Использование тепловых потенциалов для анализа территорий

Пример расчета теплового потенциала для уличной сети г. Нижнего Новгорода

Территория города – сложная, неоднородная система, находящаяся в постоянном изменении. Описать территорию и провести оценку городской среды можно с помощью пространственных объектов (факторов). Факторы, описывающие территорию, различны по характеру влияния (положительное, отрицательное) и геометрической конфигурации (точки, линии, полигоны).

Зачастую определить степень влияния каждого отдельного объекта на уровень развития территории в целом или какой-то отдельный ее аспект довольно сложно. На сегодня проблема определения и описания таких понятий как «культура», «социальная сфера», «социальная напряженность», «хорошая жизнь», «экономическое развитие», «здоровье населения» становится все более актуальной. Неоднозначность этих понятий увеличивается, если мы хотим применить их относительно разных социальных групп, населения разного возраста и пола.

Также, следует отметить, что границы города в современном понятии достаточно условны. Суточная миграция населения, транспортная доступность удаленных районов «размывают границу» города еще больше. Широко используемое сейчас понятие агломерации в целом отражает границы города, но в тоже время делает само понятие границы города еще более расплывчатой.

Несмотря на описанные выше проблемы, анализ и оценка территорий на сегодня являются одними из перспективных и интересных направлений, позволяющих решать множество актуальных задач городской среды.

В статье предлагается к рассмотрению метод анализа территории с использованием «тепловой» модели. В основе данного метода лежит исследование потенциалов, создаваемых объектами (факторами) различной природы (точечные, линейные и площадные). Анализ территории с помощью этого метода дает возможность перейти от набора пространственных данных (факторов), описывающих территорию, к точной числовой (бальной) оценке в каждой точке территории.

Исследуемые в рамках проведения анализа территории потенциалы, имеют физическую интерпретацию – распространение тепла в средах разной размерности (2D, 3D). Это явление можно представить в виде «тепловых» изображений («тепловых» карт территории), дающих представление о степени развития территории в зависимости от интенсивности цвета изображения.

Факторы территории

Анализ территории подразумевает поиск и обработку информации о факторах влияния на территорию и об их индикаторах. Факторами влияния выступают объекты, влияющие на окружающую территорию, обладающие набором характеристик и пространственными координатами. Примерами факторов влияния могут служить магазины, промышленные объекты, дороги, леса, водные объекты.

Индикаторами влияния выступают объекты, отражающие влияние объектов и также обладающие набором характеристик и пространственными координатами. Примеры индикаторов влияния: банкоматы, рекламные щиты, памятники.

В дальнейшем изложении будем использоваться понятием факторы влияния, объединяющим в себе оба термина – факторы и индикаторы влияния.

Ниже приведен пример пространственных данных, которые выступают факторами влияния.

Одним из важных этапов проведения работ по анализу территорий является этап сбора и обработки исходной информации. На сегодня информации о факторах влияния на территорию разной степени подробности достаточно много.

Информация может быть получена из открытых источников или источников ограниченного доступа. Во многих случаях открытой информации достаточно для анализа, хотя, как правило, она нуждается в достаточно трудоемкой обработке.

Среди открытых источников лидером, по нашему мнению, является ресурс — ОpenStreetMap (OSM). Информация, получаемая из этого источника, обновляется ежедневно по всему миру.

Информация ресурса ОpenStreetMap (OSM) представлена в следующих форматах:

— OSM формат. Основной формат c расширением «.osm» используется для описания графических образов XML– узлы, пути, отношения.

— «Польский формат». Текстовый формат с расширением «.mp» используется для работы с графикой.

— PBF формат. Формат хранения данных с расширением «.osm.pbf».

В качестве источников информации также можно использовать:

— 2ГИС
Ресурс содержит качественную, ежемесячно обрабатываемую информацию, с прекрасным 3х-уровневым классификатором по предприятиям и организациям.

— KML (Keyhole Markup Language) файлы
KML (Keyhole Markup Language) файлы — это формат файлов, который используется для отображения географических данных в программах Google Планета Земля, Карты Google и Карты Google для мобильных устройств.

С помощью файлов KML можно:
— устанавливать различные значки и делать подписи для обозначения мест на поверхности Земли
— создавать различные ракурсы для выбранных объектов, изменяя положение камеры
— использовать различные накладываемые изображения
— определять стили для настройки отображения объекта, применять код HTML для создания гиперссылок и встроенных изображений
— использовать папки для иерархической группировки элементов
— динамически получать и обновлять файлы KML из удаленных или локальных узлов сети
— получать данные KML в соответствии с изменениями в средстве трехмерного просмотра

— Федеральная служба государственной регистрации, кадастра и картографии «Росреестр»
Информация на портале Росреестра ценна своим содержанием и актуальностью, но, к сожалению, не дает возможности получать графику по объектам капитального строительства и земельным участкам на безвозмездной основе. Портал Росреестра также содержит большой объем информации ограниченного доступа.

— Органы статистики
Статистические данные – легитимный источник информации о территории, однако по состоянию на сегодня данные органов статистики доступны только по некоторому числу показателей, в основном в отчетах органов статистики и докладах региональной власти.

— Информационные системы органов власти
Качественная информация содержится в информационных системах органах власти, однако лишь небольшая их часть публикуется в открытом доступе и доступна для анализа.

Проведение анализа территорий не накладывает каких-либо определенных требований к составу информации, по сути можно пользоваться всем, что удалось найти, информация из источников открытого типа как правили взаимозаменяемая. Однако, следует отметить, что даже одной только информации полученной с ресурса OSM достаточно, чтобы сделать анализ незнакомой территории.

Анализ территории с использованием «тепловой» модели. Физическая интерпретация потенциалов

Как уже было сказано ранее, анализ территории на сегодня является актуальной темой и мощным инструментом для аргументированного привлечения инвестиций в развитие инфраструктуры различных городских сред.

Разнообразие задач, решаемых с помощью проведения анализа территорий, можно объединить в несколько крупных направлений:

— Получение максимально интерпретируемой и детализированной оценки территории в каждой ее точке.
Решая поставленную задачу можно получить набор балльных оценок в каждой точке территории, дающий представление об уровне развития территории в общем, а также в некоторой предметной области. Такой предметной областью может быть, например, культура, промышленность, торговля и т.д.

— Определение наиболее выгодных мест для размещения инвестиционных объектов определенного типа (например, банков, профильных магазинов, торгово-развлекательных центров и др.) на выбранной территории.

— Анализ наиболее эффективного использования территории.
Данное направление позволяет проводить подробное исследование характеристик территории, рыночной ситуации, сложившейся на исследуемой территории, идентификацию востребованных вариантов.

— Определения вклада одного фактора в модель стоимости, на примере появления новых дорог и новых маршрутов.

— Анализ разных аспектов одной территории и анализ разных территорий (сравнение территорий).

Оригинальность предлагаемого в статье метода анализа территории с применением «тепловой» модели состоит в использовании показателей развития территории — потенциалов, представленных в числовом выражении и отражающих степень влияния объекта (фактора влияния) на территорию.

Для понимания сути исследования следует сказать несколько слов о самом тепловом потенциале, дать его физическую интерпретацию.

В физике существуют такие понятия как силовое поле и силовая функция. Силовое поле имеет размерность энергии, силовая функция – размерность силы.

Для закона всемирного тяготения силовое поле определено формулой:

F=k/r2, где
k – константа;
r – расстояние между взаимодействующими объектами.

Силовая функция ϕ определяется выражением:

dϕ=-F*dr, где
ϕ — потенциал силового поля;
dϕ, dr – дифференциалы;
r — расстояние между взаимодействующими объектами,

следовательно ϕ=k/r.

Физический смысл потенциала силового поля ϕ – это работа Е, совершаемая силовым полем при прохождении некоторого пути. В случае закона всемирного тяготения при изменении расстояния до объекта от r2 до r1 силовая функция определяется по формуле

Е=k*(1/r1-1/r2), где
Е – работа, совершаемая силовым полем при прохождении некоторого пути;
r1, r2 – начальное и конечное положение объекта.

Для задачи анализа территории влияние объектов (факторов) на территорию можно рассматривать как силу (силовая функцию), а уровень развития территории, как суммарный тепловой потенциал (силовое поле) от всех объектов (факторов). В задачах физики тепловой потенциал является температурой, а в задачах анализа территорий с использованием «тепловой» модели потенциал представляет собой суммарное воздействие всех факторов влияния на точку территории.

Пространственные данные представляют собой точки, линии, полигоны. Для расчета потенциалов протяженные пространственные данные разбиваются на мелкие фрагменты. Для каждого фрагмента рассчитывается потенциал от точки со множителем равным размеру фрагмента объекта (фактора).

Данные разбиваются на смысловые группы по принципу близкого сходства. Например, объекты торговли объединены по товарам. Есть группы лесных объектов, водных объектов, населенных пунктов, остановок транспорта и т.д. Объединенные по смыслу группы представляют собой фактор. Пройдя по всем объектам (факторам), получаем набор тепловых потенциалов, пригодных к дальнейшей обработке.

Использование потенциалов («тепловых карт») позволяет перейти от пространственных данных к «тепловым» изображениям объектов (факторов) влияния на территории (визуализация потенциалов). Такой переход дает возможность определить степень присутствия фактора в каждой точке территории и проводить дальнейший анализ, т.е. отобразить разные направления развития города в цвете. Таким образом, получим свечение различной интенсивности для каждой точки территории.

Примеры «тепловых» изображений территории г. Нижнего Новгорода в разрезе нескольких факторов, представлены ниже.

«Тепловая» карта г. Н. Новгорода, отражающая фактор «Аптечная сеть»

«Тепловая» карта г. Н. Новгорода, отражающая фактор «Поликлиники для взрослых»

«Тепловая» карта г. Н. Новгорода, отражающая фактор «Детские поликлиники»

«Тепловая» карта г. Н. Новгорода, отражающая фактор «Промышленные зоны»

«Тепловые» изображения территории позволяют определить концентрацию потенциалов от различных объектов влияния. Далее необходимо объединить полученные потенциалы в интегральную характеристику, позволяющую провести оценку территории по большому количеству факторов. Для этого необходим метод, позволяющий анализировать большой объем информации, распознавать объекты, а также уменьшить размерность данных, потеряв наименьшее количество информации. Одним из таких методов является метод главных компонент (Рrincipal component analysis, PCA). Более подробно о данном методе можно прочитать в Википедии.

Суть метода – нахождение линейной комбинации исходных параметров, наиболее сильно меняющейся в области анализа. Для пространственных данных – наиболее сильно меняющейся по территории.

Метод главных компонент выделяет объекты (факторы), наиболее сильно изменяющиеся по территории. В результате работы метода появляются новые переменные – главные компоненты, являющиеся более информативными по сравнению с исходными данными, с помощью которых легче анализировать, описывать и визуализировать территорию, по которым проще строить модели.

Главные компоненты представляет собой аналитические выражения — сумму потенциалов исходных факторов с некоторыми коэффициентами. Однако если какой-либо фактор оказывает существенное влияние на территорию, но не меняется по анализируемой территории, метод главных компонент не включит этот фактор в состав главных компонент.

Главные компоненты упорядочиваются по убыванию информации – т.е. распространению по территории. Первые главные компоненты несут в себе существенно большую информацию, чем отдельные факторы, и хорошо описывают территорию. Как правило, при использовании около сотни факторов, первая главная компонента несет в себе около 50% всей информации (дисперсии) по территории. Главные компоненты не коррелируют между собой и могут использоваться для моделей в качестве характеристик территории в каждой точке.

Главная компонента, как некоторый абстрактно вычисленный показатель территории, не имеет четкого названия и классификации. Однако, совокупность, сильно коррелирующих с главной компонентой, факторов позволяют интерпретировать главные компоненты. Как правило, с главными компонентами коррелируют следующие факторы:

— уровень развития инфраструктуры;
— транспортная составляющая территории;
— климатические зоны;
— уровень развития сельского хозяйства;
— экономический потенциал территории.

Дальнейший анализ, в том числе кластеризация идет с несколькими первыми значимыми главными компонентами.

На рисунках можно видеть графическое отображение первых главных компонент на территории нескольких городов Российской Федерации.

Первая главная компонента, характеризующая уровень развития городской инфраструктуры г. Н. Новгорода

Первая главная компонента, характеризующая уровень развития городской инфраструктуры г. Екатеринбурга

Первая главная компонента, характеризующая уровень развития городской инфраструктуры г. Казани

Первая главная компонента, характеризующая уровень развития городской инфраструктуры г. Перми

Первая главная компонента, характеризующая уровень развития городской инфраструктуры г. Самары

Первая главная компонента, характеризующая уровень развития городской инфраструктуры г. Хабаровска

Интегральные характеристики: кластеризация

Дальнейший этап работ по анализу территорий представляет собой поиск зон городской среды, однородных по качеству. Этот поиск основывается на анализе значений главных компонент в каждой точке территории. Задача поиска указанных однородных зон может быть решена с помощью кластеризации – процесса группировки территорий по принципу близости совокупности характеристик.

Кластеризация территории преследует две цели:

— создание лучше воспринимаемой визуализации территории;
— выделение областей для составление отдельных моделей.

Территории кластеризуются в соответствии с отобранными факторами для анализа. Эти факторы могут быть факторами, влияющими на ценообразование или факторами, описывающими какую-то сторону развития территории, например, социальную сферу.

Существует два распространенных классических метода кластеризации: метод K-means и метод дендрограмм. При работе с территориями хорошо себя зарекомендовал метод K-means, особенностью которого является «выращивание» кластера, путем присоединения к точкам роста новых объектов. Преимущества метода K-means заключается в похожести его работы на естественный процесс формирования территорий: интеграция похожих, а не разделение непохожих.

Методом K-means был произведен расчет по Нижнему Новгороду (рисунок ниже).

Соответствие кластеров уровню развития территории на примере г. Н.Новгорода

При предложенном подходе можно получить представление о территории по различным темам. Интересующими нас темами могут быть, например, уровень развития городской инфраструктуры, уровень «элитности» территории, уровень развития культуры, социальная составляющая развития территории. Эти темы являются плохо определенными интегральными понятиями, и состоят из множества взаимосвязанных факторов.

При некотором алгоритме отбора параметров для анализа (в том числе с привлечением экспертов), мы получим тематические карты, дающие представление об одном аспекте развития территории.

Под интегральными характеристиками понимаются первые главные компоненты, прежде всего самая информативная первая главная компонента, и кластеризация территория по отобранным параметрам.

Тематические карты первых главных компонент по различным аспектам развития представлены на рисунках ниже.

Тематическая карта «Объекты культуры» на примере г. Н.Новгорода

Тематическая карта «Социальная сфера» на примере г. Н.Новгорода

Интегральные характеристики дают возможность понять особенности территории, оперируя множеством факторов с минимальными потерями информации.

В заключении стоит еще раз отметить, что на сегодня анализ территорий является крайне важным этапом при решении задач развития городской среды, выбора мест для инвестирования в строительство, поиска наиболее выгодного месторасположения новых объектов и других задач.

Предложенный в статье метод анализа территории с использованием «тепловой» модели от факторов разной природы не является критичным к набору факторов, т.е не накладывает ограничения и требования к исходной информации.

Многообразие и избыточность исходной информации, а также возможность пользоваться открытыми данными предоставляет неограниченные перспективы для анализа любых территорий мира.

В следующих публикациях, посвященных задачам анализа территорий мы планируем раскрыть особенности составление моделей с использованием главных компонент и методы их реализации для таких задач как:

— выбор наилучшего места при размещении нового объекта;
— построение ценовой поверхности для определенной категории объектов с использованием рыночной стоимости;
-оценка доходности определенного вида деятельности в зависимости от местоположения объектов.

Также в планах представить методы обратного перехода от главных компонент к факторам, что в свою очередь позволяет получить модель от факторов для данной территории.

Источник: habr.com