景觀照明檢測中亮度測量方法

馬 曄，姜曉梅，高 偉，聶卉婧，呂 亮

(1.北京清城品盛照明研究院有限公司，北京 100089；2.中國計量科學研究院，北京 100020)

引言

景觀照明作為塑造宜居夜間環境、提升居民自豪感、促進夜間活動、帶動夜間旅游的重要手段，同時可有效提升城市形象、增強城市魅力，各級城市都在發展建設中。隨著景觀照明建設量的增加，很多不合理現象如光污染、過度照明等產生了，同時效果無法落實、與設計師提交的效果圖差異大、無法驗收等情況也出現了。設計方、使用方及監管部門內對景觀照明的效果質量評價的需求日益增加。

景觀照明檢測需要測得局部亮度或建筑整體亮度，才能正確評估是否達到設計原定效果。如通過不同構件間的亮度對比來表現層次，需要分別知道某個構件上的亮度，此時不需要把其他非相關構件納入測量區域;而測量整體建筑的表面亮度時，需將天空、地面以及其他相鄰建筑區分開。圖1～圖3是三種常見的景觀照明方式。圖1采用頂中底三段式的照明方式，需要測試屋頂平均亮度、立柱平均亮度等。圖2采用局部泛光照明方式，需要測試一個單元的局部亮度。圖3采用整體泛光照明方式，需要測試立面整體平均亮度。景觀照明的特點決定了，能精確選定測試區域的亮度測試方法則更具有實際使用意義。

圖1 頂、中、底三段式的照明方式Fig.1 Top，middle and bottom three-section lighting mode

圖2 局部泛光的照明方式Fig.2 Local flooding lighting mode

1 瞄點式亮度計與二維影像亮度計的特性比較

用于亮度測量的設備有瞄點式亮度計、二維影像亮度計和遮光筒式亮度計。其中遮光筒式亮度計因為沒有光學成像系統，不適用于景觀照明的測量。瞄點式亮度計即點式亮度計，通過光學成像系統將被測對象成像在探測器上，可通過視場角的改變選擇測量范圍，所使用的探測器為單個硅光電二極管或光電倍增管，因此只能測定測量區域的平均亮度。因其視場角為圓形，只適用于測量圓形區域的平均亮度，無法測量非圓區域的平均亮度，而且所測的圓形區域得出的是覆蓋范圍內的整體亮度，無法區分視場內不同點的差異。用于建筑立面的測量時會造成未完全覆蓋目標構件或覆蓋構件之外的非測量區域，如圖4所示。即使使用多個測點拼接的方法(在外場測量時由于操作困難，準確拼接測量區域不易實現)也不能得到準確的測量結果，測試數據難以得到實際應用。

圖4 瞄點式亮度計測量范圍Fig.4 Measurement range of imaging luminance meter

圖5 影像亮度計測量范圍Fig.5 Measurement range of image luminance meter

二維影像亮度計又稱面亮度計，其基于圖像解析技術，以面陣探測器代替單個探測器，能快速測量被測對象的亮度分布，導入計算機通過軟件進行進一步處理。可根據需要選擇相應區域計算平均亮度，如圖5所示，有效解決了成像亮度計在景觀照明檢測方面受距離和視場角所限，無法完全覆蓋被測建筑或無法單獨測量局部細節的問題。但缺點是亮度數據不能實時得出，需要配備電腦從軟件中得出，不夠便捷；同時在不同的場景測量時，光圈、焦距、曝光時間等的設定、設置上由于自由度的增加，也引出了如何設置更能體現建筑物的真實亮度的問題研究。

總體來說，二維影像亮度計相對瞄點式亮度計已經突破了選區限制，已經開始在景觀照明檢測中發揮越來越重要的作用。

2 二維影像亮度計和瞄點式亮度計比對實驗

為了考察兩種亮度計用于景觀照明檢測的一致性，應首先對亮度計進行校準。在校準后我們增加了現場環境下的比對實驗。我們分別用二維影像亮度計和瞄點式亮度計于同一測量位置，測量同一建筑物的外立面。測量位置距被測建筑水平距離為30 m，亮度計距地面高度為1.5 m，二維影像亮度計分析區域與瞄點式亮度計視場角覆蓋范圍一致，亮度范圍為0.7～1 700 cd/m2，基本覆蓋常規景觀照明亮度范圍。

表1 二維影像亮度計與瞄點式亮度計測量結果比對Table 1 Comparison of measurement results of 2D image luminance meter and spot luminance meter cd/m2

對上述測量結果進行偏差分析，結果表明二維影像亮度計與瞄點式亮度計測量同一區域亮度的偏差為0.1%～3.7%，說明兩種亮度計在景觀照明通常的檢測范圍內偏差較小。

3 用于景觀照明的二維影像亮度計的計量特性

二維影像亮度計是一種新型的測量儀器，其計量特性評價和要求參照JJG 211《亮度計檢定規程》，應滿足亮度示值誤差、線性誤差、測量距離特性誤差等要求。針對其自身特點，應增加不均勻性響應誤差，同時基于景觀照明的視看范圍視場角大，還應考察角度誤差。

a)亮度示值誤差：校準時應注意計量校準范圍覆蓋暗視覺、中間視覺、亮視覺三個亮度范圍，建議亮度示值誤差≤±5%。

b)線性誤差：保持實驗條件不變，用標準亮度值在儀器相應接近滿度示值和三分之一滿度示值的情況下，按照以下公式進行計算：

(1)

c)不均勻性響應誤差：影像亮度計使用面陣探測器作為測量器件，在測量均勻場時各點的差異是儀器品質的重要考核指標，也是保證儀器在測量范圍內亮度、響應度一致的重要指標。選取評估區域內的13個點進行亮度均勻性評價，如圖6所示，均勻性評價參數計算方法為

(2)

圖6 評估區域內的布點分布Fig.6 Evaluates the distribution of points in the area

式中Ymax為測量區域內儀器示值最大值，Ymin為測量區域內儀器示值最小值，Yave為測量區域內儀器示值平均值。

d)測量距離特性：評價儀器在不同距離測量同一目標亮度的偏差。保持實驗條件不變，在儀器對標準亮度值進行測量時，變化測量距離進行校準。在室外遠距離測量前，可通過經校準合格的成像亮度計現場定標。建議距離特性誤差≤±1.0%。

e)角度特性：結合實際景觀照明亮度測試對于角度特性的需求，常規觀看角度為-45°～45°。可根據實際使用時的測量范圍進行校準，橫向比對不同角度測試結果，規范中對此值沒有硬性要求，建議角度特性誤差控制在≤±5%。

4 二維影像亮度計的現場校準

夜景照明檢測現場往往需要根據實際情況進行焦距調整，而在實驗室校準時只能在幾種常用模式下進行校準，不能涵蓋現場使用的所有條件。現場可通過在測試對象上選取具有代表性的若干點，用瞄點式亮度計和二維影像亮度計分別測量，并對二維影像亮度計的測量結果進行修正來確保測試數據的可靠。

在對二維影像亮度計進行校準時，應盡量覆蓋常用的焦距、曝光時間的組合模式。在現場測量時，也應盡量使用校準過的模式進行測量。若必須要采取非校準狀態的模式進行測量且數據僅作參考時，可采用以下方法：利用瞄點式亮度計測量建筑立面的多個點，亮度值盡量覆蓋測量對象的亮度范圍，在所測對象的平均亮度值附近應有選點，選點還應注意選擇亮度均勻沒有突變的區域，然后使用二維影像亮度計分別進行測量，計算亮度修正值(二維影像亮度計示值=瞄點式亮度計示值+修正值)，得出非校準狀態下二維影像亮度計的亮度測量結果。對于亮度跨度較小的情況，此方法修正結果的準確度更高。

5 結論

我們分析了景觀照明亮度測試的特點，介紹了瞄點式亮度計、二維影像亮度計的原理和特點。通過現場試驗比較了兩種亮度計的測量結果，其偏差在景觀照明的常規亮度范圍內較小。依據景觀照明檢測的特點，為保證測量結果的一致性，避免由于采用不同測量儀器造成偏差，用于檢測的儀器都應提前校準并符合相關要求。應對二維影像亮度計的相對示值誤差、非線性誤差、均勻性誤差、測量距離特性等進行考察，有側向測量需求時應對角度特性進行考察。由于景觀照明現場測試條件的多樣性，我們提出了一種在測試現場用瞄點式亮度計校準二維影像亮度計來提高亮度測量準確度的方法，該方法具有快速、準確的特點。

在景觀照明檢測領域，二維影像亮度計由于其測量范圍容易選擇的特點，具備了更廣泛的適用性，但同時也對使用者提出了更高的要求。由于夜景照明檢測現場往往需要根據實際情況選擇合理的焦距、光圈、曝光時間等條件，且對測試選區提出了更高的要求，因此這方面就需要更多的經驗積累。