Primjer izračuna toplinskog potencijala za uličnu mrežu u Nižnjem Novgorodu
Teritorija grada je složen, heterogen sistem koji se stalno mijenja. Možete opisati teritoriju i procijeniti urbanu sredinu koristeći prostorne objekte (faktore). Faktori koji opisuju teritoriju razlikuju se po prirodi svog uticaja (pozitivan, negativan) i geometrijskoj konfiguraciji (tačke, linije, poligoni).
Često je prilično teško odrediti stepen uticaja svakog pojedinačnog objekta na stepen razvijenosti teritorije u celini ili nekog njegovog posebnog aspekta. Danas je sve aktuelniji problem definisanja i opisivanja pojmova kao što su „kultura”, „socijalna sfera”, „društvena napetost”, „dobar život”, „ekonomski razvoj”, „zdravlje stanovništva”. Dvosmislenost ovih koncepata se povećava ako ih želimo primijeniti na različite društvene grupe, populacije različite dobi i spola.
Takođe, treba napomenuti da su granice grada u modernom konceptu prilično proizvoljne. Svakodnevna migracija stanovništva, transportna dostupnost udaljenih područja još više „zamagljuje“ granicu grada. Danas široko korišteni koncept aglomeracije općenito odražava granice grada, ali u isto vrijeme sam koncept granice grada čini još nejasnijim.
Uprkos gore opisanim problemima, analiza i procjena teritorija danas su među najperspektivnijim i najzanimljivijim oblastima koje omogućavaju rješavanje mnogih hitnih problema urbanog okruženja.
U članku se na razmatranje predlaže metoda za analizu teritorije korištenjem “termalnog” modela. Ova metoda se zasniva na proučavanju potencijala koje stvaraju objekti (faktori) različite prirode (tačkaste, linearne i površine). Analiza teritorije ovom metodom omogućava prelazak sa skupa prostornih podataka (faktora) koji opisuju teritoriju na tačnu numeričku (bod) procjenu na svakoj tački teritorije.
Potencijali koji se proučavaju u sklopu analize teritorije imaju fizičku interpretaciju - širenje toplote u sredinama različitih dimenzija (2D, 3D). Ovaj fenomen se može predstaviti u obliku "termalnih" slika ("toplinskih" mapa teritorije), dajući ideju o stepenu razvijenosti teritorije u zavisnosti od intenziteta boje slike.
Faktori teritorije
Analiza teritorije podrazumeva pretraživanje i obradu informacija o faktorima koji utiču na teritoriju i njihovim pokazateljima. Faktori uticaja su objekti koji utiču na okolnu teritoriju i imaju skup karakteristika i prostornih koordinata. Primjeri faktora utjecaja su trgovine, industrijski objekti, putevi, šume i vodena tijela.
Indikatori uticaja su objekti reflektirajuće uticaj objekata i takođe imaju skup karakteristika i prostornih koordinata. Primjeri indikatora utjecaja: bankomati, bilbordi, spomenici.
U narednom izlaganju koristićemo koncept faktora uticaja koji kombinuje oba pojma – faktore i indikatore uticaja.
Ispod je primjer prostornih podataka koji djeluju kao faktori utjecaja.
Jedna od važnih faza izvođenja radova na analizi teritorija je faza prikupljanja i obrade početnih informacija. Danas postoji mnogo informacija o faktorima koji utiču na teritoriju različitog stepena detaljnosti.
Informacije se mogu dobiti iz otvorenih ili ograničenih izvora. U mnogim slučajevima, otvorene informacije su dovoljne za analizu, iako, u pravilu, zahtijevaju dosta radno intenzivnu obradu.
Među otvorenim izvorima, vodeći je, po našem mišljenju, resurs OpenStreetMap (OSM). Informacije dobijene iz ovog izvora svakodnevno se ažuriraju širom svijeta.
Informacije o resursima OpenStreetMap (OSM) predstavljene su u sljedećim formatima:
- OSM format. Glavni format sa ekstenzijom “.osm” koristi se za opisivanje XML grafičkih slika – čvorova, putanja, odnosa.
- “poljski format”. Format teksta sa ekstenzijom “.mp” koristi se za rad sa grafikom.
- PBF format. Format skladištenja podataka sa ekstenzijom “.osm.pbf”.
Kao izvore informacija možete koristiti i sljedeće:
- 2 GIS
Resurs sadrži visokokvalitetne, mjesečno obrađene informacije, sa odličnim klasifikatorom na 3 nivoa za preduzeća i organizacije.
- KML (Keyhole Markup Language) datoteke
KML (Keyhole Markup Language) datoteke su format datoteke koji se koristi za prikaz geografskih podataka u Google Earth, Google Maps i Google Maps za mobilne uređaje.
Sa KML fajlovima možete:
- instalirati razne ikone i potpisivati mjesta na površini Zemlje
— kreirajte različite uglove za odabrane objekte promjenom položaja kamere
- koristite različite preklapajuće slike
— definirati stilove za prilagođavanje prikaza objekta, primijeniti HTML kod za kreiranje hiperveza i inline slika
— koristiti fascikle za hijerarhijsko grupisanje elemenata
— dinamički primati i ažurirati KML datoteke sa udaljenih ili lokalnih mrežnih čvorova
- Primajte KML podatke prema promjenama u 3D pregledniku
- Federalna služba za državnu registraciju, katastar i kartografiju "Rosreestr"
Informacije na portalu Rosreestr vrijedne su zbog svog sadržaja i relevantnosti, ali, nažalost, ne omogućavaju besplatno dobijanje grafika za projekte kapitalne izgradnje i zemljišnih parcela. Portal Rosreestr također sadrži veliku količinu informacija o ograničenom pristupu.
- Statistička tijela
Statistički podaci su legitiman izvor informacija o teritoriji, međutim, od danas su podaci statističkih tijela dostupni samo za određeni broj indikatora, uglavnom u izvještajima statističkih tijela i izvještajima regionalnih vlasti.
- Informacioni sistemi organa vlasti
Visokokvalitetne informacije sadržane su u državnim informacionim sistemima, ali se samo mali dio njih objavljuje u javnom domenu i dostupan je za analizu.
Provođenje analize teritorija ne nameće nikakve posebne zahtjeve za sastav informacija; u stvari, možete koristiti sve što je pronađeno; informacije iz otvorenih izvora su obično zamjenjive. Međutim, treba napomenuti da su i same informacije dobijene iz OSM resursa dovoljne za analizu nepoznate teritorije.
Analiza teritorije korištenjem “termalnog” modela. Fizička interpretacija potencijala
Kao što je ranije spomenuto, analiza teritorija danas je vruća tema i moćan alat za razumno privlačenje investicija u razvoj infrastrukture u različitim urbanim sredinama.
Različiti problemi koji se rješavaju analizom teritorija mogu se kombinirati u nekoliko glavnih područja:
— Dobivanje što razumljivije i detaljnije procjene teritorije u svakoj tački.
Rješavanjem problema možete dobiti skup tačaka na svakoj tački teritorije, dajući predstavu o nivou razvoja teritorije općenito, kao iu određenom predmetnom području. Takva predmetna oblast može biti, na primjer, kultura, industrija, trgovina itd.
— Određivanje najpovoljnijih mjesta za postavljanje investicionih objekata određene vrste (na primjer, banke, specijalizirane trgovine, trgovački i zabavni centri, itd.) na odabranoj teritoriji.
— Analiza najefikasnijeg korišćenja teritorije.
Ovaj smjer omogućava detaljno proučavanje karakteristika teritorije, tržišne situacije koja se razvila na teritoriji koja se proučava i identifikaciju popularnih opcija.
— Određivanje doprinosa jednog faktora modelu troškova, na primjeru nastanka novih puteva i novih ruta.
— Analiza različitih aspekata jedne teritorije i analiza različitih teritorija (poređenje teritorija).
Originalnost metode analize teritorije koja je predložena u članku korištenjem „termalnog“ modela leži u korištenju indikatora razvoja teritorije – potencijala, predstavljenih u numeričkom smislu i koji odražavaju stepen uticaja objekta (faktora uticaja) na teritoriju.
Da bi se razumjela suština studije, potrebno je reći nekoliko riječi o samom termičkom potencijalu i dati njegovu fizičku interpretaciju.
U fizici postoje koncepti kao što su polje sile и funkcija sile. Polje sile ima dimenziju energije, funkcija sile ima dimenziju sile.
Za zakon univerzalne gravitacije, polje sile je definisano formulom:
F=k/r2, gdje
k – konstanta;
r – udaljenost između objekata u interakciji.
Funkcija sile ϕ određena je izrazom:
dϕ=-F*dr, gdje
ϕ—potencijal polja sile;
dϕ, dr – diferencijali;
r je rastojanje između objekata u interakciji,
dakle ϕ=k/r.
Fizičko značenje potencijala polja sila ϕ je rad E koji izvrši polje sila dok prolazi određenu putanju. U slučaju zakona univerzalne gravitacije, kada se udaljenost do objekta promijeni od r2 do r1, funkcija sile je određena formulom
E=k*(1/r1-1/r2), gdje je
E je rad koji izvrši polje sile dok prolazi određenu putanju;
r1, r2 – početni i krajnji položaj objekta.
Za zadatak analize teritorije, uticaj objekata (faktora) na teritoriju može se posmatrati kao sila (funkcija snage), a stepen razvijenosti teritorije kao ukupni termalni potencijal (polje sile) od svih objekata (faktora). U problemima fizike, termalni potencijal je temperatura, au problemima analize teritorije korištenjem “termalnog” modela, potencijal predstavlja ukupni utjecaj svih faktora utjecaja na tačku na teritoriji.
Prostorni podaci se sastoje od tačaka, linija i poligona. Za izračunavanje potencijala, prošireni prostorni podaci se dijele na male fragmente. Za svaki fragment, potencijal iz tačke se izračunava sa množiteljem jednakim veličini fragmenta objekta (faktora).
Podaci su podijeljeni u semantičke grupe po principu bliske sličnosti. Na primjer, trgovinski objekti se kombiniraju po proizvodu. Postoje grupe šumskih objekata, vodnih tijela, naselja, transportnih stajališta itd. Grupe ujedinjene po značenju predstavljaju faktor. Prošavši kroz sve objekte (faktore), dobijamo skup termičkih potencijala pogodnih za dalju obradu.
Korištenje potencijala („toplotnih karata“) omogućava vam prelazak sa prostornih podataka na „termalne“ slike objekata (faktora) utjecaja na teritoriju (vizualizacija potencijala). Takav prelaz omogućava da se utvrdi stepen prisustva faktora na svakoj tački teritorije i izvrši dalja analiza, tj. prikazati različite pravce razvoja grada u boji. Tako dobijamo sjaj različitog intenziteta za svaku tačku teritorije.
U nastavku su prikazani primjeri "termalnih" slika teritorije Nižnjeg Novgoroda u kontekstu nekoliko faktora.
„Termalna“ karta Nižnjeg Novgoroda, koja odražava faktor „lanca ljekarni“.
Karta "topline" Nižnjeg Novgoroda, koja odražava faktor "Poliklinike za odrasle"
"Termalna" karta Nižnjeg Novgoroda, koja odražava faktor "dječije klinike"
"Termalna" karta Nižnjeg Novgoroda, koja odražava faktor "Industrijske zone"
„Termičke“ slike teritorije omogućavaju određivanje koncentracije potencijala različitih objekata uticaja. Zatim je potrebno objediniti dobijene potencijale u integralnu karakteristiku koja omogućava procjenu teritorije na osnovu velikog broja faktora. Ovo zahtijeva metodu koja vam omogućava da analizirate veliku količinu informacija, prepoznate objekte, a također i smanjite dimenziju podataka, gubeći najmanju količinu informacija. Jedna od ovih metoda je analiza glavnih komponenti (PCA). Više detalja o ovoj metodi možete pronaći u .
Suština metode je pronaći linearnu kombinaciju početnih parametara koja se najjače mijenja u području analize. Za prostorne podatke – najjače se mijenja na teritoriji.
Metoda glavne komponente identificira objekte (faktore) koji se najjače mijenjaju na teritoriji. Kao rezultat metode pojavljuju se nove varijable - glavne komponente, koje su informativnije u odnosu na originalne podatke, uz pomoć kojih je lakše analizirati, opisati i vizualizirati teritorij na kojem je lakše graditi modele. .
Glavne komponente su analitički izrazi - zbir potencijala početnih faktora sa određenim koeficijentima. Međutim, ako bilo koji faktor ima značajan uticaj na teritoriju, ali se ne mijenja na cijeloj analiziranoj teritoriji, metoda glavne komponente neće uključiti ovaj faktor u sastav glavnih komponenti.
Glavne komponente su poređane u opadajućem redosledu informacija – tj. šireći se po celoj teritoriji. Prve glavne komponente nose znatno više informacija od pojedinačnih faktora i dobro opisuju teritoriju. Po pravilu, kada se koristi oko stotinu faktora, prva glavna komponenta nosi oko 50% svih informacija (varijanse) za teritoriju. Glavne komponente nisu u korelaciji jedna s drugom i mogu se koristiti za modele kao karakteristike teritorije u svakoj tački.
Glavna komponenta, kao neki apstraktno izračunati pokazatelj teritorije, nema jasan naziv i klasifikaciju. Međutim, skup faktora koji su u snažnoj korelaciji sa glavnom komponentom omogućava nam da tumačimo glavne komponente. U pravilu, sljedeći faktori koreliraju sa glavnim komponentama:
— stepen razvijenosti infrastrukture;
— transportna komponenta teritorije;
— klimatske zone;
— stepen razvoja poljoprivrede;
— ekonomski potencijal teritorije.
Dalja analiza, uključujući grupisanje, nastavlja se sa prvih nekoliko značajnih glavnih komponenti.
Na slikama možete vidjeti grafički prikaz prvih glavnih komponenti na teritoriji nekoliko gradova Ruske Federacije.
Prva glavna komponenta koja karakteriše nivo razvoja urbane infrastrukture u Nižnjem Novgorodu
Prva glavna komponenta koja karakteriše nivo razvoja urbane infrastrukture u Jekaterinburgu
Prva glavna komponenta koja karakteriše nivo razvoja urbane infrastrukture u Kazanju
Prva glavna komponenta koja karakteriše nivo razvoja urbane infrastrukture u Permu
Prva glavna komponenta koja karakteriše nivo razvoja urbane infrastrukture u Samari
Prva glavna komponenta koja karakteriše nivo razvoja urbane infrastrukture u Habarovsku
Integralne karakteristike: grupisanje
Dalja faza rada na analizi teritorije je traženje zona urbane sredine koje su po kvalitetu homogene. Ova pretraga se zasniva na analizi vrijednosti glavnih komponenti na svakoj tački teritorije. Problem traženja ovih homogenih zona može se riješiti klasterizacijom – procesom grupisanja teritorija po principu blizine skupa karakteristika.
Grupisanje teritorija ima dva cilja:
— stvaranje bolje percipirane vizualizacije teritorije;
— dodjela područja za sastavljanje pojedinačnih modela.
Teritorije su grupisane u skladu sa odabranim faktorima za analizu. Ovi faktori mogu biti faktori koji utiču na cene ili faktori koji opisuju neki aspekt razvoja teritorije, na primer, socijalna sfera.
Postoje dvije uobičajene klasične metode grupiranja: metoda K-srednjih vrijednosti i metoda dendrograma. U radu s teritorijama dobro se pokazala metoda K-means, čija je karakteristika "rast" klastera dodavanjem novih objekata na tačke rasta. Prednost metode K-means leži u sličnosti njenog rada sa prirodnim procesom formiranja teritorije: integracija sličnih, a ne razdvajanje različitih.
K-means metoda je korištena za proračune za Nižnji Novgorod (slika ispod).
Usklađenost klastera sa nivoom razvoja teritorije na primjeru Nižnjeg Novgoroda
Predloženim pristupom moguće je dobiti pregled teritorije na različite teme. Teme koje nas zanimaju mogu biti, na primjer, stepen razvijenosti urbane infrastrukture, nivo „elitnosti“ teritorije, stepen kulturnog razvoja, socijalna komponenta razvoja teritorije. Ove teme su loše definisani integralni koncepti i sastoje se od mnogo međusobno povezanih faktora.
Koristeći neki algoritam za odabir parametara za analizu (uključujući i uključivanje stručnjaka), dobit ćemo tematske karte koje daju predstavu o jednom aspektu razvoja teritorija.
Pod integralnim karakteristikama se podrazumijevaju prve glavne komponente, prvenstveno najinformativnija prva glavna komponenta, te grupisanje teritorije prema odabranim parametrima.
Tematske karte prvih glavnih komponenti za različite aspekte razvoja prikazane su na slikama ispod.
Tematska karta "Kulturni objekti" na primjeru Nižnjeg Novgoroda
Tematska karta "Socijalna sfera" na primjeru Nižnjeg Novgoroda
Integralne karakteristike omogućavaju razumijevanje karakteristika teritorije koristeći mnoge faktore uz minimalan gubitak informacija.
U zaključku, još jednom treba napomenuti da je analiza teritorija danas izuzetno važna faza u rješavanju problema razvoja urbane sredine, odabiru mjesta za ulaganje u izgradnju, pronalaženju najpovoljnije lokacije za nove objekte i druge zadatke.
Metoda analize teritorije koja je predložena u članku korištenjem „termalnog“ modela od faktora različite prirode nije kritična za skup faktora, odnosno ne nameće ograničenja niti zahtjeve za početne informacije.
Raznolikost i redundantnost izvornih informacija, kao i mogućnost korištenja otvorenih podataka, pruža neograničeni izgledi za analizu bilo koje teritorije sveta.
U sljedećim publikacijama posvećenim problemima teritorijalne analize planiramo otkriti karakteristike kompajliranja modela korištenjem glavnih komponenti i metoda za njihovu implementaciju za takve zadatke kao što su:
— odabir najbolje lokacije prilikom postavljanja novog objekta;
— izrada cjenovne površine za određenu kategoriju objekata po tržišnoj vrijednosti;
- procjena rentabilnosti određene vrste djelatnosti u zavisnosti od lokacije objekata.
U planu je i predstavljanje metoda za obrnuti prijelaz sa glavnih komponenti na faktore, što zauzvrat omogućava da se dobije model od faktora za datu teritoriju.
izvor: www.habr.com