國內外夜空亮度測量研究進展

蘇曉明，郝占國，張明宇

(1.內蒙古工業大學建筑學院，建筑物理實驗室，內蒙古 呼和浩特 010051；2.天津大學建筑學院，天津大學天津市建筑物理環境與生態技術重點實驗室，天津 300072 )

?

國內外夜空亮度測量研究進展

蘇曉明1，郝占國1，張明宇2

(1.內蒙古工業大學建筑學院，建筑物理實驗室，內蒙古 呼和浩特 010051；2.天津大學建筑學院，天津大學天津市建筑物理環境與生態技術重點實驗室，天津 300072 )

對全球夜空亮度測量研究進行了概述；以夜空亮度測量方法為切入點，梳理了夜空發亮研究的發展脈絡；通過對夜空亮度測量方法進行分類研究，歸納了夜空發亮研究的三種方法：“數學模型計算法”、“夜空圖像利用法”和“儀器測量法”；依據對三類測量研究的研究對象、研究過程、研究結論等方面進行對比分析，指出不同測量研究方法的優勢與薄弱環節，及其未來發展方向。

夜空發亮；測量；亮度；數學模型；夜空圖像

引言

目前，環境科學、生物科學、醫學、人類學、社會科學等眾多領域都在積極開展城市夜空發亮研究，應對夜空發亮產生的不良影響。但是，夜空亮度測量研究目前還存在測量方法不統一，測量設備不夠完善、測量數據無法多領域共享等問題。這已成為該領域的發展瓶頸，甚至還制約了其他領域的相關研究。因此，本文以夜空發亮的測量方法為研究對象，如圖1所示，從數學模型測量、圖像數據測量、儀器測量研究三個主要方面對比分析該領域的研究成果。通過梳理夜空亮度測量研究的發展脈絡，尋找夜空亮度測量研究的主線、歸納不同測量方法特點，對夜空亮度測量研究的未來方向進行了展望，并為夜空發亮及相關領域的研究提供參考。

圖1 夜空亮度測量方法Fig.1 Method of night-sky Light measuring

1 夜空亮度測量研究——模型計算類

1.1 模型測量相關研究成果

夜空亮度測量是夜空發亮研究的主要內容之一。利用數學模型對夜空發亮進行量化計算是主要的測量方法之一。根據筆者所掌握的資料顯示，夜空發亮的量化研究始于1970年，此后相關研究的內容開始不斷完善、深入。

夜空發亮數學模型的已有研究成果，基本解決了夜空發亮機理、特征特點和程度評定方法等夜空發亮的基本問題，并為夜空發亮圖像測量研究、儀器測量研究提供了重要理論基礎。如：Merle F Walker (1970)，通過對(1965—1967年)加利福尼亞夜空觀測數據進行分析，綜合考慮了大氣狀況、觀察者視角等因素，率先指出了夜空發亮的可觀察區域[1]，并在之后的研究中(1973)首次指出通過控制地面的光照情況、建立夜天空保護區等方法能夠減低夜空發亮程度。這些方法已是目前夜天空保護的主要手段[2]；Robert Pike(1976)通過建立大氣散射模型，計算并描述了安大略省南部及其周邊的夜空發亮狀態，并利用計算機分析夜空發亮圖片與城市人口變化率的相關性，形成了夜空亮度—人口數學模型，用來預測未來夜空發亮的變化情況；1976年，Berry也建立了包括城市人口參數、觀察點地理位置參數，大氣吸收率在內的夜空亮度計算數學模型[3]。該數學模型對夜空亮度測量研究產生了深遠影響。首先是Garstang依據Berry的城市人口—夜空發亮原理，增加了地面反射、大氣散射、分子擴散等夜空發亮的形成過程參數，建立了更加真實有效的夜空亮度計算模型[4]。并在之后的研究中不斷增加了大地表面弧度[5]、空氣塵埃[6]等影響參數，使原有的數學模型更接近于實際情況；P Cinano(2001)利用DMSP衛星圖像和Garstang模型，首次建立了全球夜空亮度數據圖，用以評價不同夜空亮度等級影響下的全球人口數量，其“全球約有1/5的人口，約2/3的美國人和一半以上的歐洲人口已無法利用肉眼觀察銀河”的結論被廣泛引用[7]；還有，Steve Alere(2001)，結合1990年美國人口數據，對Garstang模型進行深化，得到夜空某點發光強度計算公式為

(1)

其中P為城市人口數量，R為觀測點到地面的距離[8]。

2014年，Cinzano對比Garstang的亮度——人口模型，從光的能量分布方式角度出發建立了全新的夜空發亮模型為

(2)

其中，發光強度為Iλ(x,y,z,θ,φ)，x,y為地面坐標，z為海拔高度，θ視線方向的高度角,φ為方位角[9]。

1.2 模型測量相關研究成果統計分析

對夜空發亮模型測量方法的統計如表1所示：圍繞夜空發亮成因，各國研究者選擇了城市人口、城市形態、大氣狀態、光的傳播等多種目標為研究對象；圍繞研究對象要素進行分析的9篇文獻中，有4篇重點討論了光在大氣中的傳播方式、4篇討論了城市人口狀態對夜空發亮的影響、7篇文獻在研究中考慮了觀察者的空間位置(包括：地表狀態，2篇)對測量結果的影響；9篇文獻的研究結論可分為對象特征分析(1、2)、評價模型建立于優化(3、4、5、6、7)、評價模型轉型(8、9)三個階段。由此可見：

(1)夜空亮度測量研究有幾個關鍵問題：①夜空亮度測量結果受觀察者和被測地點的空間位置影響；②夜空發亮會受到地面特征、大氣特征、空氣質量等因素影響；③夜空發亮程度與城市發展(人口數量)密切相關。

(2)夜空亮度模型研究的兩個發展趨勢：①深入研究夜空發亮環境的影響因子，使研究、評價進一步深入、細化；②轉換思維，從光的能量變化、光的傳播途徑等方面重新對夜空發亮進行定義、評定或進行對比分析研究。

2 夜空亮度測量研究——圖像數據類

2.1 圖像數據

表1 夜空亮度測量研究成果(數學模型類)統計表Table 1 Night-sky Light measuring research results date (mathematical model)

圖像數據能夠直觀的記錄夜空發亮的情況。無論是定性研究還是定量分析，有效的夜空圖像數據，都能夠為夜空發亮評價、研究提供有力的支撐。利用圖像數據進行檢測，不僅擴大了夜空發亮研究的領域，也從分析研究對象、驗證研究等角度間接促進了夜空亮度數學模型測量、儀器測量等方法的發展；同時，該方法也為其它領域的相關研究提供了開展研究的便捷途徑。

在夜空發亮圖像測量研究的成果中，依據圖像采集設備的不同，可將檢測方法分為遙感衛星圖像測量和CCD(電荷耦合器件)相機圖像兩大類，如表2所示。其中，依據來源的不同，遙感衛星圖像又可分為DMSP衛星圖像、VIIRS衛星圖像。不同采集設備在應用范圍、精度等方面存在較大差異。

表2 夜空亮度圖像數據采集設備表Table 2 Image monitors of night-sky brightness

2.2 圖像數據測量相關研究成果

收集的相關研究成果包括：1970—1979年相關論文共4篇(1篇研究與衛星圖像有關)；1980—1989年有 2篇關于數學模型評價的研究成果；1990—1999年共5篇(4篇與衛星圖像相關)；2000—2009年共15篇(7份研究利用了衛星圖像，1份研究利用了CCD相機圖像)；2010至今共有文獻48篇，其中有35篇研究利用了圖像數據。統計結果如圖2所示。可見，夜空亮度測量方法的相關研究成果逐年增多；近年，利用圖像數據進行夜空發亮研究相關成果數最多，數量增長速度最快。

圖2 夜空亮度測量方法相關研究成果統計圖Fig.2 Night-sky Light measuring relevant research results

無論哪類圖像測量方法，都大大拓展了夜空發亮的研究領域，也使夜空發亮的研究更加深入、更具有現實作用。如D Elvidge Christopher等(2010)對比分析了DMSP衛星圖像上的光譜特征與地面43種典型光源的光譜特征關系，探討了如何利用衛星圖像分析地面光源的使用情況[10]； F A Kruse(2011)結合DMSP衛星圖像數據和光譜成像分析儀測量結果，對夜空光譜進行了研究，用以分析城市范圍內燈光的使用情況[11]；Fabio Falchi (2011)利用CCD相機連續12年紀錄了夜天空發亮情況，利用統計學方法對CCD圖像數據進行分析，總結了夜空全天空亮度分布等特點； C M Christopher(2013)利用不同角度的兩個CCD相機組合對近地面夜空拍攝，研究城市燈光在大氣中的傳播路徑的變化狀態； C D Elvidge (2013)利用VIIRS衛星圖像對地面光源的色溫進行了分析，指出衛星圖像能夠區分出色溫為600～6000K的大面積地面光源[12]； J Bennie (2014)利用VIIRS衛星圖像對1995—2010年歐洲上空的光污染變化規律進行了研究，指出歐洲夜空在逐漸變亮的大趨勢下，很多發達城市的夜空亮度卻在逐年降低[13]。

2.3 圖像數據測量研究成果分析

(1)利用圖像對夜空發亮進行研究具有應用范圍廣、直觀、高效等特點，使夜空發亮研究更加深入、直觀。但是，受到圖像清晰度、圖像采集空間位置等因素的制約，各種圖像測量方法都具有相應的邊界條件。

(2)受測量區域、圖像精度、測量位置等邊界條件影響，不同圖像測量方法可適用于不同的研究對象。衛星圖像測量研究常用于大范圍的光環境評價，但受到圖像精度、大氣狀態的直接影響，難以全面、具體的反應地面小尺度光源、環境等信息。CCD相機圖像測量研究，能夠直觀的反應人視點的天空發亮、地面光照等情況，但是受圖像采集地點和方法等因素的影響，這種方法常難以進行大尺度城市范圍的天空發亮研究。

(3)在一定程度上，未來夜空發亮圖像測量研究可向補充針對城市中等尺度的測量方法研究方向發展，既研究介于全球衛星圖像大尺度與地面局部CCD圖像小尺度之間，如街道空間、城市區域空間光環境對夜空發亮的影響。

3 夜空亮度測量研究——測量儀器類

3.1 測量儀器相關研究

受科技快速發展、夜空發亮領域相關研究的迅速深入和擴展等影響，夜空亮度測量儀器研究正處于一個不斷優化和自我完善的階段，但是，多種夜空亮度測量裝置的研制與使用，已能夠為夜空發亮領域及其它領域的相關研究，提供快速、準確獲取夜空亮度數據的有效手段。如：沈天行(2001)研發了SM光環境測試系統，該系統不僅能夠對夜空亮度進行測量，同時，還能夠對居住區、室內、城市照明等多種光環境進行測量，并以圖像的形式記錄目標，以圖像和數據的形式顯示測量結果[14]；Piertonio Cizano(2005)率先研制出了便攜式夜空品質儀SQM(Sky Quality Meter)，用以直接測量夜天空亮度值(星等值)[15]，該儀器被IDA(International Dark-Sky Association)組織廣泛應用于夜空發亮的測量中。同時，該儀器在后續的相關研究中也常常被用作主要測量儀器或研究對比對象；Dan M Duriscoe (2007)，利用魚眼鏡頭和計算機處理軟件，研制出了針對全夜空范圍的夜空亮度快速測量裝置[16]；劉鳴(2007)利用TOPCON BM7 彩色亮度計直接對天津城市夜天空亮度進行了測量，對夜空亮度分布進行了分析，并得出了天津城市中心區范圍的夜空亮度分布圖，并且還進一步對夜空亮度監測和評價方法進行初步探討[17]；2011年，A Muller 等出于長期連續測量的目的，研制了能夠適應明視覺環境、暗視覺環境、中間視覺環境、能夠連續觀測、傳輸夜天空亮度數據的裝置[18]；J Aceituno等(2011)研制了能夠直觀顯示復雜夜天空環境(包括云狀、大氣透明度、光度穩定性)的夜空亮度測量儀[19]；還有，Henk Spoelstra (2014)通過控制測量裝置中的濾鏡組件，研制了用于評價夜空光譜組成的6波段夜空彩色測試儀，可用于分析形成夜空發亮的人工光源類型[20]。

3.2 測量儀器相關研究成果分析

夜空亮度測量裝置的相關研究成果統計如表3所示：夜空亮度測量裝置的測量對象包括發亮夜空整體(1、2、3、4號文獻)和發亮夜空組成要素(6、7號文獻)兩類；測量結果的輸出格式包括：亮度數值(1、4、7號)、星等數值(1、2、3號)輻射通量數值(5號)、圖像數據(1、2、6號)、描述性文字(6號)五類格式，其中亮度和星等數值較為常用。對比統計數據與相關研究成果，筆者認為，夜空發亮儀器測量研究具有以下特點：

(1)該類研究沿“夜空亮度”主線不斷向前發展。研究圍繞發亮夜空，進行了天空亮度/星等、天空云狀、光線特征等不同角度進行。

(2)夜空亮度測量儀器研制過程中重點研究、優化了儀器檢測視野范圍、測量條件、光譜篩選三個方面，使其更適用于復雜環境下夜空目標，使夜空亮度測量數據更具有針對性、更客觀。

(3)對比該項研究發展歷程，筆者認為，夜空發亮的測量裝置的研究正向動態、全空間、可視化方向發展。

表3 夜空亮度測量儀器研究統計表Table 3 Night-sky Light measurement monitors research statistical table

4 結論

夜空亮度測量是光污染研究領域、天文觀測、光生態等領域相關研究中的關鍵環節。通過對測量方法進行深入研究，能夠為提高夜空發亮數據采集的準確性和科學性提供必要方法，為夜空發亮研究提供科學思路，是拓寬夜空發亮研究及相關研究領域的有效手段，對夜空發亮研究有重要的意義。

[1] WALKER M F. The California Site Survey[J].Oxford Journals,1970.

[2] WALKER M F.light Pollution in California and Arizona[J]. Oxford Journals,1973.

[3] Pike R. Asimple Computer Modle for the Growth of light pollution[J]. Oxford Journals,1976.

[4] Garstang R H. Model for Artificial Night-sky Illumination[J]. Oxford Journals, 1986.

[5] Garstang R H.Night-Sky Brightness at Observatories and Stes[J]. Oxford Journals, 1989.

[6] Garstang R H.Dust AND LIGHT POLLUTION[J].PUBLICATIONS OF THE ASTRONOMICAL SOCIETY OF THE PACIFIC, 1991.

[7] Cinzano P,Falchi F, Elvidge C D.The first World Atlas of the artificial night sky brightness[J].Mon.Not.R.Atron.Soc,2011,328:689-707.2011.

[8] Steve Alere,Dar Duriscoe. Modeling Light Pollution from Population Date and Implication for national Park service lands[J].The Geoge Wright forum,2001.

[9] Cinzano P.Qualifying light pollution[J].Journal of Quantitive spectroscopy and Radiative Rransfer,2014.

[10] Elvidge C D.Special Identification of Light Type and Character[J].Sensors,2010.

[11] Kruse F A ,Elvidge C D. Identifying and mapping night light using imaging spectonetry[J]. Aerospace Conference,2011.

[12] Elvidge C D, Mikhail Zhizhin. VIIRS Nightfire: Satellite Pyrometry at Night[J]. Remote Sens, 2013, 5(9).

[13] Bennie J, Davies T W, Duffy J P, et al Contrasting trends in light pollution across Europe based on satellite observed night time lights[J]. Scientific Reports,2014,4: 3789.

[14] 鄒源.光環境測試系統精確性研究[D].天津：天津大學,2010.

[15] Pieartonio Cizano. Night sky Photometry with Sky Quality Meter[R].ISTIL International Report ,2005.

[16] Duriscoe D M. Measuring Night-Sky Brightness with a Wide-Field CCD Camera[J].Chicago Journals,2007.

[17] 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).

[18] Muller A.Measure the Night Sky Brightness with the Lightmeter[J]. RevMex AA,2011.

[19] Aceituno J.An All-Sky Transmission Monitor[J]. AS TMON CHICAGO JOURNALS,2011.

[20] Henk Spoelstra. New device for monitoring the colors of the night[J]. Journal of Qualitative Spectroscopy and Radiative transfer,2014.

[21] 劉鳴，馬劍，張寶剛.城市夜景照明中的光污染和夜天空保護的研究[J].照明工程學報,2008,19(2):70-73.

[22] 劉鳴，馬劍，張寶剛，等.基于正交設計的強光射燈對夜天空影響的試驗研究[J].照明工程學報,2011，22(2):7-11.

Research Review of Night Sky Light Measurement

Su Xiaoming1, Hao Zhanguo1, Zhang Mingyu2

(1.CollegeofArchitectureInnerMongoliaUniversityofTechnology,Hohhot010051,China；2.CollegeofArchitectureTianjinUniversity,Tianjin300072,China)

In this paper, we review the research of monitor night-sky light to find a suitable way for further measurement research. Choosing the method of night-sky light measuring as the key point, and combing the development and classifying research, we sum up the night sky light measurement into three:mathematical model calculation, sky image calculation and instrument test. After analyzes the three method’ characters, we point out their strengths and weaknesses and a further development direction.

night sky light; measurement; brightness; mathematical model; night sky image

國家自然科學基金(51208351)，內蒙古工業大學科學研究項目(X201202)

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.008