羅臻擎，蘇 航，王卓力，楊 彪

(1.哈爾濱工業(yè)大學(深圳)建筑學院，廣東 深圳 518055；2.華潤置地有限公司，廣東 深圳 518057)

引言

隨著城市的夜間經(jīng)濟需求的飛速增長以及照明技術(shù)的不斷提升，城市夜間光環(huán)境逐漸趨向動態(tài)化，但其中部分缺乏指導管控的動態(tài)照明易造成城市光污染。光污染會對人類活動造成危害，包括生理影響(如視力下降[1]、提高患乳腺癌的風險[2]等)、心理影響(如造成抑郁、煩躁、厭倦等情緒[3])以及暗天空資源的破壞[4]。

雖然在光污染領(lǐng)域中，學者們對于靜態(tài)光污染的研究較為全面，但以動態(tài)光污染為對象的研究還比較匱乏。現(xiàn)有多數(shù)關(guān)于動態(tài)光的研究關(guān)注其對個體的影響，研究發(fā)現(xiàn)動態(tài)光模式相較于靜態(tài)光模式更易造成人體的不適感[5]，動態(tài)光會對人的活動造成包括生理(如褪黑素[6,7])以及心理的影響(警覺性[8,9]、疲勞度[10]、焦躁、抑郁[3]以及愉悅[11]等)。隨后在城市視角下學者們發(fā)現(xiàn)了動態(tài)光污染對人群的不同影響：Liu等[12]、孟瑩瑩等[13]發(fā)現(xiàn)頻閃動態(tài)在人群中造成的不利影響；劉鳴等[5]進一步發(fā)現(xiàn)燈光閃爍頻率越高，人們的不適感越強；汪亞江等[14]發(fā)現(xiàn)了動態(tài)光光色變化越快滿意度評價越低；于娟等[15]發(fā)現(xiàn)動態(tài)光光色因素對人的容忍度造成影響，且人對藍色紅色動態(tài)光的包容程度最小?，F(xiàn)有國內(nèi)外動態(tài)光污染對人群的影響研究相關(guān)文獻梳理并總結(jié)見表1，其中灰色標注出的是涉及到定量和動態(tài)參數(shù)的研究。

表1 已有城市動態(tài)光污染的研究Table 1 Past Studies on dynamic lighting pollution

目前，現(xiàn)有國內(nèi)規(guī)范與規(guī)劃對動態(tài)光的控制沒有統(tǒng)一的標準。其中，《城市夜間照明設(shè)計規(guī)范》(JGJ/T 163—2008)[16]和《室外照明干擾光限制規(guī)范》(DB11/T 731—2010)[17]以亮度為分級依據(jù)設(shè)置了媒體立面以及LED顯示屏的四級分級；2021年出臺的《深圳照明專項規(guī)劃》[18]中對動態(tài)光的限制僅有描述性語言(包括“以靜態(tài)照明為主，允許少量動態(tài)照明”等)。在適配城市建設(shè)用地的分類(分為8大類、35種類)進行照明規(guī)劃時略顯粗糙，難以適配城市建設(shè)用地的分類(分為8大類、35種類)，容易形成控制不足或過度管控，進而限制了城市的高質(zhì)量發(fā)展。

綜上所述，目前針對城市動態(tài)光污染的研究數(shù)量較少，且缺乏動態(tài)光污染影響的量化研究，科學依據(jù)不足以對城市動態(tài)光污染進行分級分類，難以形成可以指導城市規(guī)劃、建設(shè)和管理實踐的策略。

本研究以從照明參數(shù)的角度對城市動態(tài)光污染進行分級分類為目標，首先通過對深圳市羅湖區(qū)動態(tài)光環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)研，結(jié)合典型動態(tài)光參數(shù)的理論分類得出動態(tài)光的分類模式。然后通過對不同城市功能區(qū)中典型動態(tài)光環(huán)境的實驗室復現(xiàn)，以滿意度和可忍受閾值速度為變量開展實證實驗，并嘗試根據(jù)實驗結(jié)果給出一套動態(tài)光的精細化分級建議。

1 城市動態(tài)光污染的分類

為獲取城市動態(tài)光污染的基本分類，本研究采用實地調(diào)研法對深圳市羅湖區(qū)中的城市夜間動態(tài)照明現(xiàn)狀進行調(diào)研，結(jié)合城市動態(tài)照明的理論特征參數(shù)，歸納出動態(tài)光污染的基本分類，以作為后續(xù)實證實驗研究的基礎(chǔ)變量。

1.1 理論分類

動態(tài)光是某些參數(shù)(亮度、光譜、速度和變化方式等)隨時間動態(tài)變化的光。常見的動態(tài)光參數(shù)包括變化方式(突變/漸變，2種)、色彩類型(單色/彩色，2種)以及亮度模式(恒定亮度/變化亮度，2種)，根據(jù)以上三種動態(tài)光定性參數(shù)的排列組合，可以初步得到8(2×2×2=8)種理論分類，如表2所示。

表2 理論的動態(tài)光污染分類Table 2 Theoretical dynamic light pollution classification

1.2 調(diào)研方案

根據(jù)《深圳市照明專項規(guī)劃》[18]對羅湖區(qū)照明的劃分，選取深圳市羅湖區(qū)具有代表性的四個街區(qū)開展動態(tài)光調(diào)研，調(diào)研街道的選取如圖3所示。依據(jù)相關(guān)規(guī)范《LED顯示屏干擾光現(xiàn)場測量方法》(GB/T 34973—2017)[19]要求，首先通過距離換算法計算測點位置以保證測量結(jié)果的準確性。為記錄動態(tài)光的完整信息，調(diào)研全程使用錄像設(shè)備記錄光源的變化過程。本次調(diào)研使用KM LS-150手持亮度計，在一個變化周期內(nèi)對光源進行多點測量，每個光源測量5次取平均值。

表3 深圳市羅湖區(qū)動態(tài)光調(diào)研街道的選取Table 3 Selection of target streets for dynamic lighting survey in Luohu District,Shenzhen

1.3 實際分類

調(diào)研過程中共計發(fā)現(xiàn)了61組動態(tài)光，通過對調(diào)研對象動態(tài)光變化參數(shù)進行提取，并根據(jù)上述8種理論分類對其進行歸類，進一步完善對城市動態(tài)光的分類。調(diào)研對象的歸類結(jié)果如表4所示，每行中僅展示3個具有代表性的動態(tài)光圖片。

表4 實際調(diào)研中動態(tài)光及其動態(tài)特征的歸類結(jié)果Table 4 Results of classification on dynamic lighting and its feature in the field survey

對調(diào)研結(jié)果進行梳理歸納后，發(fā)現(xiàn)動態(tài)光的理論分類與實際分類并不完全一致。實際動態(tài)光分類如表5所示。漸變單色變亮度動態(tài)光在實際調(diào)研中一例也未出現(xiàn)，另外，在實際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)了一類理論分類中沒有包含的動態(tài)光，此類動態(tài)光的共性特征是周期性播放的媒體里面，其亮度變化并不明顯(某一時刻的實際亮度由具體畫面決定)，暫且命名為周期動畫光。

表5 深圳市羅湖區(qū)調(diào)研中實際動態(tài)光的分類Table 5 Fieldphotos and dynamic features from the survey

2 動態(tài)光精細化分級實證實驗

通過調(diào)研獲取城市動態(tài)光特征參數(shù)及其初步分類后，本研究進一步采用控制變量法，在實驗室內(nèi)對城市功能區(qū)與典型動態(tài)光進行場景復現(xiàn)，探究各城市功能區(qū)中不同動態(tài)光對滿意度以及動態(tài)光可忍受閾值速度的影響，擬以此結(jié)果作為城市動態(tài)光污染的分級依據(jù)。

2.1 光環(huán)境的評價方法

動態(tài)光在各個功能區(qū)的心理影響可以劃分為兩種路徑，一種是對動態(tài)光的正向評價(Positive Evaluation)，另一種是對動態(tài)光的負向評價(Negative Evaluation)。本研究在確定因變量是將兩者結(jié)合起來使用，正向評價采用滿意度評價，其結(jié)果可以挖掘動態(tài)光的優(yōu)勢，提高動態(tài)光的控制的精確程度。

本研究提出以可忍受速度閾值作為負向評價的指標，讓志愿者自主調(diào)節(jié)動態(tài)光變化的速度并記錄其閾值?？扇淌荛撝邓俣仁侵溉怂苋淌艿淖畲髣討B(tài)光變化速度，通過速度數(shù)值來反映人對動態(tài)光的忍耐能力，可忍受閾值速度的結(jié)果可以探索出動態(tài)光的干擾，有助于厘清負面清單。

2.2 實驗準備

2.2.1 變量選取

由于城市商業(yè)區(qū)、開放區(qū)、居住區(qū)與生態(tài)區(qū)為夜間動態(tài)照明的主要分布區(qū)域，因此本實驗將對上述功能區(qū)逐一進行研究。由于實驗條件受限，無法完全模擬全部的8種動態(tài)光，本研究采用超大屏幕顯示器作為模擬動態(tài)光源，不具備還原周期變化動態(tài)光以及呼吸變化動態(tài)光的條件，所以本研究不考慮這三類典型動態(tài)光類型：周期性動畫、漸變彩色變亮度動態(tài)光和突變彩色變亮度光。

本實驗的自變量為城市功能區(qū)與典型動態(tài)光。其中，城市功能區(qū)共4種，包括商業(yè)區(qū)、開放區(qū)、居住區(qū)與生態(tài)區(qū)；典型動態(tài)光共5種，包括漸變單色變亮度動態(tài)光、突變單色變亮度動態(tài)光、漸變彩色變亮度動態(tài)光、突變彩色變亮度動態(tài)光以及突變單色恒定亮度動態(tài)光(圖1)，并設(shè)置高、中、低三種平均亮度，共得到11種動態(tài)光模式 (表6)。

表6 實驗自變量所采用的11種動態(tài)光模式Table 6 Eleven dynamic lighting modes as independent variable

圖1 實驗中設(shè)置的5`類典型動態(tài)光變化模式示意圖Fig.1 Diagram showing the five dynamic light modes adopt in the experiment

2.2.2 實驗步驟

本次實驗選取在校學生共計14名作為志愿者，其中男女各7人，年齡分布均在18～28歲的范圍之內(nèi)。所有志愿者均無色盲色弱情況，且視力及矯正視力均正常。實驗場地選擇在哈爾濱工業(yè)大學(深圳)建筑學院城市規(guī)劃分析與仿真重點實驗室，該實驗室是一個內(nèi)部封閉且能夠有效防止其他光源干擾的暗室。實驗將1.5 m×3 m的顯示屏作為光源模擬典型動態(tài)光，以5 m×10 m的幕布投影實現(xiàn)城市各功能區(qū)場景復現(xiàn)，實驗現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 實驗現(xiàn)場圖(左側(cè)投影模擬城市功能區(qū)變量，右側(cè)顯示器模擬動態(tài)光變量)Fig.2 Experimental setting diagram (projector on the left simulates functional urban area,and the right display simulates dynamic lighting modes)

實驗由14名志愿者參與，每位志愿者需要經(jīng)歷4個功能區(qū)場景，每一個功能區(qū)場都對應11個動態(tài)光模式，共計44個實驗單元和616組數(shù)據(jù)，每人實驗總持續(xù)時間為1.5～2 h。以一個實驗單元(約3 min)為例對實驗的具體流程描述如下：

(1)實驗開始前志愿者首先進行5 min的暗適應；(2)場景沉浸：在5 m×10 m的幕布上投放城市功能區(qū)的實景照片并維持30 s，使志愿者充分沉浸于場景中；(3)動態(tài)光播放：在1.5 m×3 m的顯示器屏幕上播放預設(shè)動態(tài)光，以復現(xiàn)城市中的典型動態(tài)光模式；(4)問卷收集：志愿者在動態(tài)光場景中填寫滿意度調(diào)查問卷(共17題)；(5)動態(tài)光可忍受閾值速度測量：志愿者通過自主調(diào)節(jié)動態(tài)光播放速度，將顯示器上的動態(tài)光調(diào)節(jié)至可忍受的最大速度臨界值，由實驗人員對其進行記錄。

2.3 實驗結(jié)果

2.3.1 各城市功能區(qū)中動態(tài)光的影響

各實驗條件下的數(shù)據(jù)結(jié)果匯總?cè)绫?所示，將四個動態(tài)光參數(shù)(變化方式、色彩模式、亮度變化參數(shù)以及平均亮度參數(shù))在四個功能區(qū)(生態(tài)區(qū)、居住區(qū)、開放區(qū)以及商業(yè)區(qū))內(nèi)的滿意度值和可忍受閾值速度值進行算數(shù)平均數(shù)處理。實驗結(jié)果的單位均無量綱，其中滿意度采用7分制(7分表示最滿意，1分表示最不滿意)，可忍受閾值速度采用視頻倍速表示(0.1表示最慢播放速度，3表示最快播放速度)，可忍受閾值速度越高表示人對動態(tài)光的忍耐極限越高。

表7 各實驗條件下的數(shù)據(jù)結(jié)果匯總Table 7 Summary of experimental data under all conditions

根據(jù)分級分類的研究目標，實驗結(jié)果首先應關(guān)注不同功能區(qū)之間的配對對比。表8為四種功能區(qū)之間的動態(tài)光滿意度兩兩配對t檢驗結(jié)果，用于判斷各動態(tài)光在不同功能分區(qū)影響滿意度的顯著性差異情況。

表8 四種功能區(qū)之間的動態(tài)光滿意度兩兩配對t檢驗結(jié)果Table 8 Paired t-test results of the dynamic light on satisfaction between each functional areas

結(jié)果表明：1)漸變動態(tài)光影響下的滿意度值在生態(tài)區(qū)顯著低于開放區(qū)(p=0.015)和商業(yè)區(qū)(p=0.003)，且居住區(qū)對應值顯著低于開放區(qū)(p=0.031)和商業(yè)區(qū)(p=0.012)；2)突變動態(tài)光影響下滿意度值在生態(tài)區(qū)處顯著低于居住區(qū)(p=0.026)、開放區(qū)(p=0.033)和商業(yè)區(qū)(p=0.006)；3)黑白動態(tài)光影響下滿意度數(shù)據(jù)在生態(tài)區(qū)顯著低于開放區(qū)(p=0.039)和商業(yè)區(qū)(p=0.003)，且居住區(qū)對應數(shù)值顯著低于商業(yè)區(qū)(p=0.006)；4)恒亮動態(tài)光影響下滿意度值在居住區(qū)顯著低于商業(yè)區(qū)(p=0.045)，變亮度動態(tài)光影響下滿意度值在保護區(qū)顯著低于開放區(qū)(p=0.031)和商業(yè)區(qū)(p=0.006)，且居住區(qū)對應值顯著低于商業(yè)區(qū)(p=0.004)；5)低亮動態(tài)光影響下滿意度值在居住區(qū)顯著低于開放區(qū)(p=0.033)和商業(yè)區(qū)(p=0.006)。中亮動態(tài)光影響下滿意度值在生態(tài)區(qū)顯著低于居住區(qū)(p=0.029)、開放區(qū)(p=0.018)以及商業(yè)區(qū)(p=0.014)。

綜上所述，動態(tài)光在四種功能區(qū)內(nèi)造成的光環(huán)境滿意度影響存在顯著差異，動態(tài)光造成滿意度影響的數(shù)據(jù)結(jié)果總結(jié)如下：動態(tài)光對生態(tài)區(qū)滿意度的影響最強，居住區(qū)其次，開放區(qū)與商業(yè)區(qū)相近。因此，生態(tài)區(qū)應該避免設(shè)置動態(tài)光，但恒定亮度動態(tài)光對生態(tài)區(qū)光環(huán)境滿意度的影響較小，必要的動態(tài)光可采取恒定亮度的動態(tài)光；居住區(qū)應該控制動態(tài)光的變化方式、色彩類型與亮度模式，但可允許動態(tài)光的平均亮度有較大的控制范圍。

表9為四種功能區(qū)之間的動態(tài)光可忍受閾值速度兩兩配對t檢驗結(jié)果，用于判斷各動態(tài)光在不同功能分區(qū)影響可忍受閾值速度的顯著性差異情況。

表9 四種功能區(qū)之間的動態(tài)光可忍受閾值速度兩兩配對t檢驗結(jié)果Table 9 Paired t-test results of the dynamic light on tolerable speed threshold between each functional areas

結(jié)果表明：1)在漸變動態(tài)光影響下可忍受閾值速度對應的數(shù)值在生態(tài)區(qū)顯著低于居住區(qū)(p=0.005)、開放區(qū)(p=0.001)以及商業(yè)區(qū)(p<0.001)，突變動態(tài)光影響下可忍受閾值速度對應的數(shù)值在生態(tài)區(qū)顯著低于開放區(qū)(p<0.001)和商業(yè)區(qū)(p<0.001)，在開放區(qū)的值顯著小于商業(yè)區(qū)(p=0.027)；2)黑白動態(tài)光的影響下可忍受閾值速度對應的數(shù)值在生態(tài)區(qū)顯著低于居住區(qū)(p=0.004)、開放區(qū)(p=0.014)以及商業(yè)區(qū)(p=0.001)，彩色動態(tài)光的影響下動態(tài)光速度值在生態(tài)區(qū)顯著低于開放區(qū)(p=0.003)和商業(yè)區(qū)(p=0.004)；3)變亮度動態(tài)光的影響下動態(tài)光速度值在生態(tài)區(qū)顯著低于開放區(qū)(p=0.036)和商業(yè)區(qū)(p=0.001)；4)三種平均亮度影響下可忍受閾值速度對應的數(shù)值值均呈現(xiàn)出，生態(tài)區(qū)顯著低于居住區(qū)(低亮p=0.034，中亮p=0.044)、開放區(qū)(低亮p=0.003，中亮p=0.013，p=0.003)以及商業(yè)區(qū)(中亮p=0.001，高亮p=0.004)。

綜上所述，動態(tài)光在四種功能區(qū)內(nèi)造成的可忍受閾值速度影響存在顯著差異，造成的影響結(jié)果匯總?cè)缦拢簞討B(tài)光在生態(tài)區(qū)內(nèi)形成的可忍受閾值速度的影響最強，居住區(qū)其次，開放區(qū)與商業(yè)區(qū)相近。因此，生態(tài)區(qū)應該避免設(shè)置動態(tài)光，但恒定亮度動態(tài)光在生態(tài)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的可忍受閾值速度的影響較??；開放區(qū)中突變動態(tài)光對可忍受閾值速度的影響較大。

2.3.2 動態(tài)光參數(shù)之間的影響對比

根據(jù)實驗所得動態(tài)光參數(shù)在特定功能區(qū)內(nèi)造成的影響(滿意度或可忍受閾值速度)是否有顯著差異，可以判斷該參數(shù)對人影響的敏感度，并以此作為分級的依據(jù)。

如表10所示，對于四個功能區(qū)內(nèi)的滿意度值來說，變化方式對全部四個功能區(qū)來說均有顯著性影響，色彩類型和亮度模式對三個功能區(qū)有顯著性影響，而平均亮度僅在兩個功能區(qū)有顯著性差異，其中商業(yè)區(qū)的p值為0.042，非常接近0.05的顯著性閾值。

表10 動態(tài)光參數(shù)在各個分區(qū)中的滿意度的差異顯著性Table 10 Significant difference of tolerable threshold speed and satisfaction of dynamic light parameters

如表11所示，對于四個功能區(qū)內(nèi)的可忍受閾值速度來說，變化方式對全部四個功能區(qū)來說均有顯著性影響，色彩類型和亮度模式對三個功能區(qū)有顯著性影響，而平均亮度對全部四個功能區(qū)來說均無顯著性影響。

表11 動態(tài)光參數(shù)在各個分區(qū)中對可忍受閾值速度影響的差異顯著性Table 11 Significant difference of tolerable threshold speed and satisfaction of dynamic light parameters

根據(jù)表10和表11，可以大致得到動態(tài)光參數(shù)對人影響大小的排序：變化方式>色彩類型>亮度模式，平均亮度并無影響。為了進一步確認各動態(tài)光參數(shù)具體類型的光污染情況，需要將其對滿意度和可忍受閾值速度的影響分別進行統(tǒng)計檢驗，結(jié)果如表12所示。其中滿意度和可忍受閾值速度的平均值越高，說明該動態(tài)光所造成的光污染的程度越低。由此可得出三種參數(shù)排列組合下的動態(tài)光污染程度的排序。例如，當亮度模式為“變化亮度”時，滿意度和可忍受閾值速度均為最低；當變化方式為漸變時，滿意度和可忍受閾值速度均為最高。

由表12可以看出，對于滿意度和可忍受閾值速度來說，突變的動態(tài)光變化方式比漸變的動態(tài)光變化方式會造成更嚴重的光污染，變化亮度的動態(tài)光亮度模式比恒定亮度的動態(tài)光亮度模式會造成更嚴重的光污染。但對色彩類型來說，雖然彩色動態(tài)光的滿意度明顯更高，但其可忍受閾值速度卻更低，并無一致性的結(jié)論?？赡苁且驗槿藗儗討B(tài)光的豐富色彩會更滿意，但對其變化速度也更為敏感。因此對動態(tài)光分級來說，只考慮變化方式和亮度模式這兩個有一致性結(jié)論的動態(tài)光參數(shù)，暫不考慮對色彩類型進行等級區(qū)分。

表12 動態(tài)光分級參數(shù)的可忍受閾值速度與滿意度值Table 12 Tolerable threshold speed and satisfaction value of rating parameters

3 動態(tài)光分級討論

綜合上述動態(tài)光對滿意度和可忍受閾值速度影響能力大小的統(tǒng)計分析可知：對于動態(tài)光來說，變化方式、色彩類型和亮度模式三個參數(shù)是造成動態(tài)光污染的主要因素。其對光污染程度的影響排序是：變化方式最大，色彩類型次之，亮度模式再次。具體到三個動態(tài)光參數(shù)的變量時，色彩類型對滿意度和可忍受閾值速度的影響并無一致結(jié)論。對于變化方式和亮度模式的四個組合來說，其光污染程度的大小排序為變化亮度>突變>恒定亮度>漸變，這個由實證實驗結(jié)果分析得出的排序，可以作為確定動態(tài)光污染分級的科學證據(jù)。

除了“變化方式(突變和漸變)”和“亮度模式(變化亮度和恒定亮度)”之外，對與平時和節(jié)假日兩種模式的區(qū)分使用已成為照明行業(yè)內(nèi)的共識，在動態(tài)光的分級中也可以作為進一步精細化分級的指標。由此可以將動態(tài)光從“禁止設(shè)置任何形式的動態(tài)光”到“對動態(tài)光不做限制”進行精細化的9級分級，具體分級和控制要求如表13所示。

表13 城市夜間光環(huán)境中動態(tài)光的9級分級及其控制要求Table 13 Hierarchical classification and control requirement of dynamic light in urban lit environment at nighttime

4 結(jié)論與展望

本研究以從照明規(guī)劃的角度對城市夜間動態(tài)光污染進行分級分類為主要目標，先對深圳市羅湖區(qū)動態(tài)光環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)研，結(jié)合典型動態(tài)光參數(shù)的理論分類，得到8種動態(tài)光的分類模式。然后通過對不同城市功能區(qū)中典型動態(tài)光環(huán)境的實驗室復現(xiàn)，以滿意度和可忍受閾值速度為變量開展實證實驗。

實驗結(jié)果表明，變化方式、色彩類型和亮度模式三個參數(shù)是造成動態(tài)光污染的主要因素，其對光污染程度的影響排序是：變化方式>色彩類型>亮度模式。通過對三個動態(tài)光參數(shù)具體變量的分析，發(fā)現(xiàn)色彩類型對滿意度和可忍受閾值速度的影響并無一致結(jié)論，而對于變化方式和亮度模式的四個組合來說，其動態(tài)光污染程度的大小排序為：變化亮度>突變>恒定亮度>漸變。

最后，綜合調(diào)研和實驗結(jié)果，結(jié)合已有照明規(guī)劃對節(jié)假日模式的考慮，得到了一套動態(tài)光的精細化分級(9級)。研究結(jié)果可以為城市規(guī)劃和城市管理部門對光污染分級管控提供依據(jù)和參考。

本研究中所使用的動態(tài)光模擬設(shè)備的亮度控制范圍有限，后續(xù)研究可以在動態(tài)光源種類、動態(tài)光參數(shù)范圍和動態(tài)變化速度的精細化設(shè)置上進行改進。