ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЙ ГИС ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИКИ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ

Малярчук Ю.Д.¹ , Храпов С.С.²

¹Магистрант, ²кандидат физико-математических наук, доцент, Волгоградский государственный университет

ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЙ ГИС ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИКИ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ

Аннотация

Разработана информационная модель специализированной геоинформационной системы для решения различных задач динамики распространения воздушных потоков на основе численного интегрирования нестационарных уравнений переноса с учетом внешних факторов. Создан управляющий модуль, включающий в себя интерфейс пользователя, модуль работы с картой и модуль 3D визуализации. Результатом моделирования являются карты циркуляционных течений. Программный комплекс может быть использован для прогнозирования последствий аварийных ситуаций на промышленных предприятиях, расчета воздухообмена в городских районах.

Ключевые слова: геоинформационные системы, ГИС, воздухообмен, моделирование, циркуляционные течения, информационная модель.

Malyarchuk J.D.¹, Khrapov S.S.²

¹Master student, ²PhD in Physics and Mathematics, associate professor,Volgograd State University

INFORMATION MODEL OF SPECIALIZED GIS FOR DYNAMIC SIMULATION OF AIR FLOW

Abstract

The information model of specialized geoinformation system to solve various problems of the dynamics of air flow diffusion based on the numerical integration of time-dependent transport equations, taking into account external factors is developed. The control module, which includes the user interface, the module works with the map and 3D visualization module is created. The results of simulation are maps of circulating currents. The software package can be used to predict the consequences of accidents in industrial plants, calculating air exchange in urban areas.

Keywords: geographic information systems, GIS, air exchange, simulation, circulating currents, the information model.

Введение

Для большинства городов характерно чрезвычайно сильное и интенсивное загрязнение атмосферы. Как правило, большинство загрязняющих агентов превышают предельно допустимые концентрации и их совместное действие может оказывать негативное влияние на окружающую среду.

При увеличении размера города концентрация различных загрязняющих веществ в его атмосфере практически не возрастает. Это объясняется тем, что одновременно с увеличением объемов выбросов, возрастающих пропорционально росту численности населения, расширяется и площадь городской застройки, которая и выравнивает средние концентрации загрязнения в атмосфере.

Одной их характерных особенностей крупных городов является дифференциация концентраций загрязняющих веществ в различных районах города. На окраинах наблюдается невысокий уровень загрязнения, тогда как в крупных промышленных зонах он резко возрастает. В центральных районах концентрации загрязняющих веществ поднимаются на максимальный уровень. Данное различие объясняется несколькими причинами. Во-первых, в центре города наблюдается интенсивное движение автотранспорта. Во-вторых, в центральных районах температура атмосферного воздуха обычно на несколько градусов выше, чем на окраине города. Все это приводит к появлению над центрами городов восходящих воздушных потоков, засасывающих загрязненный воздух из промышленных районов [1, 2].

Именно поэтому на сегодняшний день для ученых всего мира первоочередной является задача прогнозирования изменений в атмосфере. Важными составляющими этой задачи являются исследование процесса движения воздушных потоков на территориях с антропогенной застройкой [3, 4].

Цель исследования заключалась в разработке информационной модели специализированного ГИС-приложения, предназначенного для решения различных задач динамики распространения воздушных потоков на основе численного интегрирования нестационарных уравнений переноса с учетом внешних факторов.

Разработка информационной модели

Разрабатываемая геоинформационная система должна обладать следующими функциональными возможностями:

1. работа с картографическими данными;
2. построение 2D и 3D моделей рельефа;
3. выбор участка местности произвольного размера;
4. нанесение объектов на карту, редактирование семантики существующих;
5. выбор расчетной области;
6. проведение расчетов для моделирования динамики воздушных потоков;
7. визуализация произведенных расчетов путем построения 3D-модели.

Общие требования к системе отражены на диаграмме прецедентов (рис. 1).

На основе проведенных исследований была создана специализированная геоинформационная система, включающая в себя:

1. Интерфейс пользователя. Модуль осуществляет контроль над всей геоинформационной системой в целом.
2. Модуль работы с картой. Данный модуль содержит функции открытия и обрезки карты, добавления и удаления здания с карты и отображения карты пользователю.
3. Модуль визуализации 3D. Отвечает за построение 3D модели рельефа.
4. Расчетный модуль. С помощью этого модуля проводится расчет динамики циркуляционных течений воздушных масс.

Организационная структура разрабатываемой ГИС представлена на рис. 2.

Рис. 1. Диаграмма прецедентов

Рис. 2. Структура специализированной ГИС

Программная реализация

В ходе выполнения работы программно реализован управляющий интерфейс геоинформационной системы, состоящий из модулей:

1. MainForm1: главная форма приложения. Служит для отображения пользовательского интерфейса. Реализует функции интерфейса пользователя и модуля работы с картой.
2. Класс Visualisation3D: форма отображения 3D. Реализует функции модуля 3D визуализации.
3. Класс InputBox: форма для ввода числа. Служит для ввода высоты здания (высота задается в метрах).
4. Класс HeightColor: класс, который хранит привязку высоты карты к цвету, которым он визуализируется пользователю.
5. Класс ReliefColors: класс, который содержит набор классов HeightColor и предоставляет интерфейс, выполняющий поиск по набору и возвращающий цвет, который соответствует определенной высоте.

На рис. 3 представлена сокращенная диаграмма классов, описывающая взаимодействие модулей программы между собой.

Рис. 3. Сокращенная диаграмма классов специализированной ГИС

Описание интерфейса

Программный комплекс «AirFlowBuild» осуществляет работу с данными дистанционного зондирования Земли, взятых из архива данных SRTM.

Интерфейс специализированной геоинформационной системы «AirFlowBuild» включает в себя пять основных элементов.

1. Панель инструментов.

Содержит основные элементы управления проектом и картой:

• Загрузить карту.
• Управление масштабом.
• Сохранить объекты.
• Загрузить объекты.
• Экспорт в grd.
• Выбрать область.
• 3D.
• Отобразить палитру.

2. Панель управления объектами карты.

Состоит из следующих элементов:

• список объектов карты;
• добавить объект;
• удалить объект;
• очистить список.

3. Область отображения (рабочая область).

Предназначена для визуализации карт.

4. Панель управления режимами отображения карты.

Выбранный рельеф местности система отобразит в рабочей области в форматах 2D и 3D в одной из возможных палитр – палитре теней (рис. 4) или палитре цветов (рис. 5).

5. Строка информации.

Указываются координаты и текущая высота под курсором мыши.

Рис. 4. Интерфейс приложения. Отображения рельефа местности с помощью палитры теней

С помощью инструмента «Добавить объект» пользователь может наносить на карту неограниченное количество зданий. Здания представляются в формате 2D как черные прямоугольники. Объекты на карту можно наносить не только вручную, но и загружать данные о них из файла с помощью элемента панели инструментов «Загрузить объекты».

Инструмент «Удалить объекты» позволяет удалять объекты-здания из списка объектов карты.

Инструмент «Очистить список» удаляет все объекты из списка объектов на карте.

Инструмент «3D» отвечает за построение 3D модели поверхности (рис. 5).

Рис. 5. Трехмерная модель поверхности

Модели зданий в «3D» могут быть представлены следующим образом (в зависимости от выбора пользователя):

1) сплошной черный каркас (рис.6а);

2) черный контур (рис.6б);

3) черный контур и серый каркас (рис.6в);

4) полупрозрачный каркас (рис.6г).

Рис. 6. – Построение 3D модели жилого массива

Заключение

Разработанная информационная модель специализированной ГИС для моделирования динамики воздушных потоков позволяет разъяснить организационную структуру приложения в целом.

Данная геоинформационная система предоставляет пользователям такие возможности, как:

1. работа с картографическими данными;
2. просмотр карт местности в форматах 2D и 3D.
3. выбор участка местности произвольного размера;
4. нанесение на карту зданий;
5. экспорт рельефа местности в файл формата grd;
6. расчет для моделирования динамики воздушных потоков в зонах с антропогенной застройкой;
7. визуализация произведенных расчетов путем построения 3D-модели.

Основной сферой практического применения разрабатываемой системы является прогнозирование последствий аварийных ситуаций на промышленных предприятиях, расчет воздухообмена в городских районах.