基于地理信息系統(tǒng)的城市夜間光污染的可視化

劉 鳴，郝慶麗，李維珊，楊鑫鑫，郭曉煒

(大連理工大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116024)

引言

夜間光污染已經(jīng)成為城市建設(shè)中亟待解決問題之一，它嚴(yán)重影響了天文觀測、人身健康和生態(tài)平衡[1]，同時(shí)還造成了大量社會(huì)資源的浪費(fèi)。根據(jù)現(xiàn)有研究的發(fā)現(xiàn)，城市夜間光污染和城市的照明規(guī)劃有著密切的關(guān)系，同時(shí)它還受到月相、云層、空氣質(zhì)量等天文氣象等因素的影響[2-5]。此外，因?yàn)楣庠诳臻g的傳播方式，使得城市整體空間的光污染分布實(shí)際相互影響，但同時(shí)由于城市各功能區(qū)域照明規(guī)劃設(shè)計(jì)不同，因此區(qū)域光污染在空間分布中實(shí)際又存在明顯差異性，而根據(jù)衛(wèi)星圖像建立的光污染可視化圖像通常只能顯示夜天空單一層面的光污染分布情況，因此，對(duì)城市光污染可視化分布就需要結(jié)合城市地表的觀測數(shù)據(jù)。

因此，本文根據(jù)城市夜間光環(huán)境分布特性的研究，將城市空間的可視化劃分了層次，并結(jié)合光污染地理信息，對(duì)光污染分布進(jìn)行可視化方法的探討，以及利用大連市西安路區(qū)域的調(diào)研數(shù)據(jù)，進(jìn)行光污染的初步可視化模型建立。

1 城市光污染可視化的意義

光污染可視化表達(dá)是一種能夠直觀表現(xiàn)城市不同情況的光污染嚴(yán)重程度手段，它能夠形象地將光污染通過不同形式表現(xiàn)出來，從而幫助人們更好地認(rèn)識(shí)和了解光污染，能更好地用于光污染防治的宣傳中。此外，光污染的可視化表達(dá)研究，還可以結(jié)合城市照明規(guī)劃體系，直觀反映各種城市功能規(guī)劃下光污染的分布情況，為城市整體的生態(tài)照明設(shè)計(jì)提供規(guī)劃依據(jù)以及改善思路。另外，光污染的可視化還能夠形象地反應(yīng)城市發(fā)展進(jìn)程、人口密度等，從而能夠研究城市化進(jìn)程，如徐夢(mèng)潔等[6]利用1998年、2003年和2008年DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)，通過結(jié)合相應(yīng)城市統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并將其進(jìn)行可視化表達(dá)，分析了長江三角洲地區(qū)的城市化進(jìn)程。因此城市光污染的可視化對(duì)城市光污染對(duì)城市影響、城市活動(dòng)與光污染關(guān)系等研究有著重大意義。

城市光污染地圖是現(xiàn)有光污染可視化的主要方式，主要是以城市夜天空衛(wèi)星圖像基礎(chǔ)，把城市夜天空亮度為研究對(duì)象，利用GIS等技術(shù)手段，對(duì)光污染的分布情況進(jìn)行可視化的研究[6-9]。此外，部分學(xué)者通過地面觀測法、鳥瞰觀測法等得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)對(duì)衛(wèi)星圖形處理得到的光污染地圖進(jìn)行校正，從而建立較為準(zhǔn)確的光污染可視化地圖，將光污染的可視化更精確地表達(dá)出來，如蘇曉明等[10]通過地面測星，對(duì)衛(wèi)星圖像灰度處理得到的呼和浩特光污染分布圖進(jìn)行了校正。這些光污染的可視化表達(dá)，均為后續(xù)的光污染研究、城市規(guī)劃等提供了重要依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

2 城市光污染與地理信息系統(tǒng)的結(jié)合

光污染的空間分布特性與城市照明規(guī)劃照明密切相關(guān)，通過技術(shù)手段將光污染與城市的地理信息系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，并進(jìn)行可視化表現(xiàn)，比如將光污染與城市照明、城市功能、城市建設(shè)等結(jié)合，能夠更加形象表現(xiàn)光污染區(qū)域分布情況，使光污染在城市分布情況更加精確，更高的分辨率，更能為后續(xù)的城市建設(shè)提供更加精確的實(shí)際性的數(shù)據(jù)支持和提供重要指導(dǎo)作用[11-14]。

1)必要性分析。城市光污染是由不當(dāng)?shù)某鞘姓彰饕?guī)劃引起的，其嚴(yán)重程度與區(qū)域距光源距離、照明總量均息息相關(guān)，因此對(duì)光污染的監(jiān)控和防治都需要建立在城市照明基礎(chǔ)上。近年來，研究與控制光污染已成為國際學(xué)術(shù)界特別關(guān)注的涉及全球環(huán)境的學(xué)術(shù)問題，和國際研究平臺(tái)相比，我國光污染可視化分布研究仍處于較淺的研究階段[15，16]?，F(xiàn)有的光污染可視化多是停留在對(duì)天空光衛(wèi)星圖像亮暗、等級(jí)、與人口的關(guān)系上，但城市整體空間中各層次的光環(huán)境是存在差異性和關(guān)聯(lián)性，僅關(guān)注天空發(fā)亮很難清晰、真實(shí)反映城市內(nèi)部光環(huán)境的發(fā)展情況[17，18]。因此將夜間光污染作為地理信息的空間屬性，利用地理信息系統(tǒng)進(jìn)行分析、表現(xiàn)和存儲(chǔ)，使現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)和地理信息相互結(jié)合，建立夜間光污染空間分布特性的可視化模型，從而為光污染的進(jìn)一步研究以及應(yīng)用于照明規(guī)劃上的防治問題提供預(yù)測性幫助。并且，這種將有關(guān)光污染的大量數(shù)據(jù)資料的定量分析通過地理信息系統(tǒng)轉(zhuǎn)向城市可視化研究方法，在地方、區(qū)域和全球等尺度上都具有一定應(yīng)用價(jià)值。

2)可行性分析。經(jīng)過多年的發(fā)展，地理信息系統(tǒng)已逐步成為較為成熟的技術(shù)，已經(jīng)擁有較大的前期基礎(chǔ)和其他學(xué)科領(lǐng)域的實(shí)用性研究成果。在地理信息系統(tǒng)中，不僅可以將地理數(shù)據(jù)通過符號(hào)化、圖像化進(jìn)行尺寸、色彩、紋理等進(jìn)行形式劃分的可視化表現(xiàn)，還可以通過科學(xué)計(jì)算將各種模型處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化表達(dá)。此外，它還能進(jìn)行地理信息可視化的查詢，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，還能通過空間分析方法將地理現(xiàn)象進(jìn)行可視化描述。并且隨計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等技術(shù)發(fā)展和完善，這些特點(diǎn)均為促進(jìn)城市夜間光污染作為空間地理信息進(jìn)行可視化表達(dá)提供了可行性。

另外，城市照明規(guī)劃也開展了地理信息系統(tǒng)研究，進(jìn)一步為光污染空間可視化應(yīng)用提供可行性。此外，部分外國學(xué)者也開始研究利用城市地理信息系統(tǒng)進(jìn)行光污染分布可視化的表達(dá)，并得到了初步的結(jié)果。

3 城市光污染的可視化方法及應(yīng)用

3.1 可視化的表達(dá)方法

經(jīng)過相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)光在空間是具有瑞利散射和米氏散射兩種主要傳播方式，城市地表層也具有對(duì)光反射的作用，從而造成光污染具有遠(yuǎn)離光源、影響范圍廣等特點(diǎn)，也使得不同城市空間層次中的光污染分布特性存在差異，因此在基于地理信息系統(tǒng)技術(shù)上，對(duì)光污染分布可視化是根據(jù)城市空間層次進(jìn)行的[19]。根據(jù)城市空間光環(huán)境的分布特點(diǎn)，將城市空間分為地表層、城市冠層(中空)、城市夜空層(天頂)三個(gè)層次，分別對(duì)空間光污染分布可視化表達(dá)進(jìn)行研究。在不同層次中，分別進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查、物理測量、數(shù)值分析、二維圖像數(shù)字化處理分析、分子吸收光譜理論、地理信息系統(tǒng)、遙感技術(shù)、環(huán)境監(jiān)測等方法建立相應(yīng)的有關(guān)光污染的信息數(shù)據(jù)庫，以便利用地理信息系統(tǒng)可視化的表達(dá)。

總體而言，光污染分布可視化過程大致分為四部分，依次是空間信息庫的建立、空間模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、光色地理信息耦合和分布模型可視化，從而使光污染能夠與地理信息系統(tǒng)結(jié)合，不僅能夠?qū)Τ鞘幸归g光污染情況進(jìn)行可視化表達(dá)，得到光污染等級(jí)和評(píng)價(jià)系統(tǒng)情況，還能夠結(jié)合光污染觀測方法進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，方便相應(yīng)的研究及數(shù)據(jù)的可利用和可操作性，并能夠結(jié)合光污染評(píng)價(jià)系統(tǒng)，為光污染評(píng)價(jià)和防治提供策略。

1)空間信息數(shù)據(jù)庫的建立。空間信息數(shù)據(jù)庫主要由地理信息、空間信息、光污染信息、氣象信息等與光污染有關(guān)數(shù)據(jù)組成，通過實(shí)地調(diào)研、氣象網(wǎng)站數(shù)據(jù)、地理信息網(wǎng)站等途徑獲得。其中地理信息包括城市土地使用類型、城市建筑分布、地表表面反射率、人工照明設(shè)施；空間信息以城市大氣顆粒物分布為主；光污染信息主要表現(xiàn)為城市空間光環(huán)境的亮度、色溫、色度、照度等光污染評(píng)價(jià)和表現(xiàn)參數(shù)；氣象信息包括天氣狀況、月相為主，其中氣象狀況主要選擇云層分布、雨雪、溫濕度、可見度等對(duì)光污染會(huì)產(chǎn)生影響的數(shù)據(jù)。

2)空間模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換?？臻g信息數(shù)據(jù)庫主要用于空間模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。針對(duì)城市區(qū)域各空間信息，通過聚類分析、層次分析、主成分分析等方法，通過地理信息系統(tǒng)軟件(如GIS、GPS/INS)和數(shù)據(jù)分析軟件(如SPSS、Matlab)等建立各信息數(shù)據(jù)之間的關(guān)系模型。根據(jù)數(shù)據(jù)模型，結(jié)合實(shí)測，建立光地理信息空間分布模型。該轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的作用主要為后期監(jiān)測的光信息和地理信息進(jìn)行疊加整合做準(zhǔn)備，其中地理信息主要包括區(qū)域地形、建筑模型、土地利用矢量數(shù)、光源設(shè)置(包括數(shù)量、位置、高度等信息)等基本信息。

3)光色地理信息耦合。通過對(duì)空間模型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，將光信息和地理信息進(jìn)行耦合，即將實(shí)測的光污染有關(guān)信息加載如地理信息中，初步建立表層、冠層、夜空層的光污染分布模型。其中夜空層主要建立星等分布圖、光亮度分布圖、光譜能量圖，在此基礎(chǔ)上將會(huì)加載氣象數(shù)據(jù)、顆粒物分布數(shù)據(jù)；冠層主要以亮度分布圖為主；地表層主要以室外光源信息圖、亮度分布圖、照度分布圖、光譜能量圖等為主。

4)光污染分布模型可視化?；谇捌谘芯炕A(chǔ)，利用地理信息系統(tǒng)相關(guān)處理軟件，在地理信息基礎(chǔ)上，逐層疊加光污染信息，建立含有空間信息的光污染可視化表達(dá)。在可視化表達(dá)過程中，主要是前期耦合的空間層次光污染分布模型進(jìn)行逐層疊加，從而建立整體空間下的，從微觀、中觀、宏觀的光污染分布的二維及三維的可視化表達(dá)模型，為城市夜間管理和規(guī)劃提供良好評(píng)價(jià)依據(jù)。

3.2 大連市西安路光污染的可視化案例

本文光污染可視化分布的探討主要是如何將光污染與城市地理信息結(jié)合，從而建立整體區(qū)域的光污染可視化的分布。因此，以大連市沙口河區(qū)的西安路作為研究對(duì)象，對(duì)該地區(qū)分別進(jìn)行了天空星等亮度、地面照度、地面色溫等光環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，觀測方法如圖1所示。其中0°～45°主要以星等亮度觀測為主，分層次對(duì)天空進(jìn)行了360°環(huán)形觀測，并通過層次觀測值平均處理的方式，得到了該層次平均星等亮度值。

圖1 城市空間光環(huán)境觀測方法Fig.1 The observation method of urban spatial light environment

西安路是大連市典型商業(yè)居住結(jié)合區(qū)域，因此在實(shí)地調(diào)研中，分別選取了商業(yè)區(qū)和居住區(qū)的典型地點(diǎn)進(jìn)行了觀測，觀測點(diǎn)的分布如圖2所示，而區(qū)域的城市功能分布如圖3所示。

圖2 西安路觀測點(diǎn)分布Fig.2 The distribution of observation points on Xi’an Road

圖3 西安路觀測區(qū)域功能分區(qū)Fig.3 The functional division of observation area on Xi’an Road

通過對(duì)該區(qū)域?qū)嵉卣{(diào)研數(shù)據(jù)的整理分析，得到了如表1所示的區(qū)域觀測點(diǎn)的空間光環(huán)境數(shù)據(jù)庫信息，其中光信息數(shù)據(jù)主要包含星等亮度、地面照度、地面色溫。通過對(duì)區(qū)域的各類地理信息分布的整理分析，得到了如圖4的區(qū)域?qū)嶋H分布情況的地理信息數(shù)據(jù)，包含土地使用類型、建筑和測點(diǎn)地理位置。從而建立了該觀測區(qū)域的光信息和地理信息的數(shù)據(jù)庫并且進(jìn)行了各數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換整理。

表1 西安路調(diào)研數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 1 The statistics of research data on Xi’an Road

圖4 西安路地理信息Fig.4 The geographic information on Xi’an Road

由于區(qū)域觀測點(diǎn)的光信息實(shí)際是在地理信息基礎(chǔ)上觀測得到的，因此，本文利用Surfur地理處理軟件，將觀測點(diǎn)地理信息和光信息進(jìn)行了耦合，并根據(jù)克里格網(wǎng)格化方法對(duì)西安路整體區(qū)域的光環(huán)境分布情況進(jìn)行了耦合，得到了該區(qū)域整體的光環(huán)境參數(shù)分布的大致圖，例如圖5所示的地面照度和色溫的耦合圖。由于觀測是點(diǎn)式的觀測，因此在耦合中該利用Surfur軟件將各觀測點(diǎn)之間的變化進(jìn)行了估算，從而得到了各個(gè)觀測數(shù)據(jù)的地理耦合圖。根據(jù)此方法，依次將區(qū)域光環(huán)境的其他光信息觀測數(shù)據(jù)和地理信息進(jìn)行了耦合，得到了天空星等亮亮度分布，即0°、15°、30°、45°觀測層次的分布圖(圖6)。由于星等亮度是反映了天空的星等亮度值，因此圖中數(shù)值越高的地方，所代表的環(huán)境亮度就越低。

根據(jù)耦合得到的光污染相關(guān)參數(shù)分布圖，利用地理信息系統(tǒng)處理軟件，將參數(shù)分布圖結(jié)合區(qū)域土地利用分布圖按空間層次從上往下依次進(jìn)行疊加處理，得到了該區(qū)域光污染分布可視化初步圖(圖7)。在可視化圖中，天空層和冠層主要為星等亮度分布，地表層以照度、色溫分布為主。從圖中可以明顯看出，靠近商業(yè)街區(qū)的光環(huán)境亮度最大，并且隨空間層次降低，區(qū)域空間亮度也會(huì)增大，星等亮度值均分布在12～18 mag/arcsecond2。地表色溫分布則呈現(xiàn)北低南高的趨勢，居民區(qū)的色溫值均較高?？傮w而言，西安路區(qū)域在經(jīng)受著城市光污染，且以商業(yè)街區(qū)的光污染情況最為嚴(yán)重。

圖5 西安路觀測區(qū)地表照度和色溫耦合圖Fig.5 The surface illumination and color temperature coupling diagram of observation area on Xi’an Road

圖6 西安路觀測區(qū)的星等亮度分布耦合圖Fig.6 The magnitude of brightness coupling diagram of observation area on Xi’an Road

圖7 西安路可視化光污染分布圖Fig.7 The visualization of Xi’an Road light pollution distribution

4 結(jié)束語

城市光污染因?yàn)榫哂锌臻g分層次分布和地理信息屬性，因此本文主要是基于地理信息系統(tǒng)，對(duì)城市光污染的分布可視化的方法進(jìn)行了探討，并且試圖實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)，建立了初步的可視化模型?？傮w而言，城市光污染分布進(jìn)行可視化能夠更加形象地表現(xiàn)光污染，并且與地理信息的結(jié)合使其光污染相關(guān)研究能夠?qū)Τ鞘姓彰饕?guī)劃策略、光污染評(píng)價(jià)及防治策略中提供實(shí)踐性，具有重要的指導(dǎo)作用。此外，光污染與地理信息系統(tǒng)的結(jié)合后可視化，使有關(guān)光污染的相關(guān)空間信息具有了儲(chǔ)存、分析、表達(dá)、共享的可能性，有利于城市光污染的進(jìn)一步研究，使其研究成果具有實(shí)踐意義。