三維地理信息在輔助冬奧會規劃設計決策中的應用
——以2022年冬奧會延慶賽區為例

呂 揚，周 慶，侯慶明，李 兵

(1.北京市測繪設計研究院，北京 100038；2.城市空間信息工程北京市重點實驗室，北京 100038)

第24屆冬季奧林匹克運動會將于2022年由北京市和張家口市聯合舉行。作為舉辦過夏奧會的北京，冬奧會的舉辦與中國政府正在推行的京津冀協同發展國家戰略高度契合，將推動交通、環境治理、產業一體化，促進旅游，增加就業。習近平總書記指出“場館和基礎設施建設是籌辦工作的重中之重，周期長、任務重、要求高，要加快工作進度，充分考慮賽事需求和賽后利用，充分利用現有場館設施，注重利用先進科技手段，注重實用、保護生態，堅持節約原則，不搞鋪張奢華，不搞重復建設”。

規劃設計是奧運會場館和基礎設施建設的首要工作，面臨巨大挑戰[1]。一方面，冬奧會的規劃設計須滿足空間、交通、設施、資金等多方面的要求，是一個復雜的綜合性決策過程[2]。例如，空間方面，大到場地的布設，小到觀眾座席的設計，都需要納入考慮；交通方面，賽時大量不同身份的人流在短時間內的快速移動，對交通帶來極大的考驗；后奧運方面，奧運場館及奧運村的賽后利用、可持續發展等事宜需要在規劃設計時統籌考慮[3]。另一方面，山地屬于復雜的生態系統，有著珍貴獨特的山水景觀和生態系統、復雜的地形地貌，在規劃設計時須統籌考慮，多專業協調作業[4]。面對諸多定性、定量的因素，冬奧會的規劃設計亟須精細準確的現狀數據作為參照。傳統規劃使用的圖件多為現狀地形圖，然而，地形圖的關注重點是平面信息，缺乏直觀的空間表達能力，使用者很難依據地形圖把握建設項目與地形環境的適應性，極大地限制了地形圖在復雜山區規劃中的應用。衛星影像具有重訪周期快、不受空域限制的優勢，可以客觀反映現狀資源的空間分布情況。

鑒于衛星影像、地理信息在空間資源統籌方面的技術優勢，將其應用于奧運會當中已成為必然選擇。2011年“9·11”事件后，安保被列為冬奧會的重中之重，2002年的Utah冬奧會，美國利用高分辨率遙感衛星影像IKONOS進行安防布控[5]。2006年，文獻[6]從實際應用的角度出發，分析了地理信息可以在數字奧運的交通、安保、物流、建模、旅游等方面開展應用。2008年，文獻[7]指出，采用地理信息技術對體育場館周邊地域的空間數據及屬性數據進行統一計算機管理,有利于更加科學合理地利用資源。2008年北京夏季奧運會，文獻[8]利用Landsat、MODIS、ASTER等中低分辨率的衛星數據對2008年夏季奧運會進行了重復監測，并利用手工建模的方式構建了2008年夏季奧運會虛擬展示平臺。2012年，GIS技術被用來服務于倫敦奧運會安保[9]及人員分布分析[10]。

近年來，LiDAR技術[11]、無人機技術、傾斜攝影測量技術[12]、三維重建技術[13]等測繪高新技術為社會進步提供了多方面服務[14]。然而，目前還未見到將這些先進技術應用于奧運會規劃設計方面的研究。本文利用無人機低空航攝遙感、激光雷達技術、三維地理信息等現代地理空間信息技術，制作賽區及周邊三維實景模型，以數字三維的形式盡可能真實地反映現狀，探索研究三維地理信息技術服務冬奧會規劃設計中的方法，并在延慶賽區開展了示范應用。

1 方案設計

1.1 研究區概況

研究區位于海坨山區域，面積約18.6 km2，如圖1所示。海坨山位于北京市延慶縣張山營鎮北部與河北赤城縣交界處，屬燕山山脈軍都山系，海坨山南側北京延慶縣境內有西大莊科村。在該區域將建設國家高山滑雪中心、國家雪車雪橇中心兩個競賽場館和延慶冬奧村[15]。研究區溝壑縱橫，山高林密、地形復雜、用地狹促，在該區域進行規劃難度較大，這也更能凸顯本文研究的必要性。

1.2 技術方案

利用三維地理信息制作三維場景的總體技術流程如圖2所示。鑒于地形數據的精度在雪道規劃設計中非常重要，采用激光雷達技術獲取激光點云數據，經過預處理、濾波、坐標轉換、DEM制作幾個步驟后，得到DEM成果。為了提供高分辨率的影像數據，利用無人機獲取測區影像，經過空中三角測量、DEM制作、影像勻色、DOM制作后，得到DOM成果。DEM和DOM疊加，二者構成實景三維場景。收集規劃設計方案，將其分為二維規劃方案和三維規劃方案分別處理，最終得到規劃三維場景。將實景三維和規劃三維進行整合，得到整體的三維場景。

1.2.1 LiDAR數據獲取與DEM制作

機載激光雷達點云數據采用運-12飛機作為飛行平臺，搭載Leica ALS70新型機載激光雷達系統獲取，ALS70系統技術參數見表1。依據測區特點，分東西向和西北-東南2個測區飛行，共設計13條航帶，航帶劃分如圖3所示。航向重疊度為30%，旁向重疊度為63%。點云平均密度為1.5個點/m2。飛行當天天氣晴朗，無云霧遮擋。利用點云處理軟件進行處理，經過航攝數據收集和檢查、數據分塊、航帶重疊區處理、濾波、坐標轉換、DEM制作幾個關鍵步驟后得到DEM數據成果。

表1 ALS70系統的技術參數

1.2.2 無人機影像獲取與DOM制作

為了保證影像清晰度，采用無人機獲取影像。無人機航攝影像數據采用ZC-6蜘蛛系列六旋翼無人機飛行平臺與用ZC-3雨燕系列電動固定翼無人機飛行平臺。相機為SONYA7R數碼相機，相機焦距為35 mm，相幅大小為7360×4912像素，物理相幅為36 mm×24 mm，像元大小為4.8 μm。為保障相機畸變參數的現勢性，每個架次的相機均使用最新檢校結果。

針對海坨山大高差特點，為確保0.05 m基準面分辨率，提出了階梯式航攝分區方案。依據高程分布情況，將整個測區劃分為14個分區，如圖4所示。航向重疊度為80%，旁向重疊度為40%。經過空中三角測量、DEM生成、DOM正射校正后，得到正射影像。

1.2.3 規劃模型和現狀地形的整合

規劃模型多為采用三維建模軟件制作的精細手工三維模型，現狀地形為DOM和DEM疊加而成的場景，由于兩種數據存在時間差，即一個為現在時，一個為將來時，且兩種數據的精度差異，導致制作的規劃模型落到實景上存在沖突。為此，根據實際情況選擇兩種方法進行整合：方法一為范圍置平法，給定指定范圍，將該范圍內的區域高程設置為單一值；方法二為邊界法，提出規劃模型的三維邊界，將其納入地形重新構TIN。

2 輔助規劃應用

2.1 現狀-規劃融合展示

傳統規劃模型成果具有細節逼真、準確度高的優勢，在展示微觀特性方面具有優勢，但缺乏對周邊地形特征展示的能力；三維地理信息具有反映客觀、精確地理信息的能力，在展示宏觀特性方面具有優勢。將規劃方案導入實景三維場景進行立體呈現，可將宏觀-微觀融合展示，如圖5所示，為規劃方案實施后的落地成果提供直觀的參考，查看規劃設計方案與周邊環境的協調程度，協助查找規劃設計方案中存在的漏洞。

2.2 輔助高山滑雪中心雪道中心線選線

高山滑雪雪道定線以專家主觀經驗為主，由國際雪聯專家到現場實地踏勘，結合個人滑雪經驗和實際地形地貌確定。然而，專家多將重點落在滑雪體驗上，沒有考慮大型賽事組織的需求，沒有極具說服力的理由支持，很難說服專家對線路進行調整。本次高山滑雪中心競速結束區的初址，與觀眾集散區相距較遠，高差約100 m，給交通帶來了極大的壓力。為此，將專家選定的雪道、競速結束區、集散區發布到三維平臺。并結合專家選定雪道線路所在的坡度、坡向，對雪道進行延伸，使得競速結束區和集散廣場的位置盡可能接近，并將建議的雪道方案發布到在三維平臺。通過將原始方案和改進方案在三維環境下直觀展示(如圖6所示)，輔助專家完成雪道線路的調整。

2.3 輔助現有區域改造

冬奧會延慶賽區位于延慶張山營鎮西大莊科村，該村距離冬奧會相關設施較近，因此，需要對該村的情況進行深入調研，以輔助改造工作的開展。常規的房產測繪和入戶調查手段進入居民區中作業易引起矛盾，影響改造工作的開展。利用實景三維建模的方法，制作西大莊科村建筑的實景三維模型(如圖7所示)，基于此估算用地面積、建筑面積，從不同角度獲取西大莊科村現狀，用以評價建筑物風貌，從而輔助西大莊科村的改造升級。

3 討 論

3.1 基于三維地理信息的冬奧會全生命周期輔助決策

冬奧會的組織工作具有極大挑戰，需要在規定的時間內，充分利用有限的空間和時間，協同多部門完成大量任務。基于三維地理信息技術，在規劃設計階段，實現了雪道、場館、市政設施等規劃方案和現狀融合展示，并據此進行輔助規劃決策，為場館規劃設計提供服務。

鑒于三維地理信息多角度、多尺度展示、分析數據的能力，可在冬奧會的全生命周期中提供技術支撐。

3.1.1 輔助施工監測

施工建設工作是冬奧會籌備工作的關鍵。延慶賽區所處山區地形復雜，交通不便，為施工過程中的質量和成本把控帶來了困難。施工建設的一個重要指標就是土石方量，它直接影響到工程造價及預算、施工組織。傳統工程土方量計算的方式為外業人工測點，在山區復雜地形條件下，費時耗力，風險高，數據分布不均。鑒于LiDAR技術直接獲取地面點空間坐標的特性，可利用機載LiDAR、車載LiDAR定期獲取施工變化區域的激光點云數據，進而計算出土石方量的變化，為工程費用結算提供參考。

高精度和實時性的施工監測是結構復雜的大型工程安全施工的重要保障。利用遙感數據制作快拼影像，高頻次了解賽區現狀，掌握施工進程。工程竣工后，利用最新獲取的影像制作測區正射影像圖，反映賽區空間分布。

3.1.2 輔助運營維護階段

冬奧會期間，賽區將迎來世界各地的參賽選手、裁判員、觀眾，人口與交通壓力驟增，將面臨交通、治安、應急、資源管理等多種問題。借助三維地理信息，可以為交通、安保、物流、媒體等多個業務領域服務。一方面，開展詳圖方案布設，包括場地詳圖、運營計劃、人流擁堵、停車場等；另一方面，可以開展運營設計，包括流線設計、方向指引等。

3.2 輔助山地及冰雪項目選址及資源配置

在大力推進冰雪產業的背景下，在“三億人上冰雪”的政策[16]指引下，我國的山地及冰雪休閑度假產品將大面積推出，如滑雪場、山地度假區、滑雪樂園、滑雪小鎮。由于山地、冰雪項目多在有一定高差的區域建設，對豎向空間的利用較為關注，相關項目的規劃設計咨詢、山地冰雪資源開發利用及評估亟待三維地理信息技術的支撐，以開展選址、空間資源配置優化。

4 結 語

本文利用高精度的地理信息數據，借助三維展示手段，實現了輔助2022年冬奧會規劃設計決策的目標，為冬奧會的籌備工作提供了技術支撐。在此基礎上，得出如下結論：精準的三維數據是精細規劃的前提條件，LiDAR數據可以提供精細的地形信息，無人機獲取的影像具有分辨率高的特點，二者結合，可以提升輸入資料的精準程度；三維地理信息系統技術可集現狀和規劃模型于一體，進而提供客觀、形象、可視化的平臺，為業主、奧組委、政府、規劃方等多個相關方信息共享提供便利，發揮所長，共同高效作業，以科學謀劃、合理配置資源。