城市夜間天空亮度監測方法與模型綜述

劉 鳴, 李維珊, 郝慶麗, 郭曉煒

(大連理工大學 建筑與藝術學院，遼寧 大連 116024)

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城市夜間天空亮度監測方法與模型綜述

劉 鳴, 李維珊, 郝慶麗, 郭曉煒

(大連理工大學 建筑與藝術學院，遼寧 大連 116024)

隨著城市的發展以及人們對照明的需求，大量的照明設備被安裝，光污染問題也隨之而來。過度的照明不僅對天文觀測產生影響，還會對人體健康產生影響。本文從城市光污染的表達角度出發，通過查閱大量國內外相關文獻，總結了當前國內外光污染研究的背景及城市光污染模型的發展現狀，并重點對各國的監測和繪制城市夜間亮度模型的研究手段及成果，從多個方面進行綜述，為城市夜間亮度模型的研究提供幫助。

城市夜間照明；光污染；照明模型；衛星數據；亮度分布

引言

隨著城市現代化的進程以及社會的發展，人們對夜間照明的需求也隨之增加，越來越多的“不夜城”出現，光污染問題也隨之而來。光污染問題是20世紀50年代被天文學家提出，城市夜間的大量照明，造成城市上空的白亮化，對天文觀測產生了嚴重影響。此外，越來越多的研究表明，光污染也危害著人體健康和生態環境的發展。同時根據Isobe和Hamamura(2000年)利用美國空軍國防氣象衛星計劃(DMSP)對日本城市觀測估計發現，光污染也加重了城市的經濟成本，造成了資源浪費[1]。

在光污染問題愈演愈烈的情況下，從20世紀70年代開始，國際光環境研究領域中的先驅開始研究城市的夜間照明亮度情況及相應的模型。例如，Walker等人，開始基于衛星氣象(DMSP)數據等，從城市人口問題角度出發，對城市的夜間照明亮度情況進行研究，并提出了相應的夜間天空亮度模型，對預測城市亮度變化及城市亮度地圖的繪制提供了幫助[2]。

亮度分布模型的提出與發展，豐富了城市內部光污染層次研究方法和表達方式，促進了合理的光污染監測和評價體系的建立，同時，由于城市的光污染評價系統經常與城市照明規劃標準等進行結合，因此它也為城市生態照明規劃的提供了依據。本文在城市角度下，通過對大量相關文獻閱讀匯總，經過對相應的科研成果的研究，總結出了城市夜間亮度模型研究的國內外發展及研究現狀及幾種城市夜間亮度模型的建立，從而希望能夠對現城市夜間亮度模型研究提供相應的資料幫助。

1 國內外光污染研究的背景

1.1 城市生態照明規劃的需要

中國的城市照明規劃是從20世紀80年代末開始逐步建立相應的系統，并進行相應補充完善的。從1994年天津市出版了我國的第一部有關城市夜景照明的技術規范《城市夜景照明技術規范》開始，北京、上海等地也陸續發布了各種有關夜景照明的評價指標或規范。在2004年，國家建設部和發改委聯合下發文件《關于加強城市照明用電管理、促進節約用電工作的意見》，提出了將城市照明規范化、合理化作為城市規劃的一部分，許多城市如天津、杭州等也開始陸續在其中心城區開展了合理照明規劃措施，提高了城市夜景質量，增加城市的生態照明體系。城市照明規范和規劃的發展的大致情況如圖1所示，同時隨著人們“生態”、“綠色”意識的增強，以及人們對光污染關注的增加，城市生態照明規劃的需求也越來越迫切。

圖1 中國照明規范、照明規劃的發展Fig.1 Development of China’s lighting standards and lighting planning

1.2 城市光污染模型的發展

從20世紀70年代開始，學者開始對城市光污染進行研究，試圖建立光污染與影響因素之間的模型關系。最初對城市夜天空光污染模型的建立逐步向現今的城市地表光污染、光污染的光能量分布等角度的模型研究轉變。Treanor(1973年)、Robert(1976年)、Garsatng(1986年，1989年,1991年)等人先后建立和完善了夜天空亮度與人口分布關系的模型[4-8]。Chalkias等人(2006)對希臘的DMSP圖像結合GIS系統，對希臘城市夜間光源產生的光污染進行可視化亮度分布模型，GIS系統開始應用于城市光污染觀測中[9]；Biggs等人(2011年)對澳大利亞珀斯進行了天空亮度等值線模型建立研究[10]；Cinzano(2014年)在人口模型基礎上，從光能量分布角度建立新的表達模型[11]；Falchi等人(2016)年利用衛星圖像，建立了最新的全球光污染地圖，分析了各國的光污染分布情況[12]。劉鳴(2007年)研究了天津城市夜天空亮度監測，初步研究了分布特性和基本模型[13]；蘇曉明(2015年)通過對夜間圖像表現的天空亮度分布地圖并進行灰度分級，研究了呼和浩特市天空光污染地圖[15]。此外，我國近年來利用DMSP/OLS夜間燈光數據，研究分析了城市照明變化與城市發展問題如土地利用、城市發展格局變化等，光污染模型的探索及應用隨之發展起來[10][16-17, 31]。

2 基于人口分布規模的夜間亮度模型

人口分布影響了城市夜間照明規劃的主要因素，因此在最初的研究中主要是通過衛星圖像分析和實地觀測，將人口分布作為相關研究對象，建立人口與光污染分布之間的數學關系模型的，并隨著相關研究的深入，逐步將其他影響因素添加到模型中，將數學模型不斷完善。

Walker(1970年)通過對加利福尼亞夜間天空亮度的觀察，發現城市夜間照明與城市人口分布規模狀況、觀察者距離有關，并通過研究當地的DMSP衛星圖像，建立了這三者之間關系模型，但此模型僅適用于人均光通量為500～1000 lm的城市[2]。

通過研究大氣中氣溶膠參數、光散射、大氣對光吸收、觀測點地理位置參數等對人工照明對天空的影響和觀測影響，Treanor(1973年)、Robert(1976年)、Garsatng(1986年，1989年,1991年)等人先后對完善了城市人口分布情況與城市夜間天空亮度之間的關系模型[4-8]。其中Garstang模型中先后增加了地面反射、大氣散射、分子擴散、大地表面弧度、空氣塵埃等影響參數，使其建立的人口與城市亮度模型逐步接近真實情況[8]。

Cinzano(2000年)確定了由位于相鄰漫射光污染地區的觀測者觀測天空亮度的關系模型，并與Falchi等人(2000年，2001年)通過利用衛星圖像(DMSP)中無云狀況下的夜間圖像以及意大利政府提供的人口數量變化統計，發現城市人口在一定范圍下才會符合現建立的模型標準，在Garstang模型和精確了的低人口密度地區天空亮度模型計算下，建立了意大利相關的城市夜間亮度地圖模型[18]。之后，Cinzano(2014年)在人口模型基礎上，從光能量的分布角度重新建立新的表達模型[11]。

3 基于實地監測數據的夜間亮度模型

在DMSP衛星圖像和ISS圖像基礎上，各國開始通過對夜間城市光環境情況進行實地測試，通過各種測試手段建立相應城市夜間亮度照明模型，并對其進行研究。

3.1 基于CCD圖像的測量數據模型

利用CCD相機可以對城市夜間天空亮度進行直接的觀測，有利于城市光污染的后期研究。CCD相機常結合魚眼鏡頭和適當的過濾器對所測量區域的天空照度進行連續測量，將獲取的圖形進行轉化、校準，可以得到具有代表性的該區域天空亮度分布圖像模型。

Kollath(2010年)利用裝有廣角魚眼鏡頭的CCD相機對Zselic景觀保護區的天空亮度進行觀測，表明CCD相機已經達到了10%矯正精確度[19]。Duriscoe等人(2007年)使用CCD對美國國家公園夜空狀況進行觀測評估，在使用已知亮度的星星對圖像進行校準后，得到了當地區的馬賽克的全天空圖像模型，用來對保護夜空質量和夜景照明管理[20]。Georg Zotti(2007)利用CCD相機創建了高分辨的圖像觀測模式，連續測量了全天的天空變化，使光污染的觀測方法又得到了進一步的補充[21]。Rabaza(2010年)對現白天天空測量系統WASBM進行改進，利用裝有B、V、R三種過濾器的CCD相機，配合魚眼鏡頭和標準德國式天文赤道對西班牙當地夜間天空亮度進行測量，進行大氣消光改正后，通過使用Stellarium軟件，得到天空亮度模型，在該模型中，通過比較夜空背景下已知亮度恒星出現率，分析天空光污染的分布情況，也能提供準確的測光波段的背景天空光通量[22]。李岷艤(2012年)等人利用色彩校正的方法，應用于彩色的CCD相機的觀測中，并進行了圖像信息轉化，提高了觀測數據的精確性和測量范圍，以適應夜間光污染的觀測[23]。此外，Pierre Brunet等人使用CCD相機在魚眼鏡頭下對城市上空光環境進行了360°的一次性圖像捕捉，建立了夜間亮度模型，避免單次圖像拍攝后進行拼接的色差問題。

3.2 基于天空測量儀的數據模型

CCD相機主要對夜間天空圖像直接分析，利用天空測量儀(SQM)能夠通過數據資料對城市夜天空或人工照明亮度進行建立測量數據模型進行分析研究。

Pun等人(2008年、2009年)使用SQM系統對香港18個地區進行長期連續的夜天空觀測，建立在香港在地區分類基礎下的夜天空亮度測量數據模型，該模型反映了不同夜晚天空下的天空亮度分布情況，并通過地區之間的比較發現，香港夜天空平均亮度比黑暗標準天空高82倍，其中城市夜天空亮度平均水平比鄉村高出15倍，為香港室外照明規劃提供數據幫助[24]。

Kollath(2010年)利用SQM對匈牙利Zselic景觀保護區進行測量，得到了當地地形圖，包括公園和沉降區地區的上空天空亮度模型，發現該地區人工照明對天空影響很小，被指定為黑暗天空公園[25]。Biggs等人(2011年)把澳大利亞珀斯城市商業作為測試中心，以2.5 km的網格向郊區成輻射狀進行測量網格劃分，使用SQM儀器和GPS導航系統對該測試點的夜間天空亮度進行測量，將所得數據利用插值法繪制到該地區地形圖上，得到該地區的天空亮度等高線地圖模型。該模型發現，城市商業區、工業區、高速公路地區的天空亮度最高，有植被的城市地區亮度居中，城市植被區、農業區亮度最低[26]。

Puschnig等人(2012年)利用SQM儀器對天空亮度進行了長時間的連續觀測，得到了區域的夜晚亮度典型變化模型，并比較定量分析了月亮周期、陰雨天氣對光環境的影響關系[27]。此外，Yali Katz等人(2016年)利用SQM儀器分別從水平、垂直向下和垂直向上三個方向對城市的光環境亮度進行了觀測，比較了這三者之間的亮度差異性和聯系性，從三維空間上對觀測區域光污染的特點和影響因素進行了描述分析[28]。

在中國，SQM儀器應用在光污染觀測中的起步比較晚。沈昊等人(2005年)利用多臺SQM儀器對無錫市的夜晚天空亮度變化進行觀測，得到了無錫市夜間光環境隨著城市區域、空間層次的變化規律[29]。

4 基于地理信息系統的夜間亮度模型

地理信息系統的應用對城市規劃等問題帶來便利，隨著對城市光污染分布的研究發現，城市夜間照明亮度不但與城市人口分布有關，還有城市的土地使用功能分布有關。經研究發現城市夜間天空亮度比郊區及鄉村亮度高50倍以上，而城市內商業區及工業區的照明亮度是最高的區域，其次是城市道路亮度，其中植被如喬木等對城市照明向天空透射的部分有消弱的作用。因此，國內外光污染的相關研究開始在衛星地圖DSMP圖像的基礎上，基于GIS系統應用平臺，建立城市相應的夜間亮度模型，主要包括建立自然背景光和人工光對城市夜空的亮度分布模型。

S.M. Kwon等人黃道光的分布模型研究了自然光對夜天空亮度的影響分布進行了研究，如圖2所示。Chalkias等人(2006)通過對希臘的DMSP圖像進行處理，將同時期多個圖像進行GIS系統的地理疊加技術，在OLS-IR數據系統上進行無云圖像的識別和篩選，以及消除偶然事件如火災等帶來的影響，將得到的有效圖像結合GIS系統創建的希臘地理空間數據(包括路網、地形、水系、土地覆蓋等)及數字高程地圖模型(DEM)，對城市的人工夜間光源對應的光污染進行可視化的夜間亮度模型分析與研究(圖3)[30]。

圖2 黃道光分布圖Fig.2 Distribution of zodiacal lights

由于DMSP圖像數據對于描述城市照明狀況的精確率很低，以及為了研究城市土地利用與城市光污染之間的關系，Kuechly等人(2012)使用Finger Lakes Instruments (FLI) camera、interline transfer CCD等儀器從德國柏林上空直接拍攝當地實際照明情況，通過GIS系統對圖形進行疊加處理，從而繪制了分辨率為1m的城市照明地圖，并使用GIS系統對城市土地使用類別進行和各種用地光總量、總面積等進行統計分析，進行相應的研究(圖4)[25]。

我國近些年來也利用DMSP/OLS夜間燈光數據，進行城市照明變化與城市如土地利用、城市發展格局變化等問題進行研究分析。Jiang Wei 等人(2016年)利用1992年到2012年的DMSP/OLS衛星圖像進行校正分析后，分析了我國光污染發展特點，比較了各地區的光污染發展情況[31]。

圖3 Chalkias等人繪制的希臘亮度模型Fig.3 The brightness model map of Greece,tranwn by chalkias et al.

圖4 Kuechly繪制的地圖與DMSP圖像比較Fig.4 Maps drawn by kuechly compared with the Dmsp images

5 暗天空分類和發亮原因的理論研究方面

1995年，國際暗天空協會根據夜晚天空中星星的可見程度將夜天空分為7 級，最暗淡的星星在裸眼狀態下只有在7級天空時能看到，也就是說7級天空是最原始的黑暗天空。2001年約翰·波特爾在《sky and telescope》上，根據光污染對天空的影響程度將夜天空分為1至9級，通過目測用來衡量天空輝光。黑暗天空的分類是目視評價夜天空光污染程度最簡單、最直接的方法。通過對銀河、星星、天空顏色等目標的觀察，可以很直觀的評價城市夜天空受光污染影響的等級[33]。

Henrik W J(2001年)從天文物理的角度，建立天空發亮與月光、高層大氣輝光、黃道光、散射的星光、星際塵埃和氣體、人工光之間的物理模型[34]。2006年，Baddiley C[20]在第六屆歐洲暗天空研討會的研究報告中，分析了天空發亮與大氣散射的關系，天空發亮主要是由大氣分子或氣溶膠對城市上射光向下散射的結果，其中在大氣底層以氣溶膠散射(米氏散射，Mie scattering)為主，隨著大氣高度增加則以大氣分子散射(瑞利散射，Rayleigh scattering)為主[32]。Kyba等人(2012年)從波長角度出發，利用裝有濾光鏡的SQM儀器對柏林天空進行觀測，發現了晴朗夜空中的光污染的紅色波長的光會提高天空亮度17倍左右，遠遠大于藍色波長光對天空的影響。從而使具有光污染的天空多呈現為橙色或紅色[35]。

6 結束語

光污染已經成為城市問題之一，浪費資源同時也影響人們身體健康和天文觀測等，城市夜間天空亮度模型的建立能夠方便人們從城市范圍角度對光污染進行測量研究。本文通過總結了幾種城市夜間亮度模型的建立，發現城市光污染與城市人口、土地功能分區、城市化進程等城市問題有著緊密聯系，而模型的建立不僅方便了光污染的研究，也為城市整體照明規劃、相關照明標準評價等提供數據依據。此外，經綜述發現，國內缺少對夜間天空亮度模型建立的相關研究，本文希望能夠對國內城市建設等相應的研究提供幫助。

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A Review of the Monitoring Method and Model for the Urban Night Sky Brightness

LIU Ming, LI Weishan, HAO Qingli, GUO Xiaowei

(School of Architecture and Fine Art, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

With the development of cities and people's demand for lighting, a large amount of lighting equipment has been set up, and the light pollution problem is also followed. Excessive lighting will not only affect the astronomical observations, but also affect human health. From the perspective of the expression of urban light pollution , the paper generalized the research background of light pollution at home and abroad and the development situation of the city light pollution model and summarized the research methods and results of the monitoring and mapping of the city night light model, and provided the help for the urban night light model from several aspects.

urban night lighting; light pollution; lighting model; satellite data; luminance distribution

國家自然科學基金(51678103)，遼寧省自然科學基金(20170540165) 通訊作者：劉鳴，E-mail:liumingitj@163.com

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.03.009