Et eksempel på beregning af termisk potentiale for et gadenetværk i Nizhny Novgorod
Byens territorium er et komplekst, heterogent system, der er i konstant forandring. Du kan beskrive territoriet og vurdere bymiljøet ved hjælp af rumlige objekter (faktorer). Faktorer, der beskriver territoriet, er forskellige i arten af deres indflydelse (positiv, negativ) og geometrisk konfiguration (punkter, linjer, polygoner).
Det er ofte ret vanskeligt at bestemme graden af indflydelse af hvert enkelt objekt på udviklingsniveauet for territoriet som helhed eller et bestemt aspekt af det. I dag bliver problemet med at definere og beskrive begreber som "kultur", "social sfære", "social spænding", "godt liv", "økonomisk udvikling", "befolkningssundhed" mere og mere relevant. Tvetydigheden af disse begreber øges, hvis vi ønsker at anvende dem på forskellige sociale grupper, befolkninger af forskellig alder og køn.
Det skal også bemærkes, at grænserne for byen i det moderne koncept er ret vilkårlige. Daglig migration af befolkningen, transporttilgængelighed i fjerntliggende områder "slører grænsen" af byen endnu mere. Det nu meget brugte bybegreb afspejler generelt byens grænser, men gør samtidig selve begrebet bygrænsen endnu mere uklart.
På trods af de problemer, der er beskrevet ovenfor, er analyse og vurdering af territorier i dag blandt de mest lovende og interessante områder, der gør det muligt at løse mange presserende problemer i bymiljøet.
Artiklen foreslår til overvejelse en metode til at analysere territoriet ved hjælp af en "termisk" model. Denne metode er baseret på studiet af potentialer skabt af objekter (faktorer) af forskellig karakter (punkt, lineær og areal). Analyse af territoriet ved hjælp af denne metode gør det muligt at gå fra et sæt rumlige data (faktorer), der beskriver territoriet, til en nøjagtig numerisk (score) vurdering på hvert punkt af territoriet.
De potentialer, der er undersøgt som en del af territorieanalysen, har en fysisk fortolkning - varmeudbredelse i miljøer af forskellige dimensioner (2D, 3D). Dette fænomen kan repræsenteres i form af "termiske" billeder ("varme" kort over territoriet), hvilket giver en idé om graden af udvikling af territoriet afhængigt af billedets farveintensitet.
Territorie faktorer
Territorieanalyse involverer søgning og behandling af information om de faktorer, der påvirker territoriet og deres indikatorer. Påvirkningsfaktorer er objekter, der påvirker det omgivende territorium og har et sæt karakteristika og rumlige koordinater. Eksempler på påvirkningsfaktorer omfatter butikker, industrianlæg, veje, skove og vandområder.
Indikatorer for indflydelse er objekter reflekterende påvirkning af objekter og også have et sæt af karakteristika og rumlige koordinater. Eksempler på indflydelsesindikatorer: Hæveautomater, billboards, monumenter.
I den følgende præsentation vil vi bruge begrebet indflydelsesfaktorer, som kombinerer begge begreber – faktorer og indflydelsesindikatorer.
Nedenfor er et eksempel på rumlige data, der fungerer som indflydelsesfaktorer.
Et af de vigtige stadier i udførelsen af arbejdet med at analysere territorier er stadiet med indsamling og behandling af indledende oplysninger. I dag er der en masse information om de faktorer, der påvirker territoriet af varierende detaljeringsgrad.
Oplysninger kan fås fra åbne kilder eller begrænsede kilder. I mange tilfælde er åben information tilstrækkelig til analyse, selvom den som regel kræver en ret arbejdskrævende behandling.
Blandt åbne kilder er lederen, efter vores mening, ressourcen OpenStreetMap (OSM). Oplysningerne fra denne kilde opdateres dagligt over hele verden.
OpenStreetMap (OSM) ressourceoplysninger præsenteres i følgende formater:
- OSM format. Hovedformatet med udvidelsen ".osm" bruges til at beskrive XML grafiske billeder - noder, stier, relationer.
- "polsk format". Tekstformatet med filtypen ".mp" bruges til at arbejde med grafik.
- PBF-format. Datalagringsformat med udvidelsen ".osm.pbf".
Du kan også bruge følgende som informationskilder:
— 2 GIS
Ressourcen indeholder højkvalitets, månedligt behandlet information med en fremragende 3-niveau klassificering for virksomheder og organisationer.
— KML (Keyhole Markup Language) filer
KML-filer (Keyhole Markup Language) er et filformat, der bruges til at vise geografiske data i Google Earth, Google Maps og Google Maps til mobile enheder.
Med KML-filer kan du:
- installer forskellige ikoner og lav signaturer for at angive steder på jordens overflade
— opret forskellige vinkler for udvalgte objekter ved at ændre kamerapositionen
- brug forskellige overlejringsbilleder
— definere stilarter for at tilpasse visningen af et objekt, anvende HTML-kode til at skabe hyperlinks og inline-billeder
— brug mapper til hierarkisk gruppering af elementer
— dynamisk modtag og opdater KML-filer fra eksterne eller lokale netværksknuder
- Modtag KML-data i henhold til ændringer i 3D-fremviseren
— Føderale tjeneste for statsregistrering, matrikel og kartografi "Rosreestr"
Oplysningerne på Rosreestr-portalen er værdifulde for dets indhold og relevans, men det gør det desværre ikke muligt at få gratis grafik til store byggeprojekter og grunde. Rosreestr-portalen indeholder også en stor mængde information med begrænset adgang.
— Statistiske organer
Statistiske data er en legitim kilde til information om territoriet, men i dag er data fra statistiske organer kun tilgængelige for et vist antal indikatorer, hovedsagelig i rapporter fra statistiske organer og rapporter fra regionale myndigheder.
— Myndighedernes informationssystemer
Information af høj kvalitet er indeholdt i offentlige informationssystemer, men kun en lille del af den er offentliggjort i det offentlige domæne og er tilgængelig til analyse.
At udføre en analyse af territorier stiller ingen specifikke krav til sammensætningen af information, faktisk kan du bruge alt, hvad der blev fundet fra åbne kilder. Det skal dog bemærkes, at selv den information, der er opnået fra OSM-ressourcen, alene er nok til at foretage en analyse af ukendt territorium.
Analyse af territoriet ved hjælp af en "termisk" model. Fysisk fortolkning af potentialer
Som tidligere nævnt er territorieanalyse i dag et varmt emne og et stærkt værktøj til begrundet tiltrækning af investeringer i udvikling af infrastruktur i forskellige bymiljøer.
De mange forskellige problemer, der løses ved hjælp af territorieanalyse, kan kombineres i flere hovedområder:
— Indhentning af den mest fortolkelige og detaljerede vurdering af territoriet på hvert punkt.
Ved at løse problemet kan du opnå et sæt punkter på hvert punkt på territoriet, hvilket giver en idé om områdets udviklingsniveau generelt såvel som i et bestemt emneområde. Et sådant fagområde kunne fx være kultur, industri, handel mv.
— Bestemmelse af de mest fordelagtige steder for placering af investeringsobjekter af en bestemt type (f.eks. banker, specialbutikker, indkøbs- og underholdningscentre osv.) i det valgte område.
— Analyse af den mest effektive udnyttelse af området.
Denne retning giver mulighed for en detaljeret undersøgelse af territoriets karakteristika, markedssituationen, der har udviklet sig i det undersøgte område, og identifikation af populære muligheder.
— Bestemmelse af bidraget fra én faktor til omkostningsmodellen ved hjælp af eksemplet med fremkomsten af nye veje og nye ruter.
— Analyse af forskellige aspekter af et territorium og analyse af forskellige territorier (sammenligning af territorier).
Originaliteten af metoden til territoriumanalyse foreslået i artiklen ved hjælp af den "termiske" model ligger i brugen af territoriumudviklingsindikatorer - potentialer, præsenteret i numeriske termer og afspejler graden af indflydelse af objektet (indflydelsesfaktoren) på territoriet.
For at forstå essensen af undersøgelsen er det nødvendigt at sige et par ord om selve det termiske potentiale og give dets fysiske fortolkning.
I fysik er der sådanne begreber som kraftfelt и kraftfunktion. Kraftfeltet har dimensionen energi, kraftfunktionen har dimensionen kraft.
For loven om universel gravitation er kraftfeltet defineret af formlen:
F=k/r2, hvor
k - konstant;
r – afstand mellem interagerende objekter.
Kraftfunktionen ϕ bestemmes af udtrykket:
dϕ=-F*dr, hvor
ϕ—kraftfeltpotentiale;
dϕ, dr – differentialer;
r er afstanden mellem interagerende objekter,
derfor ϕ=k/r.
Den fysiske betydning af kraftfeltpotentialet ϕ er det arbejde E udført af kraftfeltet, mens det passerer en bestemt vej. I tilfældet med loven om universel gravitation, når afstanden til et objekt ændres fra r2 til r1, bestemmes kraftfunktionen af formlen
E=k*(1/r1-1/r2), hvor
E er det arbejde, som kraftfeltet udfører, mens det passerer en bestemt vej;
r1, r2 – indledende og endelig position af objektet.
Til opgaven med at analysere et territorium kan indflydelsen af objekter (faktorer) på territoriet betragtes som en styrke (power funktion), og territoriets udviklingsniveau som det samlede termiske potentiale (kraftfelt) fra alle objekter (faktorer). I fysikproblemer er termisk potentiale temperatur, og i problemer med territorieanalyse ved brug af en "termisk" model repræsenterer potentialet den samlede indvirkning af alle påvirkningsfaktorer på et punkt i territoriet.
Geografiske data består af punkter, linjer og polygoner. For at beregne potentialer opdeles udvidede rumlige data i små fragmenter. For hvert fragment beregnes potentialet fra punktet med en multiplikator svarende til størrelsen af objektfragmentet (faktor).
Dataene er opdelt i semantiske grupper baseret på princippet om tæt lighed. F.eks. kombineres handelsobjekter efter produkt. Der er grupper af skovgenstande, vandområder, bebyggelser, transportstop mv. Grupper forenet af mening repræsenterer en faktor. Efter at have gennemgået alle objekter (faktorer), opnår vi et sæt termiske potentialer, der er egnede til videre bearbejdning.
Brugen af potentialer ("varmekort") giver dig mulighed for at flytte fra rumlige data til "termiske" billeder af objekter (faktorer) med indflydelse på territoriet (visualisering af potentialer). En sådan overgang gør det muligt at bestemme graden af tilstedeværelse af faktoren på hvert punkt på territoriet og udføre yderligere analyse, dvs. vise forskellige retninger for byudvikling i farver. Således opnår vi en glød af varierende intensitet for hvert punkt på territoriet.
Eksempler på "termiske" billeder af Nizhny Novgorods område i sammenhæng med flere faktorer er præsenteret nedenfor.
"Termisk" kort over Nizhny Novgorod, der afspejler faktoren "Apotekkæde".
"Heat" kort over Nizhny Novgorod, der afspejler faktoren "Polyklinikker for voksne"
"Termisk" kort over Nizhny Novgorod, der afspejler faktoren "Børneklinikker".
"Termisk" kort over Nizhny Novgorod, der afspejler faktoren "Industrielle zoner"
"Termiske" billeder af territoriet gør det muligt at bestemme koncentrationen af potentialer fra forskellige indflydelsesobjekter. Dernæst er det nødvendigt at kombinere de opnåede potentialer til en integreret karakteristik, der giver mulighed for en vurdering af territoriet baseret på en lang række faktorer. Dette kræver en metode, der giver dig mulighed for at analysere en stor mængde information, genkende objekter og også reducere dimensionen af data og miste den mindste mængde information. En af disse metoder er principal komponentanalyse (PCA). Flere detaljer om denne metode kan findes i .
Essensen af metoden er at finde en lineær kombination af indledende parametre, der ændrer sig stærkest inden for analyseområdet. For rumlige data – de mest skiftende over territoriet.
Principal komponent metoden identificerer objekter (faktorer), der ændrer sig stærkest over territoriet. Som et resultat af metoden vises nye variabler - hovedkomponenterne, som er mere informative sammenlignet med de originale data, ved hjælp af hvilke det er lettere at analysere, beskrive og visualisere det territorium, hvorpå det er lettere at bygge modeller .
Hovedkomponenterne er analytiske udtryk - summen af potentialerne for de initiale faktorer med bestemte koefficienter. Men hvis en faktor har en væsentlig indvirkning på territoriet, men ikke ændrer sig på tværs af det analyserede territorium, vil hovedkomponentmetoden ikke inkludere denne faktor i sammensætningen af hovedkomponenterne.
Hovedkomponenterne er ordnet i faldende informationsrækkefølge - dvs. breder sig over hele territoriet. De første hovedkomponenter indeholder væsentligt mere information end individuelle faktorer og beskriver området godt. Som regel, når man bruger omkring hundrede faktorer, bærer den første hovedkomponent omkring 50% af al information (varians) for territoriet. De vigtigste komponenter korrelerer ikke med hinanden og kan bruges til modeller som karakteristika for territoriet på hvert punkt.
Hovedkomponenten, som en abstrakt beregnet indikator for territoriet, har ikke et klart navn og klassifikation. Et sæt faktorer, der er stærkt korreleret med hovedkomponenten, giver os imidlertid mulighed for at fortolke hovedkomponenterne. Som regel korrelerer følgende faktorer med hovedkomponenterne:
— niveau for infrastrukturudvikling;
— territoriets transportkomponent;
— klimatiske zoner;
— niveau for landbrugets udvikling;
— territoriets økonomiske potentiale.
Yderligere analyse, herunder klyngedannelse, fortsætter med de første par væsentlige hovedkomponenter.
I figurerne kan du se en grafisk repræsentation af de første hovedkomponenter på territoriet af flere byer i Den Russiske Føderation.
Den første hovedkomponent, der karakteriserer udviklingsniveauet for byinfrastruktur i Nizhny Novgorod
Den første hovedkomponent, der karakteriserer udviklingsniveauet for byinfrastruktur i Jekaterinburg
Den første hovedkomponent, der karakteriserer udviklingsniveauet for byinfrastruktur i Kazan
Den første hovedkomponent, der karakteriserer udviklingsniveauet for byinfrastruktur i Perm
Den første hovedkomponent, der karakteriserer udviklingsniveauet for byinfrastruktur i Samara
Den første hovedkomponent, der karakteriserer udviklingsniveauet for byinfrastruktur i Khabarovsk
Integrerede egenskaber: klyngedannelse
Den videre fase af arbejdet med territorieanalyse er søgen efter zoner i bymiljøet, der er homogene i kvalitet. Denne søgning er baseret på analysen af værdierne af de vigtigste komponenter på hvert punkt i territoriet. Problemet med at søge efter disse homogene zoner kan løses ved hjælp af clustering - processen med at gruppere territorier baseret på princippet om nærhed af et sæt karakteristika.
Områdeklynger har to mål:
— skabe en bedre opfattet visualisering af territoriet;
— tildeling af områder til udarbejdelse af individuelle modeller.
Territorier er grupperet i overensstemmelse med de valgte faktorer til analyse. Disse faktorer kan være faktorer, der påvirker prisfastsættelsen, eller faktorer, der beskriver et aspekt af udviklingen af territoriet, for eksempel den sociale sfære.
Der er to almindelige klassiske klyngemetoder: K-betydningsmetoden og dendrogrammetoden. Når man arbejder med territorier, har K-means-metoden vist sig godt, hvis egenskab er "voksning" af en klynge ved at tilføje nye objekter til vækstpunkter. Fordelen ved K-middel-metoden ligger i ligheden mellem dens arbejde og den naturlige proces med territoriumdannelse: integration af lignende, snarere end adskillelse af uens.
K-betydningsmetoden blev brugt til beregninger for Nizhny Novgorod (figur nedenfor).
Overholdelse af klynger med territoriets udviklingsniveau ved at bruge eksemplet fra Nizhny Novgorod
Med den foreslåede tilgang er det muligt at få et overblik over territoriet om forskellige emner. Emner af interesse for os kan for eksempel være udviklingsniveauet for byinfrastruktur, niveauet af "eliteitet" af territoriet, niveauet for kulturel udvikling, den sociale komponent i udviklingen af territoriet. Disse temaer er dårligt definerede integrerede begreber og består af mange indbyrdes forbundne faktorer.
Ved at bruge en algoritme til at vælge parametre til analyse (herunder med inddragelse af eksperter), vil vi få tematiske kort, der giver en idé om et aspekt af udviklingen af territoriet.
Integrale karakteristika forstås som de første hovedkomponenter, primært den mest informative første hovedkomponent, og klynging af territoriet i henhold til udvalgte parametre.
Tematiske kort over de første hovedkomponenter for forskellige aspekter af udvikling er præsenteret i figurerne nedenfor.
Tematisk kort "Kulturobjekter" ved hjælp af eksemplet med Nizhny Novgorod
Tematisk kort "Social sfære" ved hjælp af eksemplet fra Nizhny Novgorod
Integrale egenskaber gør det muligt at forstå et territoriums karakteristika ved hjælp af mange faktorer med minimalt tab af information.
Afslutningsvis er det værd at bemærke endnu en gang, at analysen af territorier i dag er et ekstremt vigtigt stadium i løsningen af problemerne med at udvikle bymiljøet, vælge steder at investere i byggeri, finde den mest fordelagtige placering for nye faciliteter og andre opgaver.
Metoden til territoriumanalyse, der foreslås i artiklen, ved hjælp af en "termisk" model fra faktorer af forskellig karakter er ikke kritisk for sættet af faktorer, dvs. den pålægger ikke begrænsninger eller krav til den oprindelige information.
Mangfoldigheden og redundansen af kildeinformation, samt muligheden for at bruge åbne data, giver ubegrænsede muligheder for at analysere ethvert territorium af verden.
I de følgende publikationer, der er viet til problemerne med territorial analyse, planlægger vi at afsløre funktionerne ved kompilering af modeller ved hjælp af hovedkomponenter og metoder til deres implementering til sådanne opgaver som:
— at vælge den bedste placering, når du placerer et nyt objekt;
— konstruktion af en prisflade for en bestemt kategori af genstande ved hjælp af markedsværdi;
- vurdering af rentabiliteten af en bestemt type aktivitet afhængigt af objekternes placering.
Der er også planer om at præsentere metoder til den omvendte overgang fra hovedkomponenter til faktorer, hvilket igen gør det muligt at få en model ud fra faktorer for et givet territorium.
Kilde: www.habr.com