景观照明检测中亮度测量方法

马 晔，姜晓梅，高 伟，聂卉婧，吕 亮

(1.北京清城品盛照明研究院有限公司，北京 100089；2.中国计量科学研究院，北京 100020)

引言

景观照明作为塑造宜居夜间环境、提升居民自豪感、促进夜间活动、带动夜间旅游的重要手段，同时可有效提升城市形象、增强城市魅力，各级城市都在发展建设中。随着景观照明建设量的增加，很多不合理现象如光污染、过度照明等产生了，同时效果无法落实、与设计师提交的效果图差异大、无法验收等情况也出现了。设计方、使用方及监管部门内对景观照明的效果质量评价的需求日益增加。

景观照明检测需要测得局部亮度或建筑整体亮度，才能正确评估是否达到设计原定效果。如通过不同构件间的亮度对比来表现层次，需要分别知道某个构件上的亮度，此时不需要把其他非相关构件纳入测量区域;而测量整体建筑的表面亮度时，需将天空、地面以及其他相邻建筑区分开。图1～图3是三种常见的景观照明方式。图1采用顶中底三段式的照明方式，需要测试屋顶平均亮度、立柱平均亮度等。图2采用局部泛光照明方式，需要测试一个单元的局部亮度。图3采用整体泛光照明方式，需要测试立面整体平均亮度。景观照明的特点决定了，能精确选定测试区域的亮度测试方法则更具有实际使用意义。

图1 顶、中、底三段式的照明方式Fig.1 Top，middle and bottom three-section lighting mode

图2 局部泛光的照明方式Fig.2 Local flooding lighting mode

1 瞄点式亮度计与二维影像亮度计的特性比较

用于亮度测量的设备有瞄点式亮度计、二维影像亮度计和遮光筒式亮度计。其中遮光筒式亮度计因为没有光学成像系统，不适用于景观照明的测量。瞄点式亮度计即点式亮度计，通过光学成像系统将被测对象成像在探测器上，可通过视场角的改变选择测量范围，所使用的探测器为单个硅光电二极管或光电倍增管，因此只能测定测量区域的平均亮度。因其视场角为圆形，只适用于测量圆形区域的平均亮度，无法测量非圆区域的平均亮度，而且所测的圆形区域得出的是覆盖范围内的整体亮度，无法区分视场内不同点的差异。用于建筑立面的测量时会造成未完全覆盖目标构件或覆盖构件之外的非测量区域，如图4所示。即使使用多个测点拼接的方法(在外场测量时由于操作困难，准确拼接测量区域不易实现)也不能得到准确的测量结果，测试数据难以得到实际应用。

图4 瞄点式亮度计测量范围Fig.4 Measurement range of imaging luminance meter

图5 影像亮度计测量范围Fig.5 Measurement range of image luminance meter

二维影像亮度计又称面亮度计，其基于图像解析技术，以面阵探测器代替单个探测器，能快速测量被测对象的亮度分布，导入计算机通过软件进行进一步处理。可根据需要选择相应区域计算平均亮度，如图5所示，有效解决了成像亮度计在景观照明检测方面受距离和视场角所限，无法完全覆盖被测建筑或无法单独测量局部细节的问题。但缺点是亮度数据不能实时得出，需要配备电脑从软件中得出，不够便捷；同时在不同的场景测量时，光圈、焦距、曝光时间等的设定、设置上由于自由度的增加，也引出了如何设置更能体现建筑物的真实亮度的问题研究。

总体来说，二维影像亮度计相对瞄点式亮度计已经突破了选区限制，已经开始在景观照明检测中发挥越来越重要的作用。

2 二维影像亮度计和瞄点式亮度计比对实验

为了考察两种亮度计用于景观照明检测的一致性，应首先对亮度计进行校准。在校准后我们增加了现场环境下的比对实验。我们分别用二维影像亮度计和瞄点式亮度计于同一测量位置，测量同一建筑物的外立面。测量位置距被测建筑水平距离为30 m，亮度计距地面高度为1.5 m，二维影像亮度计分析区域与瞄点式亮度计视场角覆盖范围一致，亮度范围为0.7～1 700 cd/m2，基本覆盖常规景观照明亮度范围。

表1 二维影像亮度计与瞄点式亮度计测量结果比对Table 1 Comparison of measurement results of 2D image luminance meter and spot luminance meter cd/m2

对上述测量结果进行偏差分析，结果表明二维影像亮度计与瞄点式亮度计测量同一区域亮度的偏差为0.1%～3.7%，说明两种亮度计在景观照明通常的检测范围内偏差较小。

3 用于景观照明的二维影像亮度计的计量特性

二维影像亮度计是一种新型的测量仪器，其计量特性评价和要求参照JJG 211《亮度计检定规程》，应满足亮度示值误差、线性误差、测量距离特性误差等要求。针对其自身特点，应增加不均匀性响应误差，同时基于景观照明的视看范围视场角大，还应考察角度误差。

a)亮度示值误差：校准时应注意计量校准范围覆盖暗视觉、中间视觉、亮视觉三个亮度范围，建议亮度示值误差≤±5%。

b)线性误差：保持实验条件不变，用标准亮度值在仪器相应接近满度示值和三分之一满度示值的情况下，按照以下公式进行计算：

(1)

c)不均匀性响应误差：影像亮度计使用面阵探测器作为测量器件，在测量均匀场时各点的差异是仪器品质的重要考核指标，也是保证仪器在测量范围内亮度、响应度一致的重要指标。选取评估区域内的13个点进行亮度均匀性评价，如图6所示，均匀性评价参数计算方法为

(2)

图6 评估区域内的布点分布Fig.6 Evaluates the distribution of points in the area

式中Ymax为测量区域内仪器示值最大值，Ymin为测量区域内仪器示值最小值，Yave为测量区域内仪器示值平均值。

d)测量距离特性：评价仪器在不同距离测量同一目标亮度的偏差。保持实验条件不变，在仪器对标准亮度值进行测量时，变化测量距离进行校准。在室外远距离测量前，可通过经校准合格的成像亮度计现场定标。建议距离特性误差≤±1.0%。

e)角度特性：结合实际景观照明亮度测试对于角度特性的需求，常规观看角度为-45°～45°。可根据实际使用时的测量范围进行校准，横向比对不同角度测试结果，规范中对此值没有硬性要求，建议角度特性误差控制在≤±5%。

4 二维影像亮度计的现场校准

夜景照明检测现场往往需要根据实际情况进行焦距调整，而在实验室校准时只能在几种常用模式下进行校准，不能涵盖现场使用的所有条件。现场可通过在测试对象上选取具有代表性的若干点，用瞄点式亮度计和二维影像亮度计分别测量，并对二维影像亮度计的测量结果进行修正来确保测试数据的可靠。

在对二维影像亮度计进行校准时，应尽量覆盖常用的焦距、曝光时间的组合模式。在现场测量时，也应尽量使用校准过的模式进行测量。若必须要采取非校准状态的模式进行测量且数据仅作参考时，可采用以下方法：利用瞄点式亮度计测量建筑立面的多个点，亮度值尽量覆盖测量对象的亮度范围，在所测对象的平均亮度值附近应有选点，选点还应注意选择亮度均匀没有突变的区域，然后使用二维影像亮度计分别进行测量，计算亮度修正值(二维影像亮度计示值=瞄点式亮度计示值+修正值)，得出非校准状态下二维影像亮度计的亮度测量结果。对于亮度跨度较小的情况，此方法修正结果的准确度更高。

5 结论

我们分析了景观照明亮度测试的特点，介绍了瞄点式亮度计、二维影像亮度计的原理和特点。通过现场试验比较了两种亮度计的测量结果，其偏差在景观照明的常规亮度范围内较小。依据景观照明检测的特点，为保证测量结果的一致性，避免由于采用不同测量仪器造成偏差，用于检测的仪器都应提前校准并符合相关要求。应对二维影像亮度计的相对示值误差、非线性误差、均匀性误差、测量距离特性等进行考察，有侧向测量需求时应对角度特性进行考察。由于景观照明现场测试条件的多样性，我们提出了一种在测试现场用瞄点式亮度计校准二维影像亮度计来提高亮度测量准确度的方法，该方法具有快速、准确的特点。

在景观照明检测领域，二维影像亮度计由于其测量范围容易选择的特点，具备了更广泛的适用性，但同时也对使用者提出了更高的要求。由于夜景照明检测现场往往需要根据实际情况选择合理的焦距、光圈、曝光时间等条件，且对测试选区提出了更高的要求，因此这方面就需要更多的经验积累。