Un exemple de càlcul del potencial tèrmic per a una xarxa de carrers a Nizhny Novgorod
El territori de la ciutat és un sistema complex, heterogeni, en constant canvi. Podeu descriure el territori i valorar l'entorn urbà mitjançant objectes espacials (factors). Els factors que descriuen el territori es diferencien per la naturalesa de la seva influència (positiva, negativa) i la configuració geomètrica (punts, línies, polígons).
Sovint és bastant difícil determinar el grau d'influència de cada objecte individual sobre el nivell de desenvolupament del territori en el seu conjunt o qualsevol aspecte concret d'aquest. Avui dia, el problema de definir i descriure conceptes com “cultura”, “àmbit social”, “tensió social”, “bona vida”, “desenvolupament econòmic”, “salut de la població” és cada cop més rellevant. L'ambigüitat d'aquests conceptes augmenta si volem aplicar-los a diferents grups socials, poblacions de diferents edats i gèneres.
A més, cal assenyalar que els límits de la ciutat en el concepte modern són força arbitraris. La migració diària de la població, l'accessibilitat al transport de zones allunyades "desdibuixa encara més la frontera" de la ciutat. El concepte d'aglomeració, ara molt utilitzat, reflecteix generalment els límits de la ciutat, però al mateix temps fa que el concepte mateix del límit de la ciutat sigui encara més vague.
Malgrat els problemes descrits anteriorment, l'anàlisi i valoració dels territoris avui dia es troben entre les àrees més prometedores i interessants que permeten resoldre molts problemes urgents de l'entorn urbà.
L'article proposa a consideració un mètode per analitzar el territori mitjançant un model “tèrmic”. Aquest mètode es basa en l'estudi de potencials creats per objectes (factors) de diversa naturalesa (punt, lineal i àrea). L'anàlisi del territori mitjançant aquest mètode permet passar d'un conjunt de dades espacials (factors) que descriuen el territori a una valoració numèrica (puntuació) precisa a cada punt del territori.
Els potencials estudiats com a part de l'anàlisi del territori tenen una interpretació física - propagació de calor en ambients de diferents dimensions (2D, 3D). Aquest fenomen es pot representar en forma d'imatges "tèrmiques" (mapes de "calor" del territori), donant una idea del grau de desenvolupament del territori en funció de la intensitat del color de la imatge.
Factors del territori
L'anàlisi del territori consisteix a buscar i processar informació sobre els factors que influeixen en el territori i els seus indicadors. Els factors d'influència són objectes que influeixen en el territori circumdant i tenen un conjunt de característiques i coordenades espacials. Alguns exemples de factors d'influència inclouen botigues, instal·lacions industrials, carreteres, boscos i masses d'aigua.
Els indicadors d'influència són objectes reflexiu influència dels objectes i també amb un conjunt de característiques i coordenades espacials. Exemples d'indicadors d'influència: caixers automàtics, tanques publicitàries, monuments.
En la presentació següent utilitzarem el concepte de factors d'influència, que combina els dos termes: factors i indicadors d'influència.
A continuació es mostra un exemple de dades espacials que actuen com a factors d'influència.
Una de les etapes importants de la realització del treball d'anàlisi de territoris és l'etapa de recollida i tractament de la informació inicial. Avui dia hi ha molta informació sobre els factors que influeixen en el territori de diferents graus de detall.
La informació es pot obtenir de fonts obertes o fonts restringides. En molts casos, la informació oberta és suficient per a l'anàlisi, tot i que, per regla general, requereix un processament força intensiu.
Entre les fonts obertes, el líder, al nostre parer, és el recurs OpenStreetMap (OSM). La informació obtinguda d'aquesta font s'actualitza diàriament arreu del món.
La informació de recursos d'OpenStreetMap (OSM) es presenta en els formats següents:
- Format OSM. El format principal amb l'extensió ".osm" s'utilitza per descriure imatges gràfiques XML: nodes, camins, relacions.
- “Format polonès”. El format de text amb l'extensió “.mp” s'utilitza per treballar amb gràfics.
- Format PBF. Format d'emmagatzematge de dades amb l'extensió “.osm.pbf”.
També podeu utilitzar les següents fonts d'informació:
- 2 GIS
El recurs conté informació processada mensualment d'alta qualitat, amb un excel·lent classificador de 3 nivells per a empreses i organitzacions.
- Fitxers KML (Keyhole Markup Language).
Els fitxers KML (Keyhole Markup Language) són un format de fitxer que s'utilitza per mostrar dades geogràfiques a Google Earth, Google Maps i Google Maps per a dispositius mòbils.
Amb fitxers KML podeu:
- instal·leu diverses icones i feu signatures per indicar llocs a la superfície de la Terra
— Creeu diferents angles per als objectes seleccionats canviant la posició de la càmera
- Utilitzeu diferents imatges de superposició
— definir estils per personalitzar la visualització d'un objecte, aplicar codi HTML per crear hiperenllaços i imatges en línia
— Utilitzar carpetes per a l'agrupació jeràrquica d'elements
— rebre i actualitzar fitxers KML de forma dinàmica des de nodes de xarxa locals o remots
- Rebre dades KML segons els canvis al visor XNUMXD
- Servei Federal de Registre Estatal, Cadastre i Cartografia "Rosreestr"
La informació del portal Rosreestr és valuosa pel seu contingut i rellevància, però, malauradament, no permet obtenir gratuïtament gràfics per a projectes de construcció d'immobles i solars. El portal Rosreestr també conté una gran quantitat d'informació d'accés restringit.
- Organismes estadístics
Les dades estadístiques són una font legítima d'informació sobre el territori, però, a dia d'avui, les dades dels organismes estadístics només estan disponibles per a un determinat nombre d'indicadors, principalment en els informes dels organismes estadístics i els informes de les autoritats regionals.
- Sistemes d'informació de les autoritats
La informació d'alta qualitat es troba als sistemes d'informació governamentals, però només una petita part es publica en el domini públic i està disponible per a l'anàlisi.
La realització d'una anàlisi de territoris no imposa cap requisit específic a la composició de la informació; de fet, es pot utilitzar tot el que s'ha trobat; la informació de fonts obertes sol ser intercanviable. Tanmateix, cal assenyalar que fins i tot la informació obtinguda només del recurs OSM és suficient per fer una anàlisi del territori desconegut.
Anàlisi del territori mitjançant un model “tèrmic”. Interpretació física de potencials
Com s'ha esmentat anteriorment, l'anàlisi del territori és avui un tema candent i una potent eina per a l'atracció raonada d'inversions en el desenvolupament d'infraestructures en diversos entorns urbans.
La varietat de problemes resolts mitjançant l'anàlisi del territori es pot combinar en diverses àrees principals:
— Obtenció de la valoració més interpretable i detallada del territori en cada punt.
En resoldre el problema, podeu obtenir un conjunt de punts a cada punt del territori, donant una idea del nivell de desenvolupament del territori en general, així com en una determinada àrea temàtica. Aquesta temàtica podria ser, per exemple, cultura, indústria, comerç, etc.
— Determinar els llocs més avantatjoses per col·locar objectes d'inversió d'un determinat tipus (per exemple, bancs, botigues especialitzades, centres comercials i d'entreteniment, etc.) al territori seleccionat.
— Anàlisi de l'ús més efectiu del territori.
Aquesta direcció permet un estudi detallat de les característiques del territori, la situació del mercat que s'ha desenvolupat al territori objecte d'estudi, i la identificació d'opcions populars.
— Determinació de la contribució d'un factor al model de costos, a partir de l'exemple de l'aparició de noves vies i noves vies.
— Anàlisi de diferents aspectes d'un territori i anàlisi de diferents territoris (comparació de territoris).
L'originalitat del mètode d'anàlisi del territori proposat a l'article amb el model "tèrmic" rau en l'ús d'indicadors de desenvolupament del territori - potencials, presentats en termes numèrics i que reflecteixen el grau d'influència de l'objecte (factor d'influència) sobre el territori.
Per entendre l'essència de l'estudi, cal dir unes paraules sobre el potencial tèrmic en si i donar-ne la interpretació física.
En física hi ha conceptes com camp de força и funció de força. El camp de força té la dimensió de l'energia, la funció de força té la dimensió de la força.
Per a la llei de la gravitació universal, el camp de força es defineix per la fórmula:
F=k/r2, on
k - constant;
r – distància entre objectes que interactuen.
La funció de força ϕ ve determinada per l'expressió:
dϕ=-F*dr, on
ϕ—potencial de camp de força;
dϕ, dr – diferencials;
r és la distància entre objectes que interactuen,
per tant ϕ=k/r.
El significat físic del potencial del camp de força ϕ és el treball E realitzat pel camp de força mentre passa un determinat camí. En el cas de la llei de la gravitació universal, quan la distància a un objecte canvia de r2 a r1, la funció de força ve determinada per la fórmula
E=k*(1/r1-1/r2), on
E és el treball realitzat pel camp de força mentre passa un determinat camí;
r1, r2 - posició inicial i final de l'objecte.
Per a la tasca d'analitzar un territori, la influència dels objectes (factors) sobre el territori es pot considerar com una força (funció de potència), i el nivell de desenvolupament del territori com a potencial tèrmic total (camp de força) de tots els objectes (factors). En problemes de física, el potencial tèrmic és la temperatura, i en problemes d'anàlisi del territori mitjançant un model "tèrmic", el potencial representa l'impacte total de tots els factors que influeixen en un punt del territori.
Les dades espacials consisteixen en punts, línies i polígons. Per calcular potencials, les dades espacials esteses es divideixen en petits fragments. Per a cada fragment, el potencial del punt es calcula amb un multiplicador igual a la mida del fragment de l'objecte (factor).
Les dades es divideixen en grups semàntics basats en el principi de semblança estreta. Per exemple, els objectes comercials es combinen per producte. Hi ha grups d'objectes forestals, masses d'aigua, assentaments, parades de transport, etc. Els grups units pel significat representen un factor. Després d'haver passat per tots els objectes (factors), obtenim un conjunt de potencials tèrmics adequats per a un posterior processament.
L'ús de potencials (“mapes de calor”) permet passar de dades espacials a imatges “tèrmiques” d'objectes (factors) d'influència sobre el territori (visualització de potencials). Aquesta transició permet determinar el grau de presència del factor a cada punt del territori i realitzar anàlisis posteriors, és a dir. mostrar diferents direccions de desenvolupament de la ciutat en color. Així, obtenim un resplendor d'intensitat variable per a cada punt del territori.
A continuació es presenten exemples d'imatges "tèrmiques" del territori de Nizhny Novgorod en el context de diversos factors.
Mapa "tèrmic" de Nizhny Novgorod, que reflecteix el factor "cadena de farmàcia".
Mapa de "calor" de Nizhny Novgorod, que reflecteix el factor "Policlíniques per a adults"
Mapa "tèrmic" de Nizhny Novgorod, que reflecteix el factor "clíniques infantils"
Mapa "tèrmic" de Nizhny Novgorod, que reflecteix el factor "Zones industrials"
Les imatges "tèrmiques" del territori permeten determinar la concentració de potencials de diversos objectes d'influència. A continuació, cal combinar les potencialitats obtingudes en una característica integral que permeti una valoració del territori a partir d'un gran nombre de factors. Això requereix un mètode que permeti analitzar una gran quantitat d'informació, reconèixer objectes i, a més, reduir la dimensió de les dades, perdent la menor quantitat d'informació. Un d'aquests mètodes és l'anàlisi de components principals (PCA). Podeu trobar més detalls sobre aquest mètode a .
L'essència del mètode és trobar una combinació lineal de paràmetres inicials que canviï més fortament a l'àrea d'anàlisi. Per a les dades espacials: el que més canvia al territori.
El mètode del component principal identifica els objectes (factors) que canvien més fortament al territori. Com a resultat del mètode, apareixen noves variables: els components principals, que són més informatius en comparació amb les dades originals, amb l'ajuda de les quals és més fàcil analitzar, descriure i visualitzar el territori, sobre els quals és més fàcil construir models. .
Els components principals són expressions analítiques: la suma dels potencials dels factors inicials amb certs coeficients. Tanmateix, si algun factor té un impacte significatiu en el territori, però no canvia en tot el territori analitzat, el mètode dels components principals no inclourà aquest factor en la composició dels components principals.
Els components principals s'ordenen en ordre descendent d'informació, és a dir. estenent-se per tot el territori. Els primers components principals porten molt més informació que els factors individuals i descriuen bé el territori. Com a regla general, quan s'utilitzen uns cent factors, el primer component principal porta al voltant del 50% de tota la informació (variància) per al territori. Els components principals no es correlacionen entre si i es poden utilitzar per a models com a característiques del territori en cada punt.
El component principal, com a indicador calculat abstractament del territori, no té un nom i una classificació clars. Tanmateix, un conjunt de factors que estan fortament correlacionats amb el component principal ens permet interpretar els components principals. Com a regla general, els factors següents es correlacionen amb els components principals:
— nivell de desenvolupament de la infraestructura;
— component de transport del territori;
- zones climàtiques;
— nivell de desenvolupament agrícola;
— potencial econòmic del territori.
L'anàlisi més detallada, inclosa la agrupació, procedeix amb els primers components principals significatius.
A les figures es pot veure una representació gràfica dels primers components principals al territori de diverses ciutats de la Federació Russa.
El primer component principal que caracteritza el nivell de desenvolupament de la infraestructura urbana a Nizhny Novgorod
El primer component principal que caracteritza el nivell de desenvolupament de la infraestructura urbana a Iekaterinburg
El primer component principal que caracteritza el nivell de desenvolupament de la infraestructura urbana a Kazan
El primer component principal que caracteritza el nivell de desenvolupament de la infraestructura urbana a Perm
El primer component principal que caracteritza el nivell de desenvolupament de la infraestructura urbana a Samara
El primer component principal que caracteritza el nivell de desenvolupament de la infraestructura urbana a Khabarovsk
Característiques integrals: agrupació
L'etapa posterior del treball d'anàlisi del territori és la recerca de zones de l'entorn urbà de qualitat homogènia. Aquesta recerca es basa en l'anàlisi dels valors dels components principals en cada punt del territori. El problema de la recerca d'aquestes zones homogènies es pot resoldre mitjançant l'agrupació, el procés d'agrupació de territoris basat en el principi de proximitat d'un conjunt de característiques.
La agrupació territorial té dos objectius:
— crear una millor visualització del territori;
— Assignació d'àrees per a la compilació de models individuals.
Els territoris s'agrupen d'acord amb els factors seleccionats per a l'anàlisi. Aquests factors poden ser factors que influeixen en els preus o factors que descriuen algun aspecte del desenvolupament del territori, per exemple, l'àmbit social.
Hi ha dos mètodes d'agrupació clàssics comuns: el mètode K-means i el mètode dendrograma. Quan es treballa amb territoris, el mètode K-means s'ha demostrat bé, la característica del qual és el "creixement" d'un clúster afegint nous objectes als punts de creixement. L'avantatge del mètode K-means rau en la similitud del seu treball amb el procés natural de formació del territori: integració de similars, més que separació de diferents.
Per als càlculs de Nizhny Novgorod es va utilitzar el mètode K-means (figura següent).
Compliment dels clústers amb el nivell de desenvolupament del territori utilitzant l'exemple de Nizhny Novgorod
Amb l'enfocament proposat, és possible obtenir una visió general del territori sobre diversos temes. Els temes que ens interessen poden ser, per exemple, el nivell de desenvolupament de les infraestructures urbanes, el nivell d'“elit” del territori, el nivell de desenvolupament cultural, el component social del desenvolupament del territori. Aquests temes són conceptes integrals mal definits i consten de molts factors interrelacionats.
Mitjançant algun algorisme de selecció de paràmetres per a l'anàlisi (inclòs amb la participació d'experts), obtindrem mapes temàtics que donen una idea d'un aspecte del desenvolupament del territori.
Les característiques integrals s'entenen com els primers components principals, principalment el primer component principal més informatiu, i l'agrupació del territori segons els paràmetres seleccionats.
A les figures següents es presenten mapes temàtics dels primers components principals per a diversos aspectes del desenvolupament.
Mapa temàtic "Objectes culturals" amb l'exemple de Nizhny Novgorod
Mapa temàtic "Àmbit social" amb l'exemple de Nizhny Novgorod
Les característiques integrals permeten entendre les característiques d'un territori utilitzant molts factors amb una pèrdua mínima d'informació.
En conclusió, val la pena remarcar una vegada més que avui l'anàlisi dels territoris és una etapa extremadament important per resoldre els problemes de desenvolupament de l'entorn urbà, escollir llocs per invertir en construcció, trobar la ubicació més avantatjosa per a nous equipaments i altres tasques.
El mètode d'anàlisi del territori proposat a l'article utilitzant un model “tèrmic” a partir de factors de diferent naturalesa no és crític per al conjunt de factors, és a dir, no imposa restriccions ni requisits a la informació inicial.
La diversitat i la redundància de la informació font, així com l'oportunitat d'utilitzar dades obertes, ofereix perspectives il·limitades per analitzar qualsevol territori pau.
En les següents publicacions dedicades a la problemàtica de l'anàlisi territorial, pretenem revelar les característiques de la compilació de models utilitzant components i mètodes principals per a la seva implementació per a tasques com:
— triar la millor ubicació quan col·loqueu un objecte nou;
— construcció d'una superfície de preu per a una determinada categoria d'objectes utilitzant el valor de mercat;
- avaluació de la rendibilitat d'un determinat tipus d'activitat en funció de la ubicació dels objectes.
També es preveu presentar mètodes per a la transició inversa de components principals a factors, que al seu torn permeten obtenir un model a partir de factors per a un territori determinat.
Font: www.habr.com