王向東,劉瑞姣,徐青華,王 帥，周繼和

高山滑雪自1976年第一屆冬殘奧會就有設(shè)項(xiàng)，目前是冬殘奧會6大比賽項(xiàng)目之一。北京2022年冬殘奧會高山滑雪比賽設(shè)有回轉(zhuǎn)、大回轉(zhuǎn)、超級大回轉(zhuǎn)、超級全能及滑降5個項(xiàng)目，各個項(xiàng)目又分站姿、坐姿和視力障礙三個組別，共產(chǎn)生30枚金牌，是冬殘奧雪上項(xiàng)目的金牌大項(xiàng)。截至目前，我國與歐美國家在殘奧高山滑雪方面仍存在一定差距[1]，在此背景與機(jī)遇下，殘疾人高山滑雪項(xiàng)目是我國冬殘奧重點(diǎn)突破方向之一[2]。

站姿高山滑雪單下肢運(yùn)動員使用單滑雪板加助滑器或佩戴假肢使用雙滑雪板參加比賽，運(yùn)動員需要根據(jù)實(shí)際比賽情況靈活切換動作技術(shù)并選擇最佳的滑行戰(zhàn)術(shù)。其中，滑行路線的選擇無疑是構(gòu)成比賽戰(zhàn)術(shù)的要素之一[3]。早先有不少頂級高山滑雪運(yùn)動員通過選擇最短的滑雪路線來提高運(yùn)動成績，但這種選擇具有一定風(fēng)險[4]，因?yàn)楸荣惖墨@勝不僅僅取決于滑行路線的長短，還需運(yùn)動員在特定情況下綜合各方面因素進(jìn)行選擇[5]。關(guān)于影響運(yùn)動員滑行路線的因素包括滑行路線的長短、轉(zhuǎn)彎半徑的大小和轉(zhuǎn)向點(diǎn)距旗門的垂直距離等。研究人員通過將賽道進(jìn)行分割，將滑行軌跡與速度相結(jié)合來探索最優(yōu)滑行策略以減少滑行時體能的消耗及速度的損失[6]。我國高山滑雪項(xiàng)目在殘疾人群中開展時間較晚，現(xiàn)有研究主要是針對健全人高山滑雪運(yùn)動，其相關(guān)研究結(jié)果無法直接運(yùn)用于殘疾人高山滑雪運(yùn)動分析中。

本研究運(yùn)用無人機(jī)懸浮定點(diǎn)拍攝技術(shù)的同時結(jié)合運(yùn)動員的瞬時運(yùn)動表現(xiàn)，探尋精英站姿高山滑雪運(yùn)動員在大回轉(zhuǎn)項(xiàng)目中最佳的滑行路線，以期為運(yùn)動員和教練員們今后的訓(xùn)練提供理論依據(jù)。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

測試對象為5名冬殘奧高山滑雪國家隊(duì)運(yùn)動員，包括郭*和張*2名女運(yùn)動員，梁*、陳*和甄*3名男運(yùn)動員，運(yùn)動員的殘疾等級均為Locomotoer winter 6/8(LW6/8)。這5名運(yùn)動員均參加了2022北京冬殘奧會，共取得3金4銀的優(yōu)異成績。

1.2 研究方法

1.2.1 比賽現(xiàn)場錄像

比賽場地為河北省崇禮縣太舞滑雪場4B高級雪道(海拔高度1 864 m，坡道長度510 m，垂直落差280 m，平均坡度24°)。賽段長75 m，包含3個旗門，旗門之間水平間距5.5 m，垂直間距24 m。測試場地開闊，測試當(dāng)天天氣晴朗，風(fēng)力小。

使用一臺大疆無人機(jī)(Air 2S)空中定點(diǎn)采集運(yùn)動員站姿高山滑雪大回轉(zhuǎn)動作技術(shù)視頻，運(yùn)用無人機(jī)懸停拍攝功能，將無人機(jī)拍攝高度固定在距離地面150 m處，調(diào)整攝像機(jī)的角度，使其主光軸垂直于運(yùn)動平面，設(shè)定攝像機(jī)分辨率為1080p，拍攝頻率為60 Hz。拍攝畫面如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場拍攝圖

1.2.2 精度分析

以雪道旁位置固定的兩個造雪機(jī)為標(biāo)定點(diǎn)(見圖1)，實(shí)測兩個標(biāo)定點(diǎn)的垂直距離為70.56 m，通過視頻解析所得兩個標(biāo)定點(diǎn)垂直距離為70.56～70.61 m，相對誤差百分比小于0.08%，本文采用的無人機(jī)懸停技術(shù)拍攝符合相關(guān)研究的基本精度要求[7]。

1.2.3 錄像解析

本研究將運(yùn)動員看作一個質(zhì)點(diǎn)，使用科星視頻解析系統(tǒng)進(jìn)行解析。將運(yùn)動員的二維坐標(biāo)數(shù)據(jù)采用二階雙向低通濾波方法進(jìn)行平滑處理(截斷頻率為2 Hz)。

1.2.4 參數(shù)定義

(1)特征位置點(diǎn)定義。

出彎點(diǎn)A、C、E分別定義為運(yùn)動員位于1、2、3號旗門的正下方，入彎點(diǎn)B、D分別定義為運(yùn)動員位于2、3號旗門的正上方(見圖2)。

本研究將總滑行階段(T)劃分為4個階段：

①第1個彎道間滑行階段(T1)：出彎點(diǎn)A到入彎點(diǎn)B的滑行階段；

②第1個彎道階段(T2)：入彎點(diǎn)B到出彎點(diǎn)C的滑行階段；

③第2個彎道間滑行階段(T3)：出彎點(diǎn)C到入彎點(diǎn)D的滑行階段；

④第2個彎道滑行階段(T4)：入彎點(diǎn)D到出彎點(diǎn)E的滑行階段。

(2)瞬時滑行性能參數(shù)。

dti=ti-ti-1，dzi=zi-1-z，其中，ds是軌跡的兩個相鄰點(diǎn)之間的距離(由解析系統(tǒng)可得)。

1.2.3 土地利用的模擬與預(yù)測 進(jìn)行城市土地利用的模擬預(yù)測時，根據(jù)粗集方法自動獲取的轉(zhuǎn)換規(guī)則，來對2011年武漢市光谷區(qū)域的土地利用類型進(jìn)行模擬預(yù)測，該過程在matlab中編程實(shí)現(xiàn).由于模擬時間與實(shí)際時間不同，需要一個迭代次數(shù)，迭代200次，每次迭代后，領(lǐng)域元胞數(shù)和土地類型都會發(fā)生變化，所以要每次都需要更新.之后獲取得到新的矩陣，這個矩陣是模擬的2011年城市土地與非城市土地的矩陣，將這個矩陣再轉(zhuǎn)換成tif輸出，在ARCGIS軟件中進(jìn)行瀏覽查看.

圖2 滑行軌跡示意

2 研究結(jié)果

2.1 滑行時間測量結(jié)果

由表1知，5名運(yùn)動員平均總用時為 (3.01±0.14) s，彎道滑行階段(T2，T4)平均用時分別為 (0.74±0.19) s和 (0.74±0.18) s，彎道間滑行階段(T1，T3)平均用時分別為(0.73±0.18) s和 (0.80±0.10) s。運(yùn)動員陳*總運(yùn)動時間最長，為3.20 s，與其余4名運(yùn)動員相比在彎道階段(T2，T4)用時最多，而在彎道間的滑行階段(T1，T3)用時較少，即陳*的滑行過程中彎道滑行用時較彎道間滑行時間長；運(yùn)動員郭*滑行總用時為3.00 s，在彎道階段T2與其他運(yùn)動員相比用時最少，而彎道間的滑行階段(T1，T3)則為5名運(yùn)動員中用時最多；張*滑行總用時最少，為2.79 s，除T2階段用時稍大于平均用時外，其他階段用時均等于或小于5名運(yùn)動員的平均用時。

表1 各階段時間參數(shù)(N=5) 單位：s

2.2 滑行軌跡測量結(jié)果

2.2.1 滑行軌跡長度

由表2可以看出，在本研究滑行范圍內(nèi)，運(yùn)動員的平均總滑行長度為(49.14±1.84) m。

總滑行軌跡最長和最短的運(yùn)動員分別是陳*和郭*，分別為52.71 m和47.68 m。與其他4名運(yùn)動員相比，陳*在彎道階段(T2，T4)的滑行軌跡長度最長而在彎道間滑行階段(T1，T3)滑行長度最短；反觀運(yùn)動員郭*，T2、T4階段的滑行軌跡長度最短而T1、T3階段滑行軌跡最長；運(yùn)動成績最好的張*在T2、T3階段滑行軌跡長度稍長于平均長度，而T1、T4階段滑行軌跡長度短于平均長度，總滑行長度為5名運(yùn)動員的中等滑行長度。

表2 各階段滑行軌跡長度(N=5) 單位：m

2.2.2 滑行軌跡位置

如表3所示，運(yùn)動員在滑行時出彎點(diǎn)A、C，E分別距旗門1，2，3的垂直平均距離為(6.56±0.98) m，(4.09±1.36) m和(4.20±1.12) m，入彎點(diǎn)B，D距旗門2，3的垂直平均距離分別為(7.82 ±2.76) m和(7.83 ±2.50) m，二者僅相差0.01 m。從表3中可以發(fā)現(xiàn)，除郭*外其他4名運(yùn)動員在轉(zhuǎn)彎過程中的入彎點(diǎn)B、D距旗門的距離均高于出彎點(diǎn)C、E，其中，運(yùn)動員陳*的入彎點(diǎn)B，D距旗門均最遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)距離為11.59 m；郭*在入彎點(diǎn)B、D距旗門均最近，最近的入彎點(diǎn)B距離2號旗門為3.26 m；甄*的出彎點(diǎn)A、C、E距旗門距離為5名運(yùn)動員最近。

表3 特征時刻距離旗門位置(N=5) 單位：m

2.3 瞬時運(yùn)動表現(xiàn)

2.3.1 每米海拔高差時間消耗

由于拍攝路段是從出彎點(diǎn)A開始，所以本研究主要針對運(yùn)動員在1號旗門后的運(yùn)動表現(xiàn)。

圖3 每米海拔高差時間消耗曲線

2.3.2 豎直方向速度

運(yùn)動員在豎直方向上的速度波形呈波浪形，運(yùn)動員在旗門處的滑行速度略有下降，但整體曲線呈上升趨勢(見圖4)。豎直方向速度越大的運(yùn)動員運(yùn)動表現(xiàn)越好，運(yùn)動員張*在滑行中的全程速度高于其他4名運(yùn)動員，表現(xiàn)最為優(yōu)秀；運(yùn)動員郭*的速度低于其他運(yùn)動員，尤其是在2號旗門附近；運(yùn)動員陳*在2號旗門之前的速度較大，但在過了2號旗門后速度驟減，隨后恢復(fù)；運(yùn)動員梁*的滑行速度一直呈穩(wěn)步上升趨勢，且速度波動不大，運(yùn)動表現(xiàn)也較好。

圖4 豎直方向運(yùn)動速度

2.3.3 每米海拔高差滑行長度

運(yùn)動員越靠近旗門則每米海拔高差滑行的軌跡長度越長，而在旗門之間滑行中可以達(dá)到每米海拔高差下滑行長度的最小值(見圖5)。運(yùn)動員張*在2號旗門附近的每米高差下滑行長度小于在3號旗門附近的滑行長度，且在2號旗門附近的每米高差下滑行長度較其他4名運(yùn)動員最短；郭*與張*相反，其在3號旗門處每米海拔高差下的滑行長度短于在2號旗門處滑行長度；運(yùn)動員梁*和陳*在全程中每米高差下的滑行距離較其他運(yùn)動員稍長。

圖5 每米海拔高差滑行長度

3 分析討論

3.1 滑行速度的控制

運(yùn)動員良好的保持速度能力對于提高運(yùn)動表現(xiàn)尤為重要[4, 8]，若運(yùn)動員能夠保持一定的速度峰值，則可以更好地保持滑行過程中的平均速度[4]，從而提高運(yùn)動成績。在本研究中，郭*在旗門前先緩慢降速而后緩慢提速，其速度緩慢的下降與上升與其滑行路線的選擇有一定的關(guān)系。由圖3可知，每米海拔下時間消耗越少的運(yùn)動員表現(xiàn)越佳，即運(yùn)動員張*的運(yùn)動表現(xiàn)最佳，運(yùn)動員郭*和陳*相對較差，這與通過滑行時間來比較運(yùn)動員運(yùn)動表現(xiàn)的結(jié)果相一致。由圖5可知，在滑行過程中運(yùn)動員每米海拔高差下的滑行距離越短則運(yùn)動表現(xiàn)越佳，即運(yùn)動員張*在2號旗門處的運(yùn)動表現(xiàn)最好，郭*在3號旗門處的運(yùn)動表現(xiàn)最好，而運(yùn)動員梁*和陳*在研究路段的全程中表現(xiàn)較差。

運(yùn)動員梁*、甄*在滑行速度波動過大，尤其是在2號旗門處，這說明二者的保持滑行速度的峰值能力不佳(圖4)。反觀比賽成績最好的運(yùn)動員張*，在滑行過程中，各個時間段內(nèi)的速度均大于其他4名運(yùn)動員，速度波動幅度較小，能較好地保持峰值速度并且其速度下降后的恢復(fù)能力也較強(qiáng)。這證實(shí)了運(yùn)動員在轉(zhuǎn)彎前減少減速，并在轉(zhuǎn)彎后提高加速度有助于保持整體的滑行速度[3]。而運(yùn)動員陳*雖然速度一直呈上升趨勢且在旗門處速度波動不大，其運(yùn)動成績不佳可能是由于其滑行路線的長度過長以及入彎點(diǎn)距旗門的垂直距離過遠(yuǎn)導(dǎo)致。本研究中，梁*在2號旗門處的入彎速度相對較快，而在入彎后的速度驟降，這在一定程度上表明對于入彎速度較高的運(yùn)動員來說，提高速度或保持速度比入彎速度低的運(yùn)動員可能更具挑戰(zhàn)性[9]。運(yùn)動員的滑行速度決定了比賽成績，而比賽時運(yùn)動員采用的滑行技術(shù)又是影響滑行速度的重要因素，但是運(yùn)動員僅僅在技術(shù)方面表現(xiàn)優(yōu)秀是不夠的，還需要結(jié)合最優(yōu)的比賽戰(zhàn)術(shù)才能獲得優(yōu)異的運(yùn)動成績。如前文所述，在比賽戰(zhàn)術(shù)方面要運(yùn)動員需要將滑行速度保持在一定范圍內(nèi)，而速度能否達(dá)到最大化以及能否保持則又受運(yùn)動員滑行的路線影響[10-11]。

3.2 滑行特征點(diǎn)位置的選擇

高山滑雪比賽中，不同的滑行線路會極大地影響運(yùn)動員在彎道階段及彎道間滑行階段的運(yùn)動表現(xiàn)，從而對運(yùn)動員后續(xù)比賽中的運(yùn)動表現(xiàn)造成一定的影響[12]。一般來說，較短的滑行路線可以在一定程度上縮短滑行時間[13-14]，因此部分運(yùn)動員試圖通過縮短滑行路線的長度來提高運(yùn)動成績。例如，運(yùn)動員可以通過縮短彎道階段的滑行軌跡長度來縮短滑行時間，即“Z”形策略[3]，但彎道階段滑行路線的縮短可能會造成運(yùn)動員在旗門處轉(zhuǎn)彎半徑過小從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎過急，繼而轉(zhuǎn)彎速度驟降[15]。有研究表明，轉(zhuǎn)彎半徑最小的滑行路線并不一定是最有效的戰(zhàn)術(shù)策略[12]。本研究結(jié)果顯示，運(yùn)動成績較差的運(yùn)動員郭*在T2階段滑行軌跡長度較其他4名運(yùn)動員短，即轉(zhuǎn)彎半徑較小(見表1)，且是4名運(yùn)動員中最小的，由此導(dǎo)致其在旗門處的滑行速度大幅度下降(見圖4)。反觀運(yùn)動成績最好的運(yùn)動員張*，其彎道階段軌跡長度適中，從而在轉(zhuǎn)彎時速度并無大幅下降。這一結(jié)果與Brodie[15]對比分析兩名轉(zhuǎn)彎半徑不同的運(yùn)動員運(yùn)動表現(xiàn)所得的結(jié)論相一致，即轉(zhuǎn)彎半徑過小并不會提高運(yùn)動員的運(yùn)動表現(xiàn)。

與“Z”形策略相反，有的運(yùn)動員為減小轉(zhuǎn)彎時速度下降的幅度而增大轉(zhuǎn)彎半徑，即“S”形策略[9]。本研究中，運(yùn)動員陳*為保持一定的滑行速度而在轉(zhuǎn)彎時采取大轉(zhuǎn)彎半徑的“S”形策略，但由于在轉(zhuǎn)彎過程中軌跡過長，從而導(dǎo)致其總運(yùn)動時間長于其他運(yùn)動員。因此，運(yùn)動員在滑行過程中需在“Z”和“S”兩種滑行策略之間找到一個平衡點(diǎn)[12, 13]，以達(dá)到最佳的運(yùn)動成績。

此外，轉(zhuǎn)彎點(diǎn)距旗門的距離可能也是運(yùn)動員比賽成績的影響因素之一[16]，一般情況下，回轉(zhuǎn)和大回轉(zhuǎn)項(xiàng)目會在旗門前啟動轉(zhuǎn)向，盡管會增加滑行距離但這使得運(yùn)動員在回轉(zhuǎn)過程中更為平穩(wěn)且快速[16-18]。在本研究中，運(yùn)動員陳*在2號旗門的入彎位置較高(見表2)，而郭*入彎點(diǎn)距旗門過近，從而導(dǎo)致二者在2號旗門處的每米海拔下時間消耗大于其他運(yùn)動員(見圖3)；運(yùn)動員張*在轉(zhuǎn)彎階段距旗門距離適中，即勢能的利用率更高，從而在旗門處獲得更大的加速度，進(jìn)入下一個轉(zhuǎn)彎的速度也更快，從而提高整體表現(xiàn)，這可能也是其運(yùn)動表現(xiàn)優(yōu)秀的原因之一。這一結(jié)果與之前Sp?rri[19]所得運(yùn)動員在斜坡位置較高處開始轉(zhuǎn)彎與轉(zhuǎn)彎所用時間縮短有關(guān)的研究結(jié)果相一致。

綜上所述，運(yùn)動員在比賽過程中滑行速度的控制、轉(zhuǎn)彎半徑的大小以及入彎與出彎點(diǎn)距旗門的垂直距離均會對比賽成績造成一定的影響。由于運(yùn)動員的個性化以及每場比賽有各自的特征[13]，研究人員也無法給運(yùn)動員提供一個單一的最優(yōu)戰(zhàn)術(shù)策略，且任何孤立的因素均不能解釋高山滑雪運(yùn)動員速度的差異，因此運(yùn)動員需要根據(jù)實(shí)際情況，利用各要素之間的相互作用，以此充分發(fā)揮個人的優(yōu)勢減少劣勢影響，達(dá)到自己最佳的運(yùn)動狀態(tài)[4, 14]。

3.3 研究局限

首先，由于我國殘疾人高山滑雪運(yùn)動員較少，優(yōu)秀運(yùn)動員數(shù)量更是有限，所以本研究僅測試了5名備戰(zhàn)北京冬殘奧會的優(yōu)秀運(yùn)動員。近年來已有國外研究人員對個別優(yōu)秀運(yùn)動員進(jìn)行技、戰(zhàn)術(shù)分析，并取得了一定研究成果[8, 13, 15, 19]。因此本研究對于優(yōu)秀運(yùn)動員選擇適合自己的最佳滑行路線也具有一定意義。其次，受場地、天氣等因素限制本測試難度極大，很多實(shí)驗(yàn)室手段在低溫野外環(huán)境無法使用，因此采用無人機(jī)定點(diǎn)拍攝方法。

4 結(jié)論與建議

通過無人機(jī)空中定點(diǎn)二維平面拍攝和運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)解析發(fā)現(xiàn)，站姿高山滑雪大回轉(zhuǎn)技術(shù)主要取決于滑行速度的控制、轉(zhuǎn)彎半徑以及轉(zhuǎn)向點(diǎn)距旗門的垂直距離。因此，建議我國站姿高山滑雪運(yùn)動員在大回轉(zhuǎn)項(xiàng)目中首先要提高在滑行過程中速度的保持及恢復(fù)能力，避免滑行過程中速度的驟降；其次，運(yùn)動員在比賽過程中應(yīng)選擇合理的轉(zhuǎn)彎半徑大小及轉(zhuǎn)向點(diǎn)的位置以提高運(yùn)動成績。