ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Факультет информатики
Кафедра теоретических основ информатики
УДК 681.3:004.925.8
ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ В ГАК
Зав. кафедрой, проф., д.т.н.
________________ Ю.Л. Костюк
«___» ___________ 2008 г.
Овсянников Михаил Сергеевич
АЛГОРИТМ ИСПУСКАНИЯ ЛУЧЕЙ НА ВЕКТОРНО-РАСТРОВЫХ
ГИС-МОДЕЛЯХ В ЗАДАЧАХ РАСЧЕТА ШУМОВОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ СЕЛИТЕБНОЙ ТЕРРИТОРИИ
Дипломная работа
Научный руководитель:
доктор техн. наук, профессор Скворцов А.В.
Научный консультант:
доктор техн. наук, профессор Овсянников С.Н.
Исполнитель:
студ. гр. 1431 Овсянников М.С.
Электронная версия дипломной работы помещена в электронную библиотеку. Файл
Администратор
Томск – 2008
Реферат
Дипломная работа, с., 28 рис, 24 источников.
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ГЕОМЕТРИЯ, ГИС, МОДЕЛИ ДАННЫХ, ТРАССИРОВКА ЛУЧЕЙ, ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, АКУСТИКА, РАСПРОСТРАНЕНИЕ ШУМА, ТРАНСПОРТНЫЙ ШУМ, КАРТА ШУМА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ, МНОГОПОТОЧНОСТЬ, ВИЗУАЛИЗАЦИЯ.
Объект исследования – процесс распространения звуковых волн и модели расчета эквивалентных уровней звука.
Предмет исследования – алгоритмизация и моделирование процесса распространения звуковых волн в условиях городской застройки.
Цель работы – разработка эффективных алгоритмов расчета эквивалентных уровней шумов на селитебной территории с возможностью построения шумовых карт.
Сфера применения – градостроительная деятельность, экологическая экспертиза.
На основе существующих принципиальных подходов к решению задачи оценки эквивалентных уровней шума было создано семейство алгоритмов, основанных на использовании векторно-растровых моделей местности и представлении магистрали как линейно-протяженного источника в виде независимых точечных источников той же суммарной мощности. При решении задачи был применен комплекс оптимизационных алгоритмов, снизивших трудоемкость вычислений и повысивших эффективность подхода.
В рамках работы был разработан специализированный итеративный двухпроходный алгоритм, решающий поставленную задачу.
Алгоритм, разработанный в рамках предлагаемого подхода, был реализован в расчетной программе «Noise Tracer».
Содержание
ВВЕДЕНИЕ 5
ЗАДАЧИ ОЦЕНКИ ШУМОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ В АСПЕКТЕ ГИС-МОДЕЛИРОВАНИЯ 8
1.1. Решение задач по оценки воздействия на окружающую среду средствами ГИС 8
1.2. Классификация принципиальных подходов по оценке шумового загрязнения 10
1.3.Обзор существующих программных продуктов 15
1.4.Расчетная модель распространения звука 16
АЛГОРИТМЫ ОТСЛЕЖИВАНИЯ ЗВУКОВЫХ ЛУЧЕЙ 18
1.5.Алгоритм основанный на “излучении” (radiosity) 18
1.6.Метод “мнимых источников” 19
1.7.Алгоритм “обратной трассировки” на растре 20
ВЕКТОРНО-РАСТРОВАЯ МОДЕЛЬ ДАННЫХ 24
ДВУХПРОХОДНЫЙ АЛГОРИТМ РАСЧЕТА 28
1.8.Описание предлагаемого подхода 28
1.9.Геометрическая подзадача 30
1.10.Методы снижения размерности и трудоемкости 33
1.11.Расчетная подзадача 37
1.12.Оценка трудоемкости и степени параллелизма алгоритма 40
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОБРАТНОЙ ТРАССИРОВКИ НА ВЕКТОРНО-РАСТРОВЫХ ГИС-МОДЕЛЯХ ПРИ РАСЧЕТЕ НА ЭВМ 42
1.13.Применение программного комплекса для расчета шумового загрязнения селитебной территории 42
1.1.Архитектура программного комплекса 51
1.2.Многопоточная схема вычислений 52
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 53
ЛИТЕРАТУРА 54
Приложение А. Руководство программиста: демонстрационное приложение «Noise Tracer» 56
Приложение Б. Руководство пользователя 59
ВВЕДЕНИЕ
Современное градостроительное проектирование все в большей степени требует адекватного информационного обеспечения. Создание точной модели местности является обязательным этапом проектно-изыскательских и строительных работ. Однако использование современных геоинформационных систем далеко не всегда позволяет подготовить всю требуемую информацию о проектируемой территории. В тех случаях, когда требуется произвести дополнительные расчеты и моделирование, становятся востребованными специализированные системы геопространственных вычислений.
Среди задач геопространственного моделирования особое практическое значение имеет комплекс задач по оценке негативного воздействия на окружающую среду (ОВОС). Среди комплекса экологических исследований, проводимых в рамках ОВОС, можно выделить следующие задачи[3,12,18]:
расчет загрязнения атмосферного воздуха;
оценка акустического воздействия;
оценка вибрационного воздействия;
расчет загрязнения водных объектов;
оценка влияния промышленных объектов на поверхностные и подземные воды;
оценка возможного воздействия на почвенный и растительный покров.
Все эти факторы загрязнения негативно сказываются на качестве жизни в городах. Однако если загрязнение атмосферы промышленными объектами, расположенными в городской черте, и все увеличивающимся количеством автотранспорта давно изучается и предпринимаются некоторые контрмеры, то такой фактор как зашумление городской территории далеко не всегда принимается во внимание.
Значительным источником шума на селитебной территории является транспорт. Несмотря на качественнее изменения в составе транспортных потоков городов, способствующих снижению шума от каждого отдельного транспортного средства, увеличение общей интенсивности движения в городах негативно сказывается на акустическом комфорте территорий, прилегающих к дорогам.
Принятие мер для снижения воздействия шума на население играет значительную роль. Опасность заключается в том, что длительное воздействие высоких уровней шума на человека, способно снизить иммунитет, увеличить подверженность болезням и вызвать различного рода нервные расстройства. При этом следует учитывать степень шумового загрязнения не только в жилых помещениях, но и во дворах домов, на детских площадках и местах отдыха населения. В случае установления факта шумового загрязнения должны быть приняты мероприятия по акустическому благоустройству.
Но эффективность шумозащитных мероприятий будет заведомо выше, если учитывать возможность шумового загрязнения ещё на этапе проектирования. Таким образом, при планировании новых транспортных магистралей, проектировании жилой застройки и при разработке планов развития территорий необходимо производить оценку возможного негативного влияния шума на примагистральные территории и соответствие его значений нормам, установленным действующими документами СНиП [13,14] и санитарными нормами [12].
В том случае, когда требуется оценить воздействие некоторого источника шума на близлежащую территорию, то достаточно проведения натурных исследований в сочетании с последующим анализом. Однако при прогнозе шумового воздействия на ещё проектируемое жилое здание или в том случае, когда источником выступает ещё только планируемая транспортная магистраль, то натурные исследования не могут помочь. Результаты макетного моделирования исследуемой территории в заглушенной камере могут дать представления о распространении шума на исследуемой территории, однако данный подход не всегда применим при исследовании значительных по площади территорий, поскольку моделирование застройки на ограниченном пространстве камеры является сложной задачей.
До последнего времени для решения задачи построения карт шума преимущественно использовались инженерные методики расчета [4], предполагающие ручной труд специалиста для оценки воздействия шума. Использование для этих целей ЭВМ было предложено достаточно давно. К настоящему времени существует ряд программных комплексов, позволяющих произвести компьютерное моделирование примагистральной территории и определить степень шумового загрязнения. При этом решающим фактором, препятствующим внедрение подобных программных продуктов в градостроительную деятельность нашей страны, остается отсутствие детальных компьютерных моделей местности, позволяющих произвести точное моделирование процесса распространения звука. Кроме того, высокая трудоемкость существующих методов требует соответствующего аппаратного обеспеченья. Ещё одной негативной чертой современных программных комплексов является использование традиционных инженерных приемов, плохо поддающихся алгоритмизации, как не обладающие достаточно формальными критериями. Использование эмпирических алгоритмов имеет потенциальную проблему низкой точности и малой достоверности.
В данной работе приводится сравнительное описание различных подходов к решению задачи оценки шумового воздействия транспортных потоков на прилегающую территорию. Приведены как теоретические основы подходов, так и рассмотрены алгоритмические аспекты реализации. В качестве примеров использования отдельных подходов приведены существующие программные продукты, как российские, так и разработанные за рубежом.
В качестве альтернативного решения задачи моделирования транспортных шумов, в работе рассмотрен метод прямой трассировки лучей на векторно-растровых моделях, предлагающий эффективное решение задачи моделирования при сохранении относительно высокой достоверности результатов. Предложенный подход является основой, для разработанного итеративного двухпроходного алгоритма расчета эквивалентных уровней шумового загрязнения селитебной территории от транспортного шума. Ключевыми особенностями данного подхода являются:
использование комбинированной векторно-растровой модели местности;
использование дополнительной карты высот для учета рельефа и этажности строений;
разбиение магистрали как линейно-протяженного источника шума на независимые точечные источники;
использование метода прямой трассировки лучей независимо для каждого точечного источника шума;
использование энергетическое суммирование в точках измерений;
итеративная схема вычислений;
учет вторичных источников загрязнения (отражения и дифракция);
сокращение объема вычислений за счет ряда оптимизационных подходов.
В работе так же представлено неформальное описание алгоритма, реализующего предложенный подход и детальное рассмотрение его ключевых шагов. Рассматриваются различные аспекты реализации с выделением ключевых этапов. Так же в работе представлены ряд вариаций алгоритма, учитывающих дополнительные критерии. Для базовой версии алгоритма дана оценка максимальной трудоемкости. В качестве примера реализации алгоритма для параллельных вычислений были предложены варианты алгоритма для SMP и кластерных вычислительных систем.
В качестве примера программной реализации предложенного алгоритма представлена программа расчета эквивалентных уровней шумового загрязнения «Noise Tracer». Программа рассчитана на работу с предварительно заданной векторно-растровой моделью данных и позволяет использовать карту высот и этажности для моделирования местности. В качестве атрибутной составляющей были использованы RGB каналы растровой суб-модели, что позволяет задавать различные характеристики объектов без выделения дополнительной памяти.
Результатом работы программы является растровая карта, представленная значениями эквивалентного шума в каждой исходной точке, отмеченной для исследования. Визуально данная карта может быть представлена в виде изображения, отражающего интенсивностью красного цветового канала уровень шумового загрязнения в каждой конкретной точки или в виде набора изолиний, задающих наборы точек с одинаковыми уровнями эквивалентного шума.
В работе рассматриваются особенности архитектуры данного программного продукта. Прилагающаяся диаграмма классов дает детальное представление о внутренней структуре приложения. Так же представлено описание режима многопоточной обработки исходных данных предлагаемым алгоритмом.
В приложении к дипломной работе представлено руководство программиста, дающее представление о внутренней структуре классов разработанной системы.
|
