基于激光秀的大型山體景觀照明的設(shè)計與實施
——以拉薩市南山公園山體激光秀為例

杜 軍，常學(xué)洋，柯 克，陳開菊，袁 樵，何勇杰

(1.上海復(fù)緯照明設(shè)計工程有限公司，上海 201900；2.上海復(fù)旦規(guī)劃建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200433；3.西安凝聚光電科技有限公司，陜西 西安 710075；4.西藏廣播電視臺，西藏 拉薩 850000)

引言

山體是一個城市特有的自然資源，也是獨具特色的地理標(biāo)志。隨著城市景觀照明、文旅照明的快速發(fā)展，山體也自然就成為城市景觀照明的目標(biāo)和焦點。近年來，國內(nèi)諸多山體照明工程規(guī)模浩大，效果震撼，同時也伴隨著投資規(guī)模巨大、破壞生態(tài)、耗費能源、后期維護費用大，存在安全隱患、光污染等問題。基于對以上問題的思考和研究，并結(jié)合拉薩市南山的實際情況，最終選擇激光照明的方式。該工程的順利實施，使山體照明在控制投資規(guī)模、縮短建設(shè)周期、避免生態(tài)環(huán)境破壞、展示效果可持續(xù)等方面進行了深入的研究和有益的探索。

隨著激光照明技術(shù)越來越多地被應(yīng)用于景觀照明及文旅項目中，若激光設(shè)置不合理則會帶來嚴(yán)重的安全隱患。因此，對激光照明在項目中的應(yīng)用及設(shè)置進行安全性分析是十分必要的。國內(nèi)外對于激光照明技術(shù)應(yīng)用于景觀照明、文旅照明安全性分析研究的文章較少，本文旨在通過對山體照明中激光應(yīng)用的安全性問題進行分析和探討，以期為激光照明技術(shù)在景觀照明、文旅項目中的設(shè)計和應(yīng)用提供一種分析研究方法及設(shè)計參考。

1 項目概況

本項目是為迎接建黨100周年及西藏和平解放70周年而實施的“2021年拉薩市主城區(qū)光彩照明提升工程”的重要節(jié)點項目，時間緊、標(biāo)準(zhǔn)高，必須確保實施的安全性和總體效果。

拉薩市南山公園(圖1)地處布達拉宮和自治區(qū)黨委正南方，位于太陽島南岸，與其隔拉薩河相望。南山山勢陡峭，山體蜿蜒不平，山頂海拔約4 071 m。登山遠望視線通透，風(fēng)景優(yōu)美，整個拉薩城風(fēng)景盡收眼底。

圖1 南山公園日景Fig.1 Daily view of Nanshan Park

環(huán)島南路毗鄰拉薩河北岸，沿路商業(yè)店鋪眾多，周邊匯集餐飲、酒店、商場等眾多業(yè)態(tài)，是城關(guān)區(qū)的重要核心街區(qū)，但夜間少有人流。從環(huán)島南路望南山公園視野開闊，將此處作為主觀景點，能大大促進太陽島形成區(qū)域性夜經(jīng)濟商業(yè)街。觀景區(qū)域東至仙足島北路南口、西達太陽島快艇碼頭，沿街長度約530 m。

2 設(shè)計分析

2.1 載體分析

南山公園山體多草皮與點狀分布的灌木叢，山體反光條件較好，適合作為投影被照面。投影區(qū)域起點位于創(chuàng)業(yè)大道北口東側(cè)的山脊，終點位于鵬矗隧道上方的山脊；東西跨度約為1.6 km。投影覆蓋區(qū)域的面積約為589 400 m2，是目前國內(nèi)已知最大投影面積的激光山體秀項目。

環(huán)島南路太陽島商務(wù)樓激光安裝點到照射面的距離最遠約為1 700 m、中間距離約為1 200 m、最近約為785 m。南山燈光秀平面分布如圖2所示。

圖2 南山燈光秀平面分布圖Fig.2 Nanshan Laser lighting display layout plan

2.2 基于人眼的安全性分析

當(dāng)播放效果時，激光燈處于高速掃描狀態(tài)。出于安全考慮，假設(shè)激光為單點照射，并保持不動。若此時計算的結(jié)果能符合安全標(biāo)準(zhǔn)，則高速掃描亦可符合安全標(biāo)準(zhǔn)。

RGB合光后總輸出激光功率：P總=60 W。

激光的發(fā)散角θ為3mrad，距離L為785 m，則入射激光在山體上的光斑直徑D為：

D=Lθ=785×3=2.355 m

(1)

激光慢軸壓縮如圖3所示，激光快軸壓縮如圖4所示。通過圖3、圖4中的W值和H值可以計算出激光發(fā)散角，其中W為光斑的寬度，H為光斑的高度，單位為像素。入射激光在山體上的光斑面積S山為：

圖3 激光發(fā)散角θ測量：激光慢軸壓縮Fig.3 Laser divergence angle measurement：laser slow axis compression

圖4 激光發(fā)散角θ測量：激光快軸壓縮Fig.4 Laser divergence angle measurement：laser fast axis compression

(2)

大氣對激光具有衰減作用，激光照射距離L=785 m，則衰減后的激光功率：

P減=P總×e-uL

(3)

式中，u為衰減系數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗式u為[1]：

(4)

式中，V為大氣能見度，λ為激光發(fā)射波長，且：

(5)

根據(jù)天氣網(wǎng)站查詢，拉薩全年能見度平均值是31.2 km，則q=1.3。

當(dāng)λ=638 nm，u1=322.38×10-6

(6)

當(dāng)λ=525 nm，u2=415.37×10-6

(7)

當(dāng)λ=447 nm，u3=511.97×10-6

(8)

則紅綠藍三種不同波長激光經(jīng)大氣衰減后功率分別為：

P紅(638～800)=10.86 W

(9)

P綠(525～800)=16.60 W

(10)

P藍(447～800)=15.37 W

(11)

則經(jīng)過衰減后的激光總功率為：

P減=P紅+P綠+P藍=42.83 W

(12)

經(jīng)大氣衰減后的功率密度為：

(13)

查詢GB 7247.1—2012[2]文件與資料可知，若人眼反應(yīng)時間為0.1 s，對應(yīng)的最大允許照射量(Maximum Permissible exposure，MPE)為10 W/m2[2]，可知項目使用的激光符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)。雖然計算所得數(shù)據(jù)符合安全要求，但因不同個體對光的反應(yīng)存在差異且有長時間的累積效應(yīng)，出于安全考慮，我們還是要求無論任何場合都嚴(yán)禁直視激光。

在可見光譜中，人眼對光譜中部(黃綠色)最敏感，越靠近光譜兩端，越不敏感。人眼對相同強度、不同波長的光主觀視覺響應(yīng)不相同，常用視見函數(shù)來表述這種差異[3]。激光表演系統(tǒng)對應(yīng)的3個波長的視見函數(shù)為：

AV(638 nm)=0.2202

(14)

AV(525 nm)=0.8009

(15)

AV(477 nm)=0.0305

(16)

則經(jīng)過大氣衰減后的總光通量為：

Φ總光通量=(P衰減后紅×AV(638 nm)+P衰減后綠×AV(525 nm)+P衰減后藍×AV(477 nm))×683=9 648.3 lm

(17)

從而，在山體上的投射范圍內(nèi)產(chǎn)生的平均照度為：

Lv=I總通量/S=2 134.7 lx

(18)

由此可知，在太陽島側(cè)觀景點可以清晰觀看到激光表演系統(tǒng)在山體上的投影所展示的圖像內(nèi)容。

2.3 激光誘發(fā)火災(zāi)安全分析

熱效應(yīng)是激光與生物組織相互作用的重要效用之一，生物組織吸收激光能量后，轉(zhuǎn)化成熱量使溫度升高，當(dāng)高于正常值時，會使得生物細胞、組織發(fā)生變化。激光照射生物組織產(chǎn)生損傷和發(fā)生明火的影響因素有多種，其中激光波長、激光功率密度、照射時間、被照材料的吸收特性、被照材料的含水量以及環(huán)境中的含氧量等是諸多因素中最重要的因素[4]。

生物組織的熱學(xué)性質(zhì)有：比熱容、熱容量、熱導(dǎo)率和熱擴散率。含水量越高，比熱容越大，越不容易升溫；生物組織的熱導(dǎo)率隨含水量的增加而增加；生物組織的熱擴散率與溫度有關(guān)，由于溫升較小，差距不大。因此水對生物組織的熱學(xué)性質(zhì)影響較大，一般生物軟組織中含水量達60%～80%。從圖5可以看出，水對紅外范圍激光的吸收是生物組織光學(xué)吸收系數(shù)的主要決定因素，即水對紅外光有著很強的吸收，若在軟組織上照射紅外光，可以高效地轉(zhuǎn)化成熱量[5]。

圖5 軟組織上各種物質(zhì)的吸收系數(shù)與波長的關(guān)系[6]Fig.5 Relationship between absorption coefficient and wavelength of various substances on soft tissue

另外，皮膚對激光能量的吸收與波長也有關(guān)。皮膚對紫外線的吸收最強，對紅外線的吸收次之，對可見光的吸收則隨波長增加而減弱。

綜上，本項目中使用的激光器波長分別為638±5 nm、520±5 nm、447±5 nm，均處于水吸收率極低的可見光范圍(圖6)，因此不易引起生物組織產(chǎn)生熱效應(yīng)，安全性滿足項目建設(shè)要求。

圖6 水的吸收光譜[7]Fig.6 Absorption spectrum of water

激光加熱作用會引起生物組織發(fā)生變化，當(dāng)激光加熱生物組織升溫大于530 ℃ 時，炭化后的生物組織即可燃燒，出現(xiàn)火光[8]。

激光誘發(fā)火災(zāi)與多種因素有關(guān)，有研究利用軟件對數(shù)據(jù)進行分析，得出結(jié)論：在光斑尺寸和移動速度一定時，材料燒蝕的最高溫度和燒蝕深度與激光功率成正比；在一定移動速度下，不發(fā)生明火的激光功率密度約為50 W/cm2[9]。

有研究顯示，在室外溫度25 ℃、激光器與待燒蝕聚合物試樣距離為100 m、調(diào)節(jié)激光器功率為180 W、光斑直徑約為 1.5 cm時，照射直徑為1.5 cm的樹枝，測得啟燃時間為2 s，其使用的激光功率密度為120 W/cm2。國外的一些數(shù)據(jù)表明，對森林剩余物在100 m～1.5 km處，使用激光功率為750 W的CO2激光器對森林剩余物進行可控點燃，所需要的持續(xù)照射時間為2 s。

本項目使用的激光到達山體時的光斑直徑D=2.4 m，功率密度為0.95×10-3W/cm2，功率密度遠低于上述實驗測得數(shù)據(jù)，不易誘燃生物組織。圖7為南山山體被照面勘查現(xiàn)場圖片。

圖7 南山山體被照面勘查現(xiàn)場圖片F(xiàn)ig.7 Photos of the survey site of the illuminated Nanshan mountain area

拉薩市處于河谷地帶，年均降水量為435 mm，夜雨率高達70%左右。項目所選被照面山體處多風(fēng)，海拔范圍約為3 570～4 071 m，坡度較大，地表風(fēng)化碎石裸露、空氣含氧量低，表面植被多為草本植物以及少量低矮灌木。沒有易燃可燃物堆積，且其含水量較高，分布稀疏[10]，不屬于易發(fā)火災(zāi)的環(huán)境。

綜上所述，本項目所使用的激光燈具不易誘發(fā)投射山體火災(zāi)風(fēng)險。

3 激光秀方案設(shè)計

在西藏和平解放70周年大慶之際，以“地球第三極，山水激光秀”為主題，激光秀范圍包括南山激光秀、拉薩河北岸水面激光投影、拉薩河北岸300 m河堤霧森仙境，如圖8～圖11所示。演繹內(nèi)容共分為4個篇章，分別以自然生態(tài)、人文西藏、美麗新西藏、光耀中華為主題，運用激光、霧森并配合音樂，通過智能控制系統(tǒng)進行統(tǒng)籌演繹，形成震撼的視覺效果，來展現(xiàn)西藏的自然、人文及新時期在黨的領(lǐng)導(dǎo)關(guān)懷下西藏取得的建設(shè)成就，激光秀演繹內(nèi)容如圖12所示。

圖8 激光秀方案效果圖Fig.8 Laser show scheme renderings

圖9 拉薩河北岸霧森實景圖Fig.9 Realistic picture of foggy forest on the north bank of Lhasa

圖10 拉薩河北岸霧森及河面投影實景圖Fig.10 Projection realistic map of foggy forest and river on the north bank of Lhasa

圖11 慶祝西藏和平解放70周年LOGO投影Fig.11 Logo projection for celebrating the 70th anniversary of the peaceful liberation of annexation of tibet by the people’s republic of China

圖12 激光秀演繹內(nèi)容Fig.12 Laster show deductive content

4 技術(shù)實施

4.1 實施總體要求

(1)不破壞生態(tài)，山體上不安裝大量燈具，不開挖埋線；

(2)效果震撼、造價低；

(3)施工、運維成本及難度低；

(4)項目具有可持續(xù)性，可以定期更新片源動畫內(nèi)容、傳播社會主義核心價值觀、發(fā)布公益廣告及運營；

(5)施工工作面小，有效地控制各項成本。

4.2 激光燈具選型

激光燈具有射程遠、顏色鮮明、亮度高、指向性好、光分散度小的特點。而拉薩南山為大尺度山體，與拉薩河對岸的商業(yè)區(qū)距離較遠，且有項目資金限制、建設(shè)周期短等因素都決定了激光燈是不二之選。要想達到節(jié)目預(yù)期效果，必須通過多臺燈重疊交叉投影才能使畫面清晰穩(wěn)定，以確保激光在處理復(fù)雜和大幅面圖形時能得到更好的顯示效果。采用美國Pangolin的Beyond表演軟件和矢量圖形優(yōu)化來實現(xiàn)激光動畫的無縫拼接，解決了掃描速度、角度、距離在大幅面激光投射的局限性[11]。

項目設(shè)計采用了25臺陜西凝聚激光生產(chǎn)的NJLS-FC-60-F 60W彩光激光燈具，配合美國穿山甲公司提供的軟件，實現(xiàn)動畫內(nèi)容的創(chuàng)作，保證設(shè)計效果的實現(xiàn)，但也因此對項目的控制架構(gòu)提出了很高的要求。最終整個項目采用智能遠程照明控制方式，配合千兆網(wǎng)絡(luò)同步控制25臺燈，使得激光秀節(jié)目演繹達到了預(yù)期設(shè)計效果。

4.2.1 激光表演系統(tǒng)工作原理

全色彩合成原理：激光器輸出的激光顏色是單色的，但可以根據(jù)色度學(xué)中三基色混色法原理，實現(xiàn)彩色激光演示。本系統(tǒng)全彩色的實現(xiàn)采用空間混色法，控制三個激光器發(fā)出不同比例的三種顏色的激光束，三色激光束經(jīng)濾光和反射后投射到顯示屏幕上相鄰的三點。因為人眼對顏色分辨能力有限，只要這三個點足夠近，便不能分辨出這三種基色，因此感覺到的是它們的混合色。同時激光器所輸出的激光亮度也可以進行調(diào)整，因此從理論上來說，激光器能夠?qū)崿F(xiàn)對所有顏色的有效模擬[12]。

矢量圖形掃描原理：在該系統(tǒng)當(dāng)中對矢量圖形的掃描是通過對圖像像點的掃描方式來實現(xiàn)。首先將圖像點通過電腦軟件以及FB4轉(zhuǎn)換之后得到模擬信號，并通過模擬信號來控制掃描振鏡的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)動坐標(biāo)與圖像坐標(biāo)之間的映射，最終實現(xiàn)對矢量圖形的掃描[13]，如圖13所示。

圖13 振鏡掃描工作原理圖Fig.13 Schematic diagram of galvanometer scanning operation

4.2.2 激光表演系統(tǒng)工作流程

激光表演系統(tǒng)通過將圖片和字符的顯示轉(zhuǎn)換成矢量的輪廓形式，矢量圖的轉(zhuǎn)換可以借助矢量繪圖工具來產(chǎn)生轉(zhuǎn)換文件，通過QuickShow、Beyond等軟件讀取矢量圖文件來編排節(jié)目并導(dǎo)入激光表演系統(tǒng)的FB4中。FB4再根據(jù)節(jié)目信息解算出振鏡掃描信息并傳遞給振鏡驅(qū)動，同時FB4解算出色彩信息并將其傳遞給激光器驅(qū)動。整個畫面的呈現(xiàn)是由激光器根據(jù)色彩信息出光，同時振鏡根據(jù)掃描信息掃描配合來實現(xiàn)的。

4.3 設(shè)施安裝位置確定

考慮到山體面并非平面，經(jīng)過實驗確定激光燈具最佳安裝位置為拉薩河北岸太陽島商務(wù)酒店樓頂，激光秀配套霧森系統(tǒng)安裝于拉薩河北岸護欄河內(nèi)側(cè)，音箱布置于拉薩河北岸沿河人行步道路燈桿上。

4.4 控制系統(tǒng)

本項目采用智能遠程照明控制方式，集成多種照明設(shè)備強電回路遠程實時、定時開關(guān)啟動，弱電動態(tài)效果遠程實時、定時多套節(jié)目播放的功能。同時還有聲、光、電、水霧、舞美燈光、動態(tài)效果、強電回路協(xié)同控制，重要活動、特殊節(jié)日遠程實時、定時協(xié)同聯(lián)動、統(tǒng)籌調(diào)度節(jié)目總控的功能。控制系統(tǒng)由上海眾盒智能提供，系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)可視化，精細管理、智能運維能力，并可實現(xiàn)手機、平板、電腦等終端控制及管理。

5 項目功耗分析

燈光秀時長15 min，演繹分時段進行播放，擬定平時周日至周四為每日21：00播放一場，周五至周六每日21：00、22：00、23：00播放一場，節(jié)假日為每日半小時播放一次。

根據(jù)表1計算得出本項目所消耗的電能為93.4 kW。按每天1 h計算，一年用電34 091度。

表1 項目功耗一覽表

6 結(jié)論

激光照明技術(shù)應(yīng)用于大規(guī)模山體照明，具有成本低、工期短、節(jié)能省電、不破壞生態(tài)、施工方便、效果突出、宣傳效應(yīng)明顯等特點，正逐漸發(fā)展成為一種可持續(xù)的新穎的山體景觀照明方式。

但其應(yīng)用也需要合理規(guī)劃，充分論證其使用的安全性，避免在夜間使用中對周圍社區(qū)和周邊生態(tài)環(huán)境造成影響，避免誘發(fā)火災(zāi)，避免對人體造成激光輻射傷害。

激光照明技術(shù)在照明項目中的應(yīng)用逐漸廣泛，激光安全事項應(yīng)該引起足夠重視。在具體設(shè)計中，需要對激光裝置的安裝位置、投射角度、射程和被照載體情況進行充分計算分析，并應(yīng)該做到以下幾點：

(1)安裝高度不應(yīng)低于3 m；

(2)激光光斑不能直接或間接照射到人眼；

(3)選擇合適功率。不應(yīng)一味追求高功率，而忽視安全性。

本項目的成功實施廣受當(dāng)?shù)厝罕娂俺鞘泄芾碚叩暮迷u，社會效益顯著，同時也帶動了項目周邊的經(jīng)濟活力，成為拉薩城市夜景的又一張名片。同時也為激光照明在城市景觀照明、文旅項目中的應(yīng)用作出了有益的探索和實踐，提供了一定的參考。