光污染管理政策與LED廣告屏干擾光限制標準分析

郝 影，張 朋，高 峰，白 煜

1.天津市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，天津 300191 2.遼寧省沈陽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧 沈陽 110016 3.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質量控制重點實驗室，北京 100012

隨著經濟發(fā)展和城市化建設推進，以提升城市夜景觀為主的休閑區(qū)和以提升營商環(huán)境為主的商業(yè)集中區(qū)等功能區(qū)逐年增加，在一定程度上導致城市夜晚越來越亮[1-3]。由此產生的光污染投訴案件也逐年增多，光污染問題日益嚴峻[4-10]，引起全國人大代表和政協(xié)委員關注，他們多次提議中國應開展光污染監(jiān)督管理[11-12]。在眾多光污染源中，LED廣告屏因發(fā)光面積大、亮度高、閃動快、色彩飽和度高和侵擾時間長等，成為居民反映最強烈的光污染源[13-15]。筆者調研了國外光污染管理政策，比較了中國現(xiàn)行LED廣告屏光污染技術標準，找到標準存在的主要問題，提出環(huán)境管理對策，以期為今后標準修訂和光污染防治政策研究提供參考。

1 國外光污染管理

1.1 國際組織

有一些國際組織一直致力于減少光污染，如國際黑暗天空協(xié)會 (IDA)，IDA 主要從事公眾科普并對其他致力于減少光排放的區(qū)域進行認證。截至 2018 年 12 月，IDA 在其網(wǎng)站上列出了 13 個黑暗天空保護區(qū)。國際照明委員會(CIE) 在干擾光控制方面做了大量研究，頒布了《室外照明設施干擾光影響限制指南》(CIE 150，以下簡稱《指南》)。該《指南》是中國制定干擾光控制方面相關標準的重要依據(jù)和參考[16-17]，其在2017年修訂版中明確提出將環(huán)境亮度分區(qū)設為5類，見表1。

表1 環(huán)境亮度分區(qū)Table 1 Environmental lighting zones

該《指南》從居住區(qū)、交通物流、景觀美化和天文觀測4個方面分析了光干擾問題。根據(jù)不同的明亮程度，將環(huán)境亮度分為5個區(qū)間(E0～E4)，給出各種戶外照明條件下，不同環(huán)境區(qū)間的光度參數(shù)限值，包括：房屋的垂直照度(光侵入)限值，視野內的燈具亮度限值，道路照明中的光幕亮度和閾值增量限值，控制天輝的燈具上射光通量比限值，強光打亮的建筑物立面和標識標志的亮度限值?！吨改稀愤€給出了限值參數(shù)的計算和測量方法，光干擾評價中被測的參數(shù)包括垂直照度、燈具的光強分布、照明現(xiàn)場的光幕亮度、垂直面亮度等，其中基于二維CCD的成像亮度計是測量現(xiàn)場亮度推薦設備。北美照明工程學會(IESNA)主要強化源頭管控，發(fā)布多項照明標準，包括運動和休閑照明、停車場照明和道路照明規(guī)范等，期望通過限制照明亮度控制光干擾。

1.2 地區(qū)或國家政策

1.2.1 歐盟

近年來，歐盟修訂了《歐盟道路照明和交通信號綠色公共采購標準》(GPP)，形成了新的技術采購指南，以實現(xiàn)控制光污染的目的。GPP中涉及光污染的項目包括：TS8(煩惱)，該項目要求住宅區(qū)的照明色溫必須低于 3 000 K，須根據(jù)采購商的要求實施調光或關閉程序,以減少“突?！钡墓飧兄绊懀籘S9(生態(tài)光污染和星星能見度)。GPP摒棄了相關色溫要求(色溫是一種表征燈發(fā)出藍光的標準方法)，采用 “G指數(shù)”作為替代指標，在生態(tài)敏感區(qū)域，GPP建議燈具的G指標不低于1.5，而在天文臺附近則至少應為2.0。GPP 還呼吁制定調光或關閉時間表，以限制生態(tài)敏感區(qū)域的夜間總發(fā)光量。GPP 中許多元素與德國、意大利和斯洛文尼亞等在過去十年中推廣的低影響照明標準大體一致。

1.2.2 美國

美國至少有 18 個州制定了減少光污染的法律。大多數(shù)頒布“黑暗天空”立法的州都是為了促進節(jié)能、公共安全、審美興趣和天文研究能力。大多數(shù)州法律僅對安裝在建筑、設施或公共道路上的戶外照明設備進行限制。最常見的“黑暗天空”立法要求安裝只向下發(fā)光的屏蔽燈具，用完全屏蔽的照明裝置替換未屏蔽的照明裝置，允許使用較低能耗的燈泡以節(jié)省能源。

亞利桑那州被稱為全球天文學中心，其光污染法可追溯到 1986 年。法律要求所有戶外燈具必須全部或部分屏蔽，但應急、建筑和機場導航照明除外。對于不符合規(guī)定的燈具，要求其在午夜到日出之間利用自動裝置熄滅。在科羅拉多州，安裝新的戶外照明燈具需要考慮成本、節(jié)能、減少眩光等，最大限度地減少光污染和保護自然夜間環(huán)境，當輸出大于一定流明時，必須使用“全截止夾具”。

新罕布什爾州已將“保護黑暗天空”作為優(yōu)先發(fā)展的鄉(xiāng)村特色，州法律鼓勵政府部門通過法令和法規(guī)來最大程度地減少光污染，節(jié)約能源。海濱照明對鳥類和海洋生物的影響是許多沿海地區(qū)關注的問題，在佛羅里達州，全州示范照明條例(佛羅里達州統(tǒng)計局第 161.163 條，佛羅里達州行政法規(guī)第 62B.55.001 條等)包含指導地方政府制定保護海龜孵化的政策。德克薩斯州是唯一制定了減少軍事設施周圍光污染規(guī)定的州，該規(guī)定僅適用于擁有至少5個軍事基地且人口超過100萬的縣或位于基地約8 km范圍內的鄰近縣。各縣可以通過多種方式實現(xiàn)目標：①要求在安裝某些類型的照明設備之前獲得許可；②禁止使用特定的燈具；③制定戶外照明的屏蔽要求；④規(guī)定可使用某些類型照明的時間。

1.2.3 法國

法國于 2019 年1月1日頒布實施《關于預防、減少和限制光污染法》，該法令“旨在預防、減少和限制光污染對人、動物、植物或生態(tài)系統(tǒng)的過度干擾，對能源的浪費以及對夜空的觀測”。該法令由2個部分組成：一是規(guī)定了戶外照明裝置的設計和操作技術要求，并且是強制執(zhí)行；二是要求法國各地的 11 個天文臺站點受最高級別光環(huán)境保護。需要特別指出的是該法令限制藍光的發(fā)射。在所有情況下，色溫 (CCT) 不得超過 3 000 K(與IDA 指南相同)，自然保護區(qū)和公園等 CCT 閾值為 2 400 K，城鎮(zhèn)和村莊建成區(qū)的 CCT 閾值設定為 2 700 K。

2 中國光污染管理

2.1 光污染政策頒布情況

中國光污染管理工作起步較晚，僅《中華人民共和國生態(tài)環(huán)境保護法》對光污染防治提出了總體要求，第四十二條明確了光輻射是環(huán)境污染的具體形態(tài)。各城市根據(jù)自身管理需求，相繼出臺了以限制光污染為目的的管理辦法及技術規(guī)范，探索建立光污染監(jiān)管機制。如廣州市頒布《廣州市建筑玻璃幕墻管理辦法》和《廣州市城鄉(xiāng)照明管理辦法》，上海市頒布《上海市建筑玻璃幕墻管理辦法》，深圳市頒布《深圳市城市照明管理辦法》，廈門市頒布《廈門市建筑外立面裝飾裝修管理規(guī)定》，天津市頒布《天津市景觀照明工程技術規(guī)范》(DB 29-71—2004)，北京市頒布《城市景觀照明技術規(guī)范》(DB11/T 388—2015)，重慶市頒布《重慶市城市夜景照明技術規(guī)范》(DB50/T 234—2006)等。

2.2 監(jiān)測進展及技術標準

中國尚未組織開展大范圍光污染環(huán)境監(jiān)測工作，但頒布了相關標準規(guī)范。其中LED廣告屏光干擾的限制和測量規(guī)范主要包括《室外照明干擾光限制規(guī)范》(GB/T 35626—2017)、《室外照明干擾光測量規(guī)范》(GB/T 38439—2019)、《LED廣告屏干擾光評價要求》(GB/T 36101—2018)和《LED顯示屏干擾光現(xiàn)場測量方法》(GB/T 34973—2017)?！妒彝庹彰鞲蓴_光限制規(guī)范》(GB/T 35626—2017)中規(guī)定了城市環(huán)境亮度的區(qū)域劃分方法及全彩色LED廣告屏干擾光限值，《LED廣告屏干擾光評價要求》(GB/T 36101—2018)對LED廣告屏夜間干擾光的分類和評價要求作出更明確規(guī)定。通過梳理上述4個標準規(guī)范限值和測量方法，結合現(xiàn)場測量和數(shù)據(jù)分析情況，筆者對現(xiàn)行標準及光污染監(jiān)督管理提出相關建議。

2.2.1 城市環(huán)境亮度的區(qū)域劃分

《室外照明干擾光限制規(guī)范》(GB/T 35626—2017)和《LED廣告屏干擾光評價要求》(GB/T 36101—2018)均提出了基于城市環(huán)境亮度進行區(qū)域劃分的總體要求，將光環(huán)境分為4個區(qū)間(E1～E4)，具體見表2。2個標準除了E4光環(huán)境區(qū)對應“城市中心區(qū)、商業(yè)區(qū)”一致外，E1～E3涵蓋區(qū)域均不同，特別在居住區(qū)的光環(huán)境適用區(qū)域上，體現(xiàn)了不同的管理標準?！禠ED廣告屏干擾光評價要求》(GB/T 36101—2018)規(guī)定了天文臺周邊為嚴格控制照明區(qū)域，居住區(qū)、醫(yī)院等為低亮度區(qū)域，而《室外照明干擾光限制規(guī)范》(GB/T 35626—2017)將不同類型居住區(qū)分為中亮度區(qū)和低亮度區(qū)?？傮w上看，《LED廣告屏干擾光評價要求》(GB/T 36101—2018)在居住區(qū)光環(huán)境要求上更嚴格。按照2個標準要求，中國對光環(huán)境進行4級分區(qū)管理，這種分類方式和CIE 150—2003標準一致，2017年CIE 150—2013重新修訂，修訂后將光亮度分區(qū)調整為5級標準，增加了天文臺附近光亮度限制[17]。對比國際標準，中國在亮度分區(qū)等方面還存在一定滯后性，特別體現(xiàn)在對天文臺附近區(qū)域的保護方面，缺少完全黑暗區(qū)標準，同時在環(huán)境管理上也未將“黑天空公園”納入光環(huán)境保護來考量，但《LED廣告屏干擾光評價要求》(GB/T 36101—2018)確定居住區(qū)為“低亮度區(qū)域”，更嚴于國際標準。

表2 城市環(huán)境亮度的區(qū)域劃分Table 2 Regional division of urban environmental luminance

2.2.2 標準限值比較

對比《室外照明干擾光限制規(guī)范》(GB/T 35626—2017)和《LED廣告屏干擾光評價要求》(GB/T 36101—2018)的亮度標準限值，前者僅對全彩色LED廣告屏亮度進行規(guī)定，提出在E1區(qū)不能容忍光干擾，不宜安裝LED廣告屏的要求，見表3。后者將LED廣告屏分成全彩色廣告屏和單元色廣告屏，分類型、按安裝區(qū)域對排放亮度進行規(guī)定(表4)，在E1區(qū)提出最低容忍光干擾要求，但由于該標準E1區(qū)包含天文臺周邊區(qū)域，對比表1中CIE 150—2017規(guī)定，中國對天文臺周邊區(qū)域的限值較為寬松，沒有采取完全黑暗的光環(huán)境要求?！禠ED廣告屏干擾光評價要求》(GB/T 36101—2018)除了廣告屏亮度限值外，還規(guī)定了居住建筑窗戶表面的垂直照度限值，以及機動車駕駛員干擾光限值和評價要求，對機動車駕駛員采用閾值增量指標進行評價。綜上所述，《LED廣告屏干擾光評價要求》(GB/T 36101—2018)用于評價LED廣告屏產生的光干擾，指標更豐富。

表3 GB/T 35626—2017中LED廣告屏或媒體墻表面的平均亮度限值

表4 GB/T 36101—2018中LED廣告屏亮度限值Table 4 LED displays brightness limit in GB/T 36101-2018 cd/m2

3 光污染監(jiān)測實驗

根據(jù)《LED廣告屏干擾光評價要求》(GB/T 36101—2018)中亮度和照度限值要求，選取城市中已安裝的，且對居民區(qū)光干擾較嚴重的LED廣告屏進行測量，測量亮度和受影響居民區(qū)窗戶表面垂直照度。

3.1 測量方法

適用于LED廣告屏光干擾測量的規(guī)范為《室外照明干擾光測量規(guī)范》(GB/T 38439—2019)和《LED顯示屏干擾光現(xiàn)場測量方法》(GB/T 34973—2017)。前者規(guī)定用亮度計連續(xù)測量，采集時間不少于一個完整的播放周期，不少于50組亮度數(shù)據(jù)，亮度數(shù)據(jù)應覆蓋高亮度的顯示場景、畫面和區(qū)域，并用最大值作為干擾光的最大亮度評價?，F(xiàn)場調研后，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)LED廣告屏的動態(tài)畫面經常隨機播放，采集不少于一個完整的播放周期的畫面較困難。因此按照《LED顯示屏干擾光現(xiàn)場測量方法》(GB/T 34973—2017)要求，只采集不少于50個測點的亮度數(shù)據(jù)，并盡量覆蓋播放的主要畫面。照度測量參考《室外照明干擾光測量規(guī)范》(GB/T 38439—2019)，采用“中心布點法”，測點位置選擇受影響居民區(qū)窗外。以某中心廣場內的LED廣告屏為例，實驗中亮度計距離地面高1.5 m以上，測量人員與廣告屏垂直距離約30 m，監(jiān)測點周圍無明顯固定光源影響，監(jiān)測點位示意圖見圖1。

圖1 LED 廣告屏監(jiān)測點位示意圖Fig.1 Schematic diagram of monitoringpoint of LED display screens

3.2 亮度測量

對LED廣告屏開展不少于連續(xù)50次亮度測量，測量時避免廣告視頻重復，采取一人讀數(shù)、一人記錄的手工連續(xù)測量方式。為避免反光等影響，測量人員均身穿深色衣服。

3.2.1 亮度測量結果綜合分析

測量中有效采集7個LED廣告屏亮度，結果見表5。

表5 不同廣告屏測量結果Table 5 Measurement results of different display screens cd/m2

屏幕1、2、3、5最大值對應光源顏色為白色，屏幕4、6、7對應光源顏色為黃色。分別按照《室外照明干擾光限制規(guī)范》(GB/T 35626—2017)的亮度平均值和《LED廣告屏干擾光評價要求》(GB/T 36101—2018)的亮度最大值評價廣告屏亮度，具體如圖2所示。

圖2 廣告屏評價結果Fig.2 Display screens evaluation results

屏幕1和屏幕2的測量均值和最大值均滿足600cd/m2的標準限值要求，屏幕3、5、6的均值和最大值均超標，屏幕4、7均值未超標，最大值超標。

3.2.2 同一屏幕的亮度測量結果差異性分析

某LED廣告屏亮度測量結果見圖3。該屏幕50次亮度測量結果差異顯著，亮度變化范圍為123～5 071 cd/m2，最大值為5 071 cd/m2，平均值為1 458 cd/m2，最大值超過《LED廣告屏干擾光評價要求》(GB/T 36101—2018)中E4區(qū)域(600 cd/m2)的標準限值，平均值超過《室外照明干擾光限制規(guī)范》(GB/T 35626—2017)中E4區(qū)域(600 cd/m2)標準限值，對周邊光環(huán)境干擾嚴重。

圖3 LED廣告屏測量結果Fig.3 Measurement results on a LED displays

一些學者指出LED廣告屏對周邊光環(huán)境的主要影響，除了屏幕本身亮度值外，還包括亮度變化幅度，即通常所說的快切、頻閃畫面[18-20]。圖3驗證了上述結論，該屏幕不僅亮度值高，還存在快切、頻閃畫面，導致周圍環(huán)境亮度忽高忽低，可視光環(huán)境不舒適。

3.2.3 不同顏色的屏幕亮度值比較

不同顏色的光給人帶來的視覺感受不同，產生的煩惱度也不同，而煩惱度是環(huán)境風險評估的重要考量指標[21]，因此有必要關注屏幕不同顏色的亮度變化。為比較屏幕不同顏色的亮度變化，選擇面積大小接近、周邊環(huán)境特征相似的7塊LED廣告屏，進行亮度測量，并記錄對應顏色。由于播放廣告不同，屏幕主色調不同，測量中只記錄主要顏色，選取其中2個屏幕的亮度測量結果進行比較，見圖4。

圖4 不同LED廣告屏不同顏色測量結果Fig.4 Measurement results of differentcolors for different LED displays

由圖4可知，不同屏幕的亮度水平不同，每個對應的顏色亮度水平也差別較大，屏幕1廣告主要顏色為白色、黃色、褐色、藍色、紅色和綠色，亮度范圍為638～2 701cd/m2，白色最亮。屏幕2廣告主要顏色為黃色、灰色、白色、綠色、紅色和藍色，亮度范圍為27～159cd/m2，黃色最亮。由此可見各屏幕亮度值變化幅度較大，但每個屏幕亮度在一定數(shù)量級范圍(屏幕1的平均量級在千位，屏幕2的平均量級在百位)，為了將各屏幕間數(shù)據(jù)進行有效比較，對每個屏幕的顏色亮度用平均亮度進行歸一化處理，統(tǒng)計后的結果見圖5。

圖5 不同LED廣告屏不同顏色歸一化統(tǒng)計結果Fig.5 Normalized results of different colorsfor different LED displays

由圖5可知，測量屏幕的白色和黃色亮度最高，由于褐色屏幕出現(xiàn)較少，此處褐色偏棕黃色，統(tǒng)計時按照黃色計算，其余顏色亮度較低，依次為灰色、綠色、紅色和藍色。這說明雖然不同視頻廣告的主色調不同，但廣告中白色和黃色一般是最亮的顏色，對周邊環(huán)境影響也較為強烈。因此相關標準中除了考慮亮度外，還應進一步考慮顏色對人的影響。

3.2.4 同一顏色亮度變化分析

為了掌握同一顏色的亮度變化數(shù)據(jù)，統(tǒng)計屏幕2的主要顏色亮度數(shù)據(jù)，主要統(tǒng)計了白色、黃色和紅色，如圖6所示。統(tǒng)計結果顯示：同一屏幕相同顏色的亮度變化幅度較大，白色亮度范圍為31～481 cd/m2，黃色亮度范圍為30～746 cd/m2，紅色亮度范圍為52～334 cd/m2。黃色最大值超過了《LED廣告屏干擾光評價要求》(GB/T 36101—2018)中E4區(qū)域(600 cd/m2)的標準限值，其他顏色最大值未超標，各種顏色平均值均未超過《室外照明干擾光限制規(guī)范》(GB/T 35626—2017)中E4區(qū)域(600 cd/m2)標準限值。這說明為了達到更嚴格的光環(huán)境要求，必須限制各顏色的亮度最大值，僅限制平均值還遠遠不夠。

圖6 同一LED廣告屏不同顏色測量結果Fig.6 Measurement results of differentcolors for the same LED display

3.3 照度測量

測量亮度的同時布設照度測點，測點位于受LED顯示屏干擾光影響的居住區(qū)窗口，窗口均勻布設6個垂直照度接收點，以屏幕4照度測量結果為例進行分析，見圖7。測量中共抓拍了 16 個畫面產生的窗口垂直照度，各畫面均進行2次測量，結果均超過 5 Lx，即超過了《室外照明干擾光限制規(guī)范》(GB/T 35626—2017)中E2環(huán)境區(qū)域的照度水平，其中畫面4和畫面6的2次測量結果均超過10 Lx，即超過了《室外照明干擾光限制規(guī)范》(GB/T 35626—2017)中E3環(huán)境區(qū)域的照度水平。畫面4和畫面6對應的最大亮度分別為481、435 cd/m2，且均為白色。這說明白色等明亮顏色是導致居民區(qū)照度升高的重要色調，應嚴格限制白光的亮度排放限值。

圖7 照度測量結果Fig.7 Results of illumination measurement

4 結論

在調研國外光污染管理政策的基礎上，分析了中國光污染管理政策現(xiàn)狀。

按照現(xiàn)行監(jiān)測技術規(guī)范要求，采用照度計和亮度計，嘗試性開展LED廣告屏干擾光環(huán)境測量，梳理現(xiàn)場測量結果如下：

1)城市的LED廣告屏亮度測量表明，城市屏幕亮度超標嚴重。

2)LED廣告屏對外界光環(huán)境的影響，除了屏幕本身亮度值外，亮度變化幅度也是重要影響因素。

3)白色和黃色一般是LED廣告屏對周邊環(huán)境影響最強烈的顏色。

4)為了更好地保護光環(huán)境，必須對亮度最大值作出限制。

5)白色等明亮顏色是導致居民區(qū)照度升高的重要色調，應嚴格限制其亮度排放限值。

5 中國光污染監(jiān)測亟需解決的問題和防治政策建議

5.1 主要問題

LED光污染測量實驗發(fā)現(xiàn)，中國光污染監(jiān)測亟需解決3個方面問題。

1)環(huán)境分區(qū)規(guī)則不明確，導致光環(huán)境限值使用混亂，需進一步明確光污染定義，統(tǒng)一光環(huán)境分區(qū)標準。

2)測量時間難以準確把握，測量指標單一，不能全面反映光污染情況，需豐富評價及監(jiān)測指標，建議參考《發(fā)光二極管(LED)顯示屏測試方法》(SJT 11281—2017)，形成多元化考核指標。

3)現(xiàn)有測量設備不能滿足環(huán)境管理需求，亮度測量過程中，按照《室外照明干擾光測量規(guī)范》(GB/T 38439—2019)要求，需測量視頻播放的完整周期，因為每個廣告屏播放廣告的周期不同，因此準確掌握播放周期難度較大，容易導致測量偏差。而按照《LED顯示屏干擾光現(xiàn)場測量方法》(GB/T 34973—2017)連續(xù)采樣50次，可能采集不到亮度最大視頻，導致最大值數(shù)據(jù)不準確。照度測量時，不同廣告視頻的照度會有一定的起伏，按照《LED顯示屏干擾光現(xiàn)場測量方法》(GB/T 34973—2017)采用不低于連續(xù)5 min測量采集照度，有可能測量不到最大值，采用“平均布點法”又難以對每一幅畫面開展持續(xù)測量，導致測量結果誤差。因此現(xiàn)場測量時建議開發(fā)一種能實現(xiàn)照度和亮度同步測量，并持續(xù)記錄的綜合設備。

5.2 防治政策建議

1)建議設立專項資金，鼓勵開展光污染相關標準的基礎性研究工作，統(tǒng)一頒布光環(huán)境分區(qū)標準，將光污染夜間監(jiān)測納入環(huán)境管理體系中，提升城市夜間光環(huán)境質量。

2)盡快制定光污染防治管理細則。在法律層面，制定光污染防治管理細則，已有國際上的平行法律參考；在管理方式上，除了頒布技術標準等限制光干擾方式以外，國外也有在天文臺附近設立暗天空公園的先例，因此應盡快出臺系列限制措施。