УДК 004.75
ИНТЕРНЕТ СРЕДА МОДЕЛИРОВАНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
GEOINFORMATION INTERNET SYSTEM MODELING AIR POLLUTION
В.А. Батурин1, С. Будням2, Гаченко А.С. 1, Н.С. Малтугуева1, Г.М.Ружников, Б.Цогоо2, Р.К. Федоров1
(1Иркутск, Институт динамики систем и теории управления СО РАН,
2Улан-Батор, Институт национального развития МАН)
Аннотация
В статье рассматривается гибридная ГИС, которая комбинирует функции пространственного анализа геоинформационных систем с модулями моделирования. Основной целью создания среды является обеспечение общей платформы для моделирования загрязнения атмосферного воздуха.
This paper describes a hybrid GIS that combines the spatial analysis methods of geographic information systems with modules for mathematical modeling of air pollution. The architecture of the developed system is designed to provide an opportunity for professionals to use different modeling techniques on different data.
Ключевые слова
Инфраструктура пространственных данных, геопортал, распределенные методы вычислений, сервисы геообработки, моделирование загрязнений атмосферного воздуха
Введение
В наше время загрязнение атмосферного воздуха – одна из наиболее важных проблем больших городов. Согласно обнародованным Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) данным о качестве воздуха [1], во многих городах загрязненность воздуха достигает уровней, угрожающих здоровью населения. Существует много факторов, влияющих на концентрацию вредных веществ в воздухе. Это различные источники загрязнений, рельеф, погодные условия и т. д., каждый из которых может вносить значимый вклад. Для принятия эффективных мер по уменьшения загрязнений воздуха актуально проведение комплексного анализа, базирующего на математическом моделировании и использовании масштабируемой на различные территории информационной системы. В ИДСТУ СО РАН проводится разработка гибридной геоинформационной системы (ГИС), которая сочетает методы пространственного анализа геоинформационных систем с модулями математического моделирования. Архитектура разрабатываемой системы спроектирована таким образом, чтобы предоставить возможность предметным специалистам использовать создаваемые методы моделирования на различных тематических пространственных данных. Кроме того, в рамках предложенной архитектуры специалисты могут предоставить собственные методы моделирования.
Общий алгоритм моделирования
Для применения существующих в ГИС методов анализа удобно представить изучаемую территорию в виде набора ячеек регулярной сетки [2]. В ГИС такое представление называется GRID моделью. Основным форматом GRID модели, используемой в разрабатываемой ГИС, является GeoTiff [3]. Общий алгоритм проведения моделирования разбивается на ряд шагов, которые выполняются с помощью сервисов, реализующих стандарты программного взаимодействия геоинформационных систем [4]. С информационной точки зрения общая схема моделирования состоит из следующих основных этапов (Рис. 1).
1. Формирование источников загрязнений в виде набора GRID файлов.
a. Формирование GRID файлов, характеризующих выбросы от котельных и ТЭЦ.
b. Формирование GRID файлов, характеризующих выбросы от печного отопления.
c. Формирование GRID файлов, характеризующих выбросы от автомобильного транспорта.
2. Моделирование распространения загрязнений.
3. Отображение результатов.
Все этапы выполняются отдельно в зависимости от рассчитываемого сценария. Сценарии могут различаться набором входных параметров и данных.
Рис. 1: Общая схема моделирования.
Архитектура и реализация. Реализация предложенной схемы моделирования основана на следующей архитектуре (Рис 2).
Рис. 2. Архитектура.
Система управления содержимым (CMS), разработанная на основе свободно-распространяемой системы управления содержимым Calypso, осуществляет общее управление пользователями, сервисами и геоданными.
Система хранения данных (СХД) — программно-аппаратное обеспечение надежного хранения данных пользователей на основе «SAN ReadyStorage» 3994 с общей стартовой дисковой емкостью 62 Тбайт.
Сервер FTPS (File Transfer Protocol + SSL) предназначен для обеспечения доступа к файловой системе СХД. Упрощает загрузку и выгрузку данных большого объема. Управляется FTPS сервер с помощью CMS.
Система управления базами данных «PostgreSQL» (с расширением для обработки пространственных данных «PostGIS») предназначена для хранения пользовательских наборов данных и служебной информации геопортала. Реализованный в составе геопортала файловый менеджер обеспечивает загрузку геоданных на сервер и их размещение в системе хранения данных (СХД) непосредственно в файловой системе или системе управления базами данных. При этом геопортал позволяет определить правила доступа к публикуемым геоданным.
Сервер геоданных «MapServer» — это серверная геоинформационная система с открытым исходным кодом, запускаемая через интерфейс CGI. Осуществляет отображение пользовательских карт. Поддерживает стандарты OGC: WMS, WFS, WMC, WCS, SLD, GML, SOS, OM. Имеется поддержка множества растровых и векторных форматов и перепроецирования «на лету» с помощью библиотеки «Proj.4».
Сервер WPS (OGC OpenGIS Web Processing Service, http://www. opengeospatial. org/standards/wps), осуществляет управление сервисами обработки геоданных. Сервисы — это отдельные программные единицы, выполняющие различные функции и предоставляющие интерфейс в соответствие со стандартом WPS. Сервисы могут находиться в рамках геопортала, так и в сети Интернет. Через геопортал можно получить доступ к зарегистрированным в каталоге сервисам для выполнения геообработки. При этом входные данные могут быть представлены в виде строковых параметров или файлов, а результаты геообработки сохраняются в СХД.
Сервисы моделирования загрязнения атмосферного воздуха
Все этапы моделирования выполняются с помощью сервисов в окне браузера. Сервисы можно условно поделить на три части:
1) инвентаризация источников загрязнений;
2) моделирование распространения загрязнений;
3) визуализация результатов.
Инвентаризация источников загрязнений
Для инвентаризации источников загрязнений разработана подсистема ввода и редактирования реляционных данных, содержащих пространственные атрибуты. Список атрибутов таблиц определяет пользователь. Для каждого атрибута пользователь должен определить название, элемент управления для ввода атрибута, специфичные свойства выбранного элемента управления. Например, при создании таблицы о котельных для атрибута «Название котельной» необходимо определить элемент управления «edit» и размер поля, для атрибута «CO» необходимо определить элемент управления «number», для атрибута «Положение на карте» необходимо выбрать элемент управления «point». Каждому элементу управления установлен в соответствие тип данных СУБД PostgreSQL. При сохранении списка атрибутов в СУБД PostgreSQL создается таблица, регистрируется в каталоге таблиц пользователя и сохраняются метаданные, необходимые для генерации пользовательского интерфейса.
Рис. 3. Формирование структуры таблицы.
Основываясь на метаданных, формируется таблица (Рис. 4). Пространственные атрибуты отображаются на карте. Ввод и редактирование данных осуществляется в таблице или на форме. Для каждого атрибута используется элемент управления, указанный пользователем. По всем атрибутам можно выполнять сортировку и фильтрацию.
Рис. 4. Ввод информации об источниках загрязнений.
После ввода источников загрязнений необходимо их преобразование в GRID (регулярную сетку). Разработан ряд сервисов, которые выполняют преобразование для различных типов источников загрязнений.
Сервис расчета плотности точечных объектов в ячейках регулярной сетки (см. Рис. 5). На входе сервиса слой векторных объектов. На выходе количество объектов, находящихся в ячейках регулярной сетки. Пользователь может задать размер ячейки и область обработки. Сервис производит подсчет количество объектов в ячейках, а если задан атрибут семантики слоя входных данных, то производится суммирования значения семантики по этому атрибуту. Данный сервис используется, например, для расчета выбросов от точечных объектов, например юрт. В качестве значения атрибута может использоваться количество выбросов из одной юрты на единицу времени. Доступ к слою осуществляется через библиотеку OGR, что позволяет использовать любые известные форматы, а также данные в СУБД.
Рис. 5. Форма запуска сервиса плотности точечных объектов.
Сервис расчета плотности линейных объектов в ячейках регулярной сетки. На входе сервиса слой линейных векторных объектов. На выходе общая длина участков линейных объектов, находящихся в ячейках регулярной сетки. Пользователь может задать размер ячейки и область обработки. Сервис для каждого линейного объекта производит трассировку и суммирование длин участков линейных объектов в ячейках, а если задан атрибут семантики слоя входных данных, то производится умножения длины участка объекта на значение атрибута, а затем общее суммирование. Данный сервис используется для расчета выбросов дорожной сети. В качестве значения атрибута может использоваться количество выбросов на единицу длины дороги.
Сервисы алгебры GRID, которые позволяют производить умножение на число, сложение, вычитание GRID данных. С помощью данных сервисов можно выбросы из различных типов источников загрязнений объединить в набор GRID файлов. Где каждая ячейка файла содержит информацию о количестве выделяемого загрязняющего вещества из различных источников (например, CO).
Моделирование распространения загрязнений
Моделирование распространения загрязнений реализовано в виде сервиса. В основе модуля моделирования распространения примесей в атмосфере лежит камерная модель. Модель учитывает рельеф, диффузионные потоки, ветровые переносы, интенсивность выбросов загрязняющих веществ. моделирование распространения загрязнений (на основе входных данных об источниках загрязнений, рельефе, направлении ветра и т. д. формируется прогноз концентрации загрязняющих веществ в ячейках GRID) и т. д.
В модели распространения загрязнений данные о ветровых переносах, температурах и т. д. используются в виде GRID файлов. Для преобразования точечных наблюдений в GRID разработан сервис интерполяции точечных данных на ячейки регулярной сетки методом естественных соседей. На входе сервиса слой точечных векторных объектов. На выходе интерполируемые значения в ячейках регулярной сетки, в форматe GeoTIFF. Пользователь может задать размер ячейки и область обработки. Сервис использует OpenSource библиотеку CGAL [5].
Визуализация результатов
Для визуализации результатов моделирования и промежуточных этапов разработан модуль отображения в окне браузера на основе стандарта WMS. Модуль позволяет отображать векторные и GRID данные. В качестве подложки можно использовать карты Google, Yandex, OpenStreetMap и т. д. Модуль стандартные функции Web сервисов отображения карт.
Рис. 6. Отображение результатов моделирования.
Апробация
На текущий момент информационная система апробирована на г. Улан-Батор. Собрана и рассчитана информация по расположению источников выбросов и их интенсивности (ТЭЦ, юрты и автотранспорт). Нанесены на векторную карту следующие объекты:
· схема географического размещения промышленных предприятий и жилой зоны;
· ежедневные данные метеорологических наблюдений (скорость и направление ветра, относительная влажность, температура воздуха, параметры инверсий, облачность) за год;
· ежедневные и разовые концентрации примесей в атмосферном воздухе, измеряемых по постам наблюдения с учетом их географического размещения за год (не менее 200 наблюдений по каждому ингредиенту по каждому посту наблюдения с отбором проб либо непрерывным в течение суток, либо четырехкратным отбором проб);
· объемы выбросов в атмосферный воздух по отдельным ингредиентам предприятиями различных отраслей промышленности, ежедневные сведения о фактической работе предприятий различных отраслей промышленности, расположенных в г. Улан-Баторе с учетом географического размещения за год;
· интенсивность движения автотранспорта (количество автомобилей, прошедших по основным магистралям города за сутки) за 20год;
· количество юрт с учетом их географического размещения на территории города, количество и качество сжигаемого топлива в юртах за год.
Проведена серия предварительных расчетов в зависимости от ветровых потоков и интенсивности выбросов. При проведении сценарных расчетов начальное состояние системы было определено на уровне ПДК. Рассматривалось два слоя, выбросы от ТЭЦ учитывались во втором слое, а остальные выбросы в первом. Расчеты проводились на период времени от трех суток до трех месяцев, причем рассматривался только отопительный сезон, когда выбросы от юрт и ТЭЦ максимальны. В сценарных расчетах учитывались следующие варианты направления ветра: безветренная погода, восточный, северный, северо-западный, северо-восточный.
Заключение
Авторами разработана методика создания общей платформы, на основе которой можно проводить моделирование загрязнений воздуха городов, с использованием комплексных математических моделей, данных сервисов различных метеорологических служб (например GisMeteo), данных о рельефе (NASA) и т. д.
ЛИТЕРАТУРА
1. Решение проблемы загрязнения воздуха во всем мире // Всемирная организация здравоохранения http://www. who. int/mediacentre/news/releases/2011/air_pollution_/ru/index. html
2. Цветков системы и технологии. Серия "Диалог с компьюте-ром". - М.: Финансы и статистика, 19с.
3. GeoTIFF http://trac. osgeo. org/geotiff/
4. Geospatial Portal Reference Architecture. A Community Guide to Implementing Standards-Based Geospatial Portals // Ed. Louis C. Rose. Open Geospatial Consortium Inc. OGC 04-039 Ver. 0
5. Модели управления природными ресурсами / ред. . М.: Наука, 1981.
1, С. Будням2, 1, 1, , Б. Цогоо2, 1
Владимир Александрович Батурин, д-ф. м.н., главный научный сотрудник Института динамики систем и теории управления СО РАН, *****@***ru
Санжа Будням, д-ф. м.н., профессор Института национального развития Академии наук Монголии
Андрей Сергеевич Гаченко, к. т.н., научный сотрудник Института динамики систем и теории управления СО РАН, *****@***ru
Надежда Станиславовна Малтугуева, младший научный сотрудник Института динамики систем и теории управления СО РАН, *****@***ru
Геннадий Михайлович Ружников, к. т.н., зам. директора Института динамики систем и теории управления СО РАН, , *****@***ru
Балтав Цогоо, д-ф. м.н., директор Института национального развития Академии наук Монголии
Роман Константинович Фёдоров, к. т.н., ведущий научный сотрудник Института динамики систем и теории управления СО РАН, , *****@***ru
