Оптико-электронные методы и средства комплексной оценки распределения яркости в условиях городской среды тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Колгушкина Светлана Владимировна

• Колгушкина Светлана Владимировна
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Колгушкина Светлана Владимировна

РЕФЕРАТ

SYNOPSIS

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 .ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ОЦЕНКЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЯРКОСТИ В ПОЛЕ ЗРЕНИЯ НАБЛЮДАТЕЛЯ В УСЛОВИЯХ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ

1.1 Распределение яркости в поле зрения наблюдателя

1.2 Оптико-электронные методы и средства оценки яркости и ее распределения

1.3 Нормативные документы, определяющие степень светового воздействия, действующие на территории России, Европейского союза, Северной Америки (Методики оценки нормативных характеристик)

1.4 Модель спектральной чувствительности глаза в условиях сумеречного зрения

1.5 Метод оценки свечения неба при разных оптических свойствах нижних

слоев атмосферы

Выводы по главе

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ И МЕТОДИКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЯРКОСТИ

2.1 Структура оптико-электронного комплекса для исследования распределения яркости

2.2 Методика использования оптико-электронного комплекса для

исследования распределения яркости

2.4 Математическая модель анализа фонового свечения неба с учетом

оптических свойств нижних слоев атмосферы

Выводы по главе

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СВЕТОВОЙ СРЕДЫ НА БАЗЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

3.1 Исследование яркостных характеристик улично-дорожной сети города Санкт-Петербурга на основе алгоритма методики комплексной оценки распределения

3.2 Исследование яркостных характеристик объектов с архитектурным освещением городов Санкт-Петербург, Тула, Южно-Сахалинск на основе алгоритма комплексной оценки распределения яркости с позиции восприятия пешехода

3.3 Исследование рекомендуемых параметров на основе методики комплексной оценки распределения яркости с помощью оптико-электронного комплекса

3.4 Исследование яркости нижних слоев атмосферы города Санкт-Петербурга на основе алгоритма комплексной оценки распределения яркости с позиции восприятия пешехода

3.5 Сводные результаты экспериментальных исследований оптико-электронного комплекса для различных районов города Санкт-Петербурга .... 143 Выводы по главе

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВНЕДРЕНИЯ МЕТОДА КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЯРКОСТИ В УСЛОВИЯХ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ С ПОМОЩЬЮ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ

ПРИБОРОВ

4.1 Разработка предложений по актуализации нормативных требований с целью

повышения качества световой среды

Выводы по главе

Заключение

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Приложение А. Справка о внедрении результатов

Приложение Б. Диплом победителя конкурса грантов

Приложение В. Тексты публикаций

РЕФЕРАТ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптико-электронные методы и средства комплексной оценки распределения яркости в условиях городской среды»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования

Интерес к комплексной оценке световых полей зрением человека в условиях городской среды в вечернее время обусловлен широким распространением искусственных источников оптического излучения и необходимостью совершенствования принципов нормирования их воздействия на человека.

Световая среда города как совокупность излучений, генерируемых источниками искусственного света определяется как непосредственно световыми потоками, так и результатами их трансформации окружающей предметной средой, воспринимается глазом человека по распределению яркости в пространстве.

Наряду с исследованиями значений яркости по сцене наблюдаемых объектов необходим анализ ее влияния на характер формируемых зрительных ощущений с учетом моделей зрительного анализатора человека как приемника излучения.

Степень допустимого воздействия световой среды на человека в условиях города определяется рядом нормативных документов, в частности, СП 52.13330.2016 Естественное и искусственное освещение, актуализированная редакция СНиП 23-05-95.

Радикальное усложнение световой среды в процессе современного градостроительства определяет тенденцию совершенствования всей нормативной базы, регулирующей световое воздействие, что определяет необходимость развития соответствующих оптико-электронных средств метрологического обеспечения в плане расширения их функциональности и увеличения точности измерения нормируемых параметров.

В частности, наличие в поле зрения сразу нескольких объектов с уровнем яркости по направлению наблюдения, превышающем среднее нормируемое значение, ведет к тому что наблюдатель находится в условиях неустановившегося зрительного процесса, что снижает скорость его реакции и способность к объективной оценке динамики сцены.

Применение разрозненных измерительных средств для оценки световых полей вводимых в эксплуатацию объектов искусственного освещения не позволяет анализировать их воздействие как единой совокупности излучений первичных и вторичных источников что приводит к формированию дискретного, не сбалансированного по яркости светового окружения с негативным воздействием на зрительное восприятие водителя и пешехода.

Указанное обстоятельство определяет актуальность темы диссертационного исследования, посвященной исследованию возможности создания оптико-электронных методов и средств комплексной оценки распределения яркости.

Степень научной проработанности проблемы

Исследованием и развитием оптико-электронных приборов для измерения яркости и распределения яркости в разное время занимались такие ученые как В.В. Мешков, М.М. Гуревич, С. Вольф, В. Боммель и другие. Проводилась разработка оптических приборов для исследования яркости в узком поле, но возможности реализации системы анализа распределения яркости появились относительно недавно и не получили массового внедрения. В частности, коллективами под руководством указанных ученых проводились исследования в области контроля соответствия величин яркости и их субъективного восприятия, однако в этих работах недостаточно подробно рассматриваются вопросы применения оптико-электронных методов оценки распределения яркости для полевых исследований в реально существующей городской среде. Однако, рассматривались отдельно взятые приборы без их объединения в едином комплексе, что не было применимо к условиям развивающейся городской среды.

В диссертационной работе объект исследования - оптико-электронный комплекс приборов для измерения распределения яркости при метрологическом обеспечения нормативной базы воздействия световых полей.

Предмет исследований Особенности построения и методики использования оптико-электронного комплекса для измерения распределения яркости в условиях городской с учетом воздействия на зрительный аппарат человека

Целью диссертационной работы является

Разработка структуры оптико-электронного комплекса приборов для измерения распределения яркости, формирование методик его использования и алгоритмов определения выходных нормируемых параметров по результатам измерений.

Задачи диссертационной работы

• Анализ существующих методов и средств измерения распределения яркости на предмет возможности их использования и объединения в единой системе оценки оптических полей с учетом модели спектральной чувствительности глаза стандартного наблюдателя;

• Определение методики учета модели спектральной чувствительности глаза в условиях сумеречного зрения;

• Разработка структуры оптико-электронного комплекса для исследования распределения яркости, формируемой совокупным действием искусственных источников оптического излучения, в условиях городской среды в вечернее время;

• Разработка методики применения приборов комплекса и методики определения нормируемых характеристик по результатам наблюдения каждого прибора;

• Разработка методики экспериментальных исследований оптико-электронного комплекса для анализа оптических полей в реальных условиях городской среды;

• Проведение экспериментальных исследований с целью проверки правильности принципов, заложенных в основу исследуемого комплекса

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Разработана структура и установлены основные соотношения между параметрами компонентов оптико-электронного комплекса для измерения характеристик распределения яркости в условиях городской среды при определения как стандартизованных, так и перспективных нормируемых показателей светового воздействия;

2. Разработана методика измерений параметров полей яркости в условиях городской среды, основанная на функциональном сочетании результатов измерений отдельных компонентов оптико-электронного комплекса c учетом изменения зрительного восприятия в условиях сумеречного зрения;

Теоретическая и практическая значимость работы

1. Доказана возможность построения оптико-электронного комплекса для оценки распределения яркости с учетом изменения зрительного восприятия в условиях сумеречного зрения;

2. Установлено, что для расширения перечня измеряемых параметров полей яркости необходимо учитывать влияние яркости свечения облачного покрова и воздушных аэрозолей.

3. Разработана методика расчета уточненного значения мезопической яркости с учетом результатов измерений спектральных характеристик основного источника света в регистрируемой сцене.

4. Определена структура алгоритма функционального сочетания результатов измерений компонентов оптико-электронного комплекса при расчете измеренных нормируемых и рекомендуемых характеристик полей яркости.

5. Результаты экспериментального исследования характеристик световых полей в характерных сценах городов Санкт-Петербурга, Тулы, Южно-Сахалинска с использованием спроектированного и реализованного оптико-электронного комплекса подтвердили возможность реализации предложенных методик и алгоритмов определения параметров распределения яркости при нормативной оценке систем освещения городской среды.

Методология и методы исследования

Для решения поставленных задач в диссертационной работе использовались базовые методы оптических измерений, математические методы теории оптико-электронных приборов, методы системного анализа и цифровой обработки сигналов и изображений. Комплексирование и обработка данных исследования проводились методами компьютерного моделирования в программах Python,

Labsoft, разработан экспериментальный комплекс для измерения распределения яркости.

Положения, выносимые на защиту

1. Для увеличения точности измерения нормированных параметров оценки световых полей городской среды и расширения перечня рекомендуемых характеристик при её анализе структура оптико-электронного комплекса должна включать 4 измерительных средства:

- для определения параметров яркости объектов сцены в соответствующем широком угловом поле,

- уточнения значения яркости наиболее интенсивного наблюдаемого светового источника,

- определения спектра видимого оптического излучения для оценки значения мезопической яркости наблюдаемых объектов в условиях вечернего и ночного освещения,

- измерения яркости вечернего и ночного неба в городских условиях для коррекции найденных нормируемых параметров оценки световых полей.

2. Алгоритм обработки экспериментально полученных оптико-электронным комплексом данных на основе принципов мезопической фотометрии с учетом спектральной состава источников излучения и особенностей смещения спектральной чувствительности зрительного анализатора в коротковолновую часть спектра позволяет уменьшить погрешность измерения нормативных и рекомендуемых к использованию параметров оценки полей яркости для диапазона яркостей 0,05-5 кд/м2, при этом в зависимости от адаптации, погрешность оценки параметров может быть уменьшена на величину до 16%.

3. Методика уточнения результатов измерений оптико-электронным комплексом, основанная на учете влияния яркости неба в условиях городского освещения, позволяет уменьшить погрешность измерений как нормативных, так и рекомендуемых к использованию параметров оценки полей яркости на 10%.

4. Разработанная методика оценки световых полей объектов городской среды, основанная на определении как нормированных, так и рекомендуемых параметров

яркости источников, наблюдаемых субъектами сцен (водители, пешеходы) позволяет увеличить не менее, чем на 0,2 достоверность оценки соответствия световой среды установленным нормам по сравнению с типовой методикой, основанной на выборочных измерениях освещенности в отдельных контрольных участках.

Практическая реализация результатов работы

С помощью разработанных оптико-электронного комплекса и методики проведения измерений выполнена комплексная оценка соответствия установленным нормам световых полей на типовых контрольных участках трех различных по характеру освещения городов: Санкт-Петербурге, Туле, Южно-Сахалинске. Результаты диссертационной работы отражены в 2 отчетах по НИР, проводимых коллективом авторов на базе университета ИТМО. НИР 216642 Разработка Комплексной программы развития Санкт-Петербурга как центра Световой культуры на период 2018-2030 г.г. с перспективой до 2050 г.г. отчёт №АААА-Б 17-217020140238-0, НИР 218850 Исследование и разработка методов поддержки принятия решений в области управления наружным освещением на основе комплекса математических прогнозных моделей, №АААА-А19-119022090034-7,

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись и докладывались на следующих научно-практических конференциях и семинарах: XLVI Научная и учебно-методическая конференция ИТМО, XLVII Научная и учебно-методическая конференция ИТМО, Международная научно-практическая конференция «Световой дизайн - 2016», Международная научно-практическая конференция «Световой дизайн - 2017», VII Всероссийский конгресс молодых ученых, XLVШ Научная и учебно-методическая конференция ИТМО, Конгрессе молодых ученых ИТМО 2018.

Личный вклад автора

Все результаты, представленные в работе получены лично автором или при его определяющем участии.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них 2 статьи в изданиях из перечня ВАК, 1 статьи в изданиях, включенных в систему цитирования Web of Science, 6 публикации в иных изданиях.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и задачи.

В первой главе проводится аналитический обзор основных теоретических и методологических подходов к оценке распределения яркости в поле зрения наблюдателя в условиях городской среды. Определен набор характеристик, получаемых на основе данных о распределении яркости в поле зрения, которые важно учитывать с точки зрения оценки формируемого зрительного ощущения субъектов наблюдаемых сцен (водителей и пешеходов).

Проведен анализ существующих на данный момент оптико-электронных приборов для оценки яркости точечным методом и для фиксации распределения яркости по изображению, а также методов оценки в нормируемых параметров оценки световых полей городской среды в соответствии, установленные ГОСТ 26824-2018 и ГОСТ 24940-2016. Рассмотрены нормативные документы, определяющие степень светового воздействия, которые действуют на территории России, Европейского союза, Северной Америки, проанализированы принципы классификаций городских пространств, устанавливающие допустимые количественные критерии значений яркости, проведен сравнительный анализ нормативных документов, регламентирующих оптические и фотометрические методы оценки, действующие на территории России, Европейского союза, Северной Америки.

Рассмотрена модель спектральной чувствительности глаза в условиях сумеречного зрения в связи с тем, что отличительные особенности глаза как биологического приемника существенно влияют на точность проводимых измерений. Средний диапазон значений яркости, характерный для оптического поля адаптации в условиях вечернего города, без учета объектов высокой яркости,

попадает в диапазон значений яркости 0,05-5 кд/м2,, для описания которых используются принципы мезопической фотометрии, которые описывает переходное состояние зрительного анализатора. При этом, приборы, используемые для оценки уровня яркости, в условиях города имеют спектральную коррекцию, соответствующую спектральной чувствительности глаза стандартного наблюдателя для дневного зрения, которому характерны значения яркостей выше 5-10 кд/м2. Рекомендуемая система мезопической фотометрии в соответствии с техническими отчетами Международной комиссии по освещению CIE 191:2010 и CIE TN 004:2016 описывает спектральную световую эффективность Vmes (X), в диапазоне яркостей 0,05-5 кд/м2 как линейное сочетание функции фотопической спектральной световой эффективности, V(X) и скотопической спектральной световой эффективности, V '(X) и устанавливает постепенный переход между этими двумя функциями по всей мезопической области.

В соответствии с техническими отчетами МКО CIE 191:2010 и CIE TN 004:2016 функция относительной спектральной световой эффективности для условий мезопического зрения определяется формулой:

УУауе1епд1 (пт)

Рисунок 1 - Спектральная чувствительность глаза и ее смещение при мезопической фотометрии.

Ушез(А) = ^ [тУ(А) + (1 - т)У(А)] (1)

М(х) = тах[тУ(А) + (1 - т)У(А)] (2)

где М(х) - нормализующая функция, переводящая значения относительной

спектральной эффективности для условий мезопического зрения к 1.

m - адаптационный коэффициент, определяющийся по фотопической яркости адаптации и спектральных характеристиках поля адаптации.

В связи с инерционностью зрительного аппарата и сложностью процесса зрительного восприятия, на который оказывают влияние яркостные соотношения в поле зрения и изменения условий адаптации для субъектов наблюдаемых сцен (водителей и пешеходов) разброс значений яркости в поле зрения определяет необходимое время на стабилизацию зрительного процесса, что оказывает влияние на скорость обнаружения объектов разных угловых размеров в поле зрения. В связи с наличием светочувствительных клеток различного типа в составе зрительного аппарата, относительная спектральная световая эффективность глаза зависит от условий возбуждения. Зависимость обнаруживается при вариациях яркости и спектрального состава излучения в широких пределах и во всех разновидностях неустановившихся процессов, что также влияет на характер формируемого зрительного ощущения. Радикальное усложнение световой среды города принципиально влияет на условия адаптации, которые определяются совокупностью яркостей первичных и вторичных источников излучения. Этот факт ставит под сомнение принципы, заложенные в нормативной базе, в соответствии с которыми субъект в городской среде адаптирован на уровни яркости горизонтальных поверхностей, что определяет тенденцию развития оптико-электронных средств и методов их применения, позволяющих оценить распределение яркости в пределах оптического поля для характерных условий наблюдения в реально существующих сценах.

Анализ существующих оптико-электронных приборов для измерения яркости позволяет сделать вывод, что для реализации комплексной оценки распределения яркости с помощью оптико-электронных методов в условиях вечернего города необходима разработка структуры оптико-электронного комплекса с блоком обработки полученных значений, для реализации которого требуется объединение приборов, позволяющих: определить значения яркости методом по изображению в широком угловом поле, уточнить значений яркости наиболее интенсивных

источников излучения в узком угловом поле, зафиксировать значения яркости вечернего и ночного неба и определить спектральный состав оптического излучения.

Во второй главе приводится структура разработанного оптико-электронного комплекса для исследования распределения яркости и методика его использования. Экспериментальная установка комплекса включает приемную систему, состоящую из четырех приборов: для регистрации и хранения данных о распределении яркости сцены в пределах изображения, захватываемого яркомером LMK Mobile Advanced в угловом поле 45°х65°, данных о точечных значениях яркости искусственных источников излучения, полученных с помощью яркомера Konica Minolta LS-100 в угловом поле 1°,, точечных значений яркости нижних слоев атмосферы в угловом поле 10°, полученных с помощью яркостного фотометра SQM-LU-DL, данных о спектральном составе искусственных источников излучения, полученных с помощью спектрометра UPRTEK MK 350.

Рисунок 2 - Структурная схема оптико-электронного комплекса для целей измерения распределения яркости в условиях городской среды относительно позиции наблюдения.

Распределение яркости сцены в городской среде рассматривается с точки

зрения трех уровней восприятия: горизонтального, который соответствует всем попадающим в поле зрения горизонтальным поверхностям, вертикального, который формируется объектами в вертикальной плоскости, независимо от их расположения в поле зрения (как перпендикулярно направлению восприятия, так и вдоль направления восприятия) и фоновую яркость неба, которая, в зависимости от погодных условий, также оказывает влияние на зрительное восприятие. Принципы нормирования характеристик оценки световых полей городской среды делятся на две группы: к первой относится методика прямого нормирования по уровню видимости, ко второй - косвенного нормирования по значениям фотометрических единиц. Исследование распределения яркости в поле зрения позволяет рассматривать обе методики одновременно: прямой метод измерения позволяет оценить фактические уровни яркости горизонтальных и вертикальных поверхностей, и сопоставить полученный результат с нормативными требованиями; анализ рекомендуемых параметров позволяет рассчитать уровень видимости.

Разработанная методика использования оптико-электронного комплекса для исследования распределения яркости учитывает основные методы по измерению нормируемых параметров, установленные ГОСТ 26824-2018 и ГОСТ 24940-2016 и служит для определения рекомендуемых параметров, учет которых является важным с точки зрения перехода к принципам прямого нормирования.

Фиксация распределения яркости осуществляется по основным линиям направления наблюдения: для водителей автотранспорта линия наблюдения направлена вперед относительно дорожного полотна, для пешеходов - линия наблюдения направлена вдоль тротуара или пешеходного пространства, либо ориентирована на объект с архитектурным освещением. Для более точной оценки слепящего действия светильников их яркость по направлению наблюдения оценивается с помощью яркомера Konica Minolta, усредняющего значение яркости в пределах фиксированного угла. Яркость неба оценивается в пределах зенитного угла с указанием погодных условий и учетом времени года и фазы активности луны. Погрешность измерений оценивается в соответствии с принципами

мезопической фотометрии, которые позволяют оценить значение яркости в зависимости от спектральной чувствительности глазного анализатора в зависимости от условий адаптации и спектрального состава источника излучения.

Рисунок 3 - Расположение приборов оптико-электронного комплекса при проведении измерений.

Рисунок 4 - Структура проведения комплексного исследования Алгоритм обработки полученных результатов с точки зрения водителя и пешехода: значения яркости сцены в широком угле поступают далее в программный пакет обработки результатов Labsoft.

Далее в зависимости от того, проводится оценка нормируемых или рекомендуемых параметров происходят различные этапы обработки результатов.

Таблица 1 - Исследуемые характеристики (нормируемые).

Водитель Пешеход

• Средняя яркость дорожного полотна • Продольная равномерность яркости • Общая равномерность яркости • Средняя яркость тротуара • Общая равномерность яркости • Средняя яркость элемента фасада

Значение средней яркости дорожного полотна определяется по формуле:

ь = (Ш^)/п (3)

где Ь" - яркость ш элементарной площадки рабочей поверхности, п - число элементарных площадок рабочей поверхности

Продольная равномерность яркости определяется формулой:

= Ьт"п/Ьтах (4)

Общая равномерность яркости определяется формулой:

= Ьт"п/Ьср (5)

Для оценки нормируемых параметров с точки зрения субъекта водителя производится оценка значений средней яркости в соответствии с формулой (3) для контрольного прямолинейного участка, выбранного по принципам, установленным ГОСТ 26824-2018, а также значений общей равномерности яркости (5) и продольной равномерности яркости (4), после чего производится проверка полученных значений на соответствие нормам СП 52.13330.2016 (Таблица 7.10); для оценки нормируемых параметров с точки зрения субъекта пешехода производится оценка значений средней яркости в соответствии с формулой (3) для контрольного прямолинейного участка, выбранного по принципам, установленным ГОСТ 26824-2018, а также значений общей равномерности яркости (5) и средней яркости элемента фасада в случае его наличия в поле зрения, после чего производится проверка полученных значений на соответствие нормам СП 52.13330.2016 (Таблица 7.10);

Рисунок 5 - Вычисление нормируемых характеристик

Таблица 2 - Исследуемые характеристики (рекомендуемые).

Водитель Пешеход

• Уровень видимости • Яркость центрального поля зрения • Яркость периферии • Яркость адаптации • Пороговое приращение яркости • Яркость центрального поля зрения • Яркость периферии • Яркость адаптации • Пороговая разность яркости • Показатель дискомфорта • Яркость нижних слоев атмосферы

Для оценки уровня видимости объекта используется соотношение [1,17,93]:

уь = Щ = Ч (6)

мп ка

где VL - уровень видимости, ДLф и Кф - соответственно фактическая разность яркости и фактический контраст объекта и фона в поле зрения, Д Lп и Кп - пороговая разность яркости обнаружения и пороговый контраст объекта и фона при заданных условиях яркостной адаптации и угловых размерах объекта наблюдения.

Пороговое приращение яркости оценивается соотношением: [1,75,80]

34 = 70~8 • (7)

Вуалирующая яркость определяется суммарным действием каждого светильника в отдельности:

Ь;еи = 10 •1=^=10 Н • СЬз(в") (8)

Для оценки рекомендуемых параметров на основе значений яркости сцены в широком угле оценивается значение яркости адаптационного поля в пределах 10°х20°; на основе данных измерений спектрального состава ближайшего источника излучения оценивается значение эффективного потока излучения для скотопической и фотопической систем, на основе которых производится расчет значений S/P фактора по формуле (9);

SP KmfRes(A)V(A)dA ( )

в зависимости от значений яркости поля адаптации и S/P фактора уточняется значение коэффициента адаптации для перехода к мезопической фотометрии в случае когда яркость адаптации составляет 0,05 - 5 кд/м2, коэффициент адаптации m, равный 1 соответствует относительной спектральной чувствительности для дневного времени, коэффициент адаптации m, равный 0 соответствует относительной спектральной чувствительности для дневного времени; данные случаи являются пограничными, для них пересчет значений яркости не производится; если адаптационный коэффициент 0<m<1, осуществляется пересчет значений яркости в соответствии с формулой (20) центрального поля зрения в пределах угла 2°, адаптационного поля в пределах угла 10°х20° и периферического поля в пределах угла 45°х65° без учета адаптационного поля; по данным значений яркости центрального поля зрения в пределах угла 2° производится расчет значений видимости по формуле (6);

Рисунок 6 - Вычисление рекомендуемых характеристик

- по данным значений яркости неба в узком угле производится уточнение значений яркости в зависимости от S/P фактора источника излучения, вычисленного по формуле (23); по данным значений яркости источника излучения в узком угле 1° производится расчет вуалирующей яркости и порогового приращения яркости.

Рисунок 7 - Алгоритм методики комплексной оценки распределения яркости.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований для городов Санкт-Петербург, Южно-Сахалинск, Тула. В рамках экспериментальных исследований рассматривалась возможность использования разработанного оптико-электронного комплекса и методики комплексной оценки распределения яркости на его основе для анализа условий наблюдения в городской среды. На основании разработанной методики в соответствии с целевым назначением объектов получены значения нормируемых и рекомендуемых параметров на основе значений яркости для выбранных пилотных зон указанных городов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Колгушкина Светлана Владимировна, 2020 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Van Bommel, W. Road lighting Fundamentals, Technology and application / W. van Bommel. - Switzerland: Springer, 2015. - 334 p.

2. Bass M. Handbook of Optics, Vol. 2: Devices, Measurements, and Properties, Second Edition 2nd Edition / Optical Society Of America. - McGraw-Hill Professional, 1995. - 1568 p.

3. Elvik, R. The handbook of road safety measures / R. Elvik. - 2nd revised. -Amsterdam: Elsevier, 2009. - 1124 p.

4. Johansson, M. Individual factors influencing the assessment of the outdoor lighting of an urban footpath / M. Johansson, M. Rosen, R. Kuller // Lighting Res Technol. - 2011. - V. 43 - pp. 31-43.

5. Adrian W., Gibbons R. Amendments in calculating STV: influence of light reflected from the road surface on the target luminance // Proceedings of the 2nd international symposium on visibility and luminance in roadway lighting. Lighting Research Institute, New York, 1993.

6. Bacelar, A. Calculated visibility model for road lighting installations / A. Bacelar, J. Cariou, M. Hamard // Light Res Technol. - 2000. - V. 31 - pp. 177-180.

7. Kruisselbrink, T. Photometric measurements of lighting quality: An overview / T. Kruisselbrink, R. Dangol, A. Rosemann // Building and Environment. - 2018. - V.138 - pp. 42-52.

8. Bremond R. Photometric measurements for visibility level computations / R. Bremond, E. Dumont, V. Ledoux, A. Mayeur // Light Res Technol. - 2011. - V. 43. - pp. 119-128.

9. Dijon J., Justin M. Quality criteria for road lighting: luminance and uniformity levels or visibility? // Proceedings International Lighting Conference, Istanbul, 1999.

10.Ekrias, A. Analysis of road lighting quantity and quality in varying weather conditions / A. Ekrias, M. Eloholma, L. Halonen // Leukos. - 2007. - V.4. - pp. 89-98.

11 .Fisher, A. Road luminances based on detection of change of visual angle / A. Fisher, R. Hall // Light Res Technol. - 1976. - V.8. - pp. 187-194.

12. Hargroves, R. Measurements of road lighting and accidents—the results / R. Hargroves, P. Scott // Public Light. - 1979. - V.44. - pp. 213-221.

13. Lecocq, J. Calculation of the visibility level of spherical targets in roads / J. Lecocq // Light Res Technol. - 1999. - V 31. - pp. Lecocq, J. (1999). Calculation of the visibility level of spherical targets in roads. Lighting Research and Technology, 31(4), 171-175.

14. Mayeur, A. The effect of task and eccentricity of the target on detection thresholds in mesopic vision: implications for road lighting / A. Mayeur, R. Bremond, C. Bastien // Hum Fact. - 2008. - V 50. - pp. 712-721.

15. Ylinen A. Road Lighting Quality, Energy Efficiency, and Mesopic Design - LED Street Lighting Case Study / A. Ylinen, L. Tahkamo, M. Puolakka, L. Halonen // Leukos. - 2011. - V 8. - pp. 9-24

16. Viliunas, V. Subjective evaluation of luminance distribution for intelligent outdoor lighting / V. Viliunas, H. Vaitkevicius, R. Stanikunas // Lighting Res. Technol. - 2014. - V. 46. - pp. 421-422

17. Johansson, M. Individual factors influencing the assessment of the outdoor lighting of an urban footpath / M. Johansson, M. Rosen, R. Kulle // Lighting Res. Technol. - 2011. - V. 43. - pp. 31-43.

18. Hanel, A. Measuring night sky brightness: methods and challenges / A. Hanel, T. Posch, S. Ribas // Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer. - 2017. - V. 205. - pp. 278-290

19. Kohko, S. Study on Affects of Veiling Luminance on Pedestrian Visibility / S. Kohko, K. Kawakami, Y. Nakamura // J. Light & Vis. Env. - 2008. - V. 32. -pp. 315-324.

20. Tomczuk, P. Assessment model of luminance contrast of pedestrian figure against background on pedestrian crossing / P. Tomczuk // Przaglad Elektrotechniczny. - 2012. - V 88. - pp. 104-107.

21. Zalesinska, M. Examination of luminance distributions in the field of vision of drivers in locations with LED billboards / M. Zalesinska, K. Wandachowicz // Przaglad Elektrotechniczny. - 2013. - V 89. - pp. 270-273.

22. Kruisselbrink, T. Measuring the Luminance Distribution / T. Kruisselbrink, M. Aries // International Journal of Sustainable Lighting. - 2017. - V.19. - pp. (НЕТ СТРАНИЦ)

23. Slominski S. Typical Causes of Errors During Measuring Luminance Distributions in Relation to Glare Calculations // IEEE Conference Paper. 2018.

24. Aghemo C., Pellegrino A., Fisanotti D. Environmental and Energy Performance of Public Lighting Installations: Results of a Measurement Campaign // IEEE Conference Paper. 2018.

25. Ashdown, I. Near-Field Photometry: A New Approach / I. Ashdown // Journal of the Illuminating Engineering Society. - 1993. - V 22. - pp. 163-180. Doi: 10.1080/00994480.1993.10748029

26. Ashdown, I. Luminance Gradients: Photometric Analysis and Perceptual Reproduction / I. Ashdown // Journal of the Illuminating Engineering Society. -1996. - V 25. - pp. 69-82. Doi: 10.1080/00994480.1996.10748135.

27. Baleja I., Helstynova I. Measurement of luminance ratios at pedestrian crossings // IEEE Conference Paper. 2015.

28. Bartleson, C. Brightness Perception in Complex Fields / C. Bartleson, E. Bseneman // Journal of the optical society of America. - 1967. - V. 57. - pp. 953957.

29.Bartzokasa, A. Comparison between winter and summer sky-luminance distribution in Central Europe and in the Eastern Mediterranean / A. Bartzokasa, H. Kambezidisb, S. Darulac, R. Kittlerc // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. - 2005. - V. 67. - pp. 709-718.

30.Bojda, P. Creating architectural illumination, taking into account the influence of road lighting / P. Bojda, L. Bena, H. Wachta // Elektrotechnika. - 2015. - V. 34. - pp. 13-22.

31. Eble-Hankins, M. VCP and UGR Glare Evaluation Systems: A Look Back and a Way Forward / M. Eble-Hankins, C. Waters // Leukos. - 2004. - V.1. - pp. 738. Doi: 10.1582/leukos.2004.01.02.001

32. Goodman, T. Measurement and specification of lighting: A look at the future / T. Goodman // Lighting Res. Technol. - 2009. - V. 41. - pp. 229-243

33. Stokkermans, M. The effect of spatial luminance distribution on dark adaptation / M. Stokkermans, I. Vogels, I. Heynderickx // Journal of Vision. - 2016. - V. 16. - pp. 1-15.

34. Johansson, M. Perceived outdoor lighting quality (POLQ): A lighting assessment tool / M. Johansson, E. Pedersen, P. Maleetipwan-Mattsson // Journal of Environmental Psychology. - 2013. - V. 39. - pp. 14-21.

35. Kocifaj, M. Night sky luminance under clear sky conditions: Theory vs. experiment / M. Kocifaj // Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer. - 2014. - V. 139. - pp. 43-51.

36. Li, Q. A survey of the luminance distribution in the nocturnal environment in Shanghai urban areas and the control of luminance of floodlit buildings / Q. Li, G. Yang, L. Yu // Lighting Res. Technol. - 2006. - V. 38. - pp. 185-189.

37.Liu, M. Measurement and distribution of urban light pollution as day changes to night / M. Liu, B. Zhang, W. Li, X. Guo, X. Pan // Lighting Res. Technol. - 2017. - V. 50. - pp. 616-630.

38. Veiling luminance and visual adaptation field in mesopic photometry / M. Maksimainen, M. Puolakka, E. Tetri, L. Halonen // Lighting Res. Technol. -2016. - V. 46. - pp. 743-762.

39. Исследование различных критериев оценки серии оптических изображений в методе датчика деформации интегрального типа / С.В. Панин, П.С. Любутин, М.В. Бурков, Ю.А. Алтухов, С.А. Хижняк, В.П. Кузнецов // Вычислительные технологии. - 2014. - Т. 19, №3. - с. 103-117.

40. Camera preparation and performance for 3D luminance mapping of road environments / M. Kurkela, M. Maksimainen, M. Vaaja, J. Virtanen // The

Photogrammetric Journal of Finland. - 2017. - V. 25. - pp. 1-23. Doi: 10.17690/017252.1

41. Novak, P. Instrumentation for long term measuring of parameters under night sky / P. Novak, P. Zavada, K. Sokansky // Przaglad Elektrotechniczny. - 2011. -V. 87. - pp. 55-58.

42. Luminance-Corrected 3D Point Clouds for Road and Street Environments / M. Vaaja, M. Kurkela, J. Virtanen, M. Maksimainen, H. Hyyppa, J. Hyyppa, E. Tetri // Remote Sens. - 2015. - V.7. - pp. 11389-11402. Doi: 10.3390/rs70911389

43. Sokansky K., Zavada P., Novak T., Kolar V., Hrbac R. Development of measuring instruments for long-term measurement of low level illuminances and luminances // IEEE Conference Paper. 2010.

44. Garau, C. Evaluating Urban Quality: Indicators and Assessment Tools for Smart Sustainable Cities / C. Garau, V. Pavan // Sustainability. - 2018. - V. 10. - pp. 1-18. Doi: 10.3390/su10030575.

45. Unarski J., Wach W., Ci<?pka P. Determining visibility distance based on measurements with the LMK system // Proceedings of the 22th Annual Congress of the European Association for Accident Research and Analysis. 2013.

46.Walker, R. Optical Systems for Defining the Viewing and Measuring Fields in Luminance/Radiance Meters / R. Walker // Applied optics. - 1972. - V. 11. - pp. 2060-2068.

47. Zalesinska, M. The impact of the luminance, size and location of LED billboards on drivers' visual performance — Laboratory tests / M. Zalesinska // Accident Analysis and Prevention. - 2018. - V. 117. - pp. 439-448. Doi: 10.1016/j.aap.2018.02.005.

48. Bommel, W. Lighting for work: a review of visual and biological effects / W. Bommel, G. Beld // Light. Res. Technol. - 2004. - V.36. - pp. 255-266. Doi: 10.1191/1365782804li122oa

49. Boyce P. Human Factors in Lighting, third ed. CRC Press. 2014.

50. Implementing non-image-forming effects of light in the built environment: a review on what we need / P. Khademagha, M. Aries, A. Rosemann, E. Loenen // Build. Environ. - 2016. - V.108. - pp. 263-272.

51. Veitch, J. Determinants of lighting quality I: state of the science / J. Veitch, G. Newsham // Journal of the Illuminating Engineering Society. - 1998. - V.27. -pp. 92-106. Doi: 10.1080/00994480.1998.10748215.

52. Boyce P., Lighting quality for all // CISBE SLL International Lighting Conference, Dublin. 2013.

53. Veitch, J. Psychological processes influencing lighting quality / J. Veitch // Journal of the Illuminating Engineering Society. - 2001. - V.30. - pp. 124-140.

54. Veitch, J. Preferred luminous conditions in open-plan offices: research and practice recommendations / J. Veitch, G. Newsham // Light. Res. Technol. -2000. V.32 - pp. 199-212. Doi: 10.1177/096032710003200404

55.Nagy, Z. Occupant centered lighting control: a user study on balancing comfort, acceptance, and energy consumption / Z. Nagy, F. Yong, A. Schlueter // Energy Build. - 2016. - V.126. - pp. 310-322. Doi: 10.1016/j.enbuild.2016.05.075.

56.Bean, A. The CSP index: a practical measure of office lighting quality as perceived by the office worker / A. Bean, R. Bell // Light. Res. Technol. - 1992. - V.24. - pp. 215-225. Doi: 10.1177/096032719202400405

57. Chung T., Burnett J. Lighting quality surveys in office premises // Indoor Built Environ. 2000.Doi: 10.1177/

58. Мешков В.В., Матвеев А.Б. Основы светотехники. Учеб. пособие для вузов: В 2-х ч. Часть 2. Физиологическая оптика и колориметрия. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1961. 432 с.

59. Быстрянцева, Н.В. Выявление системы восприятия человеком освещенных пространств и объектов в городской среде / Н.В. Быстрянцева, Н.В. Матвеев // Светотехника. - 2014. - №4. - С. 52-55.

60. Быстрянцева, Н.В. Развитие теории световой среды вечернего города / Н.В. Быстрянцева // Светотехника. - 2012. - №5. - С. 60-63.

61. Каменская, Г.В. Методические рекомендации по проектированию наружного архитектурного освещения зданий и сооружений / Г.В. Каменская, Л.И. Петрова и др. М. : ЦНИИЭП инж. оборудования, 1977. 63 с.

62. Регламент архитектурно-художественной подсветки в Санкт-Петербурге. Утвержден правительством Санкт-Петербурга 29.12.2012 г. № 5-H.

63. Свод правил СП 52.13330.2011. Естественное и искусственное освещение [Утвержден Приказом Минрегиона РФ от 27 декабря 2010 г. N 783]. Актуализированная редакция СНиП 23-05-95. — М., 2011.

64. Справочная книга по светотехнике / под общ. ред. проф. Ю.Б. Айзенберга. 3-е изд., перераб. и доп., М.: Знак, 2007. 972 с.

65. Lopez-Besora, J. A digital image processing method for urban scenes brightness assessment / J. Lopez-Besora, A. Isalgué, H. Roura // Architecture, City and Environment. - 2016. - V. 32. - pp. 157-170.

66. Guo, L. Luminance monitoring and optimization of luminance metering in intelligent road lighting control systems / L. Guo, M. Eloholma, L. Halonen // Ingineria Iluminatului. - 2007. - V.9. - pp. 23-39.

67. Быстрянцева, Н.В. Формула света: исследование световой среды района Волхонки / Н.В. Быстрянцева, Р. Ван дер Хейде // Территория культуры. Кварталы Волхонки: Монография. М. : Проект Белый Город, 2014. - 115 с.

68. Щепетков, Н.И. Световой дизайн города: учебное пособие / Н.И. Щепетков. М. : Архитектура-С, 2006. 320 с.

69. Luminance field of the façades: from aggressive to attractive lighting W. Malska, H. Wachta, Elements of Inferential Statistics in a Quantitative Assessment of Illuminations of Architectural Structures // Conference: IEEE Lighting Conference of the Visegrad Countries (Lumen V4) Location: Karpacz, POLAND Date: SEP 13-16, 2016.

70. Lopez-Besora, J. A digital image processing method for urban scenes brightness assessment / J. Lopez-Besora, A. Isalgué, H.C. Roura // ACE: Architecture, City

and Environment = Arquitectura, Ciudad y Entorno. - 2016. - V.11, №32. - pp. 157-170. DOI: 10.5821/ace.11.32.4837. ISSN: 1886-4805.

71. Schielke, T. Tutorial: Rationale, Concepts, and Techniques for Lighting Vertical Surfaces / T. Schielke // LEUKOS. - 2013. - V.9. - pp. 223-243.

72. ГОСТ Р 55707-2013 Освещение наружное утилитарное. Методы измерений нормируемых параметров.

73. ГОСТ 26824-2010 Здания и сооружения. Методы измерения яркости.

74. СП 52.13330.2016 Естественное и искусственное освещение (актуализированная редакция СНиП 23-05-95).

75. Kruisselbrink, T. A Practical Device for Measuring the Luminance Distribution / T. Kruisselbrink, M. Aries, A. Rosemann // International Journal of Sustainable Lighting. - 2017. - V.19. - pp. 75-90.

76. ANSI/IES RP-8-14:2014., American National Standard Practice for Roadway and Street Lighting.

77. CEN prCEN/TR 13201-1:2013 Pre-Technical Report, Road lighting—Part 1: guidelines on selection of lighting classes.

78. CEN prEN 13201-2: 2013 Pre-Standard, Road lighting—Part 2: performance requirements.

79. CIE 136:2000 Guide to the lighting of urban areas.

80. CIE 115:2010 Lighting of roads for motor and pedestrian traffic.

81. CIE 206:2014 Publication the effect of spectral power distribution on lighting for urban and pedestrian areas.

82.FHWA-HRT-08-053: 2008 Federal Highway Administration Publication, Informational report on lighting design for midblock crosswalks.

83. Bremond R. Quality indexes for road lighting: a review // Proceedings, Part 2, CIE 26th session, Beijing

84. Janoff, M. The effect of visibility on driver performance: a dynamic experiment / M. Janoff // J Illumin Eng Soc. - 1990. - V.19. - pp. 57-63.

85. Janoff, M. The relationship between visibility level and subjective ratings of visibility / M. Janoff // J Illumin Eng Soc. - 1990. - V.21. - pp. 98-107.

86. Narisada K., Yoshimura Y. Adaptation luminance of driver's eyes at the entrance of tunnel: an objective measuring method // Proceedings of the 3rd international lighting symposium, Karlsruhe, 1977.

87. Rea, M. A method for assessing the visibility benefits of roadway lighting / M. Rea, J. Bullough, Y. Zhou // Light Res Technol. - 2010. - V.42. - pp. 215-241.

88. Van Bommel, W. Visibility research for road lighting based on a dynamic situation / W. Van Bommel, J. Tekelenburg // Light Res Technol. - 1986. - V.18. - pp. 37-39.

89. Bennett C., Dubbert D., Hussain S. Comparison of real-world roadway lighting, dynamic simulation, CBE and glaremark predictive systems. Kansas Engineering Experiment Station. 1985.

90. Alferdinck J., Hogervorst M. Face recognition at mesopic light levels and various light spectra // Lux Europe, Krakow. 2013.

91. Perceptions of safety at night in different lighting conditions / Boyce P., Eklund N., Hamilton B., Bruno L. // Light Res Technol. - 2000. - V.32. - pp. 79-91.

92. Fotios S.,Yang C. Measuring the impact of lighting on interpersonal judgements of pedestrians at night-time // Proceedings of CIE centenary conference "Towards a New Century of Light". 2013.

93. Johansson, M. Individual factors influencing the assessment of the outdoor lighting of an urban footpath / M. Johansson, M. Rosén, R. Kuller // Lighting Res Technol. - 2011. - V.43. - pp. 31-43.

94. Kohko, S. A study on affects of veiling luminance on pedestrian visibility / S. Kohko, K. Kawakami, Y. Nakamura // J Light Visual Environ. - 2008. - V.3. -pp. 315-321.

95. CIE 191:2010 CIE Publication, Recommended system for visual performance based on mesopic photometry.

96. Mesopic visual efficiency I: detection threshold measurements / A. Freiding, M. Eloholma, J. Ketomaki, L. Halonen, H. Walkey, T. Goodman, J. Alferdinck, G. Varady, P. Bodrogi // Lighting Res Technol. - 2007. - V.39. - pp. 319-334.

97. Mesopic visual efficiency IV: a model with relevance to nighttime driving and other applications / T. Goodman, A. Forbes, H. Walkey, M. Eloholma, L. Halonen, J. Alferdinck, A. Freiding, P. Bodrogi, G. Varady, A. Szalmas // Light Res Technol. -2007. - V.39. - pp. 365-392.

98. Sagawa, K. System of mesopic photometry for evaluating lights in terms of comparative brightness relationships / K. Sagawa, K. Takeichi // J Opt Soc Am. - 1992. - V.9. - pp. 1240-1246.

99. Mesopic visual efficiency III: discrimination threshold measurements / G. Varady, A. Freiding, M. Eloholma, L. Halonen, H. Walkey, T. Goodman, J. Alferdinck // Lighting Res Technol. - 2007. - V.39. - pp. 355-364.

100. Mesopic visual efficiency II: reaction time experiments / H. Walkey, P. Orrevetelainen, J. Barbur, L. Halonen, T. Goodman, J. Alferdinck, A. Freiding, A. Szalmas // Lighting Res Technol. - 2007. - V.39. - pp. 335-354.

101. Колгушкина С.В., Быстрянцева Н.В., Прокопенко В.Т., Исследование яркостных характеристик объектов с архитектурным освещением на центральных улицах города Тулы // Светотехника - 2019. № 4. c. 24-28

102. Kolgushkina S. Luminance measurements for urban lighting environment qualitative analysis by the example of Tula // Inzenernyj vestnik Dona (Rus) -2019, No. 1.

103. Kolgushkina S., Prokopenko V., Roslyakova S. Night sky background brightness estimation by the example of the St. Petersburg city//Light &amp; Engineering, IET - 2018, Vol. 26, No. 1, pp. 127-130

104. Kolgushkina S. Artificial light emission analysis for the city of St. Petersburg//SHS Web of Conferences, IET - 2018, Vol. 43, pp. 1-8

105. Kolgushkina S. Sky brightness measurements for different environmental conditions by the example of St. Petersburg//SHS Web of Conferences, IET -2018, Vol. 43, pp. 1-7

106. Колгушкина С.В. Комплексное исследование распределения яркости в условиях городской среды//Сборник трудов аспирантов Университета ИТМО, победителей конкурса грантов Правительства Санкт-Петербурга / Под редакцией проф. В.О. Никифорова. - СПб.: Университет ИТМО, 2019.

- 181 с. - 2019. - С. 63

107. Колгушкина С.В., Прокопенко В.Т. Комплексное исследование распределения яркости в поле зрения на примере центральных улиц города Тулы//Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание [Электронный ресурс] Режим доступа: https://openbooks.itmo.ru/ru/file/8249/8249.pdf.

108. Колгушкина С.В. Исследование световой среды города с помощью технологии ай-трекинг//тезисы докладов международной научно-практической конференции "Световой дизайн. - СПб: Университет ИТМО, 2016. - 72 с. - 2016. - С. 27

109. Колгушкина С.В. Яркость ночного неба - косвенный показатель уровня световой культуры//Тезисы докладов Международной научно-практической конференции "Световой дизайн".- СПб: Университет ИТМО,

- СПб.:Аграф+, 2015. - 96 с. - 2015. - С. 29-30

Приложение А. Справка о внедрении результатов

ПРАВИТЕЛЬСТВО САНКТ-ПЕТЕРБУРГА Комитет по энергетик« и инженер пому обеспечению

Сан кг-11 стерву р гсксс го суд а рстве иное унитарное предприятие «Лен с ист» (СПб ГУН «Ленсвет»)

Iîmui'cuhjhisI гар л. 25. лит. Д. Санкт-Петербург. 190068 Телефон: (Sl/i 'i?;-М-71. факс:[phone] É -mii I : lensvel@tensvcl:com hnp'iV^^^v.lftfjsvdt spb.na OKIlOOi?:'!.^: OlTi' u478lQÎ724!)i ИН i [/® П 7Ï3COOO l .П/78 3 801001

¿¿1 /'S. ¿f'/sr № z/^â

] ia № _ _от_

Справка

о внедрении результатов диссертационного исследования Колгушкиной С,В.

Настоящим подтверждаем, что результаты диссертационного исследования Колгушкиной C.B. на тему: «Оптико-электронньгс методы и средства комплексной оценки распределения яркости в условиях городской среды» обладают актуальностью, представляют практический интерес и были использованы при проведении фотометрического анализа городской среды Санкт-Петербурга в рамках исследовательского проекта «Разработка Комплексной программы развития Санкт-Петербурга как центра Световой культуры России на период 20] 8-2030 гг, с перспективой до 2050 г.»

Директор предприятия

] 97] 01, !. Санкт-Петербург, Кронверкский мроспек1], д. 49

г

ВШЗИ

КшЗ

ПРАВИТЕЛЬСТВО САНКТ ПЕТЕРБУРГА

ДИПЛОМ

серия ПСП № 1 8656

КОНКУРСА ГРАНТОВ САНК1

У6Ш

Санкт-Петербургский национальный исследовательский ¡/кип., ч ■■ -информационных технологий, механики ы оптики

Временно исполняющий обязанности Губернатора Санкт-Петербурга

А.Д. Беглов

П ра пи тел ьс гво С а н кт-1Í етербурга Комитет по науке и высшей школе

СПРАВКА

(Приложение к диплому 11 СП № j 8656 победителя конкурса)

Колгушкина Свет, ¡ana Владимировна

является победителем конкурса грантов 2018 года для студентов вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Сан кт- П етербурга, !ч соответствии с распоряжением Комитета по нате с и высшей школе

ОТ 2S.09.201S № Г24

Место учеоы (работы)

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

Категория победителя конкурса Аспирант

Научное направление

Электроника и радиотехника

Тема проекта

Комплексное исследование распределения яркости «условиях городской среды

Председатель Комитета ио науке и высшей школе

Председатель научно:о совета конкурса

В.Е. Романов

А.L'. Максимов

Приложение В

Тексты публикаций

Artificial light emission analysis for the city of St. Petersburg

Svellana Kolgushkina1

CI VIC ) University, School of Photonics, Faculty of Laser and l ight Engineering, Department of Creative Lighting Design, St. Petersburg, Russia

Abstract. Artificial light emission within the limits of major cities is increasing year by year. The level of this rapid growth depends on the influence of complex factors such as urban enlargement, air pollution, environmental conditions, lack of outdoor lighting master-planning, etc. Continuing monitoring of sky glow changes is an important part of the lighting environment's complex analysis. This paper estimates the contribution of 18 districts of St. Petersburg to the glow between 2014 and 2017, evaluated with the use of Garstang's model and GIS-based analysis of VIIRS data. The dynamic changes in sky brightness show a significant increase in the anthropogenic sky glow over three years.

1 Introduction

The influence of urban lighting on night sky brightness has been studied since 1970s. The first model for a sky brightness estimation was Walker's model [1J. Walker's law is described by the equation (1), considering the population size and the distance of the observer from the city.

B - CP D~2'5 (1)

where P is the population, D is the distance of the observer from the city, R is an increase in the sky brightness related to natural sk)> glow, and C is the coefficient dependent on such factors as light emission per capita and the reflection coefficient of the ground surface.

A more complex model of sky brightness estimation, which took into account the approximation for small angles and considered the mechanisms of particle dispersion, was proposed by Bertiau and Treanor [2]. Treanor's model was modified by Garstang [3,4,5] to consider the heterogeneity of the atmosphere. In the modified model, the density of molcculcs and aerosols in the atmosphere exponentially decreases with altitude increase. Garstang's model showed itself as responsive in many American observatories. Since 2001, satellites have been used to analyse artificial night sky brightness. This research was first published by P. Cinzano, F. Falchi and C. D. Elvidge.

1 Corresponding author: [e-mail]

© The Authors, published by EDP Sciences. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License 4.0 (http://creativecommons.Org/licenses/by/4.0/).

The problem of artificial light emission growth has traditionally been tackled by astrophysicists and astronomers. Yet experts from other related fields have been lately paying increasing attention to this problem.

From the lighting design perspective, artificial light emission analyses are very important to monitor annual augmentation in order to protect the environment from the further growth of sky glow caused by artificial lighting in the cityscape. This is especially important for countries without control over (he minimization of light pollution.

2 Field of study

Despite the importance of limiting artificial light emission, this question has not been sufficiently studied in Russia. A lack of specific requirements, which would limit and regulate the work of lighting designers, amplifies the problem.

Figure 1. An example of a low-quality lighting solution.

Figure 2. Luminance distribution, measured by using a luminance measuring imaging photometer.

Changes in the number of light fixtures between 2014 to 2017 is shown in Table 1.

Tabic 1. The number oflight fixtures (Data source: State Unitary Enterprise Lensvet)

Year Number of fixtures Number of poles Objects with arch, lighting

2014 215319 78508 427

2017 257600 97696 445

Table 2. The share oflight fixtures in 2017 (Data source: State Unitary Enterprise Lensvet)

Types of light sources % of the total % of capacity

HPS lamps 65.4 87.6

Metal halide lamps 26.6 10.3

LED lamps 8.44 1.94

The number of lighting fixtures grew by 42,000 units between 2014 and 2017. In view of these significant changes, the analysis of dynamic artificial light emission is of utmost importance.

In the Russian Federation, there are no laws, codes or standards, which would regulate light pollution. The number of buildings and constructions with architectural lighting in big cities in Russia is very high, compared with European countries. To raise the issue oflight quality, we evaluated sky glow progression in the period between 2014 and 2017.

3 Methodology

In our study, we used artificial sky brightness modelling principles formulated by Garstang. In total, 18 districts of St. Petersburg were considered separately and included in the research study.

Garstang's model offers a two-component composition of the atmosphere [4,5]:

• molccular components of the atmosphere, which particle density at h height above the sea level is described by the equation:

N1(h) = Nm-e~«h) (2)

where Nm = 2.55-10 sm3 is the particle density at sea level, c = 0.104 km 1 according to Allen

• aerosol particles, which density at h height is:

N2Qi) = Na-eah (3)

where N„ = 2.55-10 " sfir is the density of aerosol particles at ground level, a = 0.657 + 0.059K is the approximation based on McClatchey data, K indicates the quality of the atmosphere. [4,5] The equations 3 and 4 may be used with the following assumptions:

• molecules in the atmosphere are in hydrostatic equilibrium

• density of aerosol is the exponential function

• the atmosphere is horizontally homogeneous

The absorption in the lower layers of the atmosphere for vertical distribution of particles is represented by the Lambert-Beer law.

x(h) = \kdh = JVm-affl-[(l - e'^c'1 + 11.778^(1 - e~a'hy\ (4)

o

where k = Nm-om+Na-aa> o,„ is cross section of the molecules, oa is cross-section of aerosol particles.

The model considers Ruyleigh scattering of molecules in the atmosphere with the cross-section of aR = 4.6*10 sm2 for the 550 nm wavelength for visible observations. Multiple scattering of molecules and aerosol particles is described by the equation:

.SVl.l(cO) - NmOm( 11 77XA' • : i y' ' , ' )COS 1 (5)

where y is the Garstangfactor to account for the spherical nature of Rayleigh scattering compared to aerosol scattering [4,5].

According to Garstang's model, artificial light emission intensity distribution in the upper hemisphere is described by the equation:

I«P = {2G(1 -F)-cosMf + 0.554-i» (6)

where G is the surface albedo, F is the proportion of the luminous flux emitted by light fixtures into the upper hemisphere, P is the population, L is luminous flux per capita.

Luminous flux per capita was estimated based on statistical data oil lighting equipment provided by State Unitary Enterprise Letisvet. The population size of 18 districts was evaluated in accordance with Federal State Statistics Service data.

In the equation (6), the albedo of the earth's surface was set G=0.15, and the proportion of the luminous flux emitted by lamps into the upper hemisphere is F=0.13.

The basic equation of the sky brightness model is:

b = Tr/Hjp(\|/)-5T2]du-e^H\ +SAA)-e z("> (7)

The formula for the transition to photometric units, accepted in astronomy, is as follows:

V =41.438 - 1.0857'/«(6) (8)

For GIS-based analysis, we used different layers of information about St. Petersburg, such as residential population data, Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) data on radiance provided by the Earth Observation Group, and National Geophysical Data Center (NOAA) collected by Jurij Stare.

people people

Admiralteysky 171 4762 164 5242

Vasilievsky 211 5875 209 6694

Vyborgsky 483 13449 502 16096

Kalininsky 527 14674 536 17134

Kirovsky 339 9439 337 10776

Kolpinsky 187 5207 188 6003

Krasnogvardeysky 348 9690 352 11250

Krasnoselsky 330 9189 370 11833

Kronshtadsky 44 1225 44 1423

Kurortny 70 1949 76 2434

Moskovsky 333 9272 344 11006

Nevsky 498 13869 512 16368

Petrogradsky 139 3870 136 4340

Pelrodvortsovy 128 3564 138 4420

Primorsky 544 15147 556 17772

Pushkin sky 172 4789 193 6182

Frunzensky 408 11360 406 12993

Central 227 6320 220 7047

The results of the GIS-bascd analysis for the period between 2014 and 2017 arc shown in Figure 5 and Figure 6.

Figure 5. Artificial light emission data obtained for all districts of St Petersburg based on 2014 statistical data.

i .

¡aint Petersburg jp- ^ ^

Wm ri K" I

■«JTWIiW»1

Figure 6. Artificial light emission data obtained for all districts of St Petersburg based on 2017 statistical data.

5 Conclusion

Artificial light emission is growing very rapidly without any codes or laws which would help minimize light pollution. The attention of lighting designers should be focused on the quality of their work.

According to the definition of the Institution Lighting Professionals (ILP), any artificial light, which goes beyond the limits of the subject to illumination, including the light projected above the horizon into the night sky or creating glow danger, is considered undesirable and causes light pollution.

At present, some countries such as the Republic of Chile, Slovenia, Italy, the Czech Republic, parts of the United States of America and the United Kingdom have adopted a series of regulatory documents with the aim to reduce the anlhropogenic component of sky glow.

To reduce the dynamics of the growth in anthropogenic component of sky glow, patterns of light propagation in the lower layers of the atmosphere and scattering type of various particles should be considered while design works. The reflected component of the light flux from the surfaces to be illuminated contributes significantly to sky glow. Therefore, light pollution can be reduced by optimizing the design of lighting systems, ensuring their compliance with acceptable levels of quantitative characteristics of lighting, performing installation control, and using lighting control systems.

References

1. Walker, M. F. The Effects of Urban Lighting on the Brightness of the Night Sky. Publ. Astron. Soc. Pacific 1977, 89, 405-109.

2. Bertiau. F. C., de Graeve, E. Treatior, P. J. The Artificial Night-Sky Illumination in Italy. Vatican Observatory Publ. 1973, /, 159—179.

3. Garstang, R. H., Light Pollution Modeling, 1991 in Light Pollution, Radio Interference, and Space Debris, ISBN 0-937797-36-8; D.L. Crawford, Bookcrafters, Inc., 56-69.

4. Garstang, R. H. Model for Artificial Night-Sky Illumination. Publication of the Astronomical Society of the Pacific 1986, 98, 364—375.

5. Garstang, R. H. Night-Sky Brightness at Observatories and Sites. Publ. Astron. Soc. Pacific 1989,101 306-329.

Luminance measurements for urban lighting environment qualitative analysis

by the example of Tula

S. V. Kolgushkina ITMO University

Abstract: Development of technical lighting capabilities made it possible for lighting designers to implement any ideas. Although the structure of the human eye as a biological receiver of radiation is still the same despite lighting equipment progression. Many urban lighting design solutions implemented in various cities all over the world leads to promptly considering the issue of lighting quality assessment.

A comprehensive study of an urban environment supported by town planning analysis allows drawing conclusions about the rationality of expended energy resources and the quality of realized objects. The relevance of luminance distribution analysis in a night city environment increases every year, especially for cities with lighting strategies aimed at a quantitative increasing of illuminated objects without hierarchy of priorities. For the central part of Tula city an integrated approach to the analysis of evening image of the city has been considered, the luminance ratios were estimated for the facades located on 11 central city streets. This quantitative luminance levels analysis allows to draw objectively conclusions about the quality of existing light environment of the city and to understand possible steps for its further development.

Keywords: urban lighting, lighting environment, architectural lighting, luminance distribution, luminance measurements, qualitative analysis, photometric analysis

Introduction

The existing urban lighting environment often does not meet requirements of regulatory documents due to lack of quality control procedures. Methods of complex investigation of luminance distribution are significant as a tool aimed at identifying objects with high level of quality and outlining further changes in the light-planning structure of the city taking into account examples of objects with exceed value of luminance characteristics. The aim of research was practical evaluation of the method of complex luminance distribution analysis by the example of central streets of Tula city. The research of luminance distribution on facades allows objectively estimate conditions of architectural objects' perception from observer's position and quality assessment both for separate facades and for the fragments of the city. By the example of the central part Tula city there was

и

considered an integrated approach to the analysis of lighting quality in accordance with luminance ratios of the vertical surfaces located on 11 central city streets.

Luminance measurement were performed using photometer LMK Mobile Advanced based on a CCD matrix with spectral sensitivity corrected in accordance with relative spectral sensitivity of a standard observer's eye with the use of LMK LabSoft specialized software for analysis of the results obtained. The main technical characteristics of measuring device: diaphragm values from F4 to F11, focal length from 18 to 50 mm, available ISO sensitivity value from 100 to 1600, resolution 5566x3706 (effective signals 2748x1834), exposure time 30 - 1/1000 s

where Lt is target and Lb is background luminance.

As preliminary study of research urban planning analysis included: brief description of the location and the most important characteristics of the city; structural analysis of the city center and of the separate urban areas; the main thoroughfares of the city; pedestrian paths; transport hubs; squares and public centers; important centers of attraction - objects of administrative nature, culture, education, religion, sports, dominant architectural ensembles, memorials, parks and landscape areas; analysis of the existing situation of the evening light and color environment of the city on the components (utilitarian, architectural, landscape, holiday lighting, analysis of materials for the future development of the city. Comprehensive assessment of urban planning, analysis of zones of visibility of architectural dominants, compositional centers and activity points were evaluated, and the luminance characteristics of the existing light environment of the central

Research methodology

[1-3].

For luminance contrast measurements contrast is defined by equation

С = | (Lt~Lb)/Lb\

(1)

Fig. 2 - The main layers of research based on the use of GIS-systems: pedestrian movement intensity (left), analysis of composition center of the city.

Measured luminance levels and luminance contrast data represent powerful metric for human-centered lighting design in urban environment [11]. According to Gary Steffy's recommendations for lighting designers "lighting is all about planning and maintaining luminance". For a given point in space, a luminance value is discrete and quantifiable; multiple luminance values in combination describe the qualities of light in a space. Steffy's idea was to create recipe for visual hierarchy and visual attraction. Steffy ranks luminance contrasts in terms of their 'attraction power' combining ideas from John E. Flynn's work and quantifying with a luminance contrast ratio. For example, a 2:1 focal-to-background ratio is considered to have 'negligible' attraction power, with the effect of providing a 'barely recognizable focal' whereas a 10:1 ratio would have 'marginal' attraction power setting a 'minimum meaningful focal.' Creation of a 'strong significant centerpiece' effect, the contrast between the focal luminance and its background could approach 100:1.

In addition to varying the intensities of the luminance as described above, chromatic contrast through manipulation of light source color and receiving surface material color can establish visual hierarchy and attraction. The ideas of Steffy and Cattle are presented as indicators that the luminance concept is gaining renewed importance in the design of quality of lighting environments. Luminance distribution, luminance contrast ratios analysis in accordance with human visual perception leads to optimization of lighting environment.

Results

During the research the structural analysis of the city in general has been carried out and the developed urban areas, historical formation of planning structure of the city has been analyzed, the town-planning analysis, composite

center analysis, the analysis of objects of cultural heritage were carried out, classification of architectural dominants was developed on an equal basis with visibility ranges of architectural dominants. In a town-planning context 56 objects with the existing architectural lighting were considered with analysis of façade stylistics. Measurements of luminance distribution for those objects in order to analyze average luminance, maximum luminance values and luminance contrast were processed by use of LMK Lab Soft. Data of results of measurements have also been entered in the general database of objects, the example buildings included to Ensemble of the Gleb Uspensky Square and Ensemble of the Uspensky Cathedral and Lenin Square is given in table 1.

Table 1. Example buildings included to Ensemble of the Gleb Uspensky Square and Ensemble of the Uspensky Cathedral and Lenin Square in general database of objects.

Adress Part of architectural ensemble Facade plastic Dominants Av. Luminance Max. Luminance

Mendeleyevskaya slreei, 1 Ensemble of the Gleb Uspensky Square destroyed 2 59 138

Staronikitskaya street, 1 Ensemble of the Gleb Uspensky Square destroyed 2 68 113

Sovetskaya Street, 67 Ensemble of the Gleb Uspensky Square destroyed 2 62 130

Sovetskaya Street, 59 Ensemble of the Gleb Uspensky Square destroyed 2 65 138

Mendeleyevskaya street, 8 Ensemble of the Uspensky Cathedral and Lenin Square destroyed 3 78 185

Mendeleevskaya street, 8/2 Ensemble of the Uspensky Cathedral and Lenin Square emphasized 1 52 106

Turgenevskaya Street, 2 Ensemble of the Uspensky Cathedral and Lenin Square emphasized 3 37 65

Mendeleyevskaya street, 13kl Ensemble of the Uspensky Cathedral and Lenin Square emphasized 2 21 34

Prospckt Lenina, 2 Ensemble of the Uspensky Cathedral and Lenin Square emphasized 3 54 110

Sovetskaya Street, 47 Ensemble of the Uspensky Cathedral and Lenin Square destroyed - 82 185

For the buildings which are forming together architectural ensemble around the Gleb Uspensky Square at the intersection of Chapaevsky Proezd, Mendeleevskaya and Sovetskaya streets lighting solution of 4 buildings destroys the architectural

facades plastics without forming lighting composition. Facades are visually destroyed by architectural lighting, which creates a strong difference in luminance characteristics that leads to revealing of the characteristic of composition features on the building as it shown in the figure 3.

M — •» • ♦ ч ' . Г

% . Л'

• "1 £7 \ 1. L

|

Fig.3 Example of buildings which are forming architectural ensemble around the Gleb Uspensky Square.

Analysis of luminance contrast for the buildings of Gleb Uspensky Square ensemble showed that ratio level is higher than 20 to 1 which relates to strong luminance contrast with strong focal effect, glary in most situations [6]. For the buildings which are forming together architectural ensemble of the Uspensky Cathedral and Lenin Square lighting solution of 2 buildings destroys the architectural facades plastics without forming lighting composition while 4 buildings are emphasized, but without hierarchy of dominants by level.

В к 'И'пП^ЕЫь, 1 ■ *«. * Tula ». л m 1 • ч, - » ^^ Tula А, а к ^¿лъ.'ЛГ* jtr Hw'Tj 1

1 О -V К .¿fû if - t<- Ш - » * Ч> ' ^ Tula ik, "Ч Л. Л

Fig.4 Example of buildings which are forming architectural ensemble of Uspensky Cathedral and Lenin Square.

Luminance contrast for 4 emphasized buildings of Uspensky Cathedral and Lenin Square reaches ratio 10 to 1 which relates to marginal perception of contrast with meaningful focal effect in accordance with Gary Stafey's idea of contrast ranking. For 2 destroyed by light buildings luminance contrast reaches ration 20 to 1 with

strong perception of contrasts. Luminance characteristics of 12 objects from 56 are executed with observance of standard requirements; for a number of objects excess of luminance reaches 10 times higher.

II |Wll LI J I ill III I in ,

Fig.5 Average luminance for 57 buildings (blue lines) combining with maximum values of luminance (red lines).

Luminance distribution in the field of view of the observer is an important factor in assessing the quality of the light environment. Analysis of the existing urban lighting environment shows that, because of local lighting solutions without general lighting master plan luminance levels of the facades are not harmonized, nor properly aligned, thereby semantic content of some urban fragments is destroyed. For the city of Tula, the mean brightness values are 3 - 715 cd/m2. As a result of the analysis of the obtained data, the following was revealed: 44 facades are executed with excess of normalized values of brightness, which leads to composite destruction of urban fragments, irrational use of energy resources, negative influence on visual perception. For the central streets 49 facades are compositionaliy destroyed, which leads to incorrect reading of the architectural appearance of the city at night.

Conclusion

The study allowed to identify the most qualitatively performed fragments of the city, to reveal the general trends of the existing coverage of the city of Tula, to analyze it for compliance with the main objectives of lighting regulation: providing comfortable and safe conditions and efficient use of resources. A comprehensive analysis made it possible to outline the main ways of further development of the light environment of the city of Tula. The greatest results to improve the appearance of the city can be achieved through the strengthening of compositional centers, the creation of interrelations between them, the hierarchy of objects by luminance levels relative to the dominant in the panorama of the city.

References

1. Lopez-Besora J., Isalgué A., Roura H. C., A digital image processing method for urban scenes brightness assessment. ACE: Architecture, City and Environment Arquitectura, Ciudad y Entorno. 2016. №11. pp.157-170. Doi: 10.5821/ace.l 1.32.4837. ISSN: pp.1886-4805.

2. Schielke T., Tutorial: Rationale, Concepts, and Techniques for Lighting Vertical Surfaces. LEUKOS. 2013. №4. pp. 223-243.

3. Bystryantseva, N. Identifying the system of human perception-lit spaces and objects in the urban environment. Svetotekhnika. 2014. №4. pp. 5255.

4. Bystryantseva, N. The development of the theory of light environment of an evening city. Svetotekhnika. 2012. №5. pp. 60-62.

5. Malska W., Wachta W. Luminance field of the façades: from aggressive to attractive lighting. Elements of Inferential Statistics in a Quantitative Assessment of Illuminations of Architectural Structures. Conference: IEEE Lighting Conference of the Visegrad Countries. Karpacz, Poland, 2016, pp. 1-5.

6. Steffy G. Architectural lighting design. Second edition. New York: 2002. 208 p.

И Инженерный вестник Дона, №1 (2019) ivdon.ru/ru/magazine/arc hive/n 1 у2019/5695

7. Shchepetkov, N.I. Lighting design of the city: a tutorial. M.: Architecture-S, 2006. 320 p.

8. Khryashchev D.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus). 2013, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2013/1796.

9. Narboni R. From light urbanism to night urbanism. Svetotekhnika. 2016. №6. pp. 30-33.

10. Pakhomov E.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus). 2017, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5284.

11. Garau C., Pavan V. Evaluating Urban Quality: Indicators and Assessment Tools for Smart Sustainable Cities. Sustainability. 2018. № 10. Doi: 10.3390/sul0030575.

Sky brightness measurements for different environmental conditions by the example of St. Petersburg

Svetlana Kolgushkina1

'ITMO University, School of Photonics, Faculty of Laser and Light Engineering, Department of Creative Lighting Design, St. Petersburg, Russia

Abstract. St. Petersburg is unique place in Russia with an environmental phenomenon called "white nights" during summertime: sky brightness levels are influenced mostly by environmental conditions. Sky conditions during the winter are opposite: light emission is mostly caused by the anthropogenic factors. A series of experiments were conducted between May and December 2017 using a Sky Quality Meter (SQM-LU-DL), anight sky brightness photometer, to understand the differences between sky brightness levels for different environmental conditions and seasonal variations. Sky brightness distinction between the city center and 20 km distance were estimated for clear sky conditions.

1 Introduction

Lighting design solutions in 21st century should be carried out with considering environmental conditions of place in order to improve its uniqueness. Sky brightness estimation during the night could show the distinctive features of different cities depending on locations. For example, near the equator duration of the night is about 12 hours both in winter and summer with insignificant duration of twilight. For the places near the North, at the same time, length of night strongly depends on the season. Transient moment between day and night is extended in time. Environmental influence on sky brightness is considerable during clear nights while artificial light impact more corresponds to cloudy weather conditions.

For field measurements documenting the evolution of sky brightness, different types of night sky brightness photometers, such as the Unihedron Sky Quality Meter, are widely used [1,2] The SQM-LU-DL, a pocket-sized night sky brightness photometer with a data-logging system inside, was used to study St. Petersburg's artificial light emission. According to a published report of the relationship between the SQM photometrical system and the main systems used in light pollution studies, correction factors to CIE photopic and CIE scotopic were taken into account. [3,4]

1 Corresponding author: [e-mail]

© The Authors, published by EDP Sciences. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License 4.0 (http://creativecommons.Org/lieenses/by/4.0/).

2 Field of study

The city of St Petersburg is a very interesting example for corresponding research for a number of reasons: there are no laws, codes and standards in the Russian Federation for artificial light emission regulations and natural sky conditions change very significantly during the year: from high levels during summer time with a short period of dusk to a short daytime period during winter.

Changes in daylight hours during the year arc very significant: on 22 December, the duration of the day in 2017 was 5h 53m while on 22 June it was 18h 50m. The dynamics of daylight changes from May to December are shown in Figure 1.

May June July August September October November December

0 5 10 15 20

Figure I. Dynamics of daylight hours during the period May - December 2017.

Night sky brightness is influenced by anthropogenic sky glow, which depends on weather conditions, background sky luminance, the position of the sun (indirectly scattered sunlight), and the phases of the moon. During the summer in St. Petersburg, luminance levels over (lie night sky are influenced mostly by environmental conditions, while during the winter, sky brightness levels are caused by artificial light emission on the molecules of water and aerosol. The quantity of overcast nights during December is 26 out of 31 days, while during June, it is 11 out of 31 days, as shown in Figure 2.

liUUl

Ctear sky Mainly clear Cloudy

Mainly cloudy

Figure 2. Quantity of nights with relative sky conditions.

The perception of sky conditions from the observer's perspective changes from summer to winter, as shown in Figure 3 and Figure 4.

m ■ i j,

Figure 3. Sky perception from the position of observer in June during "white nights"

Figure 4. Sky perception from the position of observer in December.

Unihedron

Figure 5. SQM-LU-DL device with a data-logging system inside.

Figure 6. SQM-LU-DL device block diagram.

To convert the SQM Magnitudes per square arcsecond readings to cd/m2the following equation (1) was used in accordance with manufacturer's data:

[cd/m2] = 10,8 X 104 X IQÎ-OAAmag/arcse^]-) (1)

According to the calculations made by P. Cinzano aimed at evaluating the relationship between the SQM photometric band and the CIE photometric system, the Sky Quality Meter is properly calibrated over Illuminant A. [3] P. Cinzano calculated spectral mismatch correction factors for the CIE photopic and scotopic responses as shown in Table 1. During the experiment, all of this information was taken into account.

Table 1. Spectral mismatch correction factors for CIE photopic and scotopic responses.

Light source HPS lamp HPL lamp Illuminant A Sky natural Sky polluted Moon ab. <1 ( m

Photopic 0,78 1,02 1,00 0,96 0,85 1,20

Scotopic 1,70 1,22 1,00 0,79 1,37 0,79

4 Results

During the on-field research there've been analysed night sky brightness depending both the lunar phase and artificial light emission for clear sky and cloudy weather conditions depending on the night. All the data in Magnitudes per square arcsecond were converted to the lighting metrics system. Data averaged for the lmdmghts with different sky conditions and moon phases during the experiment are shown on the Figures 8-9.

The most influencing factor of artificial light emission is cloudiness. In December there were no clcar sky nights and the level of brightness tends to have closc values with the luminance on the roads. Moonlight influence is higher during clear nights than during cloudy nights. If there were no artificial light over the city, brightness of the overcast night would be lower, than the clear. But according to the measurements, sky during the overcast winter is brighter than during the shortest night of the year (June 22). Clear sky conditions with 0,5% Moon correspond to Minimum values during the month while ovcrcastcd sky with 95% Moon - to Maximum values. The dynamics of changes from May to December are shown in Figure 7 and Figure 8.

■ Clear, Moon 0,5%

■ Clear, Moon 95%

■ Cloudy, Moon 0,5%

■ Cloudy, Moon 95%

çjS tf

Statistical analysis of measurements for midnight sky brightness between May -December 2017 refers to the following results: during clear and moonless sky conditions night sky brightness at St. Petersburg rcachcs values during summer 15,03 - 15,55 mag 2in transition to lighting metrics 0,07 - 0,11 cd/m2.

During the winter values for clear sky are close to 15,45 - 16.1 " "" in transition to

arcsec¿

lighting metrics 0,04 - 0,07 cd/m2. Overcast sky is mainly caused by the scattering process on aerosols and moléculas and sky brightness levels are always higher than during the clear sky nights and reaches the values 14,28 - 12,82 (0,21 - 0,83 cd/m2).

5 Conclusions

Sky brightness during the night is an important link among environmental aspects and perception from perspective of observer. Sky glow is approaching by value to luminance levels on the roads' surfaces with significant impact on adaptation and could be considered as a factor influencing on perception of contrast.

Brightness levels, as litmus paper for lighting design needs, could help to evaluate both natural conditions of night sky and contribution to sky glow of existing lighting in order to identify:

• environmental identity of place

• potential ways for further development of lighting design in the cityscape

All of these aspccts have clear prospects in lighting design. For example, natural sky estimation could be used for development of integrated lighting control systems with respect to environmental changes. Corresponding solutions are potentially interesting for St. Petersburg and the other North cities with similar environmental phenomenons.

Considering the impact of existing lighting to sky glow, critical values could be evaluated. Then, if sky brightness is higher than critical, special codes and standards recusing sky glow should be developed. This approach is relevant for a large number of cities, especially metropolises, with a significant leap in quantity of lighting in recent years.

References

1. Birriel, J. Documenting Local Night Sky Brightness Using Sky Quality Meters: An Interdisciplinary College Capstone Project and a First Step Toward Reducing Light Pollution Publication of JAA VSO Volume 38, 2010, 132-138

2. Benn, C. R., & Ellison, S. L. Brightness of the night sky over La Palma, New Astronomy Reviews, 1998, 503-507.

3. Cinzano P. Night sky photometry with sky quality meter. Internal Report n. 9, v.1.4; Istituto di Scicnza e Tccnologia dell Inquinamento Luminoso (ISTIL); 2005.

4. Lolkema, D„ Haaima, M„ den Outer, P., & Spoelstra, H. 2010, Effects of atmospheric conditions on night sky brightness, Tech. rep., National Institute for Public Health and the Environment, R1VMReport 680151002, 2010

Light Engineering

Vol. 26, No. 1, pp. 127-130, 2018

Svetotekhnika

No. 4, 2017, pp. 68-70

NIGHT SKY BACKGROUND BRIGHTNESS ESTIMATION BY THE EXAMPLE OF THE ST. PETERSBURG CITY

Svetlana V. Kolgushkina, Victor T. Prokopenko, and Svetlana V. Roslyakova

ITMO University, St. Peterburg E-mail: svkolgushkina @corp. itmo. ru

ABSTRACT

Within the big city boundaries, artificial component of the sky glow increases every year. The main reasons are the expansion of the cities, the rapid growth of technical capabilities, inefficient lighting design without master-planning and lack of quality control of lighting projects. The data of astronomical observations confirm a significant brightness increasing in the lower atmosphere due to factors of terrestrial origin. The problem is mostly acute for observatories are located near major cities, which are struggling for the possibility of further research. Night sky background glow estimation is an actual direction for research in the modern world. The paper considers a model for calculating the sky brightness for the St. Petersburg city. According to the developed model observation position is located near the Pulkovo Observatory. The model is based on the Garstang's method with use of Python programming language.

Keywords: sky glow, sky brightness, background brightness

1. INTRODUCTION

Night sky artificial glow increases due to the diffuse scattering of artificial light on the components of the lower atmosphere: the vapours of water and particles of dust.

For the first time, the brightness of the lower atmosphere was assessed by the staff of the Department of Physics and Astronomy at the Padua University of Italy. P. Cinzano, F. Falchi and

C.D. Elvidge, being concerned about the growth rates of the night sky glow, developed the first atlas using data obtained via satellites intended for meteorological research [1].

In addition to experimental astronomical studies, modelling of the corresponding conditions is used to estimate the artificial component of the sky glow. The most simplified model for estimating sky glow is the Walker's model [2], which takes into account the population size and remoteness of the observer from the city centre.

More complicated model, taking into account the approximation for small angles with allowance for the particle scattering mechanisms, was proposed by Bertiau and Treanor [3]. The assumptions adopted in the model are homogeneity of the atmosphere composition; directivity of scattering of aerosol particles in the visible part of the spectrum.

The Treanor's model was modified by Garstang

[4], taking into account the heterogeneity of the atmosphere. In the modified methodology was taken into account the exponential characteristic curve of particles density depending on the height.

The Garstang model has been responsive to several thousand American observatories, such as Mount Wilson, the Lick Observatory, the Palomar Observatory, Kitt Peak National Observatory, Sacramento Peak, Mauna Kea, McDonald Observatory

[5] and still widely uses in different research studies [6,7,8].