Модуль геоинформационной поддержки системы прогнозирования загрязнения атмосферы

УДК 504.3.054:55:004

МОДУЛЬ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ СИСТЕМЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ

© 2010 г. Г.А. Бузало, Н.С. Бузало, С.В. Коцур, А.Н. Никифоров

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

Представлена геоинформационная система, ориентированная на проблемы анализа экологической ситуации. Программный модуль предназначен для ведения параметров источников загрязнения и подстилающей поверхности. Система преобразовывает картографическую информацию в формат, требуемый для проведения численного прогноза распространения загрязняющего вещества в окружающей среде.

Ключевые слова: геоинформационные системы; 3d карты; экология; метеорология; атмосфера.

Geographic Information System is a popular and demanding tool for solving many practical problems. GIS that is focused on the problem of forecasting pollution of atmosphere has been developed in this project. The structure of the system as well as examples of its use is being described in details.

Keywords: geoinformation system; 3D-maps; ecology; meteorology; atmosphere.

Введение

Вопросы оценки и прогнозирования состояния окружающей среды в промышленном регионе или при катастрофах высокотоксичного характера являются чрезвычайно актуальными. Источниками информации о концентрации загрязняющего вещества в атмосфере служат, во-первых, данные лабораторного мониторинга и, во-вторых, результаты расчетов. Лабораторные измерения привязаны к конкретному посту наблюдения, что при недостаточном числе постов затрудняет получение достоверной картины опасности, к тому же такие исследования не позволяют осуществлять прогноз распространения выбросов в зависимости от изменяющихся метеоусловий. Расчетные методы позволяют построить полноценную модель загрязнения окружающей среды с возможностью оценки ситуации в любой точке изучаемого пространства.

К числу факторов, оказывающих значительное влияние на поле концентрации загрязняющего вещества в приземном слое атмосферы, относятся орографические неоднородности подстилающей поверхности. Физико-географические особенности территории могут в значительной степени искажать фоновые поля ветра и концентрации примесей. Вопросам математического и численного моделирования скорости движения воздуха и концентрации примеси, с учетом термических и гидрологических неоднородностей подстилающей поверхности и сложного рельефа, посвящены, например, работы [1, 2].

Использование сложных математических моделей требует введения в каждой точке расчетной области с координатами (х, у) свойств орографии. Во-первых, характеристик взаимодействия атмосферной влаги и загрязняющей примеси с элементарной площадью подстилающей поверхности в данной точке (х, у), которые зависят: от типа подстилающей поверхности (водоем - суша); наличия растительности определен-

ного типа или городской застройки. Во-вторых, тепловых свойств элементарной площади, которые зависят: от экспозиции склона, типа подстилающей поверхности (водоем - суша); наличия растительности определенного типа или городской застройки. В-третьих, высоты точки поверхности над уровнем моря 2(х, у) [1]. В-четвертых, шероховатости элементарной площади.

Однако, как правило, у исследователя-эколога данная информация отсутствует. В его распоряжении находится только карта в бумажном или электронном варианте, представляющая собой лишь картинку для визуального восприятия. Поэтому необходимо программное обеспечение, позволяющее преобразовывать картографическую информацию в формат, требуемый для проведения расчетов.

Постановка задачи

Целью проекта является обеспечение математической модели распространения загрязнения окружающей среды геоинформационными данными.

Геоинформационная система (ГИС) должна удовлетворять следующим требованиям (рис. 1):

1. Поддержка существующих векторных и растровых форматов геоинформационных данных:

- создание графических слоёв карты на основе растровых изображений и применение к ним операций георефересинга;

- поддержка векторных слоёв точечного, мульти-точечного, линейного и полигонального типов;

- поддержка геометрических примитивов «Точка», «Мультиточка», «Линия», «Дуга», «Полилиния», «Сплайн», «Полигон», «Эллипс»;

- возможность создания атрибутивной информации, привязанной к любому объекту слоя;

- сохранение и загрузка слоёв в файлах формата shp ^оре-файлы);

Модуль геоинформационной

поддержки системы прогнозирования загрязнения атмосферы

Поддержка существующих форматов векторных и растровых геоинформационных данных

Поддержка различных систем координат и их преобразование

Работа с растровыми изображениями

Создание растровых

изображений из графических файлов

Выполнения геопривязки -растрового изображения к координатам местности

Работа с векторными изображениями

Создание векторых изображений

Точечного типа

Мультиточечного типа

Линейного типа

Создание и интеграция геопроцессов, выполняющих обработку геоинформационных данных

Поддержка геоцентрических координат

WGS72

WGS84

SGS85

Поддержка -топоцентрических координат

Возможность создавать свои системы координат

Полигонального типа

Возможность перехода между системами координат

Описание алгоритма внедрения расширяющего геопроцесса в программный модуль

Геопроцесс, генерирующий трёхмерные геометрические данные на основе горизонталей топографических карт

Построение сетки, разбивающей область экстента карты с заданной частотой

Нахождение и сохранение в файл множества точек, полученных на основе топологических высот

Генерация трёхмерное поверхности с использованием алгоритма Ренка-Клайна

Поддержка геометрических примитивов

Геопроцесс, позволяющий получить тип подстилающей поверхности исходя из заданных координат местноти

Точка

Мультиточка

Линия

Дуга

Возможность создания полигонов с заданными типами подстилающей поверхности

Сохранения информации о подстилающей поверхности в Хт1-файл

Полилиния

Функции, позволяющие определить тип поверхности для

произвольно заданной _координаты местности_

Сплайн

Полигон

Эллипс

Поддержка атрибутивной информации

Создание атрибутов данных при создании слоя

Присваивание значений этим атрибутам

Сохранение данных слоя в формате в11р

Рис. 1. Основные функции разработанной ГИС

2. Поддержка разных систем координат и их преобразование:

- поддержка геоцентрических систем координат типа WGS72, WGS84 (NAVSTAR), SGS85 (GLONASS);

- поддержка топоцентрических систем координат различного типа;

- возможность создавать свои системы координат.

3. Генерация трёхмерных геометрических данных на основе горизонталей топографических карт и иных исходных данных (NASA SRTM):

- получение точек в трёхмерном пространстве на основе горизонталей топографических карт и точек с информацией о высоте;

- генерация трёхмерной поверхности на основе этих точек.

4. Поддержка различных типов подстилающих поверхностей в виде полигонов, размещённых на карте:

- определение типа подстилающей поверхности по произвольно заданной координате местности.

Описание средств разработки

В качестве языка разработки использовался объектно-ориентированный язык программирования java, разработанный компанией Sun Microsystems. Для написания кода на java существует три основных среды разработки: Eclipse IDE, IntelliJ IDEA и NetBeans IDE. Первая является бесплатной открытой средой, последние две - платны. Поскольку по функциональным возможностям среда Eclipse IDE почти не уступает своим платным аналогам, но при этом бесплатна, было решено использовать её в качестве средства разработки.

За основу взяты исходные коды gvSig системы. gvSIG — свободная геоинформационная система с открытым исходным кодом. Первая рабочая версия появилась в конце 2006 г. и распространялась через Интернет.

Программа поддерживает все необходимые функции ГИС: работа со слоями, благодаря которой можно отображать лишь необходимые в данный момент объекты; функции масштабирования карты; поддержка сохранения необходимых ракурсов карты; автоматические расчёты расстояния между объектами и площадей областей; размещение активных объектов на карту; создание профессиональных географических карт с необходимыми элементами, которые можно впоследствии печатать.

Проект gvSIG возник в результате инициативы Регионального правительства Валенсии (Generalitat Valenciana) и его Регионального управления инфраструктуры и транспорта (открытый тендер «Компьютерные услуги для развития ГИС приложений для Регионального управления инфраструктуры и транспорта, с использованием бесплатного программного обеспечения»). Университет Хайме (La Universidad Jaume I) осуществляет контроль проекта для выполнения всех международных стандартов (Open GIS Consortium) [3].

Основные функции модуля геоинформационной

поддержки

Функциональная схема разработанного программного обеспечения представлена на рис. 1.

Пример получения трёхмерных точек на основе топологических линий. В существующем проекте с растровым или векторным изображением необходимо добавить новый графический слой. В области отображения появится изображение добавленного слоя (рис. 2).

-021 1-37-21

Рис. 2. Растровое изображение топологических линий уровня

В примере в качестве растрового изображения используется карта Новочеркасска с прилежащими населёнными пунктами. Далее обводятся линии уровней при помощи инструментов полилиний, либо используются уже существующие векторные линии. Для этого создается слой линейного типа, а затем, после выбора инструмента полилиний, обводятся растровые объекты.

В результате получается изображение вида, приведенного на рис. 3.

Следующим этапом нужно задать каждой линии свойство height (высота), равное тому, которое указа-

Рис. 4. Задание атрибутов созданных линий в соответствии с топологическими высотами

Далее следует вызвать инструмент Geo Processing, ввести шаги по X и Y, имя выходного файла. В результате появится новый слой Net_Layer, содержащий в себе сетку искомых точек, а в файл будут сохранены координаты этих точек (рис. 5).

ятаганpi*'imw-s¡vwaглгаввлгч;:'-, г м,-:

йй^й-ЯЯ»-^:-!».'-•«•• -'•'А- . ,

зсычввр^иву;4. '¡;яял гэаваавгами*«j¿« гшкымм

ЯШ^ГГ'кШШ

Я-глЩШ h"

¿•rev «spas».-.*.

р.ак ^хъшмъъ.- ¿яйязвргг/зядогяяк'КЕ

' у ieraH-a^iiKriwai-siie^awiiii^aHaeiKsaiV^!.'; BHBBII Еяы'деиязк ' л. - z 1 ..л тшштшлпл квя:ъмв«1в£гммадоялиг//;.?!г. ч. -ü», .-• u гаччмм

nsaas««-«.. .

Рис. 5. Слой с построенной сеткой точек

Полученные данные объединяются в таблицу.

Фрагмент множества трёхмерных точек, полученных на основе топологических линий

X Y Z

16,081443404546008 240,47144313287038 100,0

70,91878159550251 311,414581801584 100,0

125,75611978645902 362,8524596553074 100,0

180,59345797741554 386,2502431364853 100,0

54,87688251757956 277,6728280935609 100,0

73,13123844566753 315,3031423261165 100,0

108,29627673202374 352,93345655867205 100,0

Теперь при помощи полученных точек с использованием алгоритма Ренка - Клайна строится трёхмерная поверхность. На рис. 6 приведен фрагмент, полученный в результате построения трёхмерной поверхности.

Рис. 6. Построение трёхмерной поверхности на основе полученных точек

Таким образом, применяя данную методику, можно получить трёхмерную поверхность практически для любой карты, на которой имеются данные о высотах.

Выводы

Разработанная система представляет возможность решения задач, возникающих при введении исходных данных для математических моделей распространения загрязняющих веществ в окружающей среде. Необходимо также отметить существенные отличия разработанного программного обеспечения от традиционных геоинформационных систем. Геоинформационные системы могут иметь различную направленность и служить разным целям. Разработанная ГИС ориентирована на проблемы анализа экологической ситуации и предназначена для ведения параметров источников загрязнения и подстилающей поверхности в расчетной области. В целом у данной ГИС два типа пользователей: разработчики 3^-карт и экологи. Разработчики 3^-карт вносят необходимые данные в геоинформационную систему: готовят и заносят карты, рисуют топологические линии уровней, вносят источники загрязнения. В их распоряжении находится редактор карт, возможность просматривать 3^-карты, система оповещения при возникновении различных ошибок. Экологи, используя полученную информацию, могут получать численные значения параметров окружающей среды, оценивать их, а также самостоятельно вносить дополнительные данные по источникам загрязнения. Система не просто предоставляет информацию об окружающей среде, но и оценивает её исходя из данных нормативов и ГОСТов.

Литература

1. Моделирование и вычислительный эксперимент в задачах механики сплошных сред. Т. 1 / Н.С. Бузало [и др.]; под ред. А.В. Белоконя, А.В. Наседкина. Ростов н/Д ., 2006. 169 с.

2. Никифоров А.Н., Бузало Н.С. Численный алгоритм исследования процессов переноса примеси в мезометеороло-гическом пограничном слое атмосферы // Современные

Поступила в редакцию

проблемы механики сплошной среды : тр. IX Междунар. конф., посвящ. 85-летию со дня рождения академика РАН И.И. Воровича, г. Ростов-на-Дону, 11-15 окт. 2005 г. / НИИ механики и прикл. математики им. И.И. Воровича. Ростов н/Д., 2006. С. 186 - 190. 3. http://www.gvsig.org/web/

28 июля 2010 г.

Бузало Григорий Александрович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Программное обеспечение вычислительной техники», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).

Бузало Наталья Сергеевна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Прикладная математика», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 25-53-09, E-mail: buzalo.n.s@mail.ru

Коцур Сергей Викторович - студент, кафедра «Программное обеспечение вычислительной техники», ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).

Никифоров Александр Николаевич - канд. техн. наук, профессор, кафедра «Прикладная математика», ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).

Buzalo Grigoriy Alexandrovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Software of Computing», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).

Buzalo Natalya Sergeevna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Applied Mathematics», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph.(8635) 25-53-09. E-mail: buzalo.n.s.@mail.ru

Kotsur Sergey Viktorovich - student, department «Software of Computting», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).

Nikiforov Alexandr Nikolaevich - Candidate of Technical Sciences, professor, department «Applied Mathematics», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute)._