大連和米蘭典型商業(yè)區(qū)夜間光污染影響的對比分析

劉 鳴，楊鑫鑫，劉郁川

(大連理工大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116024)

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對夜間照明的需求不斷增加。我國目前仍缺乏對光污染的研究，但光污染已經(jīng)成為城市環(huán)境中的問題[1]。由于缺少城市夜間照明設(shè)置的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、夜間照明的監(jiān)測系統(tǒng)、光污染評價(jià)系統(tǒng)等，城市夜間光環(huán)境中產(chǎn)生不合理照明設(shè)施及規(guī)劃設(shè)計(jì)，從而加重了城市夜間光污染現(xiàn)象，使城市光污染評價(jià)及防治等成為城市發(fā)展中待解決的問題。

本文結(jié)合各國學(xué)者的經(jīng)驗(yàn)，利用天空質(zhì)量計(jì)及分光輻射照度計(jì)實(shí)測大連和米蘭商業(yè)區(qū)城市夜間光環(huán)境情況，探究不同類型城市下人工光環(huán)境特征及對我國光污染防治及監(jiān)測得到啟示。

1 米蘭與大連商業(yè)區(qū)夜間光環(huán)境特點(diǎn)

城市商業(yè)區(qū)域照明由功能性照明與景觀性照明相結(jié)合。城市景觀性照明應(yīng)符合城市整體規(guī)劃目標(biāo)，城市發(fā)展方向及功能布局相呼應(yīng)[2]。合理的景觀照明可以達(dá)到營造良好商業(yè)氛圍，提升城市美感，凸顯城市文化的目的，過度且毫無規(guī)劃的景觀照明會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的光污染現(xiàn)象且造成視覺疲勞，與城市文化相悖的現(xiàn)象[3]。

1.1 米蘭商業(yè)區(qū)域夜間光環(huán)境特點(diǎn)

米蘭夜間光環(huán)境特點(diǎn)是城市照明與城市道路、城市功能分布相呼應(yīng)，呈現(xiàn)出城市功能性照明與景觀性照明相結(jié)合的特點(diǎn)。米蘭夜景照明以環(huán)狀且呈放射狀呈現(xiàn)，與道路情況基本一致。城市重點(diǎn)燈光系統(tǒng)集中在米蘭大教堂商業(yè)圈附近。裝飾性燈光大量集中在節(jié)日期間，控制得當(dāng)，亮度適宜，符合了景觀燈光的藝術(shù)性特點(diǎn)，渲染了節(jié)日氣氛；地標(biāo)性建筑活動(dòng)時(shí)期點(diǎn)亮，趨向單一色調(diào)，體現(xiàn)歷史建筑物典雅大方特點(diǎn)。米蘭城市燈光設(shè)計(jì)低調(diào)典雅，反對以追求色彩豐富光亮為主，致力于營造當(dāng)代大都市安靜、內(nèi)斂而又極具張力的恢弘氣勢。

米蘭商業(yè)主要有幾個(gè)商業(yè)形態(tài)：商業(yè)街、商場、商業(yè)拱廊、商業(yè)廣場等形式、米蘭商業(yè)中心主要集中在以米蘭大教堂為中心的商圈，以幾個(gè)商業(yè)街，商業(yè)廣場及一個(gè)商場的形式呈現(xiàn)。其余商業(yè)分散在居住區(qū)、公共區(qū)中，以居住街區(qū)內(nèi)的臨街商業(yè)形式呈現(xiàn)。米蘭商業(yè)區(qū)域建筑主要以低層2層為主，部分商場為4～6層的多層為主。米蘭商業(yè)區(qū)域人工光源(圖1)主要來源于建筑外立面照燈、廣場上桅桿燈、廣告牌大屏幕燈光、建筑內(nèi)部(或櫥窗)外溢燈光、商業(yè)街道道路上的路燈。光源較為穩(wěn)定，主要燈具以LED燈為主，顏色以白色為主，部分區(qū)域采用黃光。圣誕節(jié)及新年期間，街道中間上方裝置白色或暖黃色LED燈帶，同時(shí)在主要商場墻體做墻體亮化，以白色LED為主，營造了溫馨的街道氛圍，既體現(xiàn)了燈光的照明功能，又具有藝術(shù)性。

圖1 米蘭市商業(yè)區(qū)人工光源類型Fig.1 Types of artificial light source in Milan commercial area

1.2 大連商業(yè)區(qū)域夜間光環(huán)境特點(diǎn)

大連夜間光環(huán)境的特點(diǎn)是城市照明與城市道路、城市功能分布相呼應(yīng)，由于大連為沿海城市，沿海碼頭區(qū)域人工光光環(huán)境較亮，城市重點(diǎn)燈光系統(tǒng)主要集中在城市各大商圈。大連城市亮化較為豐富，追求絢麗多彩，顏色豐富，同時(shí)將景觀性亮燈推向媒體化,LED屏幕全覆蓋，動(dòng)態(tài)展示不斷變化的內(nèi)容；亮燈時(shí)間過長，頻率過高，亮度較大。

大連商業(yè)主要以多個(gè)商圈形式存在，主要有青泥洼商圈、長春路商圈、西安路商圈、馬蘭商圈等。大多商圈存在于城市中心，呈線性分布在大連地鐵2號線沿線。大連商圈內(nèi)商業(yè)形態(tài)主要為商場，地下廣場及地上步行街的形式。大連商業(yè)區(qū)域建筑天際線較為豐富，以多層商場及商場周邊高層建筑為主。大連商業(yè)區(qū)域的建筑高度較高。大連商業(yè)區(qū)域人工光源(圖2)主要來源于道路照明、路過的車輛照明、廣告牌、高層建筑外表面建筑裝飾燈、建筑內(nèi)部燈光溢出，行道樹彩燈亮化，以及景觀照明。大連市商業(yè)區(qū)建筑出現(xiàn)高層和多層相結(jié)合的特點(diǎn)，同時(shí)高層建筑追求墻體亮化，但各高層墻體亮化沒有統(tǒng)一規(guī)劃，呈現(xiàn)各種各樣的色彩，同時(shí)部分墻體呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)展示不斷變化顏色的風(fēng)格。高層建筑外立面燈光以藍(lán)色為主的冷色系為主導(dǎo)，多種顏色相結(jié)合的特點(diǎn)。道路兩側(cè)行道樹用黃色燈帶及紅色燈籠裝飾。商業(yè)廣場LED動(dòng)態(tài)廣告牌較多，亮度較大。

圖2 大連市商業(yè)區(qū)人工光源類型Fig.2 Types of artificial light in Dalian commercial area

2 實(shí)測方法及實(shí)驗(yàn)儀器

2.1 測量背景條件及儀器

為了減少氣象、大氣等環(huán)境因素的影響，實(shí)驗(yàn)選擇了天空晴朗、無云的夜晚，月相為峨眉月的時(shí)間測量。各區(qū)域具體測量時(shí)間及天氣狀況如表1所示。從2005年開始，文獻(xiàn)[4-8]中利用天空質(zhì)量計(jì)Sky Quality Meters (SQM) 對當(dāng)?shù)匾归g光環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。本次實(shí)測的測量儀器使用手持式天空質(zhì)量測量儀SQM-L、分光輻射照度計(jì) CL-500A、指南針及水平儀。

表1 測量背景條件Table 1 Measurement background conditions

2.2 測量指標(biāo)及層次

室外光環(huán)境評價(jià)的定量指標(biāo)主要有亮度水平、照度均勻度、亮度對比度、眩光、光譜、色溫等[9]。本文通過SQM-L測出天空星等亮度，由星等亮度可轉(zhuǎn)換為亮度值。通過分光輻射照度儀測量照度、光譜、色溫等指標(biāo)。測量層次如圖3所示。

圖3 測量層次示意圖Fig.3 Measurement level diagram

星等亮度與亮度轉(zhuǎn)換公式為

L=10.8×104×10(-0.4×[Mmag/arcsec2])

(1)

如圖3所示，用手持式星等亮度計(jì)SQM-L分別測量北(0°)、東北(45°)、東(90°)、東南(135°)、南(180°)、西南(225°)、西(270°)，西北(325°)八個(gè)方位的星等亮度，每個(gè)方位分別測量距垂直線15°、30°、45°、90°四個(gè)角度以及垂直天空0°和垂直地面180°的星等亮度。每個(gè)測量點(diǎn)共測量34個(gè)點(diǎn)的星等亮度。

3 米蘭與大連商業(yè)區(qū)域夜間光環(huán)境實(shí)測對比分析

3.1 米蘭市商業(yè)區(qū)域夜間光環(huán)境實(shí)測

1)米蘭市商業(yè)區(qū)域?qū)崪y地點(diǎn)。在過去的幾十年里，米蘭大教堂及其周邊商業(yè)街已經(jīng)成為國際購物中心，大教堂周邊是眾多的豪華奢侈品店，這些奢侈品店通過照明和裝飾奢華的櫥窗來吸引注意。因此大教堂商圈的人工光迅速增長。在米蘭大教堂商圈選取10個(gè)測點(diǎn)，如圖4所示，其中測量點(diǎn)1、2、3、9和10均為商業(yè)廣場。 4、5、6、7和8均為主要商業(yè)街。

圖4 米蘭商業(yè)區(qū)域測點(diǎn)分布Fig.4 Distribution of measurement points in Milan commercial area

2)米蘭市商業(yè)區(qū)域夜間星等亮度。星等亮度是表現(xiàn)天空亮暗程度的指標(biāo)之一，星等亮度越大表示天空越暗，直觀反映光污染對天空光環(huán)境的程度[10]。在全天空光環(huán)境分析中，由于天空亮度遠(yuǎn)低于地表亮度，軟件無法直接進(jìn)行亮度等級劃分，因此對冠層以上空間進(jìn)行 360°環(huán)形測量，定量分析照明設(shè)施對城市夜間光環(huán)境亮度影響。

由于總體傾斜角度為15°和30°受測量周圍環(huán)境干擾較小，傾斜角度為45°方向星等亮度變化較不穩(wěn)定，受周邊環(huán)境影響較大，遂取每個(gè)測量點(diǎn)15°和30°的平均值為分析各個(gè)方向星等亮度參考，繪制所有測點(diǎn)傾斜角度為15°和30°星等亮度平均值圖如圖5所示。

根據(jù)圖5顯示，測量商業(yè)區(qū)域南側(cè)和東側(cè)光污染較小，北側(cè)、東北、西北星等亮度值較低，受到的光污染較嚴(yán)重。如圖6所示，測量區(qū)域北部亮度較高，南側(cè)亮度較低，測量商業(yè)街位置北側(cè)亮度較高，說明北部的高亮地區(qū)對商業(yè)區(qū)域的天空亮度產(chǎn)生了一定影響。

圖5 米蘭商業(yè)區(qū)測各方位的平均星等亮度值雷達(dá)圖Fig.5 Radar map of average magnitude brightness value of all directions in Milan commercial area

3)米蘭市商業(yè)區(qū)域夜間光譜分析。將復(fù)合光中的各種波長輻射的相對功率量值按照對應(yīng)的波長相連接就形成該復(fù)合光的光譜功率分布曲線，簡稱光譜曲線。光譜曲線可以清晰地表達(dá)出城市地表光源情況，根據(jù)與不同燈具光譜分布的對比，分析該測點(diǎn)光源情況。

圖6 宇航員拍攝米蘭上空光環(huán)境圖像Fig.6 Astronauts take pictures of the light environment over Milan

光譜主要受周圍光源影響。為了整體地、有目的地分析實(shí)測區(qū)域光環(huán)境光譜分布特征，根據(jù)測量點(diǎn)所在區(qū)域的功能類型對其進(jìn)行劃分，其中測點(diǎn)1、2、3、9、10為位于商業(yè)廣場上的測點(diǎn)(見圖7)，測點(diǎn)4、5、6、7、8為商業(yè)街上的測點(diǎn)(見圖8)。

圖7 商業(yè)廣場測點(diǎn)1、2、3、9、10光譜圖Fig.7 Spectrogram of measuring points 1、2、3、9 and 10 in commercial square

通過對米蘭商業(yè)區(qū)域光譜分析，各個(gè)觀測點(diǎn)的光譜分布形態(tài)大致相似，均出現(xiàn)兩個(gè)峰值，分布形態(tài)與LED等分布形態(tài)極為類似，說明商業(yè)區(qū)域主要受到道路燈光、LED屏幕和櫥窗光的影響，米蘭在2015年市中心的路燈由黃色的鈉蒸汽燈變?yōu)榱税咨腖ED燈。同時(shí)商業(yè)廣場上的測點(diǎn)9、10與商業(yè)街上的測點(diǎn)4、6還受到少部分高壓鈉燈的影響。米蘭商業(yè)區(qū)域光源以LED燈為主，比較統(tǒng)一。

圖8 商業(yè)街測點(diǎn)4、5、6、7、8光譜圖Fig.8 Spectrogram of 4、5、6、7、8 measuring points in commercial Street

3.2 大連市商業(yè)區(qū)域夜間光環(huán)境實(shí)測

1)大連市商業(yè)區(qū)域?qū)崪y地點(diǎn)。青泥洼商圈擁有近百年的商業(yè)傳統(tǒng)，位于大連市中心，是大連最有名的商業(yè)區(qū)，主打中高端的消費(fèi)群體。

在大連市青泥洼商圈選取10個(gè)測點(diǎn)，如圖9所示。其中測點(diǎn)1、2、8、9、10位于商業(yè)街主干道中山路上。測點(diǎn)3、4、5位于勝利購物廣場上，測點(diǎn)6、7位于青泥街上，為商業(yè)步行街。

圖9 大連商業(yè)區(qū)域測點(diǎn)分布Fig.9 Distribution of measurement points in Dalian commercial area

2)大連市商業(yè)區(qū)域夜間星等亮度。繪制大連商業(yè)區(qū)域所有測點(diǎn)傾斜角度為15°和30°星等亮度平均值圖如圖10所示。

圖10 大連市商業(yè)區(qū)測各方位的平均星等亮度值雷達(dá)圖Fig.10 Radar map of average magnitude brightness value of all directions in Dalian commercial area

根據(jù)圖10顯示，大連市商業(yè)測量區(qū)域北向和南向星等亮度值較高，北側(cè)和南側(cè)天空較暗，西側(cè)，東側(cè)東北側(cè)受到的光污染較為嚴(yán)重。通過宇航員拍攝大連城市夜間光環(huán)境情況如圖11所示，測量區(qū)域西側(cè)東北側(cè)燈光較多較亮，測量商業(yè)街位置西側(cè)東北側(cè)亮度較高，測量區(qū)域周邊光源對測量區(qū)域產(chǎn)生了一定影響。

圖11 宇航員拍攝大連上空光環(huán)境圖像Fig.11 Astronauts take pictures of the light environment over Milan

3)大連市商業(yè)區(qū)域夜間光譜分析。通過對大連商業(yè)區(qū)域光譜分析，各個(gè)觀測點(diǎn)的光譜分布形態(tài)大不相同，相同區(qū)域上的點(diǎn)分布形態(tài)較為相似(見圖12)。其中，商業(yè)區(qū)域主干道上的點(diǎn)(1、2、8、9、10)主要受到高壓鈉燈的影響，還有小部分LED燈的影響，高壓鈉燈主要來源于路燈，LED燈主要來源于街道兩側(cè)廣告牌及墻體亮化。位于商業(yè)購物廣場上的點(diǎn)(3、4、5)主要受到高壓鈉燈，LED燈等多種類型。位于步行街上的點(diǎn)(6、7)受到的光源較為復(fù)雜，主要受到高壓鈉燈等多種光源的影響。大連市商業(yè)區(qū)域上的點(diǎn)光源類型較多，較為復(fù)雜。

3.3 大連與米蘭商業(yè)區(qū)域夜間光環(huán)境實(shí)測對比分析

以下通過對比米蘭大連商業(yè)區(qū)域夜間星等亮度，色溫的值，量化分析不同商業(yè)的光源類型對光污染的影響，不同建筑類型導(dǎo)致的不同光源分布對光污染的影響。通過不同傾斜角度測得的星等亮度對比，分析地面光源對城市夜空層/城市冠層產(chǎn)生的影響，并探究兩個(gè)城市的商業(yè)區(qū)域何種因素導(dǎo)致測得不同傾斜角度的星等亮度的差異及變化趨勢。通過兩個(gè)城市商業(yè)區(qū)域各測點(diǎn)天頂星等亮度分布情況，分析兩個(gè)城市不同光源分布特點(diǎn)帶來的不同影響。通過兩個(gè)城市商業(yè)區(qū)域測點(diǎn)色溫的分布情況，探究兩個(gè)城市光源分布特點(diǎn)。通過多項(xiàng)對比分析，為大連市光污染立法及照明規(guī)劃提供依據(jù)和參考。

1)夜間星等亮度對比。對大連市和米蘭市所有測點(diǎn)的不同傾斜角度測得的星等亮度值取平均值并繪制圖13?？梢?，大連市和米蘭市商業(yè)區(qū)域均呈現(xiàn)出從0°～15°，從15°～30°，從30°～45°，斜率越來越大，星等亮度的變化越來越快，這說明在冠層附近的光環(huán)境受地表照明影響較為顯著。而夜空層光環(huán)境由于是整個(gè)城市空間照明綜合影響的結(jié)果，因此該層次下降較為緩慢。在傾斜角度為0°、15°、30°和45°時(shí)，米蘭商業(yè)區(qū)域各測點(diǎn)平均星等亮度值均大于大連，而90°各測點(diǎn)平均星等亮度值較為相近。說明兩個(gè)城市商業(yè)區(qū)域受水平方向光環(huán)境影響較為相似，而整體大連測得光污染較為嚴(yán)重的原因可能是因?yàn)榇筮B商業(yè)區(qū)域向上發(fā)射的光更多。受到多種原因的影響，例如大連高層建筑外立面燈光，使用非(半)截光型道路照明燈具[11]，直接向天空發(fā)射光等各種因素的影響。

圖12 大連市商業(yè)區(qū)域光譜圖Fig.12 Spectrum of Dalian commercial area

圖13 大連與米蘭商業(yè)區(qū)域各傾斜角度平均星等亮度對比圖Fig.13 Comparison of the average brightness of stars at different tilt angles between Dalian and Milan commercial areas

圖14 大連與米蘭各測點(diǎn)天頂星等亮度對比圖Fig.14 Brightness contrast of zenith magnitude of Dalian and Milan

天頂星等亮度可作為評價(jià)光污染嚴(yán)重程度的重要指標(biāo)之一，圖14為米蘭和大連市各測點(diǎn)天頂星等亮度值。米蘭和大連商業(yè)街主干道上點(diǎn)的星等亮度值均小于商業(yè)廣場和次干道上的點(diǎn)。其中米蘭市測點(diǎn)6、7星等亮度值最低，亮度最大，受到周邊路燈，櫥窗燈人工光環(huán)境影響較大。

對米蘭10個(gè)測點(diǎn)垂直向上方向上(0°)取平均值，測量商業(yè)區(qū)域平均星等亮度為14.95 mag/arcsecond2，轉(zhuǎn)換為亮度值為0.113 cd/m2。對大連10個(gè)測點(diǎn)垂直向上方向上(0°)取平均值，測量商業(yè)區(qū)域平均星等亮度為14.02 mag/arcsecond2，轉(zhuǎn)換為亮度值為0.266 cd/m2，亮度為米蘭商業(yè)區(qū)域亮度的2.35倍。而自然黑暗天空亮度的 2.1×10-4cd/m2，米蘭商業(yè)區(qū)是自然天空亮度的539倍，大連商業(yè)區(qū)是自然天空亮度的1 267倍，大連商業(yè)區(qū)天空亮度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于自然黑暗天空亮度。

2)夜間色溫對比。根據(jù)米蘭及大連商業(yè)區(qū)域各測點(diǎn)色溫分布如圖15所示，通過各點(diǎn)分布值可以看出，米蘭市測量商業(yè)區(qū)域色溫主要集中在3 300～3 850 K之間，該區(qū)域?yàn)橹行陨珳兀植驾^為集中。大連市測量商業(yè)區(qū)域色溫主要分布在2 300～5 000 K之間，分布較為分散，其中，主要商業(yè)街上色溫較低、色偏紅，商業(yè)廣場及次干道上色溫較高，為中性色溫。

圖15 大連市與米蘭市商業(yè)區(qū)域夜間色溫對比Fig.15 Comparison of night color temperature between Dalian and Milan

米蘭市商業(yè)區(qū)域各測點(diǎn)色溫差異較小而大連市各測點(diǎn)色溫差異較大，推測原因可能是米蘭市商業(yè)區(qū)域照明分布比較均勻，根據(jù)前文可知各測點(diǎn)均以LED照明為主，而大連市商業(yè)區(qū)域照明比較復(fù)雜，根據(jù)前文可知各測點(diǎn)光源類型較多，各測點(diǎn)光源也不太一致，所以色溫分布差異較大。

4 結(jié)束語

本文通過對大連市及米蘭市商業(yè)區(qū)域夜間光環(huán)境的實(shí)測分析，得出以下結(jié)論：

1)兩個(gè)城市測量商業(yè)區(qū)域周邊高亮地區(qū)均對測量區(qū)域的天空亮度產(chǎn)生了一定影響。地面人工光源不僅對此區(qū)域天空光污染造成影響，還對周邊區(qū)域天空光污染造成影響。

2)米蘭商業(yè)區(qū)域各測點(diǎn)光譜較為一致，光源較為統(tǒng)一，均為LED燈，大連市商業(yè)區(qū)域各測點(diǎn)光譜較為復(fù)雜，光源類型較多，主要受到高壓鈉燈，LED燈等多種類型光源的共同影響。

3)米蘭商業(yè)區(qū)的亮度值為0.113 cd/m2,是自然天空亮度的539倍，大連商業(yè)區(qū)亮度為0.266 cd/m2，是自然天空亮度的1 267倍。均有嚴(yán)重的光污染現(xiàn)象，且大連市商業(yè)區(qū)光污染較米蘭市的光污染嚴(yán)重。

4)兩個(gè)城市商業(yè)區(qū)測量傾斜角度從0°～45°，越靠近城市冠層，星等亮度變化越來越快，說明城市冠層受到地表光源的影響更為顯著。

5)大連市和米蘭市商業(yè)區(qū)水平方向星等亮度接近，但水平以上的天空米蘭市商業(yè)區(qū)星等亮度大于大連市。說明大連市和米蘭市水平方向上的亮度接近但大連市發(fā)射到天空的光更多，米蘭市全部采用截光型燈罩且沒有直射天空的光，大連市未采用截光型燈罩且外溢光較為嚴(yán)重，大連市城市亮化高層及商場均有墻體亮化向上發(fā)射光，導(dǎo)致更為嚴(yán)重的光污染的現(xiàn)象。大連市應(yīng)嚴(yán)格采用截光型燈罩且盡量避免墻體亮化。

6)米蘭和大連商業(yè)廣場和商業(yè)街次干道上的點(diǎn)天空星等亮度均高于商業(yè)街主干道。商業(yè)街主干道有更多的光源，光源更為豐富復(fù)雜。

7)米蘭市光源較為統(tǒng)一，色溫及色彩較為一致，有統(tǒng)一的規(guī)劃。大連市光源較為復(fù)雜，多種類型光源共同作用，色彩豐富，色溫差異大，缺乏統(tǒng)一燈光規(guī)劃。

8)照明規(guī)劃應(yīng)以功能性照明為主，必要地段輔助景觀性照明，光源類型及分布應(yīng)盡量統(tǒng)一，色溫以單色或單色系為主。

本文通過實(shí)測對城市商業(yè)區(qū)域人工光環(huán)境進(jìn)行分析，對大連市照明規(guī)劃的制定提供建議，對光污染實(shí)測及評價(jià)體系提供參考。