基于LED廣告屏設置條件分析的色光侵擾影響研究

汪亞江，王舒翼，李 娜，張明宇

(1.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；2.天津市建筑設計研究院有限公司，天津 300072)

引言

隨著社會和科技的不斷發展，LED廣告屏在城市中得到了廣泛的應用，隨之而來的是我們城市及城市周邊區域居住建筑光污染問題越發嚴重，已經成為影響中國城市環境質量不可忽視的嚴重問題，其中布置在居住區周圍的LED廣告屏因其發光面積大、亮度高且亮度瞬時變化大和色彩飽和度高等特點在夜間對居民形成了強烈的色光污染。

居住建筑受到周圍的LED廣告屏色光污染問題十分嚴重，嚴重影響了居民的正常生活，相關學術研究[1-5]中“彩色”這種光污染形式的研究積累較少、成果缺乏，展開針對LED廣告屏光污染的相關研究意義重大。本文是在前期研究[6,7](測試數據、篩選典型色光的評價方法及LED廣告屏光污染模擬實驗方法)的基礎上開展數據分析工作，為今后開展光污染防治研究和工作提供方法指導和基礎數據的支撐。此外，本文提出的居住區附近LED廣告屏的設置建議為規范LED廣告屏的設置提供科學合理的技術依據，并為光污染防治標準制定、室外照明環境等規范標準的修訂提供研究數據支撐。

1 LED廣告屏設置位置關系的光污染趨勢

以往研究表明，LED廣告屏的亮度是造成光侵擾問題的主要因素。調查了京津地區17處LED廣告屏參數及其對周邊居住建筑造成的光侵擾現狀，展開針對不同設置條件下LED廣告屏光侵擾模擬研究[4,5]。

居住建筑窗口照度會隨著LED廣告屏自身參數設定以及居住建筑與LED廣告屏相對位置而變化。根據前期相關研究[6]，通過控制變量模擬獲得了多變量共同影響下的單一變量(LED廣告屏亮度、LED廣告屏距窗口水平直線距離、LED廣告屏與窗口垂直夾角、LED廣告屏面積、LED廣告屏與窗口水平夾角)與窗口照度之間的關系，具體關系見表1。

表1 影響因素與窗口照度的關系Table 1 Relationship between influencing factors and window illuminance

2 多因素影響下的LED廣告屏窗口污染照度

2.1 多因素模擬

(1)模擬軟件和模擬原則。本文選取的軟件為GWLE2015，可以計算受LED屏侵擾的建筑窗口的平均照度。通過模擬軟件計算出居住建筑窗口照度，通過其是否滿足相關標準來判斷是否產生光侵擾，衡量模擬結果是否超標的標準取值主要依據《城市夜景照明設計規范》(JGJ/T 163—2008)，由于本文研究的LED廣告屏所在區域屬于E4區(城市中心和商業區)，綜合實際情況限定值取25 lx。

(2)模擬實驗。前期研究中[3，4]構建了多侵擾因素的模擬模型，并確定了LED廣告屏亮度、面積、距受侵擾建筑水平直線距離、與居住建筑水平夾角、與居住建筑垂直夾角等五個自變量的取值后，進行模擬設計，按LED廣告屏設定的亮度級模擬劃分為五組，每組分別有225個模擬模型，通過實驗軟件模擬，共計獲得1 152個模擬模型的模擬結果[5]。

2.2 擬合原則

通過對比上文得到的1 152個模擬模型的模擬結果，對居住建筑窗口照度進行相關性分析可知，LED廣告屏亮度、LED廣告屏面積、LED廣告屏與居住建筑窗口間的水平直線距離、垂直夾角和水平夾角這五個參數與居住建筑窗口照度均相關，但線性相關度不高，即他們之間存在其他的非線性關系(表2)。因此，需要對窗口照度數值進行處理，以進一步分析各變量與窗口照度的關系。

表2 多因素模擬結果各個變量與窗口照度的相關性分析Table 2 Correlationanalysis between each variable of multi factor simulation results and window illuminance

為方便觀察模擬數據變化規律，通過SPSS軟件繪制簡單點圖。根據圖1可知，窗口照度變化規律符合指數變化，R2=0.9672。因此，選擇窗口照度的對數值與各個變量進行相關性分析和擬合。

圖1 窗口照度簡單點圖Fig.1 Simple point diagram of window illuminance

2.3 計算公式擬合

因變量定為窗口照度對數值，自變量為LED廣告屏亮度、LED廣告屏面積、LED廣告屏距窗口的水平直線距離、LED廣告屏與窗口垂直夾角、LED廣告屏與窗口水平夾角等五個變量。

(1)相關性分析。

用SPSS軟件對各變量與窗口照度的對數值進行顯著性檢驗(sig)和線性相關性系數(Pearson Correlation)檢驗，各模擬參數和窗口照度對數值之間都存在顯著性差異(sig=0.000)，而皮爾遜系數分別為0.505、0.386、-0.505、-0.421、-0.102，因此可知各變量與窗口照度對數值均顯著相關(表3)。

表3 各變量與窗口照度對數值相關性分析Table 3 Correlationanalysis between variables and logarithm of window illuminance

(2)逐步線性回歸及分析。

利用SPSS軟件，進行逐步線性回歸，建立受LED廣告屏亮度污染的居民窗口照度值的回歸方程。

逐步回歸過程中未剔除變量，逐步回歸分析共形成五個回歸模型。根據表4可知模型1～5 的相關系數R、決定系數R2及調整決定系數R2隨著不同變量的引進不斷增加。其中模型1～5的相關系數值從0.505～0.920不斷增加：模型1的決定系數值為0.255、模型2的決定系數值為0.510、模型3的決定系數值為0.687、模型4的決定系數值為0.836、模型5的決定系數值為0.846,這說明，對窗口照度對數值有顯著作用的變量不斷被引入到回歸方程中，其合理度也在不斷增加。

表4 回歸模型概況表Table 4 Overview of regression model

利用方差分析以判斷模型1～5方程中因子的波動情況。根據表5所示，模型1～5的F隨機檢驗值分別為384.509、583.340、818.899、1 426.405和1 232.139，而檢驗值概率P值均為0.000，因此，引入參數的過程成立。

表5 回歸模型方差分析表Table 5 Analysis of variance of regression model

對5個方程的回歸系數進行計算，可得到模型回歸系數(表6)。五個模型的回歸系數t檢驗結果均小于0.05，其中模型1回歸系數t檢驗結果為0.017，模型2～5常數項回歸系數的t檢驗結果均為0.000，證明5個回歸模型均成立。

表6 模型回歸系數表Table 6 Regression coefficient of model

(3)計算公式擬合結果。

綜合上文相應分析可知，回歸模型5包含全部自變量，決定系數為0.846，擬合效果最好，同時，根據模型5的方差結果，其F值為1 232.139，P值為0.000，證明回歸模型5具有統計學意義，這說明各個自變量和窗口照度值之間存在線性關系，其回歸模型為

Y=α0+α1×X1+α2×X2+α1×X3+α1×X4+α1×X5(α為常數)

(1)

因此，LED廣告屏影響下的窗口照度計算公式為指數函數，即

Y=10^(α0+α1×X1+α2×X2+α3×X3+

α4×X4+α5×X5)

(2)

根據模型5 的相關系數表(表6)得到常數項為1.175，LED廣告屏亮度的系數為3.033E-4，LED廣告屏距窗口水平直線距離的系數-0.006，LED廣告屏與窗口垂直夾角的系數為-0.020，LED廣告屏面積的系數為0.001，LED廣告屏與窗口水平夾角的系數為-0.005。因此可得：

E=10^(1.175+3.033E-4×L-0.006×D-

0.020×β+0.001×S-0.005×α)(L>0，S>0，

0°≤α<90°，0°≤β<90°)

(3)

其中：E為受LED廣告屏光污染影響的居民窗口照度，單位為lx；

L為LED廣告屏亮度，單位為cd/m2；

D為LED廣告屏距窗口水平直線距離，單位為m；

β為LED廣告屏與窗口垂直夾角，單位為°；

S為LED廣告屏面積，單位為m2；

α為LED廣告屏與窗口水平夾角，單位為°。

2.4 統計學驗證

通過SPSS分析，對公式進行殘差分布的檢驗，以驗證擬合曲線的合理性。在數理統計中，殘差是指實際觀察值與估計值(公式擬合值)之間的差。實驗點的標準化殘差應該服從正態分布，且落在(-2，2)區間以外的概率應該≤0.05[8]。首先，繪制直方圖，如圖2所示，回歸標準殘差直方圖可知數據符合正態分布；其次，利用SPSS生成標準殘差P-P圖，如果數據符合正態分布，則繪制的各點應落在直線上或在直線附近[8]。如圖3所示，數據近似呈一條直線。因此，綜合直方圖和P-P圖所示數據，擬合的公式有較好的正態性并具有實際意義。

圖2 標準化殘差直方圖Fig.2 Histogram of standardized residuals

圖3 標準化殘差的標準P-P圖Fig.3 Standard P-P diagram of standardized residuals

同時，對自變量(LED廣告屏亮度、LED廣告屏距窗口水平直線距離、LED廣告屏與窗口垂直夾角、LED廣告屏面積、LED廣告屏與窗口水平夾角等影響因素)進行多重共線性檢驗，經SPSS計算，各自變量因素條件指數最大值為26.15，均小于30，證明各因素間不存在多重共線性。

3 LED廣告屏設置參數限制值計算

利用LED廣告屏光污染影響的居民窗口照度計算方程，對LED廣告屏亮度、LED廣告屏距窗口水平直線距離、LED廣告屏與窗口垂直夾角、LED廣告屏面積、LED廣告屏與窗口水平夾角等參數進行一定條件下的限制值計算，限制值指標為居住建筑窗口照度。

由于本文研究對象為城市居住區周圍的LED廣告屏的光污染問題，因此取環境區為E4區的限制值25 lx[9]。

3.1 不同面積的LED廣告屏對應亮度設定限制值計算

當LED廣告屏與居住建筑窗口位置關系為窗口最受污染情況下，可計算出不同面積的LED廣告屏對應的亮度設定限制值。居住建筑窗口最受污染的位置關系為LED廣告屏與居住建筑窗口正對，且水平直線距離最短時。

據現場測試數據[10]，將LED廣告屏面積分類，共分為S≤100 m2、100 m2450 m2五類。根據《城市夜景照明設計規范》(JGJ/T 163—2008)，居住建筑窗口照度的限制取值為25 lx。因此，根據式(3)，可得LED廣告屏亮度限制值：

L0=(lg25-1.175+0.006×D+0.020×β-

0.001×S+0.005×α)/3.033E-4

(4)

其中面積取值為五個等級范圍內面積的最大值，LED廣告屏距居住建筑窗口水平直線距離、垂直夾角和水平夾角的取值見表7。

表7 LED廣告屏與居住建筑窗口位置關系Table 7 Relationship between LED advertising screen and window position of residential buildings

根據表8所示，當LED廣告屏面積S≤100 m2時，亮度設定要小于1 229.5 cd/m2，才不會對居民窗口產生光污染，綜合CIE 150—2017及國內相關城市對LED屏亮度設置要求(北京、上海)，限值取1 000 cd/m2。當LED廣告屏面積取值分別為100 m2450 m2，根據式3計算結果，可以將亮度限值進一步限定為896.1 cd/m2、562.8 cd/m2、62.8 cd/m2，當LED廣告屏面積大于450 m2時，不論亮度值為多少，其對居住建筑均產生光污染。

表8 不同面積LED廣告屏亮度最大允許值Table 8 Maximum allowable brightness values of LED advertising screens with different areas

同時經計算，當其他參數一定時，LED廣告屏亮度每降低59.10 cd/m2時，居住建筑窗口照度能降低1 lx；LED廣告屏面積每降低17.73 m2時，居住建筑窗口照度能降低1 lx。

3.2 LED廣告屏距居住建筑的水平直線距離限制值計算

當LED廣告屏亮度、面積參數取最大值以及LED廣告屏與居住建筑窗口之間的夾角關系呈窗口最受污染的狀態，根據窗口照度的限制值(25 lx)，可計算出LED廣告屏設置的水平直線距離限值。根據現場實測的數據，相關參數取值見表9。

表9 參數取值Table 9 Parameter values

根據式(3)可得LED廣告屏直線限制值為：

D0=(1.175+3.033E-4×L-0.020×β+

0.001×S-0.005×α-lg25)/0.006

(5)

將相關參數帶入，可知LED廣告屏距居住建窗口的水平直線距離限值為416.72 m，即在居住區附近設置LED廣告屏時，距居住建筑窗口水平直線距離應大于416.72 m；同時，根據式(5)計算可知，當水平直線距離每增加2.95 m時，窗口平均照度可以降低1 lx。

3.3 LED廣告屏與居住建筑的垂直夾角限制值計算

當LED廣告屏自身參數(亮度、面積)及其與居住建筑窗口位置關系取值為窗口最受污染的狀態，利用式(3)計算得出垂直夾角為112.7°，超出式(3)規定的垂直夾角取值范圍(0°～90°)，即當參數如上述取值，窗口照度必然超標，無法通過改變垂直夾角來降低窗口照度。

為科學地計算LED廣告屏與居住建筑的垂直夾角建議值，LED廣告屏自身參數選擇調研數據平均值，LED廣告屏與居住建筑窗口間的水平夾角、水平直線距離取居住建筑窗口最受污染的情況，具體取值見表10。

表10 參數取值Table 10 Parameter values

根據式(3)可得LED廣告屏與居住建筑的垂直夾角為：

β0=(1.175+3.033E-4×L-0.006×D+

0.001×S-0.005×α-lg25)/0.020

(6)

經計算垂直夾角為3.39°，即LED廣告屏幾何中心距地面高度應大于D×tan3.39°，此外，經式(6)計算，當垂直角度每增加0.89°時，居住建筑窗口照度能降低1 lx。

綜上，LED廣告屏幾何中心距地面高度應大于0.059D，距地面高度每增加0.016D時(D為LED廣告屏距居住建筑的水平直線距離)，居住建筑窗口照度能降低1 lx。

3.4 LED廣告屏與居住建筑的水平夾角限制值計算

LED廣告屏與居住建筑的水平夾取值范圍為0°～90°，但當LED廣告屏自身參數(亮度、面積)及其與居住建筑窗口位置關系取值為窗口最受污染時，利用公式計算得出水平夾角為450.85°，超出規定取值范圍[11，12]，即當參數如上述取值，窗口照度必然超標，無法通過改變水平夾角來降低窗口照度。

因此，LED廣告屏自身參數選擇調研數據平均值，LED廣告屏與居住建筑窗口間的垂直夾角、水平直線距離取窗口最受污染的狀態，具體取值見表11，根據式(3)，可得水平夾角

表11 參數取值Table 11 Parameter values

α0=(1.175+3.033E-4×L-0.006×D+

0.001×S-0.020×β-lg25)/0.005

(7)

經計算得知，在設定LED廣告屏時，其與居住建筑的水平夾角應大于13.56°，且水平夾角每增加3.55°時，居住建筑窗口照度能降低1 lx。

4 結論與建議

本文運用了SPSS對前期研究[6,7]所得多因素模擬的1152個模擬結果進行相關性計算和回歸分析計算，尋找出LED廣告屏本身參數、LED廣告屏相對位置參數兩類參數與居住建筑窗口照度之間的擬合關系，其次分析出影響窗口照度的因素作用的大小排序，并得到受LED廣告屏光污染影響的居民窗口照度計算式。結合研究提出居住區周圍LED廣告屏設置建議：

1)綜合主觀問卷結果[6]，建議如下：

①LED廣告屏畫面的顏色設定。建議盡量減少播放包含白色、紅色、黃色、藍色的畫面，或盡量降低該顏色畫面的亮度水平；

②嚴格控制LED廣告屏開啟及關閉時間。

2)利用受LED廣告屏光污染影響的居民窗口照度公式，對LED廣告屏亮度、面積等參數進行限制值計算，根據計算結果建議如下：

①居住區不同面積LED廣告屏亮度最大允許值應符合表11要求，并減小各廣告畫面播放時的亮度差異，避免亮度瞬時變化過大。不建議在此區域設置面積大于450 m2的LED廣告屏；

②LED廣告屏距居住建筑窗口水平直線距離應大于416.72 m；

③LED廣告屏幾何中心距地面高度應大于0.059D(D為LED廣告屏距居住建筑的水平直線距離)；

④LED廣告屏與居住建筑的水平夾角應大于13.56°。

3)針對已經在居住區周圍設定的LED廣告屏，可通過以下方式改善其對居民的光污染：

①降低LED廣告屏亮度。LED廣告屏亮度每降低59.10 cd/m2時，居住建筑窗口照度能降低1 lx，現實中，應通過測定最受污染窗口照度，根據式(3)計算應降低亮度水平，并減少各廣告畫面播放時的亮度差異；

②增加居住建筑與LED廣告屏的水平夾角。水平夾角每增加3.55°時，居住建筑窗口照度能降低1 lx，實際操作中，應通過測定最受污染窗口照度，再相應調整居住建筑與LED廣告屏水平夾角；

③增加LED廣告屏距地面高度。距地面高度每增加0.016D時(D為LED廣告屏距居住建筑的水平直線距離)，居住建筑窗口照度能降低1 lx。因此，應通過測定最受污染窗口照度，再對應調整LED廣告屏距地面高度；

④結合周圍居民實際情況，限制LED廣告屏播放畫面的顏色；結合周圍居民作息情況規定LED廣告屏開啟及關閉時間。