基于生态中心视角的光场（Eco-centric Light Field）评估方法用于捕捉户外照明之光侵入（Light Trespass）

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Assessing the eco-centric light field to capture the light trespass of outdoor lighting

　　

摘要：户外照明有助于保障人类安全与可见度，但同时也造成光污染，可能扰乱生态系统。本研究采用生态中心（Eco-centric）照明视角，探讨将三种互补的照明测量方法——立方光场（Cubic Light Field）测量、垂直与水平照度（Vertical and Horizontal Illuminance）及亮度（Luminance）映射——相结合的应用。研究人员考察了三种灯具配置：常规4000 K道路灯具及两种2200 K替代方案（带与不带格栅Louvre），并在不同环境条件下（晴空、阴天、积雪晴空及积雪阴天）进行测量。测量沿从道路向相邻地貌延伸的样线（Transect）进行。研究结果表明，三种方法联用可同时捕捉路面上的空间—方向扩散特性及灯具对远端区域的影响。水平与垂直照度测量显示，相较于常规灯具，替代灯具使周边地貌溢光（Spill Light）降低最高达45%，加装格栅后可进一步减少16.6–19.5%。立方光场测量量化了光的时空特征：光矢量模量（Light Vector Magnitude ∣E∣）在距灯具3–4 m内迅速衰减，积雪条件下光漫射度（Diffuseness, D）大幅增加112%。亮度映射揭示了不同灯具间的对比度及相对可见性差异，常规灯具相对于背景天空通常更为突出。该综合方法有助于更细致地理解人工光与周围环境的相互作用，可为制定更具生态中心取向的照明策略提供依据。

《Assessing the eco-centric light field to capture the light trespass of outdoor lighting》论文解读

该研究发表于《BUILDING AND ENVIRONMENT》。

一、研究背景与意义

人工夜间照明（Artificial Light At Night, ALAN）在提升道路安全与城市功能的同时，造成光污染（Light Pollution），干扰动物行为、植物生理及天文观测。现行道路照明设计多以人类视觉需求为中心（Anthropocentric），忽视非人类物种对暗夜周期的需求。生态中心照明（Eco-centric Lighting）要求在光谱组成、时序、强度及光分布（Light Distribution）上兼顾生态需求，尤其强调限制向周边自然生境的溢光即光侵入（Light Trespass）。现有常规评价指标如水平照度（Horizontal Illuminance, E_h）难以全面反映三维光分布及远端生态影响，亦无法描述光场（Light Field）的方向性与漫射特性。因此，W?seth H.I.、Zaikina V.与Pont S.开展此项研究，旨在整合立方光场测量（Cubic Light Field Measurement）、水平与垂直照度及亮度映射（Luminance Mapping），构建一种能捕捉道路照明向邻接地貌光侵入量及光场空间—方向属性的综合评估方法，并比较常规灯具与低色温、低光通量加遮光格栅（Louvre）的生态友好替代灯具在多种真实气候—下垫面条件下的表现，为生态中心照明设计提供实证依据与量化工具。

二、主要技术方法概述

研究人员于挪威滕斯贝格（T?nsberg）市郊乡村道路旁选取实验场地，沿从灯具下方经人行道向采伐林地延伸最长61 m的样线（Transect）布点。测试三种路灯配置：①常规灯具（Schreder Ampera，4000 K，14000 lm，"Medium road extensive"配光，9 m杆高）；②替代灯具1（Thorn Isaro，2200 K，4820 lm，"Street comfort"配光，8 m杆高，无格栅）；③替代灯具2（同替代1加装外部遮光格栅Louvre）。四种天气—地表条件：晴空（Clear）、阴天（Cloudy）、积雪晴空（Snowy clear）、积雪阴天（Snowy cloudy）。在距灯具0–11 m处以1 m间距进行六面立方照度测量（使用GL Optics Spectis 1.0 Touch＋Flicker光度计配Salli漫射器依次测立方体六面获取各方向照度以计算光密度E_scalar、光矢量分量E_x、E_y、E_z及模量∣E∣、对称照度～E与光漫射度D＝1－∣E∣/(4E_scalar)）；在16–61 m处以10 m间距测水平（向上）与垂直（面向道路）照度；在约70 m处（P70）用TechnoTeam LMK 6亮度相机拍摄高动态范围亮度图像并进行区域亮度与Michelson对比度分析。所有夜间测量在太阳高度≤－18°（天文黑夜）且尽量避开满月条件下进行，数据分析使用Mathematica 13.3及LabSoft 4软件。

三、研究结果

4.1. Illuminance measurements（照度测量结果）

水平照度随距灯具距离呈近线性下降（前10–15 m），后趋于受环境反射影响的饱和值。替代灯具1全天气象平均水平照度较常规灯具降低45%，替代灯具2（加格栅）再降16.6%；垂直照度方面替代1较常规降55%，替代2再降19.5%。环境反射效应显著：相较晴空，阴天水平照度增39%、积雪晴空增116%、积雪阴天增350%。光矢量模量（∣E∣）在灯具正下方达35–72 lx，于距灯具3–4 m（为人行道区域）迅速降至2–16 lx；常规灯具∣E∣高于替代品，加格栅进一步减小。光漫射度（D，完全漫射为1，完全准直为0）：晴空均约0.3，阴天约0.27；积雪晴空升至0.64（较晴空增112%），积雪阴天升至0.56（增85%）。距灯具越远视场漫射度略增；积雪覆盖使人行道区D达0.6–0.8。立方测量渲染哑光球体可视化显示，清晰天气光具方向性，积雪阴天漫射显著增强，替代2直射成分沿样线更快衰减。

4.2. Luminance measurements（亮度测量结果）

亮度图中选定地貌区域平均亮度：替代1较常规无雪条件降13.9%，替代2降25.3%；积雪使整体亮度增约81%–84%。常规灯具在晴天与雪天相对于背景天空的灯具周边中位亮度/天空中位亮度比值（L_median(reg.1–3)/L_median(reg.5)）更高（无雪最高达2.30，雪天最高达2.64），替代2比值最低（接近或低于1），表明常规灯具在天际背景下更突出，易产生强对比。Michelson对比度（基于5th与95th百分位亮度）在无雪时常规灯具为0.20，替代1为0.15，替代2为0.14；雪天常规升至0.37，替代2为0.19。因光源过亮致传感器 blooming 等成像伪影，绝对亮度定量受限，但相对对比度趋势明确。

四、讨论与结论总结（翻译浓缩结论部分）

道路灯具旨在照亮路面，但必然有部分光散射与反射至邻接区域。本研究表明，采用旨在减光污染的灯具配置（低CCT、低光通量、"Street comfort"配光及加装遮光格栅）可显著减少向邻接地貌的杂散光照（Stray Light / Light Trespass），其中格栅进一步削减侧向溢光。水平照度简明揭示照度衰减及气象条件差异；立方光场测量提供光矢量方向、光密度及漫射度等光质信息，表征所谓"有效光流（Effective Light Flow）"向地貌的渗透；亮度映射补充远处观察下高亮光源与背景的对比特征，可能关联对动物（昆虫、鸟类、哺乳动物）的吸引或回避行为。雪盖与云层对照明实测值影响极大，说明户外照明性能应在具体运行环境中验证。标准水平照度指标不足单独描述视觉体验及光的空间—方向属性，光场分析与亮度成像联用可更全面刻画光分布及感知效果，未来可结合生态相关波段辐射度量（Radiometric）测量拓展至真正生态中心评估。研究人员建议：于灯具邻近及间距间做立方照度测量以表征人行视角的三维光分布；向地貌延伸做水平与垂直照度甚至辐照度（Irradiance）测光传播距离；用亮度/辐射度相机评估远距对比效应。最终，通过整合水平照度、光场测量与亮度成像，设计师与研究者可更全面理解灯具如何塑造即时视觉环境与远距天空参照对比，从而支撑更具光污染防治意识的户外照明设计与评估。本探索性研究引入"生态中心光场（Eco-centric Light Field）"概念并强调Mury等提出的光流（Light Flow）管理，推动平衡人类可见度需求与生态暗夜需求的照明分析方法。