Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Математическое и программное обеспечение ГИС шумовых полей на территории города

ВАК РФ 25.00.35, Геоинформатика

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Артюхов, Александр Васильевич

Введение

СОДЕРЖАНИЕ

ГЛАВА 1. Проблемы создания гис по шумовому загрязнению современного города.

1.1. Анализ проблемы шума современного города и требований к ГИС экологического мониторинга шумовых полей.

1.2. Характеристики источников шума в городах и их зависимость от различных параметров.

1.3. Подходы к оценке шума городской среды.

1.4. Особенности построения карты шумовых полей города в составе ГИС «Шум города».

ГЛАВА 2. Разработка математических моделей расчета санитарно-гигиенических показателей шума города.

2.1. Особенности моделирования распространения шума на основе формулы

Кирхгофа потенциала звукового поля.

2.2 Приближенные методы расчета звуковых полей.

2.3. Разработка математических моделей расчета уровней шумовых полей в условиях современного города.

ГЛАВА 3. Разработка математического и программного обеспечения экспериментального пакета ГИС «Шум города».

3.1. Алгоритмы численных методов расчета уровней звука, создаваемых источниками шума в свободном звуковом поле.

3.2. Проверка адекватности расчетных схем модели распространения звука

3.3. Разработка структуры баз данных ГИС «Шум города».

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Математическое и программное обеспечение ГИС шумовых полей на территории города"

Актуальность. На территории современного города в результате хозяйственной деятельности, движения городского транспорта, работы промышленных предприятий и других объектов, связанных с шумовым загрязнением города, образуются шумовые поля, изучение которых необходимо в связи с требованиями безопасности проживания человека и животных. Возникает целый комплекс экологических и социально-экономических проблем, а в связи с этим - необходимость всестороннего и точного учета изменений шумовой обстановки на территории города, использования этих данных в целях рационального природопользования, информирования населения, создания информационной основы государственного и муниципального управления.

Существенный вклад по систематизации и управлению шумовыми полями города внесли такие ученые, как Осипов Г.Л., Самойлюк Е.П., Карагодина И.Л. и др. Разработаны и внедрены экологические требования, методы измерений и совокупности приборов измерения шумового загрязнения городской среды. Выявлены и систематизированы источники шума и исследованы их характеристики. Перспективными для ведения мониторинга шумовых полей являются геоинформационные системы. Однако геоинформационные системы (ГИС) расчета и отображения данных шумовых полей в условиях городов России в настоящее время не созданы.

Основной проблемой создания ГИС шумовых полей города является отсутствие адекватных для использования математических моделей и соответствующей методики расчета шумовых полей в различных условиях формирования и распространения. Адекватным математическим аппаратом для оценки шумового загрязнения территории города могут выступить методы прямого расчета шумовых полей в приближении Кирхгофа, описанные в работах таких ученых, как Шендеров Е.Л., Ржевкин С.Н., Каневский И.Н. и др.

Разработка математического и программного обеспечения для отображения процессов распространения шумовых полей города составит основу создания специализироваунных ГИС «Шум города» для построения тематических карт распространения шума и управления уровнем шумовой нагрузки на население.

Объект исследования. Вопросы автоматизации мониторинга шума современного города.

Предмет исследования. Математическое и программное обеспечение расчетов шумовых полей от источников городских шумов и условий их распространения.

Цель исследования - разработка математического и программного обеспечения автоматизированной геоинформационной системы мониторинга шума города и ее реализация в условиях г. Барнаула.

Основные задачи исследования:

• разработка концептуальной модели ГИС «Шум города» и выявление основных источников шумовых полей, условий их распространения, экологического нормирования и обоснования требований к математическому и программному обеспечению ГИС;

• обоснование системы справочников и классификаторов, содержащих информацию об источниках шума городской среды, уровнях шумового загрязнения, параметры распространения шума, нормы шумового ограничения в зависимости от рассматриваемого района города и специфики рассматриваемых объектов;

• создание методики расчета уровней шума, основанной на комплексе математических моделей распространения звуковых волн от источников, расположенных на территории города;

• разработка баз данных, используемых для расчета уровней шума на территории города, а также для экспертизы соответствующих градостроительных и иных решений по устранению превышения норм ограничения шума;

• создание макетной ГИС «Шум города», реализованной на экспериментальном участке территории г. Барнаула.

Методы исследования. Методологической основой исследований являются методы математического моделирования волновых процессов, системного анализа, методы индустриального проектирования геоинформационных систем.

Достоверность и обоснованность результатов диссертации подтверждаются в теоретической части соответствием выводов с теорией распространения звука; в прикладной части - использованием современных ГИС-технологий и экспериментальной проверкой полученных результатов расчета уровней шума с результатами измерений уровней шума на тестовом полигоне г. Барнаула.

Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:

• впервые разработана концептуальная модель ГИС «Шум города», в которой предложено использовать расчетные модели формирования и распространения шумовых полей и геоинформационные технологии для их обработки и отображения;

• разработана методика расчета звуковых полей города от локализованных и протяженных источников шума, базирующаяся на приближенном методе Кирхгофа с учетом ослабления, создаваемого объектами территории города;

• разработан экспериментальный вариант геоинформационной системы для реальных данных формирования и распространения шумовых полей на тестовой территории г. Барнаула.

Теоретическая и практическая значимость

Использование ГИС «Шум города» для проведения научных исследований, направленных на выявление связей между показателями объектов шумового загрязнения города и обоснования различных видов градостроительных решений, способствующих достижению комфортных условий проживания и рабочей деятельности человека.

Разработанная ГИС-технология, методы и алгоритмы позволяют реализовать систему мониторинга шума городской среды как в виде самостоятельной геоинформационной системы, так и в составе ГИС экологического мониторинга окружающей среды современного города.

На защиту выносятся:

1. Требования и структурная схема ГИС шумовых полей в условиях городов России.

2. Методика расчета уровней звука, основанная на комплексе математических моделей распространения звука от локализованных и протяженных источников для использования в составе ГИС «Шум города», апробированная на тестовой территории г. Барнаула.

3. Экспериментальный вариант расчетного комплекса распространения звука на территории современного города как основы разработки геоинформационной системы мониторинга шума.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на: краевой конференции по математике (Барнаул 1998-2003); научно-практической конференции, посвященной 290-летию города (Бийск, 1990), международной конференции «Проблемы устойчивого развития общества и эволюция жизненных сил населения Сибири на рубеже XX-XXI веков» (Барнаул, 1997), всероссийской научной конференции «Стратегия природопользования и сохранения биоразнообразия в XXI веке» (Оренбург, 1999), всероссийской конференции «Физические проблемы экологии (экологическая физика)» (Москва, МГУ, 2001), международной научно-практической конференции «Экологические проблемы окружающей среды и пути их решения» (IX Каришинские чтения, Украина, Полтава, 2002), всероссийской конференции «Математические методы в механике природных сред и экологии» (Барнаул, 2001).

Публикации. По теме диссертационной работы автором опубликовано 21 печатная работа.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 106 наименований. Основная часть работы изложена на 101 странице машинописного текста и содержит 18 рисунков, 36 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Геоинформатика", Артюхов, Александр Васильевич

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Разработана концептуальная модель ГИС «Шум города» в которой предложено использовать расчетные модели формирования и распространения шумовых полей и систематизированы геоинформационные технологии для их обработки и отображения.

2. Разработана система классификаторов для отображения геоинформационных процессов возникновения и распространения шумовых полей. Проведен анализ экологических нормативов и функций государственного контроля шумового загрязнения. Разработана общая структура ГИС «Шум города», выделены математические задачи, необходимые для ее создания.

3. Разработан подход к математическому моделированию процессов возникновения и распространения шумовых полей на территории города, в котором на первом этапе рассчитывается распространение звука в свободном пространстве, основанном на приближенном методе Кирхгофа. На втором этапе учитывается ослабление и отражение звука от объектов городской застройки.

4. Разработана методика расчета среднесуточных уровней шума от локализованных и протяженных источников, которая апробирована в реальных условиях на тестовом полигоне г. Барнаула.

5. Разработана экспертная система, позволяющая пользователю формировать параметры среды распространения шумовых полей на территории города в диалоговом режиме.

6. Проведена программная реализация экспериментального варианта ГИС «Шум города» в среде Map Info и выполнен расчет шумовых полей и их визуализация на реальных данных в условиях г. Барнаула.

Результаты диссертационной работы используются в Центре государственного санитарно-эпидемиологического надзора по Алтайскому краю и в учебном процессе математического факультета АГУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе по результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны математические модели расчета уровней шума на территории современного города и программное обеспечение ГИС «Шум города». Данная разработка позволяет решить ряд важных научных задач в области построения информационных систем, а также моделей структуризации информационных задач в области анализа шумовых полей городской среды.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Артюхов, Александр Васильевич, Барнаул

1. Agent К.В., Legeer C.V. Effect of Interrupted Flow on Traffic Noise. N. C. Eng., 18, №2, 1982, p. 69-73.

2. Ben-Nairn E., Krapivsky P.L., Redner S. Kinetics of clustering in traffic-flow. Phys. Rev. Ser.E., 1994. V.50. P. 822-829.

3. Beranec L/L/ Noise Reduction/ New York: McGraw-Hill, 1960.

4. Burgess M.A. Noise Prediction for Urban Traffic Conditions — Related to Measurements in the Sydney Metropoliten Area. Appl. Acoustics, 1977, 10, №1, p. 1-7.

5. Cuesta J.A., Martinez F.C., Molera J.M., Sanchez A. Phase transitions in two dimensional traffic-flow models. Phys. Rev. Ser.E., 1993. V.48. P. 4175-4178.

6. Dougherty M. A review of natural networks applied to transport/ Transp. Res. C. 1995. Vol.3 № 4, p. 247-260.

7. Eriksson P., Linndblad S. On Estimation of Environmental Industrial of Noise-Lund Institute of technology. Department of Building Acoustics, 1981, p. 29.

8. Fidel S., Horonjeft R., Green D.M. Statistical analysis, of urban noise. N. C. Eng., 16, №2, 1981. P. 75-80.

9. Gregory W., Germak A., Comilok P.C. Multidimensional analysis of judments about traffic noise. J. Acoustic Soc., Am., 59 №9, 1976, p. 1412-1420.

10. Hothersall D.C., Simpson S. The reflection of road traffic noise. J. Sound and Vib. 90, №3, 1983, p. 399-405.

11. Jeda S., Ma H., Kuno K. Prediction of the noise propagation in a city area composed of randomly distribution buildings. J. Acoust. Soc. Jap., 39, №4, 1983, p. 239-246.

12. Kawai T. Sound Diffraction by a Many — Sided Barrier. J. Sound and Vib. 79. №2, 1981, p. 229-242.

13. Kawai Y. Sound attenuation by finite barriers. Proc. 11 th ICA, Paris, 1983, vol. 1, p. 129-132.

14. M.Kerner B.S., Kohnhauser P. Claster effect in initially homogeneous traffic flow. Phys. Rev. Ser.E., 1993. V.48. 2335-2338.

15. Mehra S. R., Gertis K. Mittelungspegel bei der Ausbreitung von Strasenverkehrs-larm in Wohngebieten unter versihiedenen meteorologishen Bedingungen. -Zeitsehrift fur Larmbecampflung, 30, 1983, 127-134.

16. Nagatani T. Banching of cars in assymetric exlusion models for freeway traffic. Phys. Rev. Ser.E. 1995.V.51. P.922-928.

17. Piercy J.E. Emleton T.F.W., Sutherland L.C. Review of noise propagation in the atmosphere. J. Acoust., Soc. Am., 61, №6,1977, 1403-1418.

18. Scholes W., Sargent J. Designing against noise from wad traffic. Applied Acoustics, vol. 4, 1971, №1

19. Tadaki S., Kikushi M. Jam phases in a two-dimensional traffic flow model. Phys. Rev. Ser.E., 1994. V.50. P. 4564-4577.

20. Terai T. On calculation of sound fields around Three dimensional objects by integral equation methods. J. Sound and Vib., 70, № 1, 1980, p.140-141.

21. Авиационная акустика. M.: Машиностроение,. 1973. 348с.

22. Апельцин В. Ф., Кюркчан А. Г. Аналитические свойства волновых полей. МГУ, 1990.

23. Артюхов А.В. Анализ адекватности модели распространения звука от источников городского шума. // Математические методы в механике природных сред и экологии: Материалы всероссийской конференции Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2002. - С. 8-9.

24. Артюхов А.В. Анализ адекватности модели распространения звука от источников шума, расположенных на территории города // Известия АГУ. Специальный выпуск, 2002 С. 87-91.

25. Артюхов А.В. Задачи и методы создания географической информационной системы мониторинга шума на территории крупного города. // Физические проблемы экологии (экологическая физика): Материалы всероссийской конференции М.: Изд-во МГУ, 2001. - С. 186-187.

26. Артюхов А.В. Методика оценки шумовых полей транспортных потоков при проектировании географической информационной системы «Шум города» // Известия АГУ, № 1(23) 2002. С. 79-81.

27. Артюхов А.В. Оскорбин Н.М. Методы управления шумовыми полями города // Образование и наука на пороге третьего тысячелетия: Сборник материалов к первой научно-теоретической конференции. Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 1999.-С. 140-141.

28. Баранов В.Ф., Гулин Э.П. Некоторые результаты численных расчетов корреляционных моментов акустического поля, рассеянного взволнованной поверхностью // Акустический журнал, 2000 т. 46, №3, С. 312-319.

29. Бахвалов Н.С., Жилейкин Я.М., Заболотская Е.А. Нелинейная теория звуковых пучков. М.: Наука 1982, 174с.

30. Битюков В.И. Исследование шумовых характеристик автотранспортных потоков в примагистральной застройке городов. : Дис. к.т.н, Полтава, 1981.

31. Блохинцев Д. И. Акустика неоднородной движущейся среды. М.: Наука, 1981.208 с.

32. Бондарев А.Е. Численное моделирование дифракционных эффектов при распространении звуковых волн. 1995.

33. Борьба с шумом на производстве: Справочник. М.: Машиностроение, 1985. 400 с.

34. Бурлаков В. Ю., Жуков А. Н., Иванников А. Н., Тонаканов О. С. Исследование угловой зависимости коэффициента отражения, основанное на измерении энергетических характеристик звукового поля // Вестник Московского университета. 1985. Т. 26, №6 С. 72-75.

35. Вибрация шум и здоровье человека. Сборник научных трудов под редакцией Орлова, 1988.

36. ГОСТ 12.1.003 83. Шум. Общие требования безопасности.

37. ГОСТ 12.1.023 80 Шум. Методы установления значений шумовых характеристик стационарных машин.

38. ГОСТ 12.1.036 81. Шум. Допустимые уровни в жилых и общественных зданиях.

39. ГОСТ 12.1.050 86. Методы измерения шума на рабочих местах.

40. Действие шума и вибрации на организм: Труды III Всесоюзной конференции по борьбе с шумом и вибрацией. Челябинск, 1980. 132 с.

41. Джеферс Д. Введение в системный анализ: применение в экологии. -М.: Мир, 1981.

42. Дрю Д. Теория транспортных потоков и управление ими. М.: Транспорт, 1972.

43. Захаров JI.H. Векторно-фазовые методы в автомобильной акустике. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1987. С. 116-125.

44. Захаров Л.Н., Ржевкин С.Н. Векторно-фазовые измерения в акустических полях // Акустический журнал. 1974. Т. 20, №3. С. 393-401.

45. Звук в жидкостях и газах: Методические указания для самостоятельной работы студентов. Харьков, ХГУ, 1990.

46. Ильичев В.И. Векторно-фазовые методы в акустике. М.: Наука, 1991. 414 с.

47. Иофе В.К., Корольков В.Г., Сапожков М.А. Справочник по акустике. М.: Связь, 1979.312 с.

48. Кавтарадзе Д.Н., Николаева Л.Ф. и др. Автомобильные дороги в экосистемах (Проблемы взаимодействия). М.: Че Ро, 1999.

49. Кайно Г. Акустические волны: Устройства, визуализация и аналоговая обработка сигналов: Пер. с англ. М.: Мир, 1990.

50. Каневский И.Н. Фокусировка звуковых и ультразвуковых волн. М.: Наука, 1977. 336 с.

51. Карагодина И.Л., Осипов Г.Л., Шишкин И.А. Борьба с шумами в городах. -М.: Медицина, 1972, 159 с.

52. Кашевская Е.В. Влияние дорожных условий на генерацию и распространение транспортного шума: Автореферат дис. К.т.н., Минск, 1993.

53. Клинковштейн Г.И., Афанасьев М.Б. Организация дорожного движения. -М.: Транспорт, 1983.

54. Клюкин И. И., Колесников А. Е. Акустические измерения в судостроении. Л.: Судостроение, 1982. 256 с.

55. Клюкин И.И., Боголепов И.И. Справочник по судовой акустике. Л.: Судостроение, 1978. 504 с.

56. Колесников А. Е. Акустические измерения. Л.: Судостроение, 1983. 256 с.

57. Колесников А.Е. Шум и вибрация. Л.: Судостроение, 1988. 248 с.

58. Константинов Б.П. Гидродинамическое звукообразование и распространение звука в ограниченной среде. Л.: Наука, 1974, 144с.

59. Константинов Б.П. О поглощении звуковых волн при отражении от твердой границы. // ЖТФ, 1939, т. 9, №3, 226-238.

60. Королев П.П. Оценка акустического режима, формируемого транспортным потоком в городской застройке: Дис. к.т.н., М., 1982.

61. Красильников В.А., Крылов В.В. Введение в физическую акустику. М.: Наука, 1984.400 с.

62. Крузе А.О. Исследование акустических характеристик автомобилей в городских условиях движения: Дис. к.т.н., М., 1981.

63. Ландау Л.Д., Лифшиц Е. М. Гидродинамика. М.: Наука, 1986 736 с.

64. Луканин В.Н., Буслаев А.П., Трофименко Ю.В., Яшина М.В. Моделирование транспортных потоков для оценки загрязнения окружающей среды. Инженерная экология. 1995. № 6.

65. Луканин В.Н., Трофименко Ю.В. Промышленно-транспортная экология. -М.: Высш. шк., 2001.

66. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. -М.: Наука, 1982., 319 с.

67. Мастрюков А.Ф. Определение плотности среды, скорости и коэффициента поглощения акустической волны // Математическое моделирование, 1999, том 11, №10, С. 62-76.

68. Неймарк А.В. Исследование транспортного потока на городских магистралях. : Дис. к.т.н., М., 1981.

69. Никонов А.В., Папернов Л.З. Измерители уровня звуковых сигналов. М.: Радио и связь. 1981. 112 с.

70. Ольховский И.И. Курс теоретической механики для физиков. М.: Изд-во Моск. Ун-та. 1974. 550 с.

71. Осипов Г.Л., Коробков В.Е., Краг Й. Распространение автотранспортного шума в малоэтажной застройке примагистральных территорий: Исследования по строительной акустике: Тр. Ин-та НИИСФ Госстроя СССР. М., 1981.

72. Осипов Г.Л., Шишкин И.А. Градостроительные меры борьбы с шумом. М.: Стройиздат, 1975.

73. Подольский В.П. Дорожная экология. -М.: Союз, 1997.

74. Подольский В.П., Артюхов В.Г., Турбин B.C., Канищев А.Н., Автотранспортное загрязнение природных территорий. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1999.

75. Поляков Ю.А. Автоматизированная система регионального мониторинга земель: Монография / Науч. ред. Н.М. Оскорбин. Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2003.-221 с.

76. Поляков Ю.А. Исследование и разработка автоматизированной системы регионального мониторинга земель: Автореф. дис. на соискание учен, степени доктора техн. наук.- Барнаул: Алт.гос. ун-т, 1998. 42 с.

77. Поспелов П.И. Исследование транспортного шума и акустическая оценка методов борьбы с ним при проектировании автомобильных дорог: Автореф. дис. к.т.н. М., 1981., 23 с.

78. Постнов Т.А. Акустическое поле точечного источника в воде с воздушными пузырьками. Акустический журнал, т. 46, №4, 2000, С. 531-535.

79. Ржевкин С.Н. Курс лекций по теории звука. М.: Издательство Московского университета, 1960. 336 с.

80. Ржевкин С.Н. О колебаниях тел, погруженных в жидкость, под действием звуковой волны // Вестн. Моск. ун-та. Сер 3. Физика. Астрономия. 1971. Т. 12, №1. С. 52-61.

81. Руководство по разработке карт шума улично-дорожной сети городов. — М.: Стройиздат, 1980, 16 с.

82. Руководство по расчету и проектированию средств защиты застройки от транспортного шума. -М.: Стройиздат, 1982.

83. Самойлюк Е.П. Борьба с шумом в градостроительстве. Киев: Будивель-ник,1975. 125 с.

84. Самойлюк Е.П., Денисенко В.И., Пилипенко А.П. Борьба с шумом в населенных местах. Киев: Будивельник, 1981.

85. Сапожников М.А., Шоров В.И. Действие отраженного звукового поля на излучатель звука // Акустический журнал, 1981, т. 27, №6, 934-935.

86. Серов Г.П. Экологическая безопасность населения и территорий Российской Федерации (Правовые основы, экологическое страхование и экологический аудит). М.: Издательский центр «Аккил», 1998.

87. Сильянов В.В., Еремин В.М., Муравьева Л.И., Имитационное моделирование транспортных потоков в проектировании дорог. М.: МАДИ, 1981.

88. Скучик Е. Основы акустики. М.: Иностранная литература, 1976, 618 с.

89. СН 2.2.4/2.1.8.562-96. Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки.

90. Соболев А.Ф. Распространение звука в плоском канале при наличии слоистого потока // Акустический журнал, т. 47, №2, 2001, С.273-282.

91. Справочник по технической акустике // Под ред. М. Хекла; пер. с нем. Виноградова Б.Д.,Колоярцева Н.К. Л.: Судостроение, 1980.439 с.

92. Сулла М. Б. Охрана труда. М.: Просвещение, 1989.

93. Тикунов B.C. Моделирование в картографии: Учебник. —М.: Изд-во МГУ, 1997.-405 с.

94. Толин В.Н. Введение в теорию излучения и рассеяния звука. М.: Наука, 1976.

95. Тэйлор Р. Шум. Пер. с англ. Исаковича М.А. М.: Мир, 1978. 308 с.

96. Факторович А.А., Постников Г.И. Защита городов от транспортного шума. — Киев: Будивельник, 1982., 141 с.

97. Федоров В.А. Разработка средств борьбы с шумом и источники защиты от него, совершенствование их расчета. Автореферат дис. к.т.н., Днепропетровск, 1991.

98. Фокина М.С., Фокин В.Н. Отражение плоских волн от упругой слоистой среды: резонансный подход и численное моделирование // Акустический журнал, т. 46, №5,2000, С. 690-697.

99. Халугин Е. И., Жалковский Е. А., Жданов Н. Д. Цифровые карты. М.: Недра, 1992.

100. Хекл М., Мюллер Х.А. Справочник по технической акустике. — Л.: Судостроение, 1980. 440 с.

101. Шендеров Е. Л. Волновые задачи гидроакустики. — Л.: Судостроение, 1972.

102. Шендеров Е.Л. Дифракция звуковой волны на открытом конце волновода с импедансными стенками и импедансными фланцами // Акустический журнал, т. 46, №6,2000, С. 816-828.

103. Шендеров Е.Л. Рассеяние плоской звуковой волны на полубесконечном волноводе с жестким фланцем // Акустический журнал, т. 44, №1,1998, С. 106-115.

104. Шрайбер Л. Распространение звука в свободном пространстве: Справочник по технической акустике. — Л.: Судостроение, 1980.

105. Яшин В.Б. Мощность излучения сферического источника звука вблизи отражающей поверхности // Акустический журнал, т.44, №5,1998, С. 689-696.