Анализ видимости и расчёт прямой видимости

Зачем нужен анализ видимости

Анализ видимости (viewshed) показывает, какие участки местности просматриваются напрямую из точки наблюдения на заданной высоте. Для каждой ячейки проверяется, пересекает ли рельеф прямую линию от наблюдателя до этой ячейки. Если нет, ячейка считается видимой.

Этот вопрос возникает во многих задачах. Специалисты связи и оптоволоконных сетей с его помощью предварительно оценивают, какие населённые пункты «видит» базовая станция или радиорелейная вышка. При предпроектной оценке солнечных и ветровых станций видимость турбин или панелей из соседних сёл и с дорог входит в оценку визуального воздействия. При размещении камер наблюдения и сторожевых вышек так ищут слепые зоны, а в управлении чрезвычайными ситуациями выбирают наблюдательные пункты, места для сирен и радиоретрансляторов.

Как пользоваться

1. В режиме Видимость щёлкните по карте в точке наблюдения или введите её координаты. Высоту вышки или мачты укажите в списке. Можно добавить до трёх наблюдателей; в совместном результате участки, видимые с двух и более точек, выделяются отдельным цветом.
2. Задайте высоту цели (на сколько метров над землёй находится точка, которую нужно увидеть), радиус и коэффициент рефракции и нажмите Рассчитать видимость. В итогах приводится видимая площадь в км² и её доля от площади анализа.
3. В режиме Трасса A-B выберите две точки, укажите высоты антенн и при желании частоту. На графике показаны профиль рельефа, линия визирования и первая зона Френеля; если трасса перекрыта, инструмент покажет место препятствия и то, на сколько нужно поднять антенны.
4. Видимость можно скачать в ZIP (PNG, PGW, KML), KMZ или GeoJSON, а профиль – в CSV.

Прямая видимость и зона Френеля

Для радиолинии недостаточно, чтобы прямая между антеннами была свободна. Значительная часть энергии распространяется внутри эллипсоида вокруг этой линии, который называется первой зоной Френеля. Её радиус в любой точке равен r1 = √(λ · d1 · d2 / D), где λ – длина волны, d1 и d2 – расстояния от точки до концов трассы, D – длина трассы. На 5 ГГц длина волны около 0,06 м, поэтому в середине трассы длиной 10 км r1 получается около 12,2 м. На практике требуется, чтобы свободными от препятствий оставались не менее 60 % этой зоны. Инструмент рассчитывает просвет в каждой точке профиля, отмечает критическую точку и показывает, на сколько нужно поднять только A, только B или обе антенны, чтобы получить прямую видимость и просвет 60 %. Если задана частота, выводятся и потери в свободном пространстве.

Кривизна Земли и рефракция

На больших расстояниях из-за кривизны Земли цель опускается ниже линии визирования. Понижение на расстоянии d равно d² · (1 - k) / 2R, где R – средний радиус Земли, k – коэффициент атмосферной рефракции. Атмосфера слегка изгибает лучи к земле и уменьшает влияние кривизны. Для оптической видимости обычно принимают k = 0,13; при этом понижение на 10 км составляет около 6,8 м. Радиолинии в стандартной атмосфере рассчитывают с коэффициентом эквивалентного радиуса Земли K = 4/3, что соответствует k = 0,25.

Данные и метод

Высоты считываются из открытого набора AWS Terrain Tiles (Mapzen/Tilezen). Для Турции и большей части мира исходные данные в основном взяты из глобальных моделей вроде SRTM с разрешением около 30 м. Для анализа видимости окрестность наблюдателя делится на сетку широт и долгот не более чем примерно из 360 000 ячеек, поэтому шаг составляет около 17 м при радиусе 5 км, 34 м при 10 км и 67 м при 20 км. Видимость рассчитывается методом R3: к каждой целевой ячейке проводится отдельный луч, вдоль него считываются высоты с поправкой на кривизну, и угол на цель сравнивается с наибольшим углом на пути. Дополнительные наблюдатели смещаются к ближайшему центру ячейки. Профиль трассы строится с шагом около 20 м по самому детальному уровню тайлов.

График профиля работает на Chart.js 4.4.1 (лицензия MIT), архивы ZIP и KMZ создаются с помощью JSZip 3.10.1 (используется по лицензии MIT); значки из библиотеки Lucide (лицензия ISC). Подложки предоставлены Esri и участниками OpenStreetMap. Используемые библиотеки с открытым исходным кодом и их лицензии: Источники данных.

Ограничения точности

• Голый рельеф: модель не содержит отдельно зданий, деревьев, мачт и недавних насыпей или выемок. В застройке и в лесу реальная видимость может быть заметно меньше, чем на карте.
• Разрешение: фактическое разрешение исходной модели около 30 м. Узкие гребни, выемки и днища долин сглаживаются, и с ростом радиуса, когда шаг сетки увеличивается, этот эффект усиливается.
• Положение наблюдателя: из-за небольшой ошибки положения на вершине наблюдатель может оказаться ниже или выше поверхности модели; в критичных точках попробуйте несколько значений высоты.
• Предварительная оценка: результаты предназначены для ранней стадии. Для окончательного проектирования радиолинии нужны обследование на месте, при необходимости измерения и лицензионные программы планирования, учитывающие растительность и сооружения.

Для профессиональных проектов

Rodosto Teknoloji выполняет ГИС-проекты в сферах связи, энергетики и выбора площадок; общая информация есть на сайте компании. По вопросам конкретного проекта используйте страницу контактов (на английском).