城市景观照明的光色系统

赵海天，王少健，姚 其，胡艳鹏，施世涛，田 野

1)深圳大学建筑与城市规划学院，深圳518060;2)鹤壁市城乡规划管理局，河南鹤壁458000

城市景观照明的核心是构建灯光景观体系［1］，该体系包含空间系统和光色系统［2］. 空间系统提供物质依托，其构成以城市景观元素为基本单位，以视觉分析为基础，建立灯光景观的城市空间框架.光色系统以空间系统为物质依托，做出符合审美要求的光色匹配，调节各视点空间的色彩强度，实现对空间、色相、色彩饱和度以及动感变换的综合调度，突出表现主题，渲染照明景观效果［3］.

灯光的表现力受诸多因素影响，灯光景观在亮度、色彩、光形、空间、控制和背景等方面的表现与相互作用以及多媒质参与决定了光色系统是一个复杂系统［4］，采用语意化的文字说明无法精确描述灯光参数的各种变化. 有必要寻找一种科学的分析与表达方法，系统、精确地描述光色系统.

1 光色系统内涵

1.1 特征参数

影响灯光景观效果的变量可分为两类:一是本身具有表现能力的物理参数(如视亮度、色彩、光形、空间分布);二是本身不具表现能力但可通过对具有表现能力的参数施以作用，从而加强灯光表现效果的参数(如动感变换、背景亮度、多媒质参与等)，可进一步划分为光色参数、光形参数［5］、空间参数和动感变换参数等. 它们的物理意义为:光色参数表征灯光的基本参数，包括色相、饱和度、亮度参数;光形参数表征发光体的形态，包括点光、线光、面光、发光面积参数;空间参数包括远距、中距和近距;变换参数表征通过光色变换与光形加强表现效果，包括光色与光形动感、光色与光形组合参数;多媒质参数表征其他媒质的参与对灯光效果的影响作用，包括灯光广告、水体、激光、焰火;增强参数能有效影响到表现参数的效果的环境因素，包括音响、背景亮度参数. 光色参数不能单独存在，它的体现必须依附于光形参数中的某种形态［6-7］.

1.2 特征参数的分解与离散化

上述灯光参数本身具有不同的形态和表现程度，有必要按一定规律细化.

亮度(brightness)按(b1，20)、(b2，40)和(b3，80)3 个级别(单位:cd/m2)，采用“倍亮程”单位，从低向高排列过渡［8］.

主导色调(hue)有(h1，蓝)、(h2，绿)和(h3，红)3 种独立色调，从冷色调向暖色调排列过渡.

主导光形(form)有(f1，点光)、(f2，线光)和(f3，面光)3 种独立光形，从内向外排列过渡.

空间分布(space)有(s1，远距)、(s2，中距)和(s3，近距)3 种空间分布，从后向前排列过渡.

时序变换(time)有(t1，60)、(t2，10)和(t3，1)3 个时间级别，从慢向快过渡.

上述参数分解后实现了定量化. 例如，若选择(b1，b2，b3)、(h1，h2，h3)和(s1，s2，s3)，分别表示在灯光中包含3 个局部亮度 (20 、40 、80 cd/m2)、3 种光色 (蓝、绿、红)和3 种空间分布(远距、中距、近距).

上述灯光参数所代表的物理量各不相同，量纲也不一致. 因此，必须对5 个独立特征参数进行离散处理，使之能够进行数学表达和分析运算.

对每个参数，设取值范围为0.2 ～1.0，每0.2为1 个取值单位. 如，灯光参数的3 个局部亮度b1=20 cd/m2、b2=40 cd/m2和b3=80 cd/m2，分别转化为b1= 0.2、b2= 0.6 和b3= 1.0;3 种光h1=蓝、h2= 绿和h3= 红，分别转化为h1= 0.2、h2=0.6 和h3= 1.0;3 种空间分布s1= 远距、s2= 中距和s3= 近距，分别转化为s1= 0.2、s2= 0.6 和s3=1.0.

离散化的灯光参数描述了城市景观照明光色系统的主要特征，称为特征参数。

1.3 特征向量与关联矩阵

特征参数分别构成5 个行向量为

由特征参数向量(characteristic)组成的列向量为灯光元素的特征向量，记为C. 特征向量中的每个元素对应于决定灯光表现力的一个物理量，即

特征向量各元素之间通过相互关联和作用，可演变出千姿百态的灯光景观.

表示特征向量中各元素之间相互关联的矩阵，称为关联矩阵，表示特征参数之间的相互关联和作用关系，记为R. 其中，R 为方阵，维数与特征向量相同.

当第i 行元素所对应物理量与第j 列元素所对应物理量相关时，rii= 1;当第i 行元素所对应的物理量与第j 列元素所对应的物理量无关联时，rii= 0.

对角元rii定义为非对角元rij之和，即

特征参数关联度(degree of relative matrices)表示第i 个元素与其他元素总的关联度，称为元素i 的关联度(degree)，记为D(i).

特征子阵表示本特征行向量中各元素之间相互关联的矩阵，是关联矩阵的子矩阵，与本特征行向量同阶，且为对角阵. 特征子阵用与特征向量对应的大写字母标记，例如与b 对应的特征子阵记为B.

1.4 关联矩阵的主要性质

其性能包括:

1)对称性，关联区域1 与关联区域2 关于主对角线对称，即rij= rji;

2)对角性，即关联矩阵由特征对角子矩阵组成;

3)0 ～1 性，即关联区域内的元素rij为1 或0;

4)稀疏性，即R 中70%以上的元素为0;

5)主元占优性，即rij≤rii;

6)在R 构成的向量空间中，主元是该向量的模长，非主元在其他空间投影;

7)rij的意义:关联矩阵通过rij体现了元素之间由拓扑模型所规定的相互关联和作用关系.

上述特征参数之间是平等的，各个参数本身有强弱之分. 例如，亮度参数由b1～b3，特征参数之间的差异由其权重来体现.

特征参数权重表示各特征参数对人的视觉刺激的差异. 权重矩阵E 是n 阶对角阵，对角元ejj(j =1，n)为对应特征参数的权重.

特征参数关联与作用的最终效果由两个因素决定，一是该参数本身的强弱;二是该参数与其它参数是否存在关联性.

统合向量I (integrative vector):统合向量是与特征向量同维数的向量，表示特征参数统合的效应，I = RC.

即

由于rik= 1 或0，故ij≥cj(j = 1，n).

式(3)表明，特征参数经过相互关联与作用后，将导致视觉统合效果“增强”. 而ij的各分量则分别代表了灯光元素的亮度特征、色调特征、变换特征、空间特征和环境特征等.

下面引入灯光元素指数来表示特征参数及其相互作用的总体效应.

定义灯光指数为X，

灯光指数的意义是把多维向量表示的复杂的物理量压缩成一个数字，更具直观和可比性. 一般意义上，灯光指数具有以下特点:

(沉稳、庄重)X 小＜——X 大(亮丽、活泼)

2 光色系统构成

灯光景观是综合性人文景观，既包括物质因素，也包括非物质因素. 构建光色系统包括建立空间系统、确定表现主题、参数分析与匹配及参数表达等. 关键环节是对特征参数进行合理、相对精确和符合审美要求的匹配.

1)建立空间系统. 在灯光景观规划体系中，光色控制基础是景观空间构架. 因此第一步是建立起以整个城市为坐标系的灯光景观的城市空间构架.

2)确定表现主题. 表现主题确定色彩取向，影响色彩间的调和、平衡. 主要体现在色相、明度和彩度3 种属性间的对比关系，不同的对比关系创造了相异的表现主题.

3)特征参数分析与匹配. 以一个灯光景观序列作为规划的基本单位是灯光景观单元，在单元内由表现主题所确定的色彩取向，决定了景观的主导色彩. 灯光景观所对应的城市景观在城市空间中的位置和功能，决定景观的次主导色彩. 以表现主题为基础，通过视觉需求分析，可将建筑物空间分为上段区(标志性设计原则)和下段区(舒适性设计原则)，确定主导色、次主导色，并对特征参数分别匹配.

4)参数表达. 亮度指标可全部涵盖LED 光源的效果，具有更宽的艺术表现空间［9］.

表示色彩的方法有CMYK (cyan，magenta，yellow，black )、RGB (red，green，blue)和HSB(hue，saturation，brightness)3 个系统. 但目前景观照明光源的种类及光源光色是有限的，上述色彩系统中的数据对于城市灯光而言，不能保证一定存在对应的光源. 因此，光色系统的任何成果必须保证光色系统所采用的色彩都能够找到实际存在的光源. 本研究以HSB 色彩系统的“光源·色谱对应表”为基础描述光色参数，见表1. 可见，LED 在景观照明的光色参数表现力方面具有极大优势.

表1 光源和色谱对应结果Table 1 Corresponding table of light source and spectrum

结 语

本研究引入特征参数，为模拟灯光景观提供了数字化研究基础，为采用计算机辅助设计研究城市景观照明提供了基础平台. 所提出的现代分析方法可用于光色系统分析，从而改变传统上完全依赖设计者的经验型设计方法. 本研究提出的特征向量与关联矩阵具有开放性质，随着特征参数进一步细化，将具有更强的表现力和描述精度，这将导致特征向量与关联矩阵维数的扩展.

/ References:

［1］Zhao Haitian，Xiang Dong. A structure method for urban light landscape system ［J］. Urban Planning Forum，2003，26(3):90-94.(in Chinese)赵海天，向 东. 城市灯光景观体系构成［J］. 城市规划汇刊，2003，26(3):90-94.

［2］Xiao Huiqian. Handbook of Lighting Technology of Urban Landscape at Night ［M］. Beijing:China Electricity Press，2004.(in Chinese)萧辉乾. 城市夜景照明技术指南［M］. 北京:中国电力出版社，2004.

［3］Chen Zhonglin，Yang Chunyu，Huang Haijing. Limiting method of light pollution in floodlighting design［J］. China Illuminating Engineering Journal，2002，13(3):51-54.(in Chinese)陈仲林，杨春宇，黄海静. 泛光照明设计中光污染限制方法［J］. 照明工程学报，2002，13(3):51-54.

［4］CIE Technical Report No.136. Guide to the Lighting of Urban Areas ［S］.

［5］ANSI/IESNA Road Lighting (RP-8-00)［S］.

［6］Zhao Haitian，Yuan Lei. Human return of lightscape［J］.Architectural Journal，2005 (1):50-53. (in Chinese)赵海天，袁 磊. 论灯光景观的人文回归［J］. 建筑学报，2005(1):50-53.

［7］Zhao Haitian，Xiang Dong，Zhang Aiquan. Several fundamental theoretic problems about urban light landscape development ［J］. Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2003，20(1):70-76.(in Chinese)赵海天，向 东，张爱全. 城市灯光建设若干基础理论问题界定［J］. 深圳大学学报理工版，2003，20(1):70-76.

［8］Zhao Haitian，Yao Qi，Kuang Zhibin，et al. Lighting efficiency analysis of low position inversed lighting ［J］.Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2013，30(2):186-189.(in Chinese)赵海天，姚 其，邝志斌，等. 基于视网膜照度的路面照明效率分析［J］. 深圳大学学报理工版，2013，30(2):186-189.

［9］Kevin Lynch. The Image of the City ［M］. Fang Yiping，He Xiaojun，trans. Beijing:Huaxia Publishing House，2011.(in Chinese)Kevin Lynch. 城市意象［M］. 方益萍，何晓军，译.北京:华夏出版社，2011.