WYKORZYSTANIE OTWARTEGO OPROGRAMOWANIA DO WYZNACZANIA WSKA NIKA „M” W SYSTEMACH GIS NA POTRZEBY MAP AKUSTYCZNYCH IRENEUSZ CZAJKA, RYSZARD OLSZEWSKI

Streszczenie Niezwykle istotny problem okreĞlania naraĪenia mieszkaĔców danego terenu na hałas został rozwiązany aktami prawnymi przez wprowadzenie wskaĨnika M. WskaĨnik ten ma pozwalaü na okreĞlenie terenów wymagających podjĊcia działaĔ mających na celu obniĪenie poziomu hałasu w Ğrodowisku. Jego wartoĞü jednoznacznie wskazuje, w którym z obszarów w pierwszej kolejnoĞci naleĪy podjąü działanie ochronne. Zgodnie z definicją do jego wyznaczenia naleĪy znaü iloĞü osób naraĪonych na hałas oraz wielkoĞü przekroczenia poziomu dopuszczalnego. Nie został jednak okreĞlony sposób obliczania tegoĪ wskaĨnika. Zatem konieczne staje siĊ wypracowanie rozsądnej metodyki, pozwalającej przy wykorzystaniu dostĊpnych narzĊdzi obliczeniowych wyznaczyü ów wskaĨnik. W artykule zostało omówione zastosowanie istniejących narzĊdzi obliczeniowych do szybkiego i dokładnego wyznaczania owego współczynnika. Autorzy zwracają uwagĊ na koniecznoĞü optymalizacji wykorzystania funduszy publicznych. Aby osiągnąü ten cel, zostało wykorzystane oprogramowanie nie wymagające ponoszenia opłat licencyjnych. Słowa kluczowe: GRASS, GIS, mapa akustyczna, wskaĨnik M, hałas 1. Wprowadzenie Na przestrzeni ostatnich lat coraz mocniej zaznacza siĊ koniecznoĞü podejmowania planowych wysiłków mających na celu poprawĊ jakoĞci Īycia osób zamieszkujących tereny naraĪone na hałas pochodzący od Ğrodków transportu. Aktualnie obowiązujące regulacje prawne wymagają tworzenia planów czy teĪ map akustycznych charakteryzujących aktualny stan Ğrodowiska pod kątem naraĪenia na hałas [4]. Mapy akustyczne mają umoĪliwiaü ocenĊ aktualnego stanu Ğrodowiska, pozwalaü na Ğledzenie trendów i umoĪliwiaü wskazanie obszarów najszybciej wymagających podejmowania działaĔ ochronnych. Na podstawie map akustycznych moĪna, a nawet trzeba znajdowaü rozwiązania techniczne, metody urbanistyczne czy architektoniczno-budowlane a takĪe działania administracyjne, organizacyjne i prawne, pozwalające zmniejszyü naraĪenie mieszkaĔców na hałas mogący wywołaü negatywne skutki zdrowotne [2].

99

Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 40, 2011

Problematyka tworzenia i eksploatacji map akustycznych bardzo dobrze wpisuje siĊ w zagadnienia związane z rozwojem zrównowaĪonym. Niezwykle waĪne jest by oprócz dobrobytu materialnego podnosiü jakoĞü Īycia społeczeĔstw jako całoĞci przez poprawianie komfortu zamieszkiwania, pracy i rekreacji. 2. Sformułowanie problemu Przy tworzeniu map akustycznych naleĪy wyznaczyü wartoĞci długookresowych wskaĨników hałasu L oraz L oraz przedstawiü przestrzenny rozkład tych wskaĨników na analizowanych N

DWN

obszarach. Aby tego dokonaü zazwyczaj stosuje siĊ technikĊ hybrydową pomiarowo-symulacyjną. Pomiary słuĪą do ustalania wartoĞci parametrów wejĞciowych do etapu modelowania, a nastĊpnie słuĪą do weryfikacji uzyskanych wyników [1, 2, 4]. Numeryczne modelowanie rozkładu hałasu pozwala na wyznaczenie mapy akustycznej badanego obszaru. Nie wnikając w załoĪenia i uproszczenia metodyki tworzenia mapy akustycznej, jednym z wyników finalnych jest warstwa zawierająca informacje o wartoĞci wskaĨnika M – charakteryzującego naraĪenie ludnoĞci na ponadnormatywny hałas. WartoĞü tego wskaĨnika oblicza siĊ zgodnie ze wzorem (1). 0 ,1 L (1) M = 0,1 m 10 p gdzie: m – liczba mieszkaĔców naraĪonych na hałas przekraczający poziom dopuszczalny o L [dB]. p

Obowiązujące akty prawne nie precyzują w jaki sposób naleĪy wyznaczaü ów wskaĨnik, co pozostawia pewną dowolnoĞü osobom realizującym mapy akustyczne. W zaleĪnoĞci od szczegółowoĞci posiadanych danych demograficznych i skutecznoĞci istniejących zabezpieczeĔ, moĪna ów wskaĨnik wyznaczaü z pewnym przybliĪeniem.

3. Narzdzia Aby zrealizowaü mapĊ akustyczną, niezbĊdne jest posiadanie odpowiedniego oprogramowania oraz sprzĊtu pozwalającego w rozsądnym czasie uzyskaü wyniki modelowania. Zazwyczaj wykorzystuje siĊ trzy rodzaje oprogramowania: do symulacji akustycznych (np. SoundPlan, IMMI, CadnaA), do operacji na warstwach map cyfrowych (system GIS) oraz oprogramowanie biurowe [1,4]. NajczĊĞciej o wyborze oprogramowania w urzĊdach decyduje w kolejnoĞci: inercja umysłowa (czyli siła przyzwyczajenia osób decyzyjnych), umiejĊtnoĞci sprzedawcy oraz zasoby finansowe. Zazwyczaj czĊĞü związaną z mapami cyfrowymi obsługuje MapInfo, ArcGIS czy GeoMedia. Te zastane uwarunkowania wymagają od wykonawców dostosowania formatów (a czasem i stosowanych narzĊdzi) do wymagaĔ odbiorcy. Z doĞwiadczeĔ autorów wynika, iĪ takie podejĞcie nie zawsze jest ekonomicznie uzasadnione. A czasem bywa wrĊcz olbrzymim utrudnieniem i opóĨnia prace, przy czym argument o kompatybilnoĞci jest o tyle nierozsądny, Īe zazwyczaj moĪna znaleĨü format danych wspólny dla systemów wymieniających dane [1]. Z drugiej strony wykorzystywanie systemu, który jest zamkniĊty i obsługuje wyłącznie swój własny format plików jest po prostu niegospodarnoĞcią i jest okreĞlane angielskim terminem „vendor lock-in”. W ramach prac nad mapą akustyczną aglomeracji miejskiej Kraków, do geograficznej obróbki danych dotyczących rozkładu hałasu i wyznaczenia wartoĞci wskaĨnika M został wykorzystany

100 Ireneusz Czajka, Ryszard Olszewski Wykorzystanie otwartego oprogramowania do wyznaczania wskaĨnika M w systemach GIS na potrzeby map akustycznych

system GRASS (Geographical Resources Analysis Support System) [3] w wersji 5.4 dla systemu Linux [3]. DziĊki otwartej architekturze systemu w prosty sposób udało siĊ zrealizowaü wszystkie działania prowadzące do stworzenia map wskaĨnika M. W ramach pracy zostało stworzone narzĊdzie v.in.sp słuĪące do importu rozkładów hałasu wyznaczonych w programie SoundPlan do systemu GRASS, zostały stworzone skrypty pozwalające automatyzowaü realizacjĊ wszystkich obliczeĔ. Do przechowywania danych demograficznych, oraz wykonywania niektórych obliczeĔ wykorzystano system zarządzania bazami danych PostgreSQL. Mapy rozkładów wskaĨnika M zostały przygotowane do wydruku w formacie pdf. 4. Wyznaczenie wska nika M W trakcie opracowywania mapy akustycznej Krakowa [3] poczyniono nastĊpujące załoĪenia wskaĨnik M wyznaczyü dla kaĪdego budynku iloĞü mieszkaĔców jest równa iloĞci zameldowanych wartoĞü wskaĨnika przypisaü całemu budynkowi maksymalny poziom hałasu oddziaływuje na wszystkich mieszkaĔców poziom hałasu jest wyznaczony dla jednej wysokoĞci. PoniĪej przedstawiono krótkie uzasadnienie przyjĊtych załoĪeĔ. Najrozsądniejsze było obliczanie wskaĨnika M dla dla kaĪdego budynku, poniewaĪ w ten sposób najdokładniej wyznacza siĊ miejsca wymagające podjĊcia działaĔ zapobiegawczych. Z powodu braku innych danych demograficznych, jak tylko z bazy meldunkowej – okazał siĊ to jedyny sposób na choüby orientacyjne wyznaczenie iloĞci osób naraĪonych na ponadnormatywny hałas. Obliczenia rozkłady hałasu zostały przeprowadzone dla jednej wysokoĞci, toteĪ wartoĞci wskaĨnika M zostały okreĞlone dla tych poziomów hałasu. Nie jest trudno wskazaü słaboĞci przyjĊtego rozwiązania, niemniej kaĪde uszczegółowienie wyników wymaga dokładniejszych danych wejĞciowych. Po zrealizowaniu obliczeĔ poziomów hałasu we wszystkich obszarach, zostały one wczytane do systemu GIS, nastĊpnie zostały wczytane do bazy danych informacje demograficzne. Na tej podstawie zostały wyznaczone wartoĞci wskaĨnika M. CzĊĞü danych była przechowywana w postaci wektorowej, czĊĞü w rastrowej. Ze wzglĊdu na dokładnoĞü rastry generowano na siatce o boku jednego metra. Algorytm postĊpowania przy wyznaczaniu wskaĨnika M w systemie GRASS przedstawiony został na rysunku 1. Po wczytaniu rozkładów hałasu do systemu GRASS GIS, okreĞlano wielkoĞci przekroczeĔ na podstawie wczeĞniej przygotowanych map okreĞlających wartoĞci dopuszczalne poziomu hałasu na analizowanych obszarach. WielkoĞü przekroczenia wyznaczano dla kaĪdego zamieszkanego budynku. NastĊpnie w oparciu o przypisane budynkom liczby mieszkaĔców zameldowanych w nich, okreĞlano wartoĞü wskaĨnika M. Szczegółowo wyznaczenie wskaĨnika M przedstawiono na rysunku 2. Jak pokazano, poziomy hałasu, liczby zameldowanych i numery budynków, stanowiły osobne warstwy. Nie pokazano na rysunku warstw wartoĞci dopuszczalnych i przekroczeĔ. WartoĞci wskaĨnika M przypisane poszczególnym budynkom zostały umieszczone w bazie danych.

• • • • •

Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 40, 2011

101

Rysunek 1. Schemat realizacji wyznaczenia wskaĨnika M w systemie GRASS ħródło: Opracowanie własne.

Rysunek 2. Szczegóły wyznaczenia wartoĞci wskaĨnika M ħródło: Opracowanie własne. Jako wynik wszystkich działaĔ powstało grube opracowanie zawierające czĊĞü opisową mapy akustycznej, plik wydrukowanych map akustycznych z poziomami hałasu, wskaĨnikami M oraz przewidywanymi efektami działaĔ zapobiegawczych. Oprócz tego został przygotowany zestaw map w formacie cyfrowym, z systemem umoĪliwiającym łatwe ich przeglądanie. System został zrealizowany w postaci płyty CD zawierającej dystrybucjĊ Linuxa nazwaną przez twórców Olux, uruchamianą z tejĪe płyty. System posiada nastĊpujące cechy: dane są tylko do odczytu, co daje

102 Ireneusz Czajka, Ryszard Olszewski Wykorzystanie otwartego oprogramowania do wyznaczania wskaĨnika M w systemach GIS na potrzeby map akustycznych pewnoĞü, Īe nikt nie zmodyfikuje danych bez nagrania nowej płyty, dane z płyty CD moĪna odczytaü bez koniecznoĞci uruchomiania komputera z tejĪe płyty. Aplikacja umoĪliwiająca przeglądanie map (thuban) działa równie dobrze pod kontrolą innych systemów operacyjnych niĪ LINUX, aplikacjĊ moĪna dostosowywaü do swoich potrzeb – jest napisana w jĊzyku python (jĊzyk interpretowany) i rozpowszechniana jest na licencji GPL w związku z tym istnieje pełna swoboda ingerowania w kod Ĩródłowy. Aplikacja umoĪliwia przeglądanie map, wykonywanie prostych analiz przestrzennych, pozwala na klasysfikowanie danych przestrzennych. Dane dotyczące całego planu akustycznego Krakowa zmieszczą siĊ na jednej płycie CD. Rysunki 3, 4 i 5 przedstawiają wybrane moĪliwoĞci wykorzystanej aplikacji Thuban. MoĪna dla wybranej tabeli mapy akustycznej nakładaü kategorie dla poszczególnych budynków.

Rysunek 3. Nadawanie kategorii w zaleĪnoĞci od liczby zameldowanych mieszkaĔców w aplikacji Thuban ħródło: Opracowanie własne.

103

Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 40, 2011

Rysunek 4. Skategoryzowane budynki, kategoria zaleĪy od liczby zameldowanych mieszkaĔców ħródło: Opracowanie własne.

Rysunek 5. Opisowe kategorie w zaleĪnoĞci od liczby zameldowanych mieszkaĔców ħródło: Opracowanie własne.

104 Ireneusz Czajka, Ryszard Olszewski Wykorzystanie otwartego oprogramowania do wyznaczania wskaĨnika M w systemach GIS na potrzeby map akustycznych

Do kategoryzowania budynków moĪna wykorzystaü dowolną tabelĊ połączoną z analizowaną mapą. MoĪe to byü tabela z liczbami mieszkaĔców, wartoĞciami wskaĨnika M czy teĪ z wartoĞciami przekroczeĔ dla kaĪdego budynku. DziĊki temu osoba wykorzystująca mapĊ nie jest ograniczona statycznymi analizami powstałymi na etapie tworzenia mapy i ma moĪliwoĞü samodzielnego definiowania analiz. Takie analizy pozwalają uzyskiwaü informacje, które są w bazie danych, niemniej z róĪnych wzglĊdów nie były zobrazowane na mapach w postaci papierowej. Owe dynamicznie generowane mapy moĪna oczywiĞcie wydrukowaü i uĪytkowaü w tradycyjny sposób. Tabele podstawowe bazy danych mogą nie zawieraü poufnych danych, dane poufne (z innej tabeli) moĪna dynamicznie dołączyü i dokonywaü analiz z wykorzystaniem poufnych danych. Łatwo moĪna rozdzieliü dane potrzebne róĪnym wydziałom, a nawet udostĊpniane ludnoĞci. 5. Podsumowanie Z uwagi na brak precyzyjnych przepisów, nie moĪna jednoznacznie uznaü, jaki sposób wyznaczania wartoĞci wskaĨnika M jest jedynie właĞciwa. Autorzy wyznaczali wartoĞü wskaĨnika dla kaĪdego budynku na podstawie liczby ludnoĞci w nim zameldowanych. Wykorzystanie systemu GIS z otwartym kodem Ĩródłowym – GRASS, pozwoliło na obniĪenie kosztów, bez obniĪania uĪytecznoĞci wyników pracy. JednoczeĞnie doĞwiadczenia autorów wskazują na wysoką wygodĊ uĪytkowania i łatwoĞü automatyzacji obliczeĔ wykonywanych w tym systemie. W zaleĪnoĞci od dokładnoĞci danych uzyskanych od jednostek samorządu terytorialnego, moĪna zrealizowaü mapy wskaĨnika M o róĪnej dokładnoĞci: np. jeĪeli są dostĊpne informacje o liczbie ludzi mieszkających przy okreĞlonych elewacjach budynku moĪna wyznaczaü wskaĨnik oddzielnie dla kaĪdej elewacji. Kolejnym problemem do rozstrzygniĊcia staje siĊ okreĞlenie wartoĞci wskaĨnika ze wzglĊdu na zmiany przekroczeĔ wzdłuĪ wysokoĞci elewacji. Dokładne dane pozwalają okreĞliü wskaĨnik M dla takiej sytuacji. Na podkreĞlenie zasługuje fakt, iĪ zastosowanie systemu z otwartym kodem Ĩródłowym GRASS nie wymaga ponoszenia kosztów z tytułu opłat licencyjnych.

Praca została wykonana w ramach projektu rozwojowego N R03 0030 06 finansowanego przez Narodowe Centrum Bada i Rozwoju (NCBiR).

105

Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 40, 2011

%LEOLRJUDILD [1] Batko W., Chyla A., Ciesielka W., Czajka I., Engel Z., GołaĞ A., Litwa P., Malcharek P., Olszewski R., Wszołek T., Wszołek W.: Mapa akustyczna aglomeracji Kraków, WibroTech 2003, X konferencja naukowa wibroakustyki i wibrotechniki, V ogólnopolskie seminarium Wibroakustyka w systemach technicznych, Kraków, 24–25 marzec 2003, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie. Wydział InĪynierii Mechanicznej i Robotyki. Katedra Mechaniki i Wibroakustyki, Politechnika Warszawska. Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych. Instytut Podstaw Budowy Maszyn. 2003. [2] Engel Z.: Ochrona Ğrodowiska przed drganiami i hałasem, PWN Warszawa 1993. [3] GRASS Development Team: GRASS 5.0 Users Manual, ITC-irst, Trento, Italy 2002. Electronic document: http://grass.itc.it/gdp/html_grass5/ [4] KaĨmierczak J. red.: Poradnik dla pracowników samorządowych uczestniczących w tworzeniu i uĪytkowaniu strategicznych map akustycznych, Główny Instytut Górnictwa, Katowice 2008. •

106 Ireneusz Czajka, Ryszard Olszewski Wykorzystanie otwartego oprogramowania do wyznaczania wskaĨnika M w systemach GIS na potrzeby map akustycznych

ON THE USE OF OPEN SOURCE SOFTWARE TO DETERMINE THE M INDEX IN GIS FOR NOISE MAPS Summary An extremely important issue of finding the noise exposure of residents of the area has been solved by the introduction of an M index. This index allows determine areas which require action of noise level reduction. Its value clearly indicates which of the areas must be taken into account to take protective action in the first place. According to the M index definition it is necessary to know the number of people exposed to noise and size of overrun of acceptable level. But there is no determined way of calculation that index. Thus it becomes necessary to develop a reasonable methodology, which allows to determine the index using available computational tools. The article discusses the use of existing computational tools for rapid and accurate determination of this index. The authors point out the need of optimization the use of public funds. To achieve this goal opensource and free software has been used.

The work is conducted within the development project N R03 0030 06 financed by National Centre for Research and Development Keywords: GRASS, GIS, acoustic map, M index, noise

Ireneusz Czajka Katedra Systemów Energetycznych i UrządzeĔ Ochrony ĝrodowiska Ryszard Olszewski Katedra Mechaniki i Wibroakustyki Wydział InĪynierii Mechanicznej i Robotyki Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków e-mail: [email protected] [email protected]