夜間人工照明光污染研究現狀

王智德，袁景玉，姚 勝，張明宇

(1.河北工業大學 建筑與藝術設計學院，天津 300130; 2.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)

引言

對人造光源的迫切需求，反映了人類較差的夜視能力和對黑暗的原始恐懼。社會經濟的發展也離不開室外人工照明。在過去的半個世紀中，人們竭盡所能提升城市的照明水平，進而提高城市的夜間安全性，并且在一定程度上反映出了城市的發展水平，帶來更多的城市活力。夜間照明除了吸收更多資金和能源之外，城市中過多的人工照明也給我們的夜空帶來了過多的光污染，超出了實際的光源需求。快速的城市化和經濟發展不可避免地導致光污染現象的產生，造成了環境問題[1]，甚至導致在現代的大城市中，我們抬頭無法直接看到星星[2]，取而代之的是各種光暈。夜空亮度自動監測可以有效地了解光污染區域差異和時間變化，相關數據表明，城市發展正在降低夜空質量[3]。城市的快速發展給天文觀測、能源安全和生態系統帶來了巨大的壓力[4]。意識到這一問題的科研工作者也相應的給出了各自的解決方案，希望可以改善目前光污染日益嚴重的狀況。

1 光污染區域分布特征

光污染的形成與社會經濟的發展規律息息相關，經濟的快速發展，造成了照明設備的過度使用。為進一步探明光污染與社會發展間的相互關系，部分相關研究人員對此進行調查統計，從時間與空間上對光污染分布的特征進行分析。

1.1 國內光污染區域分布研究

Wei等[5]為了得出中國光污染的時空格局和演變規律，選取了1992年至2012年國防氣象衛星業務線掃描系統影像，采用線性回歸趨勢法和夜間燈光指數法分別對全國、區域和省級尺度的中國光污染特征進行了分析。研究發現：1)近21年來，中國省會城市光污染顯著擴大，且光污染大部分集中在東部沿海地區，長三角、珠三角、京津冀地區形成光污染延伸區；2)中國光污染主要集中在華北和華東地區，占全國光污染總量的50%以上，光污染增長最快的是西北地區(增幅340%)，其次是西南地區(增幅290%)，華東地區、華中地區和東北地區的增長速度穩定，華北地區和華南地區的增長速度下降；3)省級尺度上，光污染主要分布在山東、廣東和河北三省，西藏和海南增長最快，但發達省份(香港、澳門、上海、天津)的光污染水平要高于不發達省份。

對城市而言，光污染的分布特征也遵循經濟發展規律，劉鳴等[6]對大連地區的衛星可視化觀測數據進行分析得出，發達地區如商業區的光污染情況最嚴重；而城市內的色溫分布特征為居民區的色溫均值較高。

1.2 國外光污染區域分布研究

歐美國家和地區也有學者對光污染和城市發展的關系做出了相關研究。GDP作為衡量經濟發展的指標之一，Falchi等[7]通過對比歐美區域GDP與光污染的關系發現，歐洲的光污染程度最嚴重和最輕地區之間相差6 800倍，人均光通量相差120倍，單位GDP光通量相差267倍。美國各縣之間的差異則更大，污染嚴重與輕微地區光污染程度相差20萬倍，人均光通量相差1.6萬倍，每單位GDP光通量相差40 000倍。

上述關于光污染與社會經濟之間關系的研究，其相關成果可以為政府提供信息，幫助政府制定減少光污染的政策，降低光污染帶來的能源浪費與不良影響。

2 光污染造成的危害

LED光源等新型照明設備在夜間的廣泛應用使夜間環境亮度進一步增強，這導致不良的光污染現象在世界范圍內廣泛傳播。科學界對人工照明為生物多樣性帶來的影響也越來越感興趣[8]。光污染在社會、人體、生態等方面均產生不利影響，描述這些影響的變化方式和程度已經成為若干學科的重要問題。

2.1 光污染對生態的影響

人造光通過在大氣中的散射在遠離光源處擴散，對自然夜空亮度產生巨大影響。Massetti等[9]分析了意大利托斯卡納地區五個不同地點的光污染，對其2016年—2019年的夜空亮度數據進行分析，評估每個地點夜空亮度與當地季節變化、月相周期及天氣條件之間的關系，在城市中，雨天的平均夜空亮度可能達到15.4 mpsas(約為自然背景亮度的436倍)。

夜間過度使用人工照明所產生的光污染，從而對夜空和自然地區的生物多樣性產生影響[10]，造成大量生態問題。許多學者針對這一問題進行研究并做出相關實驗進行證明，測試光污染對草食動物及植物的影響，實驗證明，光污染會影響植物的韌性[11]；一些動物的褪黑激素會被極低的光照強度所抑制，比光敏感人群的閾值還要低得多，但人類不同個體之間的差異較大[12]。上述部分物種相關研究成果總結如表1所示。

表1 光照對動物與人類節律產生影響的照度閾值

上述研究表明，夜間光污染超過一定程度時，可能會影響夜間活動生物物種的正常生存，因此關于光污染變化的研究對于生態研究非常重要。

2.2 光污染對人體健康的影響

人造照明是必不可少的部分，但由于不必要或過度使用光而會造成光污染，光污染對人體健康帶來不利影響。與自然光不同，人造光源發射更多的藍色光波，帶來眼疲勞等各種眼部癥狀。人們越來越重視創建舒適和健康的照明環境，改善生活水平，所以了解人工照明對人類身體反應和心理活動的影響至關重要。一些研究表明，光污染可能對人類健康和情緒有直接或間接的影響[13]。環境亮度是使人類晝夜節律與太陽明暗周期同步的重要因素之一。因此，不正常的環境明暗循環會引起人體晝夜節律異常，并可能導致各種心理或生理機能障礙[14]，如圖1所示。

圖1 光污染對人體健康的影響Fig.1 Effects of light pollution on human health

相關研究成果如下：

(1)對生理健康的影響。

人工光源對人體具有直觀的視覺作用，人的眼球在持續或過度暴露于藍光下時，可能會因氧化應激而導致視網膜意外損傷[15]。電燈在工業化國家中被廣泛采用，極大地影響了人們的晝夜節律與心理健康[16]。光的數量、光譜變化、一天中的時間和持續時間都會對人產生非視覺影響。相關研究指出，暴露在夜間人工照明中可能增加某些疾病的發病率，包括代謝障礙、情緒障礙和癌癥[17]。對于人工光源的非視覺效應，保持晝夜節律的規律性十分重要，異常的晝夜節律將在一定程度上增大腫瘤和癌癥發生的可能性[18]。

(2)對心理健康的影響。

室內夜間人工照明不僅會影響睡眠和晝夜節律，還會影響動物與情緒相關的大腦回路。Xiao等[19]指出更高的色溫與照度有利于積極情緒的激發，并提高人的客觀警覺性，從而影響人的晝夜節律。然而，對于夜間室外光照水平和睡眠水平與人群心理健康之間的關系卻知之甚少。對此，Paksarian等[20]評估了夜間室外人工光源和美國青少年睡眠模式以及過去一年精神障礙之間的關系，證明夜間室外人工光源與青少年的睡眠方式以及情緒和焦慮癥的不良影響有關。

這些研究成果為利益相關者提供了人工光源對人體健康的作用這一領域內的重要參考依據，以分別從人的生理與心理健康角度優化建筑設計中的人工照明環境，從而改善人類的健康。

2.3 現有研究的不足

光污染對人體與生態環境的影響程度目前仍不明確，尚需大量科學實驗進行探究。

生態系統內動植物的數量與種類繁多，目前的研究集中于對光較為敏感的夜行生物，后續研究可以繼續探究受到直接影響的夜行生物與其他普通生物之間是否產生影響；以及擴大研究生物的種類，增加對其他也可能受到光污染影響動物的研究，如無脊椎動物、爬行動物等。

光污染對人的影響的相關研究，仍需增強與醫學專業領域的合作，深入了解光污染在人體運作機理層面上產生作用的原理。在已有針對光與情緒研究的基礎上，進一步擴大研究范圍，加深人工照明在腦部科學以及精神學領域的研究程度。例如未來可研究人受到室外夜間人工光源的照射后，對精神和睡眠健康產生的影響。

3 光污染防治

目前，隨著全球性的人口增長與城市化進程的推進，人們基于安全、視覺導向、審美和生活質量等方面的考慮，提高了對公共照明的需求，而這帶來了更多的能源消耗和光污染[21]。隨著對光污染現象認識的加深，越來越多的研究指向了光污染的防治途徑。需使用相應規范的修訂，增強光污染檢測，新照明技術等手段解決這一新興的難題。

3.1 照明規范的修訂

快速的城市化進程導致夜間人工照明顯著增加，這一情況已被廣泛研究，但對于夜間人工照明的供需狀況仍缺乏深入的認識。Ye等[22]利用衛星獲取夜間城市照明影像，使用神經網絡算法對人口密度數據與影像數據進行分析處理，得出城市照明供給往往高于市民對光源的需求，對此，洪艷鈮[23]認為規劃者應當建立最佳的照明規則，以緩解過度的人工照明帶來的破壞性影響。在照明規則研究領域內，Yun等[24]將光污染對環境影響程度的評估方法進行標準化，以有效地管理和減少光污染區域的負面影響。Ngarambe等[25]基于韓國《光污染防治法》規定的照明限值作為標準，測量得出造成首爾光污染的重要原因是廣告和裝飾照明，所測量的廣告照明中有30%超出了法律限制，樣本區域中發現的裝飾照明中有73%超出了法律限制。Ngarambe建議當地的光污染政策建立宵禁時間，所有的廣告和裝飾照明必須完全關閉。Ho 等[26]給出了18點至24點室外照度的建議控制值，部分數值如表2所示。

表2 城市住宅區夜間室外廣告牌亮度的控制建議值

過量的異常照明會導致睡眠和晝夜節律紊亂，Phillips等[27]通過對55名志愿者的夜晚光線暴露實驗，統計共351個夜晚的數據，得出夜間睡眠時室內照度超過24.6 lx將對褪黑素分泌產生明顯抑制作用。

綜上，制定合適的照明指標與規范對于減少室外環境的光污染是至關重要的，照明的智能化趨勢進一步增加了相關指標設定的重要性[28]。

3.2 光污染檢測技術的升級

對于城市照明規劃而言，需要從空中在宏觀上把握光污染的分布規律。高空拍攝技術為城市光污染的檢測提供了新的技術支撐[29]，如衛星和高空氣球。

Kim等[30]使用國際空間站的衛星設備繪制了漢城的夜間圖像，通過地圖可以找出光污染程度較強區域的局部特征，如商業區、辦公集中區和大型體育設施。Gill等[31]介紹了位于平流層的超壓氣球成像望遠鏡。這種氣球具有很高的穩定性，可以利用它拍攝夜空亮度圖像。

遙感觀測相較于傳統光環境檢測方式，可以更好地描述光污染產生的負面影響，可行性更高，適合對城市規劃進行指導[32]，降低光污染對城市生物多樣性的破壞程度，為城市管理中的光污染治理提供了新的途徑。

3.3 照明技術的改進

公共照明新技術經過一段時間的發展，目前市場上已經存在一些較為成熟的智能照明產品，路燈本身集成了大量傳感器，可以測量當地溫濕度、空氣質量、降水量等數據，同時燈身攝像頭具備報警和安防監控的功能，維護人員可以使用無線網絡對其進行設置和檢修。其系統構造原理如圖2所示。

圖2 路燈智能控制系統示意圖Fig.2 Intelligent street lamp control system

使用智能路燈網絡，市政管理者可以根據交通量或時間段來調節LED路燈的亮度。路燈的智能調光降低了夜間人工照明的亮度水平，有助于減輕光污染。其中部分使用了神經網絡技術的路燈智能控制系統，可通過預測行人路徑以保障行人安全、減少光污染現象和降低能源消耗水平[33]。

為了量化這種智能照明技術對夜間物種的影響，Bolliger等[34]在使用了智能調光路燈的街道上，對夜間昆蟲與蝙蝠的活動數量進行檢測。研究發現對于大部分的光敏性生物來說，街道自動調光技術有助于減輕夜間人工照明對這些生物的負面影響。

此外，研究人員和設計師越來越關注光環境質量并安裝高效的照明系統[35]，如Alberto等[36]提供了基于人工神經網絡的優化算法，具有不同的隱含層配置，可以優化除節能外的多個優化目標，每層使用不同數量的神經元，并通過分析來確定最適合的照明參數配置。

3.4 光污染防治研究展望

通過對上文中研究現狀的分析總結，結合目前的實際情況，提出以下幾點關于光污染防治研究的思路與展望：

1)照明規范在制定時應該設定相關指標的閾值，以更好地控制廣告和戶外裝飾照明中的光污染，在智能化發展迅速的背景下，相關指標應能指導智能照明設備的性能參數設計。

2)對于城市規劃而言，運用遙感衛星等新興研究技術手段，可以更好地幫助規劃者建立全面的視角，在城市尺度上把控城市照明設計。

3)在建筑照明設計中，增加能源利用效率的同時，實現更加可持續的人造環境，不以市民的視覺舒適度犧牲為前提，增強照明設計中關于人因工程的考量，這是目前建筑照明設計的趨勢。

4 結語

公共照明設施的設計和運行及其帶來的光污染對城市環境和市民生活的影響，是科學研究的熱點之一。

隨著人們對光污染的關注逐漸增強，相關研究對光污染分布成因及其變化趨勢進行系統的分析，同時也更加深入了解光污染對整個生態以及人類身心健康的影響，并探究其背后的作用機理。

同時有大量科研人員，針對這一新的難題提出了新的解決方案：制定新的照明規范限制多余人造光源，研發推廣新的光污染檢測技術，以及運用高技術手段對光污染進行高效治理。這些方案為日后光污染的防治提供了理論基礎，為科學治理光污染提供理論以及技術支撐。