Urban Illumination:From the needs to the acceptance test

Thierry Midavainethimidav@club.fr

Association Française d’Astronomiewww.afanet.com

Darksky 2008

August 22-23 Vienna Austria

Identify a process

� We have a gap between the amateur astronomer community request and the elected town board concern.

� Could a mayor may ask for a professional photometricexpertise on the illumination of a town ?

� To who ?

� We proposed a study to the French Optical Institute in 2006 on such a process, and a call for subscription to the AFA members.

the RFP process

The elected members of a town council are in charge of the call for proposal for

any city equipment. Therefore, the urban illumination equipments are under there responsibility and it go through the following process:

1. They issue a request for proposal (RFP), it gathers the requirements to meet : the Specifications.

2. Companies compete in answering to the RFP.

3. The best offer, meeting the Specifications and the most competitive isselected.

4. The selected company is notified through a granted contract. The contract precise acceptance conditions in agreement with the specifications: the Acceptance Test.

5. The company manufactures the deliverables to the town.

6. The fullfilled Acceptance Test allows the final payment of balance.

Besoins de Nuits

Issue a specification

Define an acceptance test

Therefore AFA is on the way to issue a Specification meeting the expressed

Needs.

This Specification could be attached in the requirements of a call for proposal

issued by a town.

This Specification have to be achievable, this implies two things

1. It could to be met

2. The deliverables could be checked by a quantified Acceptance Test.

The Specification

The Specification translates our Needs in quantified requirements to be checked

by the Acceptance Test.

Therefore we have to express our Needs in simple sentences. They have to be

shared and understandable.

This could become a shared reference document in each country or even

merged and up dated by IDA at an international level.

It was the starting point of our study settled during the RCE2006 conference at the Dark Sky Protection Session.

The need

Thierry Midavaine

RCE Novembre 2006

What is my need …

What are the needs of my relatives…

What are the needs of my community…

What are the needs of our society…

What are the needs of our planet…

… to quote the night quality and …

… the illumination quality ?

Expressing our Night Need

Nos enfants doivent pouvoir voir la Voie Lactée par nuit claire et sans Lune

dans la périphérie de ma commune.

Our Children are able to see the Milky Way during clear night and without Moon

from the outskirts of my town

Nous devons voir des étoiles de magnitude 6 à 20° au dessus de l’horizon dans

toutes les directions.

We are able to see 6th magnitude stars at 20° above the horizon at any

azimuth.

Expressing our Urban Illumination Need

�Les conditions d’éclairages en ville sont suffisants pour permettre aux piétons de voir:

�La chaussée

�Les obstacles, les trous, le bord du trottoir, les marquages au sol, la nature du sol, les flaques d’eau…

�Les déjections canines

�Reconnaître les visages des autres piétons

�Le respect d’une dimension historique peut être demandée par les concitoyens dans l’aspect des lampes.

�The Illumination level in a town allows a pedestrian to see:

�The pavement

�The obstacles, the holes, the limit of the footpath, the ground prints, the kind of ground, puddles

�The dungs of dog

�The face of other pedestrians, and recognise them

�The historical legacy looking of street lamps could be required

Besoins de Nuits

Granting a Label

The Areas, Towns, Parks, meeting our expressed needs could be granted by a

Label like the Blue Flag attesting the quality of sea water of French resorts on the sea side.

This qualification is achieved with the process of the Acceptance Test. If it is passed, a black flag Label could be granted.

First Step

Input Assumptions :

�The town is defined by a size a . b, a map of the streets and areas to be illuminated

�The minimum range d from the outskirts where the night will be measured.

�Define the nice weather condition from the large visibility range.

�People have an rated acuity at 10

�Gathering the existing quantified photometric data

Juillet 2002, Ciel et Espace issued the map merging Cinzano output on a IGN french map :

Cartographie du rapport de luminosité artificielle/naturelledu ciel au zénith (perte en magnitude)

•< 10% : noir (< 0,10 magnitude)

•< 33% : bleu (< 0,31 magnitude)

•< 100% : vert (< 0,75 magnitude)

•< 300% : jaune (< 1,5 magnitudes)

•< 900% : orange (< 2,5 magnitudes)

•< 2700% : rouge (< 3,6 magnitudes)

•> 2700% : blanc (> 3,6 magnitudes)

A chaque magnitude perdue, le nombre d’étoiles/d’objets visibles est divisé par 4

• Ile de France

• Vallée du Rhône

• Alpes

• Atlantique

• Centre

• Massif Central

• Provence

• Cote d'Azur

IGN-Ciel&Espace

Cinzano-Elvidge

Falchi

ph.cm-2.s-1.sr-1 µcd.m-2 V mag.as2

Gris 8.61E+05 2.5

Bleu 9.47E+06 2.84E+07 27.7 83.2

Vert 2.84E+07 8.61E+07 83.2 252 21.6

Jaune 8.61E+07 2.58E+08 252 756

Orange 2.58E+08 7.75E+08 756 2268

Rouge 7.75E+08 2.32E+09 2268 6804

Blanc 2.32E+09 6804

Opto Services - AFA study

� 1st study : Modelisation � We want to establish the light pollution consequences from

street lamps from a town on this sky luminance and determine the max level threshold meeting our needs.

� The report is available on : www.afanet.fr

Pierre-Louis Giscard, Julien Lozi, Jean-Louis Meyzonnette, Thierry Lepine, Thierry Midavaine

Geometrical model

Ville ou zone polluante

zénith

dhθ

observateur

d

h

θ’

Diffusion laws

Street lamp model

φ

φ’ ( ) ( )n

II 20 cos ϕϕ =

Cette puissance est ajustable en fonction du modèle du lampadaire. En effet, les différents types de lampadaires ne rayonnent pas de la même manière au dessus de l’horizon. Dans ce modèle, plus la puissance n est grande, plus le lampadaire est « bafflé ». Pour un lampadaire boule, on a n = 0.

Flux ratio illuminating the sky vs n

Ground illumination : Elamp/Ftot (m-2) for a 10m high street lamp vs z from 0 to

20m and vs n from 0 to 8

Direct contribution from the street lamp and ground reflected diffusion to the sky

illumination (n=4)

En bleu la contribution directe du lampadaire, en vert la contribution de ce qui est réémis par le sol, et en rouge la somme des deux.

Sky zenith luminance,vs h atmospheric thickness,

vs range d from 5 (bottom) to 15km (up).

Therefore the zenith sky background luminance for a 1 lm street light,

according to the range d, is :

d (km) 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

L (10-12 cd.m-2) 4.17 2.91 2.13 1.61 1.25 0.987 0.796 0.653 0.542 0.455 0.386

Log10 sky luminance vs angularelevation on the source azimuth at

d=10km range.

Exemples of sky background maps:

Sur les graphiques ci-dessous, l’échelle des teintes est logarithmique, i.e. -9 correspond à 10-9 cd.m-2. Nous rappelons qu’il s’agit d’une

représentation plane d’une demi sphère, l’azimut (axe des abscisses) variant de -180° à 180° et l’inclinaison (axe des ordonnées) de 0 à 90°.

Exemple de calcul : pour un flux de 10000 lumens à 10 km.

A bowl street light (n = 0) :

Exemple de calcul : pour un flux de 10000 lumens à 10 km, pour :•Un lampadaire boule (n = 0) :

Puissance de 10 de cd/m2

Angle azimutal

Ang

le z

énit

hal

A classical street light (n = 4) :

•Un lampadaire classique (n = 4) :

A baffled street light (n = 10) :

•Un lampadaire plus optimisé (n = 10) :

Variation en fonction de la distance d’observation : source de 10000 lumens,

n = 4

d = 5 km

d = 10 km

d = 15 km

Cas de deux sources polluantes de même puissance, une à d = 10 km et β = 30°, et

l’autre à d = 15 km et β = -15°

Star visibility

α

dh

observateur

h

Lumière de l’étoile

Facteur de transmission atmosphérique en fonction de la hauteur

Éclairement au sol pour des étoiles de magnitudes entre 5 et 7, et pour des

angles entre 20° et 90° (de bas en haut, avec un pas de 10°).

Soit pour une étoile de magnitude 6 à 20° E = 5,61 10-9lux

Luminance de la Voie Lactéeen fonction de la hauteur dans le ciel

24 .10.3,2 −−= mcdLVL

Éclairement seuil détectable en fonction de la luminance du fond de ciel

Assemblée générale de l’AFA

Traduction des besoins exprimés par l’AFA

Dossier « Pollution Lumineuse »

Etoile de magnitude 6 à 20°, luminance maximum du ciel :

Lmax = 6,3.10−4cd.m−2

Eclairement d’une étoile de magnitude 6 à 20° :

E = 5,61.10-9lux

Luminance typique d’un bon ciel et luminance maximum tolérable issue de la

pollution :

24max .10.7,3 −−= mcdLLciel _ naturel = 2,6.10−4

cd.m−2

Assemblée générale de l’AFA

Traduction des besoins exprimés par l’AFA

Dossier « Pollution Lumineuse »

Luminance du ciel pour observer la voie lactée :

Au zénith : 24 .10.4,7 −−= mcdLciel

À 45° : 24 .10.8,6 −−= mcdLciel

À 20° : 24 .10.9,4 −−= mcdLciel

Travail sur une mire de Foucault pour estimer la luminance d’un fond de ciel

AFA 2007-2008 member card(proposed by Thierry Midavaine, Eric Piednoel, Patrick Duchemin)

This card is a shared tool between all the AFA members. This gray chart may probe the linearity and the fidelity of complete image process from the image acquisition to the final display. Beyond, it allows to judge the illumination level down town, and to estimate the ground albedo and the reflected illumination toward the sky.

La carte de membre AFA 2007(proposée par Thierry Midavaine, Eric Piednoel, Patrick Duchemin)

1.41 (100%) 0.67 (82%) 0

1.43 (100%) 1.08 (96%) 0.80 (88%) 0.56 (75%) 0.30 (52%) 0

1.45 (100%)

1.29 (99%)

1.13 (96%)

1.00 (94%)

0.88 (90%)

0.77 (86%)

0.68 (81%)

0.55 (74%)

0.42 (63%)

0.29 (49%)

0.16 (30%)

0

Les densités et entre parenthèses l’équivalence en % de l’aplat.

2nd study 2008

� This study is done by a team in the FIE (Filière Innovation Entreprise of the French Optical Institute): Guillaume Maucort, Damien Mayneris, Nicolas Ferachoglou

� The purpose is to build the business case of a new company: Project Pollux. � Proposer un service aux municipalités d’optimisation de l’éclairage

public

• Gestion du parc

• Assurer un bel éclairement

• Assurer une protection du ciel nocturne

� Recenser les besoins en éclairage et le rapprocher de la norme Européenne

� Proposer une évolution de l’éclairage et chiffrer l’impact économique sur les 2 cas pilotes.

• Vichères (X00 Habitants 17 lampadaires)

• Mortagne au Perche (Y000 Habitants, Z lampadaires)

Parc Naturel Régional du Perche

� Protocole avec le Parc du Perche dans le cadre du Programme à trois ans Aténée

� Il entreprend en partenariat avec l’ADEME des actions en faveur de l’efficacité énergétique et de l’éclairage public.

� Sélections de deux communes pilotes dans le Parc Régional du Perche :� Vichères : 300 habitants, la commune éteint ses lumières le soir et

supprime les éclairages de Noël. Plan papier repères de Lambert

� Mortagne au Perche : 5000 habitants qui doit renouveler son éclairage prochainement.

Summer 2008 status

�We are on the way to issue the second report itincludes the photometric measurement performedat Vichere and the contribution to a multi-source simulation software. It introduces the basis of our future Acceptance Test.

� From the outputs of the studies, I am writing theSpecification V0. It gathered our quantifiedrequirements with their respective justification.

Document breakdown structure

NightNeed

UrbanIllumination

Need

BlackFlagLabel

SpecificationAcceptance

Test

RFP, contract and delivery

2008-2009 scheduled activities

�The AFA steering comitee (23/06/08) decided for the coming year :� To support a small town in a pilot process of a request

for proposal to up-date the street lamp network to validate the V0 specification.

� To write the illumination plan chapter to propose to thetown board as local decree.

Tomorrow towns…

� …Are able to order a professionnal photometric expertise on the street lamp network and have the quantified level of light pollution,

� …Could get a forecast of the night sky quality if they up date the street lamp network meeting the AFAspecification.

� …Could write a local decree defining and planning thelight illumination rules.

� …Could issue a request for proposal relying on the AFA Specification and order the Acceptance Test to a professional expert.

� …Could be candidate to the AFA black flag Labelassessing their night sky quality,