戶外LED電子屏亮度量化方法研究

張 一 凡

(北京工業(yè)大學(xué)城市照明規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所，北京 100022)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對美好生活的向往越來越高，人居生活環(huán)境(其中最具代表的便為夜間的生活環(huán)境)的品質(zhì)要求已經(jīng)成為美好生活的基礎(chǔ)和前提，目前城市照明標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)日漸完善，但隨著LED電子屏技術(shù)的迅速推廣，LED電子屏亮度標(biāo)準(zhǔn)略顯單薄，因此，為建設(shè)更為舒適的城市生活環(huán)境，減少夜間光污染對人生理和心理造成的危害，戶外LED電子屏亮度量化標(biāo)準(zhǔn)不可或缺。

目前我國現(xiàn)有的戶外LED電子屏亮度規(guī)范還未形成體系。由于戶外LED電子屏普及度的提高和面積的擴(kuò)大，戶外LED電子屏亮度已經(jīng)影響到城市人居環(huán)境，因此，針對戶外LED電子屏亮度標(biāo)準(zhǔn)與方法的分析與研究，對減少光污染的危害，保障人們的生理及心理需求都具有現(xiàn)實(shí)的社會意義。

1 城市亮度與環(huán)境

城市照明規(guī)劃分為功能照明和景觀照明，功能照明是為了滿足場所的功能需求而設(shè)計(jì)的照明，因此功能照明的標(biāo)準(zhǔn)是相對獨(dú)立的；而景觀照明指既有功能照明，又兼有藝術(shù)裝飾和美化環(huán)境功能的戶外照明，戶外LED電子屏則屬于廣告照明的一部分，因此，戶外LED電子屏的亮度與城市環(huán)境亮度有著直接的關(guān)系，屏幕的亮度要與城市環(huán)境亮度相協(xié)調(diào)，確定屏幕亮度首先要確定城市環(huán)境亮度。

《城市照明規(guī)劃控制指標(biāo)體系構(gòu)成研究》[1]曾對城市環(huán)境亮度的確定做過相應(yīng)方面的研究并得出了不同規(guī)模區(qū)域環(huán)境背景亮度的取值，彌補(bǔ)了此前國內(nèi)國外尚未規(guī)范給出的E1～E4區(qū)具體城市區(qū)域環(huán)境背景亮度對應(yīng)數(shù)值范圍[2]。筆者在此基礎(chǔ)上，將E1～E4四個(gè)區(qū)域內(nèi)的環(huán)境背景亮度范圍，遵從原文中劃分區(qū)域的比例關(guān)系1∶2∶4，劃分為三段以匹配三種城市規(guī)模，并取其中值作為該城市規(guī)模下該區(qū)域的背景環(huán)境亮度代表值，數(shù)值如表1所示。

2 傳統(tǒng)戶外廣告照明亮度與城市環(huán)境亮度的關(guān)系

在《城市戶外廣告照明設(shè)計(jì)研究》[3]中對戶外廣告照明設(shè)計(jì)進(jìn)行了科學(xué)的研究，并根據(jù)城市規(guī)模和亮度區(qū)域得出了廣告照明設(shè)計(jì)亮度的推薦值。戶外LED電子屏的亮度與其所設(shè)置的城市區(qū)域環(huán)境背景亮度有著緊密關(guān)系，區(qū)域環(huán)境亮度直接關(guān)系著戶外LED電子屏亮度值的確定，因此，筆者通過對前文中的城市環(huán)境亮度與戶外廣告照明設(shè)計(jì)亮度推薦值進(jìn)行擬合，以廣告面積10 m2以上時(shí)取值為例，數(shù)值如表2所示，試圖得出二者的對應(yīng)關(guān)系即計(jì)算公式。

表1 不同城市規(guī)模區(qū)域環(huán)境背景平均亮度取值

表2 不同城市規(guī)模區(qū)域環(huán)境背景平均亮度與戶外廣告照明設(shè)計(jì)亮度取值 cd/m2

本文利用KaleidaGraph軟件，首先選用下列拋物線標(biāo)準(zhǔn)方程進(jìn)行了數(shù)學(xué)擬合：

Y=1/2p×(X-h)2+k

(1)

擬合結(jié)果見式(2)，擬合曲線的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.99。當(dāng)廣告面積不小于10 m2時(shí)：

L=1/(2×0.310 31)×(Lh+7.55)2-3 299.12=
1/(2×0.310 31)×[(Lh+7.55)2-2 047.5]

(2)

其中，L為廣告照明亮度值，cd/m2；Lh為城市環(huán)境亮度，cd/m2；p=0.310 31。

計(jì)算值與標(biāo)準(zhǔn)值的誤差分布見表3，誤差值是按擬合公式的計(jì)算結(jié)果算出的，分析誤差分布可知，在環(huán)境亮度較小即中小規(guī)模城市的E1區(qū)的擬合結(jié)果中，誤差值偏移較大達(dá)20%，當(dāng)背景環(huán)境亮度增大后，在其余區(qū)域內(nèi)的擬合結(jié)果較為精確，根據(jù)CIE給出的E1區(qū)默認(rèn)為自然公園，保護(hù)區(qū)，對應(yīng)為城市的森林公園，保護(hù)區(qū)，不宜有照明建設(shè)的建議，該區(qū)域設(shè)置戶外LED電子屏的可能極小，且設(shè)置意義幾乎為0，因此公式將不對E1區(qū)域內(nèi)的背景環(huán)境亮度其取值。

表3 不同城市規(guī)模區(qū)域環(huán)境背景平均亮度與戶外廣告照明設(shè)計(jì)亮度取值及誤差

3 傳統(tǒng)戶外廣告照明亮度與廣告面積的關(guān)系

式(2)為屏幕面積在不小于10 m2的面積范圍內(nèi)，環(huán)境背景亮度與戶外廣告照明亮度的公式擬合；傳統(tǒng)戶外廣告按照面積劃分為：S>10 m2，10 m2～2 m2，2 m2～0.5 m2，S≤0.5 m2四個(gè)區(qū)間[4]，其中的亮度關(guān)系系數(shù)i為1∶1.5∶2∶2.5。因此，可以構(gòu)建關(guān)于擬合公式系數(shù)p與廣告照明面積S的關(guān)系表如表4所示。

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)則可以擬合出系數(shù)p與戶外廣告照明面積S的關(guān)系公式(3)：

p=0.012 3S+0.130 8 (R2=0.990 8)

(3)

其中，S為戶外廣告照明面積，m2。

表4 面積S與擬合式系數(shù)p關(guān)系表

將式(4)與式(2)相結(jié)合，則得到了含有兩個(gè)自變量即：環(huán)境背景亮度Lh與廣告照明面積S，關(guān)于廣告照明亮度L的擬合公式(4)：

(4)

其中，L為戶外廣告照明設(shè)計(jì)亮度值，cd/m2；Lh為城市環(huán)境亮度，cd/m2；S為戶外廣告照明面積，m2。

公式將城市背景環(huán)境亮度與城市照明規(guī)劃亮度的設(shè)計(jì)值以數(shù)學(xué)公式的思維建立聯(lián)系，試圖用數(shù)學(xué)的思維來思考規(guī)劃中的實(shí)際問題，尋找戶外LED電子屏亮度的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，填補(bǔ)了現(xiàn)階段LED電子屏亮度設(shè)計(jì)規(guī)范的不確定之處。

公式使用時(shí)考慮到CIE給出的E1區(qū)默認(rèn)為自然公園，保護(hù)區(qū)，對應(yīng)為城市的森林公園，保護(hù)區(qū)，不宜有照明建設(shè)的建議，不對E1區(qū)域的背景環(huán)境亮度進(jìn)行取值，取值范圍從E2區(qū)域開始(即0.128 cd/m2～2.00 cd/m2)，以符合該區(qū)域設(shè)置戶外LED電子屏的可能極小，且設(shè)置意義幾乎為零的實(shí)際情況。

4 結(jié)語

隨著LED電子屏技術(shù)的迅速發(fā)展，提升城市人居生活環(huán)境的品質(zhì)勢在必行，完善戶外LED電子屏亮度規(guī)范，通過LED電子屏亮度的深入研究構(gòu)建完善的城市照明規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，以滿足城市空間夜晚生態(tài)健康的發(fā)展需求。現(xiàn)有的戶外LED電子屏亮度標(biāo)準(zhǔn)多基于經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，標(biāo)準(zhǔn)較為單薄，因此，建立科學(xué)系統(tǒng)的戶外LED電子屏亮度標(biāo)準(zhǔn)，對保障人居環(huán)境，從而促進(jìn)城市向生態(tài)綠色發(fā)展意義重大。