日光光谱与大气衰减影响下的建筑色彩定量方法研究
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摘要
本文是国家自然科学基金《日光光谱与大气衰减影响下的建筑色彩控制研究》（批准号51078364）和2012年中央高校研究生科技创新基金自主研究项目（批准号CDJXS12190008）的资助项目。
建筑色彩包含社会人文及科学技术两方面内容，长期以来建筑色彩设计多是从历史、文脉、习俗和审美等方面进行的定性研究，忽视了科学的定量研究，从而使建筑师对实际空间中应用的建筑物色彩变化情况（即建筑物色彩在空间中呈现的效果）不甚了解，无法对建筑色彩的设计进行准确的把握，导致设计色彩与实际建成色彩效果出现较大的偏差。建筑色彩是在城市空间中呈现出来的，必然会受到日光光谱、日光色温、大气衰减、观测距离和外饰面材料光反射特性等因素的影响，研究其影响和定量方法是建筑色彩设计不可缺少的科学技术基础。
本文根据我国光气候分区图和城市地理分布（东南西北及中部）选取了昆明、西宁、北京、深圳、南京、南昌和重庆7个代表性城市，对其中心区域的代表性建筑进行色彩调查、拍照、取样、测量、分析等工作，掌握了这些城市中心区的建筑色彩现状及外饰面材料使用情况，为本项目研究奠定基础。
本文研究了典型日光及相关理论，对不同标准照明体下建筑色彩样品色差进行了实验研究，得到了具有不同光谱功率分布的CIE标准照明体A、D50、D55、D75与D65下的色度差异；对不同天气和受光条件对建筑色彩的影响进行了实验研究，分析了晴天日光照度、亮度及色温的变化规律，得到了晴天受光、晴天背光、晴天阴影下和阴天与CIE标准照明体D65下的色度差异；对我国不同光气候分区的7个代表性城市一天中不同太阳高度角的日光光谱等进行跟踪测试，分析不同光气候分区日光光谱功率分布特性以及日光色温对建筑色彩的影响，得到了色温差|ΔK|与|Δa*|、|Δb*|和总色差ΔE的函数关系式。
本文研究了空间颜色的衰减理论，包括大气衰减的朗伯定律、粒子散射原理等，并在不同大气能见度、不同观测距离条件下对大气对城市空间中建筑色彩的衰减规律进行了实验研究，确定了城市空间中建筑色彩各参量的衰减函数关系式。
本文对常用建筑外饰面材料（涂料、面砖、铝塑板和大理石）的光反射特性进行了实验研究，得到不同入射/观测角度建筑外饰面材料的亮度和色度反射特性，并对其光泽度和光谱反射比进行测量，研究建筑外饰面材料光反射特性与光泽度、反射比之间的相关关系。
根据以上的研究，通过计算机人工神经网络技术，选用普遍获得成功的三层BP网络作为基本结构形式，将日光光谱、日光色温、天气和受光条件、大气散射、大气能见度、观测距离、外饰面材料光反射特性、入射/观测角度、材质类型、光泽度、反射比等定量数据进行统一分析，确定了建筑色彩定量计算的控制指标和计算模型，开发了“建筑色彩定量计算”程序和“建筑色彩设计”软件，为建筑色彩设计提供科学技术基础支撑，解决了建筑色彩设计中的实际问题，具有很强的理论性与实用性。
本文的主要创新点：
1、首次提出用日光光谱和大气衰减理论来定量研究建筑空间色彩，为建筑色彩研究提供了一种新的方法。
2、研究不同光气候分区的日光光谱功率分布特性，建立了建筑色彩参数与日光色温之间的函数关系。
3、研究不同大气能见度、不同观测距离条件下大气对建筑空间色彩的衰减规律，建立了建筑色彩明度、饱和度的衰减函数关系。
4、采用人工神经网络方法对建筑色彩定量化计算进行了结构设计，为建筑色彩设计软件编制提供了基础支撑。
This dissertation is a funding project of the NCFS subject “Architectural ColorControl Study on the Effect of the Daylight Spectrum and AtmosphericAttenuation”(Grant No51078364) and the university central graduate studentindependent research projects of science and technology innovationfund(Grant NoCDJXS12190008).
Architectural color includes contents about social humanity and scientifictechnology. For a long time, architectural color design has been analyzed fromhistorical, contextual, conventional, aesthetic and other aspects rather than a scientificquantitative research perspective. So that architects don’t know much about the changeof architectural color in actual space (the effect of the architectural color present in thespace). Then architects can’t accurately grasp the design of architectural color that leadto a larger deviation between design color and the actural color. Architectural color ispresented in urban space, being affected by sunlight spectrum, daylight colortemperature, atmospheric attenuation, observation distance, light reflectioncharacteristics of facing materials and other factors. To do research on the affect andquantitative methods is indispensable foundation of science and technology forarchitectural color design.
According to China's different light climate zoning and city geographicaldistribution (East, South, West, North and Central), the dissertation chose sevenrepresentative cities including Kunming, Xining, Beijing, Shenzhen, Nanjing, Nanchangand Chongqing. For representative buildings of these cities’ key areas, the dissertationdid a series works such as color investigation, photographs, sampling, measurement,analysis and so on. Then these cities’ architectural color status and external decorativematerials usage could be known which laid a solid foundation for the research of thisproject.
On the basis of analyzing the typical daylight and correlation theories, anexperiment research of color difference of specimen materials under different standardilluminants has been carried out, and the color difference between different CIEstandard illuminants withD65has been gotten. The dissertation analyzed change rule ofthe sunny sun illumination, brightness and color temperature. An experiment research ofthe influence of architectural color under different weather and light conditions has been carried out, and the color difference between D65with sunny clear light, sunny backlight,sunny shadow, cloudy day has been gotten. The dissertation did a tracking test ofdaylight spectrum characters in seven representative cities and analyzed the daylightspectrum characters of different light climate zoning. Analyzing the influence ofdaylight color temperature for architectural color, the functional relationships betweenthe color temperature difference|ΔK|with|Δa*|,|Δb*|, color difference ΔE have beengotten.
This dissertation presented an analysis of the theory of spatial color decayincluding Lambert-Beer law of atmospheric decay theory, particle scattering theory andso on. By selecting different atmospheric visibilities and various observation distances,an experimental research has been conducted on architectural color decay law. Thisdissertation determined the attenuationfunctional relationship of architectural colorparameters in urban space.
An experiment research of building facing materials reflection characteristicsunder different illumination/observation conditions has been carried out, and theluminance and chrominance reflection characteristics of these materials have beenresearched. This dissertation measured the glossiness and spectral reflectanceof facingmaterialsand the relationship between building facing material reflection characteristicswith glossiness, reflection coefficient has been gotten.
Through the computer artificial neural network technology, this research chose thecommon success three layers BP network as the basic structure and uniformity analyzedsun light spectrum, daylight color temperature affection,weather and light conditions,atmospheric scattering, atmospheric visibilities, observation distances, material lightreflection characteristics, illumination/observation conditions,material type,glossiness,reflection coefficient. Then the control index and calculation model of building colorcalculation model has been determined, and the building color quantitative calculationprocedure and building color design computer software has been exploited. Theseresults could provide science and technology foundation support on building colordesign and solve the practical problems in the design of architectural color. Theseresults have strong theoretical property and practicability.
The main innovation points of this paper：
1、This dissertation first proposes using daylight spectrum and atmosphericattenuation theory to quantitative research space architectural color and provides a newmethod for architectural color research.
2、This dissertation researches the daylight spectrum characters of different lightclimate zoning and the functional relationship between daylight color temperature witharchitectural colorparameters has been gotten.
3、This dissertation analyzes atmospheric attenuation of architectural space colorwith different atmospheric visibilities and various observation distances and establishesthe attenuationfunctional relationship of architectural color brightness and saturation.
4、 Through the computer artificial neural network technology, thisdissertationdesigns the structure for architectural color quantitative calculation andprovides foundation support on building color design computer software.
建筑色彩包含社会人文及科学技术两方面内容，长期以来建筑色彩设计多是从历史、文脉、习俗和审美等方面进行的定性研究，忽视了科学的定量研究，从而使建筑师对实际空间中应用的建筑物色彩变化情况（即建筑物色彩在空间中呈现的效果）不甚了解，无法对建筑色彩的设计进行准确的把握，导致设计色彩与实际建成色彩效果出现较大的偏差。建筑色彩是在城市空间中呈现出来的，必然会受到日光光谱、日光色温、大气衰减、观测距离和外饰面材料光反射特性等因素的影响，研究其影响和定量方法是建筑色彩设计不可缺少的科学技术基础。
本文根据我国光气候分区图和城市地理分布（东南西北及中部）选取了昆明、西宁、北京、深圳、南京、南昌和重庆7个代表性城市，对其中心区域的代表性建筑进行色彩调查、拍照、取样、测量、分析等工作，掌握了这些城市中心区的建筑色彩现状及外饰面材料使用情况，为本项目研究奠定基础。
本文研究了典型日光及相关理论，对不同标准照明体下建筑色彩样品色差进行了实验研究，得到了具有不同光谱功率分布的CIE标准照明体A、D50、D55、D75与D65下的色度差异；对不同天气和受光条件对建筑色彩的影响进行了实验研究，分析了晴天日光照度、亮度及色温的变化规律，得到了晴天受光、晴天背光、晴天阴影下和阴天与CIE标准照明体D65下的色度差异；对我国不同光气候分区的7个代表性城市一天中不同太阳高度角的日光光谱等进行跟踪测试，分析不同光气候分区日光光谱功率分布特性以及日光色温对建筑色彩的影响，得到了色温差|ΔK|与|Δa*|、|Δb*|和总色差ΔE的函数关系式。
本文研究了空间颜色的衰减理论，包括大气衰减的朗伯定律、粒子散射原理等，并在不同大气能见度、不同观测距离条件下对大气对城市空间中建筑色彩的衰减规律进行了实验研究，确定了城市空间中建筑色彩各参量的衰减函数关系式。
本文对常用建筑外饰面材料（涂料、面砖、铝塑板和大理石）的光反射特性进行了实验研究，得到不同入射/观测角度建筑外饰面材料的亮度和色度反射特性，并对其光泽度和光谱反射比进行测量，研究建筑外饰面材料光反射特性与光泽度、反射比之间的相关关系。
根据以上的研究，通过计算机人工神经网络技术，选用普遍获得成功的三层BP网络作为基本结构形式，将日光光谱、日光色温、天气和受光条件、大气散射、大气能见度、观测距离、外饰面材料光反射特性、入射/观测角度、材质类型、光泽度、反射比等定量数据进行统一分析，确定了建筑色彩定量计算的控制指标和计算模型，开发了“建筑色彩定量计算”程序和“建筑色彩设计”软件，为建筑色彩设计提供科学技术基础支撑，解决了建筑色彩设计中的实际问题，具有很强的理论性与实用性。
本文的主要创新点：
1、首次提出用日光光谱和大气衰减理论来定量研究建筑空间色彩，为建筑色彩研究提供了一种新的方法。
2、研究不同光气候分区的日光光谱功率分布特性，建立了建筑色彩参数与日光色温之间的函数关系。
3、研究不同大气能见度、不同观测距离条件下大气对建筑空间色彩的衰减规律，建立了建筑色彩明度、饱和度的衰减函数关系。
4、采用人工神经网络方法对建筑色彩定量化计算进行了结构设计，为建筑色彩设计软件编制提供了基础支撑。
This dissertation is a funding project of the NCFS subject “Architectural ColorControl Study on the Effect of the Daylight Spectrum and AtmosphericAttenuation”(Grant No51078364) and the university central graduate studentindependent research projects of science and technology innovationfund(Grant NoCDJXS12190008).
Architectural color includes contents about social humanity and scientifictechnology. For a long time, architectural color design has been analyzed fromhistorical, contextual, conventional, aesthetic and other aspects rather than a scientificquantitative research perspective. So that architects don’t know much about the changeof architectural color in actual space (the effect of the architectural color present in thespace). Then architects can’t accurately grasp the design of architectural color that leadto a larger deviation between design color and the actural color. Architectural color ispresented in urban space, being affected by sunlight spectrum, daylight colortemperature, atmospheric attenuation, observation distance, light reflectioncharacteristics of facing materials and other factors. To do research on the affect andquantitative methods is indispensable foundation of science and technology forarchitectural color design.
According to China's different light climate zoning and city geographicaldistribution (East, South, West, North and Central), the dissertation chose sevenrepresentative cities including Kunming, Xining, Beijing, Shenzhen, Nanjing, Nanchangand Chongqing. For representative buildings of these cities’ key areas, the dissertationdid a series works such as color investigation, photographs, sampling, measurement,analysis and so on. Then these cities’ architectural color status and external decorativematerials usage could be known which laid a solid foundation for the research of thisproject.
On the basis of analyzing the typical daylight and correlation theories, anexperiment research of color difference of specimen materials under different standardilluminants has been carried out, and the color difference between different CIEstandard illuminants withD65has been gotten. The dissertation analyzed change rule ofthe sunny sun illumination, brightness and color temperature. An experiment research ofthe influence of architectural color under different weather and light conditions has been carried out, and the color difference between D65with sunny clear light, sunny backlight,sunny shadow, cloudy day has been gotten. The dissertation did a tracking test ofdaylight spectrum characters in seven representative cities and analyzed the daylightspectrum characters of different light climate zoning. Analyzing the influence ofdaylight color temperature for architectural color, the functional relationships betweenthe color temperature difference|ΔK|with|Δa*|,|Δb*|, color difference ΔE have beengotten.
This dissertation presented an analysis of the theory of spatial color decayincluding Lambert-Beer law of atmospheric decay theory, particle scattering theory andso on. By selecting different atmospheric visibilities and various observation distances,an experimental research has been conducted on architectural color decay law. Thisdissertation determined the attenuationfunctional relationship of architectural colorparameters in urban space.
An experiment research of building facing materials reflection characteristicsunder different illumination/observation conditions has been carried out, and theluminance and chrominance reflection characteristics of these materials have beenresearched. This dissertation measured the glossiness and spectral reflectanceof facingmaterialsand the relationship between building facing material reflection characteristicswith glossiness, reflection coefficient has been gotten.
Through the computer artificial neural network technology, this research chose thecommon success three layers BP network as the basic structure and uniformity analyzedsun light spectrum, daylight color temperature affection,weather and light conditions,atmospheric scattering, atmospheric visibilities, observation distances, material lightreflection characteristics, illumination/observation conditions,material type,glossiness,reflection coefficient. Then the control index and calculation model of building colorcalculation model has been determined, and the building color quantitative calculationprocedure and building color design computer software has been exploited. Theseresults could provide science and technology foundation support on building colordesign and solve the practical problems in the design of architectural color. Theseresults have strong theoretical property and practicability.
The main innovation points of this paper：
1、This dissertation first proposes using daylight spectrum and atmosphericattenuation theory to quantitative research space architectural color and provides a newmethod for architectural color research.
2、This dissertation researches the daylight spectrum characters of different lightclimate zoning and the functional relationship between daylight color temperature witharchitectural colorparameters has been gotten.
3、This dissertation analyzes atmospheric attenuation of architectural space colorwith different atmospheric visibilities and various observation distances and establishesthe attenuationfunctional relationship of architectural color brightness and saturation.
4、 Through the computer artificial neural network technology, thisdissertationdesigns the structure for architectural color quantitative calculation andprovides foundation support on building color design computer software.
引文
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