从视觉角度讨论夜晚天空光污染评价指标

时间：2024-07-28

姚其史悦

(深圳大学建筑与城市规划学院，广东深圳518060)

1 引言

随着人们生活水平的提高，城市夜景亮化工程大量建设，夜晚的城市虽然呈现了不同的风貌，但由此带来的光污染问题得到越来越多人的关注。光污染包括一些可能对人的视觉环境和身体健康产生不良影响的事物。国际上一般将光污染分成3类，即白亮污染、人工白昼和彩光污染。

目前，大城市普遍、过多使用灯光，在夜晚，商场、酒店上的广告灯、霓虹灯闪烁夺目，令人眼花缭乱。有些强光束甚至直冲云霄，使得夜晚如同白天一样，即所谓人工白昼。夜晚的灯光使天空太亮，看不见星星，影响了天文观测、航空等，很多天文台因此被迫停止工作。据天文学统计，在夜晚天空不受光污染的情况下，可以看到的星星约为7000颗，而在路灯、背景灯、景观灯乱射的大城市里，只能看到大约20～60颗星星。人们在享受夜生活的同时，也同时失去了星空。

建筑物灯具照明很多采用向上投光洗墙的照明方式，在把建筑物整体照亮的同时也就把近一半的光线送上了天空。天文观测依赖于夜间天空的亮度和被观测星体的亮度，夜空的亮度越低，就越有利于天文观测的进行。由于空气和大气中悬浮尘埃的散射使夜空亮度增加，从而对天文观测产生影响。夜空亮度 (从地上透过大气层观察星空时的背景亮度)的增大，意味着存在地区性的光环境问题。

对于夜晚星空观看，主要受到观测距离、空气污染以及光污染等因素影响。空气污染影响了光的传输，透过率降低，而光污染使天空背景亮了起来，从而造成对比度差异变小。

天文观看时，采用星等来表示对于星光的观测程度。整个天空肉眼能见到的6000多颗恒星。将肉眼可见的星分为6等。肉眼刚能看到的定为6等星，比6等亮一些的为5等，依次类推，亮星为1等，更亮的为0等以至负的星等。例如，太阳是－26.7等，满月的亮度是－12.6等，金星最亮时可达－4.4等。星等差1等，其亮度差2.512倍。1等星的亮度恰好是6等星的100倍。

从视觉角度来评价观看时，主要是通过亮度、对比度作为指标。人眼的视觉敏锐度与目标对比度也是密切相关的，目标与背景之间越是黑白分明，则越能看得清楚;反之，就会显得模糊不清。对于背景为黑色或灰色，观察目标为白色的情况，对比度的定义公式 (1)所示。

其中，C为对比度，Lo和Lb分别为目标和背景的亮度。

在有光污染的情况下，可以用星等进行评价，星等越高，说明光污染越严重，但对于研究光学的人来说，不是很直观。因此本文提出从视觉角度讨论夜晚光污染情况，将星等与通常的亮度、对比度评价进行对等转换，便于与其它研究相统一。

2 视觉标准的评价指标

2.1 星等与亮度关系

星等是以肉眼刚能看到的亮度作为基准的，为6等星，星等差1等，其亮度差2.512倍，其与相对亮度关系如图1所示。由于星等定义是以刚看到的亮度作为基准，因此天空背景本身被当作无亮度的参考;而在光污染的情况下，天空背景亮度提高，实际上再用星等表示，是对比度的概念。因此星等与亮度的关系，可以用相对亮度和对比度进行表示。

图1 星等与相对亮度关系Fig.1 Relation between magnitude and relative luminance

2.2 视觉评价指标

从视觉角度评价对物体的观看时，一般采用亮度和对比度。观看物体时，主要与物体大小、物体亮度和对比度三个方面有关。采用视觉指标评价时，有利于光污染的相关研究和实验的统一。而光污染不只是对于夜空星光的影响，也包括光侵入、建筑幕墙等，都是采用亮度、对比度进行评价的，而且从星等转化为亮度和对比度是相对比较容易的。