城市光污染：LED显示屏亮度问题的思考

时间：2024-07-28

方景肖辉邴赫亮

(同济大学电子与信息工程学院，上海 201804)

1 前言

随着我国城镇化率的提高，城市得到了极大的发展，由此所带来的问题也日益突出，光污染就是其中之一。由于半导体照明技术和控制技术的迅猛发展，LED显示屏几乎在所有大型商场的室外照明中都得到应用，成为了城市光污染不可忽视的一部分。

为了突显照明对象的特点以夺人眼球，出现了片面的追求照明对象高亮度，而其高亮度所带来的过多的逸散光使得周围环境亮度升高，这又导致视觉对比度下降，迫使照明对象的亮度再次提高的恶性循环现象。亮度过高不仅浪费能源，同时还会产生眩光和光污染等一系列的问题。

2 LED显示屏应用现状和分析

信息化社会的到来，促进了现代信息显示技术的发展。LED显示屏以突出的优势成为平板显示的主流产品之一，并在社会经济的许多领域得到广泛应用。LED显示屏已经成为了城市特色不可或缺的一部分，尤其是在作为城市名片的城市商务区。

由于部分使用者和管理者缺乏对景观照明的正确认识，造成不考虑实际能力和景观对象的具体情况，在城市夜景照明建设中贪大求洋、浪费能源、造成光污染的现象并不少见。照明亮度过高，文化品位较低，环保意识淡薄是当前城市LED显示屏夜景照明的一大问题。

面对照明工程对象，没有适度控制灯光明暗来获得错落有致的景观亮度图式，同时，在调光技术相对成熟的今天，许多LED显示屏并没有进项相匹配的调光，导致在白天和晚上显示屏的亮度一样，导致在城市商务区夜景照明的建设和实施过程中，出现了照明对象亮度过大，以及由此带来的眩光、区域天空发亮等光污染的问题。

LED显示屏的亮度过高所带来的问题是显而易见的。

(1)亮度过高引起的眩光、光入侵和光泛滥等现象不仅对人的视力造成损害，还会扰乱人的生理节律，造成神经衰弱、失眠和内分泌紊乱等;

(2)在城市夜景照明工程中，过度的元素堆积，会造成设计的混乱，破坏审美效果。

(3)亮度过高的夜景照明不仅造成大量的能源浪费，还使大量的光逸散到天空中，产生光污染，与此同时，高亮度意味着相关照明发热量也高，产生局部地区夜间的“温室效应”。

(4)夜间暗天空的丧失，在过度追求的城市夜景景观的亮化工程下，人们已经失去了自然夜空的美景。

(5)高亮度的夜景对昆虫的行为模式、鸟类的迁徙等都有较大影响。根据美国鱼类及野生动物部门推算，每年受光污染影响死亡的鸟类达到400～500万只之多。同时，光污染还会对植物自然生长周期的生物钟节律等产生影响这都违背了可持续发展的理念，会破坏生态系统的平衡。

3 解决LED显示屏亮度过高问题的理论分析

眼睛能够辨别背景上的被观察对象，必须满足以下两个条件之一，对象与背景具有不同颜色，或者是对象与背景在亮度上有一定的差别，即要有一定的对比。前者为颜色对比，后者为亮度对比。常用亮度对比度来衡量亮度比，它是视野中的目标亮度与背景亮度差的绝对值与背景亮度之比，其表达式如下所示:

其中L0为目标亮度，Lb为背景亮度。

人工逸散光在区域内形成亮度叠加，假设逸散光形成的亮度值为LF，此时的亮度对比度相应地变为:

从上面的两个式子比较可以发现C＞C'。即逸散光造成目标亮度对比度的下降，使目标的可观测性降低。

曾有学者针对上海市区内几个主要观光旅游景点中具有代表性的建筑，测量了它们的泛光照明亮度和背景亮度，并作了亮度主观评价。通过分析所获得的主客观数据，他们得出了泛光照明的建筑物的视亮度并不是单纯地由它本身的亮度所决定，而在很大程度上是适应亮度 (背景亮度，在这里是天空亮度)决定的结论。

要获得良好的视看效果，应当设计被视对象和环境背景间良好的亮度对比。对于被视对象应该对其进行亮度调节，使亮度对比度在相应合适的范围内。

以下通过对徐家汇商业区LED显示屏三年来的研究结果进行讨论分析，从亮度和亮度对比度的角度思考LED显示屏的调光设置对于城市光污染的治理的巨大作用。

4 徐家汇商务区LED显示屏亮度分析

研究小组对徐家汇商务区的三个主要的LED显示屏进行了亮度测量。采用亮度计定点测量的方法，根据被测目标的特点，选择不同的视角，选择多次测量的最大亮度值作为测量结果。

(1)在徐家汇商业区一共有三个大型的户外全彩LED显示屏，分别在恒隆广场墙面上 (东南向)，东方商厦楼顶 (东向)以及太平洋百货墙面上 (南向)，其分别如图1所示:

图1 恒隆广场、东方商厦、太平洋百货LED显示屏Fig.1 LED display

笔者从下午两点到晚上八点通过实地调研和测量，其背景亮度和LED显示屏的亮度如表1所示:

表1 测量各显示屏亮度Table 1 Display luminance

(2)两年前调研数据。在2年前的笔者所在课题组也对徐家汇商务区的夜景照明进行了调研，在徐汇区绿化和市容管理局的支持下完成了《核心商务区夜景照明节能分析与研究》报告，在该报告中提出了调研数据、情况分析、主客观评价以及明确的整改建议。其LED动态显示屏的调研数据如图2所示:

图2 LED动态显示屏亮度统计Fig.2 LED dynamical display luminance

(3)分析比较。从两年前的数据中可以看出，5号屏幕的亮度达到了2000cd/m2，19号屏 (恒隆广场屏)亮度超过3100cd/m2，远超周边的环境，主要原因是电子显示屏幕亮度叠加大功率投光灯所致，如图3所示。这样的亮度不但没有突出屏幕的内容，反而使屏幕色彩饱和度降低，不利于正常观看，同时，该亮度会给人眼带来刺痛感，使受众视线不会在屏幕上停留过多时间，反而降低了宣传的效果。而从今年的调研数据图一可以看出，投光灯的所带来的亮度基本没有了，整改取得了明显的效果。

图3 恒隆广场大屏幕与投光灯亮度叠加Fig.3 Luminance overlaying

两年前的调研发现，LED显示屏白天的亮度和晚上的亮度相差无几，没有进行调光，并且画面切换频率高，产生很高的眩光，给司机造成很大的危险。笔者统计，徐家汇LED显示屏的切换频率为30次每分钟 (是动态画面，该切换频率是指整体画面的切换频率)，相对于两年前来说频率降低了很多，但是给笔者的感觉是切换的速度还是偏快，盯着屏幕一会儿就会出现不舒适的感觉。画面的切换频率宜设置在10～20次每分钟之内。

从今年的测试数据可以看出，对于LED显示屏的亮度控制取得了明显的效果，其在白天和晚上的亮度数据发生了较大的变化，说明对LED显示屏的亮度按时间进行了调整。今年测试的晚上天空背景亮度约为1.5cd/m2，而两年前的数据显示最大天空背景亮度达到了66.7cd/m2，从这组数据中可以看出，逸散光明显降低了。统计数据显示两年前广告照明耗能电量为704.3kwh，建筑物景观照明耗电量为556.76kwh，如图4所示:

图4 景观照明与广告照明耗电 (不完全)统计图Fig.4 Electricity consumption

从上面的统计数据可以看出，广告照明耗电量已经超过建筑本身的照明耗电量。而在今年的调研数据显示，环境的逸散光明显得到降低，冷阴极照明对象大量减少，节能效果明显。而从今年的测试数据中也能看出，背景亮度和LED显示屏亮度都在合适的范围之内，完全满足《上海市户外广告设施设置阵地规划》上关于自发光广告、招牌、显示屏和标识表面亮度的限制值。

(4)结论。从上面两组数据的对比中可以看出，对于徐汇区商务的夜景照明亮度控制已经取得了较大的成果，其节省了大量的电能，减少了逸散光光污染。

徐家汇的灯光管理控制在两年的时间内取得了极大的成就，通过对广告显示屏的调光、减少大功率投光灯的使用、分区控制等方法即达到了夜景照明的要求又极大的节省了能源，降低了城市光污染。

城市灯光管理是一个系统工程，需要各方面相互协调合作。

首先是该地区的灯光管理职能部门应制定统一的亮度设置标准，减少由于商家、业主盲目追求高亮度的恶性竞争所带来的亮度的失控。在统一协调的前提下，使得背景亮度降下来。

其次要对LED显示屏进行强制调光设置。根据各个城市所处位置的四季变化规律调节LED显示屏白天和晚上的亮度。设置合适的画面切换频率。

第三是要对不同的照明对象设置不同的开关模式，分区分功能管理。最后应鼓励推行绿色节能的照明技术。

徐家汇商务区管理控制经验值得其他城市借鉴学习。