Използване на топлинни потенциали за анализ на територии

Пример за изчисляване на топлинния потенциал за улична мрежа в Нижни Новгород

Градската територия е сложна, разнородна система, която постоянно се променя. Можете да опишете територията и да оцените градската среда с помощта на пространствени обекти (фактори). Факторите, описващи територията, се различават по естеството на тяхното влияние (положително, отрицателно) и геометрична конфигурация (точки, линии, многоъгълници).

Често е доста трудно да се определи степента на влияние на всеки отделен обект върху нивото на развитие на територията като цяло или всеки отделен аспект от нея. Днес проблемът за дефинирането и описанието на понятия като „култура“, „социална сфера“, „социално напрежение“, „добър живот“, „икономическо развитие“, „здраве на населението“ става все по-актуален. Неяснотата на тези понятия се увеличава, ако искаме да ги приложим към различни социални групи, население от различна възраст и пол.

Също така трябва да се отбележи, че границите на града в съвременната концепция са доста произволни. Ежедневната миграция на населението, транспортната достъпност на отдалечените райони „размиват още повече границата“ на града. Сега широко използваната концепция за агломерация като цяло отразява границите на града, но в същото време прави самото понятие за градска граница още по-неясно.

Въпреки проблемите, описани по-горе, анализът и оценката на териториите днес са сред най-обещаващите и интересни области, които позволяват решаването на много належащи проблеми на градската среда.

Статията предлага за разглеждане метод за анализ на територията с помощта на „термичен“ модел. Този метод се основава на изследване на потенциали, създадени от обекти (фактори) от различно естество (точкови, линейни и площни). Анализът на територията с помощта на този метод дава възможност да се премине от набор от пространствени данни (фактори), описващи територията, към точна числена (бална) оценка за всяка точка от територията.

Изследваните потенциали като част от анализа на територията имат физическа интерпретация - разпространение на топлина в среда с различни измерения (2D, 3D). Това явление може да бъде представено под формата на „термични“ изображения („топлинни“ карти на територията), даващи представа за степента на развитие на територията в зависимост от интензивността на цвета на изображението.

Териториални фактори

Анализът на територията включва търсене и обработка на информация за факторите, влияещи върху територията и техните показатели. Факторите на влияние са обекти, които влияят на околната територия и имат набор от характеристики и пространствени координати. Примери за влияещи фактори включват магазини, промишлени съоръжения, пътища, гори и водни тела.

Индикатори за влияние са обектите отразяващ влияние на обекти, а също и притежаващ набор от характеристики и пространствени координати. Примери за индикатори за влияние: банкомати, билбордове, паметници.

В следващото изложение ще използваме понятието фактори на влияние, което обединява двата термина – фактори и индикатори на влияние.

По-долу е даден пример за пространствени данни, които действат като влияещи фактори.

Един от важните етапи на извършване на работа по анализиране на територии е етапът на събиране и обработка на първоначалната информация. Днес има много информация за факторите, влияещи върху територията с различна степен на детайлност.

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

Сред отворените източници лидерът според нас е ресурсът OpenStreetMap (OSM). Информацията, получена от този източник, се актуализира ежедневно в целия свят.

Информацията за ресурсите на OpenStreetMap (OSM) е представена в следните формати:

- OSM формат. Основният формат с разширение “.osm” се използва за описание на XML графични изображения – възли, пътища, релации.

- „Полски формат“. Текстовият формат с разширение “.mp” се използва за работа с графики.

- PBF формат. Формат за съхранение на данни с разширение “.osm.pbf”.

Можете също да използвате следното като източници на информация:

- 2 ГИС
Ресурсът съдържа висококачествена, месечно обработвана информация, с отличен 3-степенен класификатор за предприятия и организации.

- KML (Keyhole Markup Language) файлове
KML (Keyhole Markup Language) файловете са файлов формат, който се използва за показване на географски данни в Google Earth, Google Maps и Google Maps за мобилни устройства.

С KML файлове можете:
- инсталирайте различни икони и правете подписи, за да посочите места на повърхността на Земята
— създайте различни ъгли за избрани обекти, като промените позицията на камерата
- използвайте различни насложени изображения
— дефинирайте стилове за персонализиране на показването на обект, прилагайте HTML код за създаване на хипервръзки и вградени изображения
— използване на папки за йерархично групиране на елементи
— динамично получаване и актуализиране на KML файлове от отдалечени или локални мрежови възли
- Получавайте KML данни според промените в инструмента за XNUMXD изглед

- Федерална служба за държавна регистрация, кадастър и картография "Росреестр"
Информацията на портала Rosreestr е ценна със своето съдържание и уместност, но, за съжаление, не позволява безплатно получаване на графики за проекти за капитално строителство и парцели. Порталът Rosreestr също съдържа голямо количество информация с ограничен достъп.

- Статистически органи
Статистическите данни са легитимен източник на информация за територията, но към днешна дата данните от статистическите органи са достъпни само за определен брой показатели, главно в докладите на статистическите органи и докладите на регионалните власти.

- Информационни системи на властите
В държавните информационни системи се съдържа висококачествена информация, но само малка част от нея е публично достояние и е достъпна за анализ.

Извършването на анализ на територии не налага никакви специфични изисквания към състава на информацията; всъщност можете да използвате всичко, което е намерено; информацията от отворени източници обикновено е взаимозаменяема. Все пак 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 помощта на „термичен“ модел. Физическа интерпретация на потенциалите

Както споменахме по-рано, анализът на територията днес е гореща тема и мощен инструмент за обосновано привличане на инвестиции в развитието на инфраструктурата в различни градски среди.

Разнообразието от проблеми, решени чрез териториален анализ, може да се комбинира в няколко основни области:

— Получаване на най-разбираемата и подробна оценка на територията във всяка точка.
Решавайки проблема, можете да получите набор от точки във всяка точка на територията, което дава представа за нивото на развитие на територията като цяло, както и в определена тематична област. Такава предметна област може да бъде например култура, индустрия, търговия и др.

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

— Анализ на най-ефективното използване на територията.
Тази посока позволява подробно проучване на характеристиките на територията, пазарната ситуация, която се е развила на изследваната територия, и идентифициране на популярни опции.

— Определяне на приноса на един фактор към модела на разходите, като се използва примерът за появата на нови пътища и нови маршрути.

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

Оригиналността на метода за анализ на територията, предложен в статията с помощта на „термичен“ модел, се състои в използването на показатели за развитие на територията - потенциали, представени в числено изражение и отразяващи степента на влияние на обекта (фактор на влияние) върху територията.

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

Във физиката има такива понятия като силово поле и силова функция. Силовото поле има измерението на енергията, силовата функция има измерението на силата.

За закона за всемирното притегляне силовото поле се определя от формулата:

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

Силовата функция ϕ се определя от израза:

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

следователно ϕ=k/r.

Физическото значение на потенциала на силовото поле ϕ е работата E, извършена от силовото поле, докато преминава определен път. В случая на закона за всемирното притегляне, когато разстоянието до обект се промени от r2 до r1, функцията на силата се определя от формулата

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

За задачата за анализ на територия влиянието на обекти (фактори) върху територията може да се разглежда като сила (степенна функция), а нивото на развитие на територията като общ топлинен потенциал (силово поле) от всички обекти (фактори). В проблемите на физиката топлинният потенциал е температурата, а в проблемите на анализа на територията, използвайки „термичен“ модел, потенциалът представлява общото въздействие на всички влияещи фактори върху точка от територията.

Пространствените данни се състоят от точки, линии и многоъгълници. За да се изчислят потенциалите, разширените пространствени данни се разделят на малки фрагменти. За всеки фрагмент потенциалът от точката се изчислява с множител, равен на размера на обектния фрагмент (фактор).

Данните се разделят на семантични групи на принципа на близкото сходство. Например търговските обекти се комбинират по продукти. Има групи от горски обекти, водоеми, населени места, транспортни спирки и др. Групи, обединени по смисъл, представляват фактор. Преминавайки през всички обекти (фактори), получаваме набор от топлинни потенциали, подходящи за по-нататъшна обработка.

Използването на потенциали („топлинни карти“) ви позволява да преминете от пространствени данни към „термични“ изображения на обекти (фактори) на влияние върху територията (визуализация на потенциали). Такъв преход дава възможност да се определи степента на присъствие на фактора във всяка точка от територията и да се извърши допълнителен анализ, т.е. показват различни посоки на градско развитие в цвят. Така получаваме сияние с различна интензивност за всяка точка от територията.

По-долу са представени примери за „термични“ изображения на територията на Нижни Новгород в контекста на няколко фактора.

„Термична“ карта на Нижни Новгород, отразяваща фактора „Аптечна верига“.

„Топлинна“ карта на Нижни Новгород, отразяваща фактора „Поликлиники за възрастни“

„Термична“ карта на Нижни Новгород, отразяваща фактора „Детски клиники“

„Термична“ карта на Нижни Новгород, отразяваща фактора „Индустриални зони“

„Термичните“ изображения на територията позволяват да се определи концентрацията на потенциали от различни обекти на влияние. След това е необходимо да се комбинират получените потенциали в интегрална характеристика, която позволява оценка на територията въз основа на голям брой фактори. Това изисква метод, който ви позволява да анализирате голямо количество информация, да разпознавате обекти и също така да намалявате размерността на данните, като губите най-малко информация. Един от тези методи е анализът на главните компоненти (PCA). Повече подробности за този метод можете да намерите в Wikipedia.

Същността на метода е да се намери линейна комбинация от първоначални параметри, която се променя най-силно в областта на анализа. За пространствени данни – най-силно променящи се над територията.

Методът на главния компонент идентифицира обекти (фактори), които се променят най-силно на територията. В резултат на метода се появяват нови променливи - основните компоненти, които са по-информативни в сравнение с оригиналните данни, с помощта на които е по-лесно да се анализира, опише и визуализира територията, върху която е по-лесно да се изграждат модели .

Главните компоненти са аналитични изрази - сумата от потенциалите на изходните фактори с определени коефициенти. Въпреки това, ако някой фактор има значително въздействие върху територията, но не се променя в цялата анализирана територия, методът на главния компонент няма да включи този фактор в състава на основните компоненти.

Основните компоненти са подредени в низходящ ред на информацията – т.е. разпространявайки се по цялата територия. Първите главни компоненти носят значително повече информация от отделните фактори и описват добре територията. Като правило, когато се използват около сто фактора, първият главен компонент носи около 50% от цялата информация (вариация) за територията. Основните компоненти не корелират помежду си и могат да се използват за модели като характеристики на територията във всяка точка.

Основният компонент, като някакъв абстрактно изчислен индикатор на територията, няма ясно наименование и класификация. Въпреки това набор от фактори, които са силно свързани с основния компонент, ни позволява да интерпретираме основните компоненти. По правило следните фактори корелират с основните компоненти:

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

По-нататъшният анализ, включително групирането, продължава с първите няколко важни основни компонента.

На фигурите можете да видите графично представяне на първите основни компоненти на територията на няколко града на Руската федерация.

Първият основен компонент, характеризиращ нивото на развитие на градската инфраструктура в Нижни Новгород

Първият основен компонент, характеризиращ нивото на развитие на градската инфраструктура в Екатеринбург

Първият основен компонент, характеризиращ нивото на развитие на градската инфраструктура в Казан

Първият основен компонент, характеризиращ нивото на развитие на градската инфраструктура в Перм

Първият основен компонент, характеризиращ нивото на развитие на градската инфраструктура в Самара

Първият основен компонент, характеризиращ нивото на развитие на градската инфраструктура в Хабаровск

Интегрални характеристики: групиране

По-нататъшният етап от работата по анализа на територията е търсенето на зони от градската среда, които са хомогенни по качество. Това търсене се основава на анализа на стойностите на основните компоненти във всяка точка на територията. Проблемът с търсенето на тези хомогенни зони може да бъде решен с помощта на групиране - процесът на групиране на територии въз основа на принципа на близостта на набор от характеристики.

Териториалното групиране има две цели:

— създаване на по-добра визуализация на територията;
— разпределяне на зони за съставяне на индивидуални модели.

Териториите са групирани в съответствие с избраните фактори за анализ. Тези фактори могат да бъдат фактори, влияещи върху ценообразуването, или фактори, описващи някои аспекти от развитието на територията, например социалната сфера.

Има два често срещани класически метода за групиране: методът на K-средните и методът на дендрограмата. Когато работите с територии, методът K-means се е доказал добре, чиято характеристика е „отглеждането“ на клъстер чрез добавяне на нови обекти към точките на растеж. Предимството на метода K-means се състои в сходството на неговата работа с естествения процес на формиране на територията: интегриране на сходни, а не отделяне на различни.

Методът K-means е използван за изчисления за Нижни Новгород (фигурата по-долу).

Съответствие на клъстерите с нивото на развитие на територията по примера на Нижни Новгород

С предложения подход е възможно да се получи преглед на територията по различни теми. Темите, които ни интересуват, могат да бъдат например нивото на развитие на градската инфраструктура, нивото на „елитност“ на територията, нивото на културно развитие, социалният компонент на развитието на територията. Тези теми са недобре дефинирани интегрални концепции и се състоят от много взаимосвързани фактори.

Използвайки някакъв алгоритъм за избор на параметри за анализ (включително с участието на експерти), ще получим тематични карти, които дават представа за един аспект от развитието на територията.

Интегралните характеристики се разбират като първи главни компоненти, преди всичко най-информативния първи главен компонент, и групиране на територията според избрани параметри.

Тематични карти на първите основни компоненти за различни аспекти на развитието са представени на фигурите по-долу.

Тематична карта „Културни обекти“ по примера на Нижни Новгород

Тематична карта „Социална сфера“ по примера на Нижни Новгород

Интегралните характеристики позволяват да се разберат характеристиките на дадена територия, като се използват много фактори с минимална загуба на информация.

В заключение си струва да се отбележи още веднъж, че днес анализът на териториите е изключително важен етап от решаването на проблемите с развитието на градската среда, избора на места за инвестиране в строителството, намирането на най-изгодното местоположение за нови съоръжения и други задачи.

Методът за анализ на територията, предложен в статията, използвайки „термичен“ модел от фактори от различно естество, не е критичен за набора от фактори, т.е. не налага ограничения или изисквания към първоначалната информация.

Осигурява разнообразие и излишък на изходната информация, както и възможност за използване на отворени данни неограничени перспективи за анализ на всяка територия на света.

В следващите публикации, посветени на проблемите на териториалния анализ, планираме да разкрием характеристиките на съставянето на модели, използвайки основните компоненти и методите за тяхното изпълнение за такива задачи като:

— избор на най-доброто местоположение при разполагане на нов обект;
— изграждане на ценова повърхност за определена категория обекти, използвайки пазарна стойност;
- оценка на рентабилността на определен вид дейност в зависимост от местоположението на обектите.

Планира се и представяне на методи за обратен преход от главни компоненти към фактори, което от своя страна позволява да се получи модел от фактори за дадена територия.

Източник: www.habr.com