園林植物照明光度量及植物光度量系統(tǒng)研究

段 然，楊春宇

(重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045)

園林植物照明光度量及植物光度量系統(tǒng)研究

段 然，楊春宇

(重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045)

園林夜景照明是基于人眼視看的照明，不但需要滿足人眼視看，更要遵循植物對光照的適應(yīng)性。目前針對植物光度量有3種度量系統(tǒng)，分別為輻射度量、照度及植物光合量子度量。光度量是人眼視看的主要評價(jià)系統(tǒng)，而植物對光照的敏感度與人眼不同，單純利用光度量對植物進(jìn)行照明會(huì)影響植物的生長健康。文章對3種度量方式進(jìn)行分析和函數(shù)表達(dá)。

植物光合量子；照度；輻射照度

0 引 言

園林夜景照明是以人眼視覺為基礎(chǔ)的照明，是在滿足人眼視看的基礎(chǔ)上進(jìn)行的植物照明。在植物生長發(fā)育過程中，光照對植物的光合作用、光形態(tài)建成及光照周期都有著極大的影響?；谖墨I(xiàn)和對22種植物的數(shù)據(jù)研究，在1972年得出了植物對光反應(yīng)的曲線，即相對量子效率、相對吸收率和相對反應(yīng)。這個(gè)形態(tài)模型揭示了植物光合反應(yīng)在不同光譜能量分布下的敏感性，同時(shí)，曲線模型反映出植物在光譜的紅光及藍(lán)光部分達(dá)到了吸收峰值，而在綠光光譜能量分布部分的吸收較小。Mc Cree定義了這個(gè)相對的量子效率曲線(relative quantum efficiency，RQE)，后來Inada重復(fù)利用了這個(gè)曲線，最終，Sager等對Mc Cree的相對量子效率進(jìn)行了定義，并對曲線模型進(jìn)行了優(yōu)化，得出了300～800 nm范圍的函數(shù)變化。在園林夜景照明中，需要基于植物的平均光能合成，得出植物的光測量系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)需要結(jié)合植物的相對量子效率曲線。

1 光度量系統(tǒng)

現(xiàn)有3種光測量系統(tǒng)，分別是光輻射測量、光度計(jì)測量以及輻射量子測量。其中，只有輻射量子測量系統(tǒng)是專門針對植物的光測量系統(tǒng)。每種測量系統(tǒng)都有其特殊的光學(xué)元件。光輻射傳感器，是一條平行于x軸的理想曲線；光度計(jì)測量系統(tǒng)，則是根據(jù)人眼視看反應(yīng)而繪制的鐘型曲線；輻射量子測量系統(tǒng)，是一條傾斜的直線或平行于x軸的直線，如圖1，即光合有效輻射(y)與波長(x)相關(guān)的函數(shù)關(guān)系。

圖1 植物相對量子效率模型函數(shù)示意圖

1.1 光通量

光通量是按照國際CIE規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)人眼視覺特性評價(jià)的輻射量。在380～780 nm之間的可見光范圍內(nèi)，與輻射通量相聯(lián)系的是光通量，光通量定義為單位時(shí)間內(nèi)的光通量(類似于每分鐘的水流量)。光通量是指光源所產(chǎn)生的總光能，是視覺響應(yīng)的計(jì)量，由于人眼對不同波長的電磁波具有不同的靈敏度，不能直接利用光源的輻射功率或輻射通量來衡量光能量。光通量常用符號表示，單位為lm，是根據(jù)cd來確定的。一個(gè)在所有方向上光強(qiáng)為1 cd的電光源，輻射出的光通量為4π lm。也可把波長為555 nm，與1/683 W輻射通量相對應(yīng)的光通量定義為1 lm。對于明視覺有

在計(jì)算時(shí)，光通量常采用下式

1.2 照度值

目前普遍應(yīng)用于夜景照明的光度量方法是以人眼視看評價(jià)的照度值。根據(jù)CIE推薦值標(biāo)準(zhǔn)，照度符號表示為E，表示被照面上的光通量密度。表面上一點(diǎn)的照度是入射在包含該點(diǎn)面元上的光通量d除以該面元面積dA之商，即

照度的常用單位為1x，等于1 lm的光通量均勻分布在1 m2的被照面上

2 輻射度量系統(tǒng)

輻射度量是描述輻射能量的物理量，主要依賴于電磁波，電磁波即在空間傳播的交變電磁場。光度量不僅包括光波(電磁波)量的度量，還包括視覺對光(電磁波)響應(yīng)程度的電磁輻射度量，但光度量又不等同于輻射度量。特定波長λ的電磁波，在真空中頻率v和光速c有如下關(guān)系

c=λv

式中：c為光速，c=3×108m/s。

在電磁波譜中波長為380～780nm的電磁波可以引起人眼視覺反應(yīng)，稱為可見光。所以，光度量與輻射度量的基本量定義和定義方程是對應(yīng)的，光度量可以通過輻射度量進(jìn)行計(jì)算。輻射度量與光度量可以通過光通量v和輻射通量e對應(yīng)的轉(zhuǎn)換公式清晰表達(dá)(見表1)。

v(λ)=KmV(λ)e(λ)

v(λ)=Kme(λ)dλ

表1 光度量與輻射度量兩者物理量的定義方程和對應(yīng)

v(λ)=KmV(λ)e(λ)

輻射度量光度量名稱定義方程單位名稱定義方程單位副射能QeJ光量Qvlm·s輻射通量FeFe=dQe/dtW光通量FvFv=dQv/dtlm副射強(qiáng)度IeIe=dFe/dΩW/sr發(fā)光強(qiáng)度IvIv=dFv/dΩcd副射亮度LeLe=d2Fe/dΩdAcosθW/(sr·m2)光亮度LvLv=d2Fv/dΩdAcosθcd/m2輻射出射度MeMe=dFe/dAW/m2光出射度MvMv=dFv/dAlm/m2輻射照度EeEe=dFe/dAW/m2光照度EvEv=dFv/dAlx(lm/m2)

3 光合量子通量度量

利用數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行表達(dá)，光譜能量分布Q可以利用公式表示

(1)

式中：Qλ為每單位波長區(qū)間光譜電磁輻射能量，Qλ=δQ/δλ；R(λ)表示R(A)是隨著波長變化的理想和真實(shí)傳感的反應(yīng)；Q為測量的量(可以是通量、輻射照度或光照強(qiáng)度等)；λ單位為nm，積分范圍300～800 nm；由于積分乘法是一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)難求解，而且R(λ)和Qλ一般不能用簡單的數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)，式(1)可以改寫為

(2)

輻射系統(tǒng)是基于光照測量的另一種系統(tǒng)，根據(jù)其函數(shù)水平與x軸的特點(diǎn)Re(λ)=1；Qeλ表示每單位波長的光譜能量。將輻射照度帶入式(1)，得

(3)

Ee，λ單位為W·m-2· nm-1；Ee單位為W·m-2。

在照度計(jì)測量系統(tǒng)中，Rv(λ)是標(biāo)準(zhǔn)適光性的光譜發(fā)光效率V(λ)。那么，利用式(1)，得出

(4)

Ee，λ單位為W·m-2·nm-1；Ev，λ單位為W·m-2，且1光瓦=683 lm/W，式(4)可以轉(zhuǎn)化為

(5)

式中：Ev，λ單位為lx·nm-1；Ev單位為lx。

輻射量子通量也稱為量子系統(tǒng)，單位為mol。在輻射量子系統(tǒng)中Rq(λ)表示為

(6)

式中：NA為阿伏伽德羅常數(shù)，NA=6.02×1023μmol-1；h為普朗克常數(shù)，h=6.626×10-34J·s-1；c為光速，c=2.9792458×108m·s-1

將式(6)帶入式(1)，光合量子通量(photosynthetic photon flux，PPF)即可表示為

(7)

當(dāng)式(7)利用相對光子效率能量曲線進(jìn)行加權(quán)，光量子產(chǎn)量(yield photon flux，YPF)Eq可表示為

(8)

P(λ)即為相對光子效率，如圖1。

在同樣的波長范圍內(nèi)當(dāng)光量子被加權(quán)后，式(6)中λ=610 nm，則

Rq(λ)=610/119.6=5.1

(9)

等量光合光量子(equal photosynthetic photon flux，EPPF)可以表示為

(10)

根據(jù)Nicodemus，Wolfe，Cathey，下標(biāo)e代表能量輻射；v是視覺輻射；q為量子輻射，且下標(biāo)p可以根據(jù)相對量子效率曲線定義為光合系統(tǒng)。量子系統(tǒng)提供了3種不同的光測量方式：光合量子通量(photosynthetic photon flux，PPF)、光量子產(chǎn)量(yield photon flux，YPF)、等量光合光量子(equal photosynthetic photon flux，EPPF)。Barnes 等指出光量子產(chǎn)量針對一些輻射光源，但是對于金屬化物把燈、高壓鈉燈和低壓鈉燈以及紅光LED是不適宜的。

4 結(jié)論

在園林夜景照明中，涉及光學(xué)及植物學(xué)兩個(gè)學(xué)科。照明度量方法不僅要考慮光度量更要結(jié)合植物光度量，才能為園林植物提供良好的夜間光環(huán)境。3個(gè)度量系統(tǒng)中只有光合量子通量系統(tǒng)是針對植物的測量系統(tǒng)，光度量包括電磁波量的度量以及人眼視覺對光響應(yīng)程度的度量。光度量針對輻射度量和照度之間的關(guān)系已經(jīng)能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而針對植物光合量子通量與照度之間的轉(zhuǎn)換問題還需要進(jìn)一步研究。

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Measurement system of the photometric system and phytometric system

Duan Ran，Yang Chunyu

(Faculty of Architecture and Urban Planning，Chongqing University，Chongqing 400045，P.R.China)

Garden night lighting is based on the human eye.It need to meet the human eye, and also to follow the plant’s adaptation to light. There are three light measurements for the plant, which are visual light of the human, radiometric photon flux system and photosynthetic photon flux. It is different from the visual and the sensitive of plant. In this paper, three kinds of metrics for analysis and presentation functions.

photosynthetic photon flux；light intensity；radiometric

2016- 05- 08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51478060)

段然(1986-)，女，重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院博士研究生，主要從事建筑光環(huán)境研究。