Използване на термални потенциали за анализ на територии

Пример за изчисление на термичния потенциал за уличната мрежа на г. Нижни Новгород

Територията на града е сложна, хетерогенна система, която постоянно се променя. Описването на територията и оценката на градската среда могат да се извършват с помощта на пространствени обекти (фактори). Факторите, описващи територията, варират в зависимост от характера на въздействието (положително, отрицателно) и геометричната им конфигурация (точки, линии, полигони).

Често е доста трудно да се определи степента на влияние на всеки отделен обект върху нивото на развитие на територията като цяло или върху някой конкретен неин аспект. В момента проблемът с определянето и описването на понятия като 'култура', 'социална сфера', 'социална напрегнатост', 'добър живот', 'икономическо развитие', 'здраве на населението' става все по-актуален. Неяснотата на тези понятия нараства, ако искаме да ги приложим спрямо различни социални групи, хора с различна възраст и пол.

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

Въпреки описаните по-горе проблеми, анализът и оценката на териториите днес са едни от перспективните и интересни направления, позволяващи решаването на множество актуални задачи на градската среда.

В статията се предлага метод за анализ на територията с използване на 'термичния' модел. В основата на този метод лежи изследването на потенциалите, създавани от обекти (фактори) с различна природа (точкови, линейни и площни). Анализът на територията с помощта на този метод дава възможност да се премине от набора пространствени данни (фактори), описващи територията, към точна числова (оценка) в точка на територията.

Изучаваните в рамките на анализа на територията потенциали имат физическа интерпретация – разпространение на топлина в среди с различна размерност (2D, 3D). Това явление може да бъде представено под формата на "топлинни" изображения ("топлинни" карти на територията), даващи 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 оказват влияние на околната територия, притежаващи набор от характеристики и пространствени координати. Примери за фактори на влияние могат да бъдат магазини, промишлени 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-нататъшния текст ще използваме понятието фактори на влияние, обединяващо в себе си и двата термина – фактори и индикатори на влияние.

По-долу е представен пример на пространствени данни, които представляват фактори на влияние.

Един от важните етапи при анализирането на територии е етапът на събиране и обработка на изходната информация. В момента информацията за факторите на влияние върху територията в различна степен на подробност е достатъчно обширна.

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

Сред откритите източници, по наше мнение, водещ е ресурсът — OpendStreetMap (OSM). Информацията, получавана от този източник, се актуализира ежедневно по целия свят.

Информацията на ресурса OpendStreetMap (OSM) е представена в следните формати:

— OSM формат. Основният формат с разширение ".osm" се използва за описание на графични обекти в 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, месечно обработвана информация с превъзходна 3-уровнева класификация по 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 Earth, Google Maps и Google Maps за мобилни устройства.

С помощта на KML файлове можете:
— да задавате различни иконки и да правите подписи за обозначаване на места на повърхността на Земята
— да създавате различни ъгли за избрани обекти, променяйки позицията на камерата
— да използвате различни наслагвани изображения
— да определяте стилове за настройка на визуализацията на обект, да прилагате HTML код за създаване на хипервръзки и вградени изображения
— да използвате папки за йерархично групиране на елементите
— динамично да получавате и актуализирате KML файлове от отдалечени или локални мрежови узли
— да получавате KML данни в съответствие с промените в тримерния преглед

— Федералната служба за държавна регистрация, кадастър и картография "Росреестр"
Информацията на портала Росреестр е ценна със своето съдържание и актуалност, но за съжаление не позволява получаване на графика по обектите на капитално строителство и земеделски имоти на безвъзмездна основа. Порталът Росреестр също така съдържа голям обем информация с ограничен достъп.

— Статистически органи
Статистическите данни са легитимен източник на информация за територията, но към днешна дата данните на статистическите органи са достъпни само по ограничен брой показатели, основно в отчетите на статистическите органи и докладите на регионалните власти.

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

Провеждането на анализ на териториите не налага конкретни изисквания относно състава на информацията; по същество може да се използва всичко, което е било намерено, а информацията от източници от открит тип обикновено е взаимозаменяема. Важно е да се отбележи, че даже информация, получена единствено от ресурса OSM, е достатъчна, за да се направи анализ на непознатата територия.

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

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

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

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

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

— Анализ на най-ефективното използване на територията.
Тази насока позволява провеждане на подробни изследвания на характеристиките на територията, пазарната ситуация, която е възникнала на изследваната територия, и идентификация на търсените варианти.

— Определяне на приноса на един фактор в модела на стойността, например появата на нови пътища и нови маршрути.

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

Оригиналността на предложеното в статията метода за анализ на територията с приложение на "тепловата" модел се състои 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 физическа интерпретация на него.

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

За закона на вселенското привличане силовото поле е определено с формулата:

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

Силовата функция ϕ се определя с израза:

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

следователно ϕ=k/r.

Физическият смисъл на потенциала на силовото поле ϕ – това е работа Е, извършвана от силовото поле при преминаване на определен път. В случай на закона на вселенското привличане, при изменение на разстоянието до обекта от r² до r₁, силовата функция се определя по формулата

Е=k*(1/r₁-1/r₂), където
Е – работата, извършвана от силовото поле при преминаване на определен път;
r₁, r₂ – начално и крайно положение на обекта.

За задачата по анализ на територията влиянието на обектите (факторите) 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 представлява температура, а в задачите за анализ на териториите с използване на „топлинна“ модел, потенциалът представлява общото въздействие на всички фактори на влияние върху точка в територията.

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

Данните се разделят на семантични групи по принципа на близкото сходство. Например, обектите на търговията са обединени по стоки. Има групи на горски обекти, водни обекти, населени места, спирки на транспорт и т.н. Обединените по смисъл групи представляват фактор. Придвижвайки се през всички обекти (фактори), получаваме набор от топлинни потенциали, годни за по-нататъшна обработка.

Използването на потенциали ("термални карти") позволява преминаване от пространствени данни към "термални" изображения на обекти (фактори), влияещи на територията (визуализация на потенциалите). Такъв преход дава възможност да се определи степента на присъствие на фактора във всяка точка на територията и да се проведе последващ анализ, т.е. да се изобразят различни насоки на развитие на града в цвят. По този начин получаваме светлина с различна интензивност за всяка точка на територията.

Примери за "термални" изображения на територията на гр. Нижни Новгород, представени в контекста на няколко фактора, са показани по-долу.

"Термалната" карта на гр. Н. Новгород, отразяваща фактора "Аптечната мрежа"

"Термалната" карта на гр. Н. Новгород, отразяваща фактора "Поликлиники за възрастни"

"Термалната" карта на гр. Н. Новгород, отразяваща фактора "Детски поликлиники"

"Термалната" карта на гр. Н. Новгород, отразяваща фактора "Промишлени зони"

"Термалните" изображения на територията позволяват да се определи концентрацията на потенциалите от различни обекти на влияние. Следва да се обединят получените потенциали в интегрална характеристика, позволяваща оценка на територията по множество фактори. За тази цел е необходим метод, който позволява анализ на голям обем информация, разпознаване на обекти, както и намаляване на размерността на данните, като се изгуби най-малко количество информация. Един от тези методи е методът на главни компоненти (Principal component analysis, PCA). Повече информация за този метод може да се прочете в Уикипедия.

Същността на метода – намиране на линейна комбинация от изходните параметри, която най-силно варира в областта на анализа. За пространствени данни – най-силно варираща по територията.

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

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

Основните компоненти се подреждат по редуциране на информацията – т.е. разпространение по територията. Първите основни компоненти носят значително повече информация, отколкото отделните фактори и добре описват територията. Като правило, 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.

Първата компонента, като абстрактно изчислен показател на територията, няма ясно название и класификация. Обаче, набор от фактори, които силно корелират с основната компонента, позволяват интерпретацията на основните компоненти. Обикновено, с основните компоненти корелират следните фактори:

— ниво на развитие на инфраструктурата;
— транспортен компонент на територията;
— климатични зони;
— ниво на развитие на селското стопанство;
— икономически потенциал на територията.

Нататъшен анализ, в това число клъстеризация, се извършва с няколко първи съществени основни компоненти.

На графиките може да се види графичното представяне на първите основни компоненти на територията на няколко града на Руската Федерация.

Първата основна компонента, която характеризира нивото на развитие на градската инфраструктура на гр. Н. Новгород.

Първата основна компонента, която характеризира нивото на развитие на градската инфраструктура на гр. Екатеринбург.

Първата основна компонента, която характеризира нивото на развитие на градската инфраструктура на гр. Казан.

Първата основна компонента, която характеризира нивото на развитие на градската инфраструктура на гр. Перм.

Първата основна компонента, която характеризира нивото на развитие на градската инфраструктура на гр. Самара.

Първата основна компонента, която характеризира нивото на развитие на градската инфраструктура на гр. Хабаровск.

Интегрални характеристики: клъстеризация

Следващият етап от работата по анализа на териториите представлява търсенето на зони в градската среда, хомогенни по качество. Това търсене е основано на анализа на стойностите на главните компоненти за всяка точка от територията. Задачата за идентифициране на посочените хомогенни зони може да бъде решена с помощта на клъстеризация – процес на групиране на територии на принципа на близостта на съвкупността от характеристики.

Клъстеризацията на територията преследва две цели:

— създаване на по-добре възприемлива визуализация на територията;
— разграничаване на области за съставяне на отделни модели.

Териториите се клъстеризират в съответствие с подбраните фактори за анализ. Тези фактори могат да бъдат фактори, влияещи върху ценообразуването или фактори, описващи определена страна на развитието на територията, например социалната сфера.

Съществуват два разпространени класически метода за клъстеризация: методът K-means и методът дендрограма. При работа с територии, методът K-means е показал добри резултати, отличаващ се с 'отглеждане' на клъстера чрез присъединяване на нови обекти към точки на растеж. Предимствата на метода K-means се състоят в сходството му с естествения процес на формиране на територии: интеграция на подобни, а не разделение на различни.

С метода K-means бе извършен анализ за Нижни Новгород (изображение по-долу).

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

При предложеното проучване можем да получим представа за територията по различни теми. Темите, които ни интересуват, могат да включват, например, нивото на развитие на градската инфраструктура, нивото на 'елитност' на територията, нивото на развитие на културата, социалната составляща на развитието на територията. Тези теми представляват слабо определени интегрални понятия и се състоят от множество взаимосвързани фактори.

При определен алгоритъм за отбор на параметри за анализ (включително с привлечени експерти), ще получим тематични карти, които дават представа за един аспект на развитието на територията.

Под интегрални характеристики се разбират първите главни компоненти, най-вече най-значимата първа главна компонента, и клъстеризацията на територията по подбраните параметри.

Темата на картите за основни компоненти по различни аспекти на развитието е представена на изображенията по-долу.

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

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

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

Накрая, е необходимо отново да се подчертае, че анализът на териториите днес е изключително важен етап при решаването на задачи за развитие на градската среда, избор на места за инвестиции в строителството, търсене на най-изгодното местоположение на нови обекти и други задачи.

Предложеният в статията метод за анализ на територията с използване на "топлинна" модел от фактори с различна природа не е критичен спрямо набор от фактори, т.е. не налага ограничения и изисквания към изходната информация.

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

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

— избор на най-добро място за 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 е в плановете ни да представим методи за обратно преминаване от основни компоненти към фактори, което от своя страна позволява да се получи модел от фактори за дадената територия.

Източник: habr.com