Un ejemplo de cálculo del potencial térmico para una red de calles en Nizhny Novgorod
El territorio de la ciudad es un sistema complejo, heterogéneo y en constante cambio. Puede describir el territorio y evaluar el entorno urbano utilizando objetos espaciales (factores). Los factores que describen el territorio se diferencian por la naturaleza de su influencia (positiva, negativa) y su configuración geométrica (puntos, líneas, polígonos).
A menudo resulta bastante difícil determinar el grado de influencia de cada objeto individual en el nivel de desarrollo del territorio en su conjunto o en algún aspecto particular del mismo. Hoy en día, el problema de definir y describir conceptos como "cultura", "esfera social", "tensión social", "buena vida", "desarrollo económico", "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 diferentes edades y géneros.
Además, cabe señalar que los límites de la ciudad en el concepto moderno son bastante arbitrarios. La migración diaria de la población y la accesibilidad del transporte en zonas remotas “desdibujan aún más la frontera” de la ciudad. El concepto ahora ampliamente utilizado de aglomeración refleja generalmente los límites de la ciudad, pero al mismo tiempo hace que el concepto mismo de límite de la ciudad sea aún más vago.
A pesar de los problemas descritos anteriormente, el análisis y evaluación de los territorios se encuentran hoy entre las áreas más prometedoras e interesantes que permiten resolver muchos problemas urgentes del entorno urbano.
El artículo propone para su consideración un método de análisis del territorio mediante un modelo “térmico”. Este método se basa en el estudio de los potenciales creados por objetos (factores) de diversa naturaleza (puntual, lineal y área). El análisis del territorio mediante este método permite pasar de un conjunto de datos espaciales (factores) que describen el territorio a una evaluación numérica precisa (puntuación) en cada punto del territorio.
Los potenciales estudiados como parte del análisis del territorio tienen una interpretación física: propagación del calor en ambientes de diferentes dimensiones (2D, 3D). Este fenómeno se puede representar en forma de imágenes “térmicas” (mapas “de calor” del territorio), dando una idea del grado de desarrollo del territorio en función de la intensidad del color de la imagen.
Factores territoriales
El análisis del territorio implica buscar y procesar información sobre los factores que influyen en el territorio y sus indicadores. Los factores influyentes son objetos que influyen en el territorio circundante y tienen un conjunto de características y coordenadas espaciales. Ejemplos de factores que influyen incluyen tiendas, instalaciones industriales, carreteras, bosques y cuerpos de agua.
Los indicadores de influencia son objetos. reflexivo influencia de los objetos y además tener un conjunto de características y coordenadas espaciales. Ejemplos de indicadores de influencia: cajeros automáticos, vallas publicitarias, monumentos.
En la siguiente presentación utilizaremos el concepto de factores de influencia, que combina ambos términos: factores e indicadores de influencia.
A continuación se muestra un ejemplo de datos espaciales que actúan como factores de influencia.
Una de las etapas importantes en la realización del trabajo de análisis de territorios es la etapa de recopilación y procesamiento de la información inicial. Hoy en día existe mucha información sobre los factores que influyen en el territorio con distintos grados de detalle.
La información se puede obtener de fuentes abiertas o de fuentes restringidas. En muchos casos, la información abierta es suficiente para el análisis, aunque, por regla general, requiere un procesamiento bastante laborioso.
Entre las fuentes abiertas, el líder, en nuestra opinión, es el recurso OpenStreetMap (OSM). La información obtenida de esta fuente se actualiza diariamente en todo el mundo.
La información de recursos de OpenStreetMap (OSM) se presenta en los siguientes formatos:
- Formato OSM. El formato principal con la extensión ".osm" se utiliza para describir imágenes gráficas XML: nodos, rutas, relaciones.
- “Formato polaco”. El formato de texto con extensión “.mp” se utiliza para trabajar con gráficos.
- Formato PBF. Formato de almacenamiento de datos con la extensión “.osm.pbf”.
También puede utilizar las siguientes fuentes de información:
- 2 SIG
El recurso contiene información procesada mensualmente de alta calidad, con un excelente clasificador de 3 niveles para empresas y organizaciones.
- Archivos KML (Lenguaje de marcado Keyhole)
Los archivos KML (Keyhole Markup Language) son un formato de archivo que se utiliza para mostrar datos geográficos en Google Earth, Google Maps y Google Maps para dispositivos móviles.
Con archivos KML puedes:
- instalar varios íconos y hacer firmas para indicar lugares en la superficie de la Tierra
— crea diferentes ángulos para los objetos seleccionados cambiando la posición de la cámara
- utilizar diferentes imágenes superpuestas
— definir estilos para personalizar la visualización de un objeto, aplicar código HTML para crear hipervínculos e imágenes en línea
— utilizar carpetas para agrupar jerárquicamente elementos
— recibir y actualizar dinámicamente archivos KML desde nodos de red locales o remotos
- Recibir datos KML según los cambios en el visor XNUMXD
- Servicio Federal de Registro Estatal, Catastro y Cartografía "Rosreestr"
La información del portal Rosreestr es valiosa por su contenido y relevancia, pero, lamentablemente, no permite obtener gráficos para proyectos de construcción de capital y terrenos de forma gratuita. El portal Rosreestr también contiene una gran cantidad de información de acceso restringido.
- Organismos estadísticos
Los datos estadísticos son una fuente legítima de información sobre el territorio; sin embargo, hasta la fecha, los datos de los organismos estadísticos solo están disponibles para un cierto número de indicadores, principalmente en los informes de los organismos estadísticos y en los informes de las autoridades regionales.
- Sistemas de información de las autoridades.
Los sistemas de información gubernamentales contienen información de alta calidad, pero sólo una pequeña parte de ella se publica en el dominio público y está disponible para su análisis.
Realizar un análisis de territorios no impone ningún requisito específico sobre la composición de la información, de hecho, se puede utilizar todo lo encontrado, la información de fuentes abiertas suele ser intercambiable. Sin embargo, cabe señalar que incluso la información obtenida del recurso OSM por sí sola es suficiente para realizar un análisis de un territorio desconocido.
Análisis del territorio mediante un modelo “térmico”. Interpretación física de potenciales.
Como se mencionó anteriormente, el análisis del territorio es hoy un tema candente y una poderosa herramienta para atraer inversiones en el desarrollo de infraestructura en diversos entornos urbanos.
La variedad de problemas resueltos mediante el análisis territorial se puede combinar en varias áreas principales:
— Obtener la valoración más interpretable y detallada del territorio en cada punto.
Al resolver el problema, se puede obtener un conjunto de puntos en cada punto del territorio, dando una idea del nivel de desarrollo del territorio en general, así como en un área temática determinada. Un área temática de este tipo podría ser, por ejemplo, la cultura, la industria, el comercio, etc.
— Determinar los lugares más ventajosos para colocar objetos de inversión de un determinado tipo (por ejemplo, bancos, tiendas especializadas, centros comerciales y de entretenimiento, etc.) en el territorio seleccionado.
— Análisis del uso más eficaz del territorio.
Esta dirección permite un estudio detallado de las características del territorio, la situación del mercado que se ha desarrollado en el territorio en estudio y la identificación de opciones populares.
— Determinación de la contribución de un factor al modelo de costes, 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 del territorio propuesto en el artículo utilizando el modelo “térmico” radica en el uso de indicadores de desarrollo del territorio: potenciales, presentados en términos numéricos y que reflejan el grado de influencia del objeto (factor de influencia) en el territorio.
Para comprender la esencia del estudio, es necesario decir algunas palabras sobre el potencial térmico en sí y dar su interpretación física.
En física existen conceptos como campo de fuerza и función de fuerza. El campo de fuerza tiene la dimensión de energía, la función de fuerza tiene la dimensión de fuerza.
Para la ley de gravitación universal, el campo de fuerza está definido por la fórmula:
F=k/r2, donde
k – constante;
r – distancia entre objetos que interactúan.
La función de fuerza ϕ está determinada por la expresión:
dϕ=-F*dr, donde
ϕ: potencial del campo de fuerza;
dϕ, dr – diferenciales;
r es la distancia entre objetos que interactúan,
por lo tanto ϕ=k/r.
El significado físico del potencial del campo de fuerza ϕ es el trabajo E realizado por el campo de fuerza al pasar por un camino determinado. En el caso de la ley de gravitación universal, cuando la distancia a un objeto cambia de r2 a r1, la función de fuerza está determinada por la fórmula
E=k*(1/r1-1/r2), donde
E es el trabajo realizado por el campo de fuerza al pasar por un camino determinado;
r1, r2 – posición inicial y final del objeto.
Para la tarea de analizar un territorio, la influencia de los objetos (factores) sobre el territorio puede considerarse como una fuerza (función de potencia), y el nivel de desarrollo del territorio como potencial térmico total (campo de fuerza) de todos los objetos (factores). En problemas de física, el potencial térmico es la temperatura, y en problemas de análisis del territorio utilizando un modelo "térmico", el potencial representa el impacto total de todos los factores que influyen en un punto del territorio.
Los datos espaciales constan de puntos, líneas y polígonos. Para calcular los potenciales, los datos espaciales extendidos se dividen en pequeños fragmentos. Para cada fragmento, el potencial desde el punto se calcula con un multiplicador igual al tamaño del fragmento del objeto (factor).
Los datos se dividen en grupos semánticos según el principio de estrecha similitud. Por ejemplo, los objetos comerciales se combinan con bienes. Hay grupos de objetos forestales, cuerpos de agua, asentamientos, paradas de transporte, etc. Los grupos unidos por el significado representan un factor. Habiendo pasado por todos los objetos (factores), obtenemos un conjunto de potenciales térmicos adecuados para su posterior procesamiento.
El uso de potenciales (“mapas de calor”) permite pasar de datos espaciales a imágenes “térmicas” de objetos (factores) de influencia en el territorio (visualización de potenciales). Tal transición permite determinar el grado de presencia del factor en cada punto del territorio y realizar análisis adicionales, es decir. muestra diferentes direcciones del desarrollo de la ciudad en color. Así, obtenemos un resplandor de intensidad variable para cada punto del territorio.
A continuación se presentan ejemplos de imágenes "térmicas" del territorio de Nizhny Novgorod en el contexto de varios factores.
Mapa "térmico" de Nizhny Novgorod, que refleja el factor "cadena de farmacias"
Mapa "Calor" de Nizhny Novgorod, que refleja el factor "Policlínicas para adultos"
Mapa "termal" de Nizhny Novgorod, que refleja el factor "Clínicas infantiles"
Mapa "térmico" de Nizhny Novgorod, que refleja el factor "zonas industriales"
Las imágenes “térmicas” del territorio permiten determinar la concentración de potenciales de diversos objetos de influencia. A continuación, es necesario combinar los potenciales obtenidos en una característica integral que permita una evaluación del territorio en base a una gran cantidad de factores. Esto requiere un método que permita analizar una gran cantidad de información, reconocer objetos y también reducir la dimensión de los datos, perdiendo la menor cantidad de información. Uno de estos métodos es el análisis de componentes principales (PCA). Más detalles sobre este método se pueden encontrar en .
La esencia del método es encontrar una combinación lineal de parámetros iniciales que cambie con mayor fuerza en el área de análisis. Para los datos espaciales, los que cambian más fuertemente en el territorio.
El método del componente principal identifica los objetos (factores) que cambian con mayor fuerza en el territorio. Como resultado del método, aparecen nuevas variables: los componentes principales, que son más informativos en comparación con los datos originales, con la ayuda de los cuales es más fácil analizar, describir y visualizar el territorio, sobre el cual es más fácil construir modelos. .
Los componentes principales son expresiones analíticas: la suma de los potenciales de los factores iniciales con ciertos coeficientes. Sin embargo, si algún factor tiene un impacto significativo en el territorio, pero no cambia en todo el territorio analizado, el método del componente principal no incluirá este factor en la composición de los componentes principales.
Los componentes principales están ordenados en orden descendente de información, es decir, extendiéndose por todo el territorio. Los primeros componentes principales contienen mucha más información que los factores individuales y describen bien el territorio. Como regla general, cuando se utilizan alrededor de cien factores, el primer componente principal contiene aproximadamente el 50% de toda la información (varianza) del territorio. Los componentes principales no se correlacionan entre sí y pueden usarse para modelos como características del territorio en cada punto.
El componente principal, como una especie de indicador del territorio calculado de forma abstracta, no tiene un nombre ni una clasificación claros. Sin embargo, un conjunto de factores que están fuertemente correlacionados con el componente principal nos permite interpretar los componentes principales. Como regla general, los siguientes factores se correlacionan con los componentes principales:
— nivel de desarrollo de la infraestructura;
— componente de transporte del territorio;
— zonas climáticas;
— nivel de desarrollo agrícola;
— potencial económico del territorio.
Un análisis más detallado, incluida la agrupación, procede con los primeros componentes principales importantes.
En las figuras se puede ver una 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 en Nizhny Novgorod.
El primer componente principal que caracteriza el nivel de desarrollo de la infraestructura urbana en Ekaterimburgo.
El primer componente principal que caracteriza el nivel de desarrollo de la infraestructura urbana en Kazán.
El primer componente principal que caracteriza el nivel de desarrollo de la infraestructura urbana en Perm.
El primer componente principal que caracteriza el nivel de desarrollo de la infraestructura urbana en Samara.
El primer componente principal que caracteriza el nivel de desarrollo de la infraestructura urbana en Khabarovsk.
Características integrales: agrupamiento.
La siguiente etapa del trabajo de análisis del territorio es la búsqueda de zonas del entorno urbano que sean homogéneas en calidad. Esta búsqueda se basa en el análisis de los valores de los componentes principales en cada punto del territorio. El problema de buscar estas zonas homogéneas se puede resolver mediante la agrupación, el proceso de agrupación de territorios basado en el principio de proximidad de un conjunto de características.
La agrupación de territorios tiene dos objetivos:
— crear una mejor visualización percibida del territorio;
— asignación de áreas para la elaboración de modelos individuales.
Los territorios se agrupan de acuerdo con los factores seleccionados para el análisis. Estos factores pueden ser factores que influyen en los precios o factores que describen algún aspecto del desarrollo del territorio, por ejemplo, la esfera social.
Hay dos métodos de agrupación clásicos comunes: el método de K-medias y el método del dendrograma. Cuando se trabaja con territorios, el método K-means ha demostrado su eficacia, cuya característica es el "crecimiento" de un grupo agregando nuevos objetos a los puntos de crecimiento. La ventaja del método K-means radica en la similitud de su trabajo con el proceso natural de formación de territorios: integración de similares, en lugar de separación de diferentes.
Para los cálculos de Nizhny Novgorod se utilizó el método K-medias (figura siguiente).
Cumplimiento de los clusters con el nivel de desarrollo del territorio usando el ejemplo de Nizhny Novgorod.
Con el enfoque propuesto, es posible obtener una visión general del territorio sobre diversos temas. Los temas que nos interesan pueden ser, por ejemplo, el nivel de desarrollo de la infraestructura urbana, el nivel de "élite" del territorio, el nivel de desarrollo cultural, el componente social del desarrollo del territorio. Estos temas son conceptos integrales mal definidos y constan de muchos factores interrelacionados.
Utilizando algún algoritmo de selección de parámetros a analizar (incluso con la participación de expertos), obtendremos mapas temáticos que den una idea de un aspecto del desarrollo del territorio.
Se entiende por características integrales los primeros componentes principales, principalmente el primer componente principal más informativo, y la agrupación del territorio según parámetros seleccionados.
En las figuras siguientes se presentan mapas temáticos de los primeros componentes principales para diversos aspectos del desarrollo.
Mapa temático "Objetos culturales" utilizando el ejemplo de Nizhny Novgorod
Mapa temático "Esfera social" usando el ejemplo de Nizhny Novgorod
Las características integrales permiten comprender las características de un territorio utilizando muchos factores con una mínima pérdida de información.
En conclusión, cabe señalar una vez más que hoy el análisis de territorios es una etapa sumamente importante para resolver los problemas de desarrollo del entorno urbano, elegir lugares para invertir en construcción, encontrar la ubicación más ventajosa para nuevas instalaciones y otras tareas.
El método de análisis del territorio propuesto en el artículo utilizando un modelo “térmico” a partir de factores de diferente naturaleza no es crítico para el conjunto de factores, es decir, no impone restricciones ni requisitos a la información inicial.
La diversidad y redundancia de la información fuente, así como la oportunidad de utilizar datos abiertos, proporciona perspectivas ilimitadas para analizar cualquier territorio paz
En las siguientes publicaciones dedicadas a los problemas del análisis territorial, planeamos revelar las características de la compilación de modelos utilizando componentes principales y métodos para su implementación para tareas tales como:
— elegir la mejor ubicación al colocar un nuevo objeto;
— construcción de una superficie de precios para una determinada categoría de objetos utilizando el valor de mercado;
- evaluación de la rentabilidad de un determinado tipo de actividad en función de la ubicación de los objetos.
También se prevé presentar métodos para la transición inversa de componentes principales a factores, lo que a su vez permitirá obtener un modelo a partir de factores para un territorio determinado.
Fuente: habr.com