国内外夜空亮度测量研究进展

苏晓明，郝占国，张明宇

(1.内蒙古工业大学建筑学院，建筑物理实验室，内蒙古 呼和浩特 010051；2.天津大学建筑学院，天津大学天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津 300072 )



国内外夜空亮度测量研究进展

苏晓明1，郝占国1，张明宇2

(1.内蒙古工业大学建筑学院，建筑物理实验室，内蒙古 呼和浩特 010051；2.天津大学建筑学院，天津大学天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津 300072 )

对全球夜空亮度测量研究进行了概述；以夜空亮度测量方法为切入点，梳理了夜空发亮研究的发展脉络；通过对夜空亮度测量方法进行分类研究，归纳了夜空发亮研究的三种方法：“数学模型计算法”、“夜空图像利用法”和“仪器测量法”；依据对三类测量研究的研究对象、研究过程、研究结论等方面进行对比分析，指出不同测量研究方法的优势与薄弱环节，及其未来发展方向。

夜空发亮；测量；亮度；数学模型；夜空图像

引言

目前，环境科学、生物科学、医学、人类学、社会科学等众多领域都在积极开展城市夜空发亮研究，应对夜空发亮产生的不良影响。但是，夜空亮度测量研究目前还存在测量方法不统一，测量设备不够完善、测量数据无法多领域共享等问题。这已成为该领域的发展瓶颈，甚至还制约了其他领域的相关研究。因此，本文以夜空发亮的测量方法为研究对象，如图1所示，从数学模型测量、图像数据测量、仪器测量研究三个主要方面对比分析该领域的研究成果。通过梳理夜空亮度测量研究的发展脉络，寻找夜空亮度测量研究的主线、归纳不同测量方法特点，对夜空亮度测量研究的未来方向进行了展望，并为夜空发亮及相关领域的研究提供参考。

图1 夜空亮度测量方法Fig.1 Method of night-sky Light measuring

1 夜空亮度测量研究——模型计算类

1.1 模型测量相关研究成果

夜空亮度测量是夜空发亮研究的主要内容之一。利用数学模型对夜空发亮进行量化计算是主要的测量方法之一。根据笔者所掌握的资料显示，夜空发亮的量化研究始于1970年，此后相关研究的内容开始不断完善、深入。

夜空发亮数学模型的已有研究成果，基本解决了夜空发亮机理、特征特点和程度评定方法等夜空发亮的基本问题，并为夜空发亮图像测量研究、仪器测量研究提供了重要理论基础。如：Merle F Walker (1970)，通过对(1965—1967年)加利福尼亚夜空观测数据进行分析，综合考虑了大气状况、观察者视角等因素，率先指出了夜空发亮的可观察区域[1]，并在之后的研究中(1973)首次指出通过控制地面的光照情况、建立夜天空保护区等方法能够减低夜空发亮程度。这些方法已是目前夜天空保护的主要手段[2]；Robert Pike(1976)通过建立大气散射模型，计算并描述了安大略省南部及其周边的夜空发亮状态，并利用计算机分析夜空发亮图片与城市人口变化率的相关性，形成了夜空亮度—人口数学模型，用来预测未来夜空发亮的变化情况；1976年，Berry也建立了包括城市人口参数、观察点地理位置参数，大气吸收率在内的夜空亮度计算数学模型[3]。该数学模型对夜空亮度测量研究产生了深远影响。首先是Garstang依据Berry的城市人口—夜空发亮原理，增加了地面反射、大气散射、分子扩散等夜空发亮的形成过程参数，建立了更加真实有效的夜空亮度计算模型[4]。并在之后的研究中不断增加了大地表面弧度[5]、空气尘埃[6]等影响参数，使原有的数学模型更接近于实际情况；P Cinano(2001)利用DMSP卫星图像和Garstang模型，首次建立了全球夜空亮度数据图，用以评价不同夜空亮度等级影响下的全球人口数量，其“全球约有1/5的人口，约2/3的美国人和一半以上的欧洲人口已无法利用肉眼观察银河”的结论被广泛引用[7]；还有，Steve Alere(2001)，结合1990年美国人口数据，对Garstang模型进行深化，得到夜空某点发光强度计算公式为

(1)

其中P为城市人口数量，R为观测点到地面的距离[8]。

2014年，Cinzano对比Garstang的亮度——人口模型，从光的能量分布方式角度出发建立了全新的夜空发亮模型为

(2)

其中，发光强度为Iλ(x,y,z,θ,φ)，x,y为地面坐标，z为海拔高度，θ视线方向的高度角,φ为方位角[9]。

1.2 模型测量相关研究成果统计分析

对夜空发亮模型测量方法的统计如表1所示：围绕夜空发亮成因，各国研究者选择了城市人口、城市形态、大气状态、光的传播等多种目标为研究对象；围绕研究对象要素进行分析的9篇文献中，有4篇重点讨论了光在大气中的传播方式、4篇讨论了城市人口状态对夜空发亮的影响、7篇文献在研究中考虑了观察者的空间位置(包括：地表状态，2篇)对测量结果的影响；9篇文献的研究结论可分为对象特征分析(1、2)、评价模型建立于优化(3、4、5、6、7)、评价模型转型(8、9)三个阶段。由此可见：

(1)夜空亮度测量研究有几个关键问题：①夜空亮度测量结果受观察者和被测地点的空间位置影响；②夜空发亮会受到地面特征、大气特征、空气质量等因素影响；③夜空发亮程度与城市发展(人口数量)密切相关。

(2)夜空亮度模型研究的两个发展趋势：①深入研究夜空发亮环境的影响因子，使研究、评价进一步深入、细化；②转换思维，从光的能量变化、光的传播途径等方面重新对夜空发亮进行定义、评定或进行对比分析研究。

2 夜空亮度测量研究——图像数据类

2.1 图像数据

表1 夜空亮度测量研究成果(数学模型类)统计表Table 1 Night-sky Light measuring research results date (mathematical model)

图像数据能够直观的记录夜空发亮的情况。无论是定性研究还是定量分析，有效的夜空图像数据，都能够为夜空发亮评价、研究提供有力的支撑。利用图像数据进行检测，不仅扩大了夜空发亮研究的领域，也从分析研究对象、验证研究等角度间接促进了夜空亮度数学模型测量、仪器测量等方法的发展；同时，该方法也为其它领域的相关研究提供了开展研究的便捷途径。

在夜空发亮图像测量研究的成果中，依据图像采集设备的不同，可将检测方法分为遥感卫星图像测量和CCD(电荷耦合器件)相机图像两大类，如表2所示。其中，依据来源的不同，遥感卫星图像又可分为DMSP卫星图像、VIIRS卫星图像。不同采集设备在应用范围、精度等方面存在较大差异。

表2 夜空亮度图像数据采集设备表Table 2 Image monitors of night-sky brightness

2.2 图像数据测量相关研究成果

收集的相关研究成果包括：1970—1979年相关论文共4篇(1篇研究与卫星图像有关)；1980—1989年有 2篇关于数学模型评价的研究成果；1990—1999年共5篇(4篇与卫星图像相关)；2000—2009年共15篇(7份研究利用了卫星图像，1份研究利用了CCD相机图像)；2010至今共有文献48篇，其中有35篇研究利用了图像数据。统计结果如图2所示。可见，夜空亮度测量方法的相关研究成果逐年增多；近年，利用图像数据进行夜空发亮研究相关成果数最多，数量增长速度最快。

图2 夜空亮度测量方法相关研究成果统计图Fig.2 Night-sky Light measuring relevant research results

无论哪类图像测量方法，都大大拓展了夜空发亮的研究领域，也使夜空发亮的研究更加深入、更具有现实作用。如D Elvidge Christopher等(2010)对比分析了DMSP卫星图像上的光谱特征与地面43种典型光源的光谱特征关系，探讨了如何利用卫星图像分析地面光源的使用情况[10]； F A Kruse(2011)结合DMSP卫星图像数据和光谱成像分析仪测量结果，对夜空光谱进行了研究，用以分析城市范围内灯光的使用情况[11]；Fabio Falchi (2011)利用CCD相机连续12年纪录了夜天空发亮情况，利用统计学方法对CCD图像数据进行分析，总结了夜空全天空亮度分布等特点； C M Christopher(2013)利用不同角度的两个CCD相机组合对近地面夜空拍摄，研究城市灯光在大气中的传播路径的变化状态； C D Elvidge (2013)利用VIIRS卫星图像对地面光源的色温进行了分析，指出卫星图像能够区分出色温为600～6000K的大面积地面光源[12]； J Bennie (2014)利用VIIRS卫星图像对1995—2010年欧洲上空的光污染变化规律进行了研究，指出欧洲夜空在逐渐变亮的大趋势下，很多发达城市的夜空亮度却在逐年降低[13]。

2.3 图像数据测量研究成果分析

(1)利用图像对夜空发亮进行研究具有应用范围广、直观、高效等特点，使夜空发亮研究更加深入、直观。但是，受到图像清晰度、图像采集空间位置等因素的制约，各种图像测量方法都具有相应的边界条件。

(2)受测量区域、图像精度、测量位置等边界条件影响，不同图像测量方法可适用于不同的研究对象。卫星图像测量研究常用于大范围的光环境评价，但受到图像精度、大气状态的直接影响，难以全面、具体的反应地面小尺度光源、环境等信息。CCD相机图像测量研究，能够直观的反应人视点的天空发亮、地面光照等情况，但是受图像采集地点和方法等因素的影响，这种方法常难以进行大尺度城市范围的天空发亮研究。

(3)在一定程度上，未来夜空发亮图像测量研究可向补充针对城市中等尺度的测量方法研究方向发展，既研究介于全球卫星图像大尺度与地面局部CCD图像小尺度之间，如街道空间、城市区域空间光环境对夜空发亮的影响。

3 夜空亮度测量研究——测量仪器类

3.1 测量仪器相关研究

受科技快速发展、夜空发亮领域相关研究的迅速深入和扩展等影响，夜空亮度测量仪器研究正处于一个不断优化和自我完善的阶段，但是，多种夜空亮度测量装置的研制与使用，已能够为夜空发亮领域及其它领域的相关研究，提供快速、准确获取夜空亮度数据的有效手段。如：沈天行(2001)研发了SM光环境测试系统，该系统不仅能够对夜空亮度进行测量，同时，还能够对居住区、室内、城市照明等多种光环境进行测量，并以图像的形式记录目标，以图像和数据的形式显示测量结果[14]；Piertonio Cizano(2005)率先研制出了便携式夜空品质仪SQM(Sky Quality Meter)，用以直接测量夜天空亮度值(星等值)[15]，该仪器被IDA(International Dark-Sky Association)组织广泛应用于夜空发亮的测量中。同时，该仪器在后续的相关研究中也常常被用作主要测量仪器或研究对比对象；Dan M Duriscoe (2007)，利用鱼眼镜头和计算机处理软件，研制出了针对全夜空范围的夜空亮度快速测量装置[16]；刘鸣(2007)利用TOPCON BM7 彩色亮度计直接对天津城市夜天空亮度进行了测量，对夜空亮度分布进行了分析，并得出了天津城市中心区范围的夜空亮度分布图，并且还进一步对夜空亮度监测和评价方法进行初步探讨[17]；2011年，A Muller 等出于长期连续测量的目的，研制了能够适应明视觉环境、暗视觉环境、中间视觉环境、能够连续观测、传输夜天空亮度数据的装置[18]；J Aceituno等(2011)研制了能够直观显示复杂夜天空环境(包括云状、大气透明度、光度稳定性)的夜空亮度测量仪[19]；还有，Henk Spoelstra (2014)通过控制测量装置中的滤镜组件，研制了用于评价夜空光谱组成的6波段夜空彩色测试仪，可用于分析形成夜空发亮的人工光源类型[20]。

3.2 测量仪器相关研究成果分析

夜空亮度测量装置的相关研究成果统计如表3所示：夜空亮度测量装置的测量对象包括发亮夜空整体(1、2、3、4号文献)和发亮夜空组成要素(6、7号文献)两类；测量结果的输出格式包括：亮度数值(1、4、7号)、星等数值(1、2、3号)辐射通量数值(5号)、图像数据(1、2、6号)、描述性文字(6号)五类格式，其中亮度和星等数值较为常用。对比统计数据与相关研究成果，笔者认为，夜空发亮仪器测量研究具有以下特点：

(1)该类研究沿“夜空亮度”主线不断向前发展。研究围绕发亮夜空，进行了天空亮度/星等、天空云状、光线特征等不同角度进行。

(2)夜空亮度测量仪器研制过程中重点研究、优化了仪器检测视野范围、测量条件、光谱筛选三个方面，使其更适用于复杂环境下夜空目标，使夜空亮度测量数据更具有针对性、更客观。

(3)对比该项研究发展历程，笔者认为，夜空发亮的测量装置的研究正向动态、全空间、可视化方向发展。

表3 夜空亮度测量仪器研究统计表Table 3 Night-sky Light measurement monitors research statistical table

4 结论

夜空亮度测量是光污染研究领域、天文观测、光生态等领域相关研究中的关键环节。通过对测量方法进行深入研究，能够为提高夜空发亮数据采集的准确性和科学性提供必要方法，为夜空发亮研究提供科学思路，是拓宽夜空发亮研究及相关研究领域的有效手段，对夜空发亮研究有重要的意义。

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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

国家自然科学基金(51208351)，内蒙古工业大学科学研究项目(X201202)

TM923

A

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