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

杜 軍，常學洋，柯 克，陳開菊，袁 樵，何勇杰

(1.上海復緯照明設計工程有限公司，上海 201900；2.上海復旦規劃建筑設計研究院有限公司，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志。隨著城市景觀照明、文旅照明的快速發展，山體也自然就成為城市景觀照明的目標和焦點。近年來，國內諸多山體照明工程規模浩大，效果震撼，同時也伴隨著投資規模巨大、破壞生態、耗費能源、后期維護費用大，存在安全隱患、光污染等問題?；趯σ陨蠁栴}的思考和研究，并結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模、縮短建設周期、避免生態環境破壞、展示效果可持續等方面進行了深入的研究和有益的探索。

隨著激光照明技術越來越多地被應用于景觀照明及文旅項目中，若激光設置不合理則會帶來嚴重的安全隱患。因此，對激光照明在項目中的應用及設置進行安全性分析是十分必要的。國內外對于激光照明技術應用于景觀照明、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用的安全性問題進行分析和探討，以期為激光照明技術在景觀照明、文旅項目中的設計和應用提供一種分析研究方法及設計參考。

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年拉薩市主城區光彩照明提升工程”的重要節點項目，時間緊、標準高，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，風景優美，整個拉薩城風景盡收眼底。

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

環島南路毗鄰拉薩河北岸，沿路商業店鋪眾多，周邊匯集餐飲、酒店、商場等眾多業態，是城關區的重要核心街區，但夜間少有人流。從環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域性夜經濟商業街。觀景區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。投影區域起點位于創業大道北口東側的山脊，終點位于鵬矗隧道上方的山脊；東西跨度約為1.6 km。投影覆蓋區域的面積約為589 400 m2，是目前國內已知最大投影面積的激光山體秀項目。

環島南路太陽島商務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

當播放效果時，激光燈處于高速掃描狀態。出于安全考慮，假設激光為單點照射，并保持不動。若此時計算的結果能符合安全標準，則高速掃描亦可符合安全標準。

RGB合光后總輸出激光功率：P總=60 W。

激光的發散角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。根據經驗式u為[1]：

(4)

式中，V為大氣能見度，λ為激光發射波長，且：

(5)

根據天氣網站查詢，拉薩全年能見度平均值是31.2 km，則q=1.3。

當λ=638 nm，u1=322.38×10-6

(6)

當λ=525 nm，u2=415.37×10-6

(7)

當λ=447 nm，u3=511.97×10-6

(8)

則紅綠藍三種不同波長激光經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)

則經過衰減后的激光總功率為：

P減=P紅+P綠+P藍=42.83 W

(12)

經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，若人眼反應時間為0.1 s，對應的最大允許照射量(Maximum Permissible exposure，MPE)為10 W/m2[2]，可知項目使用的激光符合相關安全標準。雖然計算所得數據符合安全要求，但因不同個體對光的反應存在差異且有長時間的累積效應，出于安全考慮，我們還是要求無論任何場合都嚴禁直視激光。

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不相同，常用視見函數來表述這種差異[3]。激光表演系統對應的3個波長的視見函數為：

AV(638 nm)=0.2202

(14)

AV(525 nm)=0.8009

(15)

AV(477 nm)=0.0305

(16)

則經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產生的平均照度為：

Lv=I總通量/S=2 134.7 lx

(18)

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

2.3 激光誘發火災安全分析

熱效應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，轉化成熱量使溫度升高，當高于正常值時，會使得生物細胞、組織發生變化。激光照射生物組織產生損傷和發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]。

生物組織的熱學性質有：比熱容、熱容量、熱導率和熱擴散率。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，由于溫升較小，差距不大。因此水對生物組織的熱學性質影響較大，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吸收系數的主要決定因素，即水對紅外光有著很強的吸收，若在軟組織上照射紅外光，可以高效地轉化成熱量[5]。

圖5 軟組織上各種物質的吸收系數與波長的關系[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。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生熱效應，安全性滿足項目建設要求。

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生變化，當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，出現火光[8]。

激光誘發火災與多種因素有關，有研究利用軟件對數據進行分析，得出結論：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、調節激光器功率為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。國外的一些數據表明，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據，不易誘燃生物組織。圖7為南山山體被照面勘查現場圖片。

圖7 南山山體被照面勘查現場圖片Fig.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，海拔范圍約為3 570～4 071 m，坡度較大，地表風化碎石裸露、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]，不屬于易發火災的環境。

綜上所述，本項目所使用的激光燈具不易誘發投射山體火災風險。

3 激光秀方案設計

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。演繹內容共分為4個篇章，分別以自然生態、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，通過智能控制系統進行統籌演繹，形成震撼的視覺效果，來展現西藏的自然、人文及新時期在黨的領導關懷下西藏取得的建設成就，激光秀演繹內容如圖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 激光秀演繹內容Fig.12 Laster show deductive content

4 技術實施

4.1 實施總體要求

(1)不破壞生態，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)項目具有可持續性，可以定期更新片源動畫內容、傳播社會主義核心價值觀、發布公益廣告及運營；

(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區距離較遠，且有項目資金限制、建設周期短等因素都決定了激光燈是不二之選。要想達到節目預期效果，必須通過多臺燈重疊交叉投影才能使畫面清晰穩定，以確保激光在處理復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化來實現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]。

項目設計采用了25臺陜西凝聚激光生產的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，實現動畫內容的創作，保證設計效果的實現，但也因此對項目的控制架構提出了很高的要求。最終整個項目采用智能遠程照明控制方式，配合千兆網絡同步控制25臺燈，使得激光秀節目演繹達到了預期設計效果。

4.2.1 激光表演系統工作原理

全色彩合成原理：激光器輸出的激光顏色是單色的，但可以根據色度學中三基色混色法原理，實現彩色激光演示。本系統全彩色的實現采用空間混色法，控制三個激光器發出不同比例的三種顏色的激光束，三色激光束經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整，因此從理論上來說，激光器能夠實現對所有顏色的有效模擬[12]。

矢量圖形掃描原理：在該系統當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。首先將圖像點通過電腦軟件以及FB4轉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動，從而實現轉動坐標與圖像坐標之間的映射，最終實現對矢量圖形的掃描[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 激光表演系統工作流程

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

4.3 設施安裝位置確定

考慮到山體面并非平面，經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酒店樓頂，激光秀配套霧森系統安裝于拉薩河北岸護欄河內側，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

本項目采用智能遠程照明控制方式，集成多種照明設備強電回路遠程實時、定時開關啟動，弱電動態效果遠程實時、定時多套節目播放的功能。同時還有聲、光、電、水霧、舞美燈光、動態效果、強電回路協同控制，重要活動、特殊節日遠程實時、定時協同聯動、統籌調度節目總控的功能?？刂葡到y由上海眾盒智能提供，系統具備數據可視化，精細管理、智能運維能力，并可實現手機、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，節假日為每日半小時播放一次。

根據表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 結論

激光照明技術應用于大規模山體照明，具有成本低、工期短、節能省電、不破壞生態、施工方便、效果突出、宣傳效應明顯等特點，正逐漸發展成為一種可持續的新穎的山體景觀照明方式。

但其應用也需要合理規劃，充分論證其使用的安全性，避免在夜間使用中對周圍社區和周邊生態環境造成影響，避免誘發火災，避免對人體造成激光輻射傷害。

激光照明技術在照明項目中的應用逐漸廣泛，激光安全事項應該引起足夠重視。在具體設計中，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，并應該做到以下幾點：

(1)安裝高度不應低于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。不應一味追求高功率，而忽視安全性。

本項目的成功實施廣受當地群眾及城市管理者的好評，社會效益顯著，同時也帶動了項目周邊的經濟活力，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、文旅項目中的應用作出了有益的探索和實踐，提供了一定的參考。