Если у человека средней полосы преобладает в поле зрения зелень, то в городских условиях господствует тёмно-серый цвет. В естественной сре
Если у человека средней полосы
преобладает в поле зрения зелень,
то в городских условиях господствует
тёмно-серый цвет. В естественной
среде незначительную долю
занимают плоские поверхности,
а в городе они составляют основную
массу. В природе большое разнообразие
линий по толщине, направлению и
контрасту. В лесу даже при слабом
дуновении ветра, многие видимые
объекты находятся в движении,
а в городе большая часть объектов
находится в статическом положении.
Совершенно очевидно, что естественная среда является
для глаза более адекватной, так как к ней он эволюционно
приспособился за многие миллионы лет, а в городской
среде человек оказался относительно недавно. Известно так же, что при длительном пребывании
человека в видимой среде, бедной зрительными элементами,
наступает нарушение движений глаз, ухудшается самочувствие
и возникает ощущение дискомфорта. Следовательно, постоянное видимое поле,
его насыщенность зрительными элементами оказывают
воздействие на состояние человека, т. действуют
как любой другой экологический фактор, наряду
с загрязнением воды и воздуха, повышенным шумом
и радиацией.
Автоматия саккад
Насыщенность зрительными элементами видимого поля
Зрительное восприятие окружающего пространства, достигается
совместной работой сенсорного и двигательного аппарата. Причём двигательный аппарат глаз работает в активном режиме,
благодаря чему обеспечивается непрерывное сканирование
двигательного пространства. Иными словами, в большинстве
случаев первичным является движение глаз,
а вторичным – увиденная часть пространства или его отдельная
деталь, за которую «зацепился» глаз. Это новое представление о механизме быстрых движений глаз,
или саккад, которое резко отличается от распространённого
мнения, а именно: есть новый раздражитель ( свет, звук, касание)
и есть ответная реакция в виде саккады.
Автоматия саккад
Автоматия саккад как основа зрительного восприятия
Глаз – самый активный из органов чувств; он никогда не стоит на месте,
постоянно перемещаясь в двух основных плоскостях: горизонтальной
(право – лево) и вертикальный (вверх – вниз). Такая активность достигается
природой глазодвигательного аппарата и в особенности работы его нервных
центров, а так же свойствами мышц глаза, которые являются самыми
быстродействующими в организме. В немалой степени активности глаза способствуют его шарообразная
форма и минимальное трение: глаз практически плавает в орбите,
из за чего он свободно перемещается и осуществляет быстрый анализ
окружающей среды. Расположение наружных глазных мышц. 1 – блок, 2 – верхняя косая мышца, 3 – верхняя
прямая мышца, 4 – мышца, поднимающая веко, 5 –
внутренняя прямая мышца, 6 – наружная прямая
мышца, 7 – зрительный нерв, 8 – нижняя прямая
мышца, 9 – нижняя косая мышца.
Медленные и быстрые движения глаз
Перемещения глаза, в основном, достигаются двумя видами движений:
медленными и быстрыми. В этом легко убедится, посмотрев на запись
движений глаз. Быстрые движения глаз на записи имеют вид вертикальных прямых тонких
линий, которые в литературе получили название саккад. Как можно видеть на записи саккад довольно много: две и более в секунду. Саккады правого и левого глаза совершенно синхронны и одинаковой
амплитуды. Ориентированны саккады так же в одном направлении. Наличие такого большого количества саккад, означает, что зрительная ось
глаза меняет своё направление через каждые пол секунды. Исходя из этого,
можно утверждать, что глаз постоянно сканирует окружающее пространство. Типичный образец записи движений глаз при
фиксации испытуемым неподвижной точки. Верхняя
запись – правый глаз, нижняя – левый. Отклонение
луча вверх соответствует движению глаза вправо,
вниз – влево. Вертикальная линия – калибровка 1°,
горизонтальная – время 1с. , t – интервал между
саккадами, А – амплитуда саккады.
Индивидуальные различия
Движения глаз обладают большой индивидуальностью,
Тем не менее было выделено пять характерных типов
движений. П – образный тип. В данном случае на неизменном фоне
медленных движений глаз появляется саккада, а через
некоторое время последующая саккада приводит глаз
в исходное состояние, в результате чего на записи получится
буква «П». Такой тип движения глаза встречается наиболее
часто и присущ уравновешенным людям. П – образный тип
нередко встречается у близоруких людей.
Индивидуальные различия
Автоматия саккад
Индивидуальные различия
2. Саккадический тип. У саккадического типа много
саккад, которые возникают на меняющемся фоне
медленных движений глаза. Сами саккады различаются
по амплитуде и имеют выраженные проскоки. Саккадический тип чаще всего встречается
у возбудимых людей.
Автоматия саккад
Индивидуальные различия
3. Оптокинетический тип. У некоторых людей большая
часть саккад была ориентированна в одну сторону. Такой тип движений глаз назвали оптокинетическим,
он встречается у лиц со скрытым косоглазием. Не исключено, что в этом случае есть ещё какие–то
дефекты в зрительной системе.
Автоматия саккад
Индивидуальные различия
4. Дрейфовый тип. У спокойных и флегматичных людей
регистрируется дрейфовый тип движения глаз, который
характеризуется малым числом саккад и большими
колебаниями медленного компонента движений.
Автоматия саккад
Индивидуальные различия
5. Взрывной тип. Так же сочли необходимым выделить как
самостоятельный взрывной тип, который характеризуется
появлением серии саккад, после чего наступает пауза
в 3 – 4 секунды. Этот тип встречается крайне редко. По наблюдениям, он присущ людям с психическими
отклонениями в скрытой форме.
Автоматия саккад
Саккады в темноте
В темноте саккады не исчезают. Они следуют в прежнем ритме, но амплитуда
их увеличивается. Включение светящейся точки тут же приводит к увеличению
амплитуды саккад, а включение – к их уменьшению. Выбор новой амплитуды
саккад происходит за короткий период: 0,5 – 1,0 секунда. Такая перестройка
саккад говорит о многом. Темнота – это безориентирное пространство, где глазу не за что «зацепиться». Отсутствие видимых объектов, или опоры для глаза, приводит к поисковым
движениям глаз. Иными словами, глазодвигательный аппарат вынужден
работать в неэкономном режиме, тогда как все физиологические процессы
стремятся работать именно в режиме максимальной экономии. Очень важно подчеркнуть, что в темноте тип движений глаз человека остаётся
таким же, как и при фиксации неподвижной точки, то есть неизменным. Запись движений глаз испытуемого в
темноте при фиксации светящейся
точки и после его выключения. Момент фиксации подчёркнут.
Автоматия саккад
Саккады у слепых
Происхождение саккад в литературе связывается со зрительной
деятельностью, поэтому было неожиданностью зарегистрировать
саккады у слепых. У слепых зрительной деятельности нет,
но число саккад у них такое же как у зрячих. Следовательно,
афферентный сигнал с сетчатки не является определяющим
фактором в возникновении саккад. Наличие саккад у слепых указывает на то, что они генерируют
неким центром, который продолжает свою деятельность и после
нарушения зрения. Будучи постоянно в безориентироном пространстве, саккады
слепого человека имеют большую амплитуду. Именно по этому
показателю, то есть по бегающим глазам, в быту легко
определяют слепого человека.
Саккады во время сна.
Саккады можно зарегистрировать не только у бодрствующего
человека, они есть и во время сна в стадии БДГ – быстрых движений
глаза. Причем основные характеристики саккад имеют много общего
при двух условиях регистрации. Механизм возникновения саккад
во время сна многие исследователя связывают со сновидениями
и «рассматриванием» возникающих зрительных картинок. Несостоятельность этого утверждения, кочующего долгие годы
из учебника в учебник, становится для нас очевидной из того факта,
что и у новорождённого ребёнка во время сна приблизительно такое
же число саккад, как и у взрослого, а у него, как известно, зрительный
опыт минимален. И более того, кривые распределения межсаккастических интервалов
у ребёнка и взрослого совпадают. Следовательно, механизм
генерирования саккад имеет много общего во время
и бодрствования.
Саккады при опьянении.
Приём алкоголя оказывает большое влияние на автоматию саккад. Уже через 40 – 60 минут все саккады ориентированны в одну
сторону – в ту, куда было направлено большее число саккад
при фиксации неподвижной точки. Таким образом алкогольная
интоксикация усугубляет физиологическую асимметрию. Восстановление нормы происходит только спустя двое суток. Бытующее в народе выражение «закосел» имеет свое
подтверждение на примере ориентации саккад. Образцы записей движений глаз при фиксации неподвижной точки
до (запись 1) и после приёма 200 милилитров водки
(записи 2 и 3 соответственно через 20 и 40 минут).
Распределение интервалов между
саккадами при различных условиях
регистрации движения глаз. 1 – фиксация неподвижной точки,
2 – фиксация мнимой точки в
темноте,
3,4 – быстрые движения глаз в
парадоксальной стадии сна
соответственно
у взрослых
и новорождённых,
5 – свободное рассмотрение
картины.
Видимая среда как экологический фактор
Под видимой средой следует понимать окружающую среду,
которую человек воспринимает через органы зрения во всём её
многообразии – это лес, берег моря, горы, здания, сооружения. Всю видимую среду можно поделить
на две части: естественную и искусственную. Естественная видимая среда находится в полном соответствии
с физиологическими нормами зрения, так как природа
«лепила» глаза «под себя». Совсем другое дело искусственная–
среда. Она всё больше отличается
от природной и во многих случаях находится в противоречии с
законами зрительного восприятия человека. Такая среда
породила ещё одну проблему экологии человека – проблему
видеоэкологии. Говоря о видимой среде как об экологическом факторе, следует
обратить внимание на то, что 90% своей истории человек
провёл в полном единении, гармонии с природой, существуя
как её часть.
Саккады при рассмотрении сложных объектов
В повседневной жизни человеку приходится иметь дело как с простыми,
так и со сложными объектами. И естественно, необходимо остановится
на данных о саккадах при рассмотрении сложных объектов. При рассмотрении человеческого лица, которое можно отнести к сложным
объектам, наблюдатель обычно большое внимание уделяет трём точкам;
двум глазам и губам. Другие части лица он рассматривает бегло. Такое рассмотрение осуществляется в основном за счёт саккад; «паутина»
тонких линий на рисунке – это и есть саккады, а чёрные точки – это момент
фиксации, во время которого, взор на какое – то время сохраняет заданное
положение. Запись движений глаз при
свободном рассмотрении
фотографии двумя глазами
в течении трёх минут,
сделанная с помощью
светового луча.
Визуальная среда шахтеров
Визуальная среда шахтёров во многом напоминает визуальную среду
слабовидящих, а именно: как и у слабовидящих, у шахтёров малое
разнообразие деталей в окружающем пространстве. В такой гомогенной
среде после очередной саккады глазу не за что «зацепится»
и он вынужден работать в поисковом режиме с максимальной
амплитудой саккад. Длительное пребывание в таком поле и приводит
к нарушению автоматии саккад. Большая продолжительность светового дня в летнее время и большая
освещённость предметов создавали прекрасные условия для фиксации
взора после очередной саккады. В зимнее время человек большую часть
времени вынужден был пребывать в гомогенной среде. Для шахтёра
такое время года и было усугубляющим фактором, так кат в шахте
гомогенная среда была максимальной, и в естественной среде условия
для работы глаз были не самыми благоприятными.
«Сенсорный голод»
Психологическими исследованиями было выявлено, что длительное
пребывание в условиях недостатка информации для органов чувств
приводит к «сенсорному голоду». Такие условия возникают
у полярников, моряков – подводников, спелеологов, космонавтов,
машинистов метро и людей, занятых однообразным трудом
в замкнутом пространстве. Особенно тяжело люди переносят зрительное голодание. На Крайнем севере, где визуальная среда бедна зрительными элементами,
значительно чаще встречаются нервно – психические заболевания по
сравнению с умеренным и южными районами земного шара. У каждого третьего жителя Норильска отмечается раздражительность,
вспыльчивость, напряжённость и тревога. Изучая воздействие темноты на
психическое состояние, было установлено, что у здоровых людей,
работающих в затемнённых помещениях нередко развиваются
невротические состояния, выражающиеся в появлении страхов,
плаксивости, депрессий, галлюцинаций и расстройстве сна.
«Сенсорный голод»
«Пустое поле»
В 50 – х годах исследователями было показано,
что если с помощью присоски, закреплённой на глазу,
сделать изображение объекта неподвижным
относительно фоторецепторов сетчатки, то человек
перестает видеть данный объект спустя 1 – 3 секунды. Возникало так называемое «пустое поле». Видимый цвет пустого поля оставался неизменным. Обычно испытуемые называли этот цвет «чёрным»,
«тёмно – серым», «тьмой» или «темнотой». Результаты
этих опытов свидетельствуют о том. Что для
оптимальных условий работы глаза необходимо
некоторое постоянное перемещение объекта
на сетчатке глаза. «Пустое поле» может возникнуть и в естественных
условиях, в частности, в гомогенной среде или при
рассматривании равномерных поверхностей большого
размера, так как в этом случае после очередной
саккады, освещённость фоторецепторов не меняется.
Феномен борьбы полей зрения
Весь любопытные данные были получены Д. Хьюбелом
при изучении стереоскопического зрения: если наблюдатель
будет смотреть левым глазом на вертикальные линии, а правым
на горизонтальные, то он увидит не сетку из пересекающихся
линий, а сложную мозаику из двух изображений. Этот
непредсказуемый бинокулярный эффект связан с борьбой
полей зрения: нервная система не может воспринимать разные
сигналы одновременно и подавляет переработку одного из них. Феномен борьбы полей зрения означает, что в тех случаях,
когда зрительная система не может объединить изображения
на двух сетчатках, она просто отвергает один из образов,
либо полностью, либо частично. Аналогичный пример борьбы зрения можно наблюдать
при рассматривании цветной картинки через очки с одним
красным и одним зелёным светофильтрами. Большинство
людей отмечают переход от общего красноватого тона
к зеленоватому и обратно, но без жёлтого цвета, который
находится между ними в видимой части спектра.
Гомогенная видимая среда
Гомогенная видимая среда – это такая среда, в которой
либо совсем отсутствуют видимые элементы, либо
их число резко снижено. Причины возникновения
её различны. Например, у людей с ослабленным зрением число
видимых деталей в окружающей среде уменьшается
в результате снижения различной работоспособности
глаз. Гомогенная среда может возникнуть в шахте в силу
специфического места работы – вокруг чёрный уголь. В природе гомогенная среда представлена огромными
снежными просторами Арктики и Антарктиды. В современных условиях человек часто сталкивается
с гомогенной средой в городе, дома, на производстве
и в транспорте.
Гомогенная видимая среда в городе
Говоря о визуальной среде городов
следует напомнить, что в ближайшем
будущем половина земного шара
будит жить в городах. К концу века
горожан будет 51%, через 30 лет –
60%. Мир шагает к мегаполисам,
население каждого из которых будет
превышать 5 миллионов. В настоящее
время таких городов гигантов чуть
больше 40. Безудержная урбанизация отторгает
человека от естественной природы
и помещает его в каменные джунгли,
порождая при этом огромное число
социальных и экологических проблем. Мы же рассмотрим проблему
визуальной среды города, как один
из экологических факторов. Пример гомогенного видимого
поля, созданного
однообразием стен зданий
Гомогенная видимая среда в городе
Крупнопанельное домостроение в России составляет около
60% объёма строительства, оно стало массовым
и в настоящее время является определяющим фактором
в создании облика наших городов. В городской среде возникает много гомогенных видимых
полей, в частности создаются торцы зданий. При взгляде
на голую стену, глазу совершенно не за что «зацепится» после
очередной саккады. Если человек окажется у такой стены
на расстоянии 40 метров, то она застилает его взор
со всех сторон. Это значит, что если человек смотрит на такую
поверхность всего лишь 3 секунды, за это время возникает
6 – 9 саккад и все они приходятся на голую стену,
где нет элементов для фиксации взгляда. Подобную ситуацию можно сравнить с ощущением, когда
человек делает очередной шаг и не чувствует под ногой
твёрдую почву. Так и глаз за 3 секунды около десяти раз
«проваливается в бездну».
Торцы зданий создают гомогенные поля
в городских условиях при применении
в строительстве панелей большого размера. Однако не меньшим бедствием, является,
применение стекол больших размеров. На приведённой фотографии фасад всего
здания состоит из стекла, в результате чего
образовалось гомогенное поле большого
размера. Перед зданием площадь
с асфальтовым покрытием. Это значит,
что человек приближаясь к зданию
в течение 2 минут оказывается
в полном окружении гомогенных полей. Фасад здания из стекла и асфальтовое
покрытие – это безориентирное
пространство, созданное руками человека.
Гомогенные видимые поля в интерьерах жилых
помещений
Однородные гомогенные поля окружают
человека не только на городских улицах – их
достаточно и дома, и на работе. Они начинаются с гладкой входной двери
квартиры, продолжаются полированными
стенами и заканчиваются кухонной мебелью,
облицованной гладким пластиком. Глядя на
такие гладкие поверхности, глаз по –
прежнему не может ни за что «зацепится»
после саккады. За 16 часов бодрствования наш глаз
совершает 57600 – 115200 саккад
(из расчёта 1 –2 саккады в секунду). Соответственно в год их число составляет 21
– 42 миллиона. Это значит, миллионы раз
наш глаз испытывает затруднение отыскать
хоть какой – то элемент на полированной
поверхности и вынужден работать
в неэкономном режиме. Трёхстворчатый шкаф с
гладкой поверхностью
дверок, вид которых
создаёт гомогенную среду
в интерьере помещения
Зрение в гомогенных полях
В заключении этого раздела следует перечислить механизмы
зрительного восприятия, которые не могут полноценно работать
в гомогенной среде. В гомогенной среде не может полноценно работать автоматия
саккад, так как после очередной саккады глаз не находит детали
для осуществления фиксации. Длительная работа в этом режиме
вначале ведёт к ощущению дискомфорта, а потом к нарушению
автоматии саккад. В гомогенной среде не могут полноценно работать системы
включения и выключения рецепторов, которые в обычной ситуации
срабатывают только на перепад освещённости. В гомогенной среде
такого перепада физически не может быть, так как до саккады
и после неё взор остаётся в рамках однородного видимого поля. В гомогенной среде не может полноценно работать бинокулярный
аппарат глаз. В гомогенной среде не могут полноценно работать и другие
механизмы зрения, в частности аппарат аккомодации, регуляция
размера зрачка. В гомогенной среде должным образом не срабатывают нервные
клетки мозга.
Агрессивная видимая среда
Психофизиологическая характеристика агрессивных
видимых полей. Окружающая среда, в которой человек одновременно
видит большое число одинаковых элементов, была названа
агрессивной. Типичными примерами агрессивных видимых полей
являются тесты, которые состоят из большого числа
одинаковых чёрных линий. Достаточно одного взгляда
на данные тесты, чтобы убедится, что любой из них
вызывает неприятные ощущения. При чём негативное воздействие вызывали тесты
как при прямом взгляде, так и при восприятии их боковым
зрением.
Психофизиологическая характеристика агрессивных видимых полей.
Чрезвычайно важным было изучить характер движений глаз
при рассматривании агрессивного видимого теста. Оказалось, что движение глаз резко изменяются при восприятии
агрессивного поля. Это можно видеть на образцах записей движений
глаз. Если при фиксации неподвижной точки движения глаз имели
обычный характер, а именно – много саккад и небольшие
по амплитуде дрейфовые колебания, то при фиксации центра
«прожектора» эффект был противоположным – малое число саккад
и большие колебательные движения глаз. При этом число саккад
уменьшается в 5 – 6 раз, а амплитуда дрейфа возрастает
в 3 –4 раза. Все испытуемые отмечали тот факт, что они практически не могли
фиксировать центр теста «прожектор», так как им казалось,
что тест не стоит на месте, а покачивается из стороны в сторону. Записи движений глаз (вверху) при фиксации неподвижной точки
(запись 1) и теста «прожектор» (внизу), (запись 2). Агрессивная
видимая среда приводит к резким изменениям движений глаз.
Агрессивная видимая среда в городе
Современная архитектура
в большинстве случаев создаёт своим
видом агрессивную видимую среду
в городе. Это присуще всем
многоэтажным зданиям, где на
огромной стене расположено большое
число окон. Глядя на общественное
здание мы видим одновременно
более 500 одинаковых окон. Аналогичную негативную реакцию
вызывают и здания с накладными
вертикальными рустами, большее
число которых создаёт агрессивное
поле по типу «тельняшки». Типичный пример агрессивного
видимого поля (на фотографии
336 окон). Человек физически
не может смотреть на это здание.
Зрение в агрессивном поле
Зрение как канал связи
Орган зрения является основным сенсорным каналом, через который
человек получает около 80% процентов информации об окружающей
среде. В агрессивной среде этот канал связи практически перестаёт
работать. Это происходит из – за того, что человек, окружён
множеством одинаковых видимых объектов (например, окон на стене
многоэтажного здания), не может чётко выделить тот объект,
на который он смотрит. Образно говоря, зрение на время
как бы «отключается». В естественной среде, к примеру в лесу,
глаз всегда точно знает куда он смотрит и что видит. Был отмечен тот факт, что встречаясь «лицом к лицу» с агрессивным
полем большого размера, имеющего слабую информативность
(к примеру, стоя стены павильона, облицованного металлом),
человек начинает покачивать головой, тем самым увеличивая число
движений. Это одновременно подключает вестибулярный аппарат для
того, чтобы разобраться в окружающей среде, или по меньшей мере
выяснить где «верх», а где «низ» и тем самым локализовать
себя в пространстве. Контрастность зрительно восприятия
в агрессивной среде резко нарушается.
On- и off- системы
On- и off- системы (системы включения и выключения)
не могут работать в агрессивной видимой среде в своём
привычном режиме. Множество объектов в поле зрения
ведёт к чрезмерной нагрузке данных систем. К примеру,
при первом взгляде с одного конца многоэтажного
здания на другой, глаза неоднократно пересекают белую
стену и тёмные окна. При этом в силу природы
фоторецепторов глаза, каждое пересечение границы
«белое – чёрное» и «чёрное – белое» заставляет
срабатывать on- и off – системы, что создаёт большой
поток сигналов с сетчатки глаза в зрительные центры
коры головного мозга. Большой сенсорный поток ведёт к перегрузке
зрительного канала связи в особенности эго
зрительных центров. Эта работа «на износ» не приходит
бесследно: длительное пребывание в агрессивной
визуальной среде сначала создаёт ощущение
дискомфорта, а в последствии может привести
к психическим расстройствам.
Рецептивные поля
Агрессивная среда не даёт возможности полноценно работать основной
единице зрительного анализатора – рецептивным полям мозга, требуя
чрезмерно частой перестройки. Рецептивные поля задействованы в агрессивной среде не в равной мере. Только те нервные клетки мозга, которые будут пересекаться границами
стимула с определённой ориентацией, будут давать реакцию
на зрительный стимул. Например, при взгляде на забор, состоящий из вертикальных сержней,
будут реагировать только нервные клетки, чувствительные к вертикальной
линии, тогда как нервные клетки, чувствительные к горизонтальным
и диагональным линиям будут «молчать». Наоборот, при взгляде на ангар
из гофрированного металла с горизонтальной ориентацией профиля будут
реагировать «горизонтальные» нервные клетки, а все остальные будут
«молчать». В агрессивной видимой среде не могут полноценно работать другие
механизмы зрения: аккомодация, адаптация, реакция зрачка, фузионный
механизм.
Саккады во время сна.
Мы учли перечисленные недостатки и решили реализовать собственный подход к расчётам. Наша основная идея в том, чтобы:
- автоматизировать расчёты показателя качества городской среды
- моделировать пространство как непрерывное
- производить расчеты на крупном масштабе (улицы, кварталы)
- использовать открытые данные
За основу мы взяли разделение критериев качества городской среды по Яну Гейлу, но на текущий момент ограничились только некоторым показателями комфортности.
12 критериев качества городской среды (Ян Гейл. Города для людей)
Из наиболее значимых критериев мы выбрали:
Центральной фигурой расчётов стало положение наблюдателя и его область видимости (двумерной), а также объекты городской среды, которые попадают в поле зрения наблюдателя – растительность и здания. При оценке уровня шума мы учитывали только влияние транспорта.
Чтобы покрыть весь город необходимым значением индекса, нужно задать множество положений наблюдателя (набор регулярных точек-положений) и на их основе рассчитать полигоны области видимости. Объекты городской среды, попадающие в эти области, должны быть использованы для расчета количественных показателей качества.
Данные
Все необходимые векторные объекты (растительность, здания, дороги, водные объекты, мосты, районы города) мы взяли из открытых данных OSM с помощью утилиты фильтрации данных overpass turbo.
Растительность
В слой растительности мы включили несколько типов объектов, в которых зачастую имеются древесные насаждения:
Каждому типу назначили высоту, необходимую для расчетов областей видимости. Так как найти данные для этой задачи довольно сложно, мы ее взяли среднюю на наш взгляд:
Здания
В слое зданий мы столкнулись с проблемой дефицита информации об их высоте.
Поэтому мы взяли необходимые данные из Росреестра при помощи утилиты, которая также используется в проекте карты возраста домов, и, проведя геокодирование, дополнили слой зданий сведениями об этажности. Чтобы привести высоту к одной метрике с растительностью, мы приняли фиксированную высоту этажа в три метра (округление типовой высоты этажей в жилых зданиях по СНиП 31-01-2003).
Методика
Для создания областей видимости есть готовый ГИС-инструментарий. В QGIS это плагин Visibility analysis, принимающий на вход цифровую модель местности (ЦММ) – рельеф плюс любые объекты на поверхности, и возвращающий для каждой точки растр видимости.
В Grass GIS это r. viewshed. Мы остановились на нем из-за сложностей, возникших при попытке создания цепочки алгоритмов в QGIS (промежуточные результаты не закрывались утилитой GDAL, в связи с чем превышалось количество допустимых соединений). В r. viewshed также можно настроить дополнительные параметры, которые есть у всех подобных инструментов: максимальный радиус видимости, который мы эмпирически выставили на 110 метров, высота наблюдателя (используем 1. 6 метров = средний рост человека минус 10 см до уровня глаз) и пр.
Влияние атмосферной рефракции и поправки на кривизну Земли мы не рассматривали из-за небольшого радиуса видимости и относительно ровного рельефа территории, на которой находится Санкт-Петербург. Равнинный характер местности также служит причиной того, что мы не будем использовать рельеф, а ограничимся высотами зданий и растительности при построении ЦММ.
После выбора основного инструмента надо определиться с генерацией данных, которые он требует на входе:
Для начала создаем сетку регулярных точек:
- генерируем гексагональную сетку со стороной полигона в 50 м, а затем строим точки – центроиды каждой ячейки;
- исключаем точки, которые попадают на крыши зданий, так как нас интересует только outdoor.
Сетка регулярных точек
Далее строим ЦММ. Для этого нужно:
- растеризовать полигоны зданий и растительности (используя библиотеку GDAL), присвоив каждой ячейке растра значение их высоты;
- суммировать значение ячеек растровым калькулятором, чтобы получить итоговую модель.
- нужно, чтобы слои растительности и зданий не пересекались, иначе их высоты будут складываться;
- при попадании регулярных точек в полигоны растительности наблюдатель окажется на деревьях, что недопустимо. Поэтому мы создаём буферы вокруг этих точек размером со среднее расстояние между деревьями в парках (7 м), а затем вырезаем эти буферы из объектов растительности.
Пример построенной ЦММ (сетки из точек это вырезанные буферы)
Следующий этап – скрипт на Python, который будет считает области видимости. Размещаем все необходимые для расчетов векторные слои в базе данных PostgreSQL с установленным расширением PostGIS. Далее:
- итерационно проходим по координатам созданных регулярных точек;
- применяем алгоритм r.viewshed для создания растра видимости;
- векторизуем растр инструментом Grass r.to.vect для быстрого экспорта данных;
- используем утилиту командной строки библиотеки GDAL ogr2ogr, чтобы извлечь только геометрии полигонов видимости, которые скрипт будет заносить в итоговую таблицу PostGIS вместе с геометрией регулярных точек.
Векторизованная область видимости
Построение ЦММ и генерация сетки регулярных точек на каждый район автоматизируется за счёт:
- функций PostGIS (прежде всего, ST_HexagonGrid);
- алгоритмов GRASS (предобработка слоев) и утилит командной строки GDAL (растрирование и наложение слоев).
В итоге достаточно запустить скрипт и передать ему идентификатор района/ов, а остальную работу он выполнит сам.
Количественные характеристики критериев комфортности
Как говорилось выше, мы берём в расчет визуальные критерии (плотность застройки, высотность окружающих объектов, озеленение), а также шумовое загрязнение для расчета комфортности городской среды. Необходимо определить количественные характеристики для этих критериев.
Визуальные критерии
Для плотности застройки используем площадь области видимости. Соответственно, чем меньше площадь, тем выше плотность и тем более комфортно человеку (конечно, до разумных пределов).
Для высотности используем медианная высоту растительности и зданий. Чем выше окружающая среда, тем человек чувствует себя более маленьким на их фоне (эффект масштаба), поэтому и снижается комфортность.
Для вычислений количественных характеристик можно написать SQL функции, которые будут итерационно определять отношение областей видимости к объектам городской среды.
Уровень шума
Чтобы оценить влияние шума, мы использовали алгоритм noisemap (спасибо Urbica за это). Программа на основе данных OSM строит три зоны: 45 дБ, 55 дБ и 65 дБ вокруг каждого объекта, а затем объединяет их по значению в крупные полигоны. В проекте уже содержатся сведения об уровнях шумового загрязнения для множества объектов.
Для решения поставленной задачи мы дополнили эти сведения приблизительными значениями для проездов (highway=service), и соединений дорог (highway=*_link). Также пришлось модифицировать программу под решаемую нами задачу. Мы добавили:
- возможность использования входных данных, полученных из QuickOSM;
- настраиваемый параметр учета высоты источников шума;
- параметр, позволяющий рассчитывать полигоны с любым уровнем шума и в любом количестве;
- нарезку полигонов шума по плотной квадратной сетке для оптимизации дальнейших вычислений (до этого на выходе получались полигоны размером с город);
- оверлей difference, чтобы итоговые полигоны не пересекались друг с другом.
После генерации данных полигонов остается написать еще одну SQL функцию, которая будет проверять, полигон с каким значением шума содержит заданную точку, и записывать это значение в атрибуты.