城市夜間天空亮度監(jiān)測方法與模型綜述

劉 鳴, 李維珊, 郝慶麗, 郭曉煒

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

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城市夜間天空亮度監(jiān)測方法與模型綜述

劉 鳴, 李維珊, 郝慶麗, 郭曉煒

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

隨著城市的發(fā)展以及人們對照明的需求，大量的照明設(shè)備被安裝，光污染問題也隨之而來。過度的照明不僅對天文觀測產(chǎn)生影響，還會對人體健康產(chǎn)生影響。本文從城市光污染的表達(dá)角度出發(fā)，通過查閱大量國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)了當(dāng)前國內(nèi)外光污染研究的背景及城市光污染模型的發(fā)展現(xiàn)狀，并重點對各國的監(jiān)測和繪制城市夜間亮度模型的研究手段及成果，從多個方面進(jìn)行綜述，為城市夜間亮度模型的研究提供幫助。

城市夜間照明；光污染；照明模型；衛(wèi)星數(shù)據(jù)；亮度分布

引言

隨著城市現(xiàn)代化的進(jìn)程以及社會的發(fā)展，人們對夜間照明的需求也隨之增加，越來越多的“不夜城”出現(xiàn)，光污染問題也隨之而來。光污染問題是20世紀(jì)50年代被天文學(xué)家提出，城市夜間的大量照明，造成城市上空的白亮化，對天文觀測產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。此外，越來越多的研究表明，光污染也危害著人體健康和生態(tài)環(huán)境的發(fā)展。同時根據(jù)Isobe和Hamamura(2000年)利用美國空軍國防氣象衛(wèi)星計劃(DMSP)對日本城市觀測估計發(fā)現(xiàn)，光污染也加重了城市的經(jīng)濟(jì)成本，造成了資源浪費[1]。

在光污染問題愈演愈烈的情況下，從20世紀(jì)70年代開始，國際光環(huán)境研究領(lǐng)域中的先驅(qū)開始研究城市的夜間照明亮度情況及相應(yīng)的模型。例如，Walker等人，開始基于衛(wèi)星氣象(DMSP)數(shù)據(jù)等，從城市人口問題角度出發(fā)，對城市的夜間照明亮度情況進(jìn)行研究，并提出了相應(yīng)的夜間天空亮度模型，對預(yù)測城市亮度變化及城市亮度地圖的繪制提供了幫助[2]。

亮度分布模型的提出與發(fā)展，豐富了城市內(nèi)部光污染層次研究方法和表達(dá)方式，促進(jìn)了合理的光污染監(jiān)測和評價體系的建立，同時，由于城市的光污染評價系統(tǒng)經(jīng)常與城市照明規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行結(jié)合，因此它也為城市生態(tài)照明規(guī)劃的提供了依據(jù)。本文在城市角度下，通過對大量相關(guān)文獻(xiàn)閱讀匯總，經(jīng)過對相應(yīng)的科研成果的研究，總結(jié)出了城市夜間亮度模型研究的國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀及幾種城市夜間亮度模型的建立，從而希望能夠?qū)ΜF(xiàn)城市夜間亮度模型研究提供相應(yīng)的資料幫助。

1 國內(nèi)外光污染研究的背景

1.1 城市生態(tài)照明規(guī)劃的需要

中國的城市照明規(guī)劃是從20世紀(jì)80年代末開始逐步建立相應(yīng)的系統(tǒng)，并進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)充完善的。從1994年天津市出版了我國的第一部有關(guān)城市夜景照明的技術(shù)規(guī)范《城市夜景照明技術(shù)規(guī)范》開始，北京、上海等地也陸續(xù)發(fā)布了各種有關(guān)夜景照明的評價指標(biāo)或規(guī)范。在2004年，國家建設(shè)部和發(fā)改委聯(lián)合下發(fā)文件《關(guān)于加強(qiáng)城市照明用電管理、促進(jìn)節(jié)約用電工作的意見》，提出了將城市照明規(guī)范化、合理化作為城市規(guī)劃的一部分，許多城市如天津、杭州等也開始陸續(xù)在其中心城區(qū)開展了合理照明規(guī)劃措施，提高了城市夜景質(zhì)量，增加城市的生態(tài)照明體系。城市照明規(guī)范和規(guī)劃的發(fā)展的大致情況如圖1所示，同時隨著人們“生態(tài)”、“綠色”意識的增強(qiáng)，以及人們對光污染關(guān)注的增加，城市生態(tài)照明規(guī)劃的需求也越來越迫切。

圖1 中國照明規(guī)范、照明規(guī)劃的發(fā)展Fig.1 Development of China’s lighting standards and lighting planning

1.2 城市光污染模型的發(fā)展

從20世紀(jì)70年代開始，學(xué)者開始對城市光污染進(jìn)行研究，試圖建立光污染與影響因素之間的模型關(guān)系。最初對城市夜天空光污染模型的建立逐步向現(xiàn)今的城市地表光污染、光污染的光能量分布等角度的模型研究轉(zhuǎn)變。Treanor(1973年)、Robert(1976年)、Garsatng(1986年，1989年,1991年)等人先后建立和完善了夜天空亮度與人口分布關(guān)系的模型[4-8]。Chalkias等人(2006)對希臘的DMSP圖像結(jié)合GIS系統(tǒng)，對希臘城市夜間光源產(chǎn)生的光污染進(jìn)行可視化亮度分布模型，GIS系統(tǒng)開始應(yīng)用于城市光污染觀測中[9]；Biggs等人(2011年)對澳大利亞珀斯進(jìn)行了天空亮度等值線模型建立研究[10]；Cinzano(2014年)在人口模型基礎(chǔ)上，從光能量分布角度建立新的表達(dá)模型[11]；Falchi等人(2016)年利用衛(wèi)星圖像，建立了最新的全球光污染地圖，分析了各國的光污染分布情況[12]。劉鳴(2007年)研究了天津城市夜天空亮度監(jiān)測，初步研究了分布特性和基本模型[13]；蘇曉明(2015年)通過對夜間圖像表現(xiàn)的天空亮度分布地圖并進(jìn)行灰度分級，研究了呼和浩特市天空光污染地圖[15]。此外，我國近年來利用DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)，研究分析了城市照明變化與城市發(fā)展問題如土地利用、城市發(fā)展格局變化等，光污染模型的探索及應(yīng)用隨之發(fā)展起來[10][16-17, 31]。

2 基于人口分布規(guī)模的夜間亮度模型

人口分布影響了城市夜間照明規(guī)劃的主要因素，因此在最初的研究中主要是通過衛(wèi)星圖像分析和實地觀測，將人口分布作為相關(guān)研究對象，建立人口與光污染分布之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型的，并隨著相關(guān)研究的深入，逐步將其他影響因素添加到模型中，將數(shù)學(xué)模型不斷完善。

Walker(1970年)通過對加利福尼亞夜間天空亮度的觀察，發(fā)現(xiàn)城市夜間照明與城市人口分布規(guī)模狀況、觀察者距離有關(guān)，并通過研究當(dāng)?shù)氐腄MSP衛(wèi)星圖像，建立了這三者之間關(guān)系模型，但此模型僅適用于人均光通量為500～1000 lm的城市[2]。

通過研究大氣中氣溶膠參數(shù)、光散射、大氣對光吸收、觀測點地理位置參數(shù)等對人工照明對天空的影響和觀測影響，Treanor(1973年)、Robert(1976年)、Garsatng(1986年，1989年,1991年)等人先后對完善了城市人口分布情況與城市夜間天空亮度之間的關(guān)系模型[4-8]。其中Garstang模型中先后增加了地面反射、大氣散射、分子擴(kuò)散、大地表面弧度、空氣塵埃等影響參數(shù)，使其建立的人口與城市亮度模型逐步接近真實情況[8]。

Cinzano(2000年)確定了由位于相鄰漫射光污染地區(qū)的觀測者觀測天空亮度的關(guān)系模型，并與Falchi等人(2000年，2001年)通過利用衛(wèi)星圖像(DMSP)中無云狀況下的夜間圖像以及意大利政府提供的人口數(shù)量變化統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)城市人口在一定范圍下才會符合現(xiàn)建立的模型標(biāo)準(zhǔn)，在Garstang模型和精確了的低人口密度地區(qū)天空亮度模型計算下，建立了意大利相關(guān)的城市夜間亮度地圖模型[18]。之后，Cinzano(2014年)在人口模型基礎(chǔ)上，從光能量的分布角度重新建立新的表達(dá)模型[11]。

3 基于實地監(jiān)測數(shù)據(jù)的夜間亮度模型

在DMSP衛(wèi)星圖像和ISS圖像基礎(chǔ)上，各國開始通過對夜間城市光環(huán)境情況進(jìn)行實地測試，通過各種測試手段建立相應(yīng)城市夜間亮度照明模型，并對其進(jìn)行研究。

3.1 基于CCD圖像的測量數(shù)據(jù)模型

利用CCD相機(jī)可以對城市夜間天空亮度進(jìn)行直接的觀測，有利于城市光污染的后期研究。CCD相機(jī)常結(jié)合魚眼鏡頭和適當(dāng)?shù)倪^濾器對所測量區(qū)域的天空照度進(jìn)行連續(xù)測量，將獲取的圖形進(jìn)行轉(zhuǎn)化、校準(zhǔn)，可以得到具有代表性的該區(qū)域天空亮度分布圖像模型。

Kollath(2010年)利用裝有廣角魚眼鏡頭的CCD相機(jī)對Zselic景觀保護(hù)區(qū)的天空亮度進(jìn)行觀測，表明CCD相機(jī)已經(jīng)達(dá)到了10%矯正精確度[19]。Duriscoe等人(2007年)使用CCD對美國國家公園夜空狀況進(jìn)行觀測評估，在使用已知亮度的星星對圖像進(jìn)行校準(zhǔn)后，得到了當(dāng)?shù)貐^(qū)的馬賽克的全天空圖像模型，用來對保護(hù)夜空質(zhì)量和夜景照明管理[20]。Georg Zotti(2007)利用CCD相機(jī)創(chuàng)建了高分辨的圖像觀測模式，連續(xù)測量了全天的天空變化，使光污染的觀測方法又得到了進(jìn)一步的補(bǔ)充[21]。Rabaza(2010年)對現(xiàn)白天天空測量系統(tǒng)WASBM進(jìn)行改進(jìn)，利用裝有B、V、R三種過濾器的CCD相機(jī)，配合魚眼鏡頭和標(biāo)準(zhǔn)德國式天文赤道對西班牙當(dāng)?shù)匾归g天空亮度進(jìn)行測量，進(jìn)行大氣消光改正后，通過使用Stellarium軟件，得到天空亮度模型，在該模型中，通過比較夜空背景下已知亮度恒星出現(xiàn)率，分析天空光污染的分布情況，也能提供準(zhǔn)確的測光波段的背景天空光通量[22]。李岷艤(2012年)等人利用色彩校正的方法，應(yīng)用于彩色的CCD相機(jī)的觀測中，并進(jìn)行了圖像信息轉(zhuǎn)化，提高了觀測數(shù)據(jù)的精確性和測量范圍，以適應(yīng)夜間光污染的觀測[23]。此外，Pierre Brunet等人使用CCD相機(jī)在魚眼鏡頭下對城市上空光環(huán)境進(jìn)行了360°的一次性圖像捕捉，建立了夜間亮度模型，避免單次圖像拍攝后進(jìn)行拼接的色差問題。

3.2 基于天空測量儀的數(shù)據(jù)模型

CCD相機(jī)主要對夜間天空圖像直接分析，利用天空測量儀(SQM)能夠通過數(shù)據(jù)資料對城市夜天空或人工照明亮度進(jìn)行建立測量數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分析研究。

Pun等人(2008年、2009年)使用SQM系統(tǒng)對香港18個地區(qū)進(jìn)行長期連續(xù)的夜天空觀測，建立在香港在地區(qū)分類基礎(chǔ)下的夜天空亮度測量數(shù)據(jù)模型，該模型反映了不同夜晚天空下的天空亮度分布情況，并通過地區(qū)之間的比較發(fā)現(xiàn)，香港夜天空平均亮度比黑暗標(biāo)準(zhǔn)天空高82倍，其中城市夜天空亮度平均水平比鄉(xiāng)村高出15倍，為香港室外照明規(guī)劃提供數(shù)據(jù)幫助[24]。

Kollath(2010年)利用SQM對匈牙利Zselic景觀保護(hù)區(qū)進(jìn)行測量，得到了當(dāng)?shù)氐匦螆D，包括公園和沉降區(qū)地區(qū)的上空天空亮度模型，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)人工照明對天空影響很小，被指定為黑暗天空公園[25]。Biggs等人(2011年)把澳大利亞珀斯城市商業(yè)作為測試中心，以2.5 km的網(wǎng)格向郊區(qū)成輻射狀進(jìn)行測量網(wǎng)格劃分，使用SQM儀器和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)對該測試點的夜間天空亮度進(jìn)行測量，將所得數(shù)據(jù)利用插值法繪制到該地區(qū)地形圖上，得到該地區(qū)的天空亮度等高線地圖模型。該模型發(fā)現(xiàn)，城市商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)、高速公路地區(qū)的天空亮度最高，有植被的城市地區(qū)亮度居中，城市植被區(qū)、農(nóng)業(yè)區(qū)亮度最低[26]。

Puschnig等人(2012年)利用SQM儀器對天空亮度進(jìn)行了長時間的連續(xù)觀測，得到了區(qū)域的夜晚亮度典型變化模型，并比較定量分析了月亮周期、陰雨天氣對光環(huán)境的影響關(guān)系[27]。此外，Yali Katz等人(2016年)利用SQM儀器分別從水平、垂直向下和垂直向上三個方向?qū)Τ鞘械墓猸h(huán)境亮度進(jìn)行了觀測，比較了這三者之間的亮度差異性和聯(lián)系性，從三維空間上對觀測區(qū)域光污染的特點和影響因素進(jìn)行了描述分析[28]。

在中國，SQM儀器應(yīng)用在光污染觀測中的起步比較晚。沈昊等人(2005年)利用多臺SQM儀器對無錫市的夜晚天空亮度變化進(jìn)行觀測，得到了無錫市夜間光環(huán)境隨著城市區(qū)域、空間層次的變化規(guī)律[29]。

4 基于地理信息系統(tǒng)的夜間亮度模型

地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用對城市規(guī)劃等問題帶來便利，隨著對城市光污染分布的研究發(fā)現(xiàn)，城市夜間照明亮度不但與城市人口分布有關(guān)，還有城市的土地使用功能分布有關(guān)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)城市夜間天空亮度比郊區(qū)及鄉(xiāng)村亮度高50倍以上，而城市內(nèi)商業(yè)區(qū)及工業(yè)區(qū)的照明亮度是最高的區(qū)域，其次是城市道路亮度，其中植被如喬木等對城市照明向天空透射的部分有消弱的作用。因此，國內(nèi)外光污染的相關(guān)研究開始在衛(wèi)星地圖DSMP圖像的基礎(chǔ)上，基于GIS系統(tǒng)應(yīng)用平臺，建立城市相應(yīng)的夜間亮度模型，主要包括建立自然背景光和人工光對城市夜空的亮度分布模型。

S.M. Kwon等人黃道光的分布模型研究了自然光對夜天空亮度的影響分布進(jìn)行了研究，如圖2所示。Chalkias等人(2006)通過對希臘的DMSP圖像進(jìn)行處理，將同時期多個圖像進(jìn)行GIS系統(tǒng)的地理疊加技術(shù)，在OLS-IR數(shù)據(jù)系統(tǒng)上進(jìn)行無云圖像的識別和篩選，以及消除偶然事件如火災(zāi)等帶來的影響，將得到的有效圖像結(jié)合GIS系統(tǒng)創(chuàng)建的希臘地理空間數(shù)據(jù)(包括路網(wǎng)、地形、水系、土地覆蓋等)及數(shù)字高程地圖模型(DEM)，對城市的人工夜間光源對應(yīng)的光污染進(jìn)行可視化的夜間亮度模型分析與研究(圖3)[30]。

圖2 黃道光分布圖Fig.2 Distribution of zodiacal lights

由于DMSP圖像數(shù)據(jù)對于描述城市照明狀況的精確率很低，以及為了研究城市土地利用與城市光污染之間的關(guān)系，Kuechly等人(2012)使用Finger Lakes Instruments (FLI) camera、interline transfer CCD等儀器從德國柏林上空直接拍攝當(dāng)?shù)貙嶋H照明情況，通過GIS系統(tǒng)對圖形進(jìn)行疊加處理，從而繪制了分辨率為1m的城市照明地圖，并使用GIS系統(tǒng)對城市土地使用類別進(jìn)行和各種用地光總量、總面積等進(jìn)行統(tǒng)計分析，進(jìn)行相應(yīng)的研究(圖4)[25]。

我國近些年來也利用DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)，進(jìn)行城市照明變化與城市如土地利用、城市發(fā)展格局變化等問題進(jìn)行研究分析。Jiang Wei 等人(2016年)利用1992年到2012年的DMSP/OLS衛(wèi)星圖像進(jìn)行校正分析后，分析了我國光污染發(fā)展特點，比較了各地區(qū)的光污染發(fā)展情況[31]。

圖3 Chalkias等人繪制的希臘亮度模型Fig.3 The brightness model map of Greece,tranwn by chalkias et al.

圖4 Kuechly繪制的地圖與DMSP圖像比較Fig.4 Maps drawn by kuechly compared with the Dmsp images

5 暗天空分類和發(fā)亮原因的理論研究方面

1995年，國際暗天空協(xié)會根據(jù)夜晚天空中星星的可見程度將夜天空分為7 級，最暗淡的星星在裸眼狀態(tài)下只有在7級天空時能看到，也就是說7級天空是最原始的黑暗天空。2001年約翰·波特爾在《sky and telescope》上，根據(jù)光污染對天空的影響程度將夜天空分為1至9級，通過目測用來衡量天空輝光。黑暗天空的分類是目視評價夜天空光污染程度最簡單、最直接的方法。通過對銀河、星星、天空顏色等目標(biāo)的觀察，可以很直觀的評價城市夜天空受光污染影響的等級[33]。

Henrik W J(2001年)從天文物理的角度，建立天空發(fā)亮與月光、高層大氣輝光、黃道光、散射的星光、星際塵埃和氣體、人工光之間的物理模型[34]。2006年，Baddiley C[20]在第六屆歐洲暗天空研討會的研究報告中，分析了天空發(fā)亮與大氣散射的關(guān)系，天空發(fā)亮主要是由大氣分子或氣溶膠對城市上射光向下散射的結(jié)果，其中在大氣底層以氣溶膠散射(米氏散射，Mie scattering)為主，隨著大氣高度增加則以大氣分子散射(瑞利散射，Rayleigh scattering)為主[32]。Kyba等人(2012年)從波長角度出發(fā)，利用裝有濾光鏡的SQM儀器對柏林天空進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)了晴朗夜空中的光污染的紅色波長的光會提高天空亮度17倍左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于藍(lán)色波長光對天空的影響。從而使具有光污染的天空多呈現(xiàn)為橙色或紅色[35]。

6 結(jié)束語

光污染已經(jīng)成為城市問題之一，浪費資源同時也影響人們身體健康和天文觀測等，城市夜間天空亮度模型的建立能夠方便人們從城市范圍角度對光污染進(jìn)行測量研究。本文通過總結(jié)了幾種城市夜間亮度模型的建立，發(fā)現(xiàn)城市光污染與城市人口、土地功能分區(qū)、城市化進(jìn)程等城市問題有著緊密聯(lián)系，而模型的建立不僅方便了光污染的研究，也為城市整體照明規(guī)劃、相關(guān)照明標(biāo)準(zhǔn)評價等提供數(shù)據(jù)依據(jù)。此外，經(jīng)綜述發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)缺少對夜間天空亮度模型建立的相關(guān)研究，本文希望能夠?qū)鴥?nèi)城市建設(shè)等相應(yīng)的研究提供幫助。

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A Review of the Monitoring Method and Model for the Urban Night Sky Brightness

LIU Ming, LI Weishan, HAO Qingli, GUO Xiaowei

(School of Architecture and Fine Art, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

With the development of cities and people's demand for lighting, a large amount of lighting equipment has been set up, and the light pollution problem is also followed. Excessive lighting will not only affect the astronomical observations, but also affect human health. From the perspective of the expression of urban light pollution , the paper generalized the research background of light pollution at home and abroad and the development situation of the city light pollution model and summarized the research methods and results of the monitoring and mapping of the city night light model, and provided the help for the urban night light model from several aspects.

urban night lighting; light pollution; lighting model; satellite data; luminance distribution

國家自然科學(xué)基金(51678103)，遼寧省自然科學(xué)基金(20170540165) 通訊作者：劉鳴，E-mail:liumingitj@163.com

TM923

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10.3969j.issn.1004-440X.2017.03.009