三维地理信息在辅助冬奥会规划设计决策中的应用——以2022年冬奥会延庆赛区为例

吕 扬，周 庆，侯庆明，李 兵

(1.北京市测绘设计研究院，北京 100038；2.城市空间信息工程北京市重点实验室，北京 100038)

第24届冬季奥林匹克运动会将于2022年由北京市和张家口市联合举行。作为举办过夏奥会的北京，冬奥会的举办与中国政府正在推行的京津冀协同发展国家战略高度契合，将推动交通、环境治理、产业一体化，促进旅游，增加就业。习近平总书记指出“场馆和基础设施建设是筹办工作的重中之重，周期长、任务重、要求高，要加快工作进度，充分考虑赛事需求和赛后利用，充分利用现有场馆设施，注重利用先进科技手段，注重实用、保护生态，坚持节约原则，不搞铺张奢华，不搞重复建设”。

规划设计是奥运会场馆和基础设施建设的首要工作，面临巨大挑战[1]。一方面，冬奥会的规划设计须满足空间、交通、设施、资金等多方面的要求，是一个复杂的综合性决策过程[2]。例如，空间方面，大到场地的布设，小到观众座席的设计，都需要纳入考虑；交通方面，赛时大量不同身份的人流在短时间内的快速移动，对交通带来极大的考验；后奥运方面，奥运场馆及奥运村的赛后利用、可持续发展等事宜需要在规划设计时统筹考虑[3]。另一方面，山地属于复杂的生态系统，有着珍贵独特的山水景观和生态系统、复杂的地形地貌，在规划设计时须统筹考虑，多专业协调作业[4]。面对诸多定性、定量的因素，冬奥会的规划设计亟须精细准确的现状数据作为参照。传统规划使用的图件多为现状地形图，然而，地形图的关注重点是平面信息，缺乏直观的空间表达能力，使用者很难依据地形图把握建设项目与地形环境的适应性，极大地限制了地形图在复杂山区规划中的应用。卫星影像具有重访周期快、不受空域限制的优势，可以客观反映现状资源的空间分布情况。

鉴于卫星影像、地理信息在空间资源统筹方面的技术优势，将其应用于奥运会当中已成为必然选择。2011年“9·11”事件后，安保被列为冬奥会的重中之重，2002年的Utah冬奥会，美国利用高分辨率遥感卫星影像IKONOS进行安防布控[5]。2006年，文献[6]从实际应用的角度出发，分析了地理信息可以在数字奥运的交通、安保、物流、建模、旅游等方面开展应用。2008年，文献[7]指出，采用地理信息技术对体育场馆周边地域的空间数据及属性数据进行统一计算机管理,有利于更加科学合理地利用资源。2008年北京夏季奥运会，文献[8]利用Landsat、MODIS、ASTER等中低分辨率的卫星数据对2008年夏季奥运会进行了重复监测，并利用手工建模的方式构建了2008年夏季奥运会虚拟展示平台。2012年，GIS技术被用来服务于伦敦奥运会安保[9]及人员分布分析[10]。

近年来，LiDAR技术[11]、无人机技术、倾斜摄影测量技术[12]、三维重建技术[13]等测绘高新技术为社会进步提供了多方面服务[14]。然而，目前还未见到将这些先进技术应用于奥运会规划设计方面的研究。本文利用无人机低空航摄遥感、激光雷达技术、三维地理信息等现代地理空间信息技术，制作赛区及周边三维实景模型，以数字三维的形式尽可能真实地反映现状，探索研究三维地理信息技术服务冬奥会规划设计中的方法，并在延庆赛区开展了示范应用。

1 方案设计

1.1 研究区概况

研究区位于海坨山区域，面积约18.6 km2，如图1所示。海坨山位于北京市延庆县张山营镇北部与河北赤城县交界处，属燕山山脉军都山系，海坨山南侧北京延庆县境内有西大庄科村。在该区域将建设国家高山滑雪中心、国家雪车雪橇中心两个竞赛场馆和延庆冬奥村[15]。研究区沟壑纵横，山高林密、地形复杂、用地狭促，在该区域进行规划难度较大，这也更能凸显本文研究的必要性。

1.2 技术方案

利用三维地理信息制作三维场景的总体技术流程如图2所示。鉴于地形数据的精度在雪道规划设计中非常重要，采用激光雷达技术获取激光点云数据，经过预处理、滤波、坐标转换、DEM制作几个步骤后，得到DEM成果。为了提供高分辨率的影像数据，利用无人机获取测区影像，经过空中三角测量、DEM制作、影像匀色、DOM制作后，得到DOM成果。DEM和DOM叠加，二者构成实景三维场景。收集规划设计方案，将其分为二维规划方案和三维规划方案分别处理，最终得到规划三维场景。将实景三维和规划三维进行整合，得到整体的三维场景。

1.2.1 LiDAR数据获取与DEM制作

机载激光雷达点云数据采用运-12飞机作为飞行平台，搭载Leica ALS70新型机载激光雷达系统获取，ALS70系统技术参数见表1。依据测区特点，分东西向和西北-东南2个测区飞行，共设计13条航带，航带划分如图3所示。航向重叠度为30%，旁向重叠度为63%。点云平均密度为1.5个点/m2。飞行当天天气晴朗，无云雾遮挡。利用点云处理软件进行处理，经过航摄数据收集和检查、数据分块、航带重叠区处理、滤波、坐标转换、DEM制作几个关键步骤后得到DEM数据成果。

表1 ALS70系统的技术参数

1.2.2 无人机影像获取与DOM制作

为了保证影像清晰度，采用无人机获取影像。无人机航摄影像数据采用ZC-6蜘蛛系列六旋翼无人机飞行平台与用ZC-3雨燕系列电动固定翼无人机飞行平台。相机为SONYA7R数码相机，相机焦距为35 mm，相幅大小为7360×4912像素，物理相幅为36 mm×24 mm，像元大小为4.8 μm。为保障相机畸变参数的现势性，每个架次的相机均使用最新检校结果。

针对海坨山大高差特点，为确保0.05 m基准面分辨率，提出了阶梯式航摄分区方案。依据高程分布情况，将整个测区划分为14个分区，如图4所示。航向重叠度为80%，旁向重叠度为40%。经过空中三角测量、DEM生成、DOM正射校正后，得到正射影像。

1.2.3 规划模型和现状地形的整合

规划模型多为采用三维建模软件制作的精细手工三维模型，现状地形为DOM和DEM叠加而成的场景，由于两种数据存在时间差，即一个为现在时，一个为将来时，且两种数据的精度差异，导致制作的规划模型落到实景上存在冲突。为此，根据实际情况选择两种方法进行整合：方法一为范围置平法，给定指定范围，将该范围内的区域高程设置为单一值；方法二为边界法，提出规划模型的三维边界，将其纳入地形重新构TIN。

2 辅助规划应用

2.1 现状-规划融合展示

传统规划模型成果具有细节逼真、准确度高的优势，在展示微观特性方面具有优势，但缺乏对周边地形特征展示的能力；三维地理信息具有反映客观、精确地理信息的能力，在展示宏观特性方面具有优势。将规划方案导入实景三维场景进行立体呈现，可将宏观-微观融合展示，如图5所示，为规划方案实施后的落地成果提供直观的参考，查看规划设计方案与周边环境的协调程度，协助查找规划设计方案中存在的漏洞。

2.2 辅助高山滑雪中心雪道中心线选线

高山滑雪雪道定线以专家主观经验为主，由国际雪联专家到现场实地踏勘，结合个人滑雪经验和实际地形地貌确定。然而，专家多将重点落在滑雪体验上，没有考虑大型赛事组织的需求，没有极具说服力的理由支持，很难说服专家对线路进行调整。本次高山滑雪中心竞速结束区的初址，与观众集散区相距较远，高差约100 m，给交通带来了极大的压力。为此，将专家选定的雪道、竞速结束区、集散区发布到三维平台。并结合专家选定雪道线路所在的坡度、坡向，对雪道进行延伸，使得竞速结束区和集散广场的位置尽可能接近，并将建议的雪道方案发布到在三维平台。通过将原始方案和改进方案在三维环境下直观展示(如图6所示)，辅助专家完成雪道线路的调整。

2.3 辅助现有区域改造

冬奥会延庆赛区位于延庆张山营镇西大庄科村，该村距离冬奥会相关设施较近，因此，需要对该村的情况进行深入调研，以辅助改造工作的开展。常规的房产测绘和入户调查手段进入居民区中作业易引起矛盾，影响改造工作的开展。利用实景三维建模的方法，制作西大庄科村建筑的实景三维模型(如图7所示)，基于此估算用地面积、建筑面积，从不同角度获取西大庄科村现状，用以评价建筑物风貌，从而辅助西大庄科村的改造升级。

3 讨 论

3.1 基于三维地理信息的冬奥会全生命周期辅助决策

冬奥会的组织工作具有极大挑战，需要在规定的时间内，充分利用有限的空间和时间，协同多部门完成大量任务。基于三维地理信息技术，在规划设计阶段，实现了雪道、场馆、市政设施等规划方案和现状融合展示，并据此进行辅助规划决策，为场馆规划设计提供服务。

鉴于三维地理信息多角度、多尺度展示、分析数据的能力，可在冬奥会的全生命周期中提供技术支撑。

3.1.1 辅助施工监测

施工建设工作是冬奥会筹备工作的关键。延庆赛区所处山区地形复杂，交通不便，为施工过程中的质量和成本把控带来了困难。施工建设的一个重要指标就是土石方量，它直接影响到工程造价及预算、施工组织。传统工程土方量计算的方式为外业人工测点，在山区复杂地形条件下，费时耗力，风险高，数据分布不均。鉴于LiDAR技术直接获取地面点空间坐标的特性，可利用机载LiDAR、车载LiDAR定期获取施工变化区域的激光点云数据，进而计算出土石方量的变化，为工程费用结算提供参考。

高精度和实时性的施工监测是结构复杂的大型工程安全施工的重要保障。利用遥感数据制作快拼影像，高频次了解赛区现状，掌握施工进程。工程竣工后，利用最新获取的影像制作测区正射影像图，反映赛区空间分布。

3.1.2 辅助运营维护阶段

冬奥会期间，赛区将迎来世界各地的参赛选手、裁判员、观众，人口与交通压力骤增，将面临交通、治安、应急、资源管理等多种问题。借助三维地理信息，可以为交通、安保、物流、媒体等多个业务领域服务。一方面，开展详图方案布设，包括场地详图、运营计划、人流拥堵、停车场等；另一方面，可以开展运营设计，包括流线设计、方向指引等。

3.2 辅助山地及冰雪项目选址及资源配置

在大力推进冰雪产业的背景下，在“三亿人上冰雪”的政策[16]指引下，我国的山地及冰雪休闲度假产品将大面积推出，如滑雪场、山地度假区、滑雪乐园、滑雪小镇。由于山地、冰雪项目多在有一定高差的区域建设，对竖向空间的利用较为关注，相关项目的规划设计咨询、山地冰雪资源开发利用及评估亟待三维地理信息技术的支撑，以开展选址、空间资源配置优化。

4 结 语

本文利用高精度的地理信息数据，借助三维展示手段，实现了辅助2022年冬奥会规划设计决策的目标，为冬奥会的筹备工作提供了技术支撑。在此基础上，得出如下结论：精准的三维数据是精细规划的前提条件，LiDAR数据可以提供精细的地形信息，无人机获取的影像具有分辨率高的特点，二者结合，可以提升输入资料的精准程度；三维地理信息系统技术可集现状和规划模型于一体，进而提供客观、形象、可视化的平台，为业主、奥组委、政府、规划方等多个相关方信息共享提供便利，发挥所长，共同高效作业，以科学谋划、合理配置资源。