Трехмерная визуализация территории муниципального образования для управления коммунальными системами

№2(20)2009

В. А. Немтинов, П. И. Пахомов, К. В. Немтинов

Трехмерная визуализация территории муниципального образования для управления коммунальными системами

В статье рассмотрены математические методы и инструментальные средства, используемые при разработке пространственной модели территории муниципального образования, охватывающей сферу деятельности службы, обеспечивающей нормальное функционирование коммунальных систем.

В настоящее время производственная структура многопрофильного коммунального хозяйства России включает в себя более 30 видов деятельности. При этом основной задачей деятельности служб, обеспечивающих нормальное его функционирование, является доставка потребителям того или иного носителя с заданными физическими параметрами. Это ставит перед эксплуатирующими организациями целый ряд следующих внутренних задач:

• инвентаризация объектов распределенной производственной и вспомогательной инфраструктуры соответствующих служб коммунальных систем;

• помощь в организации обслуживания клиентов и расчетов с ними за предоставляемые ресурсы (воду, газ, электроэнергию);

• анализ деятельности предприятия и качества обслуживания потребителя;

• оперативное диспетчерское управление в нормальном режиме эксплуатации;

• оперативное реагирование на аварии и чрезвычайные ситуации, в том числе внешние относительно данной конкретной сети;

• обеспечение профилактических и аварийных ремонтных работ;

• мониторинг состояния сетей и предотвращения аварийных ситуаций;

• конкретное развитие и проектирование инженерных сетей;

• стратегическое планирование, прогнозирование и выявление потребностей в развитии инженерных сетей.

Для принятия оптимальных решений по этим и другим задачам необходимо создание единого информационного пространства (ЕИП) территории муниципального образования [1], охватывающей сферу деятельности служб, обеспечивающих нормальное функционирование коммунальных систем.

Структура единого информационного пространства

На базе системного анализа и методов математического моделирования авторами разработана структура ЕИП территории, включающая совокупность информационных средств и ресурсов, интегрируемых в единую систему: собственно информационные ресурсы (массивы документов, базы и банки данных, все виды архивов), содержащие информацию, зафиксированную на соответствующих носителях; сетевое и специальное программное обеспечение; сеть телекоммуникаций на примере территориально распределенной корпоративной компьютерной сети службы филиала ОАО «Тамбовские коммунальные системы» «Тамбовводоканал», системы специального назначения и общего пользования, сети и каналы передачи данных, средства коммутации и управления информационными потоками, а также элементов водопроводных сетей, используемых при сборе информации (термопар, манометров, расходомеров и т. д.), ее преобразовании (ЦАП и АЦП), передаче по каналам связи, реализации управляющих информационных сигналов и специального оборудования на базе автомобильного транспорта,

V 55

№2(20)2009

снабженного датчиками GPS (ГЛОНАСС). Структурная схема ЕИП на примере г. Тамбова приведена на рис. 1.

пользованы растровые и векторные модели данных [2]. При этом растровая модель, полученная в результате сканирования планшетов

Рис. 1. Структурная схема ЕИП при управлении коммунальными системами

В свою очередь, для визуализации ЕИП и моделирования процессов, протекающих в объектах коммунальных систем, необходимо создание цифровой пространственной модели территории.

Математические методы построения модели

При создании цифровой пространственной модели территории в масштабе муниципального образования (например, города или промышленного узла) целесообразно использовать декартову систему координат. Для описания объектов различного назначения нами ис-

56 >

планов территории (обычно масштаба 1 ; 500), использована в качестве первичных данных всего информационного массива сведений обо всех ее объектах.

При создании моделей в подобных масштабах приемлемым является допущение о том, что отображение объектов модели осуществляется в трехмерном пространстве Р3 с метрикой:

р((хо,, у о,, 20,), (*<%, у о!, го}))= хо, - хо, | +1 уо; — у о] | +1го, — го] |;

.....Л/],

№2(20)2009

где (хо,- ,уо, ,zOi), (xOj ,yOj ,zOj )— координаты центра объектов с номерами /,_/; N — число объектов.

Одним из важных элементов этой модели является цифровая модель рельефа (ЦМР). Под ЦМР будем понимать средство цифрового представления трехмерных пространственных объектов (поверхностей) в виде трехмерных да н н ых, образующих множество высотных отметок и иных значений аппликат (координат по оси Z) в узлах регулярной или нерегулярной сети или совокупность записей горизонталей или иных изолиний.

Технология генерации ЦМР основана на цифровании горизонталей как основных ее составляющих, а также высотных отметок и других картографических элементов, используемых для отображения рельефа.

Преобразование к ЦМР (матричной или регулярной) осуществляется применением различных методов интерполяции: кригинга, средневзвешенной интерполяции по методу Шепарда, полиномиального и кусочно-поли-номиального сглаживания. Получение ЦМР в виде TIN-поверхности (нерегулярной триангуляционной сети (Triangulated Irregular Network, TIN), представленной сетью треугольников — элементов триангуляции Делоне с высотными отметками в узлах, позволяет представить моделируемую поверхность как многогранную [2].

Среди достоинств TIN-модели, построенной на основе триангуляции Делоне, следует отметить то, что она имеет наименьший индекс гармоничности в виде суммы индексов гармоничности каждого из образующих треугольников; для нее характерны свойства максимальности минимального угла (наибольшей вырожденности треугольников) и минимальности площади образуемой многогранной поверхности. В связи с этим ЦМР в виде TIN-поверхности использована нами при создании пространственной модели территории в масштабе муниципального образования.

Для включения в эту модель объектов разного назначения в зависимости от сложности формы объекта, для его описания может быть использован тот или иной графический примитив.

Точечные объекты — это объекты, каждый из которых расположен только в одной точке пространства Р3:

?=

где х,, у,, г,- — координаты объекта с номером/.

При моделировании считают, что у таких объектов нет пространственной протяженности, длины или ширины, каждый из них может быть обозначен координатами своего местоположения. В действительности все точечные объекты имеют некоторую пространственную протяженность, пусть самую малую, иначе просто невозможно их увидеть. В качестве точечных объектов модели территории муниципального образования могут быть заданы следующие объекты: элементы трубопроводной арматуры, приборы учета воды, отдельные насаждения.

При создании реалистичной модели территории для визуализации точечных объектов в ряде случаев целесообразно использовать ЗР-символы (табл. 1).

Линейные объекты представляются как одномерные в координатном пространстве Р3 (в виде совокупности линейных сегментов):

/ =

где хьуьгь..., х(,у,,...,у.1,у1,21— соответственно координаты «истока», точек изменения направления и «стока» объекта с номером /.

В качестве линейных объектов модели территории муниципального образования могут быть заданы следующие объекты: инженерные коммуникации (водопроводные, канализационные, электрические), связывающие объекты и источники энергии, автомобильные и железнодорожные трассы.

Для визуализации линейных объектов могут быть использованы ЗР-символы (табл. 2).

С другой стороны, с точки зрения функционирования, инженерные коммуникации могут быть описаны топологическими графами. Так, например, водопроводная сеть представляет из себя топологически связанный граф,

57

№2(20)2009

а

1

.а §

I

S §

£

§

в

I

1 S I

«э

«5

S

0 «а

1 §

с s аг а

I

а

s §-

1 I

S §

53" «а

S

! «о

s

s

g"

I

A

т. е. структуру, состоящую из конечного числа вершин (источник, насосная станция, водонапорная башня, водопроводный колодец, резервуар), связанных между собой ребрами (участками). В связанном графе каждая его вершина соединяется некоторой цепью ребер с любой другой вершиной. При выполнении большинства инженерных расчетов водопроводная сеть может быть представлена в виде плоского графа, ребра которого пересекаются только в его узлах. В разветвленной тупиковой сети любые два узла можно соединить только одной определенной цепочкой участков. Все участки разветвленной сети являются связующими; все узлы разветвленной сети (кроме конечных) являются точками соединения. В кольцевой сети любые два узла (кроме конечных) могут быть соединены несколькими участками.

Таблица ?

Примеры ЗУ символов для визуализации точечных объектов пространственной модели территории

Таблица 2

Тип объекта Изображение на модели

Мачта электросети I  if.

Трубопроводная арматура Ii

Автотранспорт

Деревья 1

Дорожные знаки TT

Примеры ЗО-символов для визуализации линейных объектов пространственной модели территории

Тип объекта Изображение на модели

Водопроводная трасса

Теплотрасса m

Автотрасса л

Железная дорога i

Полигональные (площадные) объекты — это объекты, проекции которых на координатную плоскость хОу представляют собой области, аппроксимируемые многоугольниками. Так, например, промышленные и жилые здания задаются в форме параллелепипедов или цилиндров:

0Р =хрр урр -грр,

05 р,$е[1...,М],

где хрр, урр, грр, хс15, —соответственно размеры объектов по каждой оси; N— количество объектов.

К полигональным объектам относятся также и фрагменты территории определенного назначения — частей поверхности рельефа, ограниченных некоторыми многоугольниками (односвязными либо многосвязными) либо математической кривой, например кривой Безье, опирающейся на множество контрольных то-

58

№2(20)2009

чек. В случае использования односвязного многоугольника граница территории описывается:

где xgUygUzgU

Х;Г. 'У-j' >zgl > xgj 'Уai izgj >

xgl !Уд1 r-Zg'l

x ai >У gj >zg.

ep\

<g1 /Уд1 'zgl

вершины односвязного многоугольника, ограничивающего территорию определенного назначения с номером д.

При построении модели между элементами полигональных объектов должны быть установлены некоторые топологические отношения, связывающие их между собой и с атрибутивной информацией, представленной в виде совокупности таблиц, управляемой системой управления базами данных (СУБД) с использованием геореляционной модели их взаимодействия.

В качестве примеров изображений полигональных объектов при создании реалистичной модели территории могут использоваться следующие ЗО-символы (табл. 3).

Таблица 3

Примеры ЗР-сийлволое для визуализации полигональных объектов пространственной модели территории

Изображение на модели

Здания

Здание {фотореалистичная модель)

Технологическая установка

При построении объектов модели необходимо проводить информационный анализ взаимного расположения трубопроводных сетей различного назначения с целью выявления таких их участков, которые проложены с нарушением соответствующих норм и правил, а также проверки правильности трассировки при проектировании новых участков сетей.

Среди основных правил размещения трасс можно выделить следующий прием размещения объектов и коммуникаций: необходимость соблюдения санитарно-технических и противопожарных разрывов между: а) объектами: V/, с € [1, ..., /V]

и-хос\-Хр'+Хрс>Ц у

V

I уо, -уос

yPi + УРс

б) коммуникациями и объектами, не являющимися точками «истока» и «стока» для соответствующих коммуникаций:

1к,

ХО: — XC;

хр,

V

V

У°- - yCj

yPi

-Ik,

- > iff — Ч

где ус,, Ьс] — координаты точки с^, принадлежащей групповой или одиночной трассе;

в) между коммуникациями:

ХС;

-XCh

Ik, + lkh

- ^ I ¡h

V

V

V

¡yCj - усь I

\hcj-hch\

Ik, +lkh

jh

V

hkj + hkh

ijh

где xcj, yCj ,hcj — координаты точки cjt при надлежащей групповой или одиночной трассе определенного назначения; Ikj, lkh — соответственно ширина канала у-й и h-й трассы;

IL, ¡К l'h'—соответственна санитарно-тех-нологические разрывы между группами объектов.

59

Трехмерная визуализация территории муниципального образования для управления коммунальными системами

№2(20)2009

Помимо данных о геометрической форме объекта (1)—(7), каждый из них может быть снабжен разнообразной атрибутивной информацией, хранящейся либо как отдельные таблицы внутри одной базы данных (БД), либо как самостоятельные наборы данных, связанные набором указателей и объединенных в банке геоданных.

Представление данных должно учитывать типы их возможных преобразований. К созданию БД предъявляются высокие требования, связанные с пространственной формой объектов, для которых она создается [3].

БД должна быть:

• согласованной по времени — хранящиеся в ней количественные данные должны соответствовать определенному времени, быть актуальными;

• полной, достаточно подробной для предполагаемого создания пространственной модели территории; категории данных и их подразделения должны включать все необходимые сведения для осуществления анализа данных модели;

• позиционно точной, абсолютно совместимой с другими данными, которые могут добавляться в нее;

• достоверной, правильно отражающей характер процессов, протекающих в объектах модели;

• легко обновляемой;

• доступной для любых пользователей.

Процесс проектирования БД при разработке пространственной модели территории, охватывающей сферу деятельности службы, обеспечивающей нормальное функционирование коммунальных систем, можно разделить натри основных уровня: концептуальный, логический и физический [2].

Концептуальный уровень не зависит от имеющихся аппаратных и программных средств. Он включает описание и определение рассматриваемых объектов; установление способа представления объектов модели в базе данных; выбор базовых типов пространственных объектов; решение вопроса о способе представления размерности и взаимосвязей реального мира в БД. На концептуальном уровне определяется и содержание базы данных,

в свою очередь, определяемое сутью явления, характером его пространственного распространения и задачами, для которых создается БД.

Логический уровень определяется имеющимися программными средствами и практически не зависит оттехнического обеспечения. Он включает разработку логической структуры элементов БД в соответствии с СУБД, используемой в программном обеспечении. При проектировании БД пространственной модели территории для поддержки принятия решений поуправ-лению объектами коммунальных систем наиболее подходящей является логическая структура реляционной модели данных.

На физическом уровне определяются объемы хранимой в БД информации и рассматриваются вопросы о структурировании файлов на диске для обеспечения программного доступа к ним.

Фрагмент E-R диаграммы (логической структуры) атрибутивной БД пространственной модели территории, охватывающей сферу деятельности службы, обеспечивающей нормальное функционирование коммунальных систем, приведен на рис. 2.

Программная среда

При создании модели в качестве базовой информационной системы используется геоинформационная система (ГИС), имеющая средства трехмерного моделирования, позволяющая построить пространственную модель территории, включающую все объекты: ArcGIS версии 9.1 корпорации ESRI. Объекты различного назначения представляются в виде совокупностей тематических слоев и связанных с ними атрибутивных данных.

Как было отмечено, технология построения пространственной модели территории предусматривает использование в качестве основы планшеты формата А2 на бумажных носителях с отображением на них объектов различного назначения в масштабе 1 :500. В связи с тем что система ArcGIS содержит небольшой перечень ЗР-символов для реалистичного отображения объектов модели территории муниципального образования, для его расширения нами использованы графические редакторы Solid Works,

61

№2(20)2009

=5 €

I

-О

I

s §

I S

I

I

1 s

I

CO О

v§-о

0 g

*

1

S

ST a

I

s

=5 §•

1 I

S §

sr

CS

!

со

I

s-

ШЕ

У! Arrnatura.shp

трубопроводная арматур

Kip. shp КИП

Osvesh.shp

упичное освещение

«б Osvet stolb. shp

| | стопбы уличного осаещэн

itf Kommunic.shp вода

канализация освещение А/ ливневая канализация теплотрасса электроснабжение

J Dorogi.shp

/•v автомобильные дороги

id Reper.shp

реперные точки

Kolod.shp

коподец

1Й Camera, shp

тепловые камеры

zdaniy.shp

[ j другие сооружения I | жилой I | нежилой

f6 Tip_ter.shp П асфапьт Ш бетон  грунт | трава J 3450.bmp Izolinii.shp

/\у изолинии рельефа

3D Scenel-Viewerl

Рис. 3. Фрагмент упрощенной пространственной модели района г. Тамбова

3D Studio Мах, позволяющие создать 3D-M0-дель объекта и передать его в ГИС ArcGIS в виде VRML-файла (Virtual Realty Modelling Languagy).

Следует отметить, что при значительном количестве объектов пространственной модели и при использовании компьютеров с процессором Intel Pentium с тактовой частотой меньше 1,6 GHz и оперативной памятью, не превышающей 1 Гб, целесообразно использовать упрощенные изображения объектов. В результате оцифровки в соответствии с принятыми при моделировании допущениями создается модель, фрагмент которой на примере отдельно взятого района г.Тамбова приведен на рис.3.

В заключение

В работе предложены математические методы и инструментальные средства, используемые при разработке цифровой пространственной модели территории муниципального образования, охватывающей сферу деятельности служб, обеспечивающих функционирование коммунальных систем, включающей: графи-

ческие векторные и растровые изображения объектов различного назначения со степенью детализации, достаточной для их визуальной идентификации; элементы оборудования коммунальных систем; базы атрибутивных данных для хранения символьной и цифровой информации об объектах модели, обеспечивающей реализацию механизма транзакций с использованием топологических взаимоотношений. Она использована авторами для визуализации ЕИП и моделирования процессов, протекающих в объектах коммунальных систем.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. НемтиновВ.А. Информационный анализ и моделирование объектов природно-промышленной системы. М.: Машиностроение-"!, 2005.

2. Основы геоинформатики: В 2 кн. Кн. 1: учеб. пособие для вузов / под ред. В. С.Тикунова. М.: Издательский центр «Академия», 2004.

3. Лурье И. К. Основы геоинформационного картографирования. М.: Изд-во МГУ, 2000.

62