In der ersten Veröffentlichung () haben wir beschrieben, wie thermische Potenziale zur Analyse von Territorien im Allgemeinen genutzt werden können. In den folgenden Veröffentlichungen sollte beschrieben werden, wie Informationen über räumliche Objekte in Datenbanken gespeichert werden, wie Modelle aus den Hauptkomponenten erstellt werden und welche Aufgaben die Gebietsanalyse im Allgemeinen erfüllen kann. Aber das Wichtigste zuerst.
Die Verwendung der Methode des thermischen Potentials ermöglicht zunächst einen Überblick über das für uns interessante Gebiet. Wenn wir beispielsweise die ersten Informationen von OSM für die Stadt Barcelona (Katalonien) nehmen und eine Integralanalyse ohne Auswahl von Parametern durchführen, können wir „thermische“ Bilder der ersten Hauptkomponenten erhalten. Wir haben im ersten Artikel auch über „Wärmekarten“ gesprochen, aber es wäre nicht verkehrt, daran zu erinnern, dass der Begriff „Wärmekarte“ aufgrund der physikalischen Bedeutung der für die Integralanalyse verwendeten Potentiale entstanden ist. Diese. Bei physikalischen Problemen ist das Potenzial die Temperatur und bei territorialen Analyseproblemen ist das Potenzial die Gesamtwirkung aller Einflussfaktoren auf einen bestimmten Punkt des Territoriums.
Nachfolgend finden Sie ein Beispiel einer „Wärmekarte“ der Stadt Barcelona, die als Ergebnis einer Integralanalyse erstellt wurde.
„Wärme“-Karte der ersten Hauptkomponente, ohne Parameterauswahl, Barcelona
Und indem Sie einen bestimmten Parameter festlegen (in diesem Fall haben wir uns für die Industrie entschieden), können Sie direkt eine „Wärmekarte“ dafür erhalten.
Wärmekarte der ersten Hauptkomponente, Industrie, Barcelona
Natürlich sind die Probleme der Analyse viel umfassender und vielfältiger als die Erlangung einer allgemeinen Bewertung des ausgewählten Gebiets. Daher werden wir in diesem Artikel als Beispiel das Problem betrachten, den besten Standort für die Platzierung eines neuen Objekts und die technischen Aspekte zu finden Implementierung der thermischen Potentialmethode zur Lösung dieses Problems, und in zukünftigen Veröffentlichungen werden wir uns mit anderen befassen.
Die Lösung des Problems, den besten Standort für die Platzierung eines neuen Objekts zu finden, wird dazu beitragen, festzustellen, wie „bereit“ das Gebiet für die Aufnahme dieses neuen Objekts ist, wie es mit anderen bereits im Gebiet vorhandenen Objekten korreliert und wie wertvoll dieses neue Objekt sein wird das Gebiet und welchen Mehrwert es bietet.
Phasen der technischen Umsetzung
Die technische Umsetzung lässt sich durch die nachfolgend aufgeführte Abfolge von Vorgehensweisen darstellen:
- Vorbereitung der Informationsumgebung.
- Suche, Sammlung und Verarbeitung von Quellinformationen.
- Aufbau eines Knotengitters im analysierten Gebiet.
- Zerlegen von Gebietsfaktoren in Fragmente.
- Berechnung von Potenzialen aus Faktoren.
- Auswahl von Faktoren zur Schaffung thematischer Gesamtmerkmale des Territoriums.
- Anwendung der Hauptkomponentenmethode zur Ermittlung integraler Indikatoren des Territoriums.
- Erstellung von Modellen zur Standortauswahl für den Bau einer neuen Anlage.
Bühne 1. Vorbereitung der Informationsumgebung
In dieser Phase ist es notwendig, ein Datenbankverwaltungssystem (DBMS) auszuwählen, Informationsquellen, Methoden zum Sammeln von Informationen und die Menge der gesammelten Informationen zu bestimmen.
Für unsere Arbeit haben wir die PostgeSql-Datenbank (DB) verwendet, aber es ist erwähnenswert, dass jede andere Datenbank, die mit SQL-Abfragen arbeitet, auch ausreicht.
In der Datenbank werden Ausgangsinformationen gespeichert – räumliche Daten zu Objekten: Datentypen (Punkte, Linien, Polygone), ihre Koordinaten und andere Eigenschaften (Länge, Fläche, Menge) sowie alle daraus resultierenden berechneten Werte die durchgeführten Arbeiten und die Ergebnisse der Arbeiten selbst.
Statistische Informationen werden auch als räumliche Daten dargestellt (z. B. Regionen einer Region mit diesen Regionen zugeordneten statistischen Daten).
Durch die Transformation und Verarbeitung der gesammelten Ausgangsinformationen entstehen Tabellen mit Informationen zu Längen-, Punkt- und Flächenfaktoren, deren Bezeichnern und Koordinaten.
Stufe 2. Suche, Sammlung und Verarbeitung von Quellinformationen
Als erste Informationen zur Lösung dieses Problems verwenden wir Informationen aus offenen kartografischen Quellen, die Informationen über das Gebiet enthalten. Spitzenreiter sind unserer Meinung nach täglich aktualisierte OSM-Informationen auf der ganzen Welt. Wenn Sie es jedoch schaffen, Informationen aus anderen Quellen zu sammeln, wird es nicht schlimmer.
Die Informationsverarbeitung besteht darin, sie zu vereinheitlichen, falsche Informationen zu beseitigen und sie für das Laden in die Datenbank vorzubereiten.
Stufe 3. Aufbau eines Knotengitters im analysierten Gebiet
Um die Kontinuität des analysierten Gebiets sicherzustellen, ist es notwendig, darauf ein Gitter zu erstellen, dessen Knoten Koordinaten in einem bestimmten Koordinatensystem haben. Anschließend wird an jedem Netzknoten der Potenzialwert ermittelt. Dadurch können Sie homogene Bereiche, Cluster und die endgültigen Analyseergebnisse visualisieren.
Abhängig von den zu lösenden Aufgaben sind zwei Möglichkeiten zum Aufbau eines Gitters möglich:
— Gitter mit regelmäßiger Stufe (S1) – ist im gesamten Gebiet zu beobachten. Es dient dazu, die Potenziale aus den Faktoren zu berechnen, die integralen Merkmale des Territoriums (Hauptkomponenten und Cluster) zu ermitteln und die Modellierungsergebnisse darzustellen.
Bei der Auswahl dieses Rasters müssen Sie Folgendes angeben:
- Gitterabstand – der Abstand, in dem Gitterknoten platziert werden;
- die Grenze des analysierten Gebiets, die einer administrativ-territorialen Aufteilung entsprechen kann, oder es kann sich um eine Fläche auf der Karte handeln, die das Berechnungsgebiet in Form eines Polygons begrenzt.
— Gitter mit unregelmäßigem Abstand (S2) beschreibt einzelne Punkte des Territoriums (zum Beispiel Schwerpunkte). Es dient auch zur Berechnung von Potenzialen aus Faktoren und zur Bestimmung der integralen Merkmale des Territoriums (Hauptkomponenten und Cluster). Die Modellierung mit berechneten Hauptkomponenten erfolgt präzise auf einem Gitter mit unregelmäßiger Schrittweite und zur Visualisierung der Simulationsergebnisse werden Clusterzahlen von Gitterknoten mit unregelmäßiger Schrittweite nach dem Prinzip der Koordinatennähe auf Gitterknoten mit regelmäßiger Schrittweite übertragen .
In der Datenbank werden Informationen über die Koordinaten von Gitterknoten in Form einer Tabelle gespeichert, die für jeden Knoten die folgenden Informationen enthält:
- Knoten-ID;
- Knotenkoordinaten (x, y).
Beispiele für Raster mit regelmäßigen Abständen für verschiedene Gebiete mit unterschiedlichen Abständen sind in den folgenden Abbildungen dargestellt.
Abdeckungsraster von Nischni Nowgorod (rote Punkte). Abdeckungsraster der Region Nischni Nowgorod (blaue Punkte).
Stufe 4 Zerlegen von Gebietsfaktoren in Fragmente
Für die weitere Analyse müssen erweiterte Faktoren des Territoriums in ein Array diskreter Faktoren umgewandelt werden, sodass jeder Gitterknoten Informationen über jeden darin vorhandenen Faktor enthält. Lineare Faktoren werden in Segmente, Flächenfaktoren in Fragmente unterteilt.
Der Teilungsschritt wird basierend auf der Fläche des Territoriums und dem spezifischen Faktor ausgewählt; für große Gebiete (Region) kann der Teilungsschritt 100–150 m betragen; für kleinere Gebiete (Stadt) kann der Teilungsschritt 25–50 m betragen .
In der Datenbank werden Informationen über die Aufteilungsergebnisse in Form einer Tabelle gespeichert, die für jedes Fragment die folgenden Informationen enthält:
- Faktorkennung;
- Koordinaten der Schwerpunkte der resultierenden Partitionsfragmente (x, y);
- Länge/Fläche der Partitionsfragmente.
Stufe 5 Berechnung von Potenzialen aus Faktoren
Einer der möglichen und nachvollziehbaren Ansätze zur Analyse von Ausgangsinformationen besteht darin, Faktoren als Potenziale von Einflussobjekten zu betrachten.
Verwenden wir die grundlegende Lösung der Laplace-Gleichung für den zweidimensionalen Fall – den Logarithmus der Entfernung vom Punkt.
Unter Berücksichtigung der Forderung nach einem endlichen Potentialwert bei Null und der Begrenzung des Potentialwertes über große Entfernungen wird das Potential wie folgt bestimmt:
bei r (1)
für r2>r>=r1
für r>=r2
Art des Einflusspotenzials eines Punktobjekts
Die logarithmische Funktion muss auf Null begrenzt und in einiger Entfernung von den Faktoren angemessen begrenzt sein. Wenn wir das Potenzial in großen Entfernungen vom Faktor nicht einschränken würden, müssten wir eine große Menge an Informationen fernab des analysierten Punktes berücksichtigen, die praktisch keinen Einfluss auf die Analyse haben. Daher führen wir den Wert des Aktionsradius des Faktors ein, ab dem der Beitrag des Faktors zum Potenzial Null ist.
Für eine Stadt wird der Radius des Faktors mit einer halben Stunde angenommen Fußgänger Erreichbarkeit - 2 Meter. Für die Region sollten wir etwa eine halbe Stunde sprechen Transport Erreichbarkeit - 20 Meter.
Als Ergebnis der Berechnung der Potenzialwerte erhalten wir also das Gesamtpotenzial jedes Faktors an jedem Knoten des regulären Gitters.
Stufe 6. Auswahl von Faktoren zur Schaffung thematischer Gesamtmerkmale des Territoriums
In dieser Phase werden die wichtigsten und informativsten Faktoren ausgewählt, um thematische Gesamtmerkmale des Territoriums zu schaffen.
Die Auswahl der Faktoren kann automatisch erfolgen, indem bestimmte Grenzen für die Parameter festgelegt werden (Korrelation, Einflussprozentsatz usw.), oder sie kann fachmännisch erfolgen, wenn man das Thema des Problems kennt und ein gewisses Verständnis des Gebiets hat.
Nachdem die wichtigsten und aussagekräftigsten Faktoren ausgewählt wurden, können Sie mit den nächsten Schritten fortfahren – der Interpretation der Hauptkomponenten.
Stufe 7 Anwendung der Hauptkomponentenmethode zur Ermittlung integraler Indikatoren des Territoriums. Clustering
Die anfänglichen Informationen über die Gebietsfaktoren, die im vorherigen Schritt in für jeden Netzknoten berechnete Potenziale umgewandelt wurden, werden zu neuen Integralindikatoren – den Hauptkomponenten – zusammengefasst.
Die Hauptkomponentenmethode analysiert die Variabilität von Faktoren im Untersuchungsgebiet und ermittelt auf der Grundlage der Ergebnisse dieser Analyse ihre variabelste Linearkombination, die es ermöglicht, das Maß ihrer Veränderung zu berechnen – die Streuung über das Gebiet.
Nehmen wir ein allgemeines Problem, um ein Modell zur Approximation einer linearen Modellfunktion an gegebene Werte zu erstellen
(2)
Wobei i die Komponentennummer ist,
n – Anzahl der an der Berechnung beteiligten Komponenten
j – Knotenindex eines Gebietspunkts, j=1..k
k – die Anzahl aller Knoten des Gebietsgitters, für die die Berechnung der Hauptkomponenten durchgeführt wurde
— Koeffizient für die i-te Hauptkomponente des Modells
– Wert der i-ten Hauptkomponente am j-ten Punkt
B – freie Laufzeit des Modells
— Potenzial am j-ten Punkt des Faktors, für den wir ein Modell erstellen
Bestimmen wir die Unbekannten in der Gleichung (2) Methode der kleinsten Quadrate unter Verwendung der Eigenschaften der Hauptkomponenten:
(3)
Wobei i und i2 Komponentennummern sind, i<>i2
j – Gebietsknotenindex
k ist die Anzahl aller Gebietsknoten
(4)
(3) bedeutet keine Korrelation zwischen Komponenten
(4) – der Gesamtwert einer beliebigen Komponente ist Null.
Wir bekommen:
(5)
Hier ist die Notation die gleiche wie in Gl. (2), bedeutet den durchschnittlichen potenziellen Wert
Dieses Ergebnis kann wie folgt interpretiert werden:
Das Modell ist ein einfacher Ausdruck, der aus dem Durchschnittswert des simulierten Werts und einfachen Korrekturen daran für jede der Komponenten besteht. Das Ergebnis muss mindestens den Dummy-Term B und die erste Hauptkomponente enthalten. Nachfolgend finden Sie Beispiele für Wärmekarten der ersten Hauptkomponenten für die Region Nischni Nowgorod.
Basierend auf den berechneten Hauptkomponenten können homogene Regionen konstruiert werden. Dies kann sowohl für alle Parameter als auch beispielsweise nur für die Preisparameter erfolgen, d. h. Clustering durchführen. Hierfür können Sie verwenden . Für jede homogene Region wird der Durchschnittswert der 1. Hauptkomponente berechnet, der den Entwicklungsstand des Territoriums charakterisiert.
Nachfolgend finden Sie ein Beispiel für die Clusterbildung nach Preisparametern für die Region Nischni Nowgorod.
Indem wir die erhaltenen Hauptkomponenten als Parameter des Kostenmodells verwenden, können wir außerdem die Preisoberfläche des Gebiets ermitteln.
Preisfläche von Nischni Nowgorod
Stufe 8. Erstellung von Modellen zur Standortauswahl für den Bau einer neuen Anlage
Um den attraktivsten Ort für den Standort eines neuen Objekts (im Folgenden „Objekt“ genannt) auszuwählen, ist es notwendig, den Standort des „Objekts“ mit der umgebenden Infrastruktur zu vergleichen. Damit das „Objekt“ funktioniert, müssen genügend Ressourcen vorhanden sein, um seine Funktion sicherzustellen; eine Vielzahl von Faktoren, sowohl positive als auch negative Auswirkungen auf das „Objekt“, müssen berücksichtigt werden. Die Gesamtheit dieser Faktoren kann als „Nährstoffumgebung“ für das Funktionieren des „Objekts“ definiert werden. Die Übereinstimmung der Anzahl der Objekte mit der Anzahl der Ressourcen des Territoriums ist die Grundlage für das stabile Funktionieren des „Objekts“.
Das Ergebnis dieses Vergleichs ist das für jeden Punkt des Territoriums berechnete Potenzial, das eine visuelle und analytische Analyse der Standortwahl für die Platzierung eines neuen „Objekts“ ermöglicht.
Für den Handel beispielsweise ist unter anderem ein stetiger Käuferstrom wichtig, das heißt, dass bei Handelsobjekten auch solche Faktoren in die Liste der zu berücksichtigenden Faktoren aufgenommen werden sollten, die diesen Strom gewährleisten (z. B. soziale Infrastruktureinrichtungen, Arbeitsorte, Wohnorte, Transportwege etc. ).
Wenn andererseits alle Voraussetzungen zur Gewährleistung des Funktionierens von Einzelhandelseinrichtungen erfüllt sind, muss die Dichte der Einzelhandelseinrichtungen berücksichtigt werden, da der „Verbrauch“ der Umwelt zu einer Verringerung der Einkaufsmöglichkeiten führt. Der Zustrom von Menschen ist nicht unbegrenzt, das Gleiche gilt auch für ihre finanziellen Mittel und körperlichen Fähigkeiten.
Der Algorithmus zur Lösung des Problems der Auswahl des besten Standorts für ein Objekt läuft darauf hinaus, dass das als Funktion der Hauptkomponenten erhaltene Potenzial möglichst nahe am Potenzial einer Menge von Objekten vom Typ „Objekt“ liegt; dann wird die Differenz zwischen dem Potenzial des Modells und dem Potenzial von Objekten vom Typ „Objekt“ berechnet; von der resultierenden Differenz wird der Wert des Beitragspotenzials eines „Objekts“ abgezogen; Die dabei erhaltenen negativen Werte werden durch Null ersetzt, d. h. die Stellen, an denen nicht genügend Ressourcen für das Funktionieren des neuen „Objekts“ vorhanden sind, werden eliminiert.
Als Ergebnis der ergriffenen Maßnahmen erhalten wir Punkte des Territoriums mit einem positiven potenziellen Wert, also Orte mit günstiger Lage unseres „Objekts“.
Mit anderen Worten: Wir verfügen über die berechneten Potenziale aller uns zur Verfügung stehenden Faktoren und über den Faktor, für den wir ein Modell erstellen und den ausgewählten Themenbereich (Handel, Industrie, Kultur, sozialer Bereich usw.) analysieren möchten.
Dazu ist es notwendig, Faktoren für die Konstruktion von Umgebungsvariablen – den Hauptkomponenten – auszuwählen und darauf basierende Modelle zu berechnen.
Wir schlagen vor, Faktoren auszuwählen, indem wir die Korrelationen aller Faktoren mit dem Referenzfaktor des Themenbereichs analysieren. Im Kulturbereich könnten es beispielsweise Theater, im Bildungswesen, Schulen usw. sein.
Wir berechnen die Korrelation des Standardpotentials mit den Potentialen aller Faktoren. Wir wählen diejenigen Faktoren aus, deren Korrelationskoeffizienten betragsmäßig größer als ein bestimmter Wert sind (oft wird der Wert des minimalen Korrelationskoeffizienten = 0 angenommen).
(6)
wo — absoluter Wert des Korrelationskoeffizienten des i-ten Faktors mit dem Standard.
Die Korrelation wird über alle das Gebiet abdeckenden Netzknoten berechnet.
Der Unterschied zwischen dem Potenzial des Modells und dem Potenzial von Objekten desselben Typs wie das neue Objekt in der Gleichung (2) zeigt das Potenzial des Territoriums, das für die Ansiedlung neuer Einrichtungen genutzt werden kann.
Als Ergebnis erhalten wir den potenziellen Wert, der den Nutzengrad des Standorts des „Objekts“ im Untersuchungsgebiet charakterisiert.
Nachfolgend finden Sie ein Beispiel dafür, wie Sie die empfohlenen Standorte für ein neues „Objekt“ grafisch anzeigen können.
Somit kann das Ergebnis der Lösung des Problems der Auswahl des besten Standorts für ein neues Objekt als Bewertung des Territoriums in Punkten an jedem Punkt dargestellt werden, die eine Vorstellung vom Potenzial für die Ansiedlung eines Investitionsobjekts gibt, d.h. je höher die Je höher die Punktzahl, desto profitabler ist es, das Objekt zu lokalisieren.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir in diesem Artikel nur ein Problem betrachtet haben, das mithilfe der Gebietsanalyse gelöst werden kann, da Daten aus offenen Quellen vorliegen. Tatsächlich gibt es viele Probleme, die mit seiner Hilfe gelöst werden können, ihre Zahl ist nur durch Ihre Vorstellungskraft begrenzt.
Source: habr.com