國(guó)內(nèi)外夜空亮度測(cè)量研究進(jìn)展

蘇曉明，郝占國(guó)，張明宇

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，建筑物理實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津大學(xué)天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072 )

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國(guó)內(nèi)外夜空亮度測(cè)量研究進(jìn)展

蘇曉明1，郝占國(guó)1，張明宇2

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，建筑物理實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津大學(xué)天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072 )

對(duì)全球夜空亮度測(cè)量研究進(jìn)行了概述；以夜空亮度測(cè)量方法為切入點(diǎn)，梳理了夜空發(fā)亮研究的發(fā)展脈絡(luò)；通過(guò)對(duì)夜空亮度測(cè)量方法進(jìn)行分類研究，歸納了夜空發(fā)亮研究的三種方法：“數(shù)學(xué)模型計(jì)算法”、“夜空?qǐng)D像利用法”和“儀器測(cè)量法”；依據(jù)對(duì)三類測(cè)量研究的研究對(duì)象、研究過(guò)程、研究結(jié)論等方面進(jìn)行對(duì)比分析，指出不同測(cè)量研究方法的優(yōu)勢(shì)與薄弱環(huán)節(jié)，及其未來(lái)發(fā)展方向。

夜空發(fā)亮；測(cè)量；亮度；數(shù)學(xué)模型；夜空?qǐng)D像

引言

目前，環(huán)境科學(xué)、生物科學(xué)、醫(yī)學(xué)、人類學(xué)、社會(huì)科學(xué)等眾多領(lǐng)域都在積極開(kāi)展城市夜空發(fā)亮研究，應(yīng)對(duì)夜空發(fā)亮產(chǎn)生的不良影響。但是，夜空亮度測(cè)量研究目前還存在測(cè)量方法不統(tǒng)一，測(cè)量設(shè)備不夠完善、測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)法多領(lǐng)域共享等問(wèn)題。這已成為該領(lǐng)域的發(fā)展瓶頸，甚至還制約了其他領(lǐng)域的相關(guān)研究。因此，本文以夜空發(fā)亮的測(cè)量方法為研究對(duì)象，如圖1所示，從數(shù)學(xué)模型測(cè)量、圖像數(shù)據(jù)測(cè)量、儀器測(cè)量研究三個(gè)主要方面對(duì)比分析該領(lǐng)域的研究成果。通過(guò)梳理夜空亮度測(cè)量研究的發(fā)展脈絡(luò)，尋找夜空亮度測(cè)量研究的主線、歸納不同測(cè)量方法特點(diǎn)，對(duì)夜空亮度測(cè)量研究的未來(lái)方向進(jìn)行了展望，并為夜空發(fā)亮及相關(guān)領(lǐng)域的研究提供參考。

圖1 夜空亮度測(cè)量方法Fig.1 Method of night-sky Light measuring

1 夜空亮度測(cè)量研究——模型計(jì)算類

1.1 模型測(cè)量相關(guān)研究成果

夜空亮度測(cè)量是夜空發(fā)亮研究的主要內(nèi)容之一。利用數(shù)學(xué)模型對(duì)夜空發(fā)亮進(jìn)行量化計(jì)算是主要的測(cè)量方法之一。根據(jù)筆者所掌握的資料顯示，夜空發(fā)亮的量化研究始于1970年，此后相關(guān)研究的內(nèi)容開(kāi)始不斷完善、深入。

夜空發(fā)亮數(shù)學(xué)模型的已有研究成果，基本解決了夜空發(fā)亮機(jī)理、特征特點(diǎn)和程度評(píng)定方法等夜空發(fā)亮的基本問(wèn)題，并為夜空發(fā)亮圖像測(cè)量研究、儀器測(cè)量研究提供了重要理論基礎(chǔ)。如：Merle F Walker (1970)，通過(guò)對(duì)(1965—1967年)加利福尼亞夜空觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，綜合考慮了大氣狀況、觀察者視角等因素，率先指出了夜空發(fā)亮的可觀察區(qū)域[1]，并在之后的研究中(1973)首次指出通過(guò)控制地面的光照情況、建立夜天空保護(hù)區(qū)等方法能夠減低夜空發(fā)亮程度。這些方法已是目前夜天空保護(hù)的主要手段[2]；Robert Pike(1976)通過(guò)建立大氣散射模型，計(jì)算并描述了安大略省南部及其周邊的夜空發(fā)亮狀態(tài)，并利用計(jì)算機(jī)分析夜空發(fā)亮圖片與城市人口變化率的相關(guān)性，形成了夜空亮度—人口數(shù)學(xué)模型，用來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)夜空發(fā)亮的變化情況；1976年，Berry也建立了包括城市人口參數(shù)、觀察點(diǎn)地理位置參數(shù)，大氣吸收率在內(nèi)的夜空亮度計(jì)算數(shù)學(xué)模型[3]。該數(shù)學(xué)模型對(duì)夜空亮度測(cè)量研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。首先是Garstang依據(jù)Berry的城市人口—夜空發(fā)亮原理，增加了地面反射、大氣散射、分子擴(kuò)散等夜空發(fā)亮的形成過(guò)程參數(shù)，建立了更加真實(shí)有效的夜空亮度計(jì)算模型[4]。并在之后的研究中不斷增加了大地表面弧度[5]、空氣塵埃[6]等影響參數(shù)，使原有的數(shù)學(xué)模型更接近于實(shí)際情況；P Cinano(2001)利用DMSP衛(wèi)星圖像和Garstang模型，首次建立了全球夜空亮度數(shù)據(jù)圖，用以評(píng)價(jià)不同夜空亮度等級(jí)影響下的全球人口數(shù)量，其“全球約有1/5的人口，約2/3的美國(guó)人和一半以上的歐洲人口已無(wú)法利用肉眼觀察銀河”的結(jié)論被廣泛引用[7]；還有，Steve Alere(2001)，結(jié)合1990年美國(guó)人口數(shù)據(jù)，對(duì)Garstang模型進(jìn)行深化，得到夜空某點(diǎn)發(fā)光強(qiáng)度計(jì)算公式為

(1)

其中P為城市人口數(shù)量，R為觀測(cè)點(diǎn)到地面的距離[8]。

2014年，Cinzano對(duì)比Garstang的亮度——人口模型，從光的能量分布方式角度出發(fā)建立了全新的夜空發(fā)亮模型為

(2)

其中，發(fā)光強(qiáng)度為Iλ(x,y,z,θ,φ)，x,y為地面坐標(biāo)，z為海拔高度，θ視線方向的高度角,φ為方位角[9]。

1.2 模型測(cè)量相關(guān)研究成果統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)夜空發(fā)亮模型測(cè)量方法的統(tǒng)計(jì)如表1所示：圍繞夜空發(fā)亮成因，各國(guó)研究者選擇了城市人口、城市形態(tài)、大氣狀態(tài)、光的傳播等多種目標(biāo)為研究對(duì)象；圍繞研究對(duì)象要素進(jìn)行分析的9篇文獻(xiàn)中，有4篇重點(diǎn)討論了光在大氣中的傳播方式、4篇討論了城市人口狀態(tài)對(duì)夜空發(fā)亮的影響、7篇文獻(xiàn)在研究中考慮了觀察者的空間位置(包括：地表狀態(tài)，2篇)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響；9篇文獻(xiàn)的研究結(jié)論可分為對(duì)象特征分析(1、2)、評(píng)價(jià)模型建立于優(yōu)化(3、4、5、6、7)、評(píng)價(jià)模型轉(zhuǎn)型(8、9)三個(gè)階段。由此可見(jiàn)：

(1)夜空亮度測(cè)量研究有幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：①夜空亮度測(cè)量結(jié)果受觀察者和被測(cè)地點(diǎn)的空間位置影響；②夜空發(fā)亮?xí)艿降孛嫣卣鳌⒋髿馓卣鳌⒖諝赓|(zhì)量等因素影響；③夜空發(fā)亮程度與城市發(fā)展(人口數(shù)量)密切相關(guān)。

(2)夜空亮度模型研究的兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：①深入研究夜空發(fā)亮環(huán)境的影響因子，使研究、評(píng)價(jià)進(jìn)一步深入、細(xì)化；②轉(zhuǎn)換思維，從光的能量變化、光的傳播途徑等方面重新對(duì)夜空發(fā)亮進(jìn)行定義、評(píng)定或進(jìn)行對(duì)比分析研究。

2 夜空亮度測(cè)量研究——圖像數(shù)據(jù)類

2.1 圖像數(shù)據(jù)

表1 夜空亮度測(cè)量研究成果(數(shù)學(xué)模型類)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Night-sky Light measuring research results date (mathematical model)

圖像數(shù)據(jù)能夠直觀的記錄夜空發(fā)亮的情況。無(wú)論是定性研究還是定量分析，有效的夜空?qǐng)D像數(shù)據(jù)，都能夠?yàn)橐箍瞻l(fā)亮評(píng)價(jià)、研究提供有力的支撐。利用圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，不僅擴(kuò)大了夜空發(fā)亮研究的領(lǐng)域，也從分析研究對(duì)象、驗(yàn)證研究等角度間接促進(jìn)了夜空亮度數(shù)學(xué)模型測(cè)量、儀器測(cè)量等方法的發(fā)展；同時(shí)，該方法也為其它領(lǐng)域的相關(guān)研究提供了開(kāi)展研究的便捷途徑。

在夜空發(fā)亮圖像測(cè)量研究的成果中，依據(jù)圖像采集設(shè)備的不同，可將檢測(cè)方法分為遙感衛(wèi)星圖像測(cè)量和CCD(電荷耦合器件)相機(jī)圖像兩大類，如表2所示。其中，依據(jù)來(lái)源的不同，遙感衛(wèi)星圖像又可分為DMSP衛(wèi)星圖像、VIIRS衛(wèi)星圖像。不同采集設(shè)備在應(yīng)用范圍、精度等方面存在較大差異。

表2 夜空亮度圖像數(shù)據(jù)采集設(shè)備表Table 2 Image monitors of night-sky brightness

2.2 圖像數(shù)據(jù)測(cè)量相關(guān)研究成果

收集的相關(guān)研究成果包括：1970—1979年相關(guān)論文共4篇(1篇研究與衛(wèi)星圖像有關(guān))；1980—1989年有 2篇關(guān)于數(shù)學(xué)模型評(píng)價(jià)的研究成果；1990—1999年共5篇(4篇與衛(wèi)星圖像相關(guān))；2000—2009年共15篇(7份研究利用了衛(wèi)星圖像，1份研究利用了CCD相機(jī)圖像)；2010至今共有文獻(xiàn)48篇，其中有35篇研究利用了圖像數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。可見(jiàn)，夜空亮度測(cè)量方法的相關(guān)研究成果逐年增多；近年，利用圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行夜空發(fā)亮研究相關(guān)成果數(shù)最多，數(shù)量增長(zhǎng)速度最快。

圖2 夜空亮度測(cè)量方法相關(guān)研究成果統(tǒng)計(jì)圖Fig.2 Night-sky Light measuring relevant research results

無(wú)論哪類圖像測(cè)量方法，都大大拓展了夜空發(fā)亮的研究領(lǐng)域，也使夜空發(fā)亮的研究更加深入、更具有現(xiàn)實(shí)作用。如D Elvidge Christopher等(2010)對(duì)比分析了DMSP衛(wèi)星圖像上的光譜特征與地面43種典型光源的光譜特征關(guān)系，探討了如何利用衛(wèi)星圖像分析地面光源的使用情況[10]； F A Kruse(2011)結(jié)合DMSP衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)和光譜成像分析儀測(cè)量結(jié)果，對(duì)夜空光譜進(jìn)行了研究，用以分析城市范圍內(nèi)燈光的使用情況[11]；Fabio Falchi (2011)利用CCD相機(jī)連續(xù)12年紀(jì)錄了夜天空發(fā)亮情況，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)CCD圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)了夜空全天空亮度分布等特點(diǎn)； C M Christopher(2013)利用不同角度的兩個(gè)CCD相機(jī)組合對(duì)近地面夜空拍攝，研究城市燈光在大氣中的傳播路徑的變化狀態(tài)； C D Elvidge (2013)利用VIIRS衛(wèi)星圖像對(duì)地面光源的色溫進(jìn)行了分析，指出衛(wèi)星圖像能夠區(qū)分出色溫為600～6000K的大面積地面光源[12]； J Bennie (2014)利用VIIRS衛(wèi)星圖像對(duì)1995—2010年歐洲上空的光污染變化規(guī)律進(jìn)行了研究，指出歐洲夜空在逐漸變亮的大趨勢(shì)下，很多發(fā)達(dá)城市的夜空亮度卻在逐年降低[13]。

2.3 圖像數(shù)據(jù)測(cè)量研究成果分析

(1)利用圖像對(duì)夜空發(fā)亮進(jìn)行研究具有應(yīng)用范圍廣、直觀、高效等特點(diǎn)，使夜空發(fā)亮研究更加深入、直觀。但是，受到圖像清晰度、圖像采集空間位置等因素的制約，各種圖像測(cè)量方法都具有相應(yīng)的邊界條件。

(2)受測(cè)量區(qū)域、圖像精度、測(cè)量位置等邊界條件影響，不同圖像測(cè)量方法可適用于不同的研究對(duì)象。衛(wèi)星圖像測(cè)量研究常用于大范圍的光環(huán)境評(píng)價(jià)，但受到圖像精度、大氣狀態(tài)的直接影響，難以全面、具體的反應(yīng)地面小尺度光源、環(huán)境等信息。CCD相機(jī)圖像測(cè)量研究，能夠直觀的反應(yīng)人視點(diǎn)的天空發(fā)亮、地面光照等情況，但是受圖像采集地點(diǎn)和方法等因素的影響，這種方法常難以進(jìn)行大尺度城市范圍的天空發(fā)亮研究。

(3)在一定程度上，未來(lái)夜空發(fā)亮圖像測(cè)量研究可向補(bǔ)充針對(duì)城市中等尺度的測(cè)量方法研究方向發(fā)展，既研究介于全球衛(wèi)星圖像大尺度與地面局部CCD圖像小尺度之間，如街道空間、城市區(qū)域空間光環(huán)境對(duì)夜空發(fā)亮的影響。

3 夜空亮度測(cè)量研究——測(cè)量?jī)x器類

3.1 測(cè)量?jī)x器相關(guān)研究

受科技快速發(fā)展、夜空發(fā)亮領(lǐng)域相關(guān)研究的迅速深入和擴(kuò)展等影響，夜空亮度測(cè)量?jī)x器研究正處于一個(gè)不斷優(yōu)化和自我完善的階段，但是，多種夜空亮度測(cè)量裝置的研制與使用，已能夠?yàn)橐箍瞻l(fā)亮領(lǐng)域及其它領(lǐng)域的相關(guān)研究，提供快速、準(zhǔn)確獲取夜空亮度數(shù)據(jù)的有效手段。如：沈天行(2001)研發(fā)了SM光環(huán)境測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能夠?qū)σ箍樟炼冗M(jìn)行測(cè)量，同時(shí)，還能夠?qū)幼^(qū)、室內(nèi)、城市照明等多種光環(huán)境進(jìn)行測(cè)量，并以圖像的形式記錄目標(biāo)，以圖像和數(shù)據(jù)的形式顯示測(cè)量結(jié)果[14]；Piertonio Cizano(2005)率先研制出了便攜式夜空品質(zhì)儀SQM(Sky Quality Meter)，用以直接測(cè)量夜天空亮度值(星等值)[15]，該儀器被IDA(International Dark-Sky Association)組織廣泛應(yīng)用于夜空發(fā)亮的測(cè)量中。同時(shí)，該儀器在后續(xù)的相關(guān)研究中也常常被用作主要測(cè)量?jī)x器或研究對(duì)比對(duì)象；Dan M Duriscoe (2007)，利用魚(yú)眼鏡頭和計(jì)算機(jī)處理軟件，研制出了針對(duì)全夜空范圍的夜空亮度快速測(cè)量裝置[16]；劉鳴(2007)利用TOPCON BM7 彩色亮度計(jì)直接對(duì)天津城市夜天空亮度進(jìn)行了測(cè)量，對(duì)夜空亮度分布進(jìn)行了分析，并得出了天津城市中心區(qū)范圍的夜空亮度分布圖，并且還進(jìn)一步對(duì)夜空亮度監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)方法進(jìn)行初步探討[17]；2011年，A Muller 等出于長(zhǎng)期連續(xù)測(cè)量的目的，研制了能夠適應(yīng)明視覺(jué)環(huán)境、暗視覺(jué)環(huán)境、中間視覺(jué)環(huán)境、能夠連續(xù)觀測(cè)、傳輸夜天空亮度數(shù)據(jù)的裝置[18]；J Aceituno等(2011)研制了能夠直觀顯示復(fù)雜夜天空環(huán)境(包括云狀、大氣透明度、光度穩(wěn)定性)的夜空亮度測(cè)量?jī)x[19]；還有，Henk Spoelstra (2014)通過(guò)控制測(cè)量裝置中的濾鏡組件，研制了用于評(píng)價(jià)夜空光譜組成的6波段夜空彩色測(cè)試儀，可用于分析形成夜空發(fā)亮的人工光源類型[20]。

3.2 測(cè)量?jī)x器相關(guān)研究成果分析

夜空亮度測(cè)量裝置的相關(guān)研究成果統(tǒng)計(jì)如表3所示：夜空亮度測(cè)量裝置的測(cè)量對(duì)象包括發(fā)亮夜空整體(1、2、3、4號(hào)文獻(xiàn))和發(fā)亮夜空組成要素(6、7號(hào)文獻(xiàn))兩類；測(cè)量結(jié)果的輸出格式包括：亮度數(shù)值(1、4、7號(hào))、星等數(shù)值(1、2、3號(hào))輻射通量數(shù)值(5號(hào))、圖像數(shù)據(jù)(1、2、6號(hào))、描述性文字(6號(hào))五類格式，其中亮度和星等數(shù)值較為常用。對(duì)比統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與相關(guān)研究成果，筆者認(rèn)為，夜空發(fā)亮儀器測(cè)量研究具有以下特點(diǎn)：

(1)該類研究沿“夜空亮度”主線不斷向前發(fā)展。研究圍繞發(fā)亮夜空，進(jìn)行了天空亮度/星等、天空云狀、光線特征等不同角度進(jìn)行。

(2)夜空亮度測(cè)量?jī)x器研制過(guò)程中重點(diǎn)研究、優(yōu)化了儀器檢測(cè)視野范圍、測(cè)量條件、光譜篩選三個(gè)方面，使其更適用于復(fù)雜環(huán)境下夜空目標(biāo)，使夜空亮度測(cè)量數(shù)據(jù)更具有針對(duì)性、更客觀。

(3)對(duì)比該項(xiàng)研究發(fā)展歷程，筆者認(rèn)為，夜空發(fā)亮的測(cè)量裝置的研究正向動(dòng)態(tài)、全空間、可視化方向發(fā)展。

表3 夜空亮度測(cè)量?jī)x器研究統(tǒng)計(jì)表Table 3 Night-sky Light measurement monitors research statistical table

4 結(jié)論

夜空亮度測(cè)量是光污染研究領(lǐng)域、天文觀測(cè)、光生態(tài)等領(lǐng)域相關(guān)研究中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過(guò)對(duì)測(cè)量方法進(jìn)行深入研究，能夠?yàn)樘岣咭箍瞻l(fā)亮數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和科學(xué)性提供必要方法，為夜空發(fā)亮研究提供科學(xué)思路，是拓寬夜空發(fā)亮研究及相關(guān)研究領(lǐng)域的有效手段，對(duì)夜空發(fā)亮研究有重要的意義。

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Research Review of Night Sky Light Measurement

Su Xiaoming1, Hao Zhanguo1, Zhang Mingyu2

(1.CollegeofArchitectureInnerMongoliaUniversityofTechnology,Hohhot010051,China；2.CollegeofArchitectureTianjinUniversity,Tianjin300072,China)

In this paper, we review the research of monitor night-sky light to find a suitable way for further measurement research. Choosing the method of night-sky light measuring as the key point, and combing the development and classifying research, we sum up the night sky light measurement into three:mathematical model calculation, sky image calculation and instrument test. After analyzes the three method’ characters, we point out their strengths and weaknesses and a further development direction.

night sky light; measurement; brightness; mathematical model; night sky image

國(guó)家自然科學(xué)基金(51208351)，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)科學(xué)研究項(xiàng)目(X201202)

TM923

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10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.008