Die Nutzung von Wärmepotenzialen 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 mit Hilfe von räumlichen Objekten (Faktoren) erfolgen. Die Faktoren, die das Gebiet beschreiben, unterscheiden sich in ihrer Einflussweise (positiv, negativ) und geometrischen Konfiguration (Punkte, Linien, Polygone).

Es ist oft schwierig, den Einfluss jedes einzelnen Objekts auf das Entwicklungsniveau des Gebiets insgesamt oder einen bestimmten Aspekt davon zu bestimmen. Heute wird das Problem der Definition und Beschreibung von Begriffen wie "Kultur", "Sozialbereich", "soziale Spannungen", "gutes Leben", "wirtschaftliche Entwicklung", "Gesundheit der Bevölkerung" immer relevanter. Die Mehrdeutigkeit dieser Begriffe nimmt zu, wenn wir sie auf verschiedene soziale Gruppen, Bevölkerungsgruppen unterschiedlicher Altersgruppen und Geschlechter anwenden wollen.

Es sollte auch erwähnt werden, dass die Grenzen der Stadt im modernen Verständnis ziemlich bedingt sind. Die tägliche Migration der Bevölkerung und die Verkehrsanbindung abgelegener Gebiete "verwischen die Grenze" der Stadt noch mehr. Der heute weit verbreitete Begriff der Agglomeration spiegelt im Wesentlichen die Grenzen der Stadt wider, macht aber gleichzeitig den Begriff der Stadtgrenze noch vage.

Trotz der oben beschriebenen Probleme sind die Analyse und Bewertung von Gebieten heute eines der vielversprechendsten und interessantesten Felder, das es ermöglicht, viele aktuelle Aufgaben des städtischen Umfelds zu lösen.

In dem Artikel wird eine Methode zur Analyse von Gebieten unter Verwendung eines "Wärmemodells" vorgeschlagen. Diese Methode basiert auf der Untersuchung von Potenzialen, die durch Objekte (Faktoren) unterschiedlicher Natur (punktuell, linear und flächig) erzeugt werden. Die Analyse des Gebiets mithilfe dieser Methode ermöglicht es, von einem Satz räumlicher Daten (Faktoren), die das Gebiet beschreiben, zu einer genauen numerischen (Punkt-)Bewertung an jedem Punkt des Gebiets überzugehen.

Die im Rahmen der Analyse des Territoriums untersuchten Potenziale haben eine physische 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 von der Entwicklungsstufe des Gebiets in Abhängigkeit von der Farbintensität des Bildes vermitteln.

Faktoren des Gebiets

Die Analyse des Gebiets beinhaltet die Suche und Verarbeitung von Informationen über Einflussfaktoren auf das Gebiet und deren Indikatoren. Einflussfaktoren sind Objekte, die das umgebende Gebiet beeinflussen und über eine Reihe von Eigenschaften sowie räumliche Koordinaten verfügen. Beispiele für Einflussfaktoren sind Geschäfte, Industrieanlagen, Straßen, Wälder und Gewässer.

Einflussindikatoren sind Objekte, die den Einfluss von Objekten widerspiegeln und ebenfalls über eine Reihe von Eigenschaften sowie räumliche Koordinaten verfügen. Beispiele für Einflussindikatoren sind Geldautomaten, Werbetafeln und Denkmäler.

In der weiteren Darstellung werden wir den Begriff Einflussfaktoren verwenden, der beide Begriffe – Faktoren und Einflussindikatoren – zusammenfasst.

Im Folgenden wird ein Beispiel für räumliche Daten gegeben, die als Einflussfaktoren fungieren.

Ein wichtiger Schritt bei der Analyse von Gebieten ist die Phase der Sammlung und Verarbeitung der Ausgangsinformationen. Heute gibt es viele Informationen über Einflussfaktoren auf das Gebiet in unterschiedlichem Detailgrad.

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

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

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

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

— „Polnisches Format“. Ein Textformat mit der Erweiterung „.mp“ wird für die grafische Verarbeitung verwendet.

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

Als Informationsquellen können auch verwendet werden:

— 2ГИС
Die Ressource enthält qualitativ hochwertige, monatlich aktualisierte Informationen mit einem hervorragenden dreistufigen Klassifikationssystem für Unternehmen und Organisationen.

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

Mit KML-Dateien kann man:
— verschiedene Symbole festlegen und Beschriftungen zur Kennzeichnung von Orten auf der Erdoberfläche erstellen
— unterschiedliche Perspektiven für ausgewählte Objekte schaffen, indem die Kameraposition geändert wird
— verschiedene überlagerte Bilder verwenden
— Stile definieren, um die Darstellung des Objekts anzupassen, HTML-Code zur Erstellung von Hyperlinks und eingebetteten Bildern anwenden
— Ordner zur hierarchischen Gruppierung von Elementen nutzen
— KML-Dateien dynamisch von entfernten oder lokalen Netzwerk-Knoten abrufen und aktualisieren
— KML-Daten entsprechend den Änderungen im 3D-Viewer abrufen

— Bundesdienst für staatliche Registrierung, Kataster und Kartographie "Rosreestr"
Die Informationen auf dem Rosreestr-Portal sind aufgrund ihres Inhalts und ihrer Aktualität wertvoll, ermöglichen jedoch leider keinen kostenlosen Zugang zu Grafiken von Objekten der Immobilienentwicklung und Grundstücken. Das Rosreestr-Portal enthält auch eine große Menge an Informationen mit eingeschränktem Zugriff.

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

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

Die Analyse von Gebieten unterliegt keinen spezifischen Anforderungen an den Informationsgehalt; im Grunde kann alles verwendet werden, was gefunden wurde, wobei Informationen aus offenen Quellen austauschbar sind. Es ist jedoch zu beachten, dass sogar die Informationen, die von der OSM-Ressource (OpenStreetMap) erhalten werden, ausreichen, um eine Analyse eines unbekannten Gebiets durchzuführen.

Gebietsanalysen unter Verwendung des "thermischen" Modells. Physikalische Interpretation der Potenziale

Wie bereits erwähnt, ist die Analyse von Gebieten heutzutage ein aktuelles Thema und ein leistungsfähiges Werkzeug für die fundierte Beschaffung von Investitionen in die Infrastruktur verschiedener urbaner Umgebungen.

Die Vielfalt der Aufgaben, die durch die Durchführung von Gebietsanalysen gelöst werden, kann in mehrere Hauptbereiche unterteilt werden:

— Maximale interpretierbare und detaillierte Bewertung des Gebiets an jedem Punkt.
Bei der Lösung der gestellten Aufgabe kann ein Satz von Punktwerten in jedem Bereich des Gebiets erhalten werden, der einen Überblick über das allgemeine Entwicklungsniveau des Gebiets sowie in einem bestimmten Bereich gibt. Ein solcher Bereich kann beispielsweise Kultur, Industrie, Handel usw. sein.

— Bestimmung der rentabelsten Standorte für die Platzierung von Investitionsobjekten eines bestimmten Typs (z.B. Banken, Fachgeschäften, Einkaufs- und Freizeitcentern usw.) im gewählten Gebiet.

— Analyse der effektivsten Nutzung des Gebiets.
Diese Richtung ermöglicht eine detaillierte Untersuchung der Merkmale des Gebiets, der Marktbedingungen, die auf dem untersuchten Gebiet herrschen, und die Identifizierung von gefragten Optionen.

— Bestimmung des Beitrags eines Faktors zum Preisbildungsmodell, am Beispiel des Auftretens neuer Straßen und neuer Routen.

— Analyse verschiedener Aspekte eines Gebiets und den Vergleich verschiedener Gebiete.

Die Originalität der in diesem Artikel vorgeschlagenen Methode zur Analyse von Gebieten mit Hilfe des "thermischen" Modells besteht in der Verwendung von Entwicklungsindikatoren des Gebiets — Potenziale, die in numerischer Form dargestellt werden und den Einfluss eines Objekts (Einflussfaktor) auf das Gebiet widerspiegeln.

Um den Kern der Studie zu verstehen, sollte man einige Worte über das thermische Potenzial selbst sagen und seine physikalische Interpretation geben.

In der Physik gibt es Konzepte wie Feldkraft und Kraftfunktion. Das Feldkraft hat die Dimension von Energie, die Kraftfunktion – die Dimension von Kraft.

Für das Gravitationsgesetz ist das Feldkraft durch die Formel definiert:

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

Die Kraftfunktion ϕ wird durch den Ausdruck definiert:

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

somit ϕ=k/r.

Die physikalische Bedeutung des Potenzials des Feldkrafts ϕ ist die Arbeit E, die vom Feldkraft bei der Bewegung über eine gewisse Strecke verrichtet wird. Im Fall des Gravitationsgesetzes wird die Kraftfunktion bei einer Veränderung des Abstands zum Objekt von r2 auf r1 durch die Formel definiert

E=k*(1/r1-1/r2), wobei
E – die Arbeit, die vom Feldkraft beim Bewegen über eine bestimmte Strecke verrichtet wird;
r1, r2 – die Anfangs- und Endposition des Objekts.

Für die Analyse der Gebietsbeeinflussung können die Objekte (Faktoren) als Kraft betrachtet werden (Kraftfunktion), während das Entwicklungsniveau des Gebiets als die gesamte thermische Potenzial (Feldkraft) aller Objekte (Faktoren) betrachtet werden kann. In physikalischen Aufgaben stellt das thermische Potenzial die Temperatur dar, während es in der Analyse von Gebieten mit einem "thermischen" Modell die gesamte Wirkung aller Einflussfaktoren auf einen Punkt des Gebiets repräsentiert.

Räumliche Daten bestehen aus Punkten, Linien, Polygonen. Um die Potenziale zu berechnen, werden längliche räumliche Daten in kleine Fragmente unterteilt. Für jedes Fragment wird das Potenzial von einem Punkt mit einem Multiplikator berechnet, der der Größe des Fragmentes des Objekts (Faktors) entspricht.

Die Daten werden in semantische Gruppen nach dem Prinzip der nahegelegenen Ähnlichkeit unterteilt. Beispielsweise werden Handelsobjekte nach Waren gruppiert. Es gibt Gruppen von Waldobjekten, Wasserobjekten, Siedlungen, Verkehrshaltestellen usw. Sinnverwandte Gruppen stellen einen Faktor dar. Durch das Durchgehen aller Objekte (Faktoren) erhalten wir eine Reihe von thermischen Potenzialen, die für die weitere Verarbeitung geeignet sind.

Die Nutzung von Potenzialen ("Heatmaps") ermöglicht den Übergang von räumlichen Daten zu "thermischen" Darstellungen von Objekten (Faktoren), die Einfluss auf Gebiete haben (Visualisierung der Potenziale). Dieser Übergang ermöglicht es, den Grad des Einflusses jedes Faktors an jedem Punkt des Gebiets zu bestimmen und eine weitere Analyse durchzuführen, d.h. verschiedene Entwicklungsrichtungen der Stadt farblich darzustellen. Auf diese Weise erhalten wir eine Strahlung unterschiedlicher Intensität für jeden Punkt des Gebiets.

Beispiele für "thermische" Darstellungen des Gebiets der Stadt Nischni Nowgorod in Bezug auf mehrere Faktoren sind unten aufgeführt.

"Thermische" Karte der Stadt Nischni Nowgorod, die den Faktor "Apothekennetz" widerspiegelt

"Thermische" Karte der Stadt Nischni Nowgorod, die den Faktor "Polikliniken für Erwachsene" widerspiegelt

"Thermische" Karte der Stadt Nischni Nowgorod, die den Faktor "Kinderpolikliniken" widerspiegelt

"Thermische" Karte der Stadt Nischni Nowgorod, die den Faktor "Industriegebiete" widerspiegelt

"Thermische" Darstellungen des Gebiets ermöglichen die Bestimmung der Konzentration von Potenzialen verschiedener Einflussobjekte. Anschließend ist es notwendig, die gewonnenen Potenziale in eine integrale Kennzeichnung zu kombinieren, die eine Bewertung des Gebiets anhand einer Vielzahl von Faktoren ermöglicht. Dafür ist eine Methode notwendig, die die Analyse eines großen Informationsvolumens ermöglicht, Objekte erkennt und außerdem die Dimensionalität der Daten reduziert, während sie möglichst wenig Informationen verliert. Eine solche Methode ist die Hauptkomponentenanalyse (Principal Component Analysis, PCA). Näheres über diese Methode kann man lesen in Wikis.

Der Kern der Methode besteht darin, eine lineare Kombination der Ausgangsparameter zu finden, die sich im Bereich der Analyse am stärksten verändert. Bei räumlichen Daten ist dies die stärkste Veränderung im Gebiet.

Die Hauptkomponentenanalyse identifiziert die Objekte (Faktoren), die sich im Gebiet am stärksten ändern. Infolgedessen entstehen neue Variablen – Hauptkomponenten, die informativer im Vergleich zu den Ausgangsdaten sind, mit denen es einfacher ist, das Gebiet zu analysieren, zu beschreiben und zu visualisieren sowie Modelle zu erstellen.

Die Hauptkomponenten stellen analytische Ausdrücke dar – die Summe der Potenziale der Eingangs-faktoren mit bestimmten Koeffizienten. Wenn jedoch ein Faktor einen wesentlichen Einfluss auf das Gebiet hat, aber sich im analysierten Gebiet nicht ändert, wird dieser Faktor in die Hauptkomponenten nicht aufgenommen.

Die Hauptkomponenten sind nach abnehmender Information geordnet – d.h. der Verbreitung im Gebiet. Die ersten Hauptkomponenten enthalten wesentlich mehr Informationen als einzelne Faktoren und beschreiben das Gebiet gut. In der Regel trägt die erste Hauptkomponente bei der Verwendung von etwa einhundert Faktoren etwa 50 % der gesamten Information (Varianz) im Gebiet. Die Hauptkomponenten korrelieren nicht untereinander und können für Modelle als Merkmale des Gebiets an jedem Punkt verwendet werden.

Die Hauptkomponente, als eine abstrakt berechnete Kennzahl für das Gebiet, hat keinen klaren Namen und keine Klassifizierung. Eine Gruppe von Faktoren, die stark mit der Hauptkomponente korrelieren, ermöglicht jedoch die Interpretation der Hauptkomponenten. In der Regel korrelieren mit den Hauptkomponenten folgende Faktoren:

— Entwicklungsstand der Infrastruktur;
— transporttechnische Aspekte des Gebiets;
— Klimazonen;
— Entwicklungsstand der Landwirtschaft;
— wirtschaftliches Potenzial des Gebiets.

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

Auf den Abbildungen kann man die grafische Darstellung der ersten Hauptkomponenten in mehreren Städten der Russischen Föderation sehen.

Die erste Hauptkomponente, die den Entwicklungsstand der städtischen Infrastruktur der Stadt N. Novgorod charakterisiert

Die erste Hauptkomponente, die den Entwicklungsstand der städtischen Infrastruktur der Stadt Jekaterinburg charakterisiert

Die erste Hauptkomponente, die den Entwicklungsstand der städtischen Infrastruktur der Stadt Kasan charakterisiert

Die erste Hauptkomponente, die den Entwicklungsstand der städtischen Infrastruktur der Stadt Perm charakterisiert

Die erste Hauptkomponente, die den Entwicklungsstand der städtischen Infrastruktur der Stadt Samara charakterisiert

Die erste Hauptkomponente, die den Entwicklungsstand der städtischen Infrastruktur der Stadt Chabarowsk charakterisiert

Integrale Merkmale: Clusterbildung

Der nächste Schritt bei der Analyse von Gebieten besteht darin, Zonen der städtischen Umwelt zu identifizieren, die eine homogene Qualität aufweisen. Diese Suche basiert auf der Analyse der Werte der Hauptkomponenten an jedem Punkt des Gebiets. Die Aufgabe, die genannten homogenen Zonen zu finden, kann durch Clusterbildung gelöst werden – den Prozess der Gruppierung von Gebieten nach der Nähe einer Menge von Merkmalen.

Die Clusterbildung des Gebiets verfolgt zwei Ziele:

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

Die Gebiete werden entsprechend den ausgewählten Faktoren für die Analyse geclustert. Diese Faktoren können Einflussfaktoren auf die Preisgestaltung oder Faktoren sein, die einen Aspekt der Entwicklung des Gebiets beschreiben, wie zum Beispiel den sozialen Sektor.

Es gibt zwei gängige klassische Methoden der Clusterbildung: die K-Means-Methode und die Dendrogramm-Methode. Bei der Arbeit mit Gebieten hat sich die K-Means-Methode bewährt, deren Besonderheit das "Wachsen" eines Clusters ist, indem neue Objekte an die Wachstumspunkte angehängt werden. Die Vorteile der K-Means-Methode liegen darin, dass ihre Funktionsweise dem natürlichen Prozess der Gebietsbildung ähnelt: die Integration ähnlicher, nicht die Trennung unähnlicher.

Mit der K-Means-Methode wurde eine Berechnung für Nischni Nowgorod durchgeführt (siehe Abbildung unten).

Entsprechung der Cluster mit dem Entwicklungsniveau des Gebiets am Beispiel von Nischni Nowgorod

Mit dem vorgeschlagenen Ansatz kann man ein Bild des Gebiets zu verschiedenen Themen erhalten. Die Themen, die uns interessieren, könnten zum Beispiel das Niveau der städtischen Infrastruktur, das Niveau der "Elitärheit" des Gebiets, das Niveau der kulturellen Entwicklung und die sozialen Aspekte der Gebietsentwicklung sein. Diese Themen sind schlecht definierte integrale Konzepte und bestehen aus einer Vielzahl von miteinander verknüpften Faktoren.

Mit einem gewissen Algorithmus zur Auswahl von Parametern zur Analyse (einschließlich der Einbeziehung von Experten) erhalten wir thematische Karten, die einen Einblick in einen Aspekt der Gebietsentwicklung geben.

Unter integralen Merkmalen versteht man die ersten Hauptkomponenten, vor allem die informativste erste Hauptkomponente, und die Clusterbildung des Gebiets nach den ausgewählten Parametern.

Thematische Karten der ersten Hauptkomponenten zu verschiedenen Aspekten der Entwicklung sind in den folgenden Abbildungen dargestellt.

Thematische Karte «Kulturstätten» 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 unter minimalen Informationsverlusten operieren.

Abschließend ist noch einmal zu betonen, dass die Analyse von Gebieten heute ein äußerst wichtiger Schritt bei der Lösung der Aufgaben der Stadtentwicklung, der Auswahl von Investitionsstandorten für Bauprojekte, der Suche nach den vorteilhaftesten Standorten neuer Objekte und anderer Aufgaben ist.

Die in dem Artikel vorgeschlagene Methode zur Analyse des Gebiets unter Verwendung eines «Wärmemodells» aus Faktoren unterschiedlicher Natur ist nicht kritisch in Bezug auf die Anzahl der Faktoren, d.h. sie legt keine Einschränkungen und Anforderungen an die Ausgangsinformationen fest.

Die Vielfalt und Überfülle der Ausgangsinformationen sowie die Möglichkeit, mit offenen Daten zu arbeiten, bieten uneingeschränkte Perspektiven für die Analyse beliebiger Gebiete der Welt.

In den folgenden Veröffentlichungen, die sich mit den Aufgaben der Gebietsanalysen befassen, planen wir, die Besonderheiten der Erstellung von Modellen unter Verwendung der Hauptkomponenten und deren Umsetzung für Aufgaben wie:

— die beste Lage für die Platzierung eines neuen Objekts zu wählen;
— die Preisoberfläche für eine bestimmte Objektkategorie unter Verwendung des Marktwertes zu erstellen;
— die Rentabilität bestimmter Arten von Aktivitäten in Abhängigkeit vom Standort der Objekte zu bewerten.

Zusätzlich planen wir, Methoden des Rückübergangs von Hauptkomponenten zu Faktoren vorzustellen, was ermöglicht, ein Faktorenmodell für dieses Gebiet zu erhalten.

Quelle: habr.com