汪亞江，王舒翼，李 娜，張明宇

(1.天津大學，天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點實驗室，天津 300072；2.天津市建筑設(shè)計研究院有限公司，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)嚴重，已經(jīng)成為影響中國城市環(huán)境質(zhì)量不可忽視的嚴重問題，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在夜間對居民形成了強烈的色光污染。

居住建筑受到周圍的LED廣告屏色光污染問題十分嚴重，嚴重影響了居民的正常生活，相關(guān)學術(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驗方法)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)置提供科學合理的技術(shù)依據(jù)，并為光污染防治標準制定、室外照明環(huán)境等規(guī)范標準的修訂提供研究數(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擾問題的主要因素。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擾現(xiàn)狀，展開針對不同設(shè)置條件下LED廣告屏光侵擾模擬研究[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，可以計算受LED屏侵擾的建筑窗口的平均照度。通過模擬軟件計算出居住建筑窗口照度，通過其是否滿足相關(guān)標準來判斷是否產(chǎn)生光侵擾，衡量模擬結(jié)果是否超標的標準取值主要依據(jù)《城市夜景照明設(shè)計規(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))，綜合實際情況限定值取25 lx。

(2)模擬實驗。前期研究中[3，4]構(gòu)建了多侵擾因素的模擬模型，并確定了LED廣告屏亮度、面積、距受侵擾建筑水平直線距離、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，進行模擬設(shè)計，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，通過實驗軟件模擬，共計獲得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)值進行處理，以進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)值與各個變量進行相關(guān)性分析和擬合。

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

2.3 計算公式擬合

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)值進行顯著性檢驗(sig)和線性相關(guān)性系數(shù)(Pearson Correlation)檢驗，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隨機檢驗值分別為384.509、583.340、818.899、1 426.405和1 232.139，而檢驗值概率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)進行計算，可得到模型回歸系數(shù)(表6)。五個模型的回歸系數(shù)t檢驗結(jié)果均小于0.05，其中模型1回歸系數(shù)t檢驗結(jié)果為0.017，模型2～5常數(shù)項回歸系數(shù)的t檢驗結(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)計學意義，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)計學驗證

通過SPSS分析，對公式進行殘差分布的檢驗，以驗證擬合曲線的合理性。在數(shù)理統(tǒng)計中，殘差是指實際觀察值與估計值(公式擬合值)之間的差。實驗點的標準化殘差應(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，回歸標準殘差直方圖可知數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布；其次，利用SPSS生成標準殘差P-P圖，如果數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，則繪制的各點應(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)性并具有實際意義。

圖2 標準化殘差直方圖Fig.2 Histogram of standardized residuals

圖3 標準化殘差的標準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)進行多重共線性檢驗，經(jīng)SPSS計算，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)限制值計算

利用LED廣告屏光污染影響的居民窗口照度計算方程，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)進行一定條件下的限制值計算，限制值指標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)定限制值計算

當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LED廣告屏面積取值分別為100 m2450 m2，根據(jù)式3計算結(jié)果，可以將亮度限值進一步限定為896.1 cd/m2、562.8 cd/m2、62.8 cd/m2，當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)計算，當其他參數(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算

當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廣告屏時，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)計算可知，當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算

當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°)，即當參數(shù)如上述取值，窗口照度必然超標，無法通過改變垂直夾角來降低窗口照度。

為科學地計算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)計算，當垂直角度每增加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算

LED廣告屏與居住建筑的水平夾取值范圍為0°～90°，但當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，利用公式計算得出水平夾角為450.85°，超出規(guī)定取值范圍[11，12]，即當參數(shù)如上述取值，窗口照度必然超標，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)計算得知，在設(shè)定LED廣告屏時，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)果進行相關(guān)性計算和回歸分析計算，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、藍色的畫面，或盡量降低該顏色畫面的亮度水平；

②嚴格控制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)進行限制值計算，根據(jù)計算結(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)實中，應(yīng)通過測定最受污染窗口照度，根據(jù)式(3)計算應(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。