三維地理信息在輔助冬奧會規(guī)劃設(shè)計決策中的應(yīng)用
——以2022年冬奧會延慶賽區(qū)為例

呂 揚，周 慶，侯慶明，李 兵

(1.北京市測繪設(shè)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(lián)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(xié)同發(fā)展國家戰(zhàn)略高度契合，將推動交通、環(huán)境治理、產(chǎn)業(yè)一體化，促進旅游，增加就業(yè)。習(xí)近平總書記指出“場館和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是籌辦工作的重中之重，周期長、任務(wù)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(xiàn)有場館設(shè)施，注重利用先進科技手段，注重實用、保護生態(tài)，堅持節(jié)約原則，不搞鋪張奢華，不搞重復(fù)建設(shè)”。

規(guī)劃設(shè)計是奧運會場館和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的首要工作，面臨巨大挑戰(zhàn)[1]。一方面，冬奧會的規(guī)劃設(shè)計須滿足空間、交通、設(shè)施、資金等多方面的要求，是一個復(fù)雜的綜合性決策過程[2]。例如，空間方面，大到場地的布設(shè)，小到觀眾座席的設(shè)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(nèi)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(xù)發(fā)展等事宜需要在規(guī)劃設(shè)計時統(tǒng)籌考慮[3]。另一方面，山地屬于復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，有著珍貴獨特的山水景觀和生態(tài)系統(tǒng)、復(fù)雜的地形地貌，在規(guī)劃設(shè)計時須統(tǒng)籌考慮，多專業(yè)協(xié)調(diào)作業(yè)[4]。面對諸多定性、定量的因素，冬奧會的規(guī)劃設(shè)計亟須精細準(zhǔn)確的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)作為參照。傳統(tǒng)規(guī)劃使用的圖件多為現(xiàn)狀地形圖，然而，地形圖的關(guān)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(jù)地形圖把握建設(shè)項目與地形環(huán)境的適應(yīng)性，極大地限制了地形圖在復(fù)雜山區(qū)規(guī)劃中的應(yīng)用。衛(wèi)星影像具有重訪周期快、不受空域限制的優(yōu)勢，可以客觀反映現(xiàn)狀資源的空間分布情況。

鑒于衛(wèi)星影像、地理信息在空間資源統(tǒng)籌方面的技術(shù)優(yōu)勢，將其應(yīng)用于奧運會當(dāng)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(wèi)星影像IKONOS進行安防布控[5]。2006年，文獻[6]從實際應(yīng)用的角度出發(fā)，分析了地理信息可以在數(shù)字奧運的交通、安保、物流、建模、旅游等方面開展應(yīng)用。2008年，文獻[7]指出，采用地理信息技術(shù)對體育場館周邊地域的空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一計算機管理,有利于更加科學(xué)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(wèi)星數(shù)據(jù)對2008年夏季奧運會進行了重復(fù)監(jiān)測，并利用手工建模的方式構(gòu)建了2008年夏季奧運會虛擬展示平臺。2012年，GIS技術(shù)被用來服務(wù)于倫敦奧運會安保[9]及人員分布分析[10]。

近年來，LiDAR技術(shù)[11]、無人機技術(shù)、傾斜攝影測量技術(shù)[12]、三維重建技術(shù)[13]等測繪高新技術(shù)為社會進步提供了多方面服務(wù)[14]。然而，目前還未見到將這些先進技術(shù)應(yīng)用于奧運會規(guī)劃設(shè)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(shù)、三維地理信息等現(xiàn)代地理空間信息技術(shù)，制作賽區(qū)及周邊三維實景模型，以數(shù)字三維的形式盡可能真實地反映現(xiàn)狀，探索研究三維地理信息技術(shù)服務(wù)冬奧會規(guī)劃設(shè)計中的方法，并在延慶賽區(qū)開展了示范應(yīng)用。

1 方案設(shè)計

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于海坨山區(qū)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(zhèn)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(cè)北京延慶縣境內(nèi)有西大莊科村。在該區(qū)域?qū)⒔ㄔO(shè)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(qū)溝壑縱橫，山高林密、地形復(fù)雜、用地狹促，在該區(qū)域進行規(guī)劃難度較大，這也更能凸顯本文研究的必要性。

1.2 技術(shù)方案

利用三維地理信息制作三維場景的總體技術(shù)流程如圖2所示。鑒于地形數(shù)據(jù)的精度在雪道規(guī)劃設(shè)計中非常重要，采用激光雷達技術(shù)獲取激光點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過預(yù)處理、濾波、坐標(biāo)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)，利用無人機獲取測區(qū)影像，經(jīng)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(gòu)成實景三維場景。收集規(guī)劃設(shè)計方案，將其分為二維規(guī)劃方案和三維規(guī)劃方案分別處理，最終得到規(guī)劃三維場景。將實景三維和規(guī)劃三維進行整合，得到整體的三維場景。

1.2.1 LiDAR數(shù)據(jù)獲取與DEM制作

機載激光雷達點云數(shù)據(jù)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(tǒng)獲取，ALS70系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)見表1。依據(jù)測區(qū)特點，分東西向和西北-東南2個測區(qū)飛行，共設(shè)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(dāng)天天氣晴朗，無云霧遮擋。利用點云處理軟件進行處理，經(jīng)過航攝數(shù)據(jù)收集和檢查、數(shù)據(jù)分塊、航帶重疊區(qū)處理、濾波、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、DEM制作幾個關(guān)鍵步驟后得到DEM數(shù)據(jù)成果。

表1 ALS70系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)

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(shù)據(jù)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(shù)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(shù)的現(xiàn)勢性，每個架次的相機均使用最新檢校結(jié)果。

針對海坨山大高差特點，為確保0.05 m基準(zhǔn)面分辨率，提出了階梯式航攝分區(qū)方案。依據(jù)高程分布情況，將整個測區(qū)劃分為14個分區(qū)，如圖4所示。航向重疊度為80%，旁向重疊度為40%。經(jīng)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(guī)劃模型和現(xiàn)狀地形的整合

規(guī)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(xiàn)狀地形為DOM和DEM疊加而成的場景，由于兩種數(shù)據(jù)存在時間差，即一個為現(xiàn)在時，一個為將來時，且兩種數(shù)據(jù)的精度差異，導(dǎo)致制作的規(guī)劃模型落到實景上存在沖突。為此，根據(jù)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(nèi)的區(qū)域高程設(shè)置為單一值；方法二為邊界法，提出規(guī)劃模型的三維邊界，將其納入地形重新構(gòu)TIN。

2 輔助規(guī)劃應(yīng)用

2.1 現(xiàn)狀-規(guī)劃融合展示

傳統(tǒng)規(guī)劃模型成果具有細節(jié)逼真、準(zhǔn)確度高的優(yōu)勢，在展示微觀特性方面具有優(yōu)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(yōu)勢。將規(guī)劃方案導(dǎo)入實景三維場景進行立體呈現(xiàn)，可將宏觀-微觀融合展示，如圖5所示，為規(guī)劃方案實施后的落地成果提供直觀的參考，查看規(guī)劃設(shè)計方案與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)程度，協(xié)助查找規(guī)劃設(shè)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(jīng)驗為主，由國際雪聯(lián)專家到現(xiàn)場實地踏勘，結(jié)合個人滑雪經(jīng)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(diào)整。本次高山滑雪中心競速結(jié)束區(qū)的初址，與觀眾集散區(qū)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(jié)束區(qū)、集散區(qū)發(fā)布到三維平臺。并結(jié)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(jié)束區(qū)和集散廣場的位置盡可能接近，并將建議的雪道方案發(fā)布到在三維平臺。通過將原始方案和改進方案在三維環(huán)境下直觀展示(如圖6所示)，輔助專家完成雪道線路的調(diào)整。

2.3 輔助現(xiàn)有區(qū)域改造

冬奧會延慶賽區(qū)位于延慶張山營鎮(zhèn)西大莊科村，該村距離冬奧會相關(guān)設(shè)施較近，因此，需要對該村的情況進行深入調(diào)研，以輔助改造工作的開展。常規(guī)的房產(chǎn)測繪和入戶調(diào)查手段進入居民區(qū)中作業(yè)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(xiàn)狀，用以評價建筑物風(fēng)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(zhàn)，需要在規(guī)定的時間內(nèi)，充分利用有限的空間和時間，協(xié)同多部門完成大量任務(wù)?；谌S地理信息技術(shù)，在規(guī)劃設(shè)計階段，實現(xiàn)了雪道、場館、市政設(shè)施等規(guī)劃方案和現(xiàn)狀融合展示，并據(jù)此進行輔助規(guī)劃決策，為場館規(guī)劃設(shè)計提供服務(wù)。

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

3.1.1 輔助施工監(jiān)測

施工建設(shè)工作是冬奧會籌備工作的關(guān)鍵。延慶賽區(qū)所處山區(qū)地形復(fù)雜，交通不便，為施工過程中的質(zhì)量和成本把控帶來了困難。施工建設(shè)的一個重要指標(biāo)就是土石方量，它直接影響到工程造價及預(yù)算、施工組織。傳統(tǒng)工程土方量計算的方式為外業(yè)人工測點，在山區(qū)復(fù)雜地形條件下，費時耗力，風(fēng)險高，數(shù)據(jù)分布不均。鑒于LiDAR技術(shù)直接獲取地面點空間坐標(biāo)的特性，可利用機載LiDAR、車載LiDAR定期獲取施工變化區(qū)域的激光點云數(shù)據(jù)，進而計算出土石方量的變化，為工程費用結(jié)算提供參考。

高精度和實時性的施工監(jiān)測是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型工程安全施工的重要保障。利用遙感數(shù)據(jù)制作快拼影像，高頻次了解賽區(qū)現(xiàn)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(qū)正射影像圖，反映賽區(qū)空間分布。

3.1.2 輔助運營維護階段

冬奧會期間，賽區(qū)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(yīng)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(yè)務(wù)領(lǐng)域服務(wù)。一方面，開展詳圖方案布設(shè)，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(shè)計，包括流線設(shè)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(chǎn)業(yè)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(chǎn)品將大面積推出，如滑雪場、山地度假區(qū)、滑雪樂園、滑雪小鎮(zhèn)。由于山地、冰雪項目多在有一定高差的區(qū)域建設(shè)，對豎向空間的利用較為關(guān)注，相關(guān)項目的規(guī)劃設(shè)計咨詢、山地冰雪資源開發(fā)利用及評估亟待三維地理信息技術(shù)的支撐，以開展選址、空間資源配置優(yōu)化。

4 結(jié) 語

本文利用高精度的地理信息數(shù)據(jù)，借助三維展示手段，實現(xiàn)了輔助2022年冬奧會規(guī)劃設(shè)計決策的目標(biāo)，為冬奧會的籌備工作提供了技術(shù)支撐。在此基礎(chǔ)上，得出如下結(jié)論：精準(zhǔn)的三維數(shù)據(jù)是精細規(guī)劃的前提條件，LiDAR數(shù)據(jù)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(jié)合，可以提升輸入資料的精準(zhǔn)程度；三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)可集現(xiàn)狀和規(guī)劃模型于一體，進而提供客觀、形象、可視化的平臺，為業(yè)主、奧組委、政府、規(guī)劃方等多個相關(guān)方信息共享提供便利，發(fā)揮所長，共同高效作業(yè)，以科學(xué)謀劃、合理配置資源。