Näide Nižni Novgorodi tänavavõrgu soojuspotentsiaali arvutamisest
Linna territoorium on keeruline, heterogeenne süsteem, mis on pidevas muutumises. Oskad kirjeldada territooriumi ja hinnata linnakeskkonda ruumiliste objektide (tegurite) abil. Territooriumi kirjeldavad tegurid erinevad oma mõju olemuse (positiivne, negatiivne) ja geomeetrilise konfiguratsiooni (punktid, jooned, hulknurgad) poolest.
Sageli on üsna raske kindlaks määrata iga üksiku objekti mõju territooriumi kui terviku või selle mõne konkreetse aspekti arengutasemele. Tänapäeval muutub üha aktuaalsemaks selliste mõistete nagu „kultuur“, „sotsiaalne sfäär“, „sotsiaalne pinge“, „hea elu“, „majandusareng“, „rahvatervis“ määratlemise ja kirjeldamise probleem. Nende mõistete mitmetähenduslikkus suureneb, kui soovime neid rakendada erinevatele sotsiaalsetele gruppidele, erineva vanuse ja sooga populatsioonidele.
Samuti tuleb märkida, et linna piirid on kaasaegses kontseptsioonis üsna meelevaldsed. Elanikkonna igapäevane ränne, äärealade transpordi kättesaadavus “hägustab” linna piiri veelgi. Praegu laialt levinud linnastu mõiste peegeldab üldiselt linna piire, kuid samas muudab linnapiiri enda mõiste veelgi ebamäärasemaks.
Vaatamata ülalkirjeldatud probleemidele on territooriumide analüüs ja hindamine tänapäeval ühed lootustandvamad ja huvitavamad valdkonnad, mis võimaldavad lahendada paljusid aktuaalseid linnakeskkonna probleeme.
Artiklis pakutakse kaalumiseks meetodit territooriumi analüüsimiseks "termilise" mudeli abil. See meetod põhineb erineva olemusega (punkt-, lineaarne ja pindala) objektide (tegurite) loodud potentsiaalide uurimisel. Territooriumi analüüs selle meetodi abil võimaldab liikuda territooriumi kirjeldavate ruumiandmete (tegurite) kogumilt täpsele numbrilisele (skoori) hinnangule territooriumi igas punktis.
Territooriumi analüüsi raames uuritud potentsiaalidel on füüsikaline tõlgendus - soojuse levik erineva mõõtmega keskkondades (2D, 3D). Seda nähtust saab kujutada "termiliste" piltidena (territooriumi "soojuse" kaardid), mis annavad aimu territooriumi arenguastmest sõltuvalt pildi värviintensiivsusest.
Territooriumi tegurid
Territooriumi analüüs hõlmab info otsimist ja töötlemist territooriumi mõjutavate tegurite ja nende näitajate kohta. Mõjutegurid on objektid, mis mõjutavad ümbritsevat territooriumi ning millel on teatud omaduste ja ruumiliste koordinaatide kogum. Mõjutegurid on näiteks poed, tööstusrajatised, teed, metsad ja veekogud.
Mõju indikaatorid on objektid peegeldav objektide mõju, millel on ka karakteristikute ja ruumiliste koordinaatide kogum. Näiteid mõjunäitajatest: sularahaautomaadid, stendid, mälestusmärgid.
Järgnevas esitluses kasutame mõjutegurite mõistet, mis ühendab endas mõlemad mõisted – mõjutegurid ja mõjunäitajad.
Allpool on näide ruumiandmetest, mis toimivad mõjuteguritena.
Territooriumide analüüsimise üheks oluliseks etapiks on algteabe kogumise ja töötlemise etapp. Tänapäeval on territooriumi mõjutavate tegurite kohta palju erineva detailsusega teavet.
Teavet saab hankida avatud allikatest või piiratud allikatest. Paljudel juhtudel piisab analüüsiks avatud teabest, kuigi reeglina nõuab see üsna töömahukat töötlemist.
Avatud lähtekoodide hulgas on meie arvates liider ressurss OpenStreetMap (OSM). Sellest allikast saadud teavet uuendatakse iga päev kogu maailmas.
OpenStreetMapi (OSM) ressursside teave on esitatud järgmistes vormingutes:
- OSM-vorming. Põhivormingut laiendiga “.osm” kasutatakse XML-i graafiliste kujutiste – sõlmede, teede, seoste – kirjeldamiseks.
- "Poola formaat". Graafikaga töötamiseks kasutatakse laiendiga “.mp” tekstivormingut.
- PBF-vorming. Andmesalvestusvorming laiendiga “.osm.pbf”.
Teabeallikatena saate kasutada ka järgmist.
- 2 GIS
Ressurss sisaldab kvaliteetset igakuiselt töödeldud teavet koos suurepärase 3-tasemelise klassifikaatoriga ettevõtetele ja organisatsioonidele.
- KML (Keyhole Markup Language) failid
KML (Keyhole Markup Language) failid on failivorming, mida kasutatakse geograafiliste andmete kuvamiseks Google Earthis, Google Mapsis ja Google Mapsis mobiilseadmetele.
KML-failidega saate:
- paigaldada erinevaid ikoone ja teha allkirju, et näidata kohti Maa pinnal
— luua valitud objektidele erinevaid vaatenurki, muutes kaamera asendit
- kasutage erinevaid ülekattepilte
— määrake stiilid objekti kuvamise kohandamiseks, rakendage HTML-koodi hüperlinkide ja tekstisiseste piltide loomiseks
— kasutada kaustu elementide hierarhiliseks rühmitamiseks
— KML-failide dünaamiline vastuvõtmine ja värskendamine kaug- või kohaliku võrgu sõlmedest
- KML-andmete vastuvõtmine vastavalt XNUMXD-vaaturi muudatustele
- Föderaalne riikliku registreerimise, katastri ja kartograafia teenistus "Rosreestr"
Rosreestri portaalis olev teave on oma sisu ja asjakohasuse poolest väärtuslik, kuid kahjuks ei võimalda see tasuta hankida graafikat kapitaalehitusprojektide ja maatükkide jaoks. Portaal Rosreestr sisaldab ka suurel hulgal piiratud juurdepääsuga teavet.
- Statistikaasutused
Statistilised andmed on seaduslik teabeallikas territooriumi kohta, kuid tänase seisuga on statistikaasutuste andmed kättesaadavad vaid teatud näitajate kohta, peamiselt statistikaasutuste aruannetes ja piirkondlike ametiasutuste aruannetes.
- Asutuste infosüsteemid
Kvaliteetne teave sisaldub valitsuse infosüsteemides, kuid vaid väike osa sellest avaldatakse avalikult ja on analüüsimiseks kättesaadav.
Territooriumide analüüsi läbiviimine ei sea teabe koostisele konkreetseid nõudeid, tegelikult saab kasutada kõike, mis leiti, avatud allikatest pärinev teave on tavaliselt omavahel asendatav. Siiski tuleb märkida, et isegi ainult OSM-i ressursist saadud teabest piisab võõra territooriumi analüüsi tegemiseks.
Territooriumi analüüs "termilise" mudeli abil. Potentsiaalide füüsiline tõlgendamine
Nagu varem mainitud, on territooriumi analüüs tänapäeval kuum teema ja võimas vahend investeeringute põhjendatud kaasamiseks infrastruktuuri arendamisse erinevates linnakeskkondades.
Territooriumi analüüsi abil lahendatavate probleemide mitmekesisust saab ühendada mitmeks suureks valdkonnaks:
— territooriumi kõige tõlgendatavama ja üksikasjalikuma hinnangu saamine igas punktis.
Probleemi lahendades saate territooriumi igas punktis saada punkte, mis annavad aimu nii territooriumi arengutasemest üldiselt kui ka teatud teemavaldkonnas. Selliseks ainevaldkonnaks võiks olla näiteks kultuur, tööstus, kaubandus jne.
— Soodsamate kohtade kindlaksmääramine teatud tüüpi investeerimisobjektide (näiteks pangad, spetsialiseeritud kauplused, kaubandus- ja meelelahutuskeskused jne) paigutamiseks valitud territooriumil.
— Territooriumi kõige tõhusama kasutamise analüüs.
See suund võimaldab üksikasjalikult uurida territooriumi iseärasusi, uuritaval territooriumil kujunenud turuolukorda ja välja selgitada populaarsed võimalused.
— ühe teguri panuse määramine kulumudelisse uute teede ja uute trasside tekkimise näitel.
— Ühe territooriumi erinevate aspektide analüüs ja erinevate territooriumide analüüs (territooriumide võrdlus).
Artiklis pakutud territooriumi analüüsi meetodi originaalsus "termilise" mudeli abil seisneb territooriumi arenguindikaatorite - potentsiaalide kasutamises, mis on esitatud arvuliselt ja kajastavad objekti (mõjuteguri) mõju astet territooriumil.
Uuringu olemuse mõistmiseks on vaja öelda paar sõna soojuspotentsiaali enda kohta ja anda selle füüsiline tõlgendus.
Füüsikas on sellised mõisted nagu jõuväli и jõu funktsioon. Jõuväljal on energia mõõde, jõufunktsioonil on jõu mõõde.
Universaalse gravitatsiooniseaduse jaoks on jõuväli defineeritud valemiga:
F=k/r2, kus
k – konstant;
r – interakteeruvate objektide vaheline kaugus.
Jõufunktsiooni ϕ määrab avaldis:
dϕ=-F*dr, kus
ϕ — jõuvälja potentsiaal;
dϕ, dr – diferentsiaalid;
r on interakteeruvate objektide vaheline kaugus,
seega ϕ=k/r.
Jõuväljapotentsiaali ϕ füüsikaline tähendus on töö E, mida jõuväli teeb teatud tee läbimisel. Universaalse gravitatsiooniseaduse korral, kui kaugus objektini muutub r2-lt r1-le, määratakse jõufunktsioon valemiga
E=k*(1/r1-1/r2), kus
E on jõuvälja poolt teatud tee läbimisel tehtud töö;
r1, r2 – objekti alg- ja lõppasend.
Territooriumi analüüsimisel võib objektide (tegurite) mõju territooriumile käsitleda jõuna (toitefunktsioon) ja territooriumi arengutaset kui soojuslikku kogupotentsiaali (jõuväli) kõikidest objektidest (teguritest). Füüsikaülesannetes on termiline potentsiaal temperatuur ja territooriumi analüüsi ülesannetes "termilise" mudeli abil kujutab potentsiaal kõigi mõjutegurite kogumõju territooriumi punktile.
Ruumiandmed koosnevad punktidest, joontest ja hulknurkadest. Potentsiaalide arvutamiseks jagatakse laiendatud ruumiandmed väikesteks fragmentideks. Iga fragmendi jaoks arvutatakse punktist tulenev potentsiaal kordajaga, mis on võrdne objektifragmendi (teguri) suurusega.
Andmed jagatakse semantilistesse rühmadesse, lähtudes lähedase sarnasuse põhimõttest. Näiteks kombineeritakse kaubandusobjekte toodete kaupa. Seal on metsaobjektide rühmad, veekogud, asulad, transpordipeatused jne. Tähendusega ühendatud rühmad esindavad tegurit. Olles läbinud kõik objektid (tegurid), saame termiliste potentsiaalide komplekti, mis sobivad edasiseks töötlemiseks.
Potentsiaalide kasutamine (“soojuskaardid”) võimaldab liikuda ruumiandmetelt territooriumil mõjutavate objektide (tegurite) “termiliste” kujutisteni (potentsiaalide visualiseerimine). Selline üleminek võimaldab määrata teguri esinemise astet territooriumi igas punktis ja viia läbi edasine analüüs, s.o. kuvada värviliselt linna arengu erinevaid suundi. Seega saame territooriumi iga punkti jaoks erineva intensiivsusega sära.
Allpool on toodud näited Nižni Novgorodi territooriumi "termilistest" piltidest mitme teguri kontekstis.
Nižni Novgorodi "termiline" kaart, mis kajastab "apteegi keti" tegurit
Nižni Novgorodi “soojuse” kaart, mis kajastab tegurit “Täiskasvanute polikliinikud”
Nižni Novgorodi "termiline" kaart, mis kajastab "lastekliinikute" tegurit
Nižni Novgorodi "termiline" kaart, mis kajastab tegurit "tööstuslikud tsoonid"
Territooriumi “termilised” kujutised võimaldavad määrata erinevate mõjuobjektide potentsiaalide kontsentratsiooni. Järgmiseks on vaja saadud potentsiaalid ühendada terviklikuks tunnuseks, mis võimaldab hinnata territooriumi paljude tegurite põhjal. Selleks on vaja meetodit, mis võimaldab analüüsida suurt hulka informatsiooni, tuvastada objekte ja ka vähendada andmete dimensiooni, kaotades sellega kõige vähem informatsiooni. Üks neist meetoditest on põhikomponentide analüüs (PCA). Lisateavet selle meetodi kohta leiate aadressilt .
Meetodi olemus on leida algparameetrite lineaarne kombinatsioon, mis muutub analüüsipiirkonnas kõige tugevamalt. Ruumiandmete puhul – kõige tugevamini muutuv üle territooriumi.
Põhikomponendi meetod tuvastab objektid (tegurid), mis territooriumil kõige tugevamalt muutuvad. Meetodi tulemusena tekivad uued muutujad - põhikomponendid, mis on algandmetega võrreldes informatiivsemad, mille abil on lihtsam analüüsida, kirjeldada ja visualiseerida territooriumi, millele on lihtsam ehitada mudeleid. .
Põhikomponendid on analüütilised avaldised - teatud koefitsientidega algtegurite potentsiaalide summa. Kui aga mõni tegur avaldab territooriumile olulist mõju, kuid ei muutu analüüsitud territooriumil, ei hõlma põhikomponendi meetod seda tegurit põhikomponentide koosseisu.
Põhikomponendid on järjestatud info kahanevas järjekorras – s.t. levib kogu territooriumil. Esimesed põhikomponendid kannavad oluliselt rohkem teavet kui üksikud tegurid ja kirjeldavad hästi territooriumi. Reeglina kannab umbes saja teguri kasutamisel esimene peakomponent umbes 50% kogu territooriumi puudutavast informatsioonist (dispersioonist). Põhikomponendid ei ole omavahel korrelatsioonis ja neid saab kasutada mudelite jaoks territooriumi tunnustena igas punktis.
Põhikomponendil kui mõnel abstraktselt arvutatud territooriumi näitajal puudub selge nimi ja klassifikatsioon. Kuid tegurite kogum, mis on põhikomponendiga tugevas korrelatsioonis, võimaldab meil põhikomponente tõlgendada. Reeglina on põhikomponentidega korrelatsioonis järgmised tegurid:
— infrastruktuuri arendamise tase;
— territooriumi transpordikomponent;
— kliimavööndid;
— põllumajanduse arengutase;
— territooriumi majanduslik potentsiaal.
Edasine analüüs, sealhulgas rühmitamine, jätkub paari esimese olulise põhikomponendiga.
Joonistel näete esimeste põhikomponentide graafilist esitust mitme Vene Föderatsiooni linna territooriumil.
Esimene põhikomponent, mis iseloomustab Nižni Novgorodi linna infrastruktuuri arengutaset
Esimene põhikomponent, mis iseloomustab Jekaterinburgi linnainfrastruktuuri arengutaset
Esimene põhikomponent, mis iseloomustab Kaasani linna infrastruktuuri arengutaset
Esimene põhikomponent, mis iseloomustab Permi linnainfrastruktuuri arengutaset
Esimene põhikomponent, mis iseloomustab Samara linna infrastruktuuri arengutaset
Esimene põhikomponent, mis iseloomustab Habarovski linnainfrastruktuuri arengutaset
Integraalsed omadused: klasterdamine
Territooriumi analüüsi edasine tööetapp on kvaliteedilt homogeensete linnakeskkonna tsoonide otsimine. See otsing põhineb põhikomponentide väärtuste analüüsil territooriumi igas punktis. Nende homogeensete tsoonide otsimise probleemi saab lahendada klasterdamise abil - territooriumide rühmitamise protsessiga, mis põhineb tunnuste kogumi läheduse põhimõttel.
Territooriumi klastrimisel on kaks eesmärki:
— territooriumi paremini tajutava visualiseerimise loomine;
— alade eraldamine üksikute mudelite koostamiseks.
Territooriumid rühmitatakse vastavalt analüüsiks valitud teguritele. Need tegurid võivad olla hinnakujundust mõjutavad tegurid või tegurid, mis kirjeldavad mõnda territooriumi arengu aspekti, näiteks sotsiaalsfääri.
Levinud on kaks klassikalist klasterdamismeetodit: K-keskmiste meetod ja dendrogrammi meetod. Territooriumidega töötamisel on end hästi tõestanud K-tähendusmeetod, mille tunnuseks on klastri “kasvatamine” kasvupunktidesse uute objektide lisamisega. K-vahendite meetodi eeliseks on selle töö sarnasus territooriumi moodustumise loomuliku protsessiga: sarnaste integreerimine, mitte erinevate eraldamine.
Nižni Novgorodi arvutusteks kasutati K-keskmiste meetodit (joonis allpool).
Klastrite vastavus territooriumi arengutasemele Nižni Novgorodi näitel
Pakutud lähenemisega on võimalik saada ülevaade territooriumist erinevatel teemadel. Meid huvitavad teemad võivad olla näiteks linnataristu arengutase, territooriumi “eliitsuse” tase, kultuurilise arengu tase, territooriumi arengu sotsiaalne komponent. Need teemad on halvasti määratletud terviklikud mõisted ja koosnevad paljudest omavahel seotud teguritest.
Kasutades mõnda analüüsi parameetrite valimise algoritmi (sh ekspertide kaasamisel), saame temaatilised kaardid, mis annavad aimu territooriumi arengu ühest aspektist.
Terviktunnuste all mõistetakse esimesi põhikomponente, eelkõige kõige informatiivsemat esimest põhikomponenti ja territooriumi rühmitamist valitud parameetrite järgi.
Esimeste peamiste komponentide temaatilised kaardid arengu erinevate aspektide jaoks on toodud allolevatel joonistel.
Teemakaart “Kultuuriobjektid” Nižni Novgorodi näitel
Teemakaart “Sotsiaalne sfäär” Nižni Novgorodi näitel
Integraalsed omadused võimaldavad mõista territooriumi omadusi, kasutades paljusid tegureid ja minimaalse teabekaoga.
Kokkuvõtteks tasub veel kord tõdeda, et täna on territooriumide analüüs äärmiselt oluline etapp linnakeskkonna arendamise probleemide lahendamisel, ehitusse investeerimise kohtade valikul, uutele objektidele soodsaima asukoha leidmisel ja muudel ülesannetel.
Artiklis välja pakutud territooriumi analüüsi meetod, kasutades erineva iseloomuga teguritest lähtuvat “termilist” mudelit, ei ole tegurite kogumi seisukohalt kriitiline, st ei sea esialgsele teabele piiranguid ega nõudeid.
Lähteinfo mitmekesisus ja liiasus ning avaandmete kasutamise võimalus annab piiramatud väljavaated mis tahes territooriumi analüüsimiseks rahu.
Järgmistes territoriaalanalüüsi probleemidele pühendatud väljaannetes kavatseme paljastada mudelite koostamise tunnused, kasutades põhikomponente ja meetodeid nende rakendamiseks selliste ülesannete jaoks nagu:
— parima asukoha valimine uue objekti paigutamisel;
— turuväärtust kasutades teatud kategooria objektide hinnapinna rajamine;
- teatud tüüpi tegevuse tasuvuse hindamine sõltuvalt objektide asukohast.
Samuti on kavas esitada meetodid pöördüleminekuks põhikomponentidelt teguritele, mis omakorda võimaldab saada teguritest mudeli antud territooriumi kohta.
Allikas: www.habr.com