光污染管理政策与LED广告屏干扰光限制标准分析

2022-07-06郝影，张朋，高峰，白煜

中国环境监测 2022年3期

郝影，张朋，高峰，白煜

1.天津市生态环境监测中心，天津 300191 2.辽宁省沈阳生态环境监测中心，辽宁沈阳 110016 3.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

随着经济发展和城市化建设推进，以提升城市夜景观为主的休闲区和以提升营商环境为主的商业集中区等功能区逐年增加，在一定程度上导致城市夜晚越来越亮[1-3]。由此产生的光污染投诉案件也逐年增多，光污染问题日益严峻[4-10]，引起全国人大代表和政协委员关注，他们多次提议中国应开展光污染监督管理[11-12]。在众多光污染源中，LED广告屏因发光面积大、亮度高、闪动快、色彩饱和度高和侵扰时间长等，成为居民反映最强烈的光污染源[13-15]。笔者调研了国外光污染管理政策，比较了中国现行LED广告屏光污染技术标准，找到标准存在的主要问题，提出环境管理对策，以期为今后标准修订和光污染防治政策研究提供参考。

1 国外光污染管理

1.1 国际组织

有一些国际组织一直致力于减少光污染，如国际黑暗天空协会 (IDA)，IDA 主要从事公众科普并对其他致力于减少光排放的区域进行认证。截至 2018 年 12 月，IDA 在其网站上列出了 13 个黑暗天空保护区。国际照明委员会(CIE) 在干扰光控制方面做了大量研究，颁布了《室外照明设施干扰光影响限制指南》(CIE 150，以下简称《指南》)。该《指南》是中国制定干扰光控制方面相关标准的重要依据和参考[16-17]，其在2017年修订版中明确提出将环境亮度分区设为5类，见表1。

表1 环境亮度分区Table 1 Environmental lighting zones

该《指南》从居住区、交通物流、景观美化和天文观测4个方面分析了光干扰问题。根据不同的明亮程度，将环境亮度分为5个区间(E0～E4)，给出各种户外照明条件下，不同环境区间的光度参数限值，包括：房屋的垂直照度(光侵入)限值，视野内的灯具亮度限值，道路照明中的光幕亮度和阈值增量限值，控制天辉的灯具上射光通量比限值，强光打亮的建筑物立面和标识标志的亮度限值。《指南》还给出了限值参数的计算和测量方法，光干扰评价中被测的参数包括垂直照度、灯具的光强分布、照明现场的光幕亮度、垂直面亮度等，其中基于二维CCD的成像亮度计是测量现场亮度推荐设备。北美照明工程学会(IESNA)主要强化源头管控，发布多项照明标准，包括运动和休闲照明、停车场照明和道路照明规范等，期望通过限制照明亮度控制光干扰。

1.2 地区或国家政策

1.2.1 欧盟

近年来，欧盟修订了《欧盟道路照明和交通信号绿色公共采购标准》(GPP)，形成了新的技术采购指南，以实现控制光污染的目的。GPP中涉及光污染的项目包括：TS8(烦恼)，该项目要求住宅区的照明色温必须低于 3 000 K，须根据采购商的要求实施调光或关闭程序,以减少“突兀”的光感知影响；TS9(生态光污染和星星能见度)。GPP摒弃了相关色温要求(色温是一种表征灯发出蓝光的标准方法)，采用 “G指数”作为替代指标，在生态敏感区域，GPP建议灯具的G指标不低于1.5，而在天文台附近则至少应为2.0。GPP 还呼吁制定调光或关闭时间表，以限制生态敏感区域的夜间总发光量。GPP 中许多元素与德国、意大利和斯洛文尼亚等在过去十年中推广的低影响照明标准大体一致。

1.2.2 美国

美国至少有 18 个州制定了减少光污染的法律。大多数颁布“黑暗天空”立法的州都是为了促进节能、公共安全、审美兴趣和天文研究能力。大多数州法律仅对安装在建筑、设施或公共道路上的户外照明设备进行限制。最常见的“黑暗天空”立法要求安装只向下发光的屏蔽灯具，用完全屏蔽的照明装置替换未屏蔽的照明装置，允许使用较低能耗的灯泡以节省能源。

亚利桑那州被称为全球天文学中心，其光污染法可追溯到 1986 年。法律要求所有户外灯具必须全部或部分屏蔽，但应急、建筑和机场导航照明除外。对于不符合规定的灯具，要求其在午夜到日出之间利用自动装置熄灭。在科罗拉多州，安装新的户外照明灯具需要考虑成本、节能、减少眩光等，最大限度地减少光污染和保护自然夜间环境，当输出大于一定流明时，必须使用“全截止夹具”。

新罕布什尔州已将“保护黑暗天空”作为优先发展的乡村特色，州法律鼓励政府部门通过法令和法规来最大程度地减少光污染，节约能源。海滨照明对鸟类和海洋生物的影响是许多沿海地区关注的问题，在佛罗里达州，全州示范照明条例(佛罗里达州统计局第 161.163 条，佛罗里达州行政法规第 62B.55.001 条等)包含指导地方政府制定保护海龟孵化的政策。德克萨斯州是唯一制定了减少军事设施周围光污染规定的州，该规定仅适用于拥有至少5个军事基地且人口超过100万的县或位于基地约8 km范围内的邻近县。各县可以通过多种方式实现目标：①要求在安装某些类型的照明设备之前获得许可；②禁止使用特定的灯具；③制定户外照明的屏蔽要求；④规定可使用某些类型照明的时间。

1.2.3 法国

法国于 2019 年1月1日颁布实施《关于预防、减少和限制光污染法》，该法令“旨在预防、减少和限制光污染对人、动物、植物或生态系统的过度干扰，对能源的浪费以及对夜空的观测”。该法令由2个部分组成：一是规定了户外照明装置的设计和操作技术要求，并且是强制执行；二是要求法国各地的 11 个天文台站点受最高级别光环境保护。需要特别指出的是该法令限制蓝光的发射。在所有情况下，色温 (CCT) 不得超过 3 000 K(与IDA 指南相同)，自然保护区和公园等 CCT 阈值为 2 400 K，城镇和村庄建成区的 CCT 阈值设定为 2 700 K。

2 中国光污染管理

2.1 光污染政策颁布情况

中国光污染管理工作起步较晚，仅《中华人民共和国生态环境保护法》对光污染防治提出了总体要求，第四十二条明确了光辐射是环境污染的具体形态。各城市根据自身管理需求，相继出台了以限制光污染为目的的管理办法及技术规范，探索建立光污染监管机制。如广州市颁布《广州市建筑玻璃幕墙管理办法》和《广州市城乡照明管理办法》，上海市颁布《上海市建筑玻璃幕墙管理办法》，深圳市颁布《深圳市城市照明管理办法》，厦门市颁布《厦门市建筑外立面装饰装修管理规定》，天津市颁布《天津市景观照明工程技术规范》(DB 29-71—2004)，北京市颁布《城市景观照明技术规范》(DB11/T 388—2015)，重庆市颁布《重庆市城市夜景照明技术规范》(DB50/T 234—2006)等。

2.2 监测进展及技术标准

中国尚未组织开展大范围光污染环境监测工作，但颁布了相关标准规范。其中LED广告屏光干扰的限制和测量规范主要包括《室外照明干扰光限制规范》(GB/T 35626—2017)、《室外照明干扰光测量规范》(GB/T 38439—2019)、《LED广告屏干扰光评价要求》(GB/T 36101—2018)和《LED显示屏干扰光现场测量方法》(GB/T 34973—2017)。《室外照明干扰光限制规范》(GB/T 35626—2017)中规定了城市环境亮度的区域划分方法及全彩色LED广告屏干扰光限值，《LED广告屏干扰光评价要求》(GB/T 36101—2018)对LED广告屏夜间干扰光的分类和评价要求作出更明确规定。通过梳理上述4个标准规范限值和测量方法，结合现场测量和数据分析情况，笔者对现行标准及光污染监督管理提出相关建议。

2.2.1 城市环境亮度的区域划分

《室外照明干扰光限制规范》(GB/T 35626—2017)和《LED广告屏干扰光评价要求》(GB/T 36101—2018)均提出了基于城市环境亮度进行区域划分的总体要求，将光环境分为4个区间(E1～E4)，具体见表2。2个标准除了E4光环境区对应“城市中心区、商业区”一致外，E1～E3涵盖区域均不同，特别在居住区的光环境适用区域上，体现了不同的管理标准。《LED广告屏干扰光评价要求》(GB/T 36101—2018)规定了天文台周边为严格控制照明区域，居住区、医院等为低亮度区域，而《室外照明干扰光限制规范》(GB/T 35626—2017)将不同类型居住区分为中亮度区和低亮度区。总体上看，《LED广告屏干扰光评价要求》(GB/T 36101—2018)在居住区光环境要求上更严格。按照2个标准要求，中国对光环境进行4级分区管理，这种分类方式和CIE 150—2003标准一致，2017年CIE 150—2013重新修订，修订后将光亮度分区调整为5级标准，增加了天文台附近光亮度限制[17]。对比国际标准，中国在亮度分区等方面还存在一定滞后性，特别体现在对天文台附近区域的保护方面，缺少完全黑暗区标准，同时在环境管理上也未将“黑天空公园”纳入光环境保护来考量，但《LED广告屏干扰光评价要求》(GB/T 36101—2018)确定居住区为“低亮度区域”，更严于国际标准。

表2 城市环境亮度的区域划分Table 2 Regional division of urban environmental luminance

2.2.2 标准限值比较

对比《室外照明干扰光限制规范》(GB/T 35626—2017)和《LED广告屏干扰光评价要求》(GB/T 36101—2018)的亮度标准限值，前者仅对全彩色LED广告屏亮度进行规定，提出在E1区不能容忍光干扰，不宜安装LED广告屏的要求，见表3。后者将LED广告屏分成全彩色广告屏和单元色广告屏，分类型、按安装区域对排放亮度进行规定(表4)，在E1区提出最低容忍光干扰要求，但由于该标准E1区包含天文台周边区域，对比表1中CIE 150—2017规定，中国对天文台周边区域的限值较为宽松，没有采取完全黑暗的光环境要求。《LED广告屏干扰光评价要求》(GB/T 36101—2018)除了广告屏亮度限值外，还规定了居住建筑窗户表面的垂直照度限值，以及机动车驾驶员干扰光限值和评价要求，对机动车驾驶员采用阈值增量指标进行评价。综上所述，《LED广告屏干扰光评价要求》(GB/T 36101—2018)用于评价LED广告屏产生的光干扰，指标更丰富。

表3 GB/T 35626—2017中LED广告屏或媒体墙表面的平均亮度限值

表4 GB/T 36101—2018中LED广告屏亮度限值Table 4 LED displays brightness limit in GB/T 36101-2018 cd/m2

3 光污染监测实验

根据《LED广告屏干扰光评价要求》(GB/T 36101—2018)中亮度和照度限值要求，选取城市中已安装的，且对居民区光干扰较严重的LED广告屏进行测量，测量亮度和受影响居民区窗户表面垂直照度。

3.1 测量方法

适用于LED广告屏光干扰测量的规范为《室外照明干扰光测量规范》(GB/T 38439—2019)和《LED显示屏干扰光现场测量方法》(GB/T 34973—2017)。前者规定用亮度计连续测量，采集时间不少于一个完整的播放周期，不少于50组亮度数据，亮度数据应覆盖高亮度的显示场景、画面和区域，并用最大值作为干扰光的最大亮度评价。现场调研后，发现大多数LED广告屏的动态画面经常随机播放，采集不少于一个完整的播放周期的画面较困难。因此按照《LED显示屏干扰光现场测量方法》(GB/T 34973—2017)要求，只采集不少于50个测点的亮度数据，并尽量覆盖播放的主要画面。照度测量参考《室外照明干扰光测量规范》(GB/T 38439—2019)，采用“中心布点法”，测点位置选择受影响居民区窗外。以某中心广场内的LED广告屏为例，实验中亮度计距离地面高1.5 m以上，测量人员与广告屏垂直距离约30 m，监测点周围无明显固定光源影响，监测点位示意图见图1。

图1 LED 广告屏监测点位示意图Fig.1 Schematic diagram of monitoringpoint of LED display screens

3.2 亮度测量

对LED广告屏开展不少于连续50次亮度测量，测量时避免广告视频重复，采取一人读数、一人记录的手工连续测量方式。为避免反光等影响，测量人员均身穿深色衣服。

3.2.1 亮度测量结果综合分析

测量中有效采集7个LED广告屏亮度，结果见表5。

表5 不同广告屏测量结果Table 5 Measurement results of different display screens cd/m2

屏幕1、2、3、5最大值对应光源颜色为白色，屏幕4、6、7对应光源颜色为黄色。分别按照《室外照明干扰光限制规范》(GB/T 35626—2017)的亮度平均值和《LED广告屏干扰光评价要求》(GB/T 36101—2018)的亮度最大值评价广告屏亮度，具体如图2所示。

图2 广告屏评价结果Fig.2 Display screens evaluation results

屏幕1和屏幕2的测量均值和最大值均满足600cd/m2的标准限值要求，屏幕3、5、6的均值和最大值均超标，屏幕4、7均值未超标，最大值超标。

3.2.2 同一屏幕的亮度测量结果差异性分析

某LED广告屏亮度测量结果见图3。该屏幕50次亮度测量结果差异显著，亮度变化范围为123～5 071 cd/m2，最大值为5 071 cd/m2，平均值为1 458 cd/m2，最大值超过《LED广告屏干扰光评价要求》(GB/T 36101—2018)中E4区域(600 cd/m2)的标准限值，平均值超过《室外照明干扰光限制规范》(GB/T 35626—2017)中E4区域(600 cd/m2)标准限值，对周边光环境干扰严重。

图3 LED广告屏测量结果Fig.3 Measurement results on a LED displays

一些学者指出LED广告屏对周边光环境的主要影响，除了屏幕本身亮度值外，还包括亮度变化幅度，即通常所说的快切、频闪画面[18-20]。图3验证了上述结论，该屏幕不仅亮度值高，还存在快切、频闪画面，导致周围环境亮度忽高忽低，可视光环境不舒适。

3.2.3 不同颜色的屏幕亮度值比较

不同颜色的光给人带来的视觉感受不同，产生的烦恼度也不同，而烦恼度是环境风险评估的重要考量指标[21]，因此有必要关注屏幕不同颜色的亮度变化。为比较屏幕不同颜色的亮度变化，选择面积大小接近、周边环境特征相似的7块LED广告屏，进行亮度测量，并记录对应颜色。由于播放广告不同，屏幕主色调不同，测量中只记录主要颜色，选取其中2个屏幕的亮度测量结果进行比较，见图4。

图4 不同LED广告屏不同颜色测量结果Fig.4 Measurement results of differentcolors for different LED displays

由图4可知，不同屏幕的亮度水平不同，每个对应的颜色亮度水平也差别较大，屏幕1广告主要颜色为白色、黄色、褐色、蓝色、红色和绿色，亮度范围为638～2 701cd/m2，白色最亮。屏幕2广告主要颜色为黄色、灰色、白色、绿色、红色和蓝色，亮度范围为27～159cd/m2，黄色最亮。由此可见各屏幕亮度值变化幅度较大，但每个屏幕亮度在一定数量级范围(屏幕1的平均量级在千位，屏幕2的平均量级在百位)，为了将各屏幕间数据进行有效比较，对每个屏幕的颜色亮度用平均亮度进行归一化处理，统计后的结果见图5。

图5 不同LED广告屏不同颜色归一化统计结果Fig.5 Normalized results of different colorsfor different LED displays

由图5可知，测量屏幕的白色和黄色亮度最高，由于褐色屏幕出现较少，此处褐色偏棕黄色，统计时按照黄色计算，其余颜色亮度较低，依次为灰色、绿色、红色和蓝色。这说明虽然不同视频广告的主色调不同，但广告中白色和黄色一般是最亮的颜色，对周边环境影响也较为强烈。因此相关标准中除了考虑亮度外，还应进一步考虑颜色对人的影响。

3.2.4 同一颜色亮度变化分析

为了掌握同一颜色的亮度变化数据，统计屏幕2的主要颜色亮度数据，主要统计了白色、黄色和红色，如图6所示。统计结果显示：同一屏幕相同颜色的亮度变化幅度较大，白色亮度范围为31～481 cd/m2，黄色亮度范围为30～746 cd/m2，红色亮度范围为52～334 cd/m2。黄色最大值超过了《LED广告屏干扰光评价要求》(GB/T 36101—2018)中E4区域(600 cd/m2)的标准限值，其他颜色最大值未超标，各种颜色平均值均未超过《室外照明干扰光限制规范》(GB/T 35626—2017)中E4区域(600 cd/m2)标准限值。这说明为了达到更严格的光环境要求，必须限制各颜色的亮度最大值，仅限制平均值还远远不够。

图6 同一LED广告屏不同颜色测量结果Fig.6 Measurement results of differentcolors for the same LED display

3.3 照度测量

测量亮度的同时布设照度测点，测点位于受LED显示屏干扰光影响的居住区窗口，窗口均匀布设6个垂直照度接收点，以屏幕4照度测量结果为例进行分析，见图7。测量中共抓拍了 16 个画面产生的窗口垂直照度，各画面均进行2次测量，结果均超过 5 Lx，即超过了《室外照明干扰光限制规范》(GB/T 35626—2017)中E2环境区域的照度水平，其中画面4和画面6的2次测量结果均超过10 Lx，即超过了《室外照明干扰光限制规范》(GB/T 35626—2017)中E3环境区域的照度水平。画面4和画面6对应的最大亮度分别为481、435 cd/m2，且均为白色。这说明白色等明亮颜色是导致居民区照度升高的重要色调，应严格限制白光的亮度排放限值。

图7 照度测量结果Fig.7 Results of illumination measurement

4 结论

在调研国外光污染管理政策的基础上，分析了中国光污染管理政策现状。

按照现行监测技术规范要求，采用照度计和亮度计，尝试性开展LED广告屏干扰光环境测量，梳理现场测量结果如下：

1)城市的LED广告屏亮度测量表明，城市屏幕亮度超标严重。

2)LED广告屏对外界光环境的影响，除了屏幕本身亮度值外，亮度变化幅度也是重要影响因素。

3)白色和黄色一般是LED广告屏对周边环境影响最强烈的颜色。

4)为了更好地保护光环境，必须对亮度最大值作出限制。

5)白色等明亮颜色是导致居民区照度升高的重要色调，应严格限制其亮度排放限值。

5 中国光污染监测亟需解决的问题和防治政策建议

5.1 主要问题

LED光污染测量实验发现，中国光污染监测亟需解决3个方面问题。

1)环境分区规则不明确，导致光环境限值使用混乱，需进一步明确光污染定义，统一光环境分区标准。

2)测量时间难以准确把握，测量指标单一，不能全面反映光污染情况，需丰富评价及监测指标，建议参考《发光二极管(LED)显示屏测试方法》(SJT 11281—2017)，形成多元化考核指标。

3)现有测量设备不能满足环境管理需求，亮度测量过程中，按照《室外照明干扰光测量规范》(GB/T 38439—2019)要求，需测量视频播放的完整周期，因为每个广告屏播放广告的周期不同，因此准确掌握播放周期难度较大，容易导致测量偏差。而按照《LED显示屏干扰光现场测量方法》(GB/T 34973—2017)连续采样50次，可能采集不到亮度最大视频，导致最大值数据不准确。照度测量时，不同广告视频的照度会有一定的起伏，按照《LED显示屏干扰光现场测量方法》(GB/T 34973—2017)采用不低于连续5 min测量采集照度，有可能测量不到最大值，采用“平均布点法”又难以对每一幅画面开展持续测量，导致测量结果误差。因此现场测量时建议开发一种能实现照度和亮度同步测量，并持续记录的综合设备。