автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Методы и алгоритмы моделирования среды обитания традиционных поселений

На правах рукописи

005062250 ^^

Шлей Михаил Дмитриевич

МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ СРЕДЫ ОБИТАНИЯ ТРАДИЦИОННЫХ ПОСЕЛЕНИЙ

Специальность 05.13Л 8 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 7 ИЮН 2013

Петрозаводск - 2013

005062250

Работа выполнена на кафедре теории вероятностей и анализа данных ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Рогов Александр Александрович

Официальные оппоненты:

Колесников Геннадий Николаевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет», заведующий кафедрой механики

Чиркова Юлия Васильевна,

кандидат физико-математических наук, ФГБУН Институт прикладных математических исследований Карельского научного центра РАН, старший научный сотрудник лаборатории информационных компьютерных технологий

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет»

Защита состоится «26» июня 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.190.03 на базе ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет» по адресу: 185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Петрозаводского государственного университета.

Автореферат разослан «1Ь » мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Р. В. Воронов

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования.

С целью решения задачи по выявлению этнических особенностей в планировочной структуре традиционных сельских поселений проводятся комплексные историко-архитектурных исследования. При этом требуется выполнить большое количество наблюдений и громоздких вычислений объемно-планировочных характеристик построек, что существенно замедляет процесс исследования. Применение информационных технологий и математического моделирования позволяет значительно ускорить этот процесс.

Большой вклад в развитие методов определения количественных объемно-планировочных характеристик объектов поселений и проведение историко-архитектурных исследований внесли ученые В. П. Орфинский, И. Е. Гришина, Т. М. Хрол, В. Ф. Гуляев, А. Ю. Борисов. Однако в подобных исследованиях, как правило, используются упрощенные методы моделирования среды обитания - совокупности природно-климатических условий, ландшафта местности и застройки, что приводит к неточностям в вычислениях.

Таким образом, задачи, рассматриваемые в данном диссертационном исследовании, остаются актуальными. Степень разработанности темы исследования.

Современные методы определения объемно-планировочных характеристик основываются на анализе генеральных планов местности. Существующие программные продукты не используют трехмерные модели, а значит, не дают достаточную точность численных характеристик и не в полной мере автоматизируют процесс проведения историко-архитектурных исследований.

Цель работы: Нахождение объемно-планировочных характеристик построек, требуемых при проведении историко-архитектурных исследований поселений, средствами математического моделирования архитектурно-строительных объектов среды обитания.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих методов моделирования поселений.

2. Разработать алгоритм автоматического распознавания объектов сельских поселений на цифровом плане местности.

3. Разработать метод построения трехмерной модели поселения, пригодной для расчета количественных характеристик объектов поселений.

4. Разработать алгоритм построения зон видимости пространственных объектов поселений.

5. Разработать метод расчета продолжительности инсоляции строений.

6. Реализовать разработанные алгоритмы в программной системе.

Методология и методы исследования: Использованы методы аналитической и вычислительной геометрии, численные методы кластерного анализа. При разработке программного комплекса использованы методы объектно-ориентированного программирования, методы работы с трехмерной графикой.

Положения, выносимые на защиту:

1. Предложенная новая математическая модель сельского поселения позволяет определять объемно-планировочные характеристики инсоляции и видимости построек поселения.

2. Разработанный численный метод позволяет построить зоны видимости исследуемых объектов поселения. Даны рекомендации по выбору параметров для данного метода.

3. Разработанный численный метод автоматизирует расчеты продолжительности инсоляции жилых построек. Даны рекомендации по выбору параметров для данного метода.

4. Разработанный программный комплекс (ИС СКАПС) реализует предложенные модель и численные методы и предназначен для проведения комплексных исследований структурообразующих элементов традиционных сельских поселений.

Научная новизна:

1. Разработан алгоритм распознавания объектов на цифровых векторных генеральных планах местности традиционных сельских поселений Русского Севера.

2. Предложен численный метод построения зон видимости объектов поселений с использованием количественной оценки видимости данных объектов.

3. Предложена математическая модель для расчета продолжительности инсоляции построек традиционных сельских поселений.

Теоретическая и практическая значимость.

Предложенные методы и алгоритмы могут использоваться при проведении историко-архитектурных исследований традиционных поселений Русского Севера, а также при выборе места размещения проектируемой застройки.

Степень достоверности.

Достоверность результатов проведенных исследований подтверждена на примере проведения исследований реальных традиционных поселений.

Апробация работы.

Результаты диссертационного исследования были представлены на следующих конференциях:

1. III Международная научно-практическая конференция «Информационная среда вуза XXI века» (Петрозаводск, 2009).

2. V Международная научно-практическая конференция «Информационная среда вуза XXI века» (Петрозаводск, 2011).

3. VI Международная научно-практическая конференция «Информационная среда вуза XXI века» (Куопио, Финляндия, 2012).

4. Международная конференция «Компьютерные технологии и математические методы в исторических исследованиях» (Петрозаводск, 2011).

5. XVI Ежегодная международная научно-практическая конференция АДИТ "Культурное наследие и информационных технологий" ("АДИТ - 2012") (Петрозаводск, 2012).

6. 15-я Всероссийская конференция «Математические методы распознавания образов» (ММРО-15) (Петрозаводск, 2011).

7. 15-я Всероссийская конференция «Интернет и современное общество» (информационные системы для научных исследований) (Санкт-Петербург, 2012).

8. Всероссийская студенческая олимпиада "Молодежь и высокие технологии" (Вологда, 2010).

9. Научно-Методическая конференция «Университеты в образовательном пространстве региона: опыт, традиции и инновации» (Петрозаводск, 2010).

10.63-я научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых.

— (Петрозаводск, 2011).

11.62-я научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых.

— (Петрозаводск, 2010).

Разработанный программный комплекс был апробирован на примере проведения историко-архитектурных исследований в рамках гранта Российской академии архитектуры и строительных паук для молодых ученых на тему: «Тенденция к южной ориентации застройки и ее роль в формировании планировочной структуры традиционных сельских поселений Русского Севера» (руководитель гранта А. Ю. Борисов). Программы для ЭВМ, входящие в состав программного комплекса, были зарегистрированы в Объединенном фонде электронных ресурсов «Наука и образование» (ОФЭРНиО) № 18469 и № 18468 от 24.07.2012.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы (108 наименований), имеет объем 109 страниц машинописного текста, включая 7 страниц приложений, содержит 43 рисунка и 3 таблицы.

Содержание работы

Во введении содержится обоснование актуальности темы диссертации, формулируется цель диссертации, представлены основные результаты, научная новизна, практическая значимость работы, а также описание структуры диссертации.

В первой главе рассматриваются особенности проведения историко-архитектурных исследований памятников деревянного зодчества на территории Русского Севера. При проведении данных исследований возникают

задачи по обработке большого количества данных или проведения большого количества наблюдений для расчета объемно-планировочных характеристик среды обитания. Исследованы существующие методы определения объемно-планировочных характеристик поселений, в том числе основанные на использовании информационных технологий.

Существующие программные решения при моделировании объектов среды обитания не используют сведения о рельефе местности, а для расчета ряда характеристик необходимы данные о взаимном пространственном положении объектов поселения, которые можно представить только с помощью трехмерных моделей.

Данное диссертационное исследование посвящено моделированию объектов среды обитания с использованием трехмерных моделей и разработке алгоритмов для анализа структурообразующих элементов застройки традиционных поселений Русского Севера. В качестве исходной информации предлагается использовать цифровые векторные генеральные планы местности, подготовленные в системе AutoCAD в соответствии с классическими в строительстве правилами обозначения различных объектов местности. Для построения модели поселения на основе плана местности разработан алгоритм распознавания объектов поселений на цифровых векторных картах.

План поселения выполнен в виде проекции всех объектов поселения на плоскость и представлен в векторном формате; в качестве примитивов при обозначении объектов местности используются отрезки. Поэтому план представляет собой массив отрезков А:Вп лежащих в одной плоскости, где i eZJ- номер отрезка, точка А — начало отрезка, В — соответственно конец.

На первом этапе работы алгоритма выполняется поиск жилых построек. Для этого из исходного набора отрезков выбираются пары отрезков, являющиеся обозначением главного фасада жилого здания. В результате анализа правил обозначения жилых зданий на плане местности сделан вывод, что два произвольных отрезка AtBt и А2В2 обозначают главный фасад, если выполняются следующие условия:

1. А,В, параллелен А2В2 и А,А2 перпендикулярен A^Bi И В,В2 перпендикулярен AtBt . То есть отрезки являются сторонами прямоугольника.

iTTi < р' где р ~~ параметр, указывающий отношение расстояния между

отрезками, обозначающими главный фасад, к их длине. Данный параметр указывается исследователем или определяется эвристическим алгоритмом для заданного исследователем диапазона количества построек на карте.

После того, как обозначения всех главных фасадов будут найдены, выполняется выделение жилых построек. Для этого используется алгоритм, основанный на методах кластерного анализа. Поместим найденные пары отрезков в К групп. Все другие оставшиеся отрезки (свободные) помещаем в группу К +1, которую обозначим Н. Пусть таких отрезков будет т . Далее каждый отрезок из группы Н будем проверять на близость груп-

пам от 1 до К. Для этого определим функцию близости произвольного отрезка Л„в0 группе Срп где / = 1 ...л.

1, если АЯВ0 пересекается с любым отр. из

и р(Аа ,Щ<йи /?(£>, В0) < с1, Уточки Я е Ср),

Р(АЛВгпС}0)) = ■ где рО — расстояние между двумя точками, с! — параметр пользователя, характеризующий размер постройки.

О,иначе

В случае если отрезок близок группе (значение функции = 0), проверяемый отрезок необходимо присоединить к группе, иначе группа не меняется. Данный процесс повторяется до тех пор, пока группы не перестанут меняться. В итоге работы алгоритма получим, что в группах от 1 до К будут сгруппированы отрезки, относящиеся к выделенным постройкам.

Кроме жилых построек на плане также присутствуют обозначения дополнительных объектов: сараи, пристройки, линии дорог и огородов, которые тоже необходимо найти. Для этого воспользуемся алгоритмом «Форель-1» (параллельная кластер-процедура).

Пусть А,В,, ¡ = \...К - набор отрезков, оставшихся на плане местности после выделения жилых построек. На первом этапе проведем поиск вспомогательных построек. Рассмотрим совокупность точек концов отрезков {а1,..,Л,,В1,...,В1}. Выберем произвольную точку и найдем все точки, лежащие рядом с ней на расстоянии не больше чем й (задается исследователем). После этого для данной группы производим поиск точки центра масс С, координаты которой будут равны среднеарифметическому координат всех точек группы. Затем находим все точки ближайшие к С (расстояние < О) и рассчитываем новый центр масс. Продолжаем до тех пор, пока точки, попавшие в группу, не перестанут меняться. Если отрезки, к которым принадлежат данные точки, можно включить в окружность с радиусом 1>, то переносим данные отрезки в класс , обозначающий дополнительную постройку, иначе переносим в класс Ь, обозначающий вспомогательные линии на плане местности. После этого из всех оставшихся точек опять выбирается произвольная и повторяется вышеуказанная процедура для поиска дополнительного объекта Л'2 и т.д.

После работы данной процедуры в классах будут находиться

объекты, обозначающие сараи и пристройки, а в классе Ь - все оставшиеся вспомогательные линии на карте.

В результате работы алгоритма распознавания построек из исходного массива отрезков Д.В, выделяются наборы отрезков Л':таких, что каждый набор представляет собой обозначение одной постройки на карте. Кроме этого, у жилых построек, предоставляющих историко-архитектурный интерес, определяется расположение главного фасада и входной стены. Перпендикуляр, проведенный к главному фасаду, определяет азимут его направления.

Сложность алгоритма распознавания оценивается как 0(N2). Апробация алгоритма была проведена на 54 генеральных планах сельских поселений Русского Севера. В результате апробации были получены следующие характеристики:

• Полнота: 0,96.

• Точность: 0,99.

• Время работы: 2-5 сек. (количество отрезков в среднем 2000, процессор Intel(R) Соге(ТМ) 2 CPU 6420 @ 2,13 GHz)

• Предлагаемые параметры алгоритма:

■ d - 15 метров (от размеров жилого строения).

■ г — 8 метров (от размеров хоз. постройки).

Предложенный алгоритм позволяет существенно ускорить ввод в

систему исходной информации о поселении. Апробация алгоритма на реальных генеральных планах традиционных поселениях Русского Севера показала его высокую точность, а, следовательно, возможность использования при разработке инструментов, позволяющих проводить историко-архитектурный анализ поселений.

Во второй главе рассматриваются существующие методы оценки видимости с использованием трехмерных моделей. Предлагается новый метод получения количественной оценки видимости объектов поселения. На основе данного метода разработан алгоритм построения зон видимости исследуемых структурообразующих элементов поселений.

Оценка видимости объекта из заданной точки местности характеризует степень зрительного восприятия объекта. Определив оценки видимости из различных точек поселения, можно построить зоны видимости исследуемого объекта. Под зоной видимости понимается зона, в пределах которой обеспечен визуальный обзор исследуемого объекта. Для более точного построения зон видимости необходимо провести анализ как можно большего числа точек поселения.

Использование трехмерных математических моделей поселения позволяет выполнять анализ возможности прохождения лучей от заданной точки до исследуемого объекта в трехмерном пространстве для определения видимых частей объекта. Таким образом, с помощью трехмерных моделей можно определять зоны местности, из которых лучи видимости могут беспрепятственно доходить до исследуемого объекта.

На практике для моделирования поверхностей чаще всего используют нерегулярные триангуляционные сети, поскольку данные структуры дают высокое качество аппроксимации поверхности, в отличие от регулярных прямоугольных сетей. В случае создания модели поселения поверхность каждой постройки и рельефа местности представляются в виде триангуляционных сеток, состоящих из треугольников, каждая вершина которых задается при помощи трехмерных координат. Таким образом, модель поселения представляется в виде набора треугольников Н, который разделяется на: массив треугольников R, описывающих поверхность рельефа;

массив треугольников Р, описывающих поверхности всех объектов поселения, кроме исследуемого объекта; массив треугольников D, описывающих поверхность исследуемого объекта (например, поверхность одного из строений или водоема). Описываемая с помощью треугольной сетки модель поселения относится к классу полигональных структурных математических моделей.

В работе предлагается метод построения трехмерной модели поселения, который состоит из двух этапов. На первом этапе моделируется поверхность рельефа на основании матрицы высот. На втором этапе создаются модели других найденных на плане местности объектов.

Взаимное расположение объекта наблюдения и зрителя может быть таким, что лучи зрения от его глаз проходят ко всем точкам объекта наблюдения беспрепятственно (прямая беспрепятственная видимость). В другом случае часть объекта может быть закрыта от зрителя и лучи зрения проходят только к части наблюдаемого объекта (ограниченная видимость). В качестве преграды для лучей могут выступать другие постройки или возвышенности рельефа местности.

В случае использования трехмерной модели, в которой для задания объектов используется триангуляция их поверхностей, вся модель представляет собой совокупность треугольников, которую мы обозначим Н. Тогда под беспрепятственной видимостью произвольного треугольника ABC (ABC е II) из некоторой точки /V понимается такое расположение всех других треугольников из множества Н, что ни один из них не будет попадать в пирамиду видимости ABCN. Если один или несколько треугольников из множества Я будут создавать преграду (тень) для некоторых лучей видимости, видимость треугольника ABC из точки N будет ограниченной. Если данная тень будет перекрывать весь треугольник ABC, видимость будет отсутствовать.

В качестве количественной характеристики прямой видимости (далее просто видимости) треугольника берется площадь центральной проекции этого треугольника на плоскость, перпендикулярную направлению взгляда на центр масс треугольника и удаленную на расстояние 1 от глаза (центра проекции). Отметим особо, что для каждого треугольника получается своя плоскость, чем достигается большая правдоподобность в имитации движения глаз реального наблюдателя. Пример построения данной проекции представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Построение проекции объекта наблюдения

В данном примере плоскость d перпендикулярна прямой NO и находится на расстоянии NO'= 1 от точки наблюдения N . Данная плоскость выполняет функцию экрана для наблюдения треугольника ABC. Площадь треугольника А'В'С' используется в качестве оценки видимости треугольника ABC из точки N.

Для расчета оценки видимости треугольника из заданной точки используется следующий алгоритм.

Шаг 1. Уравнение плоскости d, необходимой для проекции треугольника ABC, находящейся на расстоянии 1 от точки N и перпендикулярной прямой ON, имеет вид Ad х + Bd у + Cd z + (l-Ad х0 -Bd у0 -Cd z0) = 0 , где

Aj = х" ~х° = у,"~у.° ,С, - z"~z,° , a x„,v„,z„— координаты центра тяжести J |CW| |CW| d |CW| ° °

треугольника ABC.

Шаг 2. Координата вершины A'(xa,,ya.,za,) проекции треугольника ABC на плоскость d вычисляются следующим образом.

х.=х +(х -х ) ~ + В'(У» ~ Уо~> + сДг- ~ zo) +1

= v +fv у )АЛ*п ~хо) + вЛУ„ -y0) + Cd(Zn-Zo) + l Mx„-xa) + Bd(y„-ya) + Cd(zr-za) z =ж +(z - )AA^-x0) + Bd(yn-y0) + Cd(^zn-z1)) + ] . Ad(x„-xa) + Bd(yn-yJ + Cd(z„-za)

Аналогичным способом находим координаты остальных вершин В'{хь,, уь, ,zb.), С'(хс.,ус., zc.).

Шаг 3. Оценка видимости треугольника ABC из точки N равна площади треугольника А'В'С', т.е. половине длины вектора, полученного как векторное произведение сторон треугольника А'В'С'.

S(A'B'C')=^AB'xAC' = —|Л'.8'|-|Л'С'| sin((ZJ), где <p угол между векторами А'В' и А'С'.

Шаг 4. Возвращаем оценку видимости треугольника S(A'B'C'). Выход из алгоритма.

Предложенный алгоритм оценки видимости треугольника из произвольной точки трехмерного пространства предназначен для случая с беспрепятственной видимостью треугольника. Но при анализе видимости объемного объекта, поверхность которого построена при помощи триангуляции, будут возникать случаи с ограниченной видимостью треугольников и с отсутствием видимости. При условии, что объект будет построен при помощи большого количества маленьких треугольников, случай с ограниченной видимостью можно свести к беспрепятственной видимости или к отсутствию видимости. Для этого используется следующий критерий: под беспрепятственной видимостью треугольника ABC из точки наблюдения N понимается такое расположение всех других треугольников из множества Я, что ни один из них не будет пересекать отрезок соединяющий точку N с центром масс треугольника точкой О, иначе видимость треугольника будет отсутствовать.

Видимость центра масс треугольника ЛВС из точки N, означает видимость самого треугольника. В связи с этим, определяется необходимое условие к треугольникам полигонального покрытия объекта: треугольники должны быть маленького размера (маленькая площадь по отношению к исследуемому объекту), необходимо избежать использования «тонких» треугольников, то есть вершины треугольников должны быть как можно ближе к центру треугольника. При построении модели исследуемого объекта в системе используется полигональная сеть, построенная при помощи метода «триангуляция Делоне», которая дает необходимые треугольники.

Для определения оценки видимости исследуемого объекта целиком предложен алгоритм оценки видимости объекта из заданной точки, суть его работы заключается в оценке видимости каждого треугольника объекта при выполнении условия беспрепятственной видимости. Сумма полученных оценок будет являться оценкой видимости исследуемого объекта.

Используя предложенный метод оценки видимости можно построить зоны видимости исследуемого объекта на генеральном плане местности. Пусть исследуемая территория ограничена прямоугольником ABCD. Точка О - центр прямоугольника. Суть работы процедуры заключается в разбиении территории на квадраты (с заданной стороной АР) и выполнении расчет оценки видимости исследуемого объекта для каждого квадрата. Под оценкой видимости объекта с заданного квадрата понимается оценка видимости объекта из центра данного квадрата.

Определим, на какое количество квадратов с размером стороны АР можно разделить исследуемую территорию ABCD. Сторона AD делится на

п = 2

АР 2 АР

квадратов, сторона АВ на т- 2

АВ

2 АР

квадратов. Общее коли-

чество квадратов пт.

Замечание: Полученное число квадратов всегда целое и четное. Сетка квадратов для построения зон видимости строится таким образом, чтобы она была симметрична относительно центра прямоугольника АВСИ. В случае если исследуемая территория не разбивается на целое число квадратов, в областях рядом с границей построение зон видимости не выполняется (на рисунке 2 данные области выделены штриховкой).

Координаты всех точек наблюдения определяются массивом М . Координаты точек наблюдения определяются следующим образом:

Ми + + где 1 = \...т,] = \...п.

После этого, при помощи алгоритма расчета оценки видимости объекта определяются все необходимые оценки видимости (У — массив оценок видимости) исследуемого объекта со всех квадратов, на которые была разбита территория: У,и = , где - функция определения оценки видимости исследуемого объекта из заданной точки.

Далее для каждой точки наблюдения определяется степень видимо-

к,» - с,

вывода на экран зон видимости объектов. В зависимости от степени видимости объекта каждому квадрату присваивается определенный цвет. Чем выше оценка видимости, тем цвет темнее. Заметим, что в случае, если размеры исследуемого объекта будут малыми или объект будет удален на достаточно большое расстояние от точки наблюдения, оценка его видимости будет близка к нулю. Таким образом, если разрешающий угол обзора объекта из заданной точки будет меньше I'9" (минимальный разрешающий угол для глаза), данная точка будет попадать в зону отсутствия видимости.

На рисунке 2 приведен пример результата работы данного алгоритма. На исследуемой территории расположены две постройки. Территория разбита на квадраты со стороной равной ОО, = АР. Для постройки (объект наблюдения), закрашенной темным цветом, построены зоны ее видимости. Наилучшая видимость постройки обеспечивается с ближайших квадратов, которые закрашены более темным цветом. В квадратах с центрами Уп, У,,

видимость отсутствует, поскольку вторая постройка является препятствием для наблюдения исследуемого объекта.

сти объекта (по q -бальной шкале) Уд, , =

для построения и

Рис. 2. Пример работы алгоритма построения зон видимости

В ходе работы алгоритма выполняется большой объем вычислений. Процесс построения зон видимости занимает достаточно продолжительное время (для поселений большой площади и большом количестве точек наблюдения время работы процедуры может занимать несколько часов). Поэтому, если исследователю необходимо оперативно получить предварительную информацию о видимости объекта, данный режим работы не удобен для него. Для решения данной проблемы предложен прогрессивный алгоритм построения зон видимости, суть работы которого заключается в поэтапном разделении территории на квадраты. На первом этапе берутся большие размеры квадратов и, таким образом, строятся зоны видимости с низким разрешением, затем на следующем этапе большие квадраты разбиваются на девять равных квадрата с меньшими размерами для построения более детальных зон. Процедура разбиения продолжается до тех пор, пока не будут получены квадраты с размерами заданными пользователем. Зная общее количество точек наблюдения (пт), можно определить количество этапов по следующей формуле: к = 1о§3(шт(и,ш)) +1. Аналогичный подход применяется при передаче изображений через интернет. Например, при загрузке большого изображения в браузере, оно показывается сначала в плохом качестве, а затем по мере загрузки качество улучшается.

На рисунке 3 приведен пример работы процедуры построения зон видимости в прогрессивном режиме работы за 2 этапа. Вариант а) отображает разделение территории на квадраты для первого этапа, вариант б) -разделение для второго этапа. Серым фоном отмечены квадраты, для которых не требуется выполнять расчет оценки видимости. Варианты в) и г) показывают построенные зоны видимости на различных этапах.

В 4i1.m1 /v. с в с Ш Ш _ш ш

О', о, А а О о, о D А 0) D

Ш

Ji В — I:ft i IF г)

Рис. 3. Прогрессивный алгоритм построения зон видимости

Апробация алгоритма построения зон видимости объектов поселений выполнялась на нескольких поселениях. Оценивались временные характеристики алгоритма и точность построения зон видимости в зависимости от таких параметров, как размеры квадратов, на которые разбивается территория, размеры треугольников, использующихся при моделировании поверхности исследуемого объекта. Для достижения наиболее оптимальных результатов по критериям время и точность оценки были предложены следующие параметры: размер стороны квадрата для разделения исследуемой территории на участки — Зм. Максимальный размер стороны треугольника поверхности исследуемого объекта - 0,3 м для постройки и 3-7 метров для водоема. Время работы алгоритма при построении зон видимости водоема на примере поселения Лахта занимает 1 час 45 минут (вычисления выполнялись с использованием четырех ядерного процессора Intel(R) Xeon(R) CPU Е5-2603, площадь территории 720x590 м2, площадь квадрата для определения точек наблюдения — 1 м2).

Следует заметить, что при решении данной задачи в классическом виде исследователю необходимо выполнить этап полевых работ по сбору информации о видимости исследуемого объекта. Данный этап может занимать от нескольких дней до нескольких недель. Поэтому выполнение алгоритма даже на относительно «слабых» вычислительных системах позволяет повысить скорость и точность проведения исследований поселений.

На рисунке 4 представлен результат определения зон видимости одной из построек поселения. Наилучшая видимость объекта характерна для наиболее темных областей. Размер квадратов, для которых определялась

оценка видимости не подсчитывалась для ускорения алгоритма, поскольку для данной области информация о видимости объекта не актуальна.

Рис. 4. Зоны видимости одиночного здания

На рисунке 5 приведен результат построения зон видимости водоема. Размер квадратов, для которых определялась оценка видимости, — 1м. В радиусе 5 метров от водоема оценка видимости не рассчитывалась.

Рис. 5. Зоны видимости водоема

Полученный результат можно использовать для выбора места строительства, которое обеспечивает возможность отличного обзора водоема. Также с помощью построенных зон видимости можно проводить исследование исторических поселений с целью выявления структурообразующих элементов застройки.

Используя метод оценки видимости объектов, можно определить степень замкнутости застройки. Для этого в качестве исследуемого объекта используется массив К, который включает в себя все строения поселения. Каждое строение поселения описывается набором треугольников В качестве оценки замкнутости для заданной точки местности используется оценка видимости всех строений поселения. Оценка замкнутости рассчитывается для различных точек поселения и с их помощью строятся зоны замкнутости застройки.

В третьей главе описывается алгоритм расчета продолжительности освещения строений на основе планировочной структуры строения и информации о широте местности и месяце наблюдения.

В классическом варианте проведения исследования влияния инсоляции на планировочную структуру поселения исследователю необходимо провести расчет продолжительности инсоляции различных частей каждой постройки, после чего рассчитать ряд статистических показателей об освещенности для выявления наиболее характерных значений по поселению

в целом. Данный процесс довольно трудоемкий и занимает у исследования много времени.

Предлагаемый алгоритм основан на методе определения продолжительности инсоляции, предложенном Б. А. Дунаевым, сущность которого заключается в совмещении так называемой «солнечной карты» и светотени окна для подсчета количества часов, в течение которых солнечный свет сможет проникать в помещение. Используя информацию о широте местности, месяце наблюдения и планировочной структуре постройки можно построить математическую модель для анализа освещения помещения через окна. Данная модель может быть проиллюстрирована на примере избы с односторонним освещением (рисунок 6). Помещение освещается в том случае, если поток солнечного света находится в границах горизонтального инсоляционного угла окна, значение которого определяется геометрическими размерами оконного проема и толщиной стены.

Рис. 6 Изба с односторонним освещением.

Аналогичным образом определяется вертикальный инсоляционный угол окна, величина которого так же зависит от высоты окна и толщины стены. Данный угол в предложенной модели не учитывается, поскольку его значение для традиционных жилых построек достигает 69°, а на рассматриваемой территории («Русский Север» — от 55° до 65° в с.ш.) солнце не поднимается над горизонтом на угол выше 50°.

С помощью метода Дунаева для определенной широты местности и времени наблюдения можно построить модель движения солнца. Далее с помощью модели можно определить проекцию траектории движения солнца на горизонтальную плоскость. Результат построения данной проек-

ции для широты местности 60° и месяца апреля представлен на рисунке 7 в виде эллипса. Точками на эллипсе указано положение солнца в определенные часы суток. Обозначим данные точки как Н1, при этом номера точек будут соответствовать часам. Точками В и 3 указаны точки, в которых траектория солнца пересекает горизонтальную плоскость (точки восхода и заката солнца). Данный график, описывающий модель движение солнца, называется солнечной картой. С ее помощью можно определить местоположение проекции солнца на горизонтальную плоскость для произвольного времени суток и наоборот.

Зная толщину стен и ширину оконного проема, можно рассчитать горизонтальный инсоляционный угол окна. Далее, согласно методике Дунаева, данный угол необходимо совместить с построенной солнечной картой и подсчитать количество часов в течение, которых проекция солнца будет попадать в инсоляционный угол окна.

В результате, на основе входных данных: ширина окна, толщина стен, месяц наблюдения, широта местности и азимут стены, на котором находится окно, производится расчет продолжительности освещения внутреннего пространства избы.

Данный метод используется для подсчета продолжительности инсоляции других типов постройки и их различных частей. Для этого определяются соответствующие инсоляционные углы, и при помощи алгоритма подсчитывается продолжительность освещения.

Проверка предложенной модели выполнялась при помощи сравнения рассчитываемых значений с табличными данными. Полученный результат подтвердил точность рассчитываемых значений.

При проведении исследования инсоляции по поселению для каждой постройки рассчитывается продолжительность освещения ее частей, а затем рассчитываются наиболее характерные значения продолжительности инсоляции по всем постройкам поселения.

В четвертой главе описывается программный комплекс, предназначенный для проведения комплексных историко-архитектурных исследований традиционных поселений Русского Севера.

Данный программный комплекс позволяет решать следующие задачи:

1. Распознавать объекты на цифровом векторном плане местности, представленном в формате

2. Выполнять построение трехмерной модели поселения на основе информации о распознанных объектах и матрицы высот местности.

3. Рассчитывать продолжительность инсоляции каждой постройки на основе ее планировочной структуры и математической модели определения инсоляции.

4. Строить зоны видимости исследуемого структурообразующего объекта ландшафта или архитектуры и зоны замкнутости застройки.

5. На основании результатов расчета инсоляции для каждой постройки и оценки видимости исследуемого объекта из постройки выявлять наиболее типичные постройки, моду для характеристик, выполнять кластеризацию построек по следующим признакам: инсоляция, видимость объекта, направленность главного фасада.

В заключении формулируются результаты диссертационного исследования.

Заключение

Основными результатами диссертационного исследования являются:

1. Разработан алгоритм распознавания объектов сельских поселений на цифровом векторном плане местности. Апробация алгоритма на реальных исторических поселениях Русского Севера показала его высокую скорость и точность, а, следовательно, возможность использования при разработке инструментов, позволяющих проводить историко-архитектурный анализ поселений. Определены значения параметров, обеспечивающие эффективную работу алгоритма.

2. Разработан метод построения математической модели поселения, с использованием трехмерной полигональной сетки. Построенная модель поселения представляет собой массив треугольников, описывающих поверхность рельефа поселения, поверхности всех найденных построек и поверхность исследуемого объекта.

3. Разработан метод получения количественной оценки видимости объектов местности с использованием предложенной трехмерной модели поселения. Апробация алгоритма показала, что его можно использовать для решения задач построения зон видимости объектов архитектуры и элементов ландшафта, а также зон замкнутости застройки поселения.

4. Разработан метод определения продолжительности инсоляции различных частей постройки на основании информации об ее планировке, месяца наблюдения и широты местности поселения.

5. Предложенные методы и алгоритмы реализованы в программном комплексе СКАПС, предназначенном для проведения комплексных историко-архитектурных исследований традиционных поселений Русского Севера. Апробация данного программного комплекса выполнялась при проведении исследований влияния инсоляции на застройку ряда реальных традиционных исторических поселений, при построении зон видимости объектов сельских поселений и на примере объектов многоэтажной городской застройки.

Работа имеет законченный характер, к перспективам ее развития можно отнести: реализацию предложенных методов и алгоритмов по оценке видимости на базе открытых программных продуктов, предназначенных для создания трехмерных сцен, реализацию модулей системы СКАПС в виде луеЬ-решений, а также исследование возможности уменьшения времени работы алгоритма построения зон видимости объектов поселений за счет использования высокопроизводительных средств графических систем персональных компьютеров.

Публикации по теме диссертации

1. Шлей, М. Д. Алгоритм построения зон видимости объектов поселений / М. Д. Шлей // Вестник Южно-Уральского университета. — 2013. - т. 6, Вып.1. - С. 112-123.

2. Шлей, М. Д. Особенности компьютерной реализации построения зон видимости объектов с учетом застройки и рельефа местности / М. Д. Шлей, А. А. Рогов, К. В. Матюшичев // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технических науки. — 2013. — № 2. — С. 107-113.

3. Шлей, М. Д. Разработка математической модели для расчета продолжительности инсоляции построек и се компьютерная реализация / М. Д. Шлей, А. Ю. Борисов // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки. — 2011. — № 6. — С. 87-90.

4. Шлей, М. Д. Информационная система расчета характеристик планировочной структуры традиционных сельских поселений

пауки и образования. — электрон, ст. - М.: Издательский Дом "АКАДЕМИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ, 2012. - № 6. - Режим доступа: http://wvvw.science-education.rU/pdf/2012/6/320.pdf.

5. Shley, М. D. Mathematical models for historical and architectural analysis of traditional rural settlements of the Russian North / M. D. Shley, A. Yu. Borisov // Информационный бюллетень Ассоциации "История и компьютер". № 37. Труды международной конференции "Компьютерные технологии и математические методы в исторически исследованиях" (Петрозаводск, 11-16 июля 2011 г.). — Петрозаводск, 2011. — С. 116-120.

6. Шлей, М. Д. Методы оценки пространственных характеристик сельских поселений Карелии [Электронный ресурс] / М. Д. Шлей, А. Ю. Борисов // Электронные библиотеки. — ' электрон, ст. — 2010. - Т. 13. № 2. - Режим доступа к ст.: http://www.elbib.ru/index.phtml?page=elbib/rus/journal/2010/part2/SB, свободный.

7. Шлей, М. Д. Информационная среда для проведения комплексного архитектурного анализа объемно-планировочной структуры традиционных сельских поселений Русского Севера / М. Д. Шлей, А. Ю. Борисов // Материалы III Международной научно-практической конференции "Информационная среда вуза XXI века" (21 - 25 сентября 2009 г.). -Петрозаводск, 2009. - С. 225-226.

8. Шлей, М. Д. Методы и алгоритмы распознавания объектов сельских поселений на цифровой карте / М. Д. Шлей, А. А. Рогов, А. Ю. Борисов // Математические методы распознавания образов: 13-я всероссийская науч.-практ. конф., г. Петрозаводск (11-17 сентября 2011 года). - М.: МАКС Пресс, 2011. - С. 571 -574.

9. Шлей, М. Д. Особенности реализации математических моделей в информационной системе анализа планировочной структуры традиционных сельских поселений / М. Д. Шлей // Материалы VI международной научн.-практ конф. "Информационная среда вуза XXI века" (410 декабря 2012 г.). - Петрозаводск, 2012. - С. 156-161.

10. Шлей, М. Д. Создание Web-pecypca по исследованию традиционных поселений Русского Севера / М. Д. Шлей, А. Ю. Борисов // Информационная среда вуза XXI века : материалы V Международной науч.-практ. конф. "Информационная среда вуза XXI века" (26-30 сентября 2011 г.). - Петрозаводск, 2011. - С. 202-204.

11. Шлей, М. Д. Применение компьютерных технологий для комплексного историко-архитектурного анализа планировочной структуры традиционных поселений Русского Севера / М. Д. Шлей, А. Ю. Борисов, К. В. Матюшичев, А. А. Рогов // Информационные системы для научных исследований: Сборник начных статей. Труды XV Всероссийской объединенной конференции "Интернет и современное общество". -СПб: ООО "МультиПроджектСистемСервис", 2012. - С. 139-142.

12. Шлей, М. Д. Информационная система историко-архитектурного анализа объемно-планировочной структуры традиционных сельских поселений Русского Севера / М. Д. Шлей // Материалы всероссийской студенческой олимпиады (Всероссийский конкурс компьютерных программ). - Вологда: ВоГТУ, 2010. - С. 59-61.

13. Шлей, М. Д. Информационная система комплексного историко-архитектурного анализа объемно-планировочной структуры традиционных сельских поселений Русского Севера / М. Д. Шлей, А. Ю. Борисов // Университеты в образовательном пространстве региона: опыт, традиции и инновации: Материалы научно-методической конференции, посвященной 70-летию Петрозаводского государственного университета (16-17 февраля 2010 г.). - Петрозаводск, 2010. - С. 312-316.

14. Шлей, М. Д. Система для определения зон видимости объектов поселений / М. Д. Шлей // Хроники объединенного фонда электронных ресурсов "Наука и образование", № 7, — 2012. — Режим доступа: http://ofernio.rU/portal/newspaper/ofernio/2012/7.doc, свободный.

15. Шлей, М. Д. Система расчета продолжительности инсоляции традиционных построек сельских поселений / М. Д. Шлей, А. Ю. Борисов // Хроники объединенного фонда электронных ресурсов "Наука и образование", № 7, — 2012. — Режим доступа: http://ofernio.rU/portaI/newspaper/ofernio/2012/7.doc, свободный.

16. Шлей, М. Д. Программная реализация методики оценки режима визуальной связи застройки и структурообразующих элементов в традиционных сельских поселениях / М. Д. Шлей // Материалы 63-й научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. — Петрозаводск: Издательство ПетрГУ, 2011 — С. 169-170.

17. Шлей, М. Д. Разработка алгоритма распознавания построек на цифровом плане местности / М. Д. Шлей // Материалы 63-й научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. — Петрозаводск: Издательство ПетрГУ, 2011. - С. 105-106.

18. Шлей, М. Д. Влияние традиционных представлений о природе на объемно-планировочную структуру традиционных сельских поселений русского севера и их комплексный автоматизированный историко-архи-тектурный анализ / М. Д. Шлей // Материалы 62-научной конференции студентов аспирантов и молодых ученных. — Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2010.-С. 8-9.

19. Шлей, М. Д. Компьютерное моделирование особенностей деревень Карелии / М. Д. Шлей // Материалы 62-научной конференции студентов аспирантов и молодых ученных. - Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2010.-С. 74-75.

Подписано в печать 20.05.2013. Формат 60x84 '/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 100 экз. Изд. № 154.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Отпечатано в типографии Издательства ПетрГУ 185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33

Петрозаводский государственный университет

На правах

04201360125

Шлей Михаил Дмитриевич

МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ СРЕДЫ ОБИТАНИЯ ТРАДИЦИОННЫХ ПОСЕЛЕНИЙ

Специальность: 05.13.18 «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор А.А. Рогов

Петрозаводск - 2013

Оглавление

Введение...........................................................................................................................5

Глава 1. Особенности проведения историко-архитектурных исследований традиционных сельских поселений с использованием генерального плана местности.......................................................................................................................10

1.1. Существующие программные решения...........................................................12

1.2. Распознавание объектов сельских поселений на цифровой карте................13

1.3. Постановка задачи..............................................................................................14

1.4. Алгоритм распознавания объектов на цифровом плане местности.............16

1.4.1. Описание алгоритма...................................................................................16

1.4.2. Определение характеристик построек......................................................19

1.5 Компьютерная реализация алгоритма..............................................................21

1.6 Характеристики работы алгоритма...................................................................23

Выводы.......................................................................................................................23

Глава 2. Определение зон видимости объектов поселения.....................................25

2.1. Понятие видимости в архитектуре...................................................................26

2.2. Создание модели поселения..............................................................................30

2.3.1 Алгоритм построения трехмерных моделей построек............................33

2.3. Существующие методы определения видимости...........................................36

2.4. Моделирование оценки видимости исследуемого объекта...........................37

2.4.1. Алгоритм оценки видимости объекта из произвольной точки..............42

2.4.2. Алгоритм построения зон видимости объекта.........................................43

2.5. Особенности компьютерной реализации численного метода построения зон видимости объектов сельских поселений...............................................................45

2.5.1. Обычный режим работы алгоритма..........................................................48

2.5.2. Прогрессивный режим работы алгоритма................................................51

2.6. Исследование объектов поселений при помощи модуля построения зон видимости...................................................................................................................53

2.6.1. Оценка видимости одиночной постройки................................................53

2.6.2. Оценка видимости архитектурного ансамбля..........................................54

2.6.3. Оценка видимости водоема........................................................................54

2.6.4. Определение замкнутости застройки........................................................55

2.7. Характеристики работы алгоритма построения зон видимости...................56

Выводы.......................................................................................................................58

Глава 3. Оценка продолжительности инсоляции.....................................................60

3.1. Классический вариант проведения исследования инсоляции построек поселения...................................................................................................................60

3.2. Расчет продолжительности инсоляции различных частей постройки.........61

3.2.1. Математическая модель.............................................................................63

3.3. Компьютерная реализация численного метода определения продолжительности инсоляции...............................................................................70

3.4. Примеры исследования поселений на различных территориях....................71

Выводы.......................................................................................................................73

Глава 4. Программный комплекс...............................................................................75

4.1. Модуль распознавания объектов сельских поселений на цифровом плане местности...................................................................................................................79

4.2. Модуль построения зон видимости объектов поселений..............................80

4.3. Модуль расчета продолжительности инсоляции жилых построек...............84

Выводы.......................................................................................................................87

Заключение....................................................................................................................88

Литература.....................................................................................................................90

Приложение 1. Свидетельство о регистрации..........................................................103

Приложение 2. Свидетельство о регистрации..........................................................104

Приложение 3. Примеры построенных зон видимости..........................................105

Введение

Актуальность темы исследования.

С целью решения задачи по выявлению этнических особенностей в планировочной структуре традиционных сельских поселений проводятся комплексные историко-архитектурных исследования [8, 21, 22]. При этом требуется выполнить большое количество наблюдений и громоздких вычислений объемно-планировочных характеристик построек, что существенно замедляет процесс исследования [66]. Применение информационных технологий и математического моделирования позволяет значительно ускорить этот процесс.

Большой вклад в развитие методов определения количественных объемно-планировочных характеристик объектов поселений и проведение историко-архитектурных исследований внесли ученые В. П. Орфинский, И. Е. Гришина, Т. М. Хрол, П. П. Медведев, И. Ю Гуляев, П. Д. Степанов, А. Ю. Борисов. Однако в подобных исследованиях, как правило, используются упрощенные методы моделирования среды обитания - совокупности природно-климатических условий, ландшафта местности и застройки, что приводит к неточностям в вычислениях.

Таким образом, задачи, рассматриваемые в данном диссертационном исследовании, остаются актуальными.

Степень разработанности темы исследования.

Современные методы определения объемно-планировочных характеристик основываются на анализе генеральных планов местности. Существующие программные продукты не используют трехмерные модели, а значит, не дают достаточную точность численных характеристик и не в полной мере автоматизируют процесс проведения историко-архитектурных исследований.

Цель работы: Нахождение объемно-планировочных характеристик построек, требуемых при проведении историко-архитектурных исследований поселений, средствами математического моделирования архитектурно-строительных объектов среды обитания.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих методов моделирования поселений.

2. Разработать алгоритм автоматического распознавания объектов сельских поселений на цифровом плане местности.

3. Разработать метод построения трехмерной модели поселения, пригодной для расчета количественных характеристик объектов поселений.

4. Разработать алгоритм построения зон видимости пространственных объектов поселений.

5. Разработать метод расчета продолжительности инсоляции строений.

6. Реализовать разработанные алгоритмы в программной системе. Научная новизна.

1. Разработан алгоритм распознавания объектов на цифровых векторных генеральных планах местности традиционных сельских поселений Русского Севера.

2. Предложен численный метод построения зон видимости объектов поселений с использованием количественной оценки видимости данных объектов.

3. Предложена математическая модель для расчета продолжительности инсоляции построек традиционных сельских поселений.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Предложенные методы и алгоритмы могут использоваться при проведении историко-архитектурных исследований традиционных поселений Русского Севера, а также при выборе места размещения проектируемой застройки. Методология и методы исследования: Использованы методы аналитической и вычислительной геометрии, численные методы кластерного анализа. При разработке программного комплекса использовались методы объектно-ориентированного программирования, методы работы с трехмерной графикой.

Положения, выносимые на защиту.

1. Предложенная новая математическая модель сельского поселения позволяет определять объемно-планировочные характеристики инсоляции и видимости построек поселения.

2. Разработанный численный метод позволяет построить зоны видимости исследуемых объектов поселения. Даны рекомендации по выбору параметров для данного метода.

3. Разработанный численный метод автоматизирует расчеты продолжительности инсоляции жилых построек. Даны рекомендации по выбору параметров для данного метода.

4. Разработанный программный комплекс (ИС СКАПС) реализует предложенные модель и численные методы и предназначен для проведения комплексных исследований структурообразующих элементов традиционных сельских поселений.

Степень достоверности. Достоверность результатов проведенных исследований подтверждена на примере проведения исследований реальных традиционных поселений.

Апробация работы. Результаты диссертационного исследования были представлены на следующих конференциях:

1. III Международная научно-практическая конференция «Информационная среда вуза XXI века» (Петрозаводск, 2009).

2. V Международная научно-практическая конференция «Информационная среда вуза XXI века» (Петрозаводск, 2011).

3. VI Международная научно-практическая конференция «Информационная среда вуза XXI века» (Куопио, Финляндия, 2012).

4. Международная конференция «Компьютерные технологии и математические методы в исторических исследованиях» (Петрозаводск, 2011).

5. XVI Ежегодная международная научно-практическая конференция АДИТ "Культурное наследие и информационных технологий" ("АДИТ - 2012") (Петрозаводск, 2012).

6. 15-я Всероссийская конференция «Математические методы распознавания образов» (ММРО-15) (Петрозаводск, 2011).

7. 15-я Всероссийская конференция «Интернет и современное общество» (информационные системы для научных исследований) (Санкт-Петербург, 2012).

8. Всероссийская студенческая олимпиада "Молодежь и высокие технологии" (Вологда, 2010).

9. Научно-Методическая конференция «Университеты в образовательном пространстве региона: опыт, традиции и инновации» (Петрозаводск, 2010).

10.63-я научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. -(Петрозаводск, 2011).

11.62-я научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. -(Петрозаводск, 2010).

По результатам выполненного исследования опубликовано 19 работ, в том числе 4 статьи в журналах, указанных в перечне ВАК.

Разработанный программный комплекс был апробирован на примере проведения историко-архитектурных исследований в рамках гранта Российской академии архитектуры и строительных наук для молодых ученых на тему: «Тенденция к южной ориентации застройки и ее роль в формировании планировочной структуры традиционных сельских поселений Русского Севера» (руководитель гранта А. Ю. Борисов). Программы для ЭВМ, входящие в состав программного комплекса, были зарегистрированы в Объединенном фонде электронных ресурсов «Наука и образование» (ОФЭРНиО) № 18469 и № 18468 от 24.07.2012.

Структура и объем работы Во введении содержится обоснование актуальности темы диссертации, формулируется цель диссертации, представлены основные результаты, научная

новизна, практическая значимость работы, а также описание структуры диссертации.

В первой главе рассматриваются особенности проведения историко-архитектурных исследований памятников деревянного зодчества на территории Русского Севера. Исследованы существующие методы определения объемно-планировочных характеристик поселений, в том числе основанные на использовании информационных технологий.

Предложен алгоритм распознавания объектов на цифровом векторном плане местности. Данный алгоритм является основой разрабатываемой системы для расчета объемно-планировочных характеристик поселения.

Во второй главе рассматриваются существующие методы оценки видимости с использованием трехмерных моделей. Предлагается новый метод получения количественной оценки видимости объекта поселения. На основе данного метода разработан алгоритм построения зон видимости исследуемых структурообразующих элементов поселений.

В третьей главе описывается разработанная математическая модель для определения продолжительности освещения строений на основе планировочной структуры строения и информации о широте местности и месяце наблюдения.

В четвертой главе описывается программный комплекс, предназначенный для проведения комплексных историко-архитектурных исследований традиционных поселений Русского Севера.

В заключении формулируются результаты диссертационного исследования.

Глава 1. Особенности проведения историко-архитектурных исследований традиционных сельских поселений с использованием генерального плана местности

Исследование памятников деревянного зодчества с целью выявления тенденций организации строительства у различных народов является важной задачей процесса сохранения объектов культурного наследия. Современные информационные технологии позволяют создавать виртуальную реконструкцию объектов исторической застройки с помощью трехмерных моделей. Данные модели поселений могут использоваться для воссоздания внешнего облика памятников традиционной архитектуры [10] или для проведения комплексных историко-архитектурных исследований.

Большой вклад в изучение особенностей и тенденций развития деревянного зодчества на территории Русского Севера, в частности Карелии, внес В. П. Орфинский [40-43]. В своих работах В. П. Орфинский исследовал этнические признаки планировочной структуры поселений и связывал их с различным отношением к природе у разных этносов. Схожесть природно-климатических условий на исследуемой территории определила общие для всех населяющих ее этносов принципы формирования комфортной, по представлениям и требованиям народной культуры, среды проживания. Неодинаковое отношение представителей различных народностей к окружающей их природе привело к появлению определенных этнических особенностей, отразившихся на объемно-планировочной структуре традиционных поселений [53].

В результате многочисленных экспедиций под руководством В. П. Орфинского накоплено множество материалов о памятниках деревянного зодчества Русского Севера: генеральные планы поселений, характеристики построек поселений. Следует заметить, что на данный момент большая часть памятников деревянного зодчества утрачена, поэтому для их исследования используют накопленный материал. На сегодняшний день большинство генеральных планов исследованных поселений оцифровано при помощи

современного средства автоматизированного проектирования и черчения AutoCAD [87].

Для выявления этнических особенностей планировочной структуры традиционных сельских поселений исследователи проводят комплексные историко-архитектурные исследования [8, 20, 21]. При проведении данных исследований возникают задачи по обработке большого количества данных или проведения большого количества наблюдений [66]. Одним из примеров подобного рода исследований является выявление структурообразующих элементов застройки у традиционных сельских поселений. В качестве структурообразующих элементов могут выступать водоем, сторона горизонта, обеспечивающая максимальную продолжительность инсоляции построек, или архитектурная домината [7]. Данные элементы определяются при помощи расчета множества объемно-планировочных характеристик, таких как продолжительность инсоляции различных частей постройки или оценка видимости исследуемого объекта с различных мест поселения.

В диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук П.Д. Степанова [53] проведен обзор научных работ [16, 22, 23, 30-33, 60], посвященных методикам определения объемно-планировочных характеристик структуры поселений различных этносов. Авторы данных работ развивают идею В. П. Орфинского об отражении этнических признаков в планировочной структуре поселений и предлагают методы выявления особенности объемно-планировочных структур поселений различных этносов. В диссертации рассмотрены следующие методики:

• Методика определения замкнутости пространства поселения.

• Методика оценки регулярности поселения.

• Методика оценки инсоляции всех построек поселения.

В ходе проведения историко-архитектурных исследований поселений в классическом виде необходимые объемно-планировочные характеристики могут быть получены двумя способами: при помощи множества экспериментов на местности или при помощи анализа генерального плана поселения. Например,

при определении зон видимости объекта поселения исследователю необходимо выполнить этап полевых работ по сбору информации о видимости исследуемого объекта с различных точек поселения, основываясь на личном визуальном восприятии объекта. При использовании второго способа необходимо провести ряд сложных расчетов и построения проекций исследу