近日，复旦大学工程与应用技术研究院（以下简称“工研院”）超越照明研究所在国际学术期刊《Sustainable Cities and Society》（中科院工程技术1区TOP期刊，影响因子11.7）上发表题为《Spectral-level assessment of light pollution from urban façade lighting》（城市立面照明光污染的光谱级评估）的学术论文。《Sustainable Cities and Society》专注于基础和应用研究，旨在设计、理解和促进城市的环境可持续和社会韧性发展。工研院2022级博士生吴沛榆为论文第一作者，姚其副研究员为论文通讯作者。

论文简介

随着照明技术的发展，城市夜晚日益明亮，人工光污染也成为全球性问题。作为塑造城市形象、打造夜间经济的重要一环，夜景照明大量使用光谱可调、光色多变的LED光源，极大增加了生物敏感波段的光辐射，同时，由于不同生物的光谱灵敏性差异巨大，使得生态光污染问题更为复杂。然而，当前夜景照明中，对于从光谱层面量化生态光污染的认识较少，照明光谱特性、现有照明指标和不同生物光响应之间的联系也尚未得到充分研究，使得生态照明设计在实践中难以真正落地。本文基于建筑立面照明的高光谱成像数据，从光谱层面对城市夜景照明在地表尺度产生的光污染进行了评估，通过分析不同照明指标与物种作用光谱响应之间的关联，归纳了夜景照明中与人类昼夜节律、明视觉和植物光合作用相关的光谱及光色特征，并综合考量照明的视觉效果和生态影响，提出基于色域映射的光谱选择策略，以平衡夜景照明在城市发展和生态环境之间的需求，为可持续的生态照明设计提供了可行的建议。

本文主要工作

在本文的工作中，研究团队根据在上海陆家嘴金融中心、外滩万国建筑群等7个商业文化街区实测的74个建筑照明立面的高光谱图像数据（图1），对比分析了以多光谱照明为主和以单色投光照明为主的两类建筑立面在传统照明指标——亮度和色彩，以及本文提出的生态照明指标——物种作用光谱响应方面存在的区域性差异，以量化地表尺度的城市夜间光污染中光谱多样性对视觉表现和生态环境的影响。结果表明多光谱照明为主的区域在亮度更高（图2）、色彩更丰富（图3）的同时，也使类昼夜节律、人类明视觉和植物光合作用产生了更复杂的光谱响应（图4a-c），说明在城市夜景照明中进行光谱调控时，需在视觉效果和生态影响之间进行权衡。

图1 照明立面高光谱图像收集

图2 采用(a) 多光谱照明和(b) 投光照明的立面亮度伪色图对比；(c) 各区域立面亮度分布统计

图3 (a-g) 各区域立面色度分布统计及(h) 色域面积占比

本研究进一步量化了不同物种作用光谱响应水平与特定的光谱特征（图4d-f）和光色特征（图4g-i）之间的关联，例如，在峰值波长为477±15 nm，半峰宽为32±14 nm，色纯度89.7%左右的蓝色光谱中，超过80%的光谱辐射会对人类昼夜节律带来潜在影响。另外，本研究也发现在相同亮度水平下，物种作用光谱响应存在较大差异，说明在多光谱照明中，当前以亮度控制为主的光污染防治手段难以有效降低生态影响。据此，本文综合考虑照明区域物种光谱响应特性及其与照明亮度和色度的关联，提出了一种基于色域映射的光谱选择策略（图5），通过对照明颜色进行限制来降低多光谱照明的生态光污染。

图4 (a-c) 各区域照明立面的物种作用光谱响应分布，以及与不同光谱响应水平对应的(d-f)光谱特征和(g-i) 光色特征

图5 基于色域映射的照明光谱选择策略

本论文通过对城市夜景照明立面的光谱级评估，量化了光谱多样性对不同照明指标和物种作用响应的影响，揭示了现行照明指标与生态影响之间的内在联系，有助于增进对当前地表照明光环境的认识，并为发展生态友好的可持续照明实践提供可行的解决方案。该项工作得到了国家自然科学基金的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scs.2023.104827

延伸阅读

复旦大学工研院超越照明研究所姚其团队，专注于应用光谱技术，以光健康、光医疗方向为导向，促进产业化落地。2018-2023年，课题组在城市光污染研究方向，对上海、深圳等一线城市进行城市光环境光谱维度数据采集、分析，积累第一手数据。课题组首次提出色彩评估光污染技术，提取光源大数据光谱特征，形成精准光污染评估的降维技术，有效存储城市维度光信息数据，有助于构建智慧城市中光、能源应用的全面数据库。2021 -2023年，团队多次参与上海各类重要景观照明评审会议，并受邀为多项重要景观照明改造和评测工作提供技术支持。姚其团队将一直致力于城市光健康相关技术积累提升，服务上海及全国其它城市照明科学应用、发展。