室外光環(huán)境評價方法的比較分析

李志榮，朱金善，黃 成

(大連海事大學航海學院，遼寧 大連 116026)

引言

光環(huán)境是人類生產(chǎn)作業(yè)活動中環(huán)境要素的重要組成部分，良好的光環(huán)境能對人的精神和心理產(chǎn)生積極的影響。隨著城市化的發(fā)展，人類對光環(huán)境的要求越來越高，而光污染成為繼水污染和空氣污染之后的一種新型污染，光污染會影響人們的心理和生理健康、交通安全、天文觀測、生態(tài)環(huán)境，造成能源浪費，甚至增加犯罪率等，從而引起人們的廣泛關注[1-9]。因此，科學、合理地評價光環(huán)境，對提高人們生活安全、生活質量和工作效率起著積極的作用。

光環(huán)境的評價分為室內(nèi)和室外兩種。室外光環(huán)境是在室外空間由亮度分布與光色分布建立的與空間形狀有關的心理和生理的環(huán)境[10]。本文主要對體育場、居住區(qū)、廣場、夜天空以及海、陸、空交通方面等室外光環(huán)境的評價方法進行綜述。目前，有關室外光環(huán)境評價的方法和觀點眾多，評價指標也不盡相同，各方法均有其適用范圍和局限性。本文通過總結各種室外光環(huán)境評價指標，闡述各評價方法的原理和思路，并比較其優(yōu)缺點，從而為在室外光環(huán)境評價領域開展深入研究奠定基礎、明確方向。

1 室外光環(huán)境評價指標

室外光環(huán)境由室外空間光照射(包括自然光和人工光)而形成的。它的主要功能是滿足人們的物理、生理(視覺)、心理、美學、社會(節(jié)能、綠色)等的要求，為了滿足這些要求，需要對光環(huán)境進行評價，評價指標可分為定量指標和定性指標。定量指標主要有亮度水平、亮度均勻度、亮度對比、眩光、光色等；定性指標主要有舒適性、美觀性、經(jīng)濟性等[11-14]，詳見圖1。

圖1 室外光環(huán)境評價指標分類Fig.1 Classification of outdoor light environment evaluation index

1.1 定量指標

1)亮度水平。亮度是指表示光源或受光物體表面明亮程度的物理量。亮度是于離開、到達或者穿過某一表面，單位立體角、單位投影面積上的光通量，符號為L，單位為勒克斯(cd/m2)。若dI為無限小面積發(fā)光強度，dA為該無限小面積，θ為發(fā)光面法線與觀測方向的夾角，則該面積上的亮度L為

(1)

亮度水平是最基本的光環(huán)境評價指標之一。亮度值過高會帶來光污染，并影響人的視覺功效以及心理健康；亮度值過低會造成視覺功能降低，從而造成交通事故、心理恐慌等。

2)照度均勻度。照度均勻度主要是用來評價光環(huán)境光分布的均勻性。根據(jù)我國《建造照明設計標準》規(guī)定，照度均勻度用某一給定區(qū)域最低照度和平均照度之比來衡量，其中最低照度是該區(qū)域上某一點的最低照度，而平均照度為該區(qū)域照度的平均值。對于室外夜間光環(huán)境，照度水平不僅要滿足基本的照明功能，而且要滿足照度均勻度的要求。

3)亮度對比度。亮度對比度是物標亮度Lo和背景亮度Lb的差與背景亮度Lb之比，符號為C，即

(2)

式(2)中，Lo和Lb的單位均為cd/m2。室外光環(huán)境中，物標的可識別性可用亮度對比度來表示。如果夜間光環(huán)境中亮度對比度過大，那么會造成眩光、逸散光以及能源浪費等危害。

4)眩光。眩光主要是由亮度分布或亮度范圍的不均勻、極端的亮度對比度引起的。國際照明委員會(CIE)規(guī)定眩光指數(shù)(GR)和閾值增量(TI)是評價室外眩光的兩個重要指標。

5)光色。光色包括光源的顏色、色溫值以及色坐標。良好的色視覺效果僅在光源光譜接近天然光的情況下才能形成。當光源光譜和天然光相差較大時，會導致被照目標的顏色失真。另外，不同的光波長會引起不同的視覺心理感受。

1.2 定性指標

1)舒適性。光環(huán)境會對人的生理、心理有一定的影響。光環(huán)境質量的優(yōu)劣程度會影響人們的情緒、喜好、娛樂感、刺激感等，進一步影響人們的行為，比如熒光燈的滾動現(xiàn)象會使人產(chǎn)生疲勞甚至引起頭疼。另外，室外光環(huán)境的優(yōu)劣也會影響動植物的生物鐘節(jié)律、生長周期以及生態(tài)平衡等，比如人工照明對候鳥遷徙的影響、室外光污染會造成趨光性的昆蟲“集體自殺”行為等[15-20]。

2)美觀性。良好的光環(huán)境應當與周圍環(huán)境的背景相協(xié)調(diào)。高質量的室外光環(huán)境，能提高人對環(huán)境的認識和理解。另外，要提高夜間光環(huán)境的美觀性，需要對光的色彩、形狀以及明暗程度等進行合理的配置，使光環(huán)境與背景環(huán)境相統(tǒng)一。

3)經(jīng)濟性。隨著人們環(huán)境保護意識的提高，光環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展也成為評價光環(huán)境指標之一。室外光環(huán)境的經(jīng)濟性包括照明或照明設計是否恰當、是否采用節(jié)能措施。照明不合理和未采用節(jié)能措施會造成成本增加和資源浪費等。

對于不同室外光環(huán)境的定量和定性指標遠不止于以上所提到的8種，如文獻[18]中得出了有關居住區(qū)量化指標光侵害和光逸散的計算公式；文獻[21]中通過對平均注視持續(xù)時間、眨眼頻率、平均眨眼持續(xù)時間、平均心率、呼吸率的測量，使心理指標量化；而對于非量化指標也有視覺私密感、擁擠感、可識別性、道路引導性等其他指標。

光環(huán)境評價中，定量指標在不同光環(huán)境中基本相同，但其所占的權重不一定相等；定性指標在量化處理過程中，需要根據(jù)光環(huán)境中的研究對象確定其量化方法。另外，在光環(huán)境評價指標體系建立中，常采用樹狀結構使評價體系層次化、系統(tǒng)化，但主層次和子層次的劃分處理較主觀，子層次間的信息易造成交叉重疊問題，評價結果也不客觀。在樹狀評價體系的基礎上，可結合按某種功能或者發(fā)展方向把評價系統(tǒng)縱向分開的模型，使得評價體系多層次、多系統(tǒng)。

2 室外光環(huán)境評價方法

室外光環(huán)境的評價是治理光污染研究的前提，根據(jù)評價方法的種類數(shù)可將其分為兩類：將單獨用一種模型的評價方法稱為單一評價法；將兩種及其以上不同方法相結合的評價方法稱綜合評價法。常見的室外光環(huán)境的評價法共有九種方法，詳見圖2。

圖2 室外光環(huán)境評價方法分類Fig.2 Classification of outdoor light environment assessment methods

2.1 單一評價法

1)層次分析法。層次分析法(AHP)是美國運籌學家薩蒂于20世紀70年代提出，其基本原理是把復雜的問題層次化，并對各個層次進一步細化，最后形成一個樹狀遞階的多層次分析結構。文獻[18,20-25]運用層次分析法研究居住區(qū)夜間光環(huán)境評價指標，文獻[26]將該方法用于評價城市戶外LED顯示屏亮度，其基本思路：建立室外光環(huán)境評價指標的層次結構模型；構造成對比矩陣；檢驗判斷矩陣的一致性；由判斷矩陣計算被比較的各層次指標對于總目標層的相對權重；計算各層的光環(huán)境指標對于系統(tǒng)總目標層的合成權重，并進行總排序。

2)模糊評價法。模糊評價法(FCE)是將定性指標通過模糊數(shù)學的隸屬度理論定量化，然后綜合評價整個被評價目標的隸屬度等級。文獻[27，28]用模糊綜合評價法評價建筑、地鐵光環(huán)境和居住區(qū)室外光環(huán)境等，其基本思路：建立光環(huán)境評價指標因素集U；建立光環(huán)境評價集V；進行單一光環(huán)境指標評價，建立模糊矩陣R；確定評價指標的權向量；模糊綜合評價。

3)灰色聚類評價法。灰色系統(tǒng)的概念是我國鄧聚龍教授根據(jù)“灰箱”概念提出的，灰色聚類是以灰色關聯(lián)矩陣或灰數(shù)的白化權函數(shù)為基礎，將一些觀測指標或觀測對象劃分為若干個可定義類別的方法。文獻[29-32]用該方法評價地鐵、草原公路、校園、住宅小區(qū)等的光環(huán)境，其基本思路：確定聚類指標的光環(huán)境評價指標值矩陣Qji；確定評價灰類；計算光環(huán)境指標灰色評價系數(shù)；計算光環(huán)境指標的評價權向量和權矩陣；綜合評價室外光環(huán)境；計算光環(huán)境指標的綜合評價值。

4)主成分分析法。主成分分析法(PCA)是由卡爾(Karl)與皮爾遜(Pearson)于1901年提出的，其基本思想是通過指標間的相互關系和降維思想，將多個指標融合成包含數(shù)個原有指標的主要信息的主要成分，從而降低指標維度。文獻[33]利用主成分分析法評價草原道路光環(huán)境，其基本思路為：以光環(huán)境評價指標的原始數(shù)據(jù)為基礎構造矩陣；標準化處理原始矩陣；求標準化后的原始矩陣的協(xié)方差矩陣；求協(xié)方差矩陣的特征值及其對應的特征向量；計算各每個主成分的貢獻率；以各個主成分的貢獻率為權值，與主成分相乘，并計算其乘積之和，即為光環(huán)境基于指標的得分。

5)物元可拓法。物元可拓法是我國蔡文教授于1983年創(chuàng)立的，其基本原理是以物元為基元建立模型并以物元可拓為依據(jù)，通過物元分析和可拓集合結合而進行研究和解決問題的方法。文獻[34-37]利用物元可拓原理對住宅小區(qū)、船舶夜航水域的光環(huán)境進行評價，其基本思路：確定室外光環(huán)境評價指標的經(jīng)典域和節(jié)域物元；確定待評物元；確定待評方案對不同等級的關聯(lián)度；通過計算公式確定指標權重，計算綜合關聯(lián)度；確定綜合評價等級。

6)BP神經(jīng)網(wǎng)絡法。BP神經(jīng)網(wǎng)絡是一種多層前饋網(wǎng)絡模型，其中包括輸入層、隱含層、輸出層，基本原理是通過反復的正向傳播和反向傳播，不斷修改各層神經(jīng)元的權值使網(wǎng)絡總誤差最小化。文獻[38-40]將BP神經(jīng)網(wǎng)絡法運用到船舶夜航水域光環(huán)境、夜天空光環(huán)境、隧道照明光環(huán)境等領域進行評價，其基本思路：光環(huán)境評價指標模型結構的建立(輸入輸出變量、確定隱含層單元數(shù)、激活函數(shù)等)；數(shù)據(jù)的歸一化和反歸一化；訓練與仿真；BP網(wǎng)絡學習(權值和偏置的調(diào)整)。

單一評價法的前三種方法均能基于不同的評價指標對室外光環(huán)境進行全面的評價，并能定量分析定性指標，使評價指標更加具體化。但是，它們具有的共同缺點是由于專家在專業(yè)和知識方面的差異，導致確定權重主觀性較強，并且評價指標過多，評價過程繁瑣。通過對比分析后三種評價法優(yōu)缺點可知(見表1)，相對前三種評價方法減少了評價方法中的主觀依賴性和計算量，可將定量和定性指標相結合進行光環(huán)境的評價，使得評價結果更加直觀和準確。但是，后三種方法都具有一定的局限性(見表1)，缺乏決策者的主觀意志，導致評價過程中缺少一定的定性分析，而且計算過程中必然會存在一定的誤差。

表1 室外光環(huán)境評價方法的優(yōu)缺點Table 1 Advantages and disadvantages of outdoor light environment quality evaluation methods

2.2 綜合評價法

1)基于AHP的多級模糊綜合評價法。基于AHP的多級模糊綜合評價法是把主觀評價法中的AHP和模糊綜合評價法所綜合。文獻[41-43]通過該方法對成都市府南河濱水空間的夜間光環(huán)境、西安某地鐵光環(huán)境質量、天津市居住區(qū)進行了綜合評價，其基本原理是通過模糊綜合評價對評價體系進行定量和定性分析，使整個評價更加科學、直觀、準確，同時運用AHP建立更加科學的評價指標權重集。該方法的基本思路：運用AHP將所研究的問題層次化，建立一個多層次的評價結構；建立光環(huán)境評價體系和確定各評價指標間的權重；通過模糊綜合評價法進行排序；得出光環(huán)境評價結果[44]。

2)基于克隆優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡法。基于克隆優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡法是通過克隆算法改進BP神經(jīng)網(wǎng)絡的缺點。文獻[38]將該方法應用到海上光污染的評價，其基本原理是通過改進克隆優(yōu)化算法確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡中的層數(shù)和隱層節(jié)點數(shù)，同時通過靈敏度分析法選擇非線性尋優(yōu)的方向和尺度，減少迭代次數(shù)、提高搜索效率以及使全局最優(yōu)解的尋獲更容易。

3)灰色層次分析法。灰色層次分析法(GAHP)是將層次分析法與灰色系統(tǒng)理論相結合的評價方法。文獻[45-47]將該方法應用在住宅小區(qū)和山地城鎮(zhèn)建設光環(huán)境的評價，評價結果較理想，其基本原理是通過灰色理論評價法將層次分析法的主觀評價問題量化。該方法的基本思路：建立光環(huán)境評價指標對于每一個評價等級的灰色聚類函數(shù)，并確定評價等級的標準隸屬度；AHP確定評價指標的權重向量；利用灰色理論計算總的隸屬度，評價光環(huán)境的優(yōu)劣。

顯然，綜合評價法可以很好地綜合不同評價法的優(yōu)點，彌補單一評價法的不足，而且能很好到將定量和定性指標相結合，從而對室外光環(huán)境有一個更加全面而系統(tǒng)的評價。但是，每一種方法都具有一定的優(yōu)勢和缺點，綜合評價法也具有所綜合方法中某單一評價方法的不足，詳見表1。

3 結束語

通過對室外光環(huán)境評價方法的研究，總結出室外光環(huán)境的評價方法共九種；分析了各種評價方法的基本原理、思路及其優(yōu)缺點，得出結論：①層次分析法、模糊評價法和灰色聚類評價法較適用于定性指標較多的光環(huán)境評價體系，可通過主觀賦權法將定性指標定量化，便于對光環(huán)境的評價。但在定量分析定性指標時，增加了評價結果主觀性；②主成分分析法、物元可拓和BP神經(jīng)網(wǎng)絡法適用于需將定量指標和定性指標相結合的評價體系，可使評價結果更加準確和直觀。但在評價過程中，缺乏一定的定性分析；③綜合評價法通過不同方法的結合，彌補了單一評價法在整個評價體系中有一定的局限性，但也引入了其綜合的某單一方法的不足。

另外，在光環(huán)境評價指標體系建立的過程中，應更加全面準確地考慮光環(huán)境的量化和非量化指標，并且指標的篩選、指標體系的構建應遵循一定的原則，符合客觀情況，使得評價體系多層次、系統(tǒng)化，并進一步探索定性指標的量化方法；將主、客觀不同賦權方法得出的權重加以組合進行賦權的方法，有望平衡主客觀因素對評價結果影響；注重不同室外光環(huán)境所適應的不同評價方法，同時對比、借鑒一些有關室內(nèi)光環(huán)境評價方法，盡可能建立兩種及以上方法的綜合評價模型，相互彌補各評價方法的不足，使評價結果更客觀、準確；隨著光環(huán)境分析軟件的成熟和算法的發(fā)展，評價方法與軟件分析或算法綜合研究有望成為依據(jù)充分、結果更全面和準確的評價手段。在未來隨著評價方法的多元化，多媒體、AR以及GIS將應用于室外光環(huán)境的評價，使得評價結果更加合理。