基于LED廣告屏設(shè)置條件分析的色光侵?jǐn)_影響研究

汪亞江，王舒翼，李 娜，張明宇

(1.天津大學(xué)，天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.天津市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300072)

引言

隨著社會和科技的不斷發(fā)展，LED廣告屏在城市中得到了廣泛的應(yīng)用，隨之而來的是我們城市及城市周邊區(qū)域居住建筑光污染問題越發(fā)嚴(yán)重，已經(jīng)成為影響中國城市環(huán)境質(zhì)量不可忽視的嚴(yán)重問題，其中布置在居住區(qū)周圍的LED廣告屏因其發(fā)光面積大、亮度高且亮度瞬時變化大和色彩飽和度高等特點(diǎn)在夜間對居民形成了強(qiáng)烈的色光污染。

居住建筑受到周圍的LED廣告屏色光污染問題十分嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了居民的正常生活，相關(guān)學(xué)術(shù)研究[1-5]中“彩色”這種光污染形式的研究積累較少、成果缺乏，展開針對LED廣告屏光污染的相關(guān)研究意義重大。本文是在前期研究[6,7](測試數(shù)據(jù)、篩選典型色光的評價方法及LED廣告屏光污染模擬實(shí)驗(yàn)方法)的基礎(chǔ)上開展數(shù)據(jù)分析工作，為今后開展光污染防治研究和工作提供方法指導(dǎo)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支撐。此外，本文提出的居住區(qū)附近LED廣告屏的設(shè)置建議為規(guī)范LED廣告屏的設(shè)置提供科學(xué)合理的技術(shù)依據(jù)，并為光污染防治標(biāo)準(zhǔn)制定、室外照明環(huán)境等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供研究數(shù)據(jù)支撐。

1 LED廣告屏設(shè)置位置關(guān)系的光污染趨勢

以往研究表明，LED廣告屏的亮度是造成光侵?jǐn)_問題的主要因素。調(diào)查了京津地區(qū)17處LED廣告屏參數(shù)及其對周邊居住建筑造成的光侵?jǐn)_現(xiàn)狀，展開針對不同設(shè)置條件下LED廣告屏光侵?jǐn)_模擬研究[4,5]。

居住建筑窗口照度會隨著LED廣告屏自身參數(shù)設(shè)定以及居住建筑與LED廣告屏相對位置而變化。根據(jù)前期相關(guān)研究[6]，通過控制變量模擬獲得了多變量共同影響下的單一變量(LED廣告屏亮度、LED廣告屏距窗口水平直線距離、LED廣告屏與窗口垂直夾角、LED廣告屏面積、LED廣告屏與窗口水平夾角)與窗口照度之間的關(guān)系，具體關(guān)系見表1。

表1 影響因素與窗口照度的關(guān)系Table 1 Relationship between influencing factors and window illuminance

2 多因素影響下的LED廣告屏窗口污染照度

2.1 多因素模擬

(1)模擬軟件和模擬原則。本文選取的軟件為GWLE2015，可以計(jì)算受LED屏侵?jǐn)_的建筑窗口的平均照度。通過模擬軟件計(jì)算出居住建筑窗口照度，通過其是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來判斷是否產(chǎn)生光侵?jǐn)_，衡量模擬結(jié)果是否超標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)取值主要依據(jù)《城市夜景照明設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ/T 163—2008)，由于本文研究的LED廣告屏所在區(qū)域?qū)儆贓4區(qū)(城市中心和商業(yè)區(qū))，綜合實(shí)際情況限定值取25 lx。

(2)模擬實(shí)驗(yàn)。前期研究中[3，4]構(gòu)建了多侵?jǐn)_因素的模擬模型，并確定了LED廣告屏亮度、面積、距受侵?jǐn)_建筑水平直線距離、與居住建筑水平夾角、與居住建筑垂直夾角等五個自變量的取值后，進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，按LED廣告屏設(shè)定的亮度級模擬劃分為五組，每組分別有225個模擬模型，通過實(shí)驗(yàn)軟件模擬，共計(jì)獲得1 152個模擬模型的模擬結(jié)果[5]。

2.2 擬合原則

通過對比上文得到的1 152個模擬模型的模擬結(jié)果，對居住建筑窗口照度進(jìn)行相關(guān)性分析可知，LED廣告屏亮度、LED廣告屏面積、LED廣告屏與居住建筑窗口間的水平直線距離、垂直夾角和水平夾角這五個參數(shù)與居住建筑窗口照度均相關(guān)，但線性相關(guān)度不高，即他們之間存在其他的非線性關(guān)系(表2)。因此，需要對窗口照度數(shù)值進(jìn)行處理，以進(jìn)一步分析各變量與窗口照度的關(guān)系。

表2 多因素模擬結(jié)果各個變量與窗口照度的相關(guān)性分析Table 2 Correlationanalysis between each variable of multi factor simulation results and window illuminance

為方便觀察模擬數(shù)據(jù)變化規(guī)律，通過SPSS軟件繪制簡單點(diǎn)圖。根據(jù)圖1可知，窗口照度變化規(guī)律符合指數(shù)變化，R2=0.9672。因此，選擇窗口照度的對數(shù)值與各個變量進(jìn)行相關(guān)性分析和擬合。

圖1 窗口照度簡單點(diǎn)圖Fig.1 Simple point diagram of window illuminance

2.3 計(jì)算公式擬合

因變量定為窗口照度對數(shù)值，自變量為LED廣告屏亮度、LED廣告屏面積、LED廣告屏距窗口的水平直線距離、LED廣告屏與窗口垂直夾角、LED廣告屏與窗口水平夾角等五個變量。

(1)相關(guān)性分析。

用SPSS軟件對各變量與窗口照度的對數(shù)值進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(sig)和線性相關(guān)性系數(shù)(Pearson Correlation)檢驗(yàn)，各模擬參數(shù)和窗口照度對數(shù)值之間都存在顯著性差異(sig=0.000)，而皮爾遜系數(shù)分別為0.505、0.386、-0.505、-0.421、-0.102，因此可知各變量與窗口照度對數(shù)值均顯著相關(guān)(表3)。

表3 各變量與窗口照度對數(shù)值相關(guān)性分析Table 3 Correlationanalysis between variables and logarithm of window illuminance

(2)逐步線性回歸及分析。

利用SPSS軟件，進(jìn)行逐步線性回歸，建立受LED廣告屏亮度污染的居民窗口照度值的回歸方程。

逐步回歸過程中未剔除變量，逐步回歸分析共形成五個回歸模型。根據(jù)表4可知模型1～5 的相關(guān)系數(shù)R、決定系數(shù)R2及調(diào)整決定系數(shù)R2隨著不同變量的引進(jìn)不斷增加。其中模型1～5的相關(guān)系數(shù)值從0.505～0.920不斷增加：模型1的決定系數(shù)值為0.255、模型2的決定系數(shù)值為0.510、模型3的決定系數(shù)值為0.687、模型4的決定系數(shù)值為0.836、模型5的決定系數(shù)值為0.846,這說明，對窗口照度對數(shù)值有顯著作用的變量不斷被引入到回歸方程中，其合理度也在不斷增加。

表4 回歸模型概況表Table 4 Overview of regression model

利用方差分析以判斷模型1～5方程中因子的波動情況。根據(jù)表5所示，模型1～5的F隨機(jī)檢驗(yàn)值分別為384.509、583.340、818.899、1 426.405和1 232.139，而檢驗(yàn)值概率P值均為0.000，因此，引入?yún)?shù)的過程成立。

表5 回歸模型方差分析表Table 5 Analysis of variance of regression model

對5個方程的回歸系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，可得到模型回歸系數(shù)(表6)。五個模型的回歸系數(shù)t檢驗(yàn)結(jié)果均小于0.05，其中模型1回歸系數(shù)t檢驗(yàn)結(jié)果為0.017，模型2～5常數(shù)項(xiàng)回歸系數(shù)的t檢驗(yàn)結(jié)果均為0.000，證明5個回歸模型均成立。

表6 模型回歸系數(shù)表Table 6 Regression coefficient of model

(3)計(jì)算公式擬合結(jié)果。

綜合上文相應(yīng)分析可知，回歸模型5包含全部自變量，決定系數(shù)為0.846，擬合效果最好，同時，根據(jù)模型5的方差結(jié)果，其F值為1 232.139，P值為0.000，證明回歸模型5具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這說明各個自變量和窗口照度值之間存在線性關(guān)系，其回歸模型為

Y=α0+α1×X1+α2×X2+α1×X3+α1×X4+α1×X5(α為常數(shù))

(1)

因此，LED廣告屏影響下的窗口照度計(jì)算公式為指數(shù)函數(shù)，即

Y=10^(α0+α1×X1+α2×X2+α3×X3+

α4×X4+α5×X5)

(2)

根據(jù)模型5 的相關(guān)系數(shù)表(表6)得到常數(shù)項(xiàng)為1.175，LED廣告屏亮度的系數(shù)為3.033E-4，LED廣告屏距窗口水平直線距離的系數(shù)-0.006，LED廣告屏與窗口垂直夾角的系數(shù)為-0.020，LED廣告屏面積的系數(shù)為0.001，LED廣告屏與窗口水平夾角的系數(shù)為-0.005。因此可得：

E=10^(1.175+3.033E-4×L-0.006×D-

0.020×β+0.001×S-0.005×α)(L>0，S>0，

0°≤α<90°，0°≤β<90°)

(3)

其中：E為受LED廣告屏光污染影響的居民窗口照度，單位為lx；

L為LED廣告屏亮度，單位為cd/m2；

D為LED廣告屏距窗口水平直線距離，單位為m；

β為LED廣告屏與窗口垂直夾角，單位為°；

S為LED廣告屏面積，單位為m2；

α為LED廣告屏與窗口水平夾角，單位為°。

2.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)驗(yàn)證

通過SPSS分析，對公式進(jìn)行殘差分布的檢驗(yàn)，以驗(yàn)證擬合曲線的合理性。在數(shù)理統(tǒng)計(jì)中，殘差是指實(shí)際觀察值與估計(jì)值(公式擬合值)之間的差。實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化殘差應(yīng)該服從正態(tài)分布，且落在(-2，2)區(qū)間以外的概率應(yīng)該≤0.05[8]。首先，繪制直方圖，如圖2所示，回歸標(biāo)準(zhǔn)殘差直方圖可知數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布；其次，利用SPSS生成標(biāo)準(zhǔn)殘差P-P圖，如果數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，則繪制的各點(diǎn)應(yīng)落在直線上或在直線附近[8]。如圖3所示，數(shù)據(jù)近似呈一條直線。因此，綜合直方圖和P-P圖所示數(shù)據(jù)，擬合的公式有較好的正態(tài)性并具有實(shí)際意義。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)化殘差直方圖Fig.2 Histogram of standardized residuals

圖3 標(biāo)準(zhǔn)化殘差的標(biāo)準(zhǔn)P-P圖Fig.3 Standard P-P diagram of standardized residuals

同時，對自變量(LED廣告屏亮度、LED廣告屏距窗口水平直線距離、LED廣告屏與窗口垂直夾角、LED廣告屏面積、LED廣告屏與窗口水平夾角等影響因素)進(jìn)行多重共線性檢驗(yàn)，經(jīng)SPSS計(jì)算，各自變量因素條件指數(shù)最大值為26.15，均小于30，證明各因素間不存在多重共線性。

3 LED廣告屏設(shè)置參數(shù)限制值計(jì)算

利用LED廣告屏光污染影響的居民窗口照度計(jì)算方程，對LED廣告屏亮度、LED廣告屏距窗口水平直線距離、LED廣告屏與窗口垂直夾角、LED廣告屏面積、LED廣告屏與窗口水平夾角等參數(shù)進(jìn)行一定條件下的限制值計(jì)算，限制值指標(biāo)為居住建筑窗口照度。

由于本文研究對象為城市居住區(qū)周圍的LED廣告屏的光污染問題，因此取環(huán)境區(qū)為E4區(qū)的限制值25 lx[9]。

3.1 不同面積的LED廣告屏對應(yīng)亮度設(shè)定限制值計(jì)算

當(dāng)LED廣告屏與居住建筑窗口位置關(guān)系為窗口最受污染情況下，可計(jì)算出不同面積的LED廣告屏對應(yīng)的亮度設(shè)定限制值。居住建筑窗口最受污染的位置關(guān)系為LED廣告屏與居住建筑窗口正對，且水平直線距離最短時。

據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)[10]，將LED廣告屏面積分類，共分為S≤100 m2、100 m2450 m2五類。根據(jù)《城市夜景照明設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ/T 163—2008)，居住建筑窗口照度的限制取值為25 lx。因此，根據(jù)式(3)，可得LED廣告屏亮度限制值：

L0=(lg25-1.175+0.006×D+0.020×β-

0.001×S+0.005×α)/3.033E-4

(4)

其中面積取值為五個等級范圍內(nèi)面積的最大值，LED廣告屏距居住建筑窗口水平直線距離、垂直夾角和水平夾角的取值見表7。

表7 LED廣告屏與居住建筑窗口位置關(guān)系Table 7 Relationship between LED advertising screen and window position of residential buildings

根據(jù)表8所示，當(dāng)LED廣告屏面積S≤100 m2時，亮度設(shè)定要小于1 229.5 cd/m2，才不會對居民窗口產(chǎn)生光污染，綜合CIE 150—2017及國內(nèi)相關(guān)城市對LED屏亮度設(shè)置要求(北京、上海)，限值取1 000 cd/m2。當(dāng)LED廣告屏面積取值分別為100 m2450 m2，根據(jù)式3計(jì)算結(jié)果，可以將亮度限值進(jìn)一步限定為896.1 cd/m2、562.8 cd/m2、62.8 cd/m2，當(dāng)LED廣告屏面積大于450 m2時，不論亮度值為多少，其對居住建筑均產(chǎn)生光污染。

表8 不同面積LED廣告屏亮度最大允許值Table 8 Maximum allowable brightness values of LED advertising screens with different areas

同時經(jīng)計(jì)算，當(dāng)其他參數(shù)一定時，LED廣告屏亮度每降低59.10 cd/m2時，居住建筑窗口照度能降低1 lx；LED廣告屏面積每降低17.73 m2時，居住建筑窗口照度能降低1 lx。

3.2 LED廣告屏距居住建筑的水平直線距離限制值計(jì)算

當(dāng)LED廣告屏亮度、面積參數(shù)取最大值以及LED廣告屏與居住建筑窗口之間的夾角關(guān)系呈窗口最受污染的狀態(tài)，根據(jù)窗口照度的限制值(25 lx)，可計(jì)算出LED廣告屏設(shè)置的水平直線距離限值。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的數(shù)據(jù)，相關(guān)參數(shù)取值見表9。

表9 參數(shù)取值Table 9 Parameter values

根據(jù)式(3)可得LED廣告屏直線限制值為：

D0=(1.175+3.033E-4×L-0.020×β+

0.001×S-0.005×α-lg25)/0.006

(5)

將相關(guān)參數(shù)帶入，可知LED廣告屏距居住建窗口的水平直線距離限值為416.72 m，即在居住區(qū)附近設(shè)置LED廣告屏?xí)r，距居住建筑窗口水平直線距離應(yīng)大于416.72 m；同時，根據(jù)式(5)計(jì)算可知，當(dāng)水平直線距離每增加2.95 m時，窗口平均照度可以降低1 lx。

3.3 LED廣告屏與居住建筑的垂直夾角限制值計(jì)算

當(dāng)LED廣告屏自身參數(shù)(亮度、面積)及其與居住建筑窗口位置關(guān)系取值為窗口最受污染的狀態(tài)，利用式(3)計(jì)算得出垂直夾角為112.7°，超出式(3)規(guī)定的垂直夾角取值范圍(0°～90°)，即當(dāng)參數(shù)如上述取值，窗口照度必然超標(biāo)，無法通過改變垂直夾角來降低窗口照度。

為科學(xué)地計(jì)算LED廣告屏與居住建筑的垂直夾角建議值，LED廣告屏自身參數(shù)選擇調(diào)研數(shù)據(jù)平均值，LED廣告屏與居住建筑窗口間的水平夾角、水平直線距離取居住建筑窗口最受污染的情況，具體取值見表10。

表10 參數(shù)取值Table 10 Parameter values

根據(jù)式(3)可得LED廣告屏與居住建筑的垂直夾角為：

β0=(1.175+3.033E-4×L-0.006×D+

0.001×S-0.005×α-lg25)/0.020

(6)

經(jīng)計(jì)算垂直夾角為3.39°，即LED廣告屏幾何中心距地面高度應(yīng)大于D×tan3.39°，此外，經(jīng)式(6)計(jì)算，當(dāng)垂直角度每增加0.89°時，居住建筑窗口照度能降低1 lx。

綜上，LED廣告屏幾何中心距地面高度應(yīng)大于0.059D，距地面高度每增加0.016D時(D為LED廣告屏距居住建筑的水平直線距離)，居住建筑窗口照度能降低1 lx。

3.4 LED廣告屏與居住建筑的水平夾角限制值計(jì)算

LED廣告屏與居住建筑的水平夾取值范圍為0°～90°，但當(dāng)LED廣告屏自身參數(shù)(亮度、面積)及其與居住建筑窗口位置關(guān)系取值為窗口最受污染時，利用公式計(jì)算得出水平夾角為450.85°，超出規(guī)定取值范圍[11，12]，即當(dāng)參數(shù)如上述取值，窗口照度必然超標(biāo)，無法通過改變水平夾角來降低窗口照度。

因此，LED廣告屏自身參數(shù)選擇調(diào)研數(shù)據(jù)平均值，LED廣告屏與居住建筑窗口間的垂直夾角、水平直線距離取窗口最受污染的狀態(tài)，具體取值見表11，根據(jù)式(3)，可得水平夾角

表11 參數(shù)取值Table 11 Parameter values

α0=(1.175+3.033E-4×L-0.006×D+

0.001×S-0.020×β-lg25)/0.005

(7)

經(jīng)計(jì)算得知，在設(shè)定LED廣告屏?xí)r，其與居住建筑的水平夾角應(yīng)大于13.56°，且水平夾角每增加3.55°時，居住建筑窗口照度能降低1 lx。

4 結(jié)論與建議

本文運(yùn)用了SPSS對前期研究[6,7]所得多因素模擬的1152個模擬結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算和回歸分析計(jì)算，尋找出LED廣告屏本身參數(shù)、LED廣告屏相對位置參數(shù)兩類參數(shù)與居住建筑窗口照度之間的擬合關(guān)系，其次分析出影響窗口照度的因素作用的大小排序，并得到受LED廣告屏光污染影響的居民窗口照度計(jì)算式。結(jié)合研究提出居住區(qū)周圍LED廣告屏設(shè)置建議：

1)綜合主觀問卷結(jié)果[6]，建議如下：

①LED廣告屏畫面的顏色設(shè)定。建議盡量減少播放包含白色、紅色、黃色、藍(lán)色的畫面，或盡量降低該顏色畫面的亮度水平；

②嚴(yán)格控制LED廣告屏開啟及關(guān)閉時間。

2)利用受LED廣告屏光污染影響的居民窗口照度公式，對LED廣告屏亮度、面積等參數(shù)進(jìn)行限制值計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果建議如下：

①居住區(qū)不同面積LED廣告屏亮度最大允許值應(yīng)符合表11要求，并減小各廣告畫面播放時的亮度差異，避免亮度瞬時變化過大。不建議在此區(qū)域設(shè)置面積大于450 m2的LED廣告屏；

②LED廣告屏距居住建筑窗口水平直線距離應(yīng)大于416.72 m；

③LED廣告屏幾何中心距地面高度應(yīng)大于0.059D(D為LED廣告屏距居住建筑的水平直線距離)；

④LED廣告屏與居住建筑的水平夾角應(yīng)大于13.56°。

3)針對已經(jīng)在居住區(qū)周圍設(shè)定的LED廣告屏，可通過以下方式改善其對居民的光污染：

①降低LED廣告屏亮度。LED廣告屏亮度每降低59.10 cd/m2時，居住建筑窗口照度能降低1 lx，現(xiàn)實(shí)中，應(yīng)通過測定最受污染窗口照度，根據(jù)式(3)計(jì)算應(yīng)降低亮度水平，并減少各廣告畫面播放時的亮度差異；

②增加居住建筑與LED廣告屏的水平夾角。水平夾角每增加3.55°時，居住建筑窗口照度能降低1 lx，實(shí)際操作中，應(yīng)通過測定最受污染窗口照度，再相應(yīng)調(diào)整居住建筑與LED廣告屏水平夾角；

③增加LED廣告屏距地面高度。距地面高度每增加0.016D時(D為LED廣告屏距居住建筑的水平直線距離)，居住建筑窗口照度能降低1 lx。因此，應(yīng)通過測定最受污染窗口照度，再對應(yīng)調(diào)整LED廣告屏距地面高度；

④結(jié)合周圍居民實(shí)際情況，限制LED廣告屏播放畫面的顏色；結(jié)合周圍居民作息情況規(guī)定LED廣告屏開啟及關(guān)閉時間。