基于激光秀的大型山体景观照明的设计与实施
——以拉萨市南山公园山体激光秀为例

杜 军，常学洋，柯 克，陈开菊，袁 樵，何勇杰

(1.上海复纬照明设计工程有限公司，上海 201900；2.上海复旦规划建筑设计研究院有限公司，上海 200433；3.西安凝聚光电科技有限公司，陕西 西安 710075；4.西藏广播电视台，西藏 拉萨 850000)

引言

山体是一个城市特有的自然资源，也是独具特色的地理标志。随着城市景观照明、文旅照明的快速发展，山体也自然就成为城市景观照明的目标和焦点。近年来，国内诸多山体照明工程规模浩大，效果震撼，同时也伴随着投资规模巨大、破坏生态、耗费能源、后期维护费用大，存在安全隐患、光污染等问题。基于对以上问题的思考和研究，并结合拉萨市南山的实际情况，最终选择激光照明的方式。该工程的顺利实施，使山体照明在控制投资规模、缩短建设周期、避免生态环境破坏、展示效果可持续等方面进行了深入的研究和有益的探索。

随着激光照明技术越来越多地被应用于景观照明及文旅项目中，若激光设置不合理则会带来严重的安全隐患。因此，对激光照明在项目中的应用及设置进行安全性分析是十分必要的。国内外对于激光照明技术应用于景观照明、文旅照明安全性分析研究的文章较少，本文旨在通过对山体照明中激光应用的安全性问题进行分析和探讨，以期为激光照明技术在景观照明、文旅项目中的设计和应用提供一种分析研究方法及设计参考。

1 项目概况

本项目是为迎接建党100周年及西藏和平解放70周年而实施的“2021年拉萨市主城区光彩照明提升工程”的重要节点项目，时间紧、标准高，必须确保实施的安全性和总体效果。

拉萨市南山公园(图1)地处布达拉宫和自治区党委正南方，位于太阳岛南岸，与其隔拉萨河相望。南山山势陡峭，山体蜿蜒不平，山顶海拔约4 071 m。登山远望视线通透，风景优美，整个拉萨城风景尽收眼底。

图1 南山公园日景Fig.1 Daily view of Nanshan Park

环岛南路毗邻拉萨河北岸，沿路商业店铺众多，周边汇集餐饮、酒店、商场等众多业态，是城关区的重要核心街区，但夜间少有人流。从环岛南路望南山公园视野开阔，将此处作为主观景点，能大大促进太阳岛形成区域性夜经济商业街。观景区域东至仙足岛北路南口、西达太阳岛快艇码头，沿街长度约530 m。

2 设计分析

2.1 载体分析

南山公园山体多草皮与点状分布的灌木丛，山体反光条件较好，适合作为投影被照面。投影区域起点位于创业大道北口东侧的山脊，终点位于鹏矗隧道上方的山脊；东西跨度约为1.6 km。投影覆盖区域的面积约为589 400 m2，是目前国内已知最大投影面积的激光山体秀项目。

环岛南路太阳岛商务楼激光安装点到照射面的距离最远约为1 700 m、中间距离约为1 200 m、最近约为785 m。南山灯光秀平面分布如图2所示。

图2 南山灯光秀平面分布图Fig.2 Nanshan Laser lighting display layout plan

2.2 基于人眼的安全性分析

当播放效果时，激光灯处于高速扫描状态。出于安全考虑，假设激光为单点照射，并保持不动。若此时计算的结果能符合安全标准，则高速扫描亦可符合安全标准。

RGB合光后总输出激光功率：P总=60 W。

激光的发散角θ为3mrad，距离L为785 m，则入射激光在山体上的光斑直径D为：

D=Lθ=785×3=2.355 m

(1)

激光慢轴压缩如图3所示，激光快轴压缩如图4所示。通过图3、图4中的W值和H值可以计算出激光发散角，其中W为光斑的宽度，H为光斑的高度，单位为像素。入射激光在山体上的光斑面积S山为：

图3 激光发散角θ测量：激光慢轴压缩Fig.3 Laser divergence angle measurement：laser slow axis compression

图4 激光发散角θ测量：激光快轴压缩Fig.4 Laser divergence angle measurement：laser fast axis compression

(2)

大气对激光具有衰减作用，激光照射距离L=785 m，则衰减后的激光功率：

P减=P总×e-uL

(3)

式中，u为衰减系数。根据经验式u为[1]：

(4)

式中，V为大气能见度，λ为激光发射波长，且：

(5)

根据天气网站查询，拉萨全年能见度平均值是31.2 km，则q=1.3。

当λ=638 nm，u1=322.38×10-6

(6)

当λ=525 nm，u2=415.37×10-6

(7)

当λ=447 nm，u3=511.97×10-6

(8)

则红绿蓝三种不同波长激光经大气衰减后功率分别为：

P红(638～800)=10.86 W

(9)

P绿(525～800)=16.60 W

(10)

P蓝(447～800)=15.37 W

(11)

则经过衰减后的激光总功率为：

P减=P红+P绿+P蓝=42.83 W

(12)

经大气衰减后的功率密度为：

(13)

查询GB 7247.1—2012[2]文件与资料可知，若人眼反应时间为0.1 s，对应的最大允许照射量(Maximum Permissible exposure，MPE)为10 W/m2[2]，可知项目使用的激光符合相关安全标准。虽然计算所得数据符合安全要求，但因不同个体对光的反应存在差异且有长时间的累积效应，出于安全考虑，我们还是要求无论任何场合都严禁直视激光。

在可见光谱中，人眼对光谱中部(黄绿色)最敏感，越靠近光谱两端，越不敏感。人眼对相同强度、不同波长的光主观视觉响应不相同，常用视见函数来表述这种差异[3]。激光表演系统对应的3个波长的视见函数为：

AV(638 nm)=0.2202

(14)

AV(525 nm)=0.8009

(15)

AV(477 nm)=0.0305

(16)

则经过大气衰减后的总光通量为：

Φ总光通量=(P衰减后红×AV(638 nm)+P衰减后绿×AV(525 nm)+P衰减后蓝×AV(477 nm))×683=9 648.3 lm

(17)

从而，在山体上的投射范围内产生的平均照度为：

Lv=I总通量/S=2 134.7 lx

(18)

由此可知，在太阳岛侧观景点可以清晰观看到激光表演系统在山体上的投影所展示的图像内容。

2.3 激光诱发火灾安全分析

热效应是激光与生物组织相互作用的重要效用之一，生物组织吸收激光能量后，转化成热量使温度升高，当高于正常值时，会使得生物细胞、组织发生变化。激光照射生物组织产生损伤和发生明火的影响因素有多种，其中激光波长、激光功率密度、照射时间、被照材料的吸收特性、被照材料的含水量以及环境中的含氧量等是诸多因素中最重要的因素[4]。

生物组织的热学性质有：比热容、热容量、热导率和热扩散率。含水量越高，比热容越大，越不容易升温；生物组织的热导率随含水量的增加而增加；生物组织的热扩散率与温度有关，由于温升较小，差距不大。因此水对生物组织的热学性质影响较大，一般生物软组织中含水量达60%～80%。从图5可以看出，水对红外范围激光的吸收是生物组织光学吸收系数的主要决定因素，即水对红外光有着很强的吸收，若在软组织上照射红外光，可以高效地转化成热量[5]。

图5 软组织上各种物质的吸收系数与波长的关系[6]Fig.5 Relationship between absorption coefficient and wavelength of various substances on soft tissue

另外，皮肤对激光能量的吸收与波长也有关。皮肤对紫外线的吸收最强，对红外线的吸收次之，对可见光的吸收则随波长增加而减弱。

综上，本项目中使用的激光器波长分别为638±5 nm、520±5 nm、447±5 nm，均处于水吸收率极低的可见光范围(图6)，因此不易引起生物组织产生热效应，安全性满足项目建设要求。

图6 水的吸收光谱[7]Fig.6 Absorption spectrum of water

激光加热作用会引起生物组织发生变化，当激光加热生物组织升温大于530 ℃ 时，炭化后的生物组织即可燃烧，出现火光[8]。

激光诱发火灾与多种因素有关，有研究利用软件对数据进行分析，得出结论：在光斑尺寸和移动速度一定时，材料烧蚀的最高温度和烧蚀深度与激光功率成正比；在一定移动速度下，不发生明火的激光功率密度约为50 W/cm2[9]。

有研究显示，在室外温度25 ℃、激光器与待烧蚀聚合物试样距离为100 m、调节激光器功率为180 W、光斑直径约为 1.5 cm时，照射直径为1.5 cm的树枝，测得启燃时间为2 s，其使用的激光功率密度为120 W/cm2。国外的一些数据表明，对森林剩余物在100 m～1.5 km处，使用激光功率为750 W的CO2激光器对森林剩余物进行可控点燃，所需要的持续照射时间为2 s。

本项目使用的激光到达山体时的光斑直径D=2.4 m，功率密度为0.95×10-3W/cm2，功率密度远低于上述实验测得数据，不易诱燃生物组织。图7为南山山体被照面勘查现场图片。

图7 南山山体被照面勘查现场图片Fig.7 Photos of the survey site of the illuminated Nanshan mountain area

拉萨市处于河谷地带，年均降水量为435 mm，夜雨率高达70%左右。项目所选被照面山体处多风，海拔范围约为3 570～4 071 m，坡度较大，地表风化碎石裸露、空气含氧量低，表面植被多为草本植物以及少量低矮灌木。没有易燃可燃物堆积，且其含水量较高，分布稀疏[10]，不属于易发火灾的环境。

综上所述，本项目所使用的激光灯具不易诱发投射山体火灾风险。

3 激光秀方案设计

在西藏和平解放70周年大庆之际，以“地球第三极，山水激光秀”为主题，激光秀范围包括南山激光秀、拉萨河北岸水面激光投影、拉萨河北岸300 m河堤雾森仙境，如图8～图11所示。演绎内容共分为4个篇章，分别以自然生态、人文西藏、美丽新西藏、光耀中华为主题，运用激光、雾森并配合音乐，通过智能控制系统进行统筹演绎，形成震撼的视觉效果，来展现西藏的自然、人文及新时期在党的领导关怀下西藏取得的建设成就，激光秀演绎内容如图12所示。

图8 激光秀方案效果图Fig.8 Laser show scheme renderings

图9 拉萨河北岸雾森实景图Fig.9 Realistic picture of foggy forest on the north bank of Lhasa

图10 拉萨河北岸雾森及河面投影实景图Fig.10 Projection realistic map of foggy forest and river on the north bank of Lhasa

图11 庆祝西藏和平解放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

图12 激光秀演绎内容Fig.12 Laster show deductive content

4 技术实施

4.1 实施总体要求

(1)不破坏生态，山体上不安装大量灯具，不开挖埋线；

(2)效果震撼、造价低；

(3)施工、运维成本及难度低；

(4)项目具有可持续性，可以定期更新片源动画内容、传播社会主义核心价值观、发布公益广告及运营；

(5)施工工作面小，有效地控制各项成本。

4.2 激光灯具选型

激光灯具有射程远、颜色鲜明、亮度高、指向性好、光分散度小的特点。而拉萨南山为大尺度山体，与拉萨河对岸的商业区距离较远，且有项目资金限制、建设周期短等因素都决定了激光灯是不二之选。要想达到节目预期效果，必须通过多台灯重叠交叉投影才能使画面清晰稳定，以确保激光在处理复杂和大幅面图形时能得到更好的显示效果。采用美国Pangolin的Beyond表演软件和矢量图形优化来实现激光动画的无缝拼接，解决了扫描速度、角度、距离在大幅面激光投射的局限性[11]。

项目设计采用了25台陕西凝聚激光生产的NJLS-FC-60-F 60W彩光激光灯具，配合美国穿山甲公司提供的软件，实现动画内容的创作，保证设计效果的实现，但也因此对项目的控制架构提出了很高的要求。最终整个项目采用智能远程照明控制方式，配合千兆网络同步控制25台灯，使得激光秀节目演绎达到了预期设计效果。

4.2.1 激光表演系统工作原理

全色彩合成原理：激光器输出的激光颜色是单色的，但可以根据色度学中三基色混色法原理，实现彩色激光演示。本系统全彩色的实现采用空间混色法，控制三个激光器发出不同比例的三种颜色的激光束，三色激光束经滤光和反射后投射到显示屏幕上相邻的三点。因为人眼对颜色分辨能力有限，只要这三个点足够近，便不能分辨出这三种基色，因此感觉到的是它们的混合色。同时激光器所输出的激光亮度也可以进行调整，因此从理论上来说，激光器能够实现对所有颜色的有效模拟[12]。

矢量图形扫描原理：在该系统当中对矢量图形的扫描是通过对图像像点的扫描方式来实现。首先将图像点通过电脑软件以及FB4转换之后得到模拟信号，并通过模拟信号来控制扫描振镜的转动，从而实现转动坐标与图像坐标之间的映射，最终实现对矢量图形的扫描[13]，如图13所示。

图13 振镜扫描工作原理图Fig.13 Schematic diagram of galvanometer scanning operation

4.2.2 激光表演系统工作流程

激光表演系统通过将图片和字符的显示转换成矢量的轮廓形式，矢量图的转换可以借助矢量绘图工具来产生转换文件，通过QuickShow、Beyond等软件读取矢量图文件来编排节目并导入激光表演系统的FB4中。FB4再根据节目信息解算出振镜扫描信息并传递给振镜驱动，同时FB4解算出色彩信息并将其传递给激光器驱动。整个画面的呈现是由激光器根据色彩信息出光，同时振镜根据扫描信息扫描配合来实现的。

4.3 设施安装位置确定

考虑到山体面并非平面，经过实验确定激光灯具最佳安装位置为拉萨河北岸太阳岛商务酒店楼顶，激光秀配套雾森系统安装于拉萨河北岸护栏河内侧，音箱布置于拉萨河北岸沿河人行步道路灯杆上。

4.4 控制系统

本项目采用智能远程照明控制方式，集成多种照明设备强电回路远程实时、定时开关启动，弱电动态效果远程实时、定时多套节目播放的功能。同时还有声、光、电、水雾、舞美灯光、动态效果、强电回路协同控制，重要活动、特殊节日远程实时、定时协同联动、统筹调度节目总控的功能。控制系统由上海众盒智能提供，系统具备数据可视化，精细管理、智能运维能力，并可实现手机、平板、电脑等终端控制及管理。

5 项目功耗分析

灯光秀时长15 min，演绎分时段进行播放，拟定平时周日至周四为每日21：00播放一场，周五至周六每日21：00、22：00、23：00播放一场，节假日为每日半小时播放一次。

根据表1计算得出本项目所消耗的电能为93.4 kW。按每天1 h计算，一年用电34 091度。

表1 项目功耗一览表

6 结论

激光照明技术应用于大规模山体照明，具有成本低、工期短、节能省电、不破坏生态、施工方便、效果突出、宣传效应明显等特点，正逐渐发展成为一种可持续的新颖的山体景观照明方式。

但其应用也需要合理规划，充分论证其使用的安全性，避免在夜间使用中对周围社区和周边生态环境造成影响，避免诱发火灾，避免对人体造成激光辐射伤害。

激光照明技术在照明项目中的应用逐渐广泛，激光安全事项应该引起足够重视。在具体设计中，需要对激光装置的安装位置、投射角度、射程和被照载体情况进行充分计算分析，并应该做到以下几点：

(1)安装高度不应低于3 m；

(2)激光光斑不能直接或间接照射到人眼；

(3)选择合适功率。不应一味追求高功率，而忽视安全性。

本项目的成功实施广受当地群众及城市管理者的好评，社会效益显著，同时也带动了项目周边的经济活力，成为拉萨城市夜景的又一张名片。同时也为激光照明在城市景观照明、文旅项目中的应用作出了有益的探索和实践，提供了一定的参考。