DE102021208292A1 - Method of creating a map of immissions in a geographic area - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erstellung einer Karte der Immissionen für ein geografisches Gebiet. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:- Empfangen von Messdaten, die Immissionen an Stützstellen in dem geografischen Gebiet mit einer ersten räumlichen und zeitlichen Auflösung repräsentieren;- Empfangen von das geografische Gebiet betreffenden meteorologischen Daten;- Erstellen der Karte durch Berechnung von Daten, die Immissionen in dem geografischen Gebiet mit einer zweiten räumlichen und zeitlichen Auflösung, die zumindest hinsichtlich der räumlichen Auflösung größer ist als die erste Auflösung, repräsentieren, aus den Messdaten und den meteorologischen Daten unter Nutzung einer 3D-CFD-Simulation.The invention relates to a method for creating a map of the immissions for a geographical area. The method comprises the following steps: - Receiving measurement data representing immissions at support points in the geographical area with a first spatial and temporal resolution; - Receiving meteorological data relating to the geographical area; - Creating the map by calculating data that immissions in represent the geographical area with a second spatial and temporal resolution, which is greater than the first resolution at least in terms of spatial resolution, from the measurement data and the meteorological data using a 3D CFD simulation.
Description
Stand der TechnikState of the art
Aus der
Die weiteren Informationen können dabei aus Immissionsmessungen gewonnen werden, beispielsweise zur Ergänzung, Verifizierung und/oder Plausibilisierung der errechneten Immissionskarte.The additional information can be obtained from immission measurements, for example to supplement, verify and/or check the calculated immission map for plausibility.
Messstationen für derartige Immissionsmessungen sind allerdings vergleichsweise teuer, sodass in der Praxis lediglich eine vergleichsweise geringe räumliche und zeitliche Auflösung der durch Immissionsmessungen empfangenen Messdaten zur Verfügung gestellt werden kann.However, measuring stations for such immission measurements are comparatively expensive, so that in practice only a comparatively low spatial and temporal resolution of the measurement data received by immission measurements can be made available.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention
Die Erfinder haben erkannt, dass das Erstellen einer Karte der Immissionen in dem geographischen Gebiet, die zumindest hinsichtlich der räumlichen Auflösung größer ist als die Auflösung der empfangenen Messdaten, aus den Messdaten und den meteorologischen Daten unter Nutzung einer 3D-CFD-Simulation einfach und mit hoher Genauigkeit erhältlich ist.The inventors have recognized that creating a map of the immissions in the geographical area, which is greater than the resolution of the received measurement data, at least in terms of spatial resolution, from the measurement data and the meteorological data using a 3D CFD simulation is simple and easy high accuracy is available.
Unter 3D-CFD Simulation (englisch: computational fluid dynamic) werden im Rahmen der Erfindung numerische Methoden zur Behandlung von räumlichen strömungsmechanischen Fragestellungen verstanden.Within the scope of the invention, 3D-CFD simulation (computational fluid dynamics) is understood to mean numerical methods for dealing with spatial fluid-mechanical problems.
Bei dem geografischen Gebiet handelt es sich um einen tatsächlich existierenden Teil der Umwelt, beispielsweise umfassend die Oberfläche einer Stadt oder einer Regionen bis zu einer gewissen Höhe. Alternativ kann es sich auch um andersartige Teile der Umwelt handeln, beispielsweise um ein Seegebiet oder um einen Luftraum. Eine Karte eines geografischen Gebiets umfasst beispielsweise in dem Gebiet angeordnete Stützstellen und/oder Rasterpunkte und ihnen zugeordnete zeitlich aufgelöste Werte von Immissionen.The geographical area is an actually existing part of the environment, for example covering the surface of a city or a region up to a certain altitude. Alternatively, it can also be a different part of the environment, for example a sea area or an airspace. A map of a geographic area includes, for example, support points and/or grid points arranged in the area and time-resolved immission values assigned to them.
Bei der zeitlichen Auflösung dieser Daten, handelt es sich im Rahmen der Anmeldung vorzugsweise um eine zeitliche Auflösung, die beispielsweise mindestens einen Datensatz pro Stunde oder mehr repräsentiert.The temporal resolution of this data, within the scope of the application, is preferably a temporal resolution that represents, for example, at least one data set per hour or more.
Bei den Emissionen und/oder bei den Immissionen kann es sich beispielsweise um NO, NO2, CO, SO2, CO2, O3 und/oder Partikelmassen, z.B. PM2.5, PM10, handeln. Es kann sich grundsätzlich auch um flüchtige Stoffe handeln, mit denen Geruchsbelästigungen typischerweise einhergehen, zum Beispiel im Zusammenhang mit Tierhaltung, Düngung landwirtschaftlich genutzten Flächen, Ausdünstungen und/oder dergleichen.The emissions and/or the immissions can be, for example, NO, NO2, CO, SO2, CO2, O3 and/or particle masses, e.g. PM2.5, PM10. In principle, it can also be a matter of volatile substances with which odor nuisance is typically associated, for example in connection with animal husbandry, fertilization of agriculturally used areas, vapors and/or the like.
Gemäß vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ist vorgesehen, dass das Erstellen der Karte unter Verwendung von Al-basierten Methoden (englisch: artificial intelligence) erfolgt. Dabei können die Al-basierten Methoden auf der Nutzung von Trainingsdaten basieren, die Immissionen in dem geografischen Gebiet mit einer dritten räumlichen und zeitlichen Auflösung repräsentieren, die zumindest hinsichtlich der räumlichen Auflösung größer ist als die erste Auflösung. Beispielsweise können die Trainingsdaten mittels temporär verwendeter zusätzlicher Messeinrichtungen in einer Trainingsphase, die dem eigentlichen erfindungsgemäßen Verfahren zum Beispiel einmalig vorausgeht, gewonnen werden.According to advantageous developments of the invention, the map is created using AI-based methods (artificial intelligence). The AI-based methods can be based on the use of training data that represent immissions in the geographical area with a third spatial and temporal resolution that is greater than the first resolution, at least in terms of spatial resolution. For example, the training data can be obtained by means of temporarily used additional measuring devices in a training phase that precedes the actual method according to the invention, for example once.
Beispielsweise kann dabei ein neuronales Netz darauf trainiert werden, die Messdaten insbesondere in Abhängigkeit von den meteorologischen Daten auf die Trainingsdaten abzubilden.For example, a neural network can be trained to map the measurement data onto the training data, in particular as a function of the meteorological data.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass das Erstellen der Karte, insbesondere die 3D-CFD-Simulation, neben den Messdaten und den meteorologischen Daten Informationen über eine Geländetopographie und/oder Geländetopologie und/oder Informationen über eine Bebauung des geographischen Gebiets; und/oder Informationen über Emissionen in dem geographischen Gebiet nutzt. Der Empfang diese Größen repräsentierender Daten kann als Schritt des Verfahrens vorgesehen sein.Advantageously, it can be provided that the creation of the map, in particular the 3D CFD simulation, in addition to the measurement data and the meteorological data, information about a terrain topography and/or terrain topology and/or information about buildings in the geographical area; and/or uses information about emissions in the geographic area. The receipt of data representing these quantities can be provided as a step in the method.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass das Erstellen der Karte auf der Methode der Gaußprozess-Regression (auch bekannt als Kriging-Methode) basiert.Provision can advantageously be made for the creation of the map to be based on the Gaussian process regression method (also known as the kriging method).
In Weiterbildung dieser Methode kann vorgesehen sein, dass Informationen über die Bebauung des geographischen Gebiets genutzt werden, indem Abstände zwischen den Stützstellen in dem geographischen Gebiet unter Berücksichtigung der Bebauung ermittelt und weiterverrechnet werden. Beispielsweise werden statt geometrischen Abständen zwischen Stützstellen, die Pfadlängen entlang von Pfaden, die Stützstellen zwischen Elementen der Bebauung hindurch verbinden, ermittelt und weiter verrechnet.In a further development of this method, it can be provided that information about the buildings in the geographical area is used, in that distances between the interpolation points in the geographical area are determined and further charged, taking the buildings into account. For example, instead of geometric distances between support points, the path lengths along paths that connect support points between elements of the building are determined and further calculated.
Das Erstellen der Karte, insbesondere die 3D-CFD-Simulation, kann relativ zu dem Zeitraum, den die empfangen Daten repräsentieren, in die Zukunft gerichtet sein, also einen Trend (englisch: Forecast) wiedergeben.The creation of the map, in particular the 3D CFD simulation, can be relative to the period which the received data represent, be directed towards the future, i.e. reflect a trend (English: forecast).
Dabei können Informationen, die die Bebauung des geographischen Gebiets betreffen, beispielsweise ein Gebäudelayer, berücksichtigt werden, beispielsweise als Kovariate in den Trend integriert werden.In this case, information relating to the development of the geographical area, for example a building layer, can be taken into account, for example integrated into the trend as covariates.
Zusätzlich oder alternativ können dabei Informationen über Emissionen in dem geographischen Gebiet berücksichtigt werden, beispielsweise in den Trend integriert werden. Der Empfang die Emissionen repräsentierender Daten kann als Schritt des Verfahrens vorgesehen sein.Additionally or alternatively, information about emissions in the geographical area can be taken into account, for example integrated into the trend. The receipt of data representing the emissions can be provided as a step of the method.
Vorteilhafterweise kann zusätzlich zu dem Erstellen der Karte eine Plausibilisierung der empfangenen Messdaten erfolgen, beispielsweise auf Basis einer „Lasse einzelne Boxen aus“-Methode. Letztere kann beispielsweise Hinweise auf die Notwendigkeit einer Überprüfung der Messdaten, zum Beispiel einer Messeinrichtung, auf die bestimmte Messdaten zurückgehen, liefern.Advantageously, in addition to creating the map, the received measurement data can be checked for plausibility, for example on the basis of a “leave individual boxes” method. The latter can, for example, provide indications of the need to check the measurement data, for example a measurement device on which certain measurement data are based.
Basierend auf der erfindungsgemäß erstellten Immissionskarte können Immissionskarten geringerer zeitlicher Auflösung durch Mittelwertbildung erzeugt werden, beispielsweise ausgehend von einer stündlichen Auflösung zu täglicher, wöchentlicher oder monatlicher Auflösung.Based on the immissions map created according to the invention, immissions maps with a lower temporal resolution can be generated by averaging, for example starting from an hourly resolution to a daily, weekly or monthly resolution.
Die dargestellte Methodik ist grundsätzlich auch auf die Schadstoff- und/oder Virenausbreitung innerhalb von Gebäuden anwendbar. Letztere stellen also insbesondere auch ein geographisches Gebiet im Sinne der Erfindung dar.In principle, the methodology presented can also be applied to the spread of pollutants and/or viruses within buildings. The latter also represent in particular a geographical area within the meaning of the invention.
Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, die Schritte des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche durchzuführen, einen nichtflüchtiger Speicher, auf welchem ein derartiges Computerprogramm gespeichert ist, und eine Recheneinheit, die einen derartigen nichtflüchtigen Speicher umfasst.The invention also relates to a computer program that is set up to carry out the steps of the method according to one of the preceding claims, a non-volatile memory on which such a computer program is stored, and a computing unit that includes such a non-volatile memory.
Figurenlistecharacter list
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1 zeigt beispielhaft den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Flussdiagramm.1 shows an example of the sequence of the method according to the invention in a flow chart. -
2 zeigt exemplarisch ein geographisches Gebiet.2 shows an example of a geographical area. -
3 zeigt exemplarisch zwei Methoden zur Abstandsbestimmung im Rahmen der Krigingmethode.3 shows two methods for determining the distance within the framework of the kriging method.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments
Anhand dem in der
Die Eingangsgrößen 1 sind im Beispiel: Messdaten 1.0 und meteorologische Eingangsdaten 1.1, beispielsweise in Form von Transienten 1.1a oder Klassifikationen 1.1b, Topographiedaten 1.2, Daten, die eine landwirtschaftliche Nutzung betreffen 1.3; Daten, die die Erstreckung von Gebäuden in dem geographischen Gebiet betreffen 1.4, sowie hochaufgelösten Topographiedaten 1.5. Im Beispiel betreffen weitere Eingangsgrößen Emissionen 1.6, beispielsweise räumlich und zeitlich aufgelöst. Die Emissionen 1.6 können beispielsweise durch Verkehr, Industrie oder ähnliches generiert sein.In the example, the input variables 1 are: measurement data 1.0 and meteorological input data 1.1, for example in the form of transients 1.1a or classifications 1.1b, topographical data 1.2, data relating to agricultural use 1.3; Data concerning the extension of buildings in the geographical area 1.4, as well as high-resolution topography data 1.5. In the example, further input variables relate to emissions 1.6, for example spatially and temporally resolved. The emissions 1.6 can be generated, for example, by traffic, industry or the like.
Im Beispiel sind als Rechenmodelle vorgesehen: Meteorologische Modelle 2.1, in die beispielsweise meteorologische Eingangsdaten 1.1, beispielsweise in Form von Transienten 1.1a oder Klassifikationen 1.1b, Topographiedaten 1.2 und Daten, die eine landwirtschaftliche Nutzung betreffen 1.3, eingehen; Flussmodelle 2.2, in die beispielsweise Daten, die die Erstreckung von Gebäuden in dem geographischen Gebiet betreffen 1.4, hochaufgelöste Topographiedaten 1.5, sowie die Ausgangsgrößen der meteorologische Modelle 2.1 eingehen; Dispersionsmodelle 2.3, in die beispielsweise die Ausgangsgrößen der Flussmodelle 2.2 eingehen sowie die Emissionen 1.6.In the example, the following calculation models are provided: Meteorological models 2.1, into which, for example, meteorological input data 1.1, for example in the form of transients 1.1a or classifications 1.1b, topographical data 1.2 and data relating to agricultural use 1.3 are included; Flow models 2.2, in which, for example, data relating to the extent of buildings in the geographical area 1.4, high-resolution topographical data 1.5, and the output variables of the meteorological models 2.1 are included; Dispersion models 2.3, which include, for example, the output variables of the flow models 2.2 and the emissions 1.6.
Die Ausgangsgrößen 3 der Rechenmodelle 2 sind im Beispiel gering aufgelöste (z.B. 50 - 300m) Flussfelder 3.1 als Ausgangsgrößen der meteorologische Modelle 2.1; hoch aufgelöste (z.B. 1- 5m) Flussfelder 3.2 als Ausgangsgrößen der Flussmodelle 2.2; und die Immissionskarte 3.3 als Ausgangsgröße des Dispersionsmodells 2.3.In the example, the
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DE102020205273A1 (en) | 2019-07-30 | 2021-02-04 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Method for creating a map of emissions from motor vehicles |
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