城市夜间天空亮度监测方法与模型综述

刘 鸣, 李维珊, 郝庆丽, 郭晓炜

(大连理工大学 建筑与艺术学院，辽宁 大连 116024)



城市夜间天空亮度监测方法与模型综述

刘 鸣, 李维珊, 郝庆丽, 郭晓炜

(大连理工大学 建筑与艺术学院，辽宁 大连 116024)

随着城市的发展以及人们对照明的需求，大量的照明设备被安装，光污染问题也随之而来。过度的照明不仅对天文观测产生影响，还会对人体健康产生影响。本文从城市光污染的表达角度出发，通过查阅大量国内外相关文献，总结了当前国内外光污染研究的背景及城市光污染模型的发展现状，并重点对各国的监测和绘制城市夜间亮度模型的研究手段及成果，从多个方面进行综述，为城市夜间亮度模型的研究提供帮助。

城市夜间照明；光污染；照明模型；卫星数据；亮度分布

引言

随着城市现代化的进程以及社会的发展，人们对夜间照明的需求也随之增加，越来越多的“不夜城”出现，光污染问题也随之而来。光污染问题是20世纪50年代被天文学家提出，城市夜间的大量照明，造成城市上空的白亮化，对天文观测产生了严重影响。此外，越来越多的研究表明，光污染也危害着人体健康和生态环境的发展。同时根据Isobe和Hamamura(2000年)利用美国空军国防气象卫星计划(DMSP)对日本城市观测估计发现，光污染也加重了城市的经济成本，造成了资源浪费[1]。

在光污染问题愈演愈烈的情况下，从20世纪70年代开始，国际光环境研究领域中的先驱开始研究城市的夜间照明亮度情况及相应的模型。例如，Walker等人，开始基于卫星气象(DMSP)数据等，从城市人口问题角度出发，对城市的夜间照明亮度情况进行研究，并提出了相应的夜间天空亮度模型，对预测城市亮度变化及城市亮度地图的绘制提供了帮助[2]。

亮度分布模型的提出与发展，丰富了城市内部光污染层次研究方法和表达方式，促进了合理的光污染监测和评价体系的建立，同时，由于城市的光污染评价系统经常与城市照明规划标准等进行结合，因此它也为城市生态照明规划的提供了依据。本文在城市角度下，通过对大量相关文献阅读汇总，经过对相应的科研成果的研究，总结出了城市夜间亮度模型研究的国内外发展及研究现状及几种城市夜间亮度模型的建立，从而希望能够对现城市夜间亮度模型研究提供相应的资料帮助。

1 国内外光污染研究的背景

1.1 城市生态照明规划的需要

中国的城市照明规划是从20世纪80年代末开始逐步建立相应的系统，并进行相应补充完善的。从1994年天津市出版了我国的第一部有关城市夜景照明的技术规范《城市夜景照明技术规范》开始，北京、上海等地也陆续发布了各种有关夜景照明的评价指标或规范。在2004年，国家建设部和发改委联合下发文件《关于加强城市照明用电管理、促进节约用电工作的意见》，提出了将城市照明规范化、合理化作为城市规划的一部分，许多城市如天津、杭州等也开始陆续在其中心城区开展了合理照明规划措施，提高了城市夜景质量，增加城市的生态照明体系。城市照明规范和规划的发展的大致情况如图1所示，同时随着人们“生态”、“绿色”意识的增强，以及人们对光污染关注的增加，城市生态照明规划的需求也越来越迫切。

图1 中国照明规范、照明规划的发展Fig.1 Development of China’s lighting standards and lighting planning

1.2 城市光污染模型的发展

从20世纪70年代开始，学者开始对城市光污染进行研究，试图建立光污染与影响因素之间的模型关系。最初对城市夜天空光污染模型的建立逐步向现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转变。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与人口分布关系的模型[4-8]。Chalkias等人(2006)对希腊的DMSP图像结合GIS系统，对希腊城市夜间光源产生的光污染进行可视化亮度分布模型，GIS系统开始应用于城市光污染观测中[9]；Biggs等人(2011年)对澳大利亚珀斯进行了天空亮度等值线模型建立研究[10]；Cinzano(2014年)在人口模型基础上，从光能量分布角度建立新的表达模型[11]；Falchi等人(2016)年利用卫星图像，建立了最新的全球光污染地图，分析了各国的光污染分布情况[12]。刘鸣(2007年)研究了天津城市夜天空亮度监测，初步研究了分布特性和基本模型[13]；苏晓明(2015年)通过对夜间图像表现的天空亮度分布地图并进行灰度分级，研究了呼和浩特市天空光污染地图[15]。此外，我国近年来利用DMSP/OLS夜间灯光数据，研究分析了城市照明变化与城市发展问题如土地利用、城市发展格局变化等，光污染模型的探索及应用随之发展起来[10][16-17, 31]。

2 基于人口分布规模的夜间亮度模型

人口分布影响了城市夜间照明规划的主要因素，因此在最初的研究中主要是通过卫星图像分析和实地观测，将人口分布作为相关研究对象，建立人口与光污染分布之间的数学关系模型的，并随着相关研究的深入，逐步将其他影响因素添加到模型中，将数学模型不断完善。

Walker(1970年)通过对加利福尼亚夜间天空亮度的观察，发现城市夜间照明与城市人口分布规模状况、观察者距离有关，并通过研究当地的DMSP卫星图像，建立了这三者之间关系模型，但此模型仅适用于人均光通量为500～1000 lm的城市[2]。

通过研究大气中气溶胶参数、光散射、大气对光吸收、观测点地理位置参数等对人工照明对天空的影响和观测影响，Treanor(1973年)、Robert(1976年)、Garsatng(1986年，1989年,1991年)等人先后对完善了城市人口分布情况与城市夜间天空亮度之间的关系模型[4-8]。其中Garstang模型中先后增加了地面反射、大气散射、分子扩散、大地表面弧度、空气尘埃等影响参数，使其建立的人口与城市亮度模型逐步接近真实情况[8]。

Cinzano(2000年)确定了由位于相邻漫射光污染地区的观测者观测天空亮度的关系模型，并与Falchi等人(2000年，2001年)通过利用卫星图像(DMSP)中无云状况下的夜间图像以及意大利政府提供的人口数量变化统计，发现城市人口在一定范围下才会符合现建立的模型标准，在Garstang模型和精确了的低人口密度地区天空亮度模型计算下，建立了意大利相关的城市夜间亮度地图模型[18]。之后，Cinzano(2014年)在人口模型基础上，从光能量的分布角度重新建立新的表达模型[11]。

3 基于实地监测数据的夜间亮度模型

在DMSP卫星图像和ISS图像基础上，各国开始通过对夜间城市光环境情况进行实地测试，通过各种测试手段建立相应城市夜间亮度照明模型，并对其进行研究。

3.1 基于CCD图像的测量数据模型

利用CCD相机可以对城市夜间天空亮度进行直接的观测，有利于城市光污染的后期研究。CCD相机常结合鱼眼镜头和适当的过滤器对所测量区域的天空照度进行连续测量，将获取的图形进行转化、校准，可以得到具有代表性的该区域天空亮度分布图像模型。

Kollath(2010年)利用装有广角鱼眼镜头的CCD相机对Zselic景观保护区的天空亮度进行观测，表明CCD相机已经达到了10%矫正精确度[19]。Duriscoe等人(2007年)使用CCD对美国国家公园夜空状况进行观测评估，在使用已知亮度的星星对图像进行校准后，得到了当地区的马赛克的全天空图像模型，用来对保护夜空质量和夜景照明管理[20]。Georg Zotti(2007)利用CCD相机创建了高分辨的图像观测模式，连续测量了全天的天空变化，使光污染的观测方法又得到了进一步的补充[21]。Rabaza(2010年)对现白天天空测量系统WASBM进行改进，利用装有B、V、R三种过滤器的CCD相机，配合鱼眼镜头和标准德国式天文赤道对西班牙当地夜间天空亮度进行测量，进行大气消光改正后，通过使用Stellarium软件，得到天空亮度模型，在该模型中，通过比较夜空背景下已知亮度恒星出现率，分析天空光污染的分布情况，也能提供准确的测光波段的背景天空光通量[22]。李岷舣(2012年)等人利用色彩校正的方法，应用于彩色的CCD相机的观测中，并进行了图像信息转化，提高了观测数据的精确性和测量范围，以适应夜间光污染的观测[23]。此外，Pierre Brunet等人使用CCD相机在鱼眼镜头下对城市上空光环境进行了360°的一次性图像捕捉，建立了夜间亮度模型，避免单次图像拍摄后进行拼接的色差问题。

3.2 基于天空测量仪的数据模型

CCD相机主要对夜间天空图像直接分析，利用天空测量仪(SQM)能够通过数据资料对城市夜天空或人工照明亮度进行建立测量数据模型进行分析研究。

Pun等人(2008年、2009年)使用SQM系统对香港18个地区进行长期连续的夜天空观测，建立在香港在地区分类基础下的夜天空亮度测量数据模型，该模型反映了不同夜晚天空下的天空亮度分布情况，并通过地区之间的比较发现，香港夜天空平均亮度比黑暗标准天空高82倍，其中城市夜天空亮度平均水平比乡村高出15倍，为香港室外照明规划提供数据帮助[24]。

Kollath(2010年)利用SQM对匈牙利Zselic景观保护区进行测量，得到了当地地形图，包括公园和沉降区地区的上空天空亮度模型，发现该地区人工照明对天空影响很小，被指定为黑暗天空公园[25]。Biggs等人(2011年)把澳大利亚珀斯城市商业作为测试中心，以2.5 km的网格向郊区成辐射状进行测量网格划分，使用SQM仪器和GPS导航系统对该测试点的夜间天空亮度进行测量，将所得数据利用插值法绘制到该地区地形图上，得到该地区的天空亮度等高线地图模型。该模型发现，城市商业区、工业区、高速公路地区的天空亮度最高，有植被的城市地区亮度居中，城市植被区、农业区亮度最低[26]。

Puschnig等人(2012年)利用SQM仪器对天空亮度进行了长时间的连续观测，得到了区域的夜晚亮度典型变化模型，并比较定量分析了月亮周期、阴雨天气对光环境的影响关系[27]。此外，Yali Katz等人(2016年)利用SQM仪器分别从水平、垂直向下和垂直向上三个方向对城市的光环境亮度进行了观测，比较了这三者之间的亮度差异性和联系性，从三维空间上对观测区域光污染的特点和影响因素进行了描述分析[28]。

在中国，SQM仪器应用在光污染观测中的起步比较晚。沈昊等人(2005年)利用多台SQM仪器对无锡市的夜晚天空亮度变化进行观测，得到了无锡市夜间光环境随着城市区域、空间层次的变化规律[29]。

4 基于地理信息系统的夜间亮度模型

地理信息系统的应用对城市规划等问题带来便利，随着对城市光污染分布的研究发现，城市夜间照明亮度不但与城市人口分布有关，还有城市的土地使用功能分布有关。经研究发现城市夜间天空亮度比郊区及乡村亮度高50倍以上，而城市内商业区及工业区的照明亮度是最高的区域，其次是城市道路亮度，其中植被如乔木等对城市照明向天空透射的部分有消弱的作用。因此，国内外光污染的相关研究开始在卫星地图DSMP图像的基础上，基于GIS系统应用平台，建立城市相应的夜间亮度模型，主要包括建立自然背景光和人工光对城市夜空的亮度分布模型。

S.M. Kwon等人黄道光的分布模型研究了自然光对夜天空亮度的影响分布进行了研究，如图2所示。Chalkias等人(2006)通过对希腊的DMSP图像进行处理，将同时期多个图像进行GIS系统的地理叠加技术，在OLS-IR数据系统上进行无云图像的识别和筛选，以及消除偶然事件如火灾等带来的影响，将得到的有效图像结合GIS系统创建的希腊地理空间数据(包括路网、地形、水系、土地覆盖等)及数字高程地图模型(DEM)，对城市的人工夜间光源对应的光污染进行可视化的夜间亮度模型分析与研究(图3)[30]。

图2 黄道光分布图Fig.2 Distribution of zodiacal lights

由于DMSP图像数据对于描述城市照明状况的精确率很低，以及为了研究城市土地利用与城市光污染之间的关系，Kuechly等人(2012)使用Finger Lakes Instruments (FLI) camera、interline transfer CCD等仪器从德国柏林上空直接拍摄当地实际照明情况，通过GIS系统对图形进行叠加处理，从而绘制了分辨率为1m的城市照明地图，并使用GIS系统对城市土地使用类别进行和各种用地光总量、总面积等进行统计分析，进行相应的研究(图4)[25]。

我国近些年来也利用DMSP/OLS夜间灯光数据，进行城市照明变化与城市如土地利用、城市发展格局变化等问题进行研究分析。Jiang Wei 等人(2016年)利用1992年到2012年的DMSP/OLS卫星图像进行校正分析后，分析了我国光污染发展特点，比较了各地区的光污染发展情况[31]。

图3 Chalkias等人绘制的希腊亮度模型Fig.3 The brightness model map of Greece,tranwn by chalkias et al.

图4 Kuechly绘制的地图与DMSP图像比较Fig.4 Maps drawn by kuechly compared with the Dmsp images

5 暗天空分类和发亮原因的理论研究方面

1995年，国际暗天空协会根据夜晚天空中星星的可见程度将夜天空分为7 级，最暗淡的星星在裸眼状态下只有在7级天空时能看到，也就是说7级天空是最原始的黑暗天空。2001年约翰·波特尔在《sky and telescope》上，根据光污染对天空的影响程度将夜天空分为1至9级，通过目测用来衡量天空辉光。黑暗天空的分类是目视评价夜天空光污染程度最简单、最直接的方法。通过对银河、星星、天空颜色等目标的观察，可以很直观的评价城市夜天空受光污染影响的等级[33]。

Henrik W J(2001年)从天文物理的角度，建立天空发亮与月光、高层大气辉光、黄道光、散射的星光、星际尘埃和气体、人工光之间的物理模型[34]。2006年，Baddiley C[20]在第六届欧洲暗天空研讨会的研究报告中，分析了天空发亮与大气散射的关系，天空发亮主要是由大气分子或气溶胶对城市上射光向下散射的结果，其中在大气底层以气溶胶散射(米氏散射，Mie scattering)为主，随着大气高度增加则以大气分子散射(瑞利散射，Rayleigh scattering)为主[32]。Kyba等人(2012年)从波长角度出发，利用装有滤光镜的SQM仪器对柏林天空进行观测，发现了晴朗夜空中的光污染的红色波长的光会提高天空亮度17倍左右，远远大于蓝色波长光对天空的影响。从而使具有光污染的天空多呈现为橙色或红色[35]。

6 结束语

光污染已经成为城市问题之一，浪费资源同时也影响人们身体健康和天文观测等，城市夜间天空亮度模型的建立能够方便人们从城市范围角度对光污染进行测量研究。本文通过总结了几种城市夜间亮度模型的建立，发现城市光污染与城市人口、土地功能分区、城市化进程等城市问题有着紧密联系，而模型的建立不仅方便了光污染的研究，也为城市整体照明规划、相关照明标准评价等提供数据依据。此外，经综述发现，国内缺少对夜间天空亮度模型建立的相关研究，本文希望能够对国内城市建设等相应的研究提供帮助。

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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

国家自然科学基金(51678103)，辽宁省自然科学基金(20170540165) 通讯作者：刘鸣，E-mail:liumingitj@163.com

TM923

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10.3969j.issn.1004-440X.2017.03.009