V první publikaci () jsme popsali, jak lze tepelné potenciály využít k analýze území obecně. V následujících publikacích bylo plánováno popsat, jak jsou informace o prostorových objektech ukládány do databází, jak jsou sestavovány modely z hlavních komponent a obecně jaké úkoly může představovat analýza území. Ale nejdřív.
Použití metody tepelného potenciálu především umožňuje získat obecnou představu o území, které nás zajímá. Například když vezmeme počáteční informace z OSM pro město Barcelona (Katalánsko) a provedeme integrální analýzu bez výběru parametrů, můžeme získat „tepelné“ snímky prvních hlavních komponent. V prvním článku jsme také hovořili o „tepelných“ mapách, ale nebylo by špatné připomenout, že termín „tepelná“ mapa vznikl kvůli fyzikálnímu významu potenciálů používaných pro integrální analýzu. Tito. ve fyzikálních úlohách je potenciálem teplota a v problémech územní analýzy je potenciálem celkový účinek všech ovlivňujících faktorů na konkrétní bod území.
Níže je uveden příklad „tepelné“ mapy města Barcelony získané jako výsledek integrální analýzy.
„Tepelná“ mapa první hlavní komponenty, bez výběru parametrů, Barcelona
A nastavením konkrétního parametru (v tomto případě jsme zvolili průmysl) získáte „teplotní“ mapu přímo pro něj.
Tepelná mapa první hlavní komponenty, průmyslu, Barcelona
Problémy analýzy jsou samozřejmě mnohem širší a rozmanitější než získání obecného posouzení vybraného území, proto se v tomto článku jako příklad budeme zabývat problémem nalezení nejlepšího umístění při umístění nového objektu a technickým implementace metody tepelného potenciálu pro jeho řešení a v budoucích publikacích se podíváme na další.
Řešení problému nalezení nejlepšího umístění při umístění nového objektu pomůže určit, jak je území „připraveno“ na přijetí tohoto nového objektu, jak bude korelovat s jinými objekty již existujícími v území, jak cenný bude tento nový objekt pro území a jakou hodnotu přidá.
Etapy technické realizace
Technická implementace může být reprezentována posloupností procedur uvedených níže:
- Příprava informačního prostředí.
- Vyhledávání, sběr a zpracování zdrojových informací.
- Konstrukce sítě uzlů v analyzovaném území.
- Rozdělení územních faktorů na fragmenty.
- Výpočet potenciálů z faktorů.
- Výběr faktorů pro tvorbu tematických ucelených charakteristik území.
- Aplikace metody hlavní složky k získání ucelených ukazatelů území.
- Tvorba modelů pro výběr místa pro výstavbu nového zařízení.
Fáze 1. Příprava informačního prostředí
V této fázi je nutné vybrat systém správy databází (DBMS), určit zdroje informací, způsoby sběru informací a množství shromážděných informací.
Pro naši práci jsme použili databázi PostgeSql (DB), ale stojí za zmínku, že jakákoliv jiná databáze, která pracuje s SQL dotazy, bude stačit.
Databáze bude ukládat počáteční informace - prostorová data o objektech: datové typy (body, linie, polygony), jejich souřadnice a další charakteristiky (délka, plocha, množství), jakož i všechny vypočítané hodnoty získané jako výsledek provedené práce a výsledky samotné práce .
Statistické informace jsou také prezentovány jako prostorová data (například regiony regionu se statistickými údaji přiřazenými k těmto regionům).
Výsledkem transformace a zpracování shromážděných výchozích informací jsou tabulky obsahující informace o lineárních, bodových a plošných faktorech, jejich identifikátory a souřadnice.
Fáze 2. Vyhledávání, sběr a zpracování zdrojových informací
Jako výchozí informace pro řešení tohoto problému využíváme informace z otevřených kartografických zdrojů obsahující informace o území. Lídrem jsou podle našeho názoru informace OSM, denně aktualizované po celém světě. Pokud se vám však podaří shromáždit informace z jiných zdrojů, nebude to o nic horší.
Zpracování informací spočívá v jejich jednotnosti, eliminaci nepravdivých informací a jejich přípravě pro načtení do databáze.
Fáze 3. Konstrukce sítě uzlů v analyzovaném území
Pro zajištění návaznosti analyzovaného území je nutné na něm sestrojit mřížku, jejíž uzly mají souřadnice v daném souřadnicovém systému. V každém uzlu sítě bude následně určena hodnota potenciálu. To vám umožní vizualizovat homogenní oblasti, shluky a konečné výsledky analýzy.
V závislosti na úkolech, které mají být řešeny, jsou možné dvě možnosti konstrukce mřížky:
— Mřížka s pravidelným krokem (S1) – je pozorovatelný na celém území. Slouží k výpočtu potenciálů z faktorů, stanovení integrálních charakteristik území (hlavní složky a shluky) a zobrazení výsledků modelování.
Při výběru této mřížky musíte zadat:
- mřížkové rozestupy – interval, ve kterém budou umístěny uzly mřížky;
- hranice analyzovaného území, která může odpovídat administrativně-územnímu členění, nebo to může být oblast na mapě, která omezuje výpočtovou oblast ve formě polygonu.
— Mřížka s nepravidelným rozestupem (S2) popisuje jednotlivé body území (například centroidy). Používá se také pro výpočet potenciálů z faktorů a stanovení integrálních charakteristik území (hlavních složek a shluků). Modelování s vypočtenými hlavními složkami se provádí přesně na mřížce s nepravidelným krokem a pro vizualizaci výsledků simulace se čísla shluků z uzlů mřížky s nepravidelným krokem přenášejí do uzlů mřížky s pravidelným krokem podle principu blízkosti souřadnic .
V databázi jsou informace o souřadnicích uzlů mřížky uloženy ve formě tabulky obsahující následující informace pro každý uzel:
- ID uzlu;
- souřadnice uzlu (x, y).
Příklady mřížek s pravidelnými rozestupy pro různá území s různými rozestupy jsou uvedeny na obrázcích níže.
Mřížka pokrytí Nižního Novgorodu (červené tečky). Mřížka pokrytí regionu Nižnij Novgorod (modré tečky).
Fáze 4 Rozdělení územních faktorů na fragmenty
Pro další analýzu musí být rozšířené faktory území převedeny na pole diskrétních faktorů tak, aby každý uzel sítě obsahoval informace o každém faktoru, který se v něm nachází. Lineární faktory se dělí na segmenty, plošné faktory na fragmenty.
Krok rozdělení se volí na základě rozlohy území a specifického faktoru; pro velké oblasti (region) může být krok rozdělení 100-150 m; pro menší oblasti (město) může být krok rozdělení 25-50 m .
V databázi jsou informace o výsledcích rozdělení uloženy ve formě tabulky obsahující následující informace pro každý fragment:
- identifikátor faktoru;
- souřadnice těžišť výsledných fragmentů rozdělení (x, y);
- délka/plocha fragmentů oddílu.
Fáze 5 Výpočet potenciálů z faktorů
Jedním z možných a srozumitelných přístupů k analýze výchozích informací je uvažovat faktory jako potenciály objektů vlivu.
Použijme základní řešení Laplaceovy rovnice pro dvourozměrný případ - logaritmus vzdálenosti od bodu.
S přihlédnutím k požadavku na konečnou hodnotu potenciálu na nule a omezení hodnoty potenciálu na velké vzdálenosti se potenciál určí takto:
pro r<r1 (1)
pro r2>r>=r1
pro r>=r2
Typ potenciálu vlivu z bodového objektu
Logaritmická funkce musí být omezená na nulu a přiměřeně ohraničená v určité vzdálenosti od faktorů. Pokud bychom neučinili omezení potenciálu ve velkých vzdálenostech od faktoru, museli bychom brát v úvahu obrovské množství informací daleko od analyzovaného bodu, což nemá na analýzu prakticky žádný vliv. Zavedeme proto hodnotu akčního poloměru činitele, za kterou je příspěvek činitele k potenciálu nulový.
U města se předpokládá, že poloměr faktoru se rovná půl hodině pěší dostupnost - 2 000 metrů. Pro region bychom měli mluvit asi půl hodiny doprava dostupnost - 20 000 metrů.
V důsledku výpočtu hodnot potenciálu tedy máme celkový potenciál z každého faktoru v každém uzlu pravidelné sítě.
Fáze 6. Výběr faktorů pro tvorbu tematických ucelených charakteristik území
V této fázi jsou vybírány nejvýznamnější a informativní faktory pro vytvoření tematické ucelené charakteristiky území.
Výběr faktorů může být proveden automaticky nastavením určitých hranic parametrů (korelace, procento vlivu atd.), nebo může být proveden odborně se znalostí tématu problému a s určitou znalostí území.
Poté, co byly vybrány nejdůležitější a informativní faktory, můžete přistoupit k dalším krokům - interpretaci hlavních složek.
Fáze 7 Aplikace metody hlavní složky k získání ucelených ukazatelů území. Shlukování
Prvotní informace o faktorech území, převedené v předchozí fázi na potenciály vypočítané pro každý uzel sítě, jsou sloučeny do nových integrálních indikátorů - hlavních složek.
Metoda hlavního komponentu analyzuje variabilitu faktorů ve zkoumaném území a na základě výsledků této analýzy nalézá jejich nejvariabilnější lineární kombinaci, která umožňuje vypočítat míru jejich změny - rozptyl po území.
Vezměme si obecný problém pro vytvoření modelu pro aproximaci funkce lineárního modelu na dané hodnoty
(2)
kde i je číslo součásti,
n – počet komponent zapojených do výpočtu
j – uzlový index bodu území, j=1..k
k – počet všech uzlů sítě území, pro které byl proveden výpočet hlavních komponent
— koeficient pro i-tou hlavní složku modelu
– hodnota i-té hlavní složky v j-tém bodě
B – volný termín modelu
— potenciál v j-tém bodě faktoru, pro který budujeme model
Určíme neznámé v rovnici (2) metoda nejmenších čtverců využívající vlastnosti hlavních komponent:
(3)
Kde i a i2 jsou čísla složek, i<>i2
j — index uzlu území
k je počet všech uzlů území
(4)
(3) znamená žádnou korelaci mezi složkami
(4) – celková hodnota jakékoli složky je nula.
Dostáváme:
(5)
Zde je zápis stejný jako v Eq. (2), znamená průměrnou potenciální hodnotu
Tento výsledek lze interpretovat následovně:
Model je jednoduchý výraz sestávající z průměrné hodnoty simulované hodnoty a jejích jednoduchých korekcí pro každou ze složek. Výsledek musí obsahovat minimálně fiktivní výraz B a první hlavní složku. Níže jsou uvedeny příklady tepelných map prvních hlavních komponent pro oblast Nižního Novgorodu.
Na základě vypočtených hlavních složek lze konstruovat homogenní oblasti. to lze provést jak u všech parametrů, tak např. pouze u cenových - tzn. provést shlukování. K tomu můžete použít . Pro každý homogenní region je vypočtena průměrná hodnota 1. hlavní složky charakterizující úroveň rozvoje území.
Níže je uveden příklad shlukování podle cenových parametrů pro oblast Nižního Novgorodu.
Rovněž pomocí získaných hlavních komponent jako parametrů nákladového modelu můžeme získat cenovou plochu území.
Cena povrchu Nižnij Novgorod
Fáze 8. Tvorba modelů pro výběr místa pro výstavbu nového zařízení
Pro výběr nejatraktivnějšího místa pro umístění nového objektu (dále jen „objekt“) je nutné porovnat umístění „objektu“ s okolní infrastrukturou. Aby „objekt“ fungoval, musí existovat dostatek zdrojů pro zajištění jeho fungování, je třeba vzít v úvahu velké množství faktorů, jak pozitivních, tak negativních dopadů na „objekt“. Celý soubor těchto faktorů lze definovat jako „živné“ prostředí pro fungování „objektu“. Soulad počtu objektů s počtem zdrojů území je základem pro stabilní fungování „objektu“.
Výsledkem tohoto srovnání je potenciál vypočítaný pro každý bod území a umožňující vizuální a analytickou analýzu výběru místa pro umístění nového „objektu“.
Pro obchod je mimo jiné důležitý například neustálý tok kupujících, což znamená, že seznam faktorů, které je třeba u předmětů obchodu zohlednit, by měl obsahovat i ty, které tento tok zajišťují (například zařízení sociální infrastruktury, místa výkonu práce, bydliště, dopravní cesty atd.).
Na druhou stranu při splnění všech podmínek pro zajištění fungování maloobchodních zařízení je nutné počítat s hustotou maloobchodních zařízení, neboť „spotřeba“ prostředí vede ke snížení možnosti nákupů. Tok lidí není neomezený a totéž platí o jejich finančních možnostech a fyzických možnostech.
Algoritmus pro řešení problému výběru nejlepšího umístění objektu vychází ze skutečnosti, že potenciál získaný jako funkce hlavních komponent je co nejblíže potenciálu množiny objektů typu „objekt“; poté se vypočítá rozdíl mezi potenciálem modelu a potenciálem objektů typu „objekt“; od výsledného rozdílu se odečte hodnota potenciálu příspěvku jednoho „objektu“; Záporné hodnoty získané v tomto případě jsou nahrazeny nulou, to znamená, že místa, ve kterých není dostatek zdrojů pro fungování nového „objektu“, jsou eliminována.
V důsledku přijatých opatření získáváme body území s kladnou potenciální hodnotou, tedy místa výhodné polohy našeho „objektu“.
Jinými slovy, máme k dispozici vypočítané potenciály všech faktorů a faktor, pro který chceme sestavit model a analyzovat vybranou tematickou oblast (obchod, průmysl, kultura, sociální sféra atd.)
K tomu je nutné vybrat faktory pro konstrukci proměnných prostředí – hlavní složky – a na jejich základě pak vypočítat modely.
Navrhujeme vybírat faktory analýzou korelací všech faktorů s referenčním faktorem tematické oblasti. Například pro kulturu by to mohla být divadla, pro vzdělávací systém, školy atp.
Vypočítáme korelaci standardního potenciálu s potenciály všech faktorů. Vybíráme ty faktory, jejichž korelační koeficienty ve velikosti jsou větší než určitá hodnota (často se bere hodnota minimálního korelačního koeficientu = 0).
(6)
kde — absolutní hodnota korelačního koeficientu i-tého faktoru se standardem.
Korelace se vypočítá pro všechny uzly sítě pokrývající území.
Rozdíl mezi potenciálem modelu a potenciálem objektů stejného typu jako je nový objekt v rovnici (2) ukazuje potenciál území, který lze využít pro umístění nových zařízení.
V důsledku toho získáme potenciální hodnotu, která charakterizuje míru přínosu umístění „objektu“ ve zkoumané oblasti.
Níže je uveden příklad, jak můžete graficky zobrazit doporučená umístění pro nový „objekt“.
Výsledek řešení problému výběru nejlepší lokality pro nový objekt tak může být reprezentován jako bodové hodnocení území v každém bodě, poskytující představu o potenciálu pro umístění investičního objektu, tj. skóre, tím výnosnější je lokalizace objektu.
Na závěr se sluší říci, že v tomto článku jsme se zabývali pouze jedním problémem, který lze vyřešit pomocí analýzy území s daty z otevřených zdrojů. Ve skutečnosti existuje spousta problémů, které lze s jeho pomocí vyřešit, jejich počet je omezen pouze vaší představivostí.
Zdroj: www.habr.com