Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Lesnická a dřevařská fakulta
Ústav geoinformačních technologií Využití GIS pro analýzy zátěže životního prostředí liniovými dopravními stavbami
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
2008
Jan Trochta
1
Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma: ..Využití GIS pro analýzy zátěže životního prostředí liniovými dopravními stavbami.. zpracoval sám a uvedl jsem všechny použité prameny. Souhlasím, aby moje bakalářská práce byla zveřejněna v souladu s § 47b Zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách a uložena v knihovně Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně, zpřístupněna ke studijním účelům ve shodě s Vyhláškou rektora MZLU o archivaci elektronické podoby závěrečných prací. Autor kvalifikační práce se dále zavazuje, že před sepsáním licenční smlouvy o využití autorských práv díla s jinou osobou (subjektem) si vyžádá písemné stanovisko univerzity o tom, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity a zavazuje se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla dle řádné kalkulace. V Brně, dne: 17.dubna 2008 Jan Trochta
2
Poděkování: Chci poděkovat vedoucímu své práce Ing Martinu Klimánkovi Ph.D za možnost sestavit pod jeho vedením tuto bakalářskou práci a Ing Jachymu Čepickému za sesznámení s GIS GRASS. Své rodině za vloženou důvěru a podporu při studiu.
3
Jan Trochta: Využití GIS pro analýzy zátěže životního prostředí liniovými dopravními stavbami.
Abstrakt: Cílem této práce je je zorientovat se v problematice vlivu dopravních staveb na životní prostředí a jejich analýza v prostředí GIS. Díky zjištěnému stavu poté v souladu s právními normami navrhnout možnosti řešení pro vybraný software – GIS GRASS. Hlavní část této bakalářské práce je ve vytvoření vlastního modulu pro modelaci hluku v prostředí GIS pomocí národní metodiky. Dále posouzení správnosti použitého algoritmu a možnosti jeho využití.
Klíčové slova: GIS, dopravní stavby, GIS GRASS, životní prostředí,
Jan Trochta: Using GIS analyses of enviromental impact for line traffic buildings.
Abstract: The purpose of this Bachelor work is to analyse impact of line traffic buildings on enviroment and its using in GIS analyses. According to this analyse find possibilities of GIS. The main part of this bachelor work is to create new modul for choosen GIS - GRASS. Comparing wiht another analyses make decidition of apropriate algorithm and outline possibilities of using the new modul.
Key words: GIS, line traffic buildings, GIS GRASS, enviromental impact assesment,
4
Obsah Úvod...................................................................................................................................6 1.GRASS............................................................................................................................7 1.2.GPL.........................................................................................................................7 1.3.Struktura GRASS ...................................................................................................7 1.3.3.BASH...............................................................................................................8 1.3.4.Python..............................................................................................................8 2.Liniové dopravní stavby................................................................................................10 2.2.Vlivy komunikace na životní prostředí.................................................................10 2.2.3.Exhalace........................................................................................................10 2.2.4.Únik nebezpečných látek ..............................................................................12 2.2.5.Oběti dopravních nehod................................................................................12 2.2.6.Hluková zátěž................................................................................................12 2.3.Hluk a jeho vliv na životní prostředí.....................................................................13 2.3.3.Vliv hluku na organismus..............................................................................13 2.3.4.Legislativa o hluku........................................................................................14 3.Metodika pro zpracování hlukové zátěže ve vnějším prostředí ....................................16 3.2.Algoritmus výpočtu (Kozák, Liberko, 2005)........................................................16 4.Zpracování hlukové zátěže pomocí GIS.......................................................................21 4.2.Hlukové moduly pro GRASS................................................................................21 4.2.3. v.noise...........................................................................................................21 4.2.3. r.noise...........................................................................................................24 5.Experimentální lokalita Vsetín.....................................................................................26 5.2.Studie hluku Vsetín (Adias,2006).........................................................................26 5.2.3.Způsob výpočtu.............................................................................................26 6.Výsledky.......................................................................................................................28 6.2.3.Výpočet v prostředí GRASS.........................................................................28 6.2.3.Výpočet v prostředí Soundplan.....................................................................29 6.3.Výsledné hodnocení..............................................................................................30 7. Diskuze.........................................................................................................................31 SUMMARY.....................................................................................................................32 Literatura ........................................................................................................................33 Přílohy..............................................................................................................................34
5
Úvod V lidech je od nepaměti zanesena touha cestovat a poznávat nové kraje. K tomuto jim pomáhají mapy. Z mapy lze vyčíst jak je to daleko, co lze po cestě potkat za krásy nebo úskalí. Mapy ovšem dnes neslouží jen pro rady při cestování, je díky nim ulehčen proces rozhodování v mnoha lidských oblastech od doručení pošty přes lesnictví až po řešení krizových situací. Mapy nám pomáhají ve hledání vhodných míst i při modelování přírodních procesů. V současné době se hlavní část zpracování map přesunula na výpočetní techniku díky možnosti rychlého zpracování velkého objemu dat. Této disciplíně se říká geoinformatika a jako hlavní pracovní prostředek je používán Geoinformační systém (GIS). Díky rozvoji této oblasti se lze dnes rozhodovat daleko jednodušeji a lze řešit i komplikovanější problémy. Pro zpracování dat v prostředí GIS je několik hlavních zástupců komplexních nástrojů pro zpracování map. Celou oblast lze rozdělit na dvě základní skupiny - software placený (komerční) a na software svobodný (open-source). V obou skupinách lze nalézt nepřeberné množství produktů, z nichž každý má své přednosti. Ovšem dle rozšíření lze pro každou skupinu určit hlavního zástupce. V komerční skupině je jím ESRI ArcGIS Desktop a ve skupině open-source GIS GRASS.
6
1.GRASS „GRASS (Geographic Resources Analysis Support System) byl vyvinut během let 1982 - 1995 vývojáři americké armády v Construction Engineering Research Laboratory (CERL). CERL odstoupil z vývoje GRASS v roce 1995 a v roce 1998 byla vydána verze 4.2.1 Marcusem Netelerem a Helenou Mitasovou na Institutu fyzické geografie a ekologie krajiny, Univerzita Hannover. V roce 1999 byla vydána verze 5.0 pod licencí GPL. Od roku 2001 je hlavní vývojové centrum přemístěno na FBKITC-irst, Trento, Itálie. GRASS je dále součástí projektu OSGeo (Open-Source Geospatial Foundation www.osgeo.org), který slouží pro podporu celosvětového využití a spolupráce na vývoji svobodných technologií a dat. V dnešní době je GRASS ve stabilní verzi 6.2, a ve vývoji se blíží vydání 6.3.“ (Neteler,Mitasova,2008)
1.2.GPL GPL (General public licence) je základním kamenem svobodného softwaru. Jedná se o licenci zaručující uživatelům svobodného software a dokumentace patřičná práva (www.gnu.org). Zde jsou uvedeny základní body: • „spouštět program za jakýmkoliv účelem • studovat, jak program pracuje a přizpůsobit ho svým potřebám. Předpokladem k tomu je přístup ke zdrojovému kódu. • redistribuovat kopie dle svobodné vůle. • vylepšovat program a zveřejňovat zlepšení, aby z nich mohla mít prospěch celá komunita. Předpokladem je opět přístup ke zdrojovému kódu.“(GNU, 2008)
1.3.Struktura GRASS Grass je tzv. hybridním GIS, který poskytuje možnosti v používání různých typů dat. Jako hlavní složky lze oddělit rastrová data, dálkový průzkum Země a vektorové data. 7
Rastrové mapy a obrazy dálkového průzkumu Země jsou založené na datech uložených v matici, kde každé umístění je prezentováno barvou, nebo hodnotou . Naproti tomu vektorové mapy jsou založené na geometrii (tvaru) a topologii (umístění) dat. Pro každou oblast má GRASS k použití množství modulů pro analýzu. Tyto oblasti se od sebe odlišují prvním písmenem v příkazu (pro lepší pochopení jsou názvy ponechány v anglickém znění): ``d - display commands, db - database commands, g - general commands, i - imagery commands, m - misc commands, p - photo commands, ps postscript commands, r - raster commands , r3 - raster3D commands, v - vector commands.''(Neteler, Mitasova,2008) Dále je celý systém členěn podle programovacího jazyka, ve kterém je daný modul napsán - lze rozlišit hlavní sekci v programovacím jazyce C/C++, dále je použit jazyk Python a jazyk Pearl. Jako výborný pomocník se jeví, zvláště pro prostředí Linux, skriptovací jazyk Bash.
1.3.3.BASH Jako většina prostředí příkazové řádky (shell) dostupné v Linuxu není Bash (Bourne Again SHell) pouze výbornou příkazovou řádkou, ale zároveň také plnohodnotným skriptovacím jazykem. Skriptování v příkazové řádce umožňuje zautomatizovat úlohy, které by jinak vyžadovaly psaní mnoha příkazů na příkazovou řádku. Mnoho programů v jednotlivých distribucích Linuxu či Unixu jsou pouze skripty příkazové řádky.
1.3.4.Python Python je objektově orientovaný programovací jazyk, který v roce 1990 navrhl Guido van Rossum. Python je vyvíjen jako open source projekt, který zdarma nabízí instalační balíky pro většinu běžných platforem (Unix, Windows, Mac OS). Python je dynamický interpretovaný jazyk. Někdy bývá zařazován mezi takzvané skriptovací jazyky. Jeho možnosti jsou ale větší. Python byl navržen tak, aby umožňoval tvorbu rozsáhlých, plnohodnotných aplikací (včetně grafického uživatelského rozhraní GRASS - viz například wxgui který využívá wxWidgets). Programování v Pythonu klade velký důraz na produktivitu práce programátora. Myšlenky návrhu jazyka jsou shrnuty ve filosofii Pythonu.
8
2.Liniové dopravní stavby Pro liniové dopravní stavby se vžil termín komunikace, protože tyto stavby slouží především pro dopravu informací, materiálu nebo osob, tudíž slouží ke spojení dvou míst na různých úrovních komunikace. Tyto stavby lze dále rozdělit podle způsobu pohybu dopravního prostředku -kolejové a silniční.
2.2.Vlivy komunikace na životní prostředí Dopravní stavby jsou umístěny v čase i prostoru. Při tom ovlivňují a jsou ovlivňovány svým okolím. Vliv na životní prostředí může mít několik aspektů; kladné nebo záporné. Bohužel v dnešní době převažují ty záporné. Jsou to především exhalace ze spalovacích motorů, hluk způsobený používáním dopravních prostředků, úniky toxických látek, oběti na životech a další. V ČR byl v roce 2001 přijat zákon 100/2001, o posuzování vlivů na životní prostředí a o změně některých souvisejících zákonů (zákon EIA).
2.2.3.Exhalace V současné době se zaobírá sběrem a vyhodnocením dat Český statistický úřad (ČSÚ). ČSÚ eviduje množství znečišťujících látek vypouštěných do ovzduší v Registru emisí a zdrojů znečišťování ovzduší (REZZO), který je podle závislosti na druhu zdrojů a jejich tepelných výkonů podle ČSÚ (2008) členěn na:
„REZZO 1 - zahrnuje stacionární zařízení ke spalování paliv o tepelném výkonu 5 MW a vyšším a zařízení zvlášť závažných technologických procesů; zařízení uvedené skupiny jsou označována jako "velké zdroje znečišťování";
REZZO 2 - zahrnuje technologické objekty obsahující stacionární zařízení ke spalování paliv o tepelném výkonu od 0,2 do 5 MW a zařízení závažných technologických procesů, jakož i uhelné lomy a obdobné plochy s možností hoření, zapaření nebo úletu znečišťujících látek; uvedená skupina je označována 9
jako "střední zdroje znečišťování";
REZZO 3 - zahrnuje technologické objekty obsahující stacionární zařízení ke spalování paliv o tepelném výkonu nižším než 0,2 MW, zařízení technologických procesů nespadajících do kategorie velkých a středních zdrojů znečišťování, plochy, na kterých jsou prováděny práce, které mohou způsobovat znečišťování ovzduší, skládky paliv, surovin, produktů a odpadů a zachycených exhalátů a jiné stavby, zařízení a činnosti výrazně znečišťující ovzduší; uvedená skupina je označována jako "malé zdroje znečišťování";
REZZO 4 - zahrnuje mobilní zařízení se spalovacími nebo jinými motory, které znečišťují ovzduší, zejména silniční a motorová vozidla, železniční kolejová vozidla, plavidla a letadla; uvedená skupina je označována jako "mobilní zdroje znečišťování".“
„Měrné emise jsou emise znečišťujících látek za určité časové období připadající na jednotku plochy území nebo na obyvatele. Vykazování emisí uhlovodíků (CxHy) bylo od roku 2002 nahrazeno vykazováním těkavých organických sloučenin (VOC). Z podkladů pro emisní bilanci VOC, která zahrnuje také emise z používání rozpouštědel a nátěrových hmot např. pro venkovní údržbu a v domácnostech, nelze v současnosti zajistit rozdělení do jednotlivých kategorií zdrojů.''(ČSÚ, 2008) Dále jsou ještě hodnoceny tuhé znečišťující látky (TZL). Z tabulky je patrné jak se doprava (REZZO 4) podílí na celkovém znečištění ovzduší za rok 2005. SO2
TZL
Kategorie zdrojů
Nox
CO
NH3
VOC
kt/rok
%
kt/rok
%
kt/rok
%
kt/rok
%
kt/rok
%
kt/rok
%
REZZO 1
12,5
20
184,2
85
139,4
48
150,0
31
18,6
11
15,9
24
REZZO 2
5,1
8
4,9
2
4,2
1
6,0
1
4,1
2
14,3
21
REZZO 3
16,4
26
27,5
13
11,0
4
85,1
17
103,5
59
34,0
51
Stac. Zdroje – celkem
34,0
54
216,6 100 154,6
53
241,1
49
126,2
72
64,2
96
REZZO 4
28,6
46
47
252,5
51
49,8
28
2,5
4
Celkem
62,6
100
217,2 100 293,2 100 493,6 100 176,0 100
66,7
100
0,6
0
138,6
Tab.1: Celkové emise základních znečišťujících látek v roce 2005 – přepočtené údaje (čhmú, 2008) Jelikož je ovzduší nestálé a jeho části se vzájemně promíchávají, můžeme se setkat s 10
exhalacemi z dopravy na každém kroku. Nebezpečná situace nastává v místech nahromadění velkého počtu dopravních prostředků, zvláště ve velkých městech, kde se lidé doslova přiotrávili exhalacemi z automobilů. Pomocí GIS se exhalace z dopravy dají modelovat podle několika možných algoritmů.
2.2.4.Únik nebezpečných látek Dopravní nehody jsou doprovázeny nejrůznějšími nepříjemnostmi. Od hmotného poškození dopravních prostředků, přes škody na životech lidí a zvířat až po zamoření okolního prostředí toxickými látkami, převáženými po komunikacích. Pomocí GIS lze vyřešit šíření látek v prostředí. V současné době existují moduly jak pro GIS GRASS, tak i pro ESRI ArcGIS Desktop.
2.2.5.Oběti dopravních nehod Toto nebezpečí spočívá hlavně v likvidaci jednotlivců. Jiné další poškození ŽP je zpravidla minimální. Tento jev se nedá pomocí GIS řešit, řešit lze pouze dílčí úlohy jako: analýza míst častých dopravních nehod, dostupnost rychlé záchranné pomoci, a další.
2.2.6.Hluková zátěž Hluk z komunikací je jeden ze smysly zachytitelných jevů. Při překročení určité hladiny hluku je pak tento jev vnímán jako nepříjemný až bolestivý. K mapování hluku se používají tzv. hlukové mapy. Ty zachycují jak daleko od komunikace se hluk projevuje a jakou intenzitou působí v daném místě. Pro tvorbu takové mapy existují následující postupy: přímým měřením na místě a následnou interpolací dat, modelovým výpočtem, nebo kombinací obou . Přímé měření lze použít tam, kde je už komunikace postavena, ale výsledek měření je zcela závislý na situaci na silnici, která se vyskytovala jenom v určitém čase na určitém místě.
11
Naproti tomu je modelace hluku oproštěna od závislosti na reálné situaci. Lze simulovat jakékoliv situace a jejich výsledky. Toho se dá nejlépe využít v přípravné fázi, kdy je třeba mít představu o situaci, která nastane.
2.3.Hluk a jeho vliv na životní prostředí „Hluk je každý nechtěný zvuk (bez ohledu na jeho intenzitu), který má rušivý nebo obtěžující charakter, nebo který má škodlivé účinky na lidské zdraví.“(Anonymous,2007) „Hluk je nežádoucí zvuk. Jeho intenzita se měří v decibelech (dB). Decibelová stupnice je logaritmická, tzn. že zvýšení hladiny zvuku jen o tři decibely vlastně představuje dvojnásobně zvýšenou intenzitu hluku. Například při běžné konverzaci se pohybuje okolo 65 dB a zvýšíme-li hlas, rovná se asi 80 dB. Rozdíl je pouhých 15 dB, ale při zvolání či výkřiku se intenzita zvýší třicetkrát. Abychom vzali v úvahu skutečnost, že lidské ucho je na různé frekvence různě citlivé, měříme obvykle sílu nebo intenzitu hluku v tzv. hladině hluku 'A' vyjádřené v decibelech (dBA).“(Anonymous,2008) Intenzita hluku není jediným faktorem který se třeba vzít v potaz. Důležitým faktorem je také doba trvání - expozice.
2.3.3.Vliv hluku na organismus Hluk má na organismus dvojí účinek - ovlivňuje přímo sluchový orgán a také celý organismus. Účinky, které ovlivňují přímo sluchový orgán: • dočasné zhoršení slyšení (sluchová únava po krátkodobém vystavení silnému hluku); • trvalé zhoršení slyšení poškozením smyslových buněk ve vnitřním uchu (sluchová ztráta je již zjevná - např. po dlouhodobém působení hluku v pracovním prostředí); • trvalé zhoršení slyšení poškozením struktur středního a vnitřního ucha vlivem výbuchu nebo třesku (tzv. hlukové poranění). Účinky, které ovlivňují celý organismus: • zvýšený výskyt civilizačních nemocí - onemocnění srdce a cév, vysoký krevní tlak; 12
• snížená obranyschopnost organismu proti infekcím; • ovlivnění vegetativního systému (vztah k útrobnímu nervstvu neovlivnitelný vůlí) vzestup srdečního tepu a krevního tlaku, zvýšení pohyblivosti žaludku a střev, vliv na krevní zásobení plodu v děloze; • zhoršení usínání a délky i kvality spánku zvýšená unavitelnost, snížená výkonnost; • negativní vliv na proces učení a zapamatování, na využívání zásob paměti i průběh tvůrčích schopností; • poruchy citové rovnováhy - např. zvýšená rozmrzelost a zranitelnost duševní zátěží; • negativní ovlivnění sociální komunikace projevující se např. neschopností spolupracovat; • ztráty hořčíku způsobené jeho zvýšeným vylučováním ledvinami; • prokazatelný vliv na hladiny určitých hormonů (zejména zvýšení adrenalinu)
2.3.4.Legislativa o hluku Česká republika svým vstupem do EU v roce 2004 přizpůsobuje svou legislativu legislativě Evropské unie. To se odrazilo také v zákonech, vyhláškách a nařízeních spojených s hlukem. Pro EU jsou v této oblasti základní dokumenty: Budoucí politika ochrany proti hluku - Zelená kniha Evropské komise ze dne 4.11.1996, a Směrnice WHO pro hluk v komunálním prostředí č. 195DB19-6211-06-0b4. Hlavním nařízením je potom direktiva evropského parlamentu z 25.6.2002 - DIRECTIVE 2002/49/EC (relating to the assessment and management of environmental noise). V České republice je hlavní rámec legislativy o hluku uzákoněn v zákonu č. 258/2000 Sb. (O ochraně veřejného zdraví a změně některých souvisejících zákonů), ve vyhláškách a nařízeních vlády. Vyhlášky: • 561/2006 - VYHLÁŠKA ze dne 30. listopadu 2006 o stanovení seznamu aglomerací pro účely hodnocení a snižování hluku, • 523/2006 - VYHLÁŠKA ze dne 21. listopadu 2006, kterou se stanoví mezní hodnoty 13
hlukových ukazatelů, jejich výpočet, základní požadavky na obsah strategických hlukových map a akčních plánů a podmínky účasti veřejnosti na jejich přípravě (vyhláška o hlukovém mapování), Nařízení vlády: • 198/2006 - NAŘÍZENÍ VLÁDY ze dne 19. dubna 2006, kterým se mění nařízení vlády č. 9/2002 Sb., kterým se stanoví technické požadavky na výrobky z hlediska emisí hluku, ve znění nařízení vlády č. 342/2003 Sb., • 148/2006 - NAŘÍZENÍ VLÁDY ze dne 15. března 2006 o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací, • 342/2003 - NAŘÍZENÍ VLÁDY ze dne 3. září 2003, kterým se mění nařízení vlády č. 9/2002 Sb., kterým se stanoví technické požadavky na výrobky z hlediska emisí hluku, • 9/2002 - NAŘÍZENÍ VLÁDY ze dne 26. listopadu 2001, kterým se stanoví technické požadavky na výrobky z hlediska emisí hluku, ve znění nařízení vlády č. 342/2003 Sb.
V roce 2004 byla vytvořena NOVELA METODIKY PRO VÝPOČET HLUKU SILNIČNÍ DOPRAVY, uveřejněná v odborném časopise pro životní prostředí PLANETA - v druhém čísle roku 2005 .
14
3.Metodika pro zpracování hlukové zátěže ve vnějším prostředí Pro výpočet hluku ze silniční dopravy je vypracována metodika, která byla znovelizována v roce 2004. Navazuje na předchozí novelu z roku 1996. Novela byla vydána pro upřesnění pojmů a výpočtů jak v imisní části, tak i v části emisní. Zpracovatelem byla firma ENVICONSULT Praha. Metodika pojednává o výpočtu imisní části, emisní části a o korekcích vlivem dalších činitelů, dále se zabývá definováním základních pojmů s hlukem souvisejících.
3.2.Algoritmus výpočtu (Kozák, Liberko, 2005) Algoritmus výpočtu se vztahuje k výpočtu hodnot 'LAeq' v zadaných bodech (imisních místech). Nejsou-li zadány body, v nichž se má vypočítat hodnota 'LAeq' pro posouzení hlukové situace v území, doporučuje se vypočítat 'LAeq'v bodech charakteristických (typických) pro řešenou úlohu (situaci). Prvním výpočtovým krokem při výpočtu 'LAeq' je homogenizace podmínek výpočtu. Z tohoto důvodu se posuzovaná komunikace rozdělí do homogenních úseků o stejných vstupních parametrech výpočtu. Délka těchto úseků je závislá především na změnách směrového a výškového vedení komunikace, dále na dopravní zátěži, stínění, pohltivosti terénu, druhu krytu vozovky. Stanoví se faktory F1, F2, F3, mající tento význam: Faktor F1 - vyjadřuje vliv rychlosti dopravního proudu a zastoupení osobních a nákladních vozidel s různými hlukovými limity v dopravním proudu na hodnoty 'LAeq' Faktor F2 - vyjadřuje vliv podélného sklonu nivelety komunikace na hodnoty 'Laeq'. 15
Faktor F3 - vyjadřuje vliv povrchu vozovky na hodnoty 'LAeq'.
Při stanovení faktorů F1, F2, F3 se postupuje takto: Pro zadaný rok výpočtu se zjistí zastoupení osobních a nákladních vozidel v dopravním proudu v denní a noční době. Denní hodinová průměrná intenzita dopravy 'nd' se vyjádří v skutečných počtech osobních vozidel za hodinu 'nOAd' a skutečných počtech nákladních vozidel za hodinu 'nNAd'. Analogicky se vyjádří noční průměrné hodinové intenzity dopravy osobních vozidel 'nOAd' , resp. průměrné hodinové intenzity nákladních vozidel 'nNAd'. Hodnota F1 v denní době se stanoví dle vztahu: F1 = NOAd * FvOA * 10^(LOA/10) + nNAd * FvNA * 10^(LNA/10) v němž je: nOAd- denní průměrná hodinová intenzita dopravy osobních vozidel, nNAd - denní průměrná hodinová intenzita dopravy nákladních vozidel, FvOA - funkce závislosti ekvivalentní hladiny akustického tlaku dopravního proudu osobních vozidel na rychlosti dopravního proudu. Funkce 'FvOA' je daná rovnicemi: FvOA = 3,59 * 10^-5 * v^0,8 pro skutečnou rychlost jízdy 'v' ≤ 60 km/h FvOA = 2,70 * 10^-7 * v^2 pro skutečnou rychlost jízdy 'v' nad 60 km/h LOA - hladina akustického tlaku 'A' osobních vozidel pro zadaný výpočtový rok. Hodnota 'LOA' je dána tabulkou 2. FvNA - funkce závislosti ekvivalentní hladiny akustického tlaku dopravního proudu nákladních vozidel na rychlosti dopravního proudu. Funkce 'FvNA' je dána rovnicemi: FvNA = 1,50 * 10^-2 * v^-0.5 pro skutečnou rychlost jízdy 'v' ≤ 60 km/h FvNA = 2,45 * 10^-4 * v^0.5 pro skutečnou rychlost jízdy 'v' nad 60 km/h LNA hladina akustického tlaku 'A' nákladních vozidel pro zadaný výpočtový rok. 16
Hodnota 'LNA' je dána tabulkou 2. Tabulka 2 popisuje hodnoty 'LOA' a 'LNA' - hladiny akustického tlaku 'A' pro jednotlivé třídy silnice a roky výpočtu. Pokud výpočtový rok není uveden v tabulce použije se nejbližší tomuto roku. Výpočtový rok
Osobní automobily – LOA D + RK I. třída
Nákladní automobily – LNA
II. třída
III. třída
D + RK I. třída
II. třída
III. třída
2005
74,6
74,8
74,9
75,6
80,9
81,1
81,4
82,4
2006
74,4
74,6
74,8
74,9
80,7
80,9
81,1
81,4
2007
74,3
74,4
74,6
74,8
80,4
80,7
80,9
81,1
2008
74,1
74,3
74,4
74,6
80,2
80,4
80,7
80,9
2009
74,1
74,1
74,3
74,4
80,2
80,2
80,4
80,7
2010
74,1
74,1
74,1
74,3
80,2
80,2
80,2
80,4
2011
74,1
74,1
74,1
74,1
80,2
80,2
80,2
80,2
Tab 2: hladiny LOA, LNA v dB pro roky 2005 - 2011.
Faktor F2: Určuje se z tabulky 3. Tabulka vyjadřuje hodnoty faktoru F2 pro podélný sklon komunikace [s], buď pro jednosměrné, nebo obou směrné komunikace. Jednosměrná komunikace stoupající
klesající
Obousměrná komunikace
%
F2
%
F2
%
F2
S<1
1,00
S≤6
1,79
S<1
1,00
1<S<2
1,12
S>6
2,50
1<S<2
1,06
2<S<3
1,25
2<S<3
1,13
3<S<4
1,42
3<S<4
1,21
4<S 5<S S= S>
1,60 1,79 2,00 2,50
4<S<5 5<S<6 S=6 S>6
1,30 1,40 1,50 2,50
<5 <6 6 6
Tab.3: Hodnoty faktoru F2 v závislosti na podélném sklonu nivelety
Faktor F3: 17
Hodnoty faktoru F3 se v závislosti na druhu krytu vozovky určují takto: Pro výpočtové rychlosti do 50 km/h se používá pro faktor F3 číselná hodnota 1,0 a to pro všechny druhy asfaltobetonových i cementobetonových krytů vozovek. Pro tentýž rozsah výpočtových rychlostí je pro kryt z drobné dlažby číselná hodnota F3 rovna 2,0, pro kryt z hrubé dlažby je číselná hodnota F3 rovna 4,0. Pro výpočtové rychlosti nad 50 km/h jsou hodnoty koeficientu F3 pro všechny druhy krytů vozovek uvedeny v tabulce 4.
Kategorie a
Druh krytu
F3
Kryt z asfaltového betonu – ABO (do 8 mm)
1,0
Kryt z asfaltového betonu s uzavřeným povrchem
1,0
Litý asfalt hrubozrnný frakce 2–5
1,0
Kryt z asfaltového koberce AKT s přetržitou křivkou zrnitosti do 11 mm (např. typu RUMAC) Kryt z asfaltového koberce mastixového c střednězrnného (AKMS) do 11 mm nebo jiné koberce se zrnitostí do 11 mm (např. typu ULM) Kryt z asfaltového betonu hrubozrnného (ABH) do 16 d mm s použitím modifikovaného asfaltu Mikrokoberec prováděný za studena se zrnitostí do 8 e mm (např. typ GRIPFIBRE) f Litý asfalt hrubozrnný frakcí 1–4, 4–8 Cementobetonový kryt s úpravou povrchu pomocí a tažené tkaniny Cementobetonový kryt s negativním příčným b zdrsněním b
A
B
C
1,0 1,1 1,1 1,2 1,3 1,2 1,2
c
Cementobetonový kryt s jemným příčným zdrsněním
1,5
a
Kryt z drobné dlažby
2,0
b
Kryt z hrubé dlažby
4,0
Tab.4: Hodnoty koeficientu F3 pro různé druhy krytu povrchu vozovek
Podle vzorce 'X = F1 * F2 * F3', se vypočítá hodnota 'X', která se použije pro stanovení pomocné výpočtové veličiny 'Y' (LAeq ve vzdálenosti 7,5 m od osy nejbližšího jízdního pruhu komunikace) ve vztahu 'Y= 10 * lgX – 10,1' 18
Pro příslušný úsek komunikace se zjistí kolmá vzdálenost 'd' posuzovaného bodu od osy komunikace. Pro parametry 'd' a 'H' se zjistí útlum dopravního hluku 'U', a to pro: - odrazivý terén (jako např. beton, asfalt, vodní hladina, aj.) dle: U = 50,2 – (3357,23 – 911,8 * lg(d))^1/2
pro d <8;1000>,
U = 10 * lg(8/d)
pro d (0;8),
U = -4,1
pro d = 0
- pohltivý terén (jako např. tráva, obilí, nízké zemědělské kultury apod.) dle: U = 8,78 * lg((d^2 + H^2 + 6H + 9)/(17H + 51)) pro d <8;1000> a současně H <1.5;30>, U = 8,78 * lg((H^2 + 6H + 73)/(17H + 21)) * 10 * lg(8/d) pro d (0;8) a současně H <1.5;30>, U = 8,78 * lg((H^2 + 6H + 73)/(17H + 21)) - 4.1 pro H <1.5;30>. Základní ekvivalentní hladina akustického tlaku 'A' v posuzovaném bodě 'Lx' se pak vypočítá jako: Lx = Y - U
19
4.Zpracování hlukové zátěže pomocí GIS O zpracování hluku ve vnějším prostředí dle české legislativy se stará několik softwarových programů, z nichž nejznámější je program HLUK+ (více informací na www.hlukplus.cz). Z komerčních programů GIS nabízejících algoritmus pro výpočet hluku je zatím jedinou možností program ArcInfo (ESRI Inc., USA) díky A. Orlíkovi z VŠB - technické univerzity Ostrava, který danou problematiku řešil jako svou diplomovou práci a výsledky úspěšně prezentoval na studentské soutěži GIS-áček v roce 2004. Pro oblast open-source je hlavním představitel program GRASS, ten ovšem žádný modul pro výpočet hluku nemá. Cílem této bakalářské práce je změna tohoto stavu a navrhnutí základní struktury pro takový modul.
4.2.Hlukové moduly pro GRASS Celý výpočet hluku v metodice je rozdělen na dvě základní části - imisní a emisní. Stejně tak je rozdělen i výpočet na dva moduly - v.noise a r.noise. V části imisní (v.noise) se pracuje především s atributovými daty vektorových linií představujících komunikace. Emisní část je založena na zpracování rastrových map, jejich vzájemné kombinaci a mapové algebře. Oba moduly jsou vytvořeny v programovacím/skriptovacím jazyce BASH a doplňkové výpočty jsou vytvořeny v jazyce Python.
4.2.3. v.noise Imisní část je nazvána podle struktury GRASS jako v.noise. Z toho vyplývá, že hlavním formátem dat, která jsou zde zastoupena, jsou vektorová data a jejich atributy. Data zde vstupují jako databázové záznamy pro jednotlivé úseky komunikace ze sčítání dopravy uváděné v počtech za 24 hodin. Jednotlivé hodnoty jsou pojmenovány stejně jako ve sčítání dopravy pro přehlednost při zadávání hodnot. Dále zde vstupují data o terénu - a 20
to digitální model terénu (DMT). Data atributů jsou za běhu upravena na požadované hodnoty pro výpočet hluku hodinové intenzity. Pro zpřesnění podmínek jsou poté tato data rozdělena na jednotlivé body ve vzdálenosti 5 m od sebe. Jednotlivé body jsou ještě doplněny informacemi o sklonu svahu v místě, kde se se nacházejí. Tyto informace jsou postoupeny výpočtovým skriptům pro výpočet hluku a výsledek je dosazen do atributové tabulky pod zadaným názvem sloupce.
21
Obr 1: Algoritmus výpočtu modulu v.noise
22
4.2.3. r.noise Oproti tomu, šíření hluku je zadáno jako zpracování především rastrových map. Do výpočtu vstupují data vypočtená pomocí modulu v.noise jako vektorová mapa a název sloupce s hodnotami hluku. Dále je zde zastoupena již předem upravená mapa využití půdy. Mapa využití půdy musí být již připravena pro výpočet a musí obsahovat pouze hodnoty 1, 2 a NULL, kde NULL představují budovy, 1 jsou plochy, které pohlcují hluk a 2 plochy, které naopak hluk odrážejí. Jako zástupci mohou sloužit: • pro pohltivé plochy (1): lesní porosty, park, travní porosty, atd. • pro odrazivé plochy (2): vodní hladina, betonové a asfaltové plochy, atd. V samotném běhu modulu je pak tato mapa použita jako hlavní podklad pro výpočet útlumu. Z mapy je pak odvozena nejkratší vzdálenost od komunikace a pro jednotlivé typy využití půdy je spočítán útlum hluku. Z vektorové mapy s atributem hluku je interpolační metodou IDW (Inverse distance weight) vytvořena rastrová mapa hluku pro celé zájmové území. Poslední operací je potom prostý odečet těchto map kterým se získá výsledná mapa hluku z komunikace a jeho šíření v okolí. Jako výstup je 2D rastrová mapa obsahující vypočítané hodnoty hluku pro celé zájmové území. Mapu lze ještě upravit podle vyhlášky 523/2006 na jednotlivé skupiny v rozmezí 5 dB
23
Obr 2: Algoritmus výpočtu modulu r.noise
24
5.Experimentální lokalita Vsetín Pro ověření výsledků získaných pomocí těchto dvou modulů je použito město Vsetín a jeho jeho hlavní silniční tahy na kterých proběhlo sčítání dopravy. Poslední sčítání dopravy pro celou Českou republiku bylo provedeno v roce 2005. Z tohoto sčítání vychází i studie, kterou si radnice města Vsetín nechala vyhotovit v roce 2006. Studii zpracovala firma Adias Brno.
5.2.Studie hluku Vsetín (Adias,2006) Jako metodické vodítko pro vypracování hlukové mapy a zpracování indikátoru UR EU B.8 byl použit obecný rámec pro hodnocení stanovený evropskou směrnicí 2002/49/EC o hodnocení a snižování hluku z vnějšího prostředí, resp. její úprava, která je obsažena ve vyhlášce 523/2006 Sb. ze dne 21. listopadu 2006, kterou se stanoví mezní hodnoty hlukových ukazatelů, jejich výpočet, základní požadavky na obsah strategických hlukových map a akčních plánů a podmínky účasti veřejnosti na jejich přípravě (vyhláška o hlukovém mapování) a metodický list indikátoru B.8. Předkládaná dokumentace obsahuje výsledky výpočtů a grafickou prezentaci hlukové mapy města Vsetína ze silniční dopravy včetně vyhodnocení podílu populace vystavené dlouhodobě vysokým hladinám hluku z vnějšího prostředí ve smyslu indikátoru UR EU B.8 - Zatížení životního prostředí hlukem.
5.2.3.Způsob výpočtu Výpočet byl prováděn pomocí výpočetního software SoundPLAN, verze 6.4. Na základě podkladových digitálních dat byl vytvořen trojrozměrný model terénu, do kterého byly vloženy budovy včetně jejich výšek a osy jednotlivých komunikací. Nejprve byly ve výpočtech zahrnuty pouze komunikace na nichž celkové denní 25
intenzity dopravy překračovaly 1000 voz./24hod. Na základě zpřesnění modelu pak byly doplněny i některé vedlejší a místní komunikace s intenzitami dopravy do 1000 voz./24hod. Pro účely výpočtu bylo nutno dále rozlišit obytné budovy od budov neobydlených (průmysl, výroba, obchod, hospodářské budovy, garáže apod.). Pro toto rozlišení byl jako klíč použit počet obyvatel v jednotlivých adresních bodech, tzn. že jako obytné budovy byly uvažovány všechny budovy, u nichž je hlášena k trvalému pobytu alespoň jedna osoba. Výpočet byl prováděn s použitím francouzské metody výpočtu NMPB-Routes-96 (SETRA-CERTU-LCPC-CSTB), uvedená v Arreté du 5 mai 1995 relatif au bruit des infrastructures routieres, Journal Officiel du 10 mai 1995, Article 6 a ve francouzské normě XPS 31-133, která je doporučenou metodou uvedenou v příloze II evropské směrnice 2002/49/EC. Na základě zkušeností a údajů z testování této výpočtové metody se přesnost výpočtu v porovnání s měřením in situ pohybuje v rozmezí 0-2,0 dB, tzn. že vypočtené hodnoty se liší od naměřených o 0,0 až +2,0 dB, z čehož vyplývá, že vypočtené hodnoty jsou na straně bezpečnosti výpočtu. Vlastní výpočtové algoritmy používané v software SoundPLAN jsou pak testovány na přesnost 0,2 dB. Vzhledem k tomu, že celkový takto vytvořený digitální model území Vsetína obsahuje cca 500 MB dat, byly jednotlivé výpočty náročné jak z hlediska požadavků na výpočtovou techniku, tak i z hlediska časů trvání výpočtu (např. rastrová mapa pro výpočet plošného hlukového zatížení území v rastru 10x10 m vykazovala čas výpočtu cca 12 dnů). Z toho důvodu byl pro výpočet použit počítačový cluster složený ze 6-ti počítačů, z toho 3 se dvěma procesory, čímž se podařilo časy jednotlivých běhů výpočtů zkrátit cca na 1/9 původního času. Výpočty pro stanovení odhadovaného počtu lidí, kteří jsou ve svých domovech vystaveni jednotlivým sledovaným pásmům hluku, byly prováděny v celkem 20 847 výpočtových bodech umístěných ve výšce 4 m před fasádou obytných objektů. Plošné zatížení území hlukem bylo prováděno v síti výpočtových bodů s roztečí 10x10 m (celkem 365 564 výpočtových bodů).
26
6.Výsledky Pro oba modely jsou základní parametry porovnání: čas výpočtu, systémové požadavky, kvalita výstupu, možnost vizualizace získaných dat a možnosti jejich dalšího zpracování.
6.2.3.Výpočet v prostředí GRASS V prostředí GRASS byla celková doba výpočtu změřena na 9 hodin. Výpočet byl proveden s technikou: 1 počítač s procesorem 1,7 GHz, 512 MB paměti, operační systém Ubuntu Linux 7.10. Výsledná mapa má rozlišení 1x1 m. Nutno říct, že vytvořené moduly se nesnaží interpolovat dopravu na jiných než zadaných komunikacích, a také vliv terénu je minimální při šíření zvuku. Výslednou mapu je možno ještě upravit dle znění vyhlášky 523/2006 jako 2D mapa s vyznačením oblastí hluku v rozmezí 5 dB.
Obr 3: Mapový výstup z GIS GRASS
27
6.2.3.Výpočet v prostředí Soundplan Pro prostředí Soundplan byla celková doba výpočtu stanovena na 32 hodin při použití následující techniky: počítačový cluster složený ze 6-ti počítačů, z toho 3 se dvěma procesory, operační systém Windows. Výsledná mapa má rozlišení 10x10 m. Jako výstup byla použita 2D mapa s vyznačením oblastí hluku v pásmech 5 Db a počtem obyvatel bydlících v dané oblasti.
Obr 4: Výstupní hluková mapa města Vsetín z programu SoundPlan
28
6.3.Výsledné hodnocení Při posouzení obou výstupů se dospělo k těmto výsledkům:
vytvořené moduly pro GIS GRASS jsou rychlejší než výpočet v Soundplan přibližně o 2/3 času.
Náročnost na výpočetní techniku je u GIS GRASS daleko nižší.
Přesnost výpočtu je ve vytvořených modulech nižší než u programu SoundPlan.
Možnosti výstupu jsou pro obě prostředí přibližně stejné.
Pro využití v praxi jsou navržené moduly pouze orientační.
29
7. Diskuze Po posouzení dvou různých metod výpočtu a jejich použití ve dvou různých programech lze vyvodit následující závěry. Jednotlivé systémy jsou postaveny na odlišných
požadavcích
a
potřebách
uživatelů.
Zatímco
SoundPlan
je úzce
specializovaný software pro výpočet hluku ze železnic, letecké a silniční dopravy, GRASS je plnohodnotný GIS s velkou paletou nástrojů použití jak pro modelování přírodních jevů, tak i pro analýzy samotných digitálních map. Z toho je třeba vycházet při porovnávání těchto dvou programů. GRASS a jeho výstupy lze dále zpracovávat, výstup z programu SoundPlan je už přímo stylizovaná mapa se všemi atributy mapového díla a jako taková už nemůže být následně použita pro další analýzy. Oba programy obsahují nástroje na zpracování výsledků jak v 2D, tak i v 3D vizualizaci a následný export do požadovaného formátu, buď pro další zpracování v GIS (GRASS) nebo do různých typů obrazů (Soundplan). Pro další postup ve vývoji modulů v.noise a r.noise, je třeba se zaměřit na správnost legislativy a to podle evropské legislativy, nebo zakomponovat oba algoritmy do výpočtu tak, aby je šlo odlišit a vybrat ten, který se má použít. Dále by bylo přínosem využít všech možností programovacího jazyka Python nebo C/C++ pro lepší propojení GIS GRASS nezávisle na platformě. Zvláště, bude-li se vývoj GIS GRASS ubírat tímto směrem. Rozšířit možnost zpracování algoritmů o 3. dimenzi pro úplné zhodnocení vlivu dopravní liniové stavby. Také by bylo přínosem vytvoření modulů, především exhalace a jejich šíření, pro hodnocení vlivu komunikace v celé šíři, kterou může GIS GRASS poskytnout.
30
SUMMARY According to metology were created two modules pro GIS GRASS – v.noise and r.noise. Both modules were written in BASH script language adn additional scripts were written in Python language. Evaluation of modules were made by comparing outputs from program SoundPlan. Criterias of comparing were computing time, system requirements, quality of outputs, possibility of vizualization and other possibilities of usage. Computing time with Soundplan was 32 hours with cluster of 6 computers, OS Windows. Output has resolution 10x10m and outfit as 2D map with 5 ranges of noise level and number of people lived in level. GIS GRASS modules takes 9 hours with 1 laptop, OS Ubuntu 7.10. Output has resolution 1x1m and outfit as 2D map with 5 ranges of noise level. Adopted method seems to have different results of noise level and do not correspondent to ISO standarts. Futher improvement is needed to implement ISO standart to modules. Also rewritting in python language would be better for independency on platform and better interacting with GIS GRASS.
31
Literatura 1. WG-AEN, 2006: Good Practice Guide for Strategic Noise Mapping and the Production of Associated Data on Noise Exposure version 2.,Brusel, Belgie,129 stran. 2. KOZÁK, J., LIBERKO, M., 2005: Novela metodiky pro výpočet hluku ze silniční dopravy, příloha zpravodaje Ministerstva životního prostředí – číslo 2, březen 2005, MŽP Praha, 32 stran. 3. Neteler M,Mitasova H, 2008: OPEN SOURCE GIS A GRASS GIS approach thrid edition, Springer, USA, 406 stran. 4. Adias, 2006: Město Vsetín – hluková mapa, Adia Brno, 13 stran. 5. Literatura Anonymous, 2007: Hluk a jeho zdravotní účinky [on-line], citováno 3.3.2008, dostupné na
. 6. Anonymous, 2008: Co je to hluk? - OSHA - Evropské agentury pro bezpečnost a ochranu zdraví při práci [on-line], citováno 7.4.2008, Dostupné na World Wide Web: 7. GNU, 2008: GNU General Public License (Všeobecná veřejná licence GNU) [on-line],
citováno
7.4.2008,
Dostupné
na
World
Wide
Web:
. 8. ČHMÚ, 2008: Celkové emise základních znečišťujících látek v roce 2005 – přepočtené údaje [on-line], citováno 7.4.2008, Dostupné na World Wide Web: . 9. ČSÚ, 2008: 2002-07, Informace o životním prostředí v ČR - A-1. Ovzduší [online],
citováno
7.4.2008,
Dostupné
na
World
Wide
. 32
Web:
Přílohy Jako přílohy jsou přiloženy na CD-ROM zdrojové kódy vytvořených kódů skriptů a vizualizace výsledků získaných pomocí vytvořených modulů.
33
34
