李志榮，朱金善，黃 成

(大連海事大學(xué)航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

引言

光環(huán)境是人類(lèi)生產(chǎn)作業(yè)活動(dòng)中環(huán)境要素的重要組成部分，良好的光環(huán)境能對(duì)人的精神和心理產(chǎn)生積極的影響。隨著城市化的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)光環(huán)境的要求越來(lái)越高，而光污染成為繼水污染和空氣污染之后的一種新型污染，光污染會(huì)影響人們的心理和生理健康、交通安全、天文觀測(cè)、生態(tài)環(huán)境，造成能源浪費(fèi)，甚至增加犯罪率等，從而引起人們的廣泛關(guān)注[1-9]。因此，科學(xué)、合理地評(píng)價(jià)光環(huán)境，對(duì)提高人們生活安全、生活質(zhì)量和工作效率起著積極的作用。

光環(huán)境的評(píng)價(jià)分為室內(nèi)和室外兩種。室外光環(huán)境是在室外空間由亮度分布與光色分布建立的與空間形狀有關(guān)的心理和生理的環(huán)境[10]。本文主要對(duì)體育場(chǎng)、居住區(qū)、廣場(chǎng)、夜天空以及海、陸、空交通方面等室外光環(huán)境的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行綜述。目前，有關(guān)室外光環(huán)境評(píng)價(jià)的方法和觀點(diǎn)眾多，評(píng)價(jià)指標(biāo)也不盡相同，各方法均有其適用范圍和局限性。本文通過(guò)總結(jié)各種室外光環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)，闡述各評(píng)價(jià)方法的原理和思路，并比較其優(yōu)缺點(diǎn)，從而為在室外光環(huán)境評(píng)價(jià)領(lǐng)域開(kāi)展深入研究奠定基礎(chǔ)、明確方向。

1 室外光環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)

室外光環(huán)境由室外空間光照射(包括自然光和人工光)而形成的。它的主要功能是滿(mǎn)足人們的物理、生理(視覺(jué))、心理、美學(xué)、社會(huì)(節(jié)能、綠色)等的要求，為了滿(mǎn)足這些要求，需要對(duì)光環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)指標(biāo)可分為定量指標(biāo)和定性指標(biāo)。定量指標(biāo)主要有亮度水平、亮度均勻度、亮度對(duì)比、眩光、光色等；定性指標(biāo)主要有舒適性、美觀性、經(jīng)濟(jì)性等[11-14]，詳見(jiàn)圖1。

圖1 室外光環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)分類(lèi)Fig.1 Classification of outdoor light environment evaluation index

1.1 定量指標(biāo)

1)亮度水平。亮度是指表示光源或受光物體表面明亮程度的物理量。亮度是于離開(kāi)、到達(dá)或者穿過(guò)某一表面，單位立體角、單位投影面積上的光通量，符號(hào)為L(zhǎng)，單位為勒克斯(cd/m2)。若dI為無(wú)限小面積發(fā)光強(qiáng)度，dA為該無(wú)限小面積，θ為發(fā)光面法線(xiàn)與觀測(cè)方向的夾角，則該面積上的亮度L為

(1)

亮度水平是最基本的光環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。亮度值過(guò)高會(huì)帶來(lái)光污染，并影響人的視覺(jué)功效以及心理健康；亮度值過(guò)低會(huì)造成視覺(jué)功能降低，從而造成交通事故、心理恐慌等。

2)照度均勻度。照度均勻度主要是用來(lái)評(píng)價(jià)光環(huán)境光分布的均勻性。根據(jù)我國(guó)《建造照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，照度均勻度用某一給定區(qū)域最低照度和平均照度之比來(lái)衡量，其中最低照度是該區(qū)域上某一點(diǎn)的最低照度，而平均照度為該區(qū)域照度的平均值。對(duì)于室外夜間光環(huán)境，照度水平不僅要滿(mǎn)足基本的照明功能，而且要滿(mǎn)足照度均勻度的要求。

3)亮度對(duì)比度。亮度對(duì)比度是物標(biāo)亮度Lo和背景亮度Lb的差與背景亮度Lb之比，符號(hào)為C，即

(2)

式(2)中，Lo和Lb的單位均為cd/m2。室外光環(huán)境中，物標(biāo)的可識(shí)別性可用亮度對(duì)比度來(lái)表示。如果夜間光環(huán)境中亮度對(duì)比度過(guò)大，那么會(huì)造成眩光、逸散光以及能源浪費(fèi)等危害。

4)眩光。眩光主要是由亮度分布或亮度范圍的不均勻、極端的亮度對(duì)比度引起的。國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)規(guī)定眩光指數(shù)(GR)和閾值增量(TI)是評(píng)價(jià)室外眩光的兩個(gè)重要指標(biāo)。

5)光色。光色包括光源的顏色、色溫值以及色坐標(biāo)。良好的色視覺(jué)效果僅在光源光譜接近天然光的情況下才能形成。當(dāng)光源光譜和天然光相差較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致被照目標(biāo)的顏色失真。另外，不同的光波長(zhǎng)會(huì)引起不同的視覺(jué)心理感受。

1.2 定性指標(biāo)

1)舒適性。光環(huán)境會(huì)對(duì)人的生理、心理有一定的影響。光環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣程度會(huì)影響人們的情緒、喜好、娛樂(lè)感、刺激感等，進(jìn)一步影響人們的行為，比如熒光燈的滾動(dòng)現(xiàn)象會(huì)使人產(chǎn)生疲勞甚至引起頭疼。另外，室外光環(huán)境的優(yōu)劣也會(huì)影響動(dòng)植物的生物鐘節(jié)律、生長(zhǎng)周期以及生態(tài)平衡等，比如人工照明對(duì)候鳥(niǎo)遷徙的影響、室外光污染會(huì)造成趨光性的昆蟲(chóng)“集體自殺”行為等[15-20]。

2)美觀性。良好的光環(huán)境應(yīng)當(dāng)與周?chē)h(huán)境的背景相協(xié)調(diào)。高質(zhì)量的室外光環(huán)境，能提高人對(duì)環(huán)境的認(rèn)識(shí)和理解。另外，要提高夜間光環(huán)境的美觀性，需要對(duì)光的色彩、形狀以及明暗程度等進(jìn)行合理的配置，使光環(huán)境與背景環(huán)境相統(tǒng)一。

3)經(jīng)濟(jì)性。隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，光環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展也成為評(píng)價(jià)光環(huán)境指標(biāo)之一。室外光環(huán)境的經(jīng)濟(jì)性包括照明或照明設(shè)計(jì)是否恰當(dāng)、是否采用節(jié)能措施。照明不合理和未采用節(jié)能措施會(huì)造成成本增加和資源浪費(fèi)等。

對(duì)于不同室外光環(huán)境的定量和定性指標(biāo)遠(yuǎn)不止于以上所提到的8種，如文獻(xiàn)[18]中得出了有關(guān)居住區(qū)量化指標(biāo)光侵害和光逸散的計(jì)算公式；文獻(xiàn)[21]中通過(guò)對(duì)平均注視持續(xù)時(shí)間、眨眼頻率、平均眨眼持續(xù)時(shí)間、平均心率、呼吸率的測(cè)量，使心理指標(biāo)量化；而對(duì)于非量化指標(biāo)也有視覺(jué)私密感、擁擠感、可識(shí)別性、道路引導(dǎo)性等其他指標(biāo)。

光環(huán)境評(píng)價(jià)中，定量指標(biāo)在不同光環(huán)境中基本相同，但其所占的權(quán)重不一定相等；定性指標(biāo)在量化處理過(guò)程中，需要根據(jù)光環(huán)境中的研究對(duì)象確定其量化方法。另外，在光環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立中，常采用樹(shù)狀結(jié)構(gòu)使評(píng)價(jià)體系層次化、系統(tǒng)化，但主層次和子層次的劃分處理較主觀，子層次間的信息易造成交叉重疊問(wèn)題，評(píng)價(jià)結(jié)果也不客觀。在樹(shù)狀評(píng)價(jià)體系的基礎(chǔ)上，可結(jié)合按某種功能或者發(fā)展方向把評(píng)價(jià)系統(tǒng)縱向分開(kāi)的模型，使得評(píng)價(jià)體系多層次、多系統(tǒng)。

2 室外光環(huán)境評(píng)價(jià)方法

室外光環(huán)境的評(píng)價(jià)是治理光污染研究的前提，根據(jù)評(píng)價(jià)方法的種類(lèi)數(shù)可將其分為兩類(lèi)：將單獨(dú)用一種模型的評(píng)價(jià)方法稱(chēng)為單一評(píng)價(jià)法；將兩種及其以上不同方法相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法稱(chēng)綜合評(píng)價(jià)法。常見(jiàn)的室外光環(huán)境的評(píng)價(jià)法共有九種方法，詳見(jiàn)圖2。

圖2 室外光環(huán)境評(píng)價(jià)方法分類(lèi)Fig.2 Classification of outdoor light environment assessment methods

2.1 單一評(píng)價(jià)法

1)層次分析法。層次分析法(AHP)是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家薩蒂于20世紀(jì)70年代提出，其基本原理是把復(fù)雜的問(wèn)題層次化，并對(duì)各個(gè)層次進(jìn)一步細(xì)化，最后形成一個(gè)樹(shù)狀遞階的多層次分析結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[18,20-25]運(yùn)用層次分析法研究居住區(qū)夜間光環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)，文獻(xiàn)[26]將該方法用于評(píng)價(jià)城市戶(hù)外LED顯示屏亮度，其基本思路：建立室外光環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)模型；構(gòu)造成對(duì)比矩陣；檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性；由判斷矩陣計(jì)算被比較的各層次指標(biāo)對(duì)于總目標(biāo)層的相對(duì)權(quán)重；計(jì)算各層的光環(huán)境指標(biāo)對(duì)于系統(tǒng)總目標(biāo)層的合成權(quán)重，并進(jìn)行總排序。

2)模糊評(píng)價(jià)法。模糊評(píng)價(jià)法(FCE)是將定性指標(biāo)通過(guò)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論定量化，然后綜合評(píng)價(jià)整個(gè)被評(píng)價(jià)目標(biāo)的隸屬度等級(jí)。文獻(xiàn)[27，28]用模糊綜合評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)建筑、地鐵光環(huán)境和居住區(qū)室外光環(huán)境等，其基本思路：建立光環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)因素集U；建立光環(huán)境評(píng)價(jià)集V；進(jìn)行單一光環(huán)境指標(biāo)評(píng)價(jià)，建立模糊矩陣R；確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)向量；模糊綜合評(píng)價(jià)。

3)灰色聚類(lèi)評(píng)價(jià)法?；疑到y(tǒng)的概念是我國(guó)鄧聚龍教授根據(jù)“灰箱”概念提出的，灰色聚類(lèi)是以灰色關(guān)聯(lián)矩陣或灰數(shù)的白化權(quán)函數(shù)為基礎(chǔ)，將一些觀測(cè)指標(biāo)或觀測(cè)對(duì)象劃分為若干個(gè)可定義類(lèi)別的方法。文獻(xiàn)[29-32]用該方法評(píng)價(jià)地鐵、草原公路、校園、住宅小區(qū)等的光環(huán)境，其基本思路：確定聚類(lèi)指標(biāo)的光環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)值矩陣Qji；確定評(píng)價(jià)灰類(lèi)；計(jì)算光環(huán)境指標(biāo)灰色評(píng)價(jià)系數(shù)；計(jì)算光環(huán)境指標(biāo)的評(píng)價(jià)權(quán)向量和權(quán)矩陣；綜合評(píng)價(jià)室外光環(huán)境；計(jì)算光環(huán)境指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)值。

4)主成分分析法。主成分分析法(PCA)是由卡爾(Karl)與皮爾遜(Pearson)于1901年提出的，其基本思想是通過(guò)指標(biāo)間的相互關(guān)系和降維思想，將多個(gè)指標(biāo)融合成包含數(shù)個(gè)原有指標(biāo)的主要信息的主要成分，從而降低指標(biāo)維度。文獻(xiàn)[33]利用主成分分析法評(píng)價(jià)草原道路光環(huán)境，其基本思路為：以光環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)造矩陣；標(biāo)準(zhǔn)化處理原始矩陣；求標(biāo)準(zhǔn)化后的原始矩陣的協(xié)方差矩陣；求協(xié)方差矩陣的特征值及其對(duì)應(yīng)的特征向量；計(jì)算各每個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率；以各個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率為權(quán)值，與主成分相乘，并計(jì)算其乘積之和，即為光環(huán)境基于指標(biāo)的得分。

5)物元可拓法。物元可拓法是我國(guó)蔡文教授于1983年創(chuàng)立的，其基本原理是以物元為基元建立模型并以物元可拓為依據(jù)，通過(guò)物元分析和可拓集合結(jié)合而進(jìn)行研究和解決問(wèn)題的方法。文獻(xiàn)[34-37]利用物元可拓原理對(duì)住宅小區(qū)、船舶夜航水域的光環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)，其基本思路：確定室外光環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)的經(jīng)典域和節(jié)域物元；確定待評(píng)物元；確定待評(píng)方案對(duì)不同等級(jí)的關(guān)聯(lián)度；通過(guò)計(jì)算公式確定指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算綜合關(guān)聯(lián)度；確定綜合評(píng)價(jià)等級(jí)。

6)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種多層前饋網(wǎng)絡(luò)模型，其中包括輸入層、隱含層、輸出層，基本原理是通過(guò)反復(fù)的正向傳播和反向傳播，不斷修改各層神經(jīng)元的權(quán)值使網(wǎng)絡(luò)總誤差最小化。文獻(xiàn)[38-40]將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法運(yùn)用到船舶夜航水域光環(huán)境、夜天空光環(huán)境、隧道照明光環(huán)境等領(lǐng)域進(jìn)行評(píng)價(jià)，其基本思路：光環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)模型結(jié)構(gòu)的建立(輸入輸出變量、確定隱含層單元數(shù)、激活函數(shù)等)；數(shù)據(jù)的歸一化和反歸一化；訓(xùn)練與仿真；BP網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)(權(quán)值和偏置的調(diào)整)。

單一評(píng)價(jià)法的前三種方法均能基于不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)室外光環(huán)境進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)，并能定量分析定性指標(biāo)，使評(píng)價(jià)指標(biāo)更加具體化。但是，它們具有的共同缺點(diǎn)是由于專(zhuān)家在專(zhuān)業(yè)和知識(shí)方面的差異，導(dǎo)致確定權(quán)重主觀性較強(qiáng)，并且評(píng)價(jià)指標(biāo)過(guò)多，評(píng)價(jià)過(guò)程繁瑣。通過(guò)對(duì)比分析后三種評(píng)價(jià)法優(yōu)缺點(diǎn)可知(見(jiàn)表1)，相對(duì)前三種評(píng)價(jià)方法減少了評(píng)價(jià)方法中的主觀依賴(lài)性和計(jì)算量，可將定量和定性指標(biāo)相結(jié)合進(jìn)行光環(huán)境的評(píng)價(jià)，使得評(píng)價(jià)結(jié)果更加直觀和準(zhǔn)確。但是，后三種方法都具有一定的局限性(見(jiàn)表1)，缺乏決策者的主觀意志，導(dǎo)致評(píng)價(jià)過(guò)程中缺少一定的定性分析，而且計(jì)算過(guò)程中必然會(huì)存在一定的誤差。

表1 室外光環(huán)境評(píng)價(jià)方法的優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Advantages and disadvantages of outdoor light environment quality evaluation methods

2.2 綜合評(píng)價(jià)法

1)基于AHP的多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)法?；贏HP的多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)法是把主觀評(píng)價(jià)法中的AHP和模糊綜合評(píng)價(jià)法所綜合。文獻(xiàn)[41-43]通過(guò)該方法對(duì)成都市府南河濱水空間的夜間光環(huán)境、西安某地鐵光環(huán)境質(zhì)量、天津市居住區(qū)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，其基本原理是通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)對(duì)評(píng)價(jià)體系進(jìn)行定量和定性分析，使整個(gè)評(píng)價(jià)更加科學(xué)、直觀、準(zhǔn)確，同時(shí)運(yùn)用AHP建立更加科學(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重集。該方法的基本思路：運(yùn)用AHP將所研究的問(wèn)題層次化，建立一個(gè)多層次的評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)；建立光環(huán)境評(píng)價(jià)體系和確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)間的權(quán)重；通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行排序；得出光環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果[44]。

2)基于克隆優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法?；诳寺?yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是通過(guò)克隆算法改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[38]將該方法應(yīng)用到海上光污染的評(píng)價(jià)，其基本原理是通過(guò)改進(jìn)克隆優(yōu)化算法確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的層數(shù)和隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)，同時(shí)通過(guò)靈敏度分析法選擇非線(xiàn)性尋優(yōu)的方向和尺度，減少迭代次數(shù)、提高搜索效率以及使全局最優(yōu)解的尋獲更容易。

3)灰色層次分析法?；疑珜哟畏治龇?GAHP)是將層次分析法與灰色系統(tǒng)理論相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法。文獻(xiàn)[45-47]將該方法應(yīng)用在住宅小區(qū)和山地城鎮(zhèn)建設(shè)光環(huán)境的評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果較理想，其基本原理是通過(guò)灰色理論評(píng)價(jià)法將層次分析法的主觀評(píng)價(jià)問(wèn)題量化。該方法的基本思路：建立光環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于每一個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的灰色聚類(lèi)函數(shù)，并確定評(píng)價(jià)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)隸屬度；AHP確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量；利用灰色理論計(jì)算總的隸屬度，評(píng)價(jià)光環(huán)境的優(yōu)劣。

顯然，綜合評(píng)價(jià)法可以很好地綜合不同評(píng)價(jià)法的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)單一評(píng)價(jià)法的不足，而且能很好到將定量和定性指標(biāo)相結(jié)合，從而對(duì)室外光環(huán)境有一個(gè)更加全面而系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。但是，每一種方法都具有一定的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，綜合評(píng)價(jià)法也具有所綜合方法中某單一評(píng)價(jià)方法的不足，詳見(jiàn)表1。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)室外光環(huán)境評(píng)價(jià)方法的研究，總結(jié)出室外光環(huán)境的評(píng)價(jià)方法共九種；分析了各種評(píng)價(jià)方法的基本原理、思路及其優(yōu)缺點(diǎn)，得出結(jié)論：①層次分析法、模糊評(píng)價(jià)法和灰色聚類(lèi)評(píng)價(jià)法較適用于定性指標(biāo)較多的光環(huán)境評(píng)價(jià)體系，可通過(guò)主觀賦權(quán)法將定性指標(biāo)定量化，便于對(duì)光環(huán)境的評(píng)價(jià)。但在定量分析定性指標(biāo)時(shí)，增加了評(píng)價(jià)結(jié)果主觀性；②主成分分析法、物元可拓和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法適用于需將定量指標(biāo)和定性指標(biāo)相結(jié)合的評(píng)價(jià)體系，可使評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確和直觀。但在評(píng)價(jià)過(guò)程中，缺乏一定的定性分析；③綜合評(píng)價(jià)法通過(guò)不同方法的結(jié)合，彌補(bǔ)了單一評(píng)價(jià)法在整個(gè)評(píng)價(jià)體系中有一定的局限性，但也引入了其綜合的某單一方法的不足。

另外，在光環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立的過(guò)程中，應(yīng)更加全面準(zhǔn)確地考慮光環(huán)境的量化和非量化指標(biāo)，并且指標(biāo)的篩選、指標(biāo)體系的構(gòu)建應(yīng)遵循一定的原則，符合客觀情況，使得評(píng)價(jià)體系多層次、系統(tǒng)化，并進(jìn)一步探索定性指標(biāo)的量化方法；將主、客觀不同賦權(quán)方法得出的權(quán)重加以組合進(jìn)行賦權(quán)的方法，有望平衡主客觀因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響；注重不同室外光環(huán)境所適應(yīng)的不同評(píng)價(jià)方法，同時(shí)對(duì)比、借鑒一些有關(guān)室內(nèi)光環(huán)境評(píng)價(jià)方法，盡可能建立兩種及以上方法的綜合評(píng)價(jià)模型，相互彌補(bǔ)各評(píng)價(jià)方法的不足，使評(píng)價(jià)結(jié)果更客觀、準(zhǔn)確；隨著光環(huán)境分析軟件的成熟和算法的發(fā)展，評(píng)價(jià)方法與軟件分析或算法綜合研究有望成為依據(jù)充分、結(jié)果更全面和準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)手段。在未來(lái)隨著評(píng)價(jià)方法的多元化，多媒體、AR以及GIS將應(yīng)用于室外光環(huán)境的評(píng)價(jià)，使得評(píng)價(jià)結(jié)果更加合理。