CC BY
20УДК 912.43
М. В. Пасхина
Моделирование комплексной устойчивости зданий и сооружений в городской среде
средствами ГИС
В статье отражены вопросы возможности моделирования средствами геоинформационных систем, а также рассмотрен пример создания модели устойчивости зданий и сооружений в городской среде, приведены примеры аналитико-синтетической работы с моделями.
Ключевые слова: геоинформационные системы, картографическое моделирование, комплексность, система, анализ.
М. V. Paskhina
Modeling of Complex Stability of Buildings and Constructions in the City Environment
by Means of GIS
In the article questions of modeling possibility are reflected by means of geoinformation systems, and also the example of creating the model of stability of buildings and constructions in the city environment is considered, examples of analytical-synthetic work with models are resulted.
Keywords: geoinformation systems, cartographical modeling, an integrated approach, a system, an analysis.
Одним из направлений развития геоинформационных систем (ГИС) является создание моделей, одновременно с этим моделирование является и основной их функцией. Применения ГИС весьма разнообразны, поэтому и модели довольно различны по своей структуре, виду, выражению. В рамках нашего исследования была создана модель комплексной устойчивости зданий и сооружений в городской среде (это является особенно актуальным вопросом для тысячелетнего города в процессе его реконструкции и модернизации).
Существует множество разновидностей моделирования, но благодаря специфике ГИС и основному методу географии - картографированию - самым распространенным видом является картографическое моделирование.
Термин «картографическое моделирование» (cartographic modeling) обозначает процесс использования комбинаций команд для ответов на вопросы о пространственных феноменах. Более формально, картографическая модель - это набор взаимодействующих, упорядоченных операций с картами, которые используют как «сырые», так и обработанные данные для моделиро-
вания процесса принятия решений о пространственных объектах [1].
В работе Майкла Де Мерса приведена наиболее общая схема создания картографической модели, представленная на рисунке 1.
Этот алгоритм был взят за основу для создания комплексной модели устойчивости зданий и сооружений в городской среде. Большинство авторов по теории моделирования в рамках ГИС [1, 2] придерживаются мнения, что любая модель -это система, которая состоит из взаимосвязанных элементов. Поэтому процесс создания комплексной модели можно рассматривать как систему реализации простых алгоритмов.
В нашем случае модель устойчивости зданий и сооружений включает в себя две более простые схемы - выявление геоморфологических поверхностей на территории города и создание базы данных о поврежденности архитектурных построек.
В рамках исследования нами были изучены геолого-геоморфологические условия г. Ярославля и создана карта основных поверхностей на территории города. В самом общем виде модель создания рельефа представлена на рисунке 2.
© Пасхина М. В., 2011
процесс моде д от одной по,;
Рис. 1. Обобщенная схема создания картографиЧесВСмодели
сохр
Сохр моди<
Рис. 2. Схема создания модели геоморфологических поверхностей
Процесс моделирования цикличен, но движение происходит по спирали с наложением новых данных на уже имеющиеся данные обработки. В результате такого синтезирования получается новая информация, которая позволяет более четко увидеть процессы, явления, взаимосвязи. Структура процесса создания комплексной модели устойчивости представлена на рисунке 3.
Образец сводной базы данных для анализа представлен в таблице 1, а его визуальное отображение - на рисунке 5. Необходимо отметить, что процесс создания базы данных и ввод данных в ГИС занимают гораздо больше времени, чем обработка и анализ. Но, чем подробнее и
BI
многоаспектнее данные, тем более точный результат мы получим@арыШе.
В ходе исследования мы выделили следующие факторы, влияющие на устойчивость зданий и сооружений:
1) Геоморфологические поверхности;
2) Каркасные линии рельефа: ребра, тальвеги, водоразделы;
3) Погребенная гидрографическая сеть XVII-XIX веков.
Результатом моделирования являетН рифвдсдура С
вая карта с прикрепленной к ^|йсйнформайионг10гиче1
ной базой (рис. 4). Подобная модель позволяет осуществлять не только анализ и дальнейший синтез, но и мониторинг изучаемых процессов.
139
результаты планово-высотной инструментальной съёмки (карта изолиний с отметками высот)
Процедур
а создания циф и соор
Ввод информации
Рис. 3? Схема сбздани^щмфровоймодеци поедожденности зданий и геоморфологиче<
зданий и сооружений поверхностей
Карта влияния погребённой гидрографии на состояние целостности обследованных зданий
| Центральная пойма первая террэсэ Вмцзая «рраеа Третья геррвса | Здания с мными признаками иечювденк* I Здания бва видимы* признаков повренщяний
состо со< геом<
Рис. 4. Карта-схема комплексной модели устойчивости зданий и сооружений г. Ярославля
В результате анализа модели мы получили ствие повреждающего фактора, а % отсчитывал-
следующие результаты: наиболее повреждаю- ся для количества зданий из них, которые имеют
щим фактором (более 70 %; % считался следую- повреждения) из оцениваемых является погре-
щим образом: за 100% принимались все здания, бенная гидросеть. На территории, ныне занимае-
которые так или иначе испытывали на себе дей- мой городом, раньше было довольно много во-
дотоков и водоемов как природного, так и искусственного происхождения. Но по мере застройки их ликвидировали, причем не всегда правильно и «корректно». В результате на данном этапе развития города можно наблюдать последствия этих не очень хорошо продуманных действий. Местами погребенная гидросеть вызывает подтопле-
Характер подстилающей поверхности сказывается на состоянии зданий не так сильно. Так, пересечение оснований зданий линиями перегиба рельефа (ребер, тальвегов) дает процент повреждений (40 %), не превышающий общефонового.
Большая часть строений расположена в пределах второй и третьей речных террас. Это обусловлено историческим характером заселения и гидрогеологическими условиями территории. Процент повреждений здесь чуть выше общефонового (4546 %), хотя для зданий, расположенных на второй террасе он может достигать и 50 %.
Характер повреждений преимущественно комплексный. Отдельно следует назвать здания и сооружения, стоящие на центральной пойме и первой террасе, для которых характерен очень высокий процент повреждения фундамента без повреждения стен (40 % и 23 % соответственно). К дестабилизации, видимо, приводят своеобразные гидрогеологические условия: подтопление, заболачивание, изменение уровня грунтовых вод и пр.
Также большой процент повреждений (около 70 %) характерен для зданий, приуроченных к повышениям второй террасы р. Которосли и Волги
ние, заболачивание, пучение грунтов, активизирует суффозионные процессы, что приводит в конечном счете к дестабилизации зданий и сооружений. Повреждения, вызванные этим фактором, носят, за небольшим исключением, комплексный характер.
(это хорошо видно на диаграмме, рис. 5). С чем связан «всплеск» повреждающей силы повышений второй террасы, сказать сложно. Скорей всего, это объясняется тем, что здесь накладываются несколько факторов: время постройки, в том числе исторические особенности заселения, использованный материал, а также геоморфологические особенности территории.
Общей закономерностью по результатам устойчивости в плане этажности является прямо пропорциональная зависимость - малоэтажные здания и сооружения имеют процент повреждения выше, чем высотные строения, что обусловлено историческими особенностями застройки территории (малоэтажки гораздо старше, а соответственно, имеют больше «симптомов» разрушения).
Таким образом, на примере данной модели мы смогли убедиться в эффективности ГИС-моделирования и наглядности получаемых результатов. Картографическое моделирование позволяет решать нетривиальные задачи и выявлять причинно-следственные связи для процессов и явлений, которые на первый взгляд, сложно проследить.
Влияние геоморфологических условий территории на характер повреждений зданий
:1-М 11 III HM И И11
Itt Iii i 1 Ii
i l|| jrn \V*
Ii J Д ^ eil
I s
Ii
II
S s
s ~
iколпчестЕочданю! с к аыпмп -jihö о поврежден!илni. шт
общее количество здании, шт.
Рис. 5. Диаграмма основных факторов влияния на устойчивость строений
Распределение характера и степени поврежденности зданий и сооружений _на территории исторического центра г. Ярославля_
при- об их про- коли- их их коли- их их коли- их их коли- их их
знаки щее цент от чест- про- про- чество про- про- чество про- про- чество про- про-
подсче- ко- всех во цент цент зданий цент цент зданий цент цент зданий цент цент
та ли- обсле- зда- от от с от от с от от с от от
че- дован- ний с обще- общего по- об- обще- по- об- обще- по- обще- общего
ств ных каки- го коли- врежде щего го врежде щего го врежде го коли-
о зданий ми- коли- чества ниями коли коли- ниями коли коли- ниями коли- чества
зда- либо чест- по- стен, че- чест- фУн- че- чест- и стен, чест- по-
ний по- ва вреж- шт. ства, ва дамен- ства ва и фун- ва вреж-
, вреж- об- ден- % по- та, шт. по- дамен- ден-
шт. дения следо- ных вреж- вреж- та, шт. ных
ми, ван- зданий ден- ден-
шт. ных ных ных
зда-
ний
I. Пересечение основания зданий тальвегами:
а) да 668 52,19% 268 20,94 40,12% 26 3,89 9,70% 15 2,25 5,60% 227 33,98 84,70%
% % % %
б) нет 612 47,81% 302 23,59 49,37% 17 2,78 5,63% 7 1,14 2,32% 278 45,42 92,05%
% % % %
II. Здания по этажности из п. I (а):
а) 1...3 342 26,72% 150 11,72 43,86% 2 0,58 1,33% 5 1,46 3,33% 143 41,81 94,67%
этажа % % % %
б) 4.7 285 22,27% 112 8,75% 39,30% 22 7,72 19,64 9 3,16 8,04% 81 28,42 72,32%
этажей % % % %
в) 8.16 41 3,20% 6 0,47% 14,63% 2 4,88 33,33 1 2,44 16,67 3 7,32% 50,00%
этажей % % % %
III. Пересечение основания зданий ребрами:
а) да 790 61,72% 317 24,77 40,13% 22 2,78 6,94% 18 2,28 5,68% 277 35,06 87,38%
% % % %
б) нет 490 38,28% 253 19,77 51,63% 21 4,29 8,30% 4 0,82 1,58% 228 46,53 90,12%
% % % %
IV. Здания по этажности из п. III (а):
а) 1.3 444 34,69% 211 16,48 47,52% 5 1,13 2,37% 5 1,13 2,37% 201 45,27 95,26%
этажа % % % %
б) 4.7 295 23,05% 99 7,73% 33,56% 16 5,42 16,16 12 4,07 12,12 71 24,07 71,72%
этажей % % % % %
в) 8.16 51 3,98% 7 0,55% 13,73% 1 1,96 14,29 1 1,96 14,29 5 9,80% 13,73%
этажей % % % %
V. Пересечение основания зданий линией главного водораздела:
а) да 52 4,06% 24 1,88% 46,15% 0 0,00 0,00% 0 0,00 0,00% 24 46,15 100,00
% % % %
б) нет 122 95,94% 546 42,66 44,46% 43 3,50 7,88% 22 1,79 4,03% 481 39,17 88,10%
8 % % % %
VI. Здания по этажности из п. V (а):
а) 1.3 40 3,13% 20 1,56% 50,00% 0 0,00 0,00% 0 0,00 0,00% 20 50,00 100,00
этажа % % % %
б) 4.7 12 0,94% 4 0,31% 30,00% 0 0,00 0,00% 0 0,00 0,00% 4 30,00 100,00
этажей % % % %
в) 8.16 0 0,00% 0 0,00% 0,00% 0 0,00 0.,00 0 0,00 0,00% 0 0,00% 0,00%
этажей % % %
VII. Положение зданий на ге оморфологических поверхностях:
а) низкая 0 0,00% 0 0,00% 0,00% 0 0,00 0,00% 0 0,00 0,00% 0 0,00% 0,00%
пойма % %
б) цен- 31 2,42% 5 0,39% 16,13% 0 0,00 0,00% 2 6,45 40,00 3 9,68% 60,00%
тральная % % %
пойма
в) по- 3 0,23% 0 0,00% 0,00% 0 0,00 0,00% 0 0,00 0,00% 0 0,00% 0,00%
нижения % %
цен-
траль-
ной
поимы
г) по- 5 0,39% 1 0,08% 100,00 0 0,00 0,00% 0 0,00 0,00% 1
выше- % % %
ния
цен-
траль-
ной
поймы
д) пер- 102 7,97% 35 2,73% 34,31% 0 0,00 0,00% 8 7,84 22,86 27 26,47 77,14%
вая % % % %
терраса
е) пони- 0 0,00% 0 0,00% 0,00% 0 0,00 0,00% 0 0,00 0,00% 0 0,00% 0,00%
жения % %
первой
террасы
ж) по- 0 0,00% 0 0,00% 0,00% 0 0,00 0,00% 0 0,00 0,00% 0 0,00% 0,00%
выше- % %
ния
первой
террасы
з) вторая 269 21,02% 135 10,55 50,19% 11 4,10 2,96% 6 2,23 4,44% 118 43,87 87,41%
терраса % % % %
и) по- 21 1,64% 8 0,63% 38,10% 0 0,00 0,00% 0 0,00 0,00% 8 38,10 100,00
нижения % % % %
второй
террасы
к) по- 9 0,70% 6 0,47% 66,67% 0 0,00 0,00% 0 0,00 0,00% 6 66,67 100,00
выше- % % % %
ния
второй
террасы
л) третья 106 82,81% 481 37,58 45,38% 38 3,58 7,90% 12 1,13 2,49% 431 40,66 89,60%
терраса 0 % % % %
м) по- 95 7,42% 43 3,36% 45,26% 3 3,16 6,98% 0 0,00 0,00% 40 42,11 93,02%
нижения % % %
третьей
террасы
н) по- 307 23,98% 149 11,64 48,53% 4 1,30 2,68% 6 1,95 4,02% 139 45,28 93,29%
выше- % % % %
ния
третьей
террасы
о) пере- 92 7,19% 43 3,36% 46,74% 3 3,26 6,98% 3 3,26 6,98% 37 40,22 86,05%
сечение % % %
основа-
ний
зданий с
бровка-
ми
VIII. Пересечение оснований зданий линиями перегиба рельефа:
а) есть 92 7,19% 43 3,36% 46,74% 3 3,26 % 6,98% 3 3,26 % 6,98% 37 40,22 % 86,05%
б) нет 118 8 92,81% 527 96,64 % 44,36% 40 3,37 % 7,02% 19 1,59 % 3,33% 468 39,39 % 92,67%
IX. Пересечение оснований зданий линиями погребенной гидросети
а) XVII 19 1,48% 14 1,09% 73,68% 0 0,00 0,00% 0 0,00 0,00% 14 73,68 100,00
века % % % %
б) XVIII 22 1,72% 13 1,02% 59,09% 1 4,55 7,69% 0 0,00 0,00% 12 54,55 92,31%
века % % %
в) XIX 10 0,78% 1 0,08% 10,00% 0 0,00 0,00% 0 0,00 0,00% 1 10,00 100,00
века % % % %
д) от- 122 96,02% 542 42,34 95,09% 42 3,42 7,39% 22 1,79 3,86% 478 38,89 94,65%
сутству- 9 % % % %
ет тако-
вое
X. Пересечение оснований зданий линиями пог| ребенных оврагов 18 века:
а) есть 14 1,09% 2 0,16% 14,29% 0 0,00 % 0,00% 0 0,00 % 0,00% 2 14,29 % 100,00 %
б) нет 126 6 98,91% 568 44,38 % 44,87% 43 3,40 % 7,54% 22 1,74 % 3,86% 503 39,73 % 99,60%
Библиографический список
1. Де Мерс Майкл. Географические информаци- 2. Тикунов, В. С. Моделирование в онные системы. Основы [Текст] / Майкл Де Мерс ; [Текст] / В. С. Тикунов. - М. : Изд-во пер. с англ. Владимир Андрианов. - М. : Дата плюс, университета, 1997 г. -1999 - 493 с. с ил.
картографии. Московского 405 с.
