LED屏幕夜间光污染监测与评价研究

高成康，秦 威，房科靖，毕 乾，陈 杉

(1.国家环境保护生态工业重点实验室，辽宁 沈阳 110819；2.东北大学 材料与冶金学院，辽宁 沈阳 110819)



LED屏幕夜间光污染监测与评价研究

高成康1，秦 威1，房科靖1，毕 乾2，陈 杉1

(1.国家环境保护生态工业重点实验室，辽宁 沈阳 110819；2.东北大学 材料与冶金学院，辽宁 沈阳 110819)

随着城市中LED的广泛应用，周围居民光污染事故的投诉也逐渐增多，但光污染的监测、评价仍无定量分析。结合LED光污染的特点，制定了夜间LED光污染监测方案，在沈阳市选取六个有代表性区进行LED的光污染状况监测。通过测量夜间LED屏幕的光污染情况，分析影响夜间光污染的主要因素，结果表明：距离、环境光照、角度、LED屏幕面积、照度等对LED光污染有直接影响。基于监测分析，建立LED评价指标体系，并以人体感官为基准将光污染强度分为：严重、较严重、一般、轻微、无影响。最后，分析沈阳市典型居住区夜间LED光污染程度和范围，为定量评判LED光污染程度和制定相关法律法规提供一定的理论依据。

夜间光污染；LED屏幕；照度；指标体系；污染程度

引言

随着城市的快速发展，夜间LED光源已成为一种新的环境污染源。最早针对光污染开展专门研究的是天文界。城市室外照明使天空发亮造成对天文观测的负面影响[1]。O.Rabaza等人介绍了一种移动的模型来衡量天文学光污染[2]。目前，国内外光污染多是从生态学角度研究，指出光污染不仅影响人类的交通状况、人体健康，而且会影响生态系统的平衡[3-6]。此外，有专家利用遥感数据和GIS研究了光污染的来源[7-8]。目前我国对LED屏幕光污染的监测与评价体系少有文献报道，定量的描述光污染的情况也少，且相关的法律法规仍缺失[9]。为此，有必要对我国光污染环境的监测方法与评价指标进行研究。在前人研究的基础上，通过建立LED屏幕光污染监测方案，完成沈阳市区典型LED屏幕光污染影响程度的评价分析。

1 夜间LED屏幕光污染测量方案与评价体系

1.1 布点方案

在设计布点方案时，必须把监测点与LED屏幕的距离和监测点与LED屏幕的夹角考虑在内，尽量在多处布点，若现场条件允许，应布点至100m处(100m以外照度影响很小)，保证同一距离半圆弧内-30°、-60°、0°、30°、60°角度处布点完整。基于此，实验的布点方法采用五点取样检测法(如图1所示)，测量高度选取为1.5m。

图1 监测点布点图Fig.1 monitoring points’ distribution

1.2 测量指标

由于光照度及光亮度对人体的影响较大[4]，因此主要测量指标包括区域平均照度与LED屏幕的照度，同时记录监测者的主观感受(对颜色变化快慢的忍受程度等)。在采集LED照度数据时，采用控制变量法：首先控制距离，在等距离的半圆上，将照度计置于1.5m高度，依次按-30°、-60°、0°、30°、60°取点(其中0°为在半圆中照度仪正对LED屏的位置)；而后，控制测量点不变，依次将照度仪按垂直于地面方向倾斜-15°、-30°、0°、15°、30°测量。

由于LED屏幕的照度和亮度是随着色彩随机变化的，因此，应在次数上多记录几组数据，最后需要多个最大值、均值、最小值综合分析。

1.3 评价体系

基于测量指标的选取以及观察者的主观感受建立夜间LED屏幕的光污染评价图，如图2所示。根据《城市夜景照明设计规范》可知，市政广场等公共活动区域水平照度的最大限值为25lx[10]，由此确定夜间光污染的污染等级见表1。

图2 夜间LED屏幕的光污染评价体系Fig.2 The light pollution evaluate system of LED screen表1 夜间光污染的污染等级Table 1 Pollution levels of light pollution at night

目标照度/lx人眼感觉污染等级<2525～5050～100100～200>200无感觉轻微一般较严重严重1级2级3级4级5级

2 沈阳市马路湾区域LED屏幕光污染监测与评价

2.1 马路湾监测实例分析

马路湾202医院地处太原街繁华商业城的东侧，车流量较多，而且医院是一处人群密集区，对人类健康的影响较大。

测量之初以环境照度作为基础参数。LED屏幕为面光源，但在整个区域内LED屏幕相对较小，可看做点光源。布点采用五点取样检测法：对于夜间光污染源(LED屏幕)，使用五点取样法测其相关数据(距离、角度)的影响，以沈阳马路湾地区为例如图3所示。

图3 202医院LED屏监测点卫星图(●—监测点位置)Fig.3 The satellite imagery of NO.202 hospital about LED screen monitoring spot

2.2 马路湾监测结果及分析

2.2.1 马路湾监测结果

因夜间LED屏幕光照变化较大，故选取其测量数据的极大值，极小值，中位数作为数据进行分析。马路湾202医院LED监测结果见表2。

2.2.2 监测结果分析

由表2可以看出：在角度小于60°时，各监测点照度值均超过《城市夜景照明设计规范》中的最高限值25lx，说明在这个区域内存在光污染，其影响区域为一扇形，如图4所示。

在图5中，随着距LED距离的增加，监测点照度值整体呈现下降趋势，对人体视觉的影响不断减小；在距离相同的情况下，随着测量角度的改变，照度值也有所变化，30°与60°相差数据相对较小，但仍表现出角度与照度值的反比关系。

表2 照度监测数据记录Table 2 The record of illumination monitoring data (单位：lx)

注：距离指监测点与LED屏幕的直线距离；角度指监测点与LED屏幕中心点的夹角。以下出现不再说明。

图4 202医院光污染区域Fig.4 The light pollution area of NO.202 hospital

图5 202医院监测点照度与距离的关系Fig.5 The relationship between illumination and distance of 202 hospital

3 沈阳市监测结果与分析

3.1 夜间光污染检测点

(1)铁西广场：地处交通要道和人口集中地，十字路口，LED屏幕四处分布，夜晚光线过强，在该地附近200m内有多处居民区分布，在一定程度上影响居民出行及休息。

(2)中街怀远门：地处中街繁华商业城， 路灯集中而且明亮，附近有多栋居民楼，而且大量行人途经这里，交通便利，车流量较大。

(3)万象城：毗邻青年大街，有一些广告屏，正对着居民楼和马路，在调查中发现，该地居民受光污染影响较为严重，夜间光照影响居民的正常休息以及出行、过往的车辆。

(4)工业展览馆：地处文化路和青年大街交叉口旁，根据调查发现，在工业展览馆附近，夜间光污染比较明显，夜间的LED屏幕、路灯、广告牌等是该地产生夜间光污染的主要原因，对居民及过往行人、车辆影响较大。

(5)奥体中心：高楼大厦林立，居民区较为集中，晚上各种光照反射造成一定程度的污染，影响居民及过往车辆的正常活动。

3.2 光环境监测数据及分析

3.2.1 监测点数据

基于上述监测方法，对其余5个监测点进行监测。按照统计学原理进行整理、分析，舍去误差点数据，取极大值、极小值及中位值。用等差法将6个不同区域LED监测点的监测值中位数做综合分析，分析沈阳市LED屏平均照度监测值(见表3)。由于角度在0°时各个监测点的照度值最大，因此只列出0°时各个监测点的照度值，作为评价夜间LED屏光污染的主要依据(见表4)。

表3 LED屏幕平均照度值Table 3 The average illumination value of LED screen

表4 沈阳市监测点照度数据Table 4 Monitoring point illumination data of Shenyang city

3.2.2 LED屏幕相关数据(表5)

表5 LED屏幕尺寸Table 5 The size of LED screen

3.2.3 监测结果分析

(1)照度极值比的影响

以照度最大值同最小值的比η来表示此LED屏幕对夜间环境的改变能力，因为在夜间光照的瞬间改变会影响人的视觉，因此该数据可以一定程度上反映光污染大小。各个监测点取最大的η作为该监测点的代表(图6)。

图6 各个监测点η值Fig.6 The η value of monitoring points

从图6中可以看出，怀远门附近的η值最大，说明此处污染情况严重，铁西广场和万象城附近污染较严重，而其余三处污染较轻，对人类影响较小。

(2)距离、角度的影响

当距离小于10m时，其照度值大于200lx，因此在距离LED屏幕10m的扇形区域内是有严重光污染。由测量数据可知，LED屏幕的照度随距离增大而减小；随角度的增加而减小；随距离和角度的改变，光照的频率变化不大。具体情况见图7。

图7 LED屏幕光污染影响情况Fig.7 The impact of LED screen light pollution

图8 沈阳市LED屏光污染情况Fig.8 Light pollution of Shenyang LED screen

(3)LED屏幕尺寸的影响

LED屏幕尺寸在一定程度上会对照度值有所影响，随着LED屏幕尺寸的增大，其照度值也会随之增大，对人体的影响加大。同时影响照度值大小的因素还有环境照度值的大小，环境照度是反映目标所处环境明暗的物理量，数值上等于垂直通过单位面积的光通量。若环境照度大，则对人体产生的影响较小，反之影响则大。

3.2.4 沈阳市整体夜间光污染分布

将沈阳LED屏光污染情况在地图上表示见图8，其中光污染越严重，颜色越深，反之越浅。

为此，限建或少建LED屏幕并尽可能避开居民居住区，在一定范围内，减少屏幕亮度，合理地布置LED屏的高度，减小LED屏幕的大小，可以有效减少夜间光污染对人群和车辆的影响；建筑物和娱乐场所周围，应多植树种草种花，以改善光环境，注意减少大功率强光光源；同时有关城建、环保和城市照明建设管理部门要建立相应制度，制定相应的管理和监控办法，做好照明工程的光污染审查、鉴定和验收工作，达到建设城市健康照明，减少光污染的目的。

4 结论

通过建立LED屏光污染测量模型，以及对沈阳市主要区域的LED屏光污染影响程度的实地监测分析，结果表明：LED屏幕光污染影响因素主要有角度和距离，此外屏的大小、环境照度都会影响光污染的强度；随着与LED屏的距离从20m到100m变化，LED屏光照的照度值从200 lx到10 lx变化。

沈阳市夜间存在着较重的光污染，LED屏的影响较大，其中怀远门附近的光污染情况最严重，污染等级为5级；铁西广场和万象城LED屏光污染比较严重，污染等级为4级；202医院、工业展览馆和奥体中心附近污染较轻，为3级以下。

[1] 章海骢.光污染——室外夜间照明中一个值得注意的问题[J].电世界,1996,37(9): 1-3.

[2] Rabaza O, Galadi-Enriquez D. All-Sky brightness monitoring of light pollution with astronomical methods[J]. Journal of Environmental Management,2010:1278-1287.

[3] Jari Lyytimaki, Petri Tapio, Timo Assmuth. Unawareness in environmental protection:The case of light pollution from traffic[J]. Land Use Policy,2012(29):598-604.

[4] Fabio Falchi, Pierantonio Cinzano.Limiting the impact of light pollution on human health, environment and stellar visibility[J]. Journal of Environmental Management, 2011(92): 2714-2722.[5] Jari Lyytimaki. Nature’s nocturnal services: Light pollution as a non-recognised challenge for ecosystem services research and management[J]. Ecosystem Services,2013.

[6] Bird B L, Branch L C, Miller D L. Effects of coastal lighting on foraging Behavior of beach mice[J]. Conservation Biology, 2004(18): 1435- 1439.

[7] Helga U Kuechly, Christopher C M Kyb. Aerial survey and spatial analysis of sources of light pollution in Berlin,Germany[J]. Remote Sensing of Environment,2012(126):39-50.

[8] Chalkias C, Petrakis M, Psiloglou B, et al. Modeling of light pollution in suburban areas using remotely sensed imagery and GIS[J]. Journal of Environmental Management, 2006(79):57-63.

[9] 张士军.光污染一种新型的环境污染[J].城市问题,2004,8(2):24-30.

[10] 中华人民共和国城乡和住房建设部. JGJ/T 163—2008城市夜景照明设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

中国绿色照明工程设计奖颁奖典礼暨中国照明学会、北京照明学会

2015年新春联谊会在北京举行

2015年1月15日，“中国绿色照明工程设计奖颁奖典礼暨2015年中国照明学会、北京照明学会新春联谊会”在北京举行。会议由中国照明学会、北京照明学会主办，上海飞乐音响股份有限公司协办。来自北京、天津地区的设计院、高校、设计工程公司、相关团体的代表近150人参加了此次会议。中国照明学会秘书长窦林平主持了会议。

会议首先举行了“中国绿色照明工程设计奖颁奖典礼”。“中国逐步淘汰白炽灯、加快推广节能灯”项目办副主任吕芳致辞，中国照明学会副秘书长邴树奎介绍了中国绿色照明工程设计奖活动，解析并分享了绿色照明工程设计及改造案例。中国绿色照明工程设计奖是“中国逐步淘汰白炽灯、加快推广节能灯”国际合作项目中的子项目之一，2014年7月由中国照明学会承担并组织开展申报和评奖工作，在三个月的项目实施期内，收到申报项目360项，共评出金奖1项、银奖6项、铜奖8项、优秀奖15项(详见附件)。颁奖仪式上，领导和专家为获奖单位颁发了奖牌和证书。

在“中国照明学会、北京照明学会2015年新春联谊会”上，中国照明学会理事长徐淮、北京照明学会理事长华树明代表各自学会向与会代表汇报了2014年工作总结及2015年主要工作安排，并向大家致以新年的祝福。上海飞乐音响股份有限公司董事谢圣军先生在会上发言，介绍了上海飞乐音响股份有限公司通过收购北京申安投资集团有限公司，使亚明、申安两大绿色照明生产企业实现产业整合，实现联合共赢。在联谊会互动环节，与会代表积极发言，对学会的工作给予了高度评价，并对今后行业的发展提出了建议。

按照中央十八大的精神，本次颁奖典礼、联谊会活动一切从简，取得了圆满的成功。

附件：中国绿色照明工程设计奖获奖名单

The Monitoring and Evaluation of Light Pollution from LED Screen’s at Night

Gao Chengkang1, Qin Wei1, Fan Kejing1, Bi Qian2，Chen Shan1

(1.SEPKeyLaboratoryofEconomyIndustry,Shenyang110819,China;2.SchoolofMaterials&Metallurgy,NortheasternUniversity,Shenyang110819,China)

With the widely application of LED in city, complains from light pollution incidents had gradually increased, and there still had no quantitative monitoring and evaluating of it. For these reasons, the studies of monitoring light pollution of LED need to be established urgently. Six representative regions of LED in Shenyang were chose to be monitored. By measuring the light pollution of LED screen, the main factors affecting the night light pollution were analyzed. The results showed that, distance, ambient lighting, angle, LED screen area and illumination had direct impact on light pollution of LED. Based on monitoring and analyzing, evaluation system of LED’s light pollution was established. The light pollution was ranked according to human senses into 5 scales: More serious, serious, general, mild, no effect. At last, the extent and scope of LED’s light pollution in Shenyang residential areas were defined. It can provide a theoretical basis for quantitative evaluation of LED light pollution, as well as beneficial to the establishment of relevant laws and regulations.

nighttime light pollution; LED screen; illumination; indicator system; degree of pollution

中国绿色照明工程设计奖获奖项目名称获奖等级中国绿色照明工程设计奖获奖项目名称获奖等级中国建筑科学研究院近零能耗示范楼室内照明工程金奖中央电视台新址主楼室内照明工程优秀人民大会堂万人大礼堂室内照明节能改造工程银奖陕西延安宝塔夜景照明工程优秀北京中关村微软中国研发集团总部室内照明工程银奖山西大同市云冈石窟园区夜景照明工程优秀湖北荆州市中心城区夜景照明工程银奖陕西西安市南门箭楼夜景照明工程优秀江西南昌一江两岸景观照明提升改造工程银奖山东台儿庄古城夜景照明工程优秀重庆北川新县城(永昌)道路照明工程银奖陕西西安市天人长安塔夜景照明工程优秀浙江杭州钱江隧道LED照明工程银奖北京东华门大街夜景照明工程优秀韩国首尔斯特大厦夜景照明工程铜奖上海世博会中国国家馆夜景照明工程优秀天津市团泊新城西区萨马兰奇纪念馆夜景照明工程铜奖深圳高速公路(深圳机荷高速、南光高速、龙大高速、盐坝高速、大梅沙隧道)照明工程优秀浙江湖州喜来登月亮酒店建筑景观照明工程铜奖深圳市LED道路(南山区)照明工程优秀广东奥林匹克体育场室内照明工程铜奖江苏省苏州市干将路道路照明改造工程优秀上海虹桥机场迎宾三路隧道LED照明工程铜奖江苏无锡五印坛城室内照明工程优秀国家图书馆室内照明节能改造工程铜奖河南中烟工业有限责任公司许昌卷烟厂联合工房室内照明改造工程优秀北京长安大戏院室内照明工程铜奖江西省艺术中心歌剧院室内照明工程优秀上海虹桥机场T2航站楼室内照明工程铜奖重庆市江北区观音桥商圈北城艺术大厦、金岗大厦夜景照明工程优秀

国家环境部公益项目"光污染环境监测技术与质量评价体系研究"(项目编号：201209051)

秦威，E-mail：qinw1015@163.com

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.01.017