Nutzung der thermischen Potenziale zur Analyse von Gebieten

Beispiel zur Berechnung des Wärmepotenzials für das Straßennetz der Stadt Nischni Nowgorod

Das Gebiet der Stadt ist ein komplexes, heterogenes System, das sich ständig verändert. Die Beschreibung des Gebiets und die Bewertung des städtischen Umfelds können durch räumliche Objekte (Faktoren) erfolgen. Die Faktoren, die das Gebiet beschreiben, unterscheiden sich in ihrer Einflussart (positiv, negativ) und geometrischen Konfiguration (Punkte, Linien, Polygone).

Es ist oft schwierig, den Einfluss jedes einzelnen Objekts auf den Entwicklungsstand des Gebiets insgesamt oder auf einen bestimmten Aspekt davon zu bestimmen. Heute wird das Problem der Definition und Beschreibung von Begriffen wie „Kultur“, „soziale Sphäre“, „soziale Spannungen“, „gutes Leben“, „wirtschaftliche Entwicklung“, „Gesundheit der Bevölkerung“ immer aktueller. Die Mehrdeutigkeit dieser Begriffe nimmt zu, wenn wir sie auf unterschiedliche soziale Gruppen sowie auf Bevölkerungsgruppen unterschiedlichen Alters und Geschlechts anwenden wollen.

Es sollte auch erwähnt werden, dass die Grenzen der Stadt im modernen Verständnis recht flexibel sind. Die tägliche Migration der Bevölkerung und die Verkehrsanbindung entlegener Gebiete schwächen die Grenzen der Stadt noch weiter. Der heutzutage häufig verwendete Begriff der Agglomeration spiegelt zwar die Grenzen der Stadt wider, macht jedoch das Konzept der Stadtgrenze an sich umso vager.

Trotz der oben beschriebenen Probleme ist die Analyse und Bewertung von Gebieten heute eines der vielversprechendsten und interessantesten Themen, das es ermöglicht, viele aktuelle Herausforderungen der urbanen Umgebung zu bewältigen.

In diesem Artikel wird ein Verfahren zur Analyse von Gebieten unter Verwendung eines "wärmenden" Modells vorgeschlagen. Die Grundlage dieses Verfahrens ist die Untersuchung der Potenziale, die durch Objekte (Faktoren) verschiedener Art (punktuell, linear und flächenhaft) geschaffen werden. Die Analyse des Gebiets mit dieser Methode ermöglicht den Übergang von einer Sammlung räumlicher Daten (Faktoren), die das Gebiet beschreiben, zu einer genauen numerischen (Punktzahl-) Bewertung an jedem Punkt des Gebiets.

Die im Rahmen der Gebietsanalysen untersuchten Potenziale haben eine physikalische Interpretation – die Verbreitung von Wärme in Medien unterschiedlicher Dimensionen (2D, 3D). Dieses Phänomen kann in Form von "Wärme"-Bildern ("Wärme"-Karten des Gebiets) dargestellt werden, die einen Eindruck vom Entwicklungsstand des Gebiets in Abhängigkeit von der Farbintensität des Bildes vermitteln.

Faktoren des Gebiets

Die Analyse des Gebiets umfasst die Suche und Verarbeitung von Informationen über die Einflussfaktoren auf das Gebiet und deren Indikatoren. Einflussfaktoren sind Objekte, die das umgebende Gebiet beeinflussen, über einen Satz von Merkmalen und räumlichen Koordinaten verfügen. Beispiele für Einflussfaktoren sind Geschäfte, Industrieanlagen, Straßen, Wälder und Gewässer.

Einflussindikatoren sind Objekte, die das Einfluss von Objekten widerspiegeln und ebenfalls über einen Satz von Merkmalen und räumlichen Koordinaten verfügen. Beispiele für Einflussindikatoren sind Geldautomaten, Werbetafeln und Denkmäler.

Im Folgenden werden wir den Begriff Einflussfaktoren verwenden, der beide Begriffe – Faktoren und Einflussindikatoren – zusammenfasst.

Im Folgenden finden Sie ein Beispiel für räumliche Daten, die als Einflussfaktoren fungieren.

Ein wichtiger Schritt bei der Analyse von Gebieten ist die Sammlung und Verarbeitung von Ausgangsinformationen. Heute gibt es zahlreiche Informationen über Einflussfaktoren auf das Gebiet in unterschiedlicher Detailtiefe.

Die Informationen können aus offenen Quellen oder aus Quellen mit eingeschränktem Zugang stammen. In vielen Fällen sind die verfügbaren offenen Informationen ausreichend für die Analyse, auch wenn sie in der Regel eine aufwendige Verarbeitung erfordern.

Unter den offenen Quellen ist unserer Meinung nach die Plattform – OpenStreetMap (OSM) – führend. Die Informationen aus dieser Quelle werden weltweit täglich aktualisiert.

Die Informationen der OpenStreetMap (OSM) werden in den folgenden Formaten bereitgestellt:

– OSM-Format. Das Hauptformat mit der Erweiterung „.osm“ wird zur Beschreibung grafischer Darstellungen verwendet, XML–Knoten, Wege, Beziehungen.

– „Polnisches Format“. Ein Textformat mit der Erweiterung „.mp“, das zur Arbeit mit Grafiken verwendet wird.

– PBF-Format. Ein Datenspeicherformat mit der Erweiterung „.osm.pbf“.

Als Informationsquellen können auch verwendet werden:

— 2GIS
Die Ressource enthält qualitativ hochwertige, monatlich aktualisierte Informationen mit einem ausgezeichneten dreistufigen Klassifikator für Unternehmen und Organisationen.

— KML (Keyhole Markup Language) Dateien
KML (Keyhole Markup Language) Dateien sind ein Dateiformat, das zur Darstellung geografischer Daten in Google Earth, Google Maps und Google Maps für mobile Geräte verwendet wird.

Mit KML-Dateien können Sie:
— verschiedene Symbole festlegen und Beschriftungen zur Kennzeichnung von Orten auf der Erdoberfläche erstellen
— unterschiedliche Blickwinkel für ausgewählte Objekte erzeugen, indem Sie die Kameraposition ändern
— verschiedene überlagerte Bilder verwenden
— Stile festlegen, um die Darstellung eines Objekts anzupassen, HTML-Code zur Erstellung von Hyperlinks und eingebetteten Bildern verwenden
— Ordner für die hierarchische Gruppierung von Elementen nutzen
— KML-Dateien dynamisch von entfernten oder lokalen Netzwerk-Knoten abrufen und aktualisieren
— KML-Daten entsprechend Änderungen im 3D-Viewer erhalten

— Bundesdienst für die staatliche Registrierung, Kataster und Kartographie „Rosreestr“
Die Informationen auf dem Portal des Rosreestra sind wertvoll aufgrund ihres Inhalts und ihrer Aktualität, jedoch ermöglichen sie leider nicht den kostenlosen Zugang zu Grafiken über Kapitalbauobjekte und Grundstücke. Das Rosreestra-Portal enthält zudem eine große Menge an Informationen mit eingeschränktem Zugang.

— Statistische Ämter
Statistische Daten sind eine legitime Informationsquelle über das Gebiet, jedoch sind die Daten der statistischen Ämter zum heutigen Stand nur für eine begrenzte Anzahl von Indikatoren verfügbar, hauptsächlich in den Berichten der statistischen Ämter und den Publikationen der Regionalbehörden.

— Informationssysteme der Behörden
Qualitative Informationen sind in den Informationssystemen der Behörden enthalten, jedoch wird nur ein kleiner Teil davon öffentlich zugänglich gemacht und steht für die Analyse zur Verfügung.

Die Durchführung einer Standortanalyse unterliegt keinen spezifischen Anforderungen an die Informationszusammensetzung; man kann im Wesentlichen alles verwenden, was man finden kann, und Informationen aus öffentlich zugänglichen Quellen sind in der Regel austauschbar. Es ist jedoch zu beachten, dass selbst die Informationen, die nur von der OSM-Ressource stammen, ausreichen, um eine Analyse eines unbekannten Gebiets durchzuführen.

Analyse des Gebiets mit einem „thermischen“ Modell. Physikalische Interpretation der Potenziale

Wie bereits zuvor erwähnt, ist die Analyse von Gebieten heute ein aktuelles Thema und ein starkes Instrument, um fundierte Investitionen in die Entwicklung der Infrastruktur unterschiedlicher urbaner Umgebungen zu gewinnen.

Die Vielfalt der Aufgaben, die durch die Durchführung von Standortanalysen gelöst werden, lässt sich in mehrere große Richtungen zusammenfassen:

— Erhalt einer maximal interpretierbaren und detaillierten Bewertung des Gebiets an jedem Punkt.
Durch die Bearbeitung der gegebenen Aufgabe kann ein Satz von Punktbewertungen für jedes Gebiet erhalten werden, der Einblicke in den Entwicklungsstand des Gebiets insgesamt sowie in bestimmte Themenbereiche bietet. Solche Themenbereiche können beispielsweise Kultur, Industrie, Handel usw. sein.

— Bestimmung der günstigsten Standorte für die Platzierung von Investitionsobjekten bestimmter Art (z. B. Banken, Fachgeschäfte, Handels- und Freizeitcenter usw.) im ausgewählten Gebiet.

— Analyse der effizientesten Nutzung des Gebiets.
Dieses Spektrum ermöglicht eine detaillierte Untersuchung der Eigenschaften des Gebiets, der Marktsituation, die in dem untersuchten Gebiet herrscht, sowie die Identifizierung gefragter Optionen.

— Bestimmung des Beitrags eines Faktors zum Kostenmodell, beispielsweise durch das Erscheinen neuer Straßen und neuer Routen.

— Analyse verschiedener Aspekte eines Gebiets und Analyse unterschiedlicher Gebiete (Vergleich der Gebiete).

Die Originalität der in diesem Artikel vorgestellten Analysemethode für Gebiete mit Hilfe eines "thermischen" Modells liegt in der Verwendung von Indikatoren zur Entwicklung des Gebiets – Potenziale, die in numerischer Form dargestellt werden und den Einfluss eines Objekts (Einflussfaktors) auf das Gebiet widerspiegeln.

Um das Wesen der Untersuchung zu verstehen, sollte man ein paar Worte über das thermische Potential sagen und dessen physikalische Interpretation geben.

In der Physik gibt es Begriffe wie Kraftfeld и Kraftfunktion. Das Kraftfeld hat die Dimension Energie, die Kraftfunktion – die Dimension Kraft.

Für das Gesetz der universellen Gravitation wird das Kraftfeld durch die Formel definiert:

F=k/r², wobei
k – Konstante;
r – Abstand zwischen den wechselwirkenden Objekten.

Die Kraftfunktion ϕ wird durch den Ausdruck definiert:

dϕ=-F*dr, wobei
ϕ — das Potential des Kraftfeldes;
dϕ, dr – Differenziale;
r — Abstand zwischen den wechselwirkenden Objekten,

daher ist ϕ=k/r.

Die physikalische Bedeutung des Potentials des Kraftfeldes ϕ ist die Arbeit E, die vom Kraftfeld beim Durchlaufen eines bestimmten Weges verrichtet wird. Im Fall des Gesetzes der universellen Gravitation wird die Kraftfunktion bei der Änderung der Entfernung zum Objekt von r2 auf r1 durch die Formel definiert

E=k*(1/r1-1/r2), wobei
E die Arbeit ist, die vom Kraftfeld beim Durchlaufen eines bestimmten Weges verrichtet wird;
r1, r2 die Anfangs- und Endposition des Objekts sind.

Für die Analyse der Territorien kann der Einfluss von Objekten (Faktoren) auf das Gebiet als Kraft (Kraftfunktion), während das Entwicklungsniveau des Territoriums als summierter Wärmepotential (Kraftfeld) aller Objekte (Faktoren) angesehen werden. In der Physik ist das Wärmepotential die Temperatur, während im Kontext der Analyse von Territorien unter Verwendung eines "wärmenden" Modells das Potential die kumulative Wirkung aller Einflussfaktoren auf einen bestimmten Punkt im Gebiet darstellt.

Räumliche Daten bestehen aus Punkten, Linien und Polygonen. Für die Berechnung der Potenziale werden umfangreiche räumliche Daten in kleinere Fragmente zerlegt. Für jedes Fragment wird das Potenzial von einem Punkt mit einem Multiplikator berechnet, der der Größe des Objektfragments entspricht (Faktor).

Die Daten werden in bedeutungsvolle Gruppen nach dem Prinzip der nahen Ähnlichkeit unterteilt. Zum Beispiel sind Handelsobjekte nach Waren gruppiert. Es gibt Gruppen von Waldobjekten, Wasserobjekten, Siedlungen, Haltestellen usw. Die inhaltlich zusammengefassten Gruppen stellen einen Faktor dar. Durch das Durchlaufen aller Objekte (Faktoren) erhalten wir eine Menge an Wärmepotenzialen, die für eine weitere Verarbeitung geeignet sind.

Die Nutzung von Potenzialen ("Heatmaps") ermöglicht den Übergang von räumlichen Daten zu "warmen" Abbildungen von Einflussfaktoren auf Gebiete (Visualisierung von Potenzialen). Dieser Übergang erlaubt es, den Grad des Einflussfaktors an jedem Punkt des Gebiets zu bestimmen und weitere Analysen durchzuführen, d.h. unterschiedliche Entwicklungsrichtungen der Stadt durch Farben darzustellen. So erhalten wir eine Leuchtkraft unterschiedlicher Intensität für jeden Punkt des Gebiets.

Beispiele für die "Heatmap" des Gebiets von Nizhny Novgorod in Bezug auf mehrere Faktoren sind unten dargestellt.

"Heatmap" von Nizhny Novgorod, die den Faktor "Apothekennetz" widerspiegelt

"Heatmap" von Nizhny Novgorod, die den Faktor "Erwachsenenpolikliniken" widerspiegelt

"Heatmap" von Nizhny Novgorod, die den Faktor "Kinderpolikliniken" widerspiegelt

"Heatmap" von Nizhny Novgorod, die den Faktor "Industriegebiete" widerspiegelt

„Thermische“ Bilder des Gebiets ermöglichen die Bestimmung der Konzentration von Potenzialen aus verschiedenen Einflussobjekten. Anschließend ist es notwendig, die erhaltenen Potenziale in eine integrale Kennzahl zu kombinieren, die eine Bewertung des Gebiets nach einer Vielzahl von Faktoren ermöglicht. Dazu ist eine Methode erforderlich, die es ermöglicht, große Informationsmengen zu analysieren, Objekte zu erkennen und die Dimensionalität der Daten zu reduzieren, während möglichst wenig Information verloren geht. Eine solche Methode ist die Hauptkomponentenanalyse (Principal Component Analysis, PCA). Weitere Informationen zu dieser Methode finden Sie in Wikis.

Der Kern der Methode besteht darin, eine lineare Kombination der ursprünglichen Parameter zu finden, die sich im Analysebereich am stärksten verändert. Bei räumlichen Daten handelt es sich um diejenige, die sich über das Gebiet hinweg am stärksten verändert.

Die Hauptkomponentenanalyse identifiziert die Objekte (Faktoren), die sich am stärksten über das Gebiet hinweg verändern. Durch diesen Ansatz entstehen neue Variablen – die Hauptkomponenten –, die im Vergleich zu den ursprünglichen Daten informativer sind und eine einfachere Analyse, Beschreibung und Visualisierung des Gebiets ermöglichen, sowie eine leichtere Modellbildung.

Die Hauptkomponenten stellen analytische Ausdrücke dar – eine Summe der Potenziale der ursprünglichen Faktoren mit bestimmten Koeffizienten. Wenn jedoch ein Faktor erheblichen Einfluss auf das Gebiet hat, aber sich über das analysierte Gebiet hinweg nicht verändert, wird dieser Faktor nicht in die Hauptkomponenten aufgenommen.

Die Hauptkomponenten werden nach abnehmender Informationsmenge sortiert – d.h. nach ihrer Verbreitung im Gebiet. Die ersten Hauptkomponenten enthalten wesentlich mehr Informationen als einzelne Faktoren und beschreiben das Gebiet gut. In der Regel vermittelt die erste Hauptkomponente bei der Verwendung von etwa hundert Faktoren etwa 50 % aller Informationen (Streuung) des Gebiets. Die Hauptkomponenten korrelieren nicht miteinander und können als Merkmale des Gebiets an jedem Punkt für Modelle verwendet werden.

Die Hauptkomponente, als ein gewisser abstrakt berechneter Indikator des Gebiets, hat keinen klaren Namen oder Klassifikation. Die Kombination von Faktoren, die stark mit der Hauptkomponente korrelieren, ermöglicht jedoch die Interpretation der Hauptkomponenten. In der Regel korrelieren die folgenden Faktoren mit den Hauptkomponenten:

— Entwicklungsstand der Infrastruktur;
— Verkehrsinfrastruktur des Gebiets;
— Klimazonen;
— Entwicklungsstand der Landwirtschaft;
— Wirtschaftliches Potenzial des Gebiets.

Die weitere Analyse, einschließlich der Clusterbildung, erfolgt mit den ersten bedeutenden Hauptkomponenten.

In den Abbildungen sind die grafischen Darstellungen der ersten Hauptkomponenten in mehreren Städten der Russischen Föderation zu sehen.

Die erste Hauptkomponente, die das Niveau der städtischen Infrastruktur in Nischni Nowgorod charakterisiert.

Die erste Hauptkomponente, die das Niveau der städtischen Infrastruktur in Jekaterinburg charakterisiert.

Die erste Hauptkomponente, die das Niveau der städtischen Infrastruktur in Kasan charakterisiert.

Die erste Hauptkomponente, die das Niveau der städtischen Infrastruktur in Perm charakterisiert.

Die erste Hauptkomponente, die das Niveau der städtischen Infrastruktur in Samara charakterisiert.

Die erste Hauptkomponente, die das Niveau der städtischen Infrastruktur in Chabarowsk charakterisiert.

Integrale Merkmale: Clusterbildung

Der nächste Schritt bei der Analyse von Gebieten besteht darin, Zonen der urbanen Umgebung zu identifizieren, die in ihrer Qualität homogen sind. Diese Suche basiert auf der Analyse der Hauptkomponentenwerte an jedem Punkt des Gebiets. Die Aufgabe, diese homogenen Zonen zu finden, kann durch Clusteranalyse gelöst werden – einen Prozess, der Gebiete basierend auf der Nähe ihrer Merkmale gruppiert.

Die Clusteranalyse des Gebiets verfolgt zwei Ziele:

— eine besser wahrnehmbare Visualisierung des Gebiets zu schaffen;
— Bereiche zu identifizieren, um separate Modelle zu erstellen.

Die Gebiete werden nach den ausgewählten Faktoren für die Analyse klasterisiert. Diese Faktoren können solche sein, die sich auf die Preisgestaltung auswirken, oder Faktoren, die eine bestimmte Dimension der Gebietsentwicklung beschreiben, wie zum Beispiel die soziale Sphäre.

Es gibt zwei verbreitete klassische Cluster-Methoden: die K-Means-Methode und die Dendrogramm-Methode. Bei der Arbeit mit Regionen hat sich die K-Means-Methode bewährt, deren Besonderheit darin besteht, Cluster durch das Hinzufügen neuer Objekte zu den Wachstumspunkten zu "züchten". Die Vorteile der K-Means-Methode liegen in der Ähnlichkeit ihrer Arbeitsweise mit dem natürlichen Prozess der Bildung von Regionen: Integration von Ähnlichem, nicht die Trennung von Unähnlichem.

Die K-Means-Methode wurde für Nischni Nowgorod angewendet (siehe Abbildung unten).

Entsprechung der Cluster mit dem Entwicklungsstand der Region am Beispiel von Nischni Nowgorod

Mit dem vorgeschlagenen Ansatz kann man sich ein Bild von der Region zu verschiedenen Themen machen. Zu den für uns interessanten Themen gehören beispielsweise der Stand der städtischen Infrastruktur, der Grad der "Elitehaftigkeit" des Gebiets, der Stand der Kulturentwicklung und die sozialen Aspekte der Gebietsentwicklung. Diese Themen sind schwer definierbare integrale Begriffe und bestehen aus vielen miteinander verbundenen Faktoren.

Mit einem bestimmten Algorithmus zur Auswahl von Parametern für die Analyse (einschließlich der Einbeziehung von Experten) erhalten wir thematische Karten, die Einblicke in einen Aspekt der Entwicklung des Gebiets geben.

Unter integralen Merkmalen versteht man die ersten Hauptkomponenten, vor allem die informationsreichste erste Hauptkomponente, sowie die Clusterung des Gebiets nach den ausgewählten Parametern.

Die thematischen Karten der ersten Hauptkomponenten zu verschiedenen Aspekten der Entwicklung sind in den untenstehenden Abbildungen dargestellt.

Thematische Karte „Kulturelle Objekte“ am Beispiel von N. Novgorod

Thematische Karte „Sozialbereich“ am Beispiel von N. Novgorod

Integrale Merkmale ermöglichen es, die Besonderheiten des Gebiets zu verstehen, indem sie mit einer Vielzahl von Faktoren an operieren, ohne signifikante Informationsverluste.

Abschließend sei nochmals betont, dass die Analyse von Gebieten heute ein äußerst wichtiger Schritt bei der Lösung von Aufgaben der Stadtentwicklung, der Auswahl von Standorten für Investitionen in Bauprojekte, der Suche nach dem günstigsten Standort neuer Objekte und anderen Herausforderungen ist.

Die in dem Artikel vorgestellte Methode zur Analyse von Gebieten unter Verwendung eines „wärmenden“ Modells aus Faktoren unterschiedlicher Natur ist nicht kritisch gegenüber der Faktorenanzahl, d.h. sie stellt keine Einschränkungen oder Anforderungen an die Ausgangsinformationen.

Die Vielfalt und Überfluss an Ausgangsinformationen sowie die Möglichkeit, auf offene Daten zuzugreifen, bieten unbegrenzte Perspektiven für die Analyse beliebiger Gebiete der Welt.

In den folgenden Publikationen, die sich mit den Aufgaben der Gebietsanalysen befassen, planen wir, die Besonderheiten der Erstellung von Modellen unter Verwendung der Hauptkomponenten und Methoden zu ihrer Umsetzung für solche Aufgaben wie:

— die Auswahl des besten Standorts für die Platzierung eines neuen Objekts;
— die Erstellung einer Preisoberfläche für eine bestimmte Kategorie von Objekten unter Verwendung des Marktwerts;
— die Bewertung der Rentabilität einer bestimmten Art von Aktivität in Abhängigkeit vom Standort der Objekte.

Zudem planen wir, Methoden des Rückübergangs von Hauptkomponenten zu Faktoren vorzustellen, was wiederum die Erstellung eines faktorbasierten Modells für dieses Gebiet ermöglicht.

Quelle: habr.com