城市光污染：LED顯示屏亮度問題的思考

方 景 肖 輝 邴赫亮

(同濟大學電子與信息工程學院，上海 201804)

1 前言

隨著我國城鎮化率的提高，城市得到了極大的發展，由此所帶來的問題也日益突出，光污染就是其中之一。由于半導體照明技術和控制技術的迅猛發展，LED顯示屏幾乎在所有大型商場的室外照明中都得到應用，成為了城市光污染不可忽視的一部分。

為了突顯照明對象的特點以奪人眼球，出現了片面的追求照明對象高亮度，而其高亮度所帶來的過多的逸散光使得周圍環境亮度升高，這又導致視覺對比度下降，迫使照明對象的亮度再次提高的惡性循環現象。亮度過高不僅浪費能源，同時還會產生眩光和光污染等一系列的問題。

2 LED顯示屏應用現狀和分析

信息化社會的到來，促進了現代信息顯示技術的發展。LED顯示屏以突出的優勢成為平板顯示的主流產品之一，并在社會經濟的許多領域得到廣泛應用。LED顯示屏已經成為了城市特色不可或缺的一部分，尤其是在作為城市名片的城市商務區。

由于部分使用者和管理者缺乏對景觀照明的正確認識，造成不考慮實際能力和景觀對象的具體情況，在城市夜景照明建設中貪大求洋、浪費能源、造成光污染的現象并不少見。照明亮度過高，文化品位較低，環保意識淡薄是當前城市LED顯示屏夜景照明的一大問題。

面對照明工程對象，沒有適度控制燈光明暗來獲得錯落有致的景觀亮度圖式，同時，在調光技術相對成熟的今天，許多LED顯示屏并沒有進項相匹配的調光，導致在白天和晚上顯示屏的亮度一樣，導致在城市商務區夜景照明的建設和實施過程中，出現了照明對象亮度過大，以及由此帶來的眩光、區域天空發亮等光污染的問題。

LED顯示屏的亮度過高所帶來的問題是顯而易見的。

(1)亮度過高引起的眩光、光入侵和光泛濫等現象不僅對人的視力造成損害，還會擾亂人的生理節律，造成神經衰弱、失眠和內分泌紊亂等;

(2)在城市夜景照明工程中，過度的元素堆積，會造成設計的混亂，破壞審美效果。

(3)亮度過高的夜景照明不僅造成大量的能源浪費，還使大量的光逸散到天空中，產生光污染，與此同時，高亮度意味著相關照明發熱量也高，產生局部地區夜間的“溫室效應”。

(4)夜間暗天空的喪失，在過度追求的城市夜景景觀的亮化工程下，人們已經失去了自然夜空的美景。

(5)高亮度的夜景對昆蟲的行為模式、鳥類的遷徙等都有較大影響。根據美國魚類及野生動物部門推算，每年受光污染影響死亡的鳥類達到400～500萬只之多。同時，光污染還會對植物自然生長周期的生物鐘節律等產生影響這都違背了可持續發展的理念，會破壞生態系統的平衡。

3 解決LED顯示屏亮度過高問題的理論分析

眼睛能夠辨別背景上的被觀察對象，必須滿足以下兩個條件之一，對象與背景具有不同顏色，或者是對象與背景在亮度上有一定的差別，即要有一定的對比。前者為顏色對比，后者為亮度對比。常用亮度對比度來衡量亮度比，它是視野中的目標亮度與背景亮度差的絕對值與背景亮度之比，其表達式如下所示:

其中L0為目標亮度，Lb為背景亮度。

人工逸散光在區域內形成亮度疊加，假設逸散光形成的亮度值為LF，此時的亮度對比度相應地變為:

從上面的兩個式子比較可以發現C＞C'。即逸散光造成目標亮度對比度的下降，使目標的可觀測性降低。

曾有學者針對上海市區內幾個主要觀光旅游景點中具有代表性的建筑，測量了它們的泛光照明亮度和背景亮度，并作了亮度主觀評價。通過分析所獲得的主客觀數據，他們得出了泛光照明的建筑物的視亮度并不是單純地由它本身的亮度所決定，而在很大程度上是適應亮度 (背景亮度，在這里是天空亮度)決定的結論。

要獲得良好的視看效果，應當設計被視對象和環境背景間良好的亮度對比。對于被視對象應該對其進行亮度調節，使亮度對比度在相應合適的范圍內。

以下通過對徐家匯商業區LED顯示屏三年來的研究結果進行討論分析，從亮度和亮度對比度的角度思考LED顯示屏的調光設置對于城市光污染的治理的巨大作用。

4 徐家匯商務區LED顯示屏亮度分析

研究小組對徐家匯商務區的三個主要的LED顯示屏進行了亮度測量。采用亮度計定點測量的方法，根據被測目標的特點，選擇不同的視角，選擇多次測量的最大亮度值作為測量結果。

(1)在徐家匯商業區一共有三個大型的戶外全彩LED顯示屏，分別在恒隆廣場墻面上 (東南向)，東方商廈樓頂 (東向)以及太平洋百貨墻面上 (南向)，其分別如圖1所示:

圖1 恒隆廣場、東方商廈、太平洋百貨LED顯示屏Fig.1 LED display

筆者從下午兩點到晚上八點通過實地調研和測量，其背景亮度和LED顯示屏的亮度如表1所示:

表1 測量各顯示屏亮度Table 1 Display luminance

(2)兩年前調研數據。在2年前的筆者所在課題組也對徐家匯商務區的夜景照明進行了調研，在徐匯區綠化和市容管理局的支持下完成了《核心商務區夜景照明節能分析與研究》報告，在該報告中提出了調研數據、情況分析、主客觀評價以及明確的整改建議。其LED動態顯示屏的調研數據如圖2所示:

圖2 LED動態顯示屏亮度統計Fig.2 LED dynamical display luminance

(3)分析比較。從兩年前的數據中可以看出，5號屏幕的亮度達到了2000cd/m2，19號屏 (恒隆廣場屏)亮度超過3100cd/m2，遠超周邊的環境，主要原因是電子顯示屏幕亮度疊加大功率投光燈所致，如圖3所示。這樣的亮度不但沒有突出屏幕的內容，反而使屏幕色彩飽和度降低，不利于正常觀看，同時，該亮度會給人眼帶來刺痛感，使受眾視線不會在屏幕上停留過多時間，反而降低了宣傳的效果。而從今年的調研數據圖一可以看出，投光燈的所帶來的亮度基本沒有了，整改取得了明顯的效果。

圖3 恒隆廣場大屏幕與投光燈亮度疊加Fig.3 Luminance overlaying

兩年前的調研發現，LED顯示屏白天的亮度和晚上的亮度相差無幾，沒有進行調光，并且畫面切換頻率高，產生很高的眩光，給司機造成很大的危險。筆者統計，徐家匯LED顯示屏的切換頻率為30次每分鐘 (是動態畫面，該切換頻率是指整體畫面的切換頻率)，相對于兩年前來說頻率降低了很多，但是給筆者的感覺是切換的速度還是偏快，盯著屏幕一會兒就會出現不舒適的感覺。畫面的切換頻率宜設置在10～20次每分鐘之內。

從今年的測試數據可以看出，對于LED顯示屏的亮度控制取得了明顯的效果，其在白天和晚上的亮度數據發生了較大的變化，說明對LED顯示屏的亮度按時間進行了調整。今年測試的晚上天空背景亮度約為1.5cd/m2，而兩年前的數據顯示最大天空背景亮度達到了66.7cd/m2，從這組數據中可以看出，逸散光明顯降低了。統計數據顯示兩年前廣告照明耗能電量為704.3kwh，建筑物景觀照明耗電量為556.76kwh，如圖4所示:

圖4 景觀照明與廣告照明耗電 (不完全)統計圖Fig.4 Electricity consumption

從上面的統計數據可以看出，廣告照明耗電量已經超過建筑本身的照明耗電量。而在今年的調研數據顯示，環境的逸散光明顯得到降低，冷陰極照明對象大量減少，節能效果明顯。而從今年的測試數據中也能看出，背景亮度和LED顯示屏亮度都在合適的范圍之內，完全滿足《上海市戶外廣告設施設置陣地規劃》上關于自發光廣告、招牌、顯示屏和標識表面亮度的限制值。

(4)結論。從上面兩組數據的對比中可以看出，對于徐匯區商務的夜景照明亮度控制已經取得了較大的成果，其節省了大量的電能，減少了逸散光光污染。

徐家匯的燈光管理控制在兩年的時間內取得了極大的成就，通過對廣告顯示屏的調光、減少大功率投光燈的使用、分區控制等方法即達到了夜景照明的要求又極大的節省了能源，降低了城市光污染。

城市燈光管理是一個系統工程，需要各方面相互協調合作。

首先是該地區的燈光管理職能部門應制定統一的亮度設置標準，減少由于商家、業主盲目追求高亮度的惡性競爭所帶來的亮度的失控。在統一協調的前提下，使得背景亮度降下來。

其次要對LED顯示屏進行強制調光設置。根據各個城市所處位置的四季變化規律調節LED顯示屏白天和晚上的亮度。設置合適的畫面切換頻率。

第三是要對不同的照明對象設置不同的開關模式，分區分功能管理。最后應鼓勵推行綠色節能的照明技術。

徐家匯商務區管理控制經驗值得其他城市借鑒學習。

5 結束語

在城市商務區LED顯示屏的建設與改造過程中，適當控制照明對象的亮度值，通過層次分明的亮暗搭配和適宜的亮度對比來突顯視看對象。除了亮度，還應控制顯示屏的畫面切換頻率，打造個性化的照明環境，起到吸引公眾目光和廣告宣傳的作用。

在控制商務區內整體照明亮度時，制定合適的照明控制策略如時間表控制場景控制，并引入智能化的集中控制系統，將在很大程度上方便同步調節各照明對象的亮度并保持相對恒定的亮度比。這些措施對于降低商務區內不必要的過高亮度，減少逸散光對于城市星空的污染以及其他形式的光污染，對于降低能源消耗，都將會發揮重要作用。

城市光污染的治理不是一蹴而就的過程，而是一個需要長遠規劃考慮的系統工程，對于城市光污染的治理任重而道遠。

［1］朱平，肖輝，馬振.城市商務區夜景照明亮度問題的思考［J］.照明工程學報，2012，23(5):23－27.

［2］劉鳴，馬劍，張寶剛，等.夜天空亮度的測量及其評價研究－以天津夜天空為例［J］.照明工程學報，2007，18(3):6－11.

［3］楊春宇，陳仲林，黃彥.建筑立面泛光照明亮度主觀量因素評價研究［J］.照明工程學報，2005，16(2):15－17，21.

［4］李奇峰，俞麗華，楊公俠，等.上海市區環境亮度及建筑物泛光照明亮度調查［J］.同濟大學學報 (自然科學版)，2005，33(5):621－625.

［5］鐘齊佳，羅姣，劉潔.大屏幕顯示屏光污染評價與防治［J］.照明工程學報，2010，21(3):28－31.

［6］張華忠，荊其誠.照度和對比度對于視覺顯示終端視覺功能的影響［J］.心理學報，1988，3:243－251.

［7］肖輝，等.核心商務區夜景照明節能分析與研究［R］上海:同濟大學.

［8］俞麗華.電氣照明 (第二版)［M］.上海:同濟大學出版社，2006:5.

［9］JGJ/T163－2008.城市夜景照明設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2008.