Използване на топлинни потенциали за анализ на територии

Пример на изчисляване на топлинния потенциал за уличната мрежа на град Нижни Новгород

Територията на града е сложна, хетерогенна система, която непрекъснато се променя. Описването на територията и оценката на градската среда могат да се извършат с помощта на пространствени обекти (фактори). Факторите, описващи територията, варират по характер на влияние (положително, отрицателно) и геометрична конфигурация (точки, линии, полигони).

Често е трудно да се определи степента на влияние на всеки отделен обект върху нивото на развитие на територията като цяло или върху конкретен нейни аспект. Днес проблемът с определянето и описването на понятия като „култура“, „социална сфера“, „социално напрежение“, „добър живот“, „икономическо развитие“, „здравето на населението“ става все по-актуален. Неопределеността на тези понятия нараства, ако искаме да ги приложим спрямо различни социални групи, население с различна възраст и пол.

Също така, трябва да се отбележи, че границите на града в съвременното разбиране са доста условни. Дневната миграция на населението и транспортната достъпност на отдалечените райони „размирират границата“ на града още повече. Широко използваното в момента понятие агломерация в общи линии отразява границите на града, но същевременно прави самото понятие за граница на града още по-размито.

Въпреки описаните по-горе проблеми, анализът и оценката на териториите в днешно време са едни от перспективните и интересни направления, които позволяват решаването на множество актуални задачи в градската среда.

В статията се предлага метод за анализ на територията с помощта на „топлинна“ модел. В основата на този метод стои проучването на потенциалите, създавани от обекти (фактори) с различна природа (точкови, линейни и плоски). Анализът на територията с помощта на този метод дава възможност да се премине от набор от пространствени данни (фактори), описващи територията, към точна числова (оценъчна) оценка на всяка точка в територията.

Проучваните в рамките на анализа на територията потенциали имат физическа интерпретация – разпространение на топлина в среди с различни размерности (2D, 3D). Това явление може да бъде представено под формата на "топлинни" изображения ("топлинни" карти на територията), които дават представа за степента на развитие на територията в зависимост от интензивността на цвета на изображението.

Фактори на територията

Анализът на територията предполага търсене и обработка на информация за факторите на влияние върху територията и техните индикатори. Факторите на влияние са обекти, които влияят на околната територия, притежаващи набор от характеристики и пространствени координати. Примери за фактори на влияние могат да бъдат магазини, индустриални обекти, пътища, гори, водни обекти.

Индикаторите на влияние са обекти, отразяващи влиянието на обектите и също притежаващи набор от характеристики и пространствени координати. Примери за индикатори на влияние: банкомати, рекламни табла, паметници.

В по-нататъшното изложение ще използваме понятието фактори на влияние, обединяващо в себе си и двата термина – фактори и индикатори на влияние.

По-долу е приведен пример за пространствени данни, които са фактори на влияние.

Един от важните етапи на работата по анализ на териториите е етапът на събиране и обработка на изходна информация. В момента информацията за факторите на влияние върху територията с различна степен на подробност е достатъчно обилна.

Информацията може да бъде получена от отворени източници или източници с ограничен достъп. В много случаи отворената информация е достатъчна за анализа, въпреки че като правило тя изисква доста трудоемка обработка.

Сред отворените източници, по наше мнение, ресурсът – OpenStreetMap (OSM) е лидер. Информацията, получавана от този източник, се актуализира ежедневно по целия свят.

Информацията от ресурса OpenStreetMap (OSM) е представена в следните формати:

— OSM формат. Основният формат с разширение „.osm“ се използва за описание на графични образи XML – възли, пътища, отношения.

— „Полски формат“. Текстов формат с разширение „.mp“ се използва за работа с графика.

— PBF формат. Формат за съхранение на данни с разширение „.osm.pbf“.

Като източници на информация също могат да се използват:

— 2ГИС
Ресурсът съдържа качествена, ежемесечно обработвана информация с прекрасен 3-уровнев класфикатор за предприятия и организации.

— KML (Keyhole Markup Language) файлове
KML (Keyhole Markup Language) файловете са формат на файлове, който се използва за визуализиране на географски данни в програмите Google Земя, Google Карти и Google Карти за мобилни устройства.

С помощта на KML файлове можете да:
— задавате различни значки и да правите надписи за обозначаване на места на повърхността на Земята
— създавате различни перспектива за избрани обекти, променяйки позицията на камерата
— използвате различни наложени изображения
— определяте стилове за настройка на визуализацията на обекта, използвате HTML код за създаване на хипервръзки и вградени изображения
— използвате папки за йерархична групировка на елементите
— динамично получавате и актуализирате KML файлове от отдалечени или локални мрежови възли
— получавате KML данни в съответствие с промените в средството за тримерно визуализиране

— Федерална служба за държавна регистрация, кадастър и картография «Росреестр»
Информацията на портала Росреестр е ценна със съдържанието си и актуалността си, но, за съжаление, не предоставя възможност за получаване на графика за обектите на капитално строителство и земельните имоти безплатно. Порталът Росреестр също така съдържа голям обем информация с ограничен достъп.

— Статистически органи
Статистическите данни са легитимен източник на информация за територията, обаче в момента данните от статистическите органи са налични само за ограничен брой показатели, главно в отчетите на статистическите органи и в докладите на регионалната власт.

— Информационни системи на органите на властта
Качествена информация се съдържа в информационните системи на органите на властта, обаче само малка част от тях се публикува в открит достъп и е налична за анализ.

Провеждането на анализ на територии не налага никакви определени изисквания към състава на информацията, по същество може да се използва всичко, което е намерено, информация от източници с отворен достъп като правило е взаимозаменяема. Въпреки това, трябва да се отбележи, че дори само информацията, получена от ресурса OSM, е достатъчна, за да се направи анализ на непозната територия.

Анализ на територията с използване на "топлинна" модел. Физическа интерпретация на потенциалите

Както вече беше споменато, анализът на територията днес е актуална тема и мощен инструмент за аргументирано привличане на инвестиции в развитието на инфраструктурата в различни градски среди.

Разнообразието от задачи, решавани чрез провеждане на анализ на територии, може да бъде обединено в няколко основни направления:

— Получаване на максимално интерпретируема и детайлна оценка на територията във всяка нейна точка.
Решавайки поставената задача, може да се получи набор от оценъчни балове във всяка точка на територията, даващи представа за нивото на развитие на територията като цяло, а също и в определена предметна област. Такава предметна област може да бъде, например, култура, промишленост, търговия и т.н.

— Определяне на най-изгодните места за разполагане на инвестиционни обекти определен тип (например, банки, специализирани магазини, търговско-развлекателни центрове и др.) на избраната територия.

— Анализ на най-ефективното използване на територията.
Тази насока позволява провеждането на подробно изследване на характеристиките на територията, пазарната ситуация, съществуваща на проучваната територия, идентификация на търсените варианти.

— Определяне на приноса на един фактор в модел на стойността, на примера на появата на нови пътища и нови маршрути.

— Анализ на различни аспекти на една територия и анализ на различни територии (сравнение на територии).

Оригиналността на предлагания в статията метод за анализ на територията с прилагане на "топлинна" модел е в използването на показатели за развитие на територията — потенциали, представени в числово изражение и отразяващи степента на влияние на обекта (фактора на влияние) върху територията.

За да разберем същността на изследването, трябва да кажем няколко думи за самия топлинен потенциал и да дадем неговата физическа интерпретация.

В физиката съществуват такива понятия като силово поле и силова функция. Силовото поле има размерност на енергия, докато силовата функция – размерност на сила.

За закона за гравитацията, силовото поле е определено с формулата:

F=k/r2, където
k – константа;
r – разстояние между взаимодействуващите обекти.

Силовата функция ϕ се определя с израза:

dϕ=-F*dr, където
ϕ — потенциал на силовото поле;
dϕ, dr – диференциали;
r — разстояние между взаимодействуващите обекти,

следователно ϕ=k/r.

Физическият смисъл на потенциала на силовото поле ϕ – е работата Е, извършена от силовото поле при преминаване на определен път. В случая на закона за гравитацията, при изменение на разстоянието до обекта от r2 до r1, силовата функция се определя по формулата

Е=k*(1/r1-1/r2), където
Е – работа, извършена от силовото поле при преминаване на определен път;
r1, r2 – начална и крайна позиция на обекта.

За задачата за анализ на територията, влиянието на обектите (факторите) върху територията може да се разглежда като сила (силова функция), а нивото на развитие на територията, като общ топлинен потенциал (силово поле) от всички обекти (фактори). В задачите на физиката топлинният потенциал е температурата, а в задачите за анализ на територии с използване на "топлинна" модел, потенциалът представлява общото въздействие на всички фактори на влияние в точката на територията.

Пространствените данни представляват точки, линии, полигони. За изчисляване на потенциалите, пространствените данни с голямо протежение се разбиват на малки фрагменти. За всеки фрагмент се изчислява потенциалът от точка с множител, равен на размера на фрагмента на обекта (фактора).

Данните се разбиват на смислови групи на принципа на близкото сходство. Например, търговски обекти са обединени по стоки. Съществуват групи на горски обекти, водни обекти, населени места, спирки на транспорт и т.н. Обединените по значение групи представляват фактор. Преминавайки през всички обекти (факторите), получаваме набор от топлинни потенциали, подходящи за последваща обработка.

Използването на потенциалите („топлинни карти“) позволява да преминем от пространствени данни към „топлинни“ изображения на обекти (фактори), влияещи на територията (визуализация на потенциалите). Тази трансформация дава възможност да се определи степента на присъствие на фактора в точките на територията и да се проведе допълнителен анализ, т.е. да се визуализират различни посоки на развитие на града в цветове. По този начин получаваме светеща интензивност за всяка точка от територията.

Примери за „топлинни“ изображения на територията на г. Нижни Новгород по отношение на няколко фактора са представени по-долу.

„Топлинна“ карта на г. Н. Новгород, отразяваща фактора „Аптечна мрежа“

„Топлинна“ карта на г. Н. Новгород, отразяваща фактора „Поликлиники за възрастни“

„Топлинна“ карта на г. Н. Новгород, отразяваща фактора „Детски поликлиники“

„Топлинна“ карта на г. Н. Новгород, отразяваща фактора „Индустриални зони“

„Топлинните“ изображения на територията позволяват да се определи концентрацията на потенциалите от различни влияещи обекти. Следва да се обединят получените потенциали в интегрална характеристика, която да позволява оценка на територията по множество фактори. За целта е необходим метод, позволяващ анализ на голям обем информация, разпознаване на обекти и намаляване на размерността на данните с минимална загуба на информация. Един от тези методи е методът на главните компоненти (Principal Component Analysis, PCA). По-подробно за този метод може да се прочете в Уикипедия.

Същността на метода е намирането на линейна комбинация от първоначалните параметри, която се променя най-силно в областта на анализа. За пространствени данни – най-силно променяща се по територията.

Методът на главните компоненти откроява обектите (фактори), които се променят най-силно по територията. В резултат на работата на метода се появяват нови променливи – главни компоненти, които са по-информативни в сравнение с първоначалните данни и с помощта на които е по-лесно да се анализира, описва и визуализира територията, като по-лесно могат да се изградят модели.

Основните компоненти представляват аналитични изрази — сума на потенциалите на изходните фактори с определени коефициенти. Въпреки това, ако някой фактор оказва съществено влияние върху територията, но не се променя по анализируемата територия, методът на основните компоненти няма да включи този фактор в състава на основните компоненти.

Основните компоненти се подреждат по намаляване на информацията – т.е. разпространението по територията. Първите основни компоненти носят значително повече информация, отколкото отделните фактори, и добре описват територията. Обикновено, при използване на около сто фактора, първата основна компонента носи около 50% от цялата информация (дисперсия) по територията. Основните компоненти не корелират помежду си и могат да се използват за модели като характеристики на територията в точка по точка.

Първата компонента, като абстрактно изчислен показател за територията, няма ясни наименования и класификация. Въпреки това, комплексът от фактори, които силно корелират с основната компонента, позволява интерпретация на основните компоненти. Обикновено, следните фактори корелират с основните компоненти:

— ниво на развитие на инфраструктурата;
— транспортната съставка на територията;
— климатични зони;
— ниво на развитие на селското стопанство;
— икономически потенциал на територията.

По-нататъшният анализ, включително клъстеризацията, протича с няколко важни първи основни компоненти.

На диаграмите може да се види графичното представяне на първите основни компоненти на територията на няколко града в Руската федерация.

Първата основна компонента, характеризираща нивото на развитие на градската инфраструктура в г. Н. Новгород

Първата основна компонента, характеризираща нивото на развитие на градската инфраструктура в г. Екатеринбург

Първата основна компонента, характеризираща нивото на развитие на градската инфраструктура в г. Казан

Първата основна компонента, характеризираща нивото на развитие на градската инфраструктура във г. Перм

Първата основна компонента, характеризираща нивото на развитие на градската инфраструктура в г. Самара

Първата основна компонента, характеризираща нивото на развитие на градската инфраструктура в г. Хабаровск

Интегрални характеристики: клъстеризация

Следващият етап от анализа на териториите представлява търсене на зони в градската среда, хомогенни по качество. Това търсене се основава на анализа на стойностите на основните компоненти в точките на територията. Задачата за намиране на посочените хомогенни зони може да бъде решена с помощта на клъстеризация – процес на групиране на територии на принципа на близостта на набор от характеристики.

Клъстеризацията на територията преследва две цели:

— създаване на по-добра визуализация на територията;
— отделяне на области за разработване на отделни модели.

Териториите се клъстеризират в зависимост от избраните фактори за анализ. Тези фактори могат да бъдат фактори, влияещи на ценообразуването или фактори, описващи определена страна на развитието на територията, например, социалната сфера.

Съществуват два често използвани класически метода за клъстеризация: методът K-means и методът на дентрограмите. При работа с територии, методът K-means се е доказал като ефективен, като неговата особеност е „отглеждането“ на клъстера чрез добавяне на нови обекти към точките на растеж. Предимствата на метода K-means се състоят в сходството на неговата работа с естествения процес на формиране на територии: интеграция на подобни, а не разделяне на различни.

Методът K-means беше приложен за изчисления по Нижни Новгород (долната рисунка).

Съответствие на клъстерите с нивото на развитие на територията на примера на гр. Н. Новгород

С прилагания подход можем да получим представа за територията по различни теми. Интересуващите ни теми могат да бъдат, например, нивото на развитие на градската инфраструктура, нивото на „елитност“ на територията, нивото на развитие на културата, социалната съставка на развитието на територията. Тези теми са слабо определени интегрални понятия и се състоят от множество взаимосвързани фактори.

При определен алгоритъм за подбор на параметри за анализ (включително с помощта на експерти) ще получим тематични карти, които представят един аспект от развитието на територията.

Под интегрални характеристики се разбират първите основни компоненти, най-вече най-информативната първа основна компонента, и клъстеризацията на територията по избраните параметри.

Темата на картите на първите главни компоненти по различни аспекти на развитието е представена на рисунките по-долу.

Темата на картата "Обекти на културата" на примера на гр. Н.Новгород

Темата на картата "Социална сфера" на примера на гр. Н.Новгород

Интегралните характеристики дават възможност да се разберат особеностите на територията, оперирайки с множество фактори с минимални загуби на информация.

В заключение, струва си отново да подчертаем, че анализът на териториите е изключително важен етап при решаването на задачи свързани с развитието на градската среда, избора на места за инвестиции в строителство, търсенето на най-предпочитани места за нови обекти и други задачи.

Предложеният в статията метод за анализ на територията с използването на "термична" модел от фактори с различна природа не е критичен към набора от фактори, тоест не налага ограничения и изисквания към изходната информация.

Разнообразието и изобилието на изходната информация, както и възможността да се използват отворени данни предоставят неограничени перспективи за анализ на всякакви територии на света.

В следващите публикации, посветени на задачите за анализ на територии, планираме да разкрием особеностите на съставянето на модели с използване на главни компоненти и методите на тяхното реализиране за такива задачи като:

— избор на най-доброто място при разполагане на нов обект;
— изграждане на ценова повърхност за определена категория обекти с използване на пазарната стойност;
-оценка на доходността на определен вид дейност в зависимост от местоположението на обектите.

Също така в плановете е да се представят методи за обратен преход от главни компоненти към фактори, което от своя страна позволява да се получи модел от фактори за тази територия.

Източник: habr.com