Ejemplo de cálculo del potencial térmico para la red urbana de Nizhni Nóvgorod
El territorio de la ciudad es un sistema complejo y heterogéneo en constante cambio. Se puede describir el territorio y evaluar el entorno urbano a través de objetos espaciales (factores). Los factores que describen el territorio varían según la naturaleza de su influencia (positiva, negativa) y su configuración geométrica (puntos, líneas, polígonos).
A menudo, es bastante complicado determinar el grado de influencia de cada objeto individual en el nivel de desarrollo del territorio en su conjunto o en algún aspecto específico del mismo. Hoy en día, el problema de definir y describir conceptos como 'cultura', 'esfera social', 'tensión social', 'buena vida', 'desarrollo económico' y 'salud de la población' se vuelve cada vez más relevante. La ambigüedad de estos conceptos aumenta si queremos aplicarlos a diferentes grupos sociales, poblaciones de diversas edades y géneros.
Además, cabe señalar que los límites de la ciudad en el concepto moderno son bastante condicionales. La migración diurna de la población y la accesibilidad del transporte a las áreas alejadas 'desdibujan aún más la frontera' de la ciudad. El concepto de aglomeración, muy utilizado actualmente, refleja en general los límites de la ciudad, pero al mismo tiempo hace que el significado mismo de la frontera de la ciudad sea aún más borroso.
A pesar de los problemas descritos anteriormente, el análisis y la evaluación de los territorios son, hoy en día, uno de los campos más prometedores e interesantes que permiten abordar múltiples tareas actuales del entorno urbano.
En el artículo se propone un método para el análisis del territorio utilizando un modelo 'térmico'. Este método se basa en el estudio de los potenciales generados por objetos (factores) de diversa naturaleza (puntuales, lineales y de superficie). El análisis del territorio mediante este método permite pasar de un conjunto de datos espaciales (factores) que describen el territorio a una evaluación numérica (puntual) precisa en cada punto del territorio.
Los potenciales analizados en el marco del análisis del territorio tienen una interpretación física: la propagación del calor en medios de diferente dimensión (2D, 3D). Este fenómeno se puede representar en forma de imágenes "térmicas" ("mapas térmicos" del territorio), que dan una idea del grado de desarrollo del territorio en función de la intensidad del color de la imagen.
Factores del territorio
El análisis del territorio implica la búsqueda y procesamiento de información sobre los factores que influyen en el territorio y sus indicadores. Los factores que influyen son objetos que afectan al entorno circundante, poseyendo un conjunto de características y coordenadas espaciales. Ejemplos de factores de influencia pueden ser tiendas, instalaciones industriales, carreteras, bosques y cuerpos de agua.
Los indicadores de influencia son objetos que reflejan la influencia de los objetos y también poseen un conjunto de características y coordenadas espaciales. Ejemplos de indicadores de influencia: cajeros automáticos, vallas publicitarias, monumentos.
En lo que sigue, utilizaremos el concepto de factores de influencia, que combina ambos términos: factores e indicadores de influencia.
A continuación, se presenta un ejemplo de datos espaciales que actúan como factores de influencia.
Uno de los pasos importantes en la realización de trabajos de análisis de territorios es la etapa de recopilación y procesamiento de información inicial. Hoy en día, hay bastante información sobre los factores de influencia en el territorio de diferentes niveles de detalle.
La información puede obtenerse de fuentes abiertas o de fuentes de acceso restringido. En muchos casos, la información abierta es suficiente para el análisis, aunque, por regla general, necesita un procesamiento bastante laborioso.
Entre las fuentes abiertas, en nuestra opinión, el líder es el recurso — OpenStreetMap (OSM). La información obtenida de esta fuente se actualiza a diario en todo el mundo.
La información del recurso OpenStreetMap (OSM) se presenta en los siguientes formatos:
— Formato OSM. Formato principal con extensión ".osm" utilizado para describir imágenes gráficas: nodos, caminos, relaciones.
— Formato "Polaco". Formato de texto con extensión ".mp" utilizado para trabajar con gráficos.
— Formato PBF. Formato de almacenamiento de datos con extensión ".osm.pbf".
También se pueden utilizar como fuentes de información:
— 2GIS
El recurso contiene información de calidad, procesada mensualmente, con un excelente clasificador de 3 niveles por empresas y organizaciones.
— Archivos KML (Keyhole Markup Language)
Los archivos KML (Keyhole Markup Language) son un formato de archivo utilizado para mostrar datos geográficos en Google Earth, Google Maps y Google Maps para dispositivos móviles.
Con los archivos KML se puede:
— establecer diferentes íconos y hacer etiquetas para marcar lugares en la superficie de la Tierra
— crear diferentes perspectivas para los objetos seleccionados, cambiando la posición de la cámara
— utilizar diferentes imágenes superpuestas
— definir estilos para personalizar la visualización del objeto, aplicando código HTML para crear hipervínculos e imágenes incrustadas
— usar carpetas para agrupar elementos jerárquicamente
— obtener y actualizar dinámicamente archivos KML desde nodos remotos o locales de la red
— recibir datos KML en función de los cambios en la herramienta de visualización 3D
— Servicio Federal de Registro Estatal, Catastro y Cartografía 'Rosreestr'
La información en el portal de Rosreestr es valiosa por su contenido y actualidad, pero, desafortunadamente, no permite obtener gráficos de objetos de construcción y terrenos de forma gratuita. El portal de Rosreestr también contiene una gran cantidad de información de acceso restringido.
— Autoridades estadísticas
Los datos estadísticos son una fuente legítima de información sobre el territorio, sin embargo, hasta la fecha, los datos de las autoridades estadísticas están disponibles solo para un número limitado de indicadores, principalmente en informes de autoridades estadísticas y documentos de las autoridades regionales.
— Sistemas de información de las autoridades
La información de calidad se encuentra en los sistemas de información de las autoridades, pero solo una pequeña parte de ellos se publica abiertamente y está disponible para análisis.
El análisis de territorios no impone requisitos específicos sobre la información, se puede utilizar todo lo que se haya encontrado, siendo la información de fuentes abiertas generalmente intercambiable. Sin embargo, cabe destacar que incluso la información obtenida de un recurso como OSM es suficiente para realizar un análisis de un territorio desconocido.
Análisis del territorio utilizando un modelo "térmico". Interpretación física de los potenciales.
Como se mencionó anteriormente, el análisis de territorios es un tema actual y una herramienta poderosa para atraer inversiones en el desarrollo de la infraestructura de diferentes entornos urbanos.
La variedad de tareas que se pueden resolver mediante el análisis de territorios se puede agrupar en varias grandes áreas:
— Obtener una evaluación detallada e interpretativa del territorio en cada uno de sus puntos.
Al abordar la tarea, se puede obtener un conjunto de calificaciones en cada punto del territorio, que proporciona una idea del nivel de desarrollo del territorio en general, así como en un área temática específica. Esta área temática puede ser, por ejemplo, cultura, industria, comercio, etc.
— Determinar los lugares más rentables para ubicar objetos de inversión de un tipo específico (por ejemplo, bancos, tiendas especializadas, centros comerciales y de entretenimiento, etc.) en el territorio seleccionado.
— Análisis del uso más efectivo del territorio.
Esta área permite realizar un estudio detallado de las características del territorio, la situación del mercado existente en el territorio investigado, e identificar las opciones más solicitadas.
— Determinación de la contribución de un factor en el modelo de valor, tomando como ejemplo la aparición de nuevas carreteras y nuevas rutas.
— Análisis de diferentes aspectos de un territorio y análisis de diferentes territorios (comparación de territorios).
La originalidad del método de análisis de territorio propuesto en este artículo, mediante el uso de un modelo "térmico", radica en la utilización de indicadores de desarrollo del territorio — potenciales, expresados numéricamente y que reflejan el grado de influencia de un objeto (factor de influencia) sobre el territorio.
Para entender la esencia de la investigación, es necesario decir algunas palabras sobre el propio potencial térmico y dar su interpretación física.
En física existen conceptos como campo de fuerza y función de fuerza. El campo de fuerza tiene dimensiones de energía, la función de fuerza tiene dimensiones de fuerza.
Para la ley de la gravitación universal, el campo de fuerza está definido por la fórmula:
F=k/r2, donde
k es una constante;
r es la distancia entre los objetos que interactúan.
La función de fuerza ϕ está definida por la expresión:
dϕ=-F*dr, donde
ϕ es el potencial del campo de fuerza;
dϕ, dr son diferenciales;
r es la distancia entre los objetos que interactúan,
por lo tanto ϕ=k/r.
El sentido físico del potencial del campo de fuerza ϕ es el trabajo E realizado por el campo de fuerza al recorrer cierta distancia. En el caso de la ley de la gravitación universal, al cambiar la distancia al objeto de r2 a r1, la función de fuerza se determina por la fórmula
E=k*(1/r1-1/r2), donde
E es el trabajo realizado por el campo de fuerza al recorrer cierta distancia;
r1, r2 son la posición inicial y final del objeto.
Para el análisis del territorio, la influencia de los objetos (factores) sobre el territorio puede considerarse como una fuerza (función de fuerza), y el nivel de desarrollo del territorio, como el potencial térmico total (campo de fuerza) de todos los objetos (factores). En los problemas de física, el potencial térmico es la temperatura, mientras que en el análisis de territorios utilizando un modelo "térmico", el potencial representa el impacto total de todos los factores en un punto del territorio.
Los datos espaciales son puntos, líneas, polígonos. Para calcular los potenciales, los datos espaciales extendidos se dividen en fragmentos pequeños. Para cada fragmento se calcula el potencial desde un punto con un multiplicador igual al tamaño del fragmento del objeto (factor).
Los datos se dividen en grupos significativos según el principio de similitud cercana. Por ejemplo, los objetos comerciales se agrupan por productos. Hay grupos de objetos forestales, acuáticos, asentamientos, paradas de transporte, etc. Los grupos agrupados por significado representan un factor. Al pasar por todos los objetos (factores), obtenemos un conjunto de potenciales térmicos que son aptos para un procesamiento posterior.
El uso de potencialidades («mapas de calor») permite pasar de datos espaciales a imágenes «térmicas» de objetos (factores) de influencia en el territorio (visualización de potencialidades). Esta transición permite determinar el grado de presencia del factor en cada punto del territorio y realizar un análisis posterior, es decir, mostrar diferentes direcciones de desarrollo de la ciudad en color. Así obtenemos un brillo de diversa intensidad para cada punto del territorio.
A continuación se presentan ejemplos de imágenes «térmicas» del territorio de Nizhni Nóvgorod en relación con varios factores.
Mapa «térmico» de Nizhni Nóvgorod que refleja el factor «Red de farmacias»
Mapa «térmico» de Nizhni Nóvgorod que refleja el factor «Policlínicas para adultos»
Mapa «térmico» de Nizhni Nóvgorod que refleja el factor «Clínicas infantiles»
Mapa «térmico» de Nizhni Nóvgorod que refleja el factor «Zonas industriales»
Las imágenes «térmicas» del territorio permiten determinar la concentración de potencialidades de diversos objetos de influencia. A continuación, es necesario combinar las potencialidades obtenidas en una característica integral que permita evaluar el territorio según una gran cantidad de factores. Para ello, es necesario un método que permita analizar grandes volúmenes de información, reconocer objetos y reducir la dimensionalidad de los datos, perdiendo la menor cantidad de información posible. Uno de estos métodos es el análisis de componentes principales (Principal Component Analysis, PCA). Se puede leer más sobre este método en .
La esencia del método es encontrar una combinación lineal de los parámetros originales que cambia más significativamente en el área de análisis. Para datos espaciales, esto significa el cambio más significativo en el territorio.
El método de componentes principales destaca los objetos (factores) que cambian más significativamente en el territorio. Como resultado del trabajo del método, aparecen nuevas variables: componentes principales, que son más informativas en comparación con los datos originales, lo que facilita el análisis, la descripción y la visualización del territorio, así como la construcción de modelos más sencillos.
Los componentes principales son expresiones analíticas — la suma de los potenciales de los factores de origen con ciertos coeficientes. Sin embargo, si algún factor tiene un impacto significativo en el territorio pero no varía en el territorio analizado, el método de componentes principales no incluirá este factor en los componentes principales.
Los componentes principales se ordenan en función de la disminución de la información — es decir, la distribución en el territorio. Los primeros componentes principales contienen una información significativamente mayor que los factores individuales y describen bien el territorio. Por lo general, al utilizar alrededor de cien factores, el primer componente principal contiene aproximadamente el 50% de toda la información (variabilidad) del territorio. Los componentes principales no se correlacionan entre sí y pueden ser utilizados para modelos como características del territorio en cada punto.
El componente principal, como un indicador computado de manera abstracta del territorio, no tiene un nombre y clasificación definidos. Sin embargo, el conjunto de factores que están fuertemente correlacionados con el componente principal permite interpretar los componentes principales. Por lo general, los siguientes factores están correlacionados con los componentes principales:
— el nivel de desarrollo de la infraestructura;
— el componente de transporte del territorio;
— las zonas climáticas;
— el nivel de desarrollo de la agricultura;
— el potencial económico del territorio.
El análisis adicional, incluida la clusterización, se realiza con los primeros componentes principales significativos.
En las imágenes se puede ver la representación gráfica de los primeros componentes principales en el territorio de varias ciudades de la Federación Rusa.
El primer componente principal que caracteriza el nivel de desarrollo de la infraestructura urbana de Nizhni Nóvgorod
El primer componente principal que caracteriza el nivel de desarrollo de la infraestructura urbana de Ekaterimburgo
El primer componente principal que caracteriza el nivel de desarrollo de la infraestructura urbana de Kazán
El primer componente principal que caracteriza el nivel de desarrollo de la infraestructura urbana de Perm
El primer componente principal que caracteriza el nivel de desarrollo de la infraestructura urbana de Samara
El primer componente principal que caracteriza el nivel de desarrollo de la infraestructura urbana de Jabárovsk
Características integrales: clústeres
La siguiente etapa de trabajo en el análisis de territorios consiste en buscar zonas urbanas homogéneas en calidad. Esta búsqueda se basa en el análisis de los valores de las componentes principales en cada punto del territorio. La tarea de localizar estas zonas homogéneas puede resolverse mediante la clústerización, un proceso de agrupación de territorios según la cercanía de un conjunto de características.
La clústerización del territorio persigue dos objetivos:
— crear una visualización del territorio más comprensible;
— identificar áreas para elaborar modelos separados.
Los territorios se clústerizan de acuerdo con los factores seleccionados para el análisis. Estos factores pueden ser aquellos que influyen en la formación de precios o factores que describen algún aspecto del desarrollo del territorio, como el ámbito social.
Existen dos métodos clásicos de clústerización comúnmente utilizados: el método K-means y el método de dendrogramas. Al trabajar con territorios, el método K-means ha demostrado ser eficaz, y su característica principal es el "crecimiento" del clúster, mediante la incorporación de nuevos objetos a los puntos de crecimiento. Las ventajas del método K-means radican en su similitud con el proceso natural de formación de territorios: la integración de lo similar en lugar de la separación de lo diferente.
Se realizó un cálculo mediante el método K-means para Nizhni Nóvgorod (ver figura más abajo).
Correspondencia de los clústeres con el nivel de desarrollo del territorio en el ejemplo de Nizhni Nóvgorod
Con el enfoque propuesto, es posible obtener una representación del territorio en torno a diversos temas. Los temas que nos interesan pueden ser, por ejemplo, el nivel de desarrollo de la infraestructura urbana, el nivel de "elitismo" del territorio, el nivel de desarrollo cultural, y la componente social del desarrollo del territorio. Estos temas son conceptos integrales mal definidos y consisten en múltiples factores interrelacionados.
Mediante un cierto algoritmo de selección de parámetros para el análisis (incluyendo la participación de expertos), obtendremos mapas temáticos que brindan una visión sobre un aspecto del desarrollo del territorio.
Por características integrales se entienden los primeros componentes principales, principalmente el primer componente principal más informativo, y la clústerización del territorio según los parámetros seleccionados.
Los mapas temáticos de los primeros componentes principales sobre diversos aspectos del desarrollo se presentan en las imágenes a continuación.
Mapa temático «Objetos culturales» tomando como ejemplo la ciudad de Nizhni Nóvgorod.
Mapa temático «Ámbito social» tomando como ejemplo la ciudad de Nizhni Nóvgorod.
Las características integrales permiten entender las particularidades del territorio, operando con múltiples factores con mínimas pérdidas de información.
En conclusión, es importante destacar una vez más que el análisis de los territorios es una etapa extremadamente importante en la resolución de tareas de desarrollo del entorno urbano, selección de lugares para invertir en construcción, búsqueda de la ubicación más ventajosa para nuevos objetos y otras tareas.
El método de análisis territorial propuesto en el artículo utilizando un modelo «térmico» de factores de diversa naturaleza no es crítico en cuanto al conjunto de factores, es decir, no impone restricciones y requisitos sobre la información inicial.
La diversidad y redundancia de la información inicial, así como la posibilidad de utilizar datos abiertos, proporciona perspectivas ilimitadas para el análisis de cualquier territorio del mundo.
En próximas publicaciones dedicadas a las tareas de análisis territorial, planeamos revelar las peculiaridades de la elaboración de modelos utilizando componentes principales y los métodos de su implementación para tareas como:
— la selección del mejor lugar para ubicar un nuevo objeto;
— la construcción de una superficie de precios para una categoría determinada de objetos utilizando el valor de mercado;
— la evaluación de la rentabilidad de un tipo específico de actividad dependiendo de la ubicación de los objetos.
También está en los planes presentar métodos de transición inversa de componentes principales a factores, lo que a su vez permite obtener un modelo basado en factores para este territorio.
Fuente: habr.com
