Näide soojuspotentsiaali arvutamisest Nizhni Novgorodi tänavavõrgus
Linna territoorium on keeruline, heterogeenne süsteem, mis on pidevas muutumises. Linnapiiri kirjeldamine ja linna keskkonna hindamine on võimalik ruumiliste objektide (faktorite) abil. Territooriumi iseloomustavad tegurid erinevad oma mõju poolest (positiivne, negatiivne) ja geomeetrilisest konfiguratsioonist (punktid, jooned, polügoonid).
Sageli on keeruline määratleda, kui palju mõjutab iga eraldi objekti tase linna arengu üldiselt või mõne mitteolulise aspekti kohta. Praegusel ajal on selliste mõistete nagu „kultuur”, „sotsiaalne sfäär”, „sotsiaalne pingetase”, „hea elu”, „majanduslik areng”, „rahva tervis” määratlemine ja kirjeldamine järjest olulisem. Nende mõistete mitmetähenduslikkus suureneb, kui tahame neid rakendada erinevate sotsiaalsete rühmade, eri vanuses ja soo elanikkonna kohta.
Samuti tuleb märkida, et linna piirid moodustuvad tänapäevas mõttes üsna tinglikult. Päevasisene rahvastiku migratsioon ja kaugematele aladele juurdepääsetavus „hägustavad linna piire” veelgi. Laialdaselt kasutatav mõiste aglomeratsioonist peegeldab linnapiire üldiselt, kuid muudab linna piiri mõiste veelgi ebamugavamaks.
Malukirjelt kavandamise ja hindamise probleemidest hoolimata on territooriumide analüüs ja hindamine täna üks perspektiivikamaid ja huvitavamaid valdkondi, mis võimaldavad lahendada mitmeid linna keskkonna aktuaalseid ülesandeid.
Artiklis pakutakse välja territooriumi analüüsi meetod, kus kasutatakse 'soojus' mudelit. Selle meetodi aluseks on mitmesuguste objektide (faktorite) potentsiaalide uurimine (punkti, joon- ja pinnamustrites). Territooriumi analüüs selle meetodi kaudu võimaldab üleminekut ruumiliste andmete kogumilt (faktorid), mis kirjeldavad territoriaalset ruumi, täpsete numbrite (punkthinnangute) hindamiseni igas territooriumi punktis.
Analüüsitavad territooriumi potentsiaalid omavad füüsilist tõlgendust – soojuse levikut erineva suurusjärguga keskkondades (2D, 3D). Seda nähtust saab esitada „soojuspiltidena” (soojuskaardid territooriumi), mis annavad ülevaate territooriumi arengu määrast sõltuvalt pildi värvi intensiivsusest.
Territooriumi tegurid
Territooriumi analüüs sisaldab teabe otsimist ja töötlemist tegurite mõju kohta territooriumile ning nende näitajatest. Mõjufaktoriteks on objektid, mis mõjutavad ümbritsevat territooriumi, omades seti omadusi ja ruumilisi koordinaate. Mõjufaktorite näideteks võivad olla kauplused, tööstusobjektid, teed, metsad, veekogud.
Mõjude näitajateks on objektid, mis peegeldavad objektide mõju ja samuti omavad seti omadusi ja ruumilisi koordinaate. Näiteks mõjude näitajateks võivad olla sularahaautomaadid, reklaamiplakatid, mälestusmärgid.
Edasi lähemalt tutvustatakse mõistet mõjufaktor, mis ühendab endas nii tegurite kui ka mõjude näitajate mõisted.
Allpool on toodud näide ruumilistest andmetest, mis toimivad mõjufaktoritena.
Üks olulisemaid etappe territooriumide analüüsi läbiviimisel on algse teabe kogumise ja töötlemise etapp. Praegu on erineva detailsuse tasemega teavet territooriumi mõju faktorite kohta piisavalt palju.
Teavet saab hankida avatud allikatest või piiratud juurdepääsuga allikatest. Paljudel juhtudel piisab analüüsiks avatud teabest, kuigi see vajab tavaliselt palju tööd.
Meie arvates on avatud allikate seas juhtiv ressurss OpenStreetMap (OSM). Informatsioon, mida saadakse sellest allikast, uuendatakse igapäevaselt üle kogu maailma.
OopenStreetMap (OSM) ressursi teave on esitatud järgmistes formaatides:
— OSM formaat. Peamine formaat laiendiga „.osm” graafiliste kujutiste, XML– sõlmede, radade, seoste kirjeldamiseks.
— „Poola formaat”. Tekstiformaat laiendiga „.mp”, mida kasutatakse graafika töötlemiseks.
— PBF formaat. Andmete salvestamise formaat laiendiga „.osm.pbf”.
Teabeallikatena võib kasutada ka:
— 2GIS
Ressurss sisaldab kvaliteetset, igakuist teabe töötlemist, millel on suurepärane kolm tasandit koos klassifikaatoriga ettevõtetele ja organisatsioonidele.
— KML (Keyhole Markup Language) failid
KML (Keyhole Markup Language) failid on failiformaat, mida kasutatakse geograafiliste andmete kuvamiseks programmis Google Earth, Google Maps ja Google Maps mobiilirakenduses.
KML failide abil on võimalik:
— määrata erinevaid ikoone ja teha sildid kohtade tähistamiseks maal
— luua erinevaid vaateid valitud objektidele, muutes kaamera positsiooni
— kasutada erinevaid kihte ja pilte
— määrata stiile objekti kuvamise kohandamiseks, kasutada HTML kodeeringut hüperlinkide ja manustatud piltide loomiseks
— kasutada kaustu elementide hierarhiliseks rühmitamiseks
— dünaamiliselt hankida ja uuendada KML faile eemal olevatest või kohalikest võrgusõlmedest
— KML andmeid saada vastavalt muutustele 3D-vaataja tööriistas
— Föderaalne riikliku registri, katastri ja kaardistamise teenistus "Rosreestr"
Teave Rosreestri portaalis on väärtuslik oma sisukuse ja ajakohasuse poolest, kuid kahjuks ei võimalda see tasuta juurdepääsu ehitusobjektide ja maade graafikale. Rosreestri portaal sisaldab ka suures mahus piiratud juurdepääsuga teavet.
— Statistikaametid
Statistikandmed on legitiimne teabeallikas territooriumi kohta, kuid praegu on statistikaametite andmed kergesti kergesti ligipääsetavad vaid piiratud näitajate osas, peamiselt statistikaametite aruannetes ja piirkondlike omavalitsuste raportites.
— Võimuorganite infosüsteemid
Kvaliteetne teave on olemas võimuorganite infosüsteemides, kuid neist avaldatakse ainult väike osa avatud juurdepääsuga ja analüüsiks kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti kergesti.
Territooriumi analüüsimine ei sea teavet osas mingeid konkreetseid nõudeid, põhimõtteliselt võib kasutada kõike, mis on õnnestunud leida, avatud tüüpi allikate teave on tavaliselt omavahel asendatav. Tuleb märkida, et isegi ainult OSM ressursist saadud teave on piisav, et teha analüüsi tundmatule alale.
Territooriumi analüüs "soojusmudeli" abil. Füüsiline tõlgendus potentsiaalide suhtes.
Nagu juba mainitud, on territooriumi analüüs tänapäeval aktuaalne teema ja võimas tööriist investeeringute põhjendamiseks erinevate linnainfrastruktuuri arendusse.
Analüüsiga kaasnevaid ülesandeid saab grupeerida mitmesse peamisse suunda:
— Saada maksimaalselt tõlgendatav ja detailne hinnang territooriumile igas selle punktis.
Antud ülesande lahendamiseks on võimalik saada hinnangud igas territooriumi punktis, mis annab ülevaate territooriumi arengu tasemest üldiselt ning ka mõnes spetsiifilises valdkonnas. Selliseks spetsiifiliseks valdkonnaks võib olla näiteks kultuur, tööstus, kaup jne.
— Kindlaks teha kõige soodsamad kohad teatud tüüpi investeerimisobjektide (nt pankade, eripoodide, kaubandus- ja meelelahutuskeskuste jne) paigutamiseks valitud territooriumile.
— Territooriumi kõige tõhusama kasutamise analüüs.
See suund võimaldab teostada üksikasjalikku uuringut territooriumi omaduste, analüüsi hetke turuolukorra, nõudlike variantide tuvastamise üle.
— Ühe teguri panuse määramine väärtuse mudelisse, näiteks uute teede ja marsruutide tekkimise korral.
— Erinevate aspektide analüüs ühes territooriumis ja erinevate territooriumide analüüs (territooriumide võrdlemine).
Artiklis pakutava territooriumi analüüsi meetodi originaalsus seisneb selles, et kasutatakse territooriumi arengu väärtusi — potentsiaale, mis on esitatud arvulistes väärtustes ja mis kajastavad objekti (mõjufaktori) mõju territooriumile.
Uurimise sisu mõistmiseks tuleks öelda mõned sõnad soojuspotentsiaali kohta, anda selle füüsiline tõlgendus.
Füüsikas on sellised mõisted nagu väljakujundus ja jõu funktsioon. Väljakujundusel on energia mõõt, jõu funktsioonil — jõu mõõt.
Üldiselt gravitatsiooniseaduse kohaselt on väljakujundus määratletud valemiga:
F=k/r2, kus
k — konstant;
r — kaugus vahemaa/tuntud objektide vahel.
Jõu funktsioon ϕ määratakse järgmise valemiga:
dϕ=-F*dr, kus
ϕ — väli potentsiaal;
dϕ, dr – diferentsiaalid;
r — kaugus vahemaa/tuntud objektide vahel,
seega on ϕ=k/r.
Võimsusvälja potentsiaali füüsiline tähendus ϕ on töö E, mille teeb võimsusvälja teatud teepikkusel. Universaalse tõmbejõu seaduse korral, kui kaugus objekti ja r1 ning r2 vahel muutub, määratakse võimsusfunktsioon valemi kaudu.
E=k*(1/r1-1/r2), kus
E on töö, mille võimsusvälja teeb teatud teepikkusel;
r1, r2 on objekti algne ja lõpp asukoht.
Territooriumi analüüsi ülesandes võib objektide (faktorite) mõju territooriumile käsitleda jõuna (võimsusfunktsioon), samas kui territooriumi arengutaset saab käsitleda koguminaudusena (väljakujundus) kõikidest objektidest (faktoritest). Füüsikaülesannetes on koguminaudus temperatuur, kuid territooriumide analüüsi puhul, kasutades "soojus" mudeli, esindab potentsiaal kõiki tegureid, mis mõjutavad territooriumi punkti.
Ruumiandmed koosnevad punktidest, jooned ja polügoonidest. Potentsiaalide arvutamiseks jagatakse piklikud ruumiandmed väikesteks fragmentideks. Iga fraktsiooni puhul arvutatakse potentsiaal punktist, mille korrutaja on fraktsiooni objekti (faktori) suurus.
Andmed jagatakse mõtestatud gruppidesse, lähtudes sarnasusest. Näiteks on kaubanduse objektid rühmitatud toodete kaupa. On olemas metsade, veekogude, asulate, transportpeatuste jms grupid. Mõistlikult grouped grupid esindavad tegurit. Läbides kõik objektid (faktorid), saame soojuspotentsiaalide kogumi, mida saab edasi töödelda.
Potentsiaalide ("soojuskaardid") kasutamine võimaldab liikuda ruumiandmetest objekti (faktorite) "soojus" piltide loomise juurde, mis mõjutavad territooriumi (potentsiaalide visualiseerimine). See üleminek annab võimaluse määrata teguri kohaloleku astet igas territooriumi punktis ja teostada edasist analüüsi, st visualiseerida erinevad suunad linna arengus värviga. Nii saame igas territooriumi punktis erineva intensiivsusega helenduse.
Näiteks "soojus" pilte Nizhny Novgorodi territooriumist mitmete tegurite lõikes on esitatud allpool.
"Soojukaart" Nizhny Novgorod, peegeldav tegurit "Apteegivõrk"
"Soojukaart" Nizhny Novgorod, peegeldav tegurit "Täiskasvanute polikliinikud"
"Soojukaart" Nizhny Novgorod, peegeldav tegurit "Laste polikliinikud"
"Soojukaart" Nizhny Novgorod, peegeldav tegurit "Tööstuspiirkonnad"
"Soojuspildid" territooriumist võimaldavad määrata potentsiaalide kontsentratsiooni erinevate mõjutegurite seas. Edasi on oluline ühendage saadud potentsiaalid integreeriva omadusega, mis võimaldab territooriumi hindamist paljude tegurite lõikes. Selleks on vajalik meetod, mis võimaldab analüüsida suurt hulka teavet, tuvastada objekte ning vähendada andmete dimensioonilisust, kaotades miinimumis teavet. Üks selline meetod on peamiste komponentide meetod (PCA). Rohkem teavet selle meetodi kohta on võimalik lugeda .
Meetodi põhiolemus on leida algparameetrite lineaarne kombinatsioon, mis muutub analüüsivaldkonnas kõige rohkem. Ruumiandmete jaoks – kõige enam m.u.n.t. muutuv territooriumil.
Peamised komponendid eristavad objekte (faktoreid), mis muutuvad kõige rohkem territooriumil. Meetodi töö käigus ilmuvad uued muutujad – peamised komponendid, mis on algandmetega võrreldes informatiivsemad, võimaldades lihtsasti analüüsida, kirjeldada ja visualiseerida territooriumi, mille suhtes on lihtsam mudeleid luua.
Peamised komponendid esindavad analüütilisi väljendeid – algfaktorite potentsiaalide summa koos teatud koefitsiientidega. Kuid kui mingil teguril on territooriumi suhtes oluline mõju, kuid see ei muutu analüüsitaval territooriumil, ei kaasata peamiste komponentide meetod sellist tegurit peamiste komponentide hulka.
Peamised komponendid järjestatakse vastavalt info vähenemisele – st territoriaalsete levikute järgi. Esimesed peamised komponendid kannavad endas märkimisväärselt rohkem teavet kui eraldi tegurid ning kirjeldavad territooriumi hästi. Üldjuhul, kui kasutatakse umbes sada faktorit, toob esimene peamine komponent umbes 50% kogu territooriumi info (dispersioni). Peamised komponendid ei korreleeru omavahel ja neid saab kasutada mudelites territooriumi omadustena igas punktis.
Peamine komponent, nagu mingi abstraktselt arvutatud territoriaalne näitaja, ei oma selget nime ja klassifikatsiooni. Siiski võimaldab peamise komponendiga tugevalt korreleeruvate tegurite kogum tõlgendada peamiseid komponente. Üldjuhul korreleeruvad järgmised tegurid peamiste komponentidega:
— infrastruktuuri arengu tase;
— territooriumi transpordielement;
— kliimavööndid;
— põllumajanduse arengu tase;
— territooriumi majanduslik potentsiaal.
Edasine analüüs, sealhulgas klasterdamine, toimub mitme esimese olulise peamise komponendi abil.
Joonistel on näha esimesi peamisi komponente visuaalselt esitatud mitmete Venemaa linnade territooriumil.
Esimene peamine komponent, mis iseloomustab linnainfrastruktuuri arengu taset N. Novgorodis
Esimene peamine komponent, mis iseloomustab linnainfrastruktuuri arengu taset Jekaterinburgis
Esimene peamine komponent, mis iseloomustab linnainfrastruktuuri arengu taset Kazanis
Esimene peamine komponent, mis iseloomustab linnainfrastruktuuri arengu taset Permis
Esimene peamine komponent, mis iseloomustab linnainfrastruktuuri arengu taset Samaras
Esimene peamine komponent, mis iseloomustab linnainfrastruktuuri arengu taset Habarovskis
Integraalsed omadused: klasterdamine
Edasi analüüsimise etapp on linna keskkonna täiendavate liigsete kvaliteetide piirkondade otsimine. See otsimine põhineb peamiste komponentide väärtuste analüüsil igas territooriumi punktis. Omandatud ühtlaste piirkondade leidmise ülesanne saab lahendatud klasterdamise teel – territooriumide rühmitamise protsess, tuginedes omaduste kogumi sarnasusele.
Territooriumi klasterdamise kaks eesmärki on:
— paremini tajutava territooriumi visualiseerimise loomine;
— alade eristamine eraldi mudelite koostamiseks.
Territooriumid klasifitseeritakse vastavalt analüüsimiseks valitud teguritele. Need tegurid võivad olla kulude määramisega seotud või territooriumi arengu mõnda aspekti, näiteks sotsiaalse sfääri, kirjeldavad tegurid.
Klastrite klassifitseerimiseks on kaks laialdaselt kasutatavat klassikalist meetodit: K-means meetod ja dendrogrammide meetod. Territooriumidega töötamisel on K-means meetod hästi töötanud, kuna selle eripära on klastrite 'kasvamine', liites kasvupunktide uusobjekte. K-means meetodi eelised seisnevad sarnasuses selle töö ja looduslike territooriumide loomise protsessi vahel: sarnaste integreerimine, mitte erinevate eraldamine.
Nizhni Novgorodi jaoks on K-means meetodi abil tehtud arvutus (joonisel allpool).
Klastrite vastavus territooriumi arengutasemele N. Novgorodis
Käesoleva lähenemise abil on võimalik saada ülevaade territooriumist erinevate teemade kaudu. Meid huvitavad teemad võivad olla näiteks linnainfrastruktuuri arengu tase, territooriumi 'eliitlikkuse' tase, kultuuri arengutase, sotsiaalne komponent territooriumi arengus. Need teemad on halvasti määratletud integrealsed mõisted, mis koosnevad paljusid omavahel seotud tegurite kogumist.
Mõningate parameetrite valiku algoritmide põhjal (sealhulgas ekspertide kaasamine) saame teema kaardid, mis annavad ülevaate territooriumi arengu ühe aspekti kohta.
Integraalsetes omadustes mõistetakse esimesi peamiseid komponente, eelkõige kõige informatiivsemat esimest peamist komponenti, ja territooriumi klasterdamist valitud parameetrite põhjal.
Esimese peamise komponendi teema kaardid erinevate arengu aspektide kohta on esitatud allolevates joonistes.
Teemakaart «Kultuuriobjektid» N. Novgorodi näitel
Teemakaart «Sotsiaalne sfäär» N. Novgorodi näitel
Integraalsed omadused võimaldavad mõista territooriumi iseärasusi, opereerides paljude teguritega minimaalse teabe kadumisega.
Lõpuks tasub veel kord rõhutada, et tänapäeval on territooriumide analüüs äärmiselt oluline etapp linna keskkonna arendamise ülesannete lahendamisel, ehituste investeerimispaikade valimisel, uute objektide paigutamise kõige kasuliku asukoha leidmisel ja muude ülesannete täitmisel.
Artiklis esitletud territooriumi analüüsi meetod, mis kasutab «soojus» mudelit erinevat laadi tegurite jaoks, ei ole kriitiline tegurite kogumile, st see ei sea piiranguid ja nõudeid algsete andmete osas.
Algandmete mitmekesisus ja ülemäärasus ning avatud andmete kasutamise võimalus pakuvad piiramatuid võimalusi erinevate territooriumide analüüsimiseks maailmas.
Järgmistes publikatsioonides, mis käsitlevad territooriumi analüüsi ülesandeid, plaanime avada mudeleid koostavate mudelite omadusi, kasutades põhikomponente ja nende rakendamise meetodeid selliste ülesannete jaoks nagu:
— parima koha valimine uue objekti paigutamiseks;
— hinnapinna koostamine teatud kategooria objektide jaoks, kasutades turuhinda;
- teatud tüüpi tegevuse tasuvuse hindamine objekti asukohast lähtuvalt.
Samuti on plaanis esitada meetodid peamistest komponentidest tegurite tagasipööramiseks, mis omakorda võimaldab saada mudeli teguritest antud territooriumi jaoks.
Allikas: habr.com
