Příklad výpočtu tepelného potenciálu pro uliční síť v Nižním Novgorodu
Území města je složitý, heterogenní systém, který se neustále mění. Dokážete popsat území a posoudit městské prostředí pomocí prostorových objektů (faktorů). Faktory popisující území se liší charakterem svého vlivu (pozitivní, negativní) a geometrickou konfigurací (body, linie, polygony).
Často je poměrně obtížné určit míru vlivu každého jednotlivého objektu na úroveň rozvoje území jako celku nebo jeho konkrétního aspektu. V dnešní době je stále aktuálnější problém definovat a popsat pojmy jako „kultura“, „sociální sféra“, „sociální napětí“, „dobrý život“, „ekonomický rozvoj“, „zdraví populace“. Nejednoznačnost těchto pojmů se zvyšuje, chceme-li je aplikovat na různé sociální skupiny, populace různého věku a pohlaví.
Také je třeba poznamenat, že hranice města v moderním pojetí jsou zcela libovolné. Každodenní migrace obyvatelstva, dopravní dostupnost odlehlých oblastí ještě více „stírá hranice“ města. Nyní hojně používaný koncept aglomerace obecně odráží hranice města, ale zároveň činí samotný pojem hranice města ještě nejasnějším.
Navzdory výše popsaným problémům dnes analýza a hodnocení území patří mezi nejperspektivnější a nejzajímavější oblasti, které umožňují řešit řadu palčivých problémů městského prostředí.
Článek navrhuje ke zvážení metodu analýzy území pomocí „tepelného“ modelu. Tato metoda je založena na studiu potenciálů vytvářených objekty (faktory) různé povahy (bodové, lineární a plošné). Analýza území touto metodou umožňuje přejít od souboru prostorových dat (faktorů) popisujících území k přesnému numerickému (bodovému) hodnocení v každém bodě území.
Potenciály studované v rámci analýzy území mají fyzikální interpretaci - šíření tepla v prostředí různých dimenzí (2D, 3D). Tento jev lze znázornit ve formě „tepelných“ snímků („tepelných“ map území), které poskytují představu o stupni rozvoje území v závislosti na intenzitě barvy snímku.
Teritoriální faktory
Analýza území zahrnuje vyhledávání a zpracování informací o faktorech ovlivňujících území a jejich ukazatelích. Ovlivňující faktory jsou objekty, které ovlivňují okolní území a mají soubor charakteristik a prostorových souřadnic. Příklady ovlivňujících faktorů zahrnují obchody, průmyslová zařízení, silnice, lesy a vodní plochy.
Indikátory vlivu jsou předměty reflexní vliv objektů a také mající soubor charakteristik a prostorových souřadnic. Příklady indikátorů vlivu: bankomaty, billboardy, památky.
V následující prezentaci použijeme pojem faktory vlivu, který kombinuje oba pojmy – faktory i ukazatele vlivu.
Níže je uveden příklad prostorových dat, která působí jako ovlivňující faktory.
Jednou z důležitých fází provádění prací na analýze území je fáze sběru a zpracování prvotních informací. Dnes existuje mnoho informací o faktorech ovlivňujících území různého stupně podrobnosti.
Informace lze získat z otevřených zdrojů nebo omezených zdrojů. V mnoha případech je pro analýzu dostačující otevřená informace, i když zpravidla vyžaduje poměrně pracné zpracování.
Mezi otevřenými zdroji je podle našeho názoru lídrem zdroj OpenStreetMap (OSM). Informace získané z tohoto zdroje jsou denně aktualizovány po celém světě.
Informace o zdrojích OpenStreetMap (OSM) jsou prezentovány v následujících formátech:
- Formát OSM. Hlavní formát s příponou „.osm“ se používá k popisu grafických obrázků XML – uzlů, cest, vztahů.
- „Polský formát“. Pro práci s grafikou se používá textový formát s příponou „.mp“.
- Formát PBF. Formát úložiště dat s příponou „.osm.pbf“.
Jako zdroje informací můžete použít také následující:
- 2 GIS
Zdroj obsahuje vysoce kvalitní, měsíčně zpracovávané informace s vynikajícím 3úrovňovým klasifikátorem pro podniky a organizace.
- soubory KML (Keyhole Markup Language).
Soubory KML (Keyhole Markup Language) jsou formát souboru, který se používá k zobrazení geografických dat v aplikacích Google Earth, Mapy Google a Mapy Google pro mobilní zařízení.
Pomocí souborů KML můžete:
- nainstalujte různé ikony a vytvořte podpisy pro označení míst na povrchu Země
— vytvořit různé úhly pro vybrané objekty změnou polohy kamery
- použijte různé překryvné obrázky
— definovat styly pro přizpůsobení zobrazení objektu, použít HTML kód k vytvoření hypertextových odkazů a vložených obrázků
— použít složky pro hierarchické seskupování prvků
— dynamicky přijímat a aktualizovat soubory KML ze vzdálených nebo místních síťových uzlů
- Přijímat data KML podle změn v XNUMXD prohlížeči
- Federální služba pro státní registraci, katastr a kartografii "Rosreestr"
Informace na portálu Rosreestr jsou cenné svým obsahem a relevantností, ale bohužel neumožňují získat zdarma grafiku investiční výstavby a pozemků. Portál Rosreestr také obsahuje velké množství informací s omezeným přístupem.
- Statistické orgány
Statistická data jsou legitimním zdrojem informací o území, k dnešnímu dni jsou však údaje od statistických orgánů k dispozici pouze pro určitý počet ukazatelů, zejména ve výkazech statistických úřadů a výkazech krajských úřadů.
- Informační systémy úřadů
Vysoce kvalitní informace jsou obsaženy ve vládních informačních systémech, ale pouze malá část z nich je publikována ve veřejné doméně a je dostupná pro analýzu.
Provádění analýzy území neklade žádné konkrétní požadavky na skladbu informací, lze vlastně použít vše, co bylo nalezeno, informace z otevřených zdrojů jsou obvykle zaměnitelné. Je však třeba poznamenat, že i informace získané ze samotného zdroje OSM stačí k provedení analýzy neznámého území.
Analýza území pomocí „tepelného“ modelu. Fyzikální interpretace potenciálů
Jak již bylo zmíněno dříve, územní analýza je dnes žhavým tématem a mocným nástrojem pro rozumné přitahování investic do rozvoje infrastruktury v různých městských prostředích.
Rozmanitost problémů řešených pomocí analýzy území lze kombinovat do několika hlavních oblastí:
— Získání nejlépe interpretovatelného a nejpodrobnějšího hodnocení území v každém bodě.
Řešením problému můžete získat sadu bodů v každém bodě území, což dává představu o úrovni rozvoje území obecně, stejně jako v určité předmětné oblasti. Takovým oborem může být například kultura, průmysl, obchod atd.
— Určení nejvýhodnějších míst pro umístění investičních objektů určitého typu (např. banky, specializované prodejny, nákupní a zábavní centra apod.) na vybraném území.
— Analýza nejúčinnějšího využití území.
Tento směr umožňuje podrobnou studii charakteristik území, tržní situace, která se ve zkoumaném území vyvinula, a identifikaci oblíbených možností.
— Určení příspěvku jednoho faktoru k modelu nákladů na příkladu vzniku nových silnic a nových tras.
— Analýza různých aspektů jednoho území a analýza různých území (srovnání území).
Originalita metody územní analýzy navržené v článku pomocí „tepelného“ modelu spočívá ve využití ukazatelů rozvoje území – potenciálů, prezentovaných v číselném vyjádření a odrážejících míru vlivu objektu (faktoru vlivu) na území.
Pro pochopení podstaty studie je nutné říci pár slov o samotném tepelném potenciálu a podat jeho fyzikální interpretaci.
Ve fyzice existují takové pojmy jako silové pole и silová funkce. Silové pole má rozměr energie, silová funkce má rozměr síly.
Pro zákon univerzální gravitace je silové pole definováno vzorcem:
F=k/r2, kde
k – konstantní;
r – vzdálenost mezi interagujícími objekty.
Silová funkce ϕ je určena výrazem:
dϕ=-F*dr, kde
ϕ – potenciál silového pole;
dϕ, dr – diferenciály;
r je vzdálenost mezi interagujícími objekty,
proto ϕ=k/r.
Fyzikální význam potenciálu silového pole ϕ je práce E vykonaná silovým polem při průchodu určitou dráhou. V případě zákona univerzální gravitace, když se vzdálenost k objektu změní z r2 na r1, je silová funkce určena vzorcem
E=k*(1/r1-1/r2), kde
E je práce vykonaná silovým polem při průchodu určitou dráhou;
r1, r2 – počáteční a konečná poloha objektu.
Pro účely analýzy území lze vliv objektů (faktorů) na území považovat za sílu (výkonová funkce), a úroveň rozvoje území jako celkový tepelný potenciál (silové pole) ze všech objektů (faktorů). Ve fyzikálních úlohách je tepelným potenciálem teplota a v úlohách analýzy území pomocí „tepelného“ modelu potenciál představuje celkový dopad všech ovlivňujících faktorů na bod v území.
Prostorová data se skládají z bodů, čar a polygonů. Pro výpočet potenciálů jsou rozšířená prostorová data rozdělena na malé fragmenty. Pro každý fragment je potenciál z bodu vypočítán s multiplikátorem rovným velikosti fragmentu objektu (faktoru).
Data jsou rozdělena do sémantických skupin na základě principu blízké podobnosti. Například obchodní předměty jsou kombinovány podle produktu. Jsou zde skupiny lesních objektů, vodní plochy, sídla, dopravní zastávky atp. Významově spojené skupiny představují faktor. Projdeme-li všechny objekty (faktory), získáme soubor tepelných potenciálů vhodných pro další zpracování.
Využití potenciálů („tepelných map“) umožňuje přejít od prostorových dat k „tepelným“ snímkům objektů (faktorů) vlivu na území (vizualizace potenciálů). Takový přechod umožňuje určit míru přítomnosti faktoru v každém bodě území a provést další rozbor, tzn. barevně zobrazit různé směry rozvoje města. Získáme tak záři různé intenzity pro každý bod území.
Příklady „termálních“ snímků území Nižního Novgorodu v kontextu několika faktorů jsou uvedeny níže.
„Termální“ mapa Nižního Novgorodu odrážející faktor „Lékárenský řetězec“.
„Tepelná“ mapa Nižního Novgorodu, odrážející faktor „Polikliniky pro dospělé“
„Termální“ mapa Nižního Novgorodu odrážející faktor „Dětské kliniky“
„Tepelná“ mapa Nižního Novgorodu, odrážející faktor „Průmyslové zóny“
„Tepelné“ snímky území umožňují určit koncentraci potenciálů z různých objektů vlivu. Dále je nutné získané potenciály spojit do ucelené charakteristiky, která umožňuje posouzení území na základě velkého množství faktorů. To vyžaduje metodu, která vám umožní analyzovat velké množství informací, rozpoznávat objekty a také zmenšit rozměr dat, přičemž ztratíte nejmenší množství informací. Jednou z těchto metod je analýza hlavních složek (PCA). Více podrobností o této metodě naleznete v .
Podstatou metody je najít lineární kombinaci počátečních parametrů, která se v oblasti analýzy nejvýrazněji mění. U prostorových dat – nejsilněji se měnící po území.
Metoda hlavní složky identifikuje objekty (faktory), které se v území nejvíce mění. V důsledku metody se objevují nové proměnné - hlavní komponenty, které jsou ve srovnání s původními daty informativnější, s jejichž pomocí je snazší analyzovat, popisovat a vizualizovat území, na kterém je snazší stavět modely .
Hlavní složkou jsou analytické výrazy - součet potenciálů výchozích faktorů s určitými koeficienty. Pokud má však některý faktor významný vliv na území, ale nemění se napříč analyzovaným územím, metoda hlavní složky tento faktor do skladby hlavních složek nezahrne.
Hlavní komponenty jsou seřazeny v sestupném pořadí informací – tzn. šířící se po celém území. První hlavní složky nesou podstatně více informací než jednotlivé faktory a dobře popisují území. Zpravidla při použití asi stovky faktorů nese první hlavní složka asi 50 % všech informací (rozptylů) pro území. Hlavní komponenty spolu nekorelují a lze je použít pro modely jako charakteristiky území v každém bodě.
Hlavní složka, jako nějaký abstraktně vypočítaný ukazatel území, nemá jasný název a klasifikaci. Soubor faktorů, které silně korelují s hlavní složkou, nám však umožňuje interpretovat hlavní složky. S hlavními složkami zpravidla korelují následující faktory:
— úroveň rozvoje infrastruktury;
— dopravní složka území;
— klimatické oblasti;
— úroveň rozvoje zemědělství;
— ekonomický potenciál území.
Další analýza, včetně shlukování, pokračuje s několika prvními významnými hlavními komponentami.
Na obrázcích můžete vidět grafické znázornění prvních hlavních komponent na území několika měst Ruské federace.
První hlavní složka charakterizující úroveň rozvoje městské infrastruktury v Nižném Novgorodu
První hlavní složka charakterizující úroveň rozvoje městské infrastruktury v Jekatěrinburgu
První hlavní složka charakterizující úroveň rozvoje městské infrastruktury v Kazani
První hlavní složka charakterizující úroveň rozvoje městské infrastruktury v Permu
První hlavní složka charakterizující úroveň rozvoje městské infrastruktury v Samaře
První hlavní složka charakterizující úroveň rozvoje městské infrastruktury v Chabarovsku
Integrální charakteristiky: shlukování
Další etapou práce na analýze území je hledání zón městského prostředí, které jsou kvalitativně homogenní. Toto vyhledávání je založeno na analýze hodnot hlavních složek v každém bodě území. Problém hledání těchto homogenních zón lze řešit pomocí shlukování - procesu seskupování území na principu blízkosti souboru charakteristik.
Shlukování území má dva cíle:
— vytvoření lépe vnímané vizualizace území;
— přidělení oblastí pro sestavení jednotlivých modelů.
Území jsou seskupena podle vybraných faktorů pro analýzu. Těmito faktory mohou být faktory ovlivňující tvorbu cen nebo faktory popisující některý aspekt rozvoje území, například sociální sféru.
Existují dvě běžné klasické metody shlukování: metoda K-means a metoda dendrogramu. Při práci s územími se osvědčila metoda K-means, jejímž rysem je „rozrůstání“ shluku přidáváním nových objektů k bodům růstu. Výhoda metody K-means spočívá v podobnosti její práce s přirozeným procesem utváření území: integrace podobných, spíše než oddělování odlišných.
Pro výpočty pro Nižnij Novgorod byla použita metoda K-means (obrázek níže).
Soulad klastrů s úrovní rozvoje území na příkladu Nižního Novgorodu
Navrženým přístupem je možné získat přehled o území na různá témata. Témata, která nás mohou zajímat, mohou být například úroveň rozvoje městské infrastruktury, úroveň „elity“ území, úroveň kulturního rozvoje, sociální složka rozvoje území. Tato témata jsou špatně definované integrální pojmy a sestávají z mnoha vzájemně souvisejících faktorů.
Pomocí nějakého algoritmu pro výběr parametrů pro analýzu (i se zapojením odborníků) získáme tematické mapy, které dávají představu o jednom aspektu rozvoje území.
Integrálními charakteristikami se rozumí první hlavní složky, především nejinformativnější první hlavní složka a shlukování území podle vybraných parametrů.
Tematické mapy prvních hlavních komponent pro různé aspekty vývoje jsou uvedeny na obrázcích níže.
Tematická mapa „Kulturní objekty“ na příkladu Nižního Novgorodu
Tematická mapa „Sociální sféra“ na příkladu Nižního Novgorodu
Integrální charakteristiky umožňují porozumět charakteristikám území pomocí mnoha faktorů s minimální ztrátou informací.
Závěrem je vhodné ještě jednou poznamenat, že dnes je analýza území mimořádně důležitou etapou při řešení problémů rozvoje městského prostředí, výběru míst pro investice do výstavby, hledání nejvýhodnější lokality pro nové zařízení a dalších úkolů.
Metoda územní analýzy navržená v článku pomocí „tepelného“ modelu z faktorů různé povahy není pro soubor faktorů kritická, tedy neklade omezení ani požadavky na výchozí informace.
Rozmanitost a redundance zdrojových informací, stejně jako možnost využívat otevřená data, poskytuje neomezené vyhlídky na analýzu jakéhokoli území světa.
V následujících publikacích věnovaných problematice územní analýzy plánujeme odhalit vlastnosti sestavování modelů s využitím hlavních komponent a metod jejich implementace pro takové úkoly, jako jsou:
— výběr nejlepšího umístění při umístění nového objektu;
— vytvoření cenové hladiny pro určitou kategorii objektů za použití tržní hodnoty;
- posouzení rentability určitého druhu činnosti v závislosti na umístění objektů.
Plánuje se také předložení metod zpětného přechodu od hlavních složek k faktorům, což zase umožňuje získat model z faktorů pro dané území.
Zdroj: www.habr.com