Ein Beispiel für die Berechnung des Wärmepotenzials für ein Straßennetz in Nischni Nowgorod
Das Stadtgebiet ist ein komplexes, heterogenes System, das sich ständig verändert. Sie können das Territorium beschreiben und die städtische Umgebung anhand räumlicher Objekte (Faktoren) bewerten. Faktoren, die das Territorium beschreiben, unterscheiden sich in der Art ihres Einflusses (positiv, negativ) und in der geometrischen Konfiguration (Punkte, Linien, Polygone).
Es ist oft recht schwierig, den Einfluss jedes einzelnen Objekts auf den Entwicklungsstand des gesamten Territoriums oder eines bestimmten Aspekts davon zu bestimmen. Heutzutage wird das Problem der Definition und Beschreibung von Begriffen wie „Kultur“, „sozialer Bereich“, „soziale Spannung“, „gutes Leben“, „wirtschaftliche Entwicklung“ und „Gesundheit der Bevölkerung“ immer relevanter. Die Mehrdeutigkeit dieser Konzepte nimmt zu, wenn wir sie auf verschiedene soziale Gruppen, Bevölkerungsgruppen unterschiedlichen Alters und Geschlechts anwenden wollen.
Außerdem ist zu beachten, dass die Grenzen der Stadt im modernen Konzept recht willkürlich sind. Die tägliche Migration der Bevölkerung und die Verkehrsanbindung abgelegener Gebiete „verwischen die Grenzen“ der Stadt noch mehr. Der heute weit verbreitete Begriff der Agglomeration spiegelt im Allgemeinen die Grenzen der Stadt wider, macht aber gleichzeitig den Begriff der Stadtgrenze selbst noch vager.
Trotz der oben beschriebenen Probleme gehören die Analyse und Bewertung von Territorien heute zu den vielversprechendsten und interessantesten Bereichen, die die Lösung vieler drängender Probleme der städtischen Umwelt ermöglichen.
Der Artikel schlägt eine Methode zur Analyse des Territoriums mithilfe eines „thermischen“ Modells zur Prüfung vor. Diese Methode basiert auf der Untersuchung von Potentialen, die von Objekten (Faktoren) unterschiedlicher Art (punktuell, linear und flächig) erzeugt werden. Die Analyse des Territoriums mit dieser Methode ermöglicht den Übergang von einem Satz räumlicher Daten (Faktoren), die das Territorium beschreiben, zu einer genauen numerischen Bewertung (Score) an jedem Punkt des Territoriums.
Die im Rahmen der Gebietsanalyse untersuchten Potenziale haben eine physikalische Interpretation – Wärmeausbreitung in Umgebungen unterschiedlicher Dimensionen (2D, 3D). Dieses Phänomen kann in Form von „Wärmebildern“ („Wärmekarten“ des Territoriums) dargestellt werden, die je nach Farbintensität des Bildes eine Vorstellung vom Grad der Entwicklung des Territoriums geben.
Territorialfaktoren
Bei der Gebietsanalyse handelt es sich um die Suche und Verarbeitung von Informationen über die das Gebiet beeinflussenden Faktoren und deren Indikatoren. Einflussfaktoren sind Objekte, die das umgebende Territorium beeinflussen und eine Reihe von Eigenschaften und räumlichen Koordinaten aufweisen. Beispiele für Einflussfaktoren sind Geschäfte, Industrieanlagen, Straßen, Wälder und Gewässer.
Einflussindikatoren sind Objekte reflektierend Einfluss von Objekten sowie eine Reihe von Eigenschaften und räumlichen Koordinaten. Beispiele für Einflussindikatoren: Geldautomaten, Werbetafeln, Denkmäler.
In der folgenden Darstellung verwenden wir das Konzept der Einflussfaktoren, das beide Begriffe – Faktoren und Einflussindikatoren – vereint.
Nachfolgend finden Sie ein Beispiel für räumliche Daten, die als Einflussfaktoren wirken.
Eine der wichtigen Phasen bei der Durchführung von Arbeiten zur Gebietsanalyse ist die Phase der Sammlung und Verarbeitung erster Informationen. Heutzutage gibt es viele Informationen über die Faktoren, die das Territorium beeinflussen, mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad.
Informationen können aus offenen Quellen oder eingeschränkten Quellen bezogen werden. In vielen Fällen reichen für die Analyse offene Informationen aus, die jedoch in der Regel eine recht aufwändige Verarbeitung erfordern.
Unter den Open Sources ist unserer Meinung nach die Ressource OpenStreetMap (OSM) führend. Die aus dieser Quelle erhaltenen Informationen werden weltweit täglich aktualisiert.
OpenStreetMap (OSM)-Ressourceninformationen werden in den folgenden Formaten dargestellt:
- OSM-Format. Das Hauptformat mit der Erweiterung „.osm“ dient zur Beschreibung von XML-Grafikbildern – Knoten, Pfaden, Beziehungen.
- „Polnisches Format“. Für die Arbeit mit Grafiken wird das Textformat mit der Erweiterung „.mp“ verwendet.
- PBF-Format. Datenspeicherformat mit der Erweiterung „.osm.pbf“.
Als Informationsquellen können Sie auch Folgendes nutzen:
- 2 GIS
Die Ressource enthält qualitativ hochwertige, monatlich verarbeitete Informationen mit einem hervorragenden 3-Ebenen-Klassifikator für Unternehmen und Organisationen.
- KML-Dateien (Keyhole Markup Language).
KML-Dateien (Keyhole Markup Language) sind ein Dateiformat, das zur Anzeige geografischer Daten in Google Earth, Google Maps und Google Maps für mobile Geräte verwendet wird.
Mit KML-Dateien können Sie:
- Installieren Sie verschiedene Symbole und erstellen Sie Signaturen, um Orte auf der Erdoberfläche anzuzeigen
– Erstellen Sie verschiedene Winkel für ausgewählte Objekte, indem Sie die Kameraposition ändern
- Verwenden Sie verschiedene Overlay-Bilder
– Definieren Sie Stile, um die Anzeige eines Objekts anzupassen, wenden Sie HTML-Code an, um Hyperlinks und Inline-Bilder zu erstellen
— Verwenden Sie Ordner zur hierarchischen Gruppierung von Elementen
– KML-Dateien dynamisch von entfernten oder lokalen Netzwerkknoten empfangen und aktualisieren
- Empfangen Sie KML-Daten entsprechend den Änderungen im 3D-Viewer
- Föderaler Dienst für staatliche Registrierung, Kataster und Kartographie „Rosreestr“
Die Informationen auf dem Rosreestr-Portal sind aufgrund ihres Inhalts und ihrer Relevanz wertvoll, ermöglichen jedoch leider nicht den kostenlosen Bezug von Grafiken für Kapitalbauprojekte und Grundstücke. Das Rosreestr-Portal enthält auch eine große Menge an Informationen zu eingeschränktem Zugang.
- Statistische Einrichtungen
Statistische Daten sind eine legitime Informationsquelle über das Gebiet. Derzeit sind Daten von statistischen Stellen jedoch nur für eine bestimmte Anzahl von Indikatoren verfügbar, hauptsächlich in den Berichten statistischer Stellen und Berichten regionaler Behörden.
- Informationssysteme von Behörden
In staatlichen Informationssystemen sind qualitativ hochwertige Informationen enthalten, aber nur ein kleiner Teil davon ist öffentlich zugänglich und steht für Analysen zur Verfügung.
Die Durchführung einer Gebietsanalyse stellt keine besonderen Anforderungen an die Zusammensetzung der Informationen; vielmehr kann alles Gefundene verwendet werden; Informationen aus offenen Quellen sind in der Regel austauschbar. Es ist jedoch zu beachten, dass bereits die aus der OSM-Ressource gewonnenen Informationen allein ausreichen, um eine Analyse auf unbekanntem Gebiet durchzuführen.
Analyse des Territoriums anhand eines „thermischen“ Modells. Physikalische Interpretation von Potenzialen
Wie bereits erwähnt, ist die Gebietsanalyse heute ein heißes Thema und ein wirksames Instrument zur begründeten Anziehung von Investitionen in die Entwicklung der Infrastruktur in verschiedenen städtischen Umgebungen.
Die Vielfalt der mithilfe der Gebietsanalyse gelösten Probleme lässt sich in mehrere Hauptbereiche zusammenfassen:
— Erhalten der am besten interpretierbaren und detailliertesten Bewertung des Territoriums an jedem Punkt.
Durch die Lösung des Problems können Sie an jedem Punkt des Territoriums eine Reihe von Punkten erhalten, die eine Vorstellung vom Entwicklungsstand des Territoriums im Allgemeinen sowie in einem bestimmten Themenbereich geben. Ein solcher Themenbereich könnte beispielsweise Kultur, Industrie, Handel usw. sein.
— Bestimmung der günstigsten Orte für die Platzierung von Investitionsobjekten einer bestimmten Art (z. B. Banken, Fachgeschäfte, Einkaufs- und Unterhaltungszentren usw.) im ausgewählten Gebiet.
— Analyse der effektivsten Nutzung des Territoriums.
Diese Richtung ermöglicht eine detaillierte Untersuchung der Merkmale des Gebiets, der Marktsituation, die sich im untersuchten Gebiet entwickelt hat, und die Identifizierung beliebter Optionen.
— Bestimmung des Beitrags eines Faktors zum Kostenmodell am Beispiel der Entstehung neuer Straßen und neuer Routen.
— Analyse verschiedener Aspekte eines Territoriums und Analyse verschiedener Territorien (Gebietsvergleich).
Die Originalität der im Artikel vorgeschlagenen Methode der Gebietsanalyse unter Verwendung des „thermischen“ Modells liegt in der Verwendung von Gebietsentwicklungsindikatoren – Potenzialen, die in numerischen Begriffen dargestellt werden und den Grad des Einflusses des Objekts (Einflussfaktor) auf das Gebiet widerspiegeln.
Um das Wesentliche der Studie zu verstehen, ist es notwendig, ein paar Worte über das thermische Potenzial selbst zu sagen und seine physikalische Interpretation zu geben.
In der Physik gibt es solche Konzepte wie Kraftfeld и Kraftfunktion. Das Kraftfeld hat die Dimension von Energie, die Kraftfunktion hat die Dimension von Kraft.
Für das Gesetz der universellen Gravitation wird das Kraftfeld durch die Formel definiert:
F=k/r2, wobei
k – konstant;
r – Abstand zwischen interagierenden Objekten.
Die Kraftfunktion ϕ wird durch den Ausdruck bestimmt:
dϕ=-F*dr, wobei
ϕ – Kraftfeldpotential;
dϕ, dr – Differentiale;
r ist der Abstand zwischen interagierenden Objekten,
also ϕ=k/r.
Die physikalische Bedeutung des Kraftfeldpotentials ϕ ist die Arbeit E, die das Kraftfeld beim Durchlaufen eines bestimmten Weges verrichtet. Im Fall des Gesetzes der universellen Gravitation wird die Kraftfunktion durch die Formel bestimmt, wenn sich der Abstand zu einem Objekt von r2 auf r1 ändert
E=k*(1/r1-1/r2), wobei
E ist die Arbeit, die das Kraftfeld beim Durchlaufen eines bestimmten Weges verrichtet;
r1, r2 – Anfangs- und Endposition des Objekts.
Für die Aufgabe der Analyse eines Territoriums kann der Einfluss von Objekten (Faktoren) auf das Territorium als Kraft betrachtet werden (Power-Funktion) und der Entwicklungsstand des Territoriums als gesamtes thermisches Potenzial (Kraftfeld) aus allen Objekten (Faktoren). Bei physikalischen Problemen ist das thermische Potenzial die Temperatur, und bei Problemen der Gebietsanalyse mithilfe eines „thermischen“ Modells stellt das Potenzial die Gesamtwirkung aller Einflussfaktoren auf einen Punkt im Gebiet dar.
Geodaten bestehen aus Punkten, Linien und Polygonen. Zur Potenzialberechnung werden erweiterte Geodaten in kleine Fragmente zerlegt. Für jedes Fragment wird das Potenzial des Punktes mit einem Multiplikator berechnet, der der Größe des Objektfragments (Faktor) entspricht.
Die Daten werden nach dem Prinzip der großen Ähnlichkeit in semantische Gruppen eingeteilt. Beispielsweise werden Handelsobjekte nach Produkten zusammengefasst. Es gibt Gruppen von Waldobjekten, Gewässern, Siedlungen, Verkehrshaltestellen usw. Gruppen, die durch Bedeutung vereint sind, stellen einen Faktor dar. Nachdem wir alle Objekte (Faktoren) durchgegangen sind, erhalten wir eine Reihe von Wärmepotentialen, die für die weitere Verarbeitung geeignet sind.
Durch die Verwendung von Potenzialen („Heatmaps“) können Sie von räumlichen Daten zu „thermischen“ Bildern von Einflussobjekten (Faktoren) auf dem Territorium übergehen (Visualisierung von Potenzialen). Ein solcher Übergang ermöglicht es, den Grad der Präsenz des Faktors an jedem Punkt des Territoriums zu bestimmen und weitere Analysen durchzuführen, d.h. verschiedene Richtungen der Stadtentwicklung farbig darstellen. So erhalten wir für jeden Punkt des Territoriums ein Leuchten unterschiedlicher Intensität.
Im Folgenden werden Beispiele für „Wärmebilder“ des Territoriums von Nischni Nowgorod im Kontext mehrerer Faktoren vorgestellt.
„Thermische“ Karte von Nischni Nowgorod, die den Faktor „Apothekenkette“ widerspiegelt
„Hitze“-Karte von Nischni Nowgorod, die den Faktor „Polikliniken für Erwachsene“ widerspiegelt
„Thermische“ Karte von Nischni Nowgorod, die den Faktor „Kinderkliniken“ widerspiegelt
„Thermische“ Karte von Nischni Nowgorod, die den Faktor „Industriegebiete“ widerspiegelt
„Wärmebilder“ des Territoriums ermöglichen es, die Konzentration von Potenzialen verschiedener Einflussobjekte zu bestimmen. Anschließend gilt es, die gewonnenen Potenziale zu einem integralen Merkmal zusammenzufassen, das eine Bewertung des Territoriums anhand einer Vielzahl von Faktoren ermöglicht. Dies erfordert eine Methode, mit der Sie eine große Menge an Informationen analysieren, Objekte erkennen und auch die Dimension der Daten reduzieren können, sodass möglichst wenig Informationen verloren gehen. Eine dieser Methoden ist die Hauptkomponentenanalyse (PCA). Weitere Einzelheiten zu dieser Methode finden Sie in .
Der Kern der Methode besteht darin, eine lineare Kombination von Anfangsparametern zu finden, die sich im Analysebereich am stärksten ändert. Für Geodaten – die sich im gesamten Gebiet am stärksten verändern.
Die Hauptkomponentenmethode identifiziert Objekte (Faktoren), die sich im Gebiet am stärksten verändern. Als Ergebnis der Methode erscheinen neue Variablen – die Hauptkomponenten, die im Vergleich zu den Originaldaten aussagekräftiger sind, mit deren Hilfe es einfacher ist, das Gebiet zu analysieren, zu beschreiben und zu visualisieren, auf dem es einfacher ist, Modelle zu erstellen .
Die Hauptkomponenten sind analytische Ausdrücke – die Summe der Potentiale der Anfangsfaktoren mit bestimmten Koeffizienten. Wenn jedoch ein Faktor erhebliche Auswirkungen auf das Gebiet hat, sich aber im gesamten analysierten Gebiet nicht ändert, wird dieser Faktor bei der Hauptkomponentenmethode nicht in die Zusammensetzung der Hauptkomponenten einbezogen.
Die Hauptbestandteile sind in absteigender Informationsreihenfolge geordnet – d. h. sich im gesamten Gebiet ausbreiten. Die ersten Hauptkomponenten enthalten deutlich mehr Informationen als einzelne Faktoren und beschreiben das Gebiet gut. Bei Verwendung von etwa hundert Faktoren trägt die erste Hauptkomponente in der Regel etwa 50 % aller Informationen (Varianz) für das Gebiet. Die Hauptkomponenten korrelieren nicht miteinander und können für Modelle als Merkmale des Territoriums an jedem Punkt verwendet werden.
Die Hauptkomponente hat als abstrakt berechneter Indikator des Territoriums keine eindeutige Bezeichnung und Klassifizierung. Eine Reihe von Faktoren, die stark mit der Hauptkomponente korrelieren, ermöglicht uns jedoch die Interpretation der Hauptkomponenten. In der Regel korrelieren folgende Faktoren mit den Hauptkomponenten:
— Stand der Infrastrukturentwicklung;
— Verkehrskomponente des Territoriums;
— Klimazonen;
— Stand der landwirtschaftlichen Entwicklung;
— wirtschaftliches Potenzial des Territoriums.
Die weitere Analyse, einschließlich der Clusterbildung, erfolgt mit den ersten paar wichtigen Hauptkomponenten.
In den Abbildungen sehen Sie eine grafische Darstellung der ersten Hauptkomponenten auf dem Territorium mehrerer Städte der Russischen Föderation.
Die erste Hauptkomponente, die den Entwicklungsstand der städtischen Infrastruktur in Nischni Nowgorod charakterisiert
Die erste Hauptkomponente, die den Entwicklungsstand der städtischen Infrastruktur in Jekaterinburg charakterisiert
Die erste Hauptkomponente, die den Entwicklungsstand der städtischen Infrastruktur in Kasan charakterisiert
Die erste Hauptkomponente, die den Entwicklungsstand der städtischen Infrastruktur in Perm charakterisiert
Die erste Hauptkomponente, die den Entwicklungsstand der städtischen Infrastruktur in Samara charakterisiert
Die erste Hauptkomponente, die den Entwicklungsstand der städtischen Infrastruktur in Chabarowsk charakterisiert
Integrale Merkmale: Clustering
Der weitere Arbeitsschritt zur Territorialanalyse ist die Suche nach qualitativ homogenen Zonen der städtischen Umwelt. Diese Suche basiert auf der Analyse der Werte der Hauptkomponenten an jedem Punkt im Gebiet. Das Problem der Suche nach diesen homogenen Zonen kann durch Clustering gelöst werden – den Prozess der Gruppierung von Territorien auf der Grundlage des Prinzips der Nähe einer Reihe von Merkmalen.
Die Gebietsclusterung verfolgt zwei Ziele:
— Schaffung einer besser wahrgenommenen Visualisierung des Territoriums;
— Zuweisung von Bereichen zur Erstellung einzelner Modelle.
Die Gebiete werden gemäß den für die Analyse ausgewählten Faktoren gruppiert. Bei diesen Faktoren kann es sich um Faktoren handeln, die die Preisgestaltung beeinflussen, oder um Faktoren, die einen Aspekt der Entwicklung des Territoriums beschreiben, beispielsweise den sozialen Bereich.
Es gibt zwei gängige klassische Clustering-Methoden: die K-Means-Methode und die Dendrogramm-Methode. Bei der Arbeit mit Territorien hat sich die K-Means-Methode bewährt, deren Merkmal das „Wachstum“ eines Clusters durch Hinzufügen neuer Objekte zu Wachstumspunkten ist. Der Vorteil der K-Means-Methode liegt in der Ähnlichkeit ihrer Arbeit mit dem natürlichen Prozess der Gebietsbildung: Integration ähnlicher Gebiete statt Trennung unähnlicher Gebiete.
Für die Berechnungen für Nischni Nowgorod wurde die K-Means-Methode verwendet (Abbildung unten).
Übereinstimmung der Cluster mit dem Entwicklungsstand des Territoriums am Beispiel von Nischni Nowgorod
Mit dem vorgeschlagenen Ansatz ist es möglich, sich zu verschiedenen Themen einen Überblick über das Gebiet zu verschaffen. Für uns interessante Themen können beispielsweise der Entwicklungsstand der städtischen Infrastruktur, der Grad der „Elite“ des Territoriums, der Stand der kulturellen Entwicklung und die soziale Komponente der Entwicklung des Territoriums sein. Diese Themen sind schlecht definierte integrale Konzepte und bestehen aus vielen miteinander verbundenen Faktoren.
Mithilfe eines Algorithmus zur Auswahl der zu analysierenden Parameter (auch unter Einbeziehung von Experten) erhalten wir thematische Karten, die einen Eindruck von einem Aspekt der Entwicklung des Territoriums vermitteln.
Unter integralen Merkmalen versteht man die ersten Hauptkomponenten, vor allem die aussagekräftigste erste Hauptkomponente, und die Gruppierung des Territoriums nach ausgewählten Parametern.
In den folgenden Abbildungen werden thematische Karten der ersten Hauptkomponenten für verschiedene Entwicklungsaspekte dargestellt.
Thematische Karte „Kulturobjekte“ am Beispiel von Nischni Nowgorod
Thematische Karte „Soziale Sphäre“ am Beispiel von Nischni Nowgorod
Integrale Merkmale ermöglichen es, die Merkmale eines Territoriums anhand vieler Faktoren mit minimalem Informationsverlust zu verstehen.
Abschließend ist noch einmal festzuhalten, dass die Analyse von Territorien heute ein äußerst wichtiger Schritt bei der Lösung der Probleme der Entwicklung des städtischen Umfelds, der Auswahl von Standorten für Bauinvestitionen und der Suche nach dem günstigsten Standort für neue Objekte und andere Aufgaben ist.
Die im Artikel vorgeschlagene Methode der Gebietsanalyse unter Verwendung eines „thermischen“ Modells aus Faktoren unterschiedlicher Natur ist für die Gesamtheit der Faktoren nicht kritisch, d. h. sie erlegt den Ausgangsinformationen keine Einschränkungen oder Anforderungen auf.
Die Vielfalt und Redundanz der Quellinformationen sowie die Möglichkeit, offene Daten zu nutzen, bieten unbegrenzte Möglichkeiten zur Analyse jedes Gebiets Frieden.
In den folgenden Veröffentlichungen, die sich mit den Problemen der Territorialanalyse befassen, planen wir, die Merkmale der Erstellung von Modellen unter Verwendung der Hauptkomponenten und Methoden zu ihrer Implementierung für solche Aufgaben aufzuzeigen:
— Auswahl des besten Standorts für die Platzierung eines neuen Objekts;
— Erstellung einer Preisoberfläche für eine bestimmte Kategorie von Objekten anhand des Marktwerts;
- Einschätzung der Rentabilität einer bestimmten Tätigkeitsart in Abhängigkeit vom Standort der Objekte.
Geplant ist auch, Methoden für den umgekehrten Übergang von Hauptkomponenten zu Faktoren vorzustellen, die es wiederum ermöglichen, ein Modell aus Faktoren für ein bestimmtes Gebiet zu erhalten.
Source: habr.com