Příklad výpočtu tepelných potenciálů pro venkovní síť města Nižní Novgorod
Území města je složitý, heterogenní systém, který se neustále mění. Území lze popsat a hodnotit městské prostředí pomocí prostorových objektů (faktorů). Faktory popisující území se liší charakterem vlivu (kladné, záporné) a geometrickou konfigurací (body, linie, polygony).
Často je obtížné určit míru vlivu každého jednotlivého objektu na úroveň rozvoje území jako celku nebo na nějaký jeho specifický aspekt. V současnosti se problém určování a popisu takových pojmů jako „kultura“, „sociální sféra“, „sociální napětí“, „kvalitní život“, „ekonomický rozvoj“ a „zdraví obyvatelstva“ stává stále aktuálnějším. Nejednoznačnost těchto pojmů se zvyšuje, pokud je chceme aplikovat na různé sociální skupiny, obyvatelstvo různého věku a pohlaví.
Také je třeba poznamenat, že hranice města v moderním pojetí jsou dost relativní. Denní migrace obyvatelstva a dopravní dostupnost vzdálených oblastí ještě více „rozmazávají hranici“ města. Široce používaný pojem aglomerace v zásadě odráží hranice města, ale zároveň dělá samotný pojem hranice města ještě více vágním.
Navzdory výše popsaným problémům jsou analýza a hodnocení území v současnosti jedním z perspektivních a zajímavých směru, které umožňuje řešit mnohé aktuální úkoly městského prostředí.
Článek navrhuje k projednání metodu analýzy území s využitím „tepelný“ model. Základem této metody je zkoumání potenciálů vytvářených objekty (faktory) různé povahy (bodové, liniové a plošné). Analýza území pomocí této metody umožňuje přejít od souboru prostorových dat (faktorů), které popisují území, k přesnému číselnému (bodovému) hodnocení v každém bodě území.
Analyzované v rámci teritoriální analýzy potenciály mají fyzickou interpretaci – šíření tepla v prostředích různé dimenze (2D, 3D). Tento jev lze představit ve formě „tepelných“ obrazů („tepelných“ map území), které poskytují představu o stupni rozvoje území v závislosti na intenzitě barvy obrazu.
Faktory území
Analýza území zahrnuje hledání a zpracování informací o vlivových faktorech na území a o jejich indikátorech. Vlivovými faktory jsou objekty, které ovlivňují okolní území a mají soubor charakteristik a prostorových souřadnic. Příklady vlivových faktorů mohou zahrnovat obchody, průmyslové objekty, silnice, lesy, vodní objekty.
Indikátory vlivu jsou objekty, odrážející vliv objektů a také mají soubor charakteristik a prostorových souřadnic. Příklady indikátorů vlivu: bankomaty, reklamní billboardy, památníky.
V dalším textu budeme používat pojem vlivové faktory, který zahrnuje oba termíny – faktory a indikátory vlivu.
Níže uvádíme příklad prostorových dat, která představují vlivové faktory.
Jedním z důležitých kroků v procesu analýzy území je fáze sběru a zpracování vstupních informací. Dnes je k dispozici mnoho informací o vlivových faktorech na území různé míry podrobnosti.
Informace mohou být získány z otevřených zdrojů nebo zdrojů s omezeným přístupem. V mnoha případech je otevřených informací dostatečně pro analýzu, ačkoliv zpravidla vyžadují poměrně pracné zpracování.
Mezi otevřenými zdroji je podle našeho názoru lídrem zdroj – OpenStreetMap (OSM). Informace získávané z tohoto zdroje jsou aktualizovány denně po celém světě.
Informace ze zdroje OpenStreetMap (OSM) jsou prezentovány v následujících formátech:
— OSM formát. Hlavní formát s příponou „.osm“ se používá k popisu grafických obrazů XML – uzly, cesty, vztahy.
— „Polský formát“. Textový formát s příponou „.mp“ se používá pro práci s grafikou.
— PBF formát. Formát pro ukládání dat s příponou „.osm.pbf“.
Jako zdroje informací lze také použít:
— 2GIS
Tento zdroj obsahuje kvalitní, měsíčně zpracovávané informace s vynikajícím 3úrovňovým klasifikátorem pro podniky a organizace.
— Soubory KML (Keyhole Markup Language)
Soubory KML (Keyhole Markup Language) jsou formát souborů, který se používá k zobrazení geografických dat v aplikacích Google Earth, Google Maps a Google Maps pro mobilní zařízení.
Pomocí souborů KML můžete:
— nastavovat různé ikony a vytvářet popisky pro označení míst na povrchu Země
— vytvářet různé úhly pohledu pro vybrané objekty, měněním polohy kamery
— používat různá překrývající se obrázky
— definovat styly pro přizpůsobení zobrazení objektu, používat HTML kód pro vytváření hypertextových odkazů a integrovaných obrázků
— používat složky pro hierarchické seskupování prvků
— dynamicky získávat a aktualizovat soubory KML z vzdálených nebo lokálních sítí
— získávat data KML v souladu se změnami v prostředku pro 3D zobrazení
— Federální služba státní registrace, katastru a kartografie "Rosreestr"
Informace na portálu Rosreestr jsou cenné svým obsahem a aktuálností, avšak bohužel nenabízejí možnost získávat grafiku k objektům kapitálového stavebnictví a pozemkům na bezplatném základě. Portál Rosreestr také obsahuje velké množství informací s omezeným přístupem.
— Statistické úřady
Statistická data – legitimní zdroj informací o území, nicméně k dnešnímu dni jsou data z statistických úřadů dostupná pouze pro určité ukazatele, většinou ve zprávách statistických úřadů a zprávách regionálních úřadů.
— Informační systémy státních orgánů
Kvalitní informace se nacházejí v informačních systémech státních orgánů, avšak pouze malá část z nich je publikována v otevřeném přístupu a je dostupná pro analýzu.
Provedení analýzy území neklade žádné specifické požadavky na složení informací, v podstatě lze použít vše, co se podařilo nalézt, informace z otevřených zdrojů jsou obvykle zaměnitelné. Je však třeba poznamenat, že i jedna jediná informace získaná z OSM stačí k provedení analýzy neznámého území.
Analýza území pomocí „tepelného“ modelu. Fyzická interpretace potenciálů.
Jak již bylo zmíněno dříve, analýza území je dnes aktuálním tématem a silným nástrojem pro argumentované přitahování investic do rozvoje infrastruktury různých městských prostředí.
Různorodost úkolů řešených pomocí provádění analýzy území lze sloučit do několika hlavních směrů:
— Získání co nejvíce interpretovatelného a podrobného hodnocení území v každém jeho bodě.
Řešením stanoveného úkolu lze získat soubor bodových hodnocení v každém bodě území, který poskytuje představu o úrovni rozvoje území jako celku, stejně jako v některé specifické oblasti. Takovou specifickou oblastí může být například kultura, průmysl, obchod atd.
— Určení nejvýhodnějších míst pro umístění investičních objektů určitého typu (například bank, specializovaných obchodů, nákupně-zábavních center atd.) na vybraném území.
— Analýza nejúčinnějšího využití území.
Tento směr umožňuje provádět podrobné zkoumání charakteristik území, tržní situace, která se formuje v prozkoumaném území, a identifikaci poptávaných variant.
— Určení příspěvku jednoho faktoru do modelu ceny, na příkladu vzniku nových silnic a nových tras.
— Analýza různých aspektů jednoho území a analýza různých území (srovnání území).
Originalita navrhované metody analýzy území v článku pomocí „tepelného“ modelu spočívá v používání ukazatelů rozvoje území — potenciálů, vyjádřených číselně a odrážejících míru vlivu objektu (faktoru vlivu) na území.
Pro pochopení podstaty výzkumu je třeba říct pár slov o samotném tepelném potenciálu a poskytnout jeho fyzickou interpretaci.
Ve fyzice existují takové pojmy jako síly pole a sílová funkce. Sílové pole má dimenzi energie, sílová funkce – dimenzi síly.
Pro Newtonův zákon gravitační síly je sílové pole definováno vzorcem:
F=k/r2, kde
k – konstanta;
r – vzdálenost mezi vzájemně působícími objekty.
Sílová funkce ϕ je určena výrazem:
dϕ=-F*dr, kde
ϕ — potenciál sílového pole;
dϕ, dr – diferenciály;
r — vzdálenost mezi vzájemně působícími objekty,
následně ϕ=k/r.
Fyzikální smysl potenciálu sílového pole ϕ – to je práce E, kterou sílové pole vykoná při pohybu určitou vzdáleností. V případě Newtonova zákona gravitace při změně vzdálenosti od objektu od r2 do r1 je sílová funkce určena vzorcem
E=k*(1/r1-1/r2), kde
E – práce, kterou sílové pole vykonává při pohybu určitou vzdáleností;
r1, r2 – počáteční a konečné umístění objektu.
Pro úkol analýzy území lze vliv objektů (faktorů) na území považovat za sílu (sílová funkce), a úroveň rozvoje území jako celkový tepelný potenciál (síly pole) ze všech objektů (faktorů). V úlohách fyziky je tepelný potenciál teplota, a v úlohách analýzy území s použitím „tepelným“ modelem potenciál představuje celkový vliv všech faktorů na bod území.
Prostorová data představují body, linie, polygony. Pro výpočet potenciálů se podélná prostorová data rozdělí na malé fragmenty. Pro každý fragment se vypočítává potenciál z bodu se součinitelem odpovídajícím velikosti fragmentu objektu (faktoru).
Data se dělí na smyslové skupiny na základě blízké podobnosti. Například, objekty obchodu jsou seskupeny podle zboží. Existují skupiny lesních objektů, vodních objektů, osídlených míst, zastávek dopravy atd. Seskupená podle smyslu skupiny představují faktor. Procházením všemi objekty (faktory) získáváme soubor tepelných potenciálů, které jsou vhodné pro další zpracování.
Využití potenciálů („teplotních map“) umožňuje přechod od prostorových dat k „teplotním“ obrazům objektů (faktorů) ovlivňujících území (vizualizace potenciálů). Tento přechod dává možnost určit míru přítomnosti faktoru v každém bodě území a provádět další analýzu, tj. zobrazit různé směry rozvoje města v barvě. Takto získáme záření různé intenzity pro každý bod území.
Příklady „teplotních“ obrazů území města Nižního Novgorodu z pohledu několika faktorů jsou uvedeny níže.
„Teplotní“ mapa města Nižního Novgorodu, odrážející faktor „Léková síť“
„Teplotní“ mapa města Nižního Novgorodu, odrážející faktor „Polikliniky pro dospělé“
„Teplotní“ mapa města Nižního Novgorodu, odrážející faktor „Dětské polikliniky“
„Teplotní“ mapa města Nižního Novgorodu, odrážející faktor „Průmyslové zóny“
„Teplotní“ obrazy území umožňují určit koncentraci potenciálů od různých objektů vlivu. Dále je nutné spojit získané potenciály do integrační charakteristiky, která umožňuje provést hodnocení území na základě velkého množství faktorů. K tomu je zapotřebí metoda, která umožňuje analyzovat velký objem informací, rozpoznávat objekty a také snížit rozměrnost dat, přičemž ztrácí co nejméně informací. Jednou z takových metod je metoda hlavních komponent (Principal Component Analysis, PCA). Podrobněji o této metodě se můžete dočíst v .
Podstatou metody je nalezení lineární kombinace původních parametrů, která se nejvíce mění v oblasti analýzy. Pro prostorová data – nejvíce se měnící na území.
Metoda hlavních komponent vyčleňuje objekty (faktory), které se nejvíce mění na území. V důsledku práce metody vznikají nové proměnné – hlavní komponenty, které jsou informativnější ve srovnání s původními daty, pomocí kterých je snazší analyzovat, popisovat a vizualizovat území, na základě kterého je jednodušší budovat modely.
Hlavní komponenty představují analytické výrazy – součet potenciálů vstupních faktorů s některými koeficienty. Nicméně, pokud má nějaký faktor významný vliv na území, ale nemění se v analyzované oblasti, metoda hlavních komponent tento faktor do hlavních komponent nezahrne.
Hlavní komponenty jsou seřazeny podle klesající informace – tj. rozložení v území. První hlavní komponenty nesou v sobě podstatně více informací než jednotlivé faktory a dobře popisují území. Obvykle, při použití přibližně sta faktorů, první hlavní komponenta nese asi 50 % všech informací (rozptylu) v území. Hlavní komponenty nekolaborují mezi sebou a mohou být použity pro modely jako charakteristiky území v každém bodě.
Hlavní komponenta, jakožto určitý abstraktně počítaný ukazatel území, nemá jasné pojmenování a klasifikaci. Nicméně, soubor faktorů, které se silně korelují s hlavní komponentou, umožňuje interpretovat hlavní komponenty. Obvykle se s hlavními komponentami korelují následující faktory:
— úroveň rozvoje infrastruktury;
— dopravní složka území;
— klimatické zóny;
— úroveň rozvoje zemědělství;
— ekonomický potenciál území.
Další analýza, včetně clusterizace, probíhá s několika prvními významnými hlavními komponentami.
Na obrázcích lze vidět grafické zobrazení prvních hlavních komponent v teritoriu několika měst Ruské federace.
První hlavní komponenta, charakterizující úroveň rozvoje městské infrastruktury města N. Novgorod.
První hlavní komponenta, charakterizující úroveň rozvoje městské infrastruktury města Jekatěrinburg.
První hlavní komponenta, charakterizující úroveň rozvoje městské infrastruktury města Kazan.
První hlavní komponenta, charakterizující úroveň rozvoje městské infrastruktury města Perm.
První hlavní komponenta, charakterizující úroveň rozvoje městské infrastruktury města Samara.
První hlavní komponenta, charakterizující úroveň rozvoje městské infrastruktury města Chabarovsk.
Integrální vlastnosti: klasifikace
Další fáze práce na analýze území spočívá v hledání zón zastavěného prostředí homogenních co do kvality. Tento proces se zakládá na analýze hodnot hlavních komponent v každém bodě území. Úkol hledání uvedených homogenních zón může být řešen klasifikací – procesem seskupování území podle principu blízkosti souhrnu charakteristik.
Klasifikace území sleduje dva cíle:
— vytvoření lépe vnímané vizualizace území;
— vymezení oblastí pro sestavení jednotlivých modelů.
Území jsou klasifikována v souladu s vybranými faktory pro analýzu. Tyto faktory mohou být faktory ovlivňujícími cenotvorbu nebo faktory popisujícími nějaký aspekt rozvoje území, například sociální sféru.
Existují dvě rozšířené klasické metody klasifikace: metoda K-means a metoda dendrogramu. Při práci s územími se dobře osvědčila metoda K-means, jejíž zvláštností je "pěstování" klastru, připojením k růstovým bodům nových objektů. Výhody metody K-means spočívají v podobnosti její práce s přirozeným procesem formování území: integrace podobných, nikoli rozdělení odlišných.
Metodou K-means byl proveden výpočet pro Nižnij Novgorod (obrázek níže).
Soulad klastrů s úrovní rozvoje území na příkladu města N.Novgorod
Při navrhovaném přístupu lze získat představu o území podle různých témat. Zajímavými tématy pro nás mohou být například úroveň rozvoje městské infrastruktury, úroveň "elitnosti" území, úroveň rozvoje kultury, sociální složka rozvoje území. Tato témata jsou špatně definovanými integrálními pojmy a skládají se z mnoha vzájemně propojených faktorů.
Při určitém algoritmu výběru parametrů pro analýzu (včetně zapojení odborníků) obdržíme tematické mapy, které poskytnou představu o jednom aspektu rozvoje území.
Pod integrálními vlastnostmi rozumíme první hlavní komponenty, přičemž předně nejvíce informativní první hlavní komponentu a klasifikaci území podle vybraných parametrů.
Tematické mapy prvních hlavních komponent podle různých aspektů vývoje jsou znázorněny na obrázcích níže.
Tematická mapa „Objekty kultury“ na příkladu města N. Novgorod
Tematická mapa „Sociální sféra“ na příkladu města N. Novgorod
Integrované charakteristiky umožňují pochopit zvláštnosti území, přičemž operují s mnoha faktory s minimálními ztrátami informací.
Na závěr je třeba opět zdůraznit, že analýza území je v současnosti zásadním krokem při řešení úkolů rozvoje městského prostředí, výběru míst pro investice do výstavby, hledání nejvýhodnějšího umístění nových objektů a dalších úkolů.
Navrhovaná metoda analýzy území s využitím „tepelného“ modelu faktorů různého původu není kritická k souboru faktorů, tzn. neomezuje a neklade požadavky na výchozí informace.
Různorodost a redundantnost výchozích informací, stejně jako možnost využívat otevřené údaje, poskytují neomezené perspektivy pro analýzu jakýchkoli území světa.
V následujících publikacích, věnovaných úkolům analýzy území, plánujeme odhalit zvláštnosti sestavování modelů s využitím hlavních komponent a metody jejich realizace pro úkoly, jako je:
— výběr nejlepšího místa pro umístění nového objektu;
— vytvoření cenové plochy pro konkrétní kategorii objektů s využitím tržní hodnoty;
— hodnocení ziskovosti určitého typu činnosti v závislosti na umístění objektů.
Také plánujeme představit metody zpětného přechodu od hlavních komponent k faktorům, což umožní získat model z faktorů pro dané území.
Zdroj: habr.com
