Назаров А.А., аспирант МИИГАиК, ведущий картограф ООО «Яндекс», e-mail: artem@nazarov.info
Monitoring the state and reconstruction planning of road network within the city of Viatskie Poliany
Любой современный студент, доучившийся в среднем до середины пятого курса, получает на руки бланк так называемого технического задания к дипломному проектированию, в который он должен вписать тему своего будущего дипломного проекта. Это событие не обошло стороной и автора данной статьи, студента факультета прикладной космонавтики и фотограмметрии Московского Государственного Университета Геодезии и Картографии. Около года тому назад в описанный выше бланк была вписана тема «Разработка пространственной основы города Вятские Поляны для мониторинга состояния и планирования ремонтов дорожной сети с применением ГИС-технологий». Данное направление было выбрано не случайно. В процессе обучения на старших курсах, где уклон был непосредственно связан с геоинформационными системами (ГИС), любопытство автора всегда склонялось к применению этих технологий в сфере транспорта. Выполнение дипломного проекта велось и ИНЦ «Геомониторинг» при университете. Что же касается выбора региона работ, то что же могло оказаться лучше того города, откуда пять лет назад был взят курс на столицу.
Итак, задача стояла непростая, но крайне интересная. Любые работы подобной тематики начинаются со сбора исходных данных, выбора программного обеспечения и общей характеристики региона работ.
Город Вятские Поляны расположен на юге Кировской области на правом берегу реки Вятка. Несмотря на свои небольшие размеры и население в 38260 жителей, он является третьим по величине городом области и административным центром Вятско-Полянского района.
Протяженность дорог общего пользования в городе составляет примерно 14,7 км, среди которых 13,3 км являются дорогами с твердым покрытием и составляют 90,5% от общей протяженности. В целом по Кировской области данный показатель не превышает 22%.
Несмотря на то, что в среднем качество дорожной сети Кировской области оставляет желать лучшего и многие автомобилисты стараются по возможности пользоваться объездными дорогами, дорожная сеть города Вятские Поляны является одной из лучших по состоянию покрытия в области.
Главная проблема дорожного комплекса муниципального значения – недостаточность собственных финансовых ресурсов. Если в 2008 году на ремонтные работы дорожной сети из городского бюджета было израсходовано почти 10 млн. рублей, то в 2009 г. эта цифра была намного скромнее – 5367 тыс. рублей. И сокращение данной статьи расходов ввиду недостатка средств в бюджете города продолжается из года в год, хоть и не большими темпами.
В связи с открытием нового моста через реку Вятку и началом работ по строительству новой трассы, которая пройдет рядом с городом, внимание к состоянию дорог заметно увеличилось. С вводом этого моста и строительством новой трассы будут обеспечены межрегиональные связи Татарстана, Удмуртии, Кировской области, Нижегородской области и Пермского края. Именно поэтому его назвали «Мостом пяти регионов». После окончания работ по строительству вышеуказанных объектов многие транспортные пути будут проходить непосредственно через город, в связи с чем качество дорожного полотна должно позволять транспортным потокам проезжать данными путями без головной боли и прочего негатива. Именно по этой причине уже сейчас стал необходимым новый взгляд на анализ дорожной сети города и новый метод планирования ремонтных работ.
Для реализации поставленных задач в качестве ГИС-платформы идеально подошло программное обеспечение ArcGIS 9.3 компании Esri. Базовая комплектация данного ПО с некоторыми дополнительными модулями оказалась более чем достаточной.
Уже в самом начале нашей работы был проведен выбор и поиск данных дистанционного зондирования. Тут возникли некоторые трудности. Открытые интернет источники, такие как «Яндекс» или «Google», пока не располагают спутниковыми снимками достаточного разрешения на необходимую территорию. К счастью, очень своевременно в поле зрения попал интернет-ресурс «mapsshop.ru», основной деятельностью которого является продажа навигационных карт. В составе такого продукта и был приобретен спутниковый снимок города Вятские Поляны (рис. 1) с космического аппарата GeoEye, который обеспечил детальность, достаточную для дешифрирования всех необходимых объектов местности, включая улицы и автодороги (рис. 2).
Так как исходный снимок на этом ресурсе использовался для создания навигационной карты, некоторую пространственную привязку он уже имел в том виде, в котором был приобретен. Известно, что производство навигационных продуктов требует достаточно высоких точностей привязки данных ДЗЗ, поэтому оставалось лишь выставить необходимую номенклатуру в системе координат WGS-84 для начала работ по векторизации объектов местности. Искомой номенклатурой для Вятских Полян является 39N.
Для решения поставленных задач был спроектирован набор слоев, включавший в себя: дорожный граф города («road_lines»); контуры объектов недвижимости («allhouse»); слои гидрографии и растительности; слой территорий, которые включают в себя парки, кладбища, крупные промышленные и спортивные объекты; слои железных дорог, мостовых сооружений и площадей. Также был создан точечный слой «RPoints», объекты которого обозначают примерные центры основных районов города. Этот слой является вспомогательным и служит для выполнения последующих расчетов. Совокупность всех этих слоев и представляет собой векторную основу города (рис. 3), которая в свою очередь служит основой для проведения остальных заявленных работ.
Кроме векторных графических элементов, отображающих объекты города на карте, любая ГИС должна иметь и специально спроектированную базу данных, причем свою собственную для каждого слоя. На основе этих данных проводятся все возможные виды аналитических работ. Созданный нами прототип не стал исключением. Для каждого слоя были созданы таблицы атрибутов, которые хранят необходимые для проведения заявленных работ данные. Большинство слоев имеют практически одинаковую структуру полей, так как они не участвуют в вычислительных и прочих процессах. Таким образом, кроме стандартных полей к ним добавились поля «ObjectName», «ObjectType» и «ObjectFull» для хранения собственных названий отображаемых объектов, если таковые имеются. Основным слоем применительно к данной работе является дорожный граф («road_lines»), в таблице атрибутов которого имеются поля: «FuncClass», в котором содержится классификация по значению; «SpeedLim» для хранения данных о скоростных ограничениях; «ONEWAY», где содержаться данные об организации двустороннего или одностороннего движения по конкретному участку; «Lenght» с содержанием длины участка в метрах; «Time» для хранения времени прохождения по участку, исходя из длины и максимально разрешенной скорости; «Health» для хранения классификации по данным мониторинга дорожной сети; и «POR», в которое будет записана очередность на ремонтные работы по результатам работы алгоритма планирования. Говоря о данных, которые хранятся в таблице атрибутов данного слоя, следует сказать, что информация об организации двустороннего или одностороннего движения, а также скоростные ограничения были получены методом выезда на местность. Данные мониторинга были предоставлены дорожной администрацией города, а остальные данные, будучи вторичными, получены методом вычисления из вышеописанных или же непосредственно из пространственной основы (длины участков).
Созданный прототип геоинформационной системы помимо уже описанной пространственной основы города Вятские Поляны, которая состоит из набора определенных слоев и необходимых наборов полей атрибутивных таблиц, включает в себя инструмент анализа и планирования ремонтных работ дорожной сети города, созданный на базе инструментов приложений ModelBuilder и ArcToolbox. С помощью созданного прототипа ГИС решаются следующие задачи:
- визуализация результатов полевых обследований состояния дорожного полотна;
- анализ значимости дорог для областной и городской дорожных сетей;
- построение очереди на ремонтные работы;
- визуализация результатов построения очереди на ремонтные работы.
Первым делом, до начала выполнения планирования ремонтных работ была проведена классификация автомобильных дорог по их значению (рис. 4, 5). Вся сеть была разделена на четыре класса. В первый класс вошли дороги, которые являются сквозными проездами через город, и те участки городских улиц, которые являются неотъемлемой частью областной дорожной сети. Второй класс включил в себя все основные улицы города, тогда как в третий и четвертый классы ушли некоторые полевые дороги и парковые и пешеходные дорожки соответственно.
Что касается данных о состоянии дорожного полотна, то здесь применена похожая классификация. Но в отличие от разделения по значимости, здесь дорожная сеть по ее состоянию классифицируется на пять классов: первые два подлежат ремонтным работам (на рис. 5 показаны красным и оранжевым цветами), а последний включает в себя недавно отремонтированные участки (на рис. 5 показан зеленым цветом).
По завершению всех описанных выше работ мы перешли к разработке инструмента анализа дорожной сети и планирования ремонтов. Работа созданного инструмента проходит в четыре этапа, в ходе которых подлежащие ремонтным работам участки дорог разделены на четыре класса по очередности на восстановление.
Модель первого этапа (рис. 6) позволяет выявить все поврежденные дороги города, отнесенные к первому классу по состоянию и при этом являются наиболее важными по значимости, то есть отнесены к первому классу по значению. Этим участкам присваивается первая очередь на ремонтно-восстановительные работы, так как поддержка транспортной связности областной дорожной сети является приоритетной.
Следом за ними в очередь на ремонтные работы уходят самые значимые дороги, классифицированные вторым классом по состоянию. Выполняется этот процесс моделью, почти идентичной модели первого этапа.
Теперь, когда все городские дороги, имеющие важность для областной сети, поставлены в очередь, необходимо проанализировать городскую дорожную сеть. Здесь к работе подключаются специально созданный точечный слой, обозначающий примерные центры пяти основных районов города, и дополнительный модуль ArcGIS Network Analyst с его инструментами анализа сетей.
На этом третьем по счету этапе система строит самые короткие и быстрые маршруты из каждого центра района в каждый другой (рис. 7). Данные о длине, максимально разрешенной скорости, времени прохождения по участку (исходя из длины и скоростного ограничения) и запреты поворотов хранятся в таблице атрибутов дорожной сети и используются для построения этих маршрутов. В результате система просчитывает некоторую подсеть городских дорог, которая и будет являться основной для поддержки транспортной связи между районами города.
Затем производится выборка всех участков дорог, подлежащих ремонтным работам (первый и второй классы по состоянию), через которые проходит какой-либо из построенных маршрутов. Выбранные участки получают третий класс по очередности на ремонтные работы. По аналогии с предыдущими этапами, все действия третьего этапа исследования заложены в свою модель (рис. 8) и выполняются автоматически.
Ну а в качестве завершающего аккорда в алгоритме анализа дорожной сети (рис. 9) система выбирает все участки первого и второго классов по состоянию, которые еще не были поставлены в очередь на ремонтные работы, и присваивает им четвертый класс значимости. Их восстановление не является приоритетным в сравнении с участками, рассмотренными ранее.
Для визуализации результатов работы предложенного алгоритма можно применить обычный метод цветового кодирования. Все четыре класса отмечаются разными цветами, которые позволят наглядно выделить их из прочих участков дорог, пока не требующих вмешательства дорожных ремонтных бригад (рис. 10).
Предложенный алгоритм кроме состояния дорожного полотна учитывает и значение участков дорог для городской дорожной сети и сети областных дорог. В связи с этим, он является более эффективным при планировании ремонтных работ, чем существующие в городе подходы к решению этих вопросов в условиях проектирования новых трасс и недостаточности материальных средств в городском бюджете. Использование систем подобного рода, основанных на актуальных данных и средствах ГИС позволяет значительно сократить время на выполнение работ и снизить трудоемкость рабочего процесса, что, несомненно, принесет только положительные результаты и поможет в общем процессе муниципального управления.
 Рис. 1. Спутниковый снимок города Вятские Поляны, представленный в приложении ArcGIS ArcMap |
 Рис. 2. Улично-дорожная сеть города, оцифрованная по спутниковому снимку |
 Рис. 3. Векторная основа города Вятские Поляны, полученная методом векторизации спутникового снимка |
 Рис. 4. Векторная основа города с классификацией дорог по значению и визуализацией подписей объектов |
 Рис. 5. Визуализация данных мониторинга состояния дорожной сети |
 Рис. 6. Модель первого этапа |
 Рис. 7. Представление результатов построения маршрутов на карте города |
 Рис. 8. Один из 10-ти блоков модели третьего этапа |
 Рис. 9. Модель четвертого этапа |
 Рис. 10. Результат работы алгоритма (красным, желтым, светло-синим и зеленым цветами показаны участки, по очереди на ремонтные работы отнесенные к 1-му, 2-му, 3-му и 4-му классам, соответственно) |
