Прыклад разліку цеплавога патэнцыялу для вулічнай сеткі г. Ніжняга Ноўгарада
Тэрыторыя горада - складаная, неаднародная сістэма, якая знаходзіцца ў пастаяннай змене. Апісаць тэрыторыю і правесці адзнаку гарадскога асяроддзя можна з дапамогай прасторавых аб'ектаў (фактараў). Фактары, якія апісваюць тэрыторыю, розныя па характары ўплыву (станоўчае, адмоўнае) і геаметрычнай канфігурацыі (кропкі, лініі, палігоны).
Часцяком вызначыць ступень уплыву кожнага асобнага аб'екта на ўзровень развіцця тэрыторыі ў цэлым ці нейкі асобны яе аспект даволі складана. На сёння праблема вызначэння і апісання такіх паняццяў як "культура", "сацыяльная сфера", "сацыяльная напружанасць", "добрае жыццё", "эканамічнае развіццё", "здароўе насельніцтва" становіцца ўсё больш актуальнай. Неадназначнасць гэтых паняццяў павялічваецца, калі мы хочам прымяніць іх адносна розных сацыяльных груп, насельніцтва рознага ўзросту і полу.
Таксама, варта адзначыць, што межы горада ў сучасным паняцці дастаткова ўмоўныя. Сутачная міграцыя насельніцтва, транспартная даступнасць аддаленых раёнаў "размываюць мяжу" горада яшчэ больш. Шырока выкарыстоўванае цяпер паняцце агламерацыі ў цэлым адлюстроўвае межы горада, але ў той жа час робіць само паняцце мяжы горада яшчэ больш расплывістай.
Нягледзячы на апісаныя вышэй праблемы, аналіз і ацэнка тэрыторый на сёння з'яўляюцца аднымі з перспектыўных і цікавых напрамкаў, якія дазваляюць вырашаць мноства актуальных задач гарадскога асяроддзя.
У артыкуле прапануецца да разгляду метад аналізу тэрыторыі з выкарыстаннем цеплавой мадэлі. У аснове дадзенага метаду ляжыць даследаванне патэнцыялаў, якiя ствараюцца аб'ектамі (фактарамі) рознай прыроды (кропкавыя, лінейныя і плошчавыя). Аналіз тэрыторыі з дапамогай гэтага метаду дае магчымасць перайсці ад набору прасторавых дадзеных (фактараў), якія апісваюць тэрыторыю, да дакладнай лікавай (бальнай) адзнацы ў кожным пункце тэрыторыі.
Даследуемыя ў рамках правядзення аналізу тэрыторыі патэнцыялы, маюць фізічную інтэрпрэтацыю – распаўсюджванне цяпла ў асяроддзях рознай памернасці (2D, 3D). Гэта з'ява можна прадставіць у выглядзе «цеплавых» малюнкаў («цеплавых» карт тэрыторыі), якія даюць уяўленне аб ступені развіцця тэрыторыі ў залежнасці ад інтэнсіўнасці колеру выявы.
Фактары тэрыторыі
Аналіз тэрыторыі мае на ўвазе пошук і апрацоўку інфармацыі аб фактарах уплыву на тэрыторыю і аб іх індыкатарах. Фактарамі ўплыву выступаюць аб'екты, якія ўплываюць на навакольную тэрыторыю, якія валодаюць наборам характарыстык і прасторавымі каардынатамі. Прыкладамі фактараў уплыву могуць служыць крамы, прамысловыя аб'екты, дарогі, лясы, водныя аб'екты.
Індыкатарамі ўплыву выступаюць аб'екты, якія адлюстроўваюць уплыў аб'ектаў і таксама якія валодаюць наборам характарыстык і прасторавымі каардынатамі. Прыклады індыкатараў уплыву: банкаматы, рэкламныя шчыты, помнікі.
У далейшым выкладзе будзем выкарыстоўвацца паняццем фактары ўплыву, якія аб'ядноўваюць у сабе абодва тэрміны - фактары і індыкатары ўплыву.
Ніжэй прыведзены прыклад прасторавых даных, якія выступаюць фактарамі ўплыву.
Адным з важных этапаў правядзення работ па аналізе тэрыторый з'яўляецца этап збору і апрацоўкі зыходнай інфармацыі. На сёння інфармацыі аб фактарах уплыву на тэрыторыю рознай ступені падрабязнасці дастаткова шмат.
Інфармацыя можа быць атрымана з адкрытых крыніц ці крыніц абмежаванага доступу. У многіх выпадках адкрытай інфармацыі дастаткова для аналізу, хоць, як правіла, яна мае патрэбу ў дастаткова працаёмкай апрацоўцы.
Сярод адкрытых крыніц лідэрам, на нашу думку, з'яўляецца рэсурс - ОpenStreetMap (OSM). Інфармацыя, якая атрымліваецца з гэтай крыніцы, абнаўляецца штодня па ўсім свеце.
Інфармацыя рэсурсу ОpenStreetMap (OSM) прадстаўлена ў наступных фарматах:
- OSM фармат. Асноўны фармат c пашырэннем ".osm" выкарыстоўваецца для апісання графічных выяў XML-вузлы, шляхі, адносіны.
- "Польскі фармат". Тэкставы фармат з пашырэннем ".mp" выкарыстоўваецца для працы з графікай.
- PBF фармат. Фармат захоўвання дадзеных з пашырэннем ".osm.pbf".
У якасці крыніц інфармацыі таксама можна выкарыстоўваць:
- 2ГІС
Рэсурс змяшчае якасную, штомесяц апрацоўваную інфармацыю, з выдатным 3-узроўневым класіфікатарам па прадпрыемствах і арганізацыях.
- KML (Keyhole Markup Language) файлы
KML (Keyhole Markup Language) файлы - гэта фармат файлаў, які выкарыстоўваецца для адлюстравання геаграфічных дадзеных у праграмах Google Планета Зямля, Карты Google і Карты Google для мабільных прылад.
З дапамогай файлаў KML можна:
- усталёўваць розныя значкі і рабіць подпісы для абазначэння месцаў на паверхні Зямлі
- ствараць розныя ракурсы для выбраных аб'ектаў, змяняючы становішча камеры
— выкарыстоўваць розныя выявы, якія накладаюцца
- вызначаць стылі для налады адлюстравання аб'екта, ужываць код HTML для стварэння гіперспасылак і ўбудаваных малюнкаў
- выкарыстоўваць тэчкі для іерархічнай групоўкі элементаў
- дынамічна атрымліваць і абнаўляць файлы KML з выдаленых або лакальных вузлоў сеткі
- атрымліваць дадзеныя KML у адпаведнасці са зменамі ў сродку трохмернага прагляду
- Федэральная служба дзяржаўнай рэгістрацыі, кадастра і картаграфіі «Расрэестр»
Інфармацыя на партале Росреестра каштоўная сваім зместам і актуальнасцю, але, на жаль, не дае магчымасці атрымліваць графіку па аб'ектах капітальнага будаўніцтва і зямельных участках на бязвыплатнай аснове. Партал Росреестра таксама змяшчае вялікі аб'ём інфармацыі абмежаванага доступу.
- Органы статыстыкі
Статыстычныя дадзеныя - легітымная крыніца інфармацыі аб тэрыторыі, аднак па стане на сёння дадзеныя органаў статыстыкі даступныя толькі па некаторай колькасці паказчыкаў, у асноўным у справаздачах органаў статыстыкі і дакладах рэгіянальнай улады.
- Інфармацыйныя сістэмы органаў улады
Якасная інфармацыя змяшчаецца ў інфармацыйных сістэмах органах улады, аднак толькі невялікая іх частка публікуецца ў адкрытым доступе і даступна для аналізу.
Правядзенне аналізу тэрыторый не накладвае якіх-небудзь пэўных патрабаванняў да складу інфармацыі, па сутнасці можна карыстацца ўсім, што ўдалося знайсці, інфармацыя з крыніц адкрытага тыпу як правіла ўзаемазаменная. Аднак, варта адзначыць, што нават адной толькі інфармацыі атрыманай з рэсурсу OSM дастаткова, каб зрабіць аналіз незнаёмай тэрыторыі.
Аналіз тэрыторыі з выкарыстаннем цеплавой мадэлі. Фізічная інтэрпрэтацыя патэнцыялаў
Як ужо было сказана раней, аналіз тэрыторыі на сёння з'яўляецца актуальнай тэмай і магутным інструментам для аргументаванага прыцягнення інвестыцый у развіццё інфраструктуры розных гарадскіх асяроддзяў.
Разнастайнасць задач, якія вырашаюцца з дапамогай правядзення аналізу тэрыторый, можна аб'яднаць у некалькі буйных напрамкаў:
- Атрыманне максімальна інтэрпрэтаванай і дэталізаванай ацэнкі тэрыторыі ў кожным яе пункце.
Вырашаючы пастаўленую задачу можна атрымаць набор бальных адзнак у кожным пункце тэрыторыі, які дае ўяўленне пра ўзровень развіцця тэрыторыі ўвогуле, а таксама ў некаторай прадметнай вобласці. Такой прадметнай вобласцю можа быць, напрыклад, культура, прамысловасць, гандаль і т.д.
- Вызначэнне найбольш выгадных месцаў для размяшчэння інвестыцыйных аб'ектаў пэўнага тыпу (напрыклад, банкаў, профільных крам, гандлёва-забаўляльных цэнтраў і інш.) на абранай тэрыторыі.
- Аналіз найбольш эфектыўнага выкарыстання тэрыторыі.
Дадзены кірунак дазваляе праводзіць падрабязнае даследаванне характарыстык тэрыторыі, рынкавай сітуацыі, якая склалася на доследнай тэрыторыі, ідэнтыфікацыю запатрабаваных варыянтаў.
- Вызначэння ўкладу аднаго фактару ў мадэль кошту, на прыкладзе з'яўлення новых дарог і новых маршрутаў.
- Аналіз розных аспектаў адной тэрыторыі і аналіз розных тэрыторый (параўнанне тэрыторый).
Арыгінальнасць прапанаванага ў артыкуле метаду аналізу тэрыторыі з ужываннем «цеплавой» мадэлі складаецца ў выкарыстанні паказчыкаў развіцця тэрыторыі – патэнцыялаў, прадстаўленых у лікавым выразе і якія адлюстроўваюць ступень уплыву аб'екта (фактару ўплыву) на тэрыторыю.
Для разумення сутнасці даследавання варта сказаць некалькі слоў аб самым цеплавым патэнцыяле, даць яго фізічную інтэрпрэтацыю.
У фізіцы існуюць такія паняцці як сілавое поле и сілавая функцыя. Сілавое поле мае памернасць энергіі, сілавая функцыя - памернасць сілы.
Для закону сусветнага прыцягнення сілавое поле вызначана формулай:
F=k/r2, дзе
k - канстанта;
r - адлегласць паміж ўзаемадзейнічаюць аб'ектамі.
Сілавая функцыя ϕ вызначаецца выразам:
dϕ=-F*dr, дзе
ϕ - патэнцыял сілавога поля;
dϕ, dr - дыферэнцыялы;
r - адлегласць паміж ўзаемадзейнічаюць аб'ектамі,
такім чынам ϕ=k/r.
Фізічны сэнс патэнцыялу сілавога поля ϕ – гэта работа Е, якая выконваецца сілавым полем пры праходжанні некаторага шляху. У выпадку закона сусветнага прыцягнення пры змене адлегласці да аб'екта ад r2 да r1 сілавая функцыя вызначаецца па формуле
Е=k*(1/r1-1/r2), дзе
Е - праца, якая здзяйсняецца сілавым полем пры праходжанні некаторага шляху;
r1, r2 - пачатковае і канчатковае становішча аб'екта.
Для задачы аналізу тэрыторыі ўплыў аб'ектаў (фактараў) на тэрыторыю можна разглядаць як сілу (сілавая функцыю), а ўзровень развіцця тэрыторыі, як сумарны цеплавы патэнцыял (сілавое поле) ад усіх аб'ектаў (фактараў). У задачах фізікі цеплавы патэнцыял з'яўляецца тэмпературай, а ў задачах аналізу тэрыторый з выкарыстаннем «цеплавой» мадэлі патэнцыял уяўляе сабой сумарнае ўздзеянне ўсіх фактараў уплыву на кропку тэрыторыі.
Прасторавыя дадзеныя ўяўляюць сабой кропкі, лініі, палігоны. Для разліку патэнцыялаў працяглыя прасторавыя дадзеныя разбіваюцца на дробныя фрагменты. Для кожнага фрагмента разлічваецца патэнцыял ад кропкі са множнікам роўным памеры фрагмента аб'екта (фактару).
Дадзеныя разбіваюцца на сэнсавыя групы па прынцыпе блізкага падабенства. Напрыклад, аб'екты гандлю аб'яднаны па таварах. Ёсць групы лясных аб'ектаў, водных аб'ектаў, населеных пунктаў, прыпынкаў транспарта і г.д. Аб'яднаныя па сэнсе групы ўяўляюць сабой фактар. Прайшоўшы па ўсіх аб'ектах (фактарам), атрымліваем набор цеплавых патэнцыялаў, прыдатных да далейшай апрацоўкі.
Выкарыстанне патэнцыялаў ("цеплавых карт") дазваляе перайсці ад прасторавых дадзеных да "цеплавых" малюнкаў аб'ектаў (фактараў) уплыву на тэрыторыі (візуалізацыя патэнцыялаў). Такі пераход дае магчымасць вызначыць ступень прысутнасці фактару ў кожным пункце тэрыторыі і праводзіць далейшы аналіз, г.зн. Паказвае розныя напрамкі развіцця горада ў колеры. Такім чынам, атрымаем свячэнне рознай інтэнсіўнасці для кожнай кропкі тэрыторыі.
Прыклады "цеплавых" малюнкаў тэрыторыі г. Ніжняга Ноўгарада ў разрэзе некалькіх фактараў, прадстаўлены ніжэй.
«Цеплавая» карта г. М. Ноўгарада, якая адлюстроўвае фактар «Аптэчная сетка»
«Цеплавая» карта г. Н. Ноўгарада, якая адлюстроўвае фактар «Паліклінікі для дарослых»
«Цеплавая» карта г. М. Ноўгарада, якая адлюстроўвае фактар «Дзіцячыя паліклінікі»
«Цеплавая» карта г. Н. Ноўгарада, якая адлюстроўвае фактар «Прамысловыя зоны»
«Цеплавыя» выявы тэрыторыі дазваляюць вызначыць канцэнтрацыю патэнцыялаў ад розных аб'ектаў уплыву. Далей неабходна аб'яднаць атрыманыя патэнцыялы ў інтэгральную характарыстыку, якая дае магчымасць правесці ацэнку тэрыторыі па вялікай колькасці фактараў. Для гэтага неабходны метад, які дазваляе аналізаваць вялікі аб'ём інфармацыі, распазнаваць аб'екты, а таксама паменшыць памернасць дадзеных, страціўшы найменшую колькасць інфармацыі. Адным з такіх метадаў з'яўляецца метад галоўных кампанентаў (Рrincipal component analysis, PCA). Больш падрабязна аб дадзеным метадзе можна прачытаць у .
Сутнасць метаду - знаходжанне лінейнай камбінацыі зыходных параметраў, найбольш моцна змяняецца ў галіне аналізу. Для прасторавых дадзеных - найбольш моцна змяняецца па тэрыторыі.
Метад галоўных кампанент вылучае аб'екты (фактары), якія найбольш моцна змяняюцца па тэрыторыі. У выніку працы метаду з'яўляюцца новыя зменныя - галоўныя кампаненты, якія з'яўляюцца больш інфарматыўнымі ў параўнанні з зыходнымі дадзенымі, з дапамогай якіх лягчэй аналізаваць, апісваць і візуалізаваць тэрыторыю, па якіх прасцей будаваць мадэлі.
Галоўныя кампаненты ўяўляе сабой аналітычныя выразы - суму патэнцыялаў зыходных фактараў з некаторымі каэфіцыентамі. Аднак калі які-небудзь фактар аказвае істотны ўплыў на тэрыторыю, але не мяняецца па аналізаванай тэрыторыі, метад галоўных кампанентаў не ўключыць гэты фактар у склад галоўных кампанентаў.
Галоўныя кампаненты парадкуюцца па змяншэнні інфармацыі - г.зн. распаўсюджванні па тэрыторыі. Першыя галоўныя кампаненты нясуць у сабе істотна большую інфармацыю, чым асобныя фактары, і добра апісваюць тэрыторыю. Як правіла, пры выкарыстанні каля сотні фактараў, першая галоўная кампанента нясе ў сабе каля 50% усёй інфармацыі (дысперсіі) па тэрыторыі. Галоўныя кампаненты не карэлююць паміж сабой і могуць выкарыстоўвацца для мадэляў у якасці характарыстык тэрыторыі ў кожнай кропцы.
Галоўная кампанента, як некаторы абстрактна вылічаны паказчык тэрыторыі, не мае дакладнай назвы і класіфікацыі. Аднак, сукупнасць, моцна карэлююць з галоўнай кампанентай, фактараў дазваляюць інтэрпрэтаваць галоўныя кампаненты. Як правіла, з галоўнымі кампанентамі карэлююць наступныя фактары:
- узровень развіцця інфраструктуры;
- транспартны складнік тэрыторыі;
- Кліматычныя зоны;
- узровень развіцця сельскай гаспадаркі;
- эканамічны патэнцыял тэрыторыі.
Далейшы аналіз, у тым ліку кластарызацыя ідзе з некалькімі першымі значнымі галоўнымі кампанентамі.
На малюнках можна бачыць графічнае адлюстраванне першых галоўных кампанентаў на тэрыторыі некалькіх гарадоў Расійскай Федэрацыі.
Першая галоўная кампанента, якая характарызуе ўзровень развіцця гарадской інфраструктуры г. М. Ноўгарада
Першая галоўная кампанента, якая характарызуе ўзровень развіцця гарадской інфраструктуры г. Екацярынбурга
Першая галоўная кампанента, якая характарызуе ўзровень развіцця гарадской інфраструктуры г. Казані.
Першая галоўная кампанента, якая характарызуе ўзровень развіцця гарадской інфраструктуры г. Пермі
Першая галоўная кампанента, якая характарызуе ўзровень развіцця гарадской інфраструктуры г. Самары
Першая галоўная кампанента, якая характарызуе ўзровень развіцця гарадской інфраструктуры г. Хабараўска.
Інтэгральныя характарыстыкі: кластарызацыя
Далейшы этап работ па аналізе тэрыторый уяўляе сабой пошук зон гарадскога асяроддзя, аднастайных па якасці. Гэты пошук грунтуецца на аналізе значэнняў галоўных кампанентаў у кожным пункце тэрыторыі. Задача пошуку названых аднастайных зон можа быць вырашана з дапамогай кластарызацыі - працэсу групоўкі тэрыторый па прынцыпе блізкасці сукупнасці характарыстык.
Кластарызацыя тэрыторыі мае дзве мэты:
- стварэнне лепш успрыманай візуалізацыі тэрыторыі;
- вылучэнне абласцей для складанне асобных мадэляў.
Тэрыторыі кластэрызуюцца ў адпаведнасці з адабранымі фактарамі для аналізу. Гэтыя фактары могуць быць фактарамі, якія ўплываюць на коштаўтварэнне або фактарамі, якія апісваюць нейкі бок развіцця тэрыторыі, напрыклад, сацыяльную сферу.
Існуе два распаўсюджаных класічных метаду кластарызацыі: метад K-means і метад дэндраграм. Пры працы з тэрыторыямі добра сябе зарэкамендаваў метад K-means, асаблівасцю якога з'яўляецца "вырошчванне" кластара, шляхам далучэння да кропак росту новых аб'ектаў. Перавагі метаду K-means заключаецца ў падобнасці яго працы на натуральны працэс фармавання тэрыторый: інтэграцыя падобных, а не падзел непадобных.
Метадам K-means быў зроблены разлік па Ніжнім Ноўгарадзе (малюнак ніжэй).
Адпаведнасць кластараў узроўню развіцця тэрыторыі на прыкладзе г. М.Наўгарода
Пры прапанаваным падыходзе можна атрымаць уяўленне аб тэрыторыі па розных тэмах. Якія цікавяць нас тэмамі могуць быць, напрыклад, узровень развіцця гарадской інфраструктуры, узровень «элітнасці» тэрыторыі, узровень развіцця культуры, сацыяльны складнік развіцця тэрыторыі. Гэтыя тэмы з'яўляюцца дрэнна вызначанымі інтэгральнымі паняццямі, і складаюцца са мноства ўзаемазлучаных фактараў.
Пры некаторым алгарытме адбору параметраў для аналізу (у тым ліку з прыцягненнем экспертаў), мы атрымаем тэматычныя карты, якія даюць уяўленне аб адным аспекце развіцця тэрыторыі.
Пад інтэгральнымі характарыстыкамі разумеюцца першыя галоўныя кампаненты, перш за ўсё самая інфарматыўная першая галоўная кампанента, і кластарызацыя тэрыторыя па адабраным параметрах.
Тэматычныя карты першых галоўных кампанент па розных аспектах развіцця прадстаўлены на малюнках ніжэй.
Тэматычная карта "Аб'екты культуры" на прыкладзе г. М.Наўгарада
Тэматычная карта «Сацыяльная сфера» на прыкладзе г. М.Наўгарада
Інтэгральныя характарыстыкі даюць магчымасць зразумець асаблівасці тэрыторыі, аперуючы мноствам фактараў з мінімальнымі стратамі інфармацыі.
У зняволенні варта яшчэ раз адзначыць, што на сёння аналіз тэрыторый з'яўляецца вельмі важным этапам пры рашэнні задач развіцця гарадскога асяроддзя, выбару месцаў для інвеставання ў будаўніцтва, пошуку найболей выгоднага месцазнаходжання новых аб'ектаў і іншых задач.
Прапанаваны ў артыкуле метад аналізу тэрыторыі з выкарыстаннем "цеплавой" мадэлі ад фактараў рознай прыроды не з'яўляецца крытычным да набору фактараў, г.зн. не накладвае абмежаванні і патрабаванні да зыходнай інфармацыі.
Разнастайнасць і надмернасць зыходнай інфармацыі, а таксама магчымасць карыстацца адкрытымі дадзенымі дае неабмежаваныя перспектывы для аналізу любых тэрыторый свету.
У наступных публікацыях, прысвечаных задачам аналізу тэрыторый, мы плануем раскрыць асаблівасці складанне мадэляў з выкарыстаннем галоўных кампанент і метады іх рэалізацыі для такіх задач як:
- Выбар найлепшага месца пры размяшчэнні новага аб'екта;
- пабудова цэнавай паверхні для пэўнай катэгорыі аб'ектаў з выкарыстаннем рынкавага кошту;
-адзнака прыбытковасці вызначанага выгляду дзейнасці ў залежнасці ад месцазнаходжання аб'ектаў.
Таксама ў планах прадставіць метады зваротнага пераходу ад галоўных кампанентаў да фактараў, што ў сваю чаргу дазваляе атрымаць мадэль ад фактараў для дадзенай тэрыторыі.
Крыніца: habr.com