КОМПЬЮТЕРНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ И РАЙОНИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
Ю.А. Степанов, Л.Н. Бурмин, В.А. Марченко
Новокузнецкий институт (филиал) Кемеровского государственного университета
dambo290@yandex.ru, lnburmin@mail.ru, vamarchenco@rambler.ru
Содержание
2. Существующие способы визуализации экологических параметров
3. Моделирование загрязнения окружающей среды с использованием Unity3D
4. Визуализация загрязнения окружающей среды с использованием Unity3D
Аннотация
В работе описаны методы визуализации концентрации вредных веществ в атмосфере. В качестве способа визуализации экологических параметров приведен метод изолиний концентрации. Описаны две разработанные методики для построения геометрической модели загрязнения. Непрерывная методика основана на соединении соседних значений параметров с помощью полигонов. Дискретная методика основана на обозначении каждого значения экологического параметра в виде полигона. Разработана технология построения анаморфозного трехмерного изображения, в котором в качестве первого и второго измерения используются пространственные данные, а в качестве третьего (высота) используется значение атрибутивной характеристики. Построенная модель совмещается с географическим изображением, что позволяет осуществлять районирование по уровню загрязнения. На основании разработанной технологии предлагается программный продукт, разработанный в среде Unity3D, который позволяет строить геометрические модели в виде компьютерного трехмерного изображения, совмещенного с картографическим изображением местности. Предложенная методика может применяться не только для оценки уровня экологической ситуации, но и для любой оценки любых критериев безопасности, включающих соотнесение пространственных характеристик с атрибутивными.
Ключевые слова: анализ данных, научная визуализация, безопасность, экология, Unity3D, районирование, графическая интерпретация.
1. Введение
На современном этапе развития природопользования и развития народного хозяйства большое значение приобретает своевременный анализ существующего положения и прогнозирование развития отдельных объектов народного хозяйства и их совокупностей. Одним из аспектов подобного прогнозирования и оценки являются вопросы экологического состояния и охраны окружающей среды.
Экологическое состояние и антропогенное воздействие на окружающую среду всегда локализовано в пространстве, имеет географическую привязку. По этой причине для оценки и изучения загрязнения окружающей среды целесообразно использовать геоинформационные системы (ГИС).
Базовая функциональность таких систем позволяет совместить обработку пространственных и атрибутивных данных с использованием картографических и аналитических методов[1]. Использование визуальных методов отображения результатов моделирования на электронных картах упрощает выполнение таких задач, как зонирование территории, расчет площадей и периметров площадных объектов, а использование геопространственных данных совместно с аналитическими методами позволит решать такие задачи как нормирование антропогенного воздействия, прокладка оптимальных маршрутов и т.п.
Современное программное обеспечение в сфере экологии не в полной мере реализует описанный функционал. Имеются и другие проблемы, такие как:
· большие время- и трудозатраты на создание и актуализацию базы источников воздействия;
· низкая скорость расчета;
· низкая функциональность графического модуля;
· отсутствие интерактивности;
· ограниченные возможности по представлению результатов расчетов.
2. Существующие способы визуализации экологических параметров
Одной из задач, решаемых в рамках применения геоинформационных систем в экологии, является построение прогнозных областей с превышением какого-либо показателя антропогенного воздействия. Как правило, такие задачи решаются методами разбивки исследуемой территории на отдельные элементы (ячейки) с дальнейшим расчетом показателей в каждой ячейке. Визуализация полученных результатов зачастую проводится с помощью цветовых областей и изолиний (рисунок 1). Существующее сертифицированное программное обеспечение предоставляет возможность визуализации результатов в виде двухмерного компьютерного изображения. Примером решений, предоставляющих такой функционал являются унифицированная программа расчета загрязнения атмосферы (УПРЗА) «Эколог» и УПРЗА «ЭКО центр» [2]. Это программное обеспечение позволяет рассчитать и визуализировать приземные концентрации загрязняющих веществ в атмосфере в соответствии с «Методикой расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах промышленных предприятий (ОНД-86)». Указанные программные продукты предлагают возможность расчёта значения концентрации по высоте, однако не предоставляют инструмент графической визуализации в виде трехмерного компьютерного изображения. Помимо этого, вопросами визуализации загрязнений атмосферы в виде двухмерного картографического изображения занимались в рамках геоинформационного картирования загрязнения атмосферного воздуха в Республике Дагестан [3], а вопросы мониторинга и обработки данных загрязнения с помощью OLAP-технологий на базе проекта расчетной оценки риска здоровью населения от загрязнений выбросами предприятий и транспорта отражены в работе [4], однако исследователи мало касались вопроса трехмерной визуализации атмосферных загрязнений.
Рис. 1. Визуализация результатов расчета приземных массовых концентраций загрязняющих веществ с помощью изолиний в УПРЗА «Эколог»
В случае однофакторного анализа можно визуализировать экологический показатель не только с помощью изолиний, но и посредством 2,5-мерной поверхности [5]. В этом случае достаточно просто оценить область, в которой экологический фактор превышает предельно допустимый уровень воздействия.
Для примера рассмотрим метод визуализации и районирования по фактору загрязнения атмосферного воздуха одним вредным агентом.
Визуализация данных в экологии не затрагивает z-координату. Причина этого кроется в том, что практически все методики расчета распределения загрязнения окружающей среды разработаны для определения уровня загрязнения на высоте 1,5-2 м [6]. Так как именно эта высота является высотой активной жизнедеятельности людей. Таким образом, можно использовать z-координату для отображения любого параметра по усмотрению исследователя, проводящего расчет.
В этом случае после расчета значений какого-либо загрязняющего агента в каждой ячейке, используя значения в качестве z-координат, мы получим трехмерное изображение, показывающее содержание данного загрязняющего агента на расчетной площадке. Для оценки и нормирования содержания загрязнителя на расчетной площадке необходимо выделить области, в которых его содержание превышает предельно допустимые значения [7]. Это действие реализуется сечением полученного трехмерного изображения нормировочной плоскостью
z = ПДК, (1)
где ПДК – предельно допустимое значение вредного агента (загрязнителя).
В этом случае области, лежащие выше этой плоскости, попадают в зону превышения воздействия (рисунок 2а).
Проецируя линии пересечения трехмерного изображения загрязнения и плоскости ПДК на двумерное изображение карты расчетной площадки, мы автоматически получаем изображение областей с превышением предельно допустимых значений загрязнителя (рисунок 2б).
|
а) |
|
б) |
|
Рис. 2. Трехмерное изображение при визуализации расчета приземных массовых концентраций и его сечение нормировочной плоскостью
а) трехмерное изображение области загрязнения с нормировочной плоскостью;
б) проекция сечения на двумерное изображение расчетной площадки
3. Моделирование загрязнения окружающей среды с использованием Unity3D
Построение геометрической модели загрязнений может осуществляться несколькими способами. Выбор способа обуславливается математическим представлением абстрактной модели, которую можно описать в дискретной или непрерывной геометрической форме. Стоит отметить, что выбор способа геометрического моделирования не зависит от вида исходных данных. В случае с решаемой задачей, исходными данными являются некоторые конечные элементы – «дискреты», представляющие собой аттрибутивно-пространственные вектора, которые можно описать следующей математической моделью:
<X, Z, A>,
где X – пространственный атрибут, описывающая географическую широту;
Z - пространственный атрибут, описывающая географическую долготу
А – смысловой атрибут, описывающий значение характеристики в координате (X, Z).
После сбора необходимых данных, массив векторов размещается в CSV-файле. Выбор CSV файла обусловлен несколькими причинами:
· формат прост в структурировании и не требует разработки специальной объектной модели; портативность – возможность подготовить файлы независимо от системы, для которой предназначены файлы CSV;
· кроссплатформенность – создание CSV файлов не предъявляет требований о специфической операционной системе
· программно-аппаратная независимость – не требует специализированного серверного программного и аппаратного обеспечения для работы.
Для реализации методов геометрического моделирования был проведен анализ существующих средств визуализации: графических трехмерных редакторов, игровых движков и низкоуровневых языков построения трехмерных моделей. На основании результатов проведенного анализа сделаны выводы о целесообразности использования среды построения трехмерных динамических моделей Unity3D c встроенным языком программирования на базе C# [8].
Данные считываются из файла с помощью стандартных методов класса File из пространства имен System.IO. Полученный массив данных разбивается на строки по спецсимволу “\n”, а строки уже разбиваются на элементы по спецсимволу “;”. Полученные элементы структурируются в generic-контейнеры List<T>. Смысловые атрибуты хранятся отдельно от пространственных – это предоставляет возможность использовать один объем памяти, отведенный под координаты, и комбинировать его с атрибутивными характеристиками. Однако, прежде чем разделять данные на пространственные и атрибутные характеристики, массив данных последовательно сортируется по двум критериям – X и Z.
После того как готовы контейнеры с атрибутивными и пространственными данными осуществляется построение трехмерной модели. Как уже говорилось ранее, моделирование может происходить двумя способами.
В случае дискретного геометрического моделирования заготавливается «префаб» -заранее заготовленный программный шаблон объекта для визуализации дискреты: настраиваются габариты и геометрия. Высота расположения этой дискреты в пространстве описывает значение атрибутивной характеристики.
В случае построения непрерывной геометрической модели необходимо рассчитать полигоны – элементарные многоугольники, из которых будет состоять непрерывная поверхность, описывающая распределение атрибута по поверхности. Трехмерная модель состоит из двух частей – вершин и треугольников, которые, в свою очередь, складываются в сеточную структуру, состоящую из узлов и ребер – «меш», для визуализации полигональных моделей. Необходимо корректно поместить массив точек в треугольники – они должны быть перечислены по часовой стрелке относительно вектора, определяющего направление «вверх» ортогонально плоскости треугольника. Эта процедура осуществляется для каждого полигона. Вершины соединяются между собой посредством линейной интерполяции (рисунок 3). После того как вычислены все многоугольники они помещаются в родительский контейнер для объектов, который, фактически, представляет собой поверхность для визуализации распределения характеристики. Указывается шейдер и задается код цвета в пространстве RGB.
Рис. 3. Линейная интерполяция дискрет
Выше описанные методы и технологии геометрического моделирования выбросов загрязняющих веществ легли в основу разработки специализированного программного обеспечения, которое включает в себя следующие функциональные возможности:
· построение трехмерной модели в виде структур данных в результате обработки исходных сведений о модели из упорядоченного текстового файла или базы данных SQL;
· визуализация трехмерной модели в виде трехмерного компьютерного изображения посредством одного из возможных способов: дискретный, непрерывный или смешанный;
· совмещение трехмерного изображения модели с картографическим изображением для получения зон загрязнений.
Приложение использует базу данных для промежуточного хранения сведений о модели. Это позволяет создавать несколько различных вариантов моделей и сравнивать их между собой, что предоставляет широкие возможности для проведения различных аналитических исследований [9]. Программа снабжена специальным пользовательским интерфейсом, позволяющим свободно управлять точкой обзора, что упрощает навигацию по трехмерному пространству модели.
4. Визуализация загрязнения окружающей среды с использованием Unity3D
После того как построена трехмерная геометрическая модель начинается процесс визуализации. Поскольку описано два варианта построения модели, способов визуализации тоже два. Однако в обоих случаях добавляется подложка – растровое изображение карты в высоком разрешении.
Для визуализации дискретной модели на сцене создаются префабы. Широта и долгота соответствует пространственной характеристике, а высота расположения объекта соответствует нормализованному значению атрибута. У каждого префеба дополнительно настраивается канал прозрачности – это необходимо для того, чтобы возможно было видеть карту. Результат визуализации уровня загрязнения на географической карте представлен на рисунке 4.
Рис. 4. Дискретная модель визуализации
Для визуализации непрерывной модели строится комбинированный меш из полигонов, принадлежащих одному параметру-загрязнителю. Каждый меш окрашивается в свой цвет для идентификации типа загрязнителя. В этом случае, прозрачность настраивается для географической карты. Результат визуализации непрерывной модели представлен на рисунке 5. Еще одним важным условием интерполяции является использование камеры с ортогональной системой координат, в то время как в случае с дискретной моделью можно использовать перспективное искажение. Ортогональная камера поможет избавиться от визуальных «артефактов», которые происходят из-за расположения двух поверхностей в пренебрежительно малом расстоянии друг от друга.
Рис. 5. Результат визуализации с использованием непрерывной модели
Эта модель визуализации позволяет выявлять зоны повышенного загрязнения. Перемещая карту вверх-вниз формируется зона, показывающая загрязнение, превышающие уровень, заданный высотной характеристикой (Y-координатой). Таким образом, при перемещении карты формируется картографическая анимация, уточняющая расположение наиболее опасных зон загрязнения (рисунок 6).
Любопытно, что, совместив дискретную и непрерывную визуализацию моделей, можно увидеть ошибки квантования (рисунок 7). Их можно учитывать при составлении научно-аналитического отчета о загрязнении текущей области.
Рис. 6. Выявление загрязненных на определенном уровне областей при изменении Y-координаты
Рис. 7. Результат наложения дискретной и непрерывной моделей
4. Заключение
На основе предложенного способа разработано программное обеспечение, позволяющее рассчитывать значение концентрации вредного вещества в воздухе по методике ОДН-86. Разработанное программное обеспечение предоставляет пользователю возможность визуализировать результаты расчетов и в виде трехмерного компьютерного изображения. Реализация способа предоставляет широкие возможности для анализа зоны загрязнения с помощью методов картографирования: оценка площади, позиционирования и приблизительный объемов загрязнения.
Предлагаемый способ визуализации экологических показателей позволяет повысить наглядность представления величины загрязнения территории, а также упростит районирование и нормирование экологического воздействия.
В перспективе планируется развить разработанную программу до геоинформационной-системы, позволяющей визуализировать результаты анализа в виде трехмерного компьютерного изображения с использованием картографии не только для задач вычисления загрязнения атмосферы, но и для других задач, требующих наглядной визуализации результата исследования.
Список литературы
1. Степанов Ю.А. Геоинформационные системы и промышленная безопасность угольных предприятий. Вестник НЦ ВОСТНИИ по безопасности работ в горной промышленности. 2015. № 4. c. 50-54
2. УПРЗА «ЭКО центр» [Электронный ресурс]. URL: http://eco-c.ru/products/emission. (Дата обращения: 23.08.2016).
3. Гаджибеков М.И., Раджабова Р.Т., Гусейнова Н.О., Курамагомедов Б.М., Абдулаев К.А. Геоинформационное картирование загрязнения атмосферного воздуха в Республике Дагестан. Известия ДГПУ. Естественные и точные науки. 2015. №2 (31) С.101-104.
4. Фаминская М. В., Балтер Б. М., Балтер Д. Б., Стальная М. В. OLAP-система для моделирования риска здоровью населения от загрязнения воздуха. Программные продукты и системы. 2014. №4 (108) С.234-241.
5. Марченко В.А. Визуализация и нормирование экологического состояния территории. Перспективы развития информационных технологий: материалы всероссийской молодежной научно-практической конференции.2014. С. 376-377.
6. ОНД-86. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Гидрометеоиздат, 1987, 92 с.
7. Берлянд М.Е. Прогноз и загрязнение атмосферы. Гидрометеоиздат, 1985. 272 с.
8. Бурмин, Л.Н. Обзор существующих средств визуализации результатов исследования. Информатика: проблемы, методология, технологии: материалы XIV Международной научно-практической конференции. Издательский дом ВГУ, 2014. С. 96-99.
9. Степанов Ю.А., Бурмин Л.Н. Специализированная ГИС для моделирования процессов горного предприятия. Геоинформатика.2015. c. 3-6
COMPUTER VISUALIZATION AND ZONING PARAMETERS OF TECHNOGENIC IMPACT ON THE ENVIRONMENT
L.N. Burmin, Yu.A. Stepanov, V.A. Marchenco
Novokuznetsk institute (branch) of federal budgetary state educational institution of the higher vocational training "Kemerovo State University"
dambo290@yandex.ru, lnburmin@mail.ru, vamarchenco@rambler.ru
The paper describes methods for visualizing the concentration of harmful substances in the atmosphere. As a method for visualization of environmental parameters is a concentration contour method. Described the two developed techniques for constructing geometric models of pollution. Continuous methods are based on the combination of values of neighboring parameters using polygons. Discrete technique is based on the designation of each environmental parameter values in a polygon. The technology of constructing anamorfozis dimensional image, wherein the first and second spatial data measurements are used, and as the third (height) characteristics of the value attribute. The developed model combined with the geographical image that allows the zoning on the level of contamination. On the basis of the technology offered software product developed in Unity3D environment that allows you to build the geometric model in the form of computer three-dimensional images combined with maps depicting areas. The proposed method can be used not only to assess the level of environmental situation, but also for any assessment of all safety criteria including spatial correlation characteristics with attributive.
Keywords: data analysis, scientific visualization, safety, environment, Unity3D, zoning, graphic interpretation.
References
1. Stepanov Ju.A. Geoinformacionnye sistemy i promyshlennaja bezopasnost' ugol'nyh predprijatij [Geoinformation systems and industrial safety of coal enterprises]. Bulletin of SC VostNII on security work in the mining industry. 2015. No. 4. pp. 50-54
2. UPRZA «JeKO centr». URL: http://eco-c.ru/products/emission. (Accessed: 23.08.2016).
3. Gadzhibekov M.I., Radzhabova R.T., Gusejnova N.O., Kuramagomedov B.M., Abdulaev K.A. Geoinformacionnoe kartirovanie zagrjaznenija atmosfernogo vozduha v Respublike Dagestan [Geoinformation mapping of atmospheric air pollution in the Republic of Dagestan]. News of the State Pedagogical University. Natural and exact sciences. 2015. No. 2 (31) pp.101-104.
4. Faminskaja M.V., Balter B.M., Balter D.B., Stal'naja M.V. OLAP-sistema dlja modelirovanija riska zdorov'ju naselenija ot zagrjaznenija vozduha [OLAP-system for modeling the risk to public health from air pollution]. Software products and systems. 2014. No.4 (108) pp.234-241.
5. Marchenko V.A. Vizualizacija i normirovanie jekologicheskogo sostojanija territorii [Visualization and rationing of the ecological state of the territory]. Prospects for the development of information technologies: materials of the All-Russian Youth Scientific and Practical Conference. 2014. pp. 376-377.
6. OND-86. Metodika rascheta koncentracij v atmosfernom vozduhe vrednyh veshhestv, soderzhashhihsja v vybrosah predprijatij [Method for calculating the concentrations in the air of harmful substances contained in the emissions of enterprises]. Gidrometeoizdat, 1987, 92 pp.
7. Berljand M.E. Prognoz i zagrjaznenie atmosfery [Forecast and pollution of the atmosphere]. Gidrometeoizdat, 1985. 272 pp.
8. Burmin, L.N. Obzor sushhestvujushhih sredstv vizualizacii rezul'tatov issledovanija [Review of existing means of visualization of research results]. Informatics: problems, methodology, technologies: materials of the XIV International Scientific and Practical Conference. Publishing house VSU, 2014. pp. 96-99.
9. Stepanov Ju.A., Burmin L.N. Specializirovannaja GIS dlja modelirovanija processov gornogo predprijatija [Specialized GIS for modeling the processes of a mining enterprise]. Geoinformatika. 2015. pp. 3-6