，所有图片按照随机顺序呈现。
更进一步的，步骤二中的大气污染自述情绪量表数据在大气污染图片呈现后反馈输入。
更进一步的，大气污染自述情绪量表包括愉悦度、唤醒度、污染水平感知度和烦躁度四个维度；生理数据包括皱眉肌信号、皮肤电信号和脑电信号。本发明在原有心理学理论的基础上进行扩展，基于技术需要融合了新的污染水平感知维度。
更进一步的，步骤二中的生理数据导入后，根据每张大气污染图片呈现的时间点，前取a秒作为基线，后取b秒作为生理数据反馈，对数据进行分段剪裁，相当于每张图片有a b秒的生理反馈窗口，a、b均为自然数。本发明针对每个指标对每张图片进行分段计算，使测量结果更准确。
更进一步的，分别计算大气污染自述情绪量表和测量得到生理数据的平均值和标准差，绘制大气污染的浓度-情绪反馈曲线。
一种对大气污染人体指标的测量系统，包括情绪刺激单元、情绪测量单元和系统集成验证单元；情绪刺激单元使用大气污染图片刺激呈现；情绪测量单元记录情绪量表数据，并对生理神经信号指标进行测量；系统集成验证单元将测量数据集成，对测量数据进行自动分段、处理和计算。
一种对大气污染人体指标的测量系统，包括测量记录模块、处理模块和显示模块；显示模块显示大气污染图片，测量记录模块将测量生理信号发送至处理模块进行处理，处理模块将测量生理信号和自述情绪量表处理后在显示模块可视化展示。
更进一步的，测量记录模块包括生理记录仪和脑电测试系统。生理记录仪采集皱眉肌信号和皮肤电信号，脑电测试系统采集脑电信号。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
结合短时图片刺激和即时心理生理测量的手段测量了公众对客观风险的情绪反应，突破了传统问卷调查等高成本、低效率的测量手段。该系统允许我们在标准的、不受外界因素干扰的实验条件下，对被试者的大气污染情绪反应进行快速多样的测量，解决了传统方法中混杂因素难以控制、测量指标时间尺度难以匹配等问题，更是将环境风险的认知和情绪研究深入到微观的生理神经科学层面，为揭示公众对大气污染情绪反应的规律和微观机理提供了新的技术手段。
附图说明
图1为本发明大气污染情绪反应量化系统结构图；
图2为本发明测试流程中图片刺激呈现及自述量表呈现；
图3为本发明测量系统模块图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
实施例1
本实施例对大气污染的情绪反应测量系统结合短时图片刺激和即时生理心理测量，快速刻画公众大气污染认知和情绪反应曲线，所述测量系统如图3所示，包括情绪刺激单元、情绪测量单元和系统集成验证单元；情绪刺激单元使用大气污染图片刺激呈现；情绪测量单元记录情绪量表数据，并对生理神经信号指标进行测量；系统集成验证单元将测量数据集成，对测量数据进行自动分段、处理和计算，以及对计算结果可视化操作，绘制出大气污染情绪反馈曲线。
本实施例的测量系统，包括测量记录模块、处理模块和显示模块；显示模块显示大气污染图片，测量记录模块将测量生理信号发送至处理模块进行处理，处理模块将测量生理信号和自述情绪量表处理后在显示模块可视化展示。测量记录模块包括生理记录仪和脑电测试系统。生理记录仪采集皱眉肌信号和皮肤电信号，脑电测试系统采集脑电信号。
本实施例对大气污染的情绪反应测量系统在进行测量时，包括以下步骤：
步骤一：构建大气污染图片刺激呈现系统，对用户进行图片刺激
本实施例构建了大气污染图片刺激呈现系统，模拟在不同大气污染浓度下的真实情景，使公众能够获得在不同大气污染浓度暴露下的直观感受。借助该系统，可以向同一个体连续快速展现不同大气污染浓度下的城市景观，高效获得人群在不同大气污染浓度下的认知和情绪反馈。
首先筛选大气污染图片，从amos(archiveofmanyoutdoorscenes)等公开图片素材数据库，搜集固定地点、长期跟踪拍摄并更新的不同pm2.5浓度下的城市远景照片，相关图片包含明确的地理坐标位置、拍摄时间等信息。根据图片信息，从生态环境部空气质量监测站点数据库中匹配对应图片拍摄时的pm2.5浓度。筛选得到36张备选大气污染实景图片，包含12个浓度梯度(10μg/m3,20μg/m3,30μg/m3,40μg/m3,50μg/m3,80μg/m3,100μg/m3,120μg/m3,150μg/m3,180μg/m3,200μg/m3,260μg/m3)，三种背景城市景观。筛选出的图片均为上午9:00-11:00之间拍摄，且无多云、阴雨等天气。
然后对大气污染图片进行标准化处理，利用photoshop软件将所有图片大小统一剪裁为1200*800像素(横屏)或800*1200像素(竖屏)；多余底色设置为黑色；抠除logo、水印、文字等与图片意图传达的信息无关的内容，将所有图片调整为“自动对比度”与“自动颜色”。
最后将大气污染图片呈现，利用图片呈现系统软件e-prime3.0进行编程与软件调试，将标准化的大气污染图片导入软件。同时插入10张辅助中性图片(来源为iaps国际情绪图片库)，与空气污染图片交替出现，防止实验中持续观看大气污染图片可能产生的视觉疲劳。所有图片按照随机顺序呈现，每张图片呈现四秒，在受试者电脑上完成。
步骤二：构建大气污染情绪测量系统，测量大气污染情绪反应生理数据和心理数据
在步骤一大气污染图片刺激呈现基础上，构建大气污染情绪测量系统，同时测量自建的情绪自述量表和部分常见生理神经信号指标。
先根据大气污染情绪反应测量的需求，以情绪心理学中公认的情绪量表(self-assessmentmanikin,sam)为基础进行拓展，设计大气污染自述情绪量表。大气污染自述情绪量表共包含四个维度，除“愉悦度”和“唤醒度”两个情绪维度外，同时测量个体在图片呈现后对空气质量的主观污染水平感知和烦躁度等两个新维度。量表范围1-9，数字越小表明认同程度越低，数字越大表明认同程度越高。自述情绪量表通过e-prime3.0软件进行编程，在每张大气污染图片呈现完后，受试者通过键盘按键评分，要求每张图片的评分时长不超过10秒，在受试者电脑上完成。针对每张大气污染图片的评分数据由e-prime3记录并保存，并输入至大气污染情绪反应量化集成系统进行统一处理|，反馈在实验人员电脑上。
除自述情绪量表外，选择能够反映个人情绪状态的客观生理信号进行测量，测量信号包括：皱眉肌信号(emg)、皮肤电信号(gsr)和脑电信号(eeg)。emg和gsr由美国biopac公司多通道生理记录仪(mp150系统)进行数据采集，脑电信号eeg由美国neuroscan公司的64导erp系统进行采集。实验全程的emg、gsr和eeg信号均完整记录，输入至大气污染情绪反应量化集成系统进行统一处理，反馈在实验人员电脑上。
使用e-prime3、matlab和r等软件编程，将情绪刺激单元的大气污染图片刺激呈现系统，情绪测量单元的自述情绪量表和生理信号测量系统进行集成，对数据进行自动分段、处理和计算，并对结果进行可视化，绘制出大气污染情绪反馈曲线。
自述情绪量表按照具体指标计算每张空气污染图片的评分结果平均值、标准差等基本统计学指标。生理信号导入matlab软件后，根据每张图片呈现的时间点，前取1秒作为基线，后取4秒作为生理信号反馈，对数据进行分段剪裁，相当于每张图片有5秒的生理反馈窗口。对于emg信号，放大1000倍后以150ms为时间窗口对4秒反馈时间内的生理信号进行求积分运算，去基线后得到emg信号的强度，作为个人愉悦水平的生理表征。对于gsr信号，筛选4秒反馈时间窗口内gsr的最大值，去基线后得到gsr的最大生理反馈，作为个人愉悦水平的生理表征。对于eeg信号，对4秒的反馈时间内的生理信号进行傅里叶变换，得到个体在看到图片后1-40hz脑电频段的信号，以100ms为时间窗口计算alpha频段(8-13hz)的强度，去基线后作为个人愉悦水平的神经信号表征。生理信号处理完毕后，同样按照指标对每张空气污染图片的生理指标求平均值、标准差，基于r语言ggplot2包在实验人员电脑上绘制大气污染的浓度-情绪反馈曲线，进行可视化展示。
图2为本发明测试流程中图片刺激呈现及自述量表呈现；实验时，e-prime3.0在被试者计算机上呈现一张有十字加号的灰屏，帮助其集中注意力，图片持续500ms-1000ms；接着软件将按照指定的顺序呈现图片刺激，每张持续4000ms。图片消失后，被试者根据自己体验到的情绪在对愉悦度和唤醒度进行打分。打分完成后，软件将呈现1500-2000ms的空屏，随后进入下一张图片刺激周期。如图1所示系统结构示意图，实验中受试者坐于电脑前，连接biopacmp150系统和neuroscan64导erp系统的电极，mp150和64导erp系统同时工作采集生理信号，展示并存储在实验人员电脑上同时由配套软件完成预处理。
本实施例以探究南京市大学生群体对大气污染的情绪反应规律进行实验，在南京招募大学生志愿者110名开展实验。志愿者在实验前填写知情同意书，同时填写贝克抑郁自评量表及状态-特质焦虑问卷。通过抑郁和焦虑测试后的被试者被邀请进入位于项目依托单位南京大学的一个亮度温度恒定的10平米左右大的隔声消磁实验间中由实验人员进行实验讲解工作后进行练习，确保其理解实验任务。之后，由实验人员打开生理多导和erp系统记录个体的生理信号，并请被试静息一分钟。待生理信号保持稳定后，进入正式实验。之后，将实验人员电脑中存储的自述和生理信号在集成系统中进行分段处理和可视化。
实验结果显示随着pm2.5浓度的上升，自评以及生理愉悦度和唤醒度变化的拐点均为42-50μg/m3。也即，当pm2.5浓度低于42μg/m3时，个体的情绪更偏向于放松愉悦等积极的正面情绪，会有利于个体生理健康；且低于42μg/m3的程度越大，正面情绪的强度也就越强烈。当pm2.5浓度高于50μg/m3时，个体的情绪更偏向于压抑和不愉悦等消极的负面情绪，会有害个体生理健康；且高于50μg/m3的程度越大，负面情绪的强度也就越强烈。该实验证明了本发明基于通过自评量表与生理信号相结合的方法测量公众对客观风险的情绪反应的系统的有效性。
以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
1.一种对大气污染人体指标的测量系统，其特征在于，包括测量记录模块、处理模块和显示模块；显示模块显示大气污染图片，测量记录模块将测量生理信号发送至处理模块进行处理，处理模块将测量生理信号和自述情绪量表处理后在显示模块可视化展示。
2.根据权利要求1所述的一种对大气污染人体指标的测量系统，其特征在于，处理模块包括情绪刺激单元、情绪测量单元和系统集成验证单元；情绪刺激单元使用大气污染图片刺激呈现；情绪测量单元记录情绪量表数据，并对生理神经信号指标进行测量；系统集成验证单元将测量数据集成，对测量数据进行自动分段、处理和计算。
3.根据权利要求1所述的一种对大气污染人体指标的测量系统，其特征在于，测量记录模块包括生理记录仪和脑电测试系统。
4.一种对大气污染人体指标的测量方法，其特征在于，使用如任一项如权利要求1-3所述的一种对大气污染人体指标的测量方法，包括以下步骤：
步骤一：构建大气污染图片刺激呈现系统，对用户进行图片刺激；
步骤二：构建大气污染人体指标测量系统，测量大气污染人体反应生理数据和心理数据，生理数据通过测量记录模块获得，心理指标通过自述情绪量表获得；
步骤三：集成大气污染人体反应生理数据和心理数据，绘制大气污染浓度-人体指标反馈曲线，进行可视化展示，同时验证生理数据与心理数据匹配度。
5.根据权利要求4所述的一种对大气污染人体指标的测量方法，其特征在于，步骤一中根据固定地点不同pm2.5浓度选择大气污染图片，图片选择完毕进行标准化处理。
6.根据权利要求5所述的一种对大气污染人体指标的测量方法，其特征在于，大气污染图片刺激呈现系统中插入辅助图片与空气污染图片交替出现。
7.根据权利要求4所述的一种对大气污染人体指标的测量方法，其特征在于，步骤二中的大气污染自述情绪量表数据在大气污染图片呈现后反馈输入。
8.根据权利要求7所述的一种对大气污染人体指标的测量方法，其特征在于，大气污染自述情绪量表包括愉悦度、唤醒度、污染水平感知度和烦躁度四个维度；生理数据包括皱眉肌信号、皮肤电信号和脑电信号。
9.根据权利要求4所述的一种对大气污染人体指标的测量方法，其特征在于，步骤二中的生理数据导入后，根据每张大气污染图片呈现的时间点，前取a秒作为基线，后取b秒作为生理数据反馈，对数据进行分段剪裁，相当于每张图片有a b秒的生理反馈窗口，a、b均为自然数。
10.根据权利要求9所述的一种对大气污染人体指标的测量方法，其特征在于，分别计算大气污染自述情绪量表和测量得到生理数据的平均值和标准差，绘制大气污染的浓度-情绪反馈曲线。
技术总结