Exemple de calcul du potentiel thermique pour le réseau urbain de Nizhny Novgorod
Le territoire de la ville est un système complexe et hétérogène, en constante évolution. On peut décrire le territoire et évaluer l'environnement urbain à l'aide d'objets spatiaux (facteurs). Les facteurs décrivant le territoire varient par leur type d'influence (positive, négative) et leur configuration géométrique (points, lignes, polygones).
Il est souvent difficile de déterminer le degré d'influence de chaque objet individuel sur le niveau de développement du territoire dans son ensemble ou sur un aspect particulier. Aujourd'hui, la problématique de la définition et de la description de notions telles que « culture », « sphère sociale », « tension sociale », « bonne vie », « développement économique », « santé de la population » devient de plus en plus pertinente. L'ambiguïté de ces notions augmente si nous souhaitons les appliquer à différents groupes sociaux, à des populations d'âges et de sexes variés.
Il convient également de noter que les frontières de la ville, dans le sens moderne, sont assez conditionnelles. La migration quotidienne de la population et l'accessibilité des transports dans les zones éloignées « brouillent encore plus la limite » de la ville. Le concept d'agglomération, maintenant largement utilisé, reflète dans son ensemble les limites de la ville, mais rend en même temps la notion même de limite encore plus floue.
Malgré les problèmes décrits ci-dessus, l'analyse et l'évaluation des territoires sont aujourd'hui l'un des domaines prometteurs et intéressants permettant de résoudre de nombreuses problématiques actuelles de l'environnement urbain.
L'article propose à l'examen une méthode d'analyse du territoire utilisant un modèle « thermique ». Cette méthode repose sur l'étude des potentiels créés par des objets (facteurs) de nature différente (points, linéaires et surface). L'analyse du territoire à l'aide de cette méthode permet de passer d'un ensemble de données spatiales (facteurs) décrivant le territoire à une évaluation numérique (ponctuelle) précise à chaque point du territoire.
Les potentiels étudiés dans le cadre de l'analyse territoriale ont une interprétation physique : la diffusion de la chaleur dans des milieux de dimensions variées (2D, 3D). Ce phénomène peut être représenté sous forme d'images « thermiques » (cartes « thermiques » du territoire), offrant une vision du degré de développement du territoire en fonction de l'intensité des couleurs de l'image.
Facteurs territoriaux
L'analyse territoriale implique la recherche et le traitement d'informations sur les facteurs influents sur le territoire et sur leurs indicateurs. Les facteurs influents sont des objets qui affectent le territoire environnant, possédant un ensemble de caractéristiques et des coordonnées spatiales. Parmi les exemples de facteurs influents, on peut citer les magasins, les installations industrielles, les routes, les forêts et les plans d'eau.
Les indicateurs d'influence sont des objets réfléchissant l'influence des objets et possédant également un ensemble de caractéristiques et des coordonnées spatiales. Des exemples d'indicateurs d'influence : les distributeurs automatiques, les panneaux publicitaires, les monuments.
Dans la suite de ce document, nous utiliserons le terme facteurs d'influence, englobant à la fois les termes facteurs et indicateurs d'influence.
Voici un exemple de données spatiales qui sont des facteurs d'influence.
L'une des étapes importantes dans l'analyse des territoires est celle de la collecte et du traitement des informations brutes. Actuellement, il existe beaucoup d'informations concernant les facteurs d'influence sur le territoire, de divers niveaux de détail.
Les informations peuvent être obtenues à partir de sources ouvertes ou de sources à accès limité. Dans de nombreux cas, les informations ouvertes suffisent pour l'analyse, bien qu'en général, elles nécessitent un traitement assez laborieux.
Parmi les sources ouvertes, la plus renommée, selon nous, est la ressource — OpenStreetMap (OSM). Les informations obtenues de cette source sont mises à jour quotidiennement dans le monde entier.
Les informations de la ressource OpenStreetMap (OSM) sont disponibles dans les formats suivants :
— Format OSM. Format principal avec l'extension « .osm » utilisé pour décrire des objets graphiques XML – nœuds, chemins, relations.
— « Format polonais ». Format texte avec l'extension « .mp » utilisé pour travailler avec des graphiques.
— Format PBF. Format de stockage de données avec l'extension « .osm.pbf ».
D'autres sources d'informations peuvent également être :
— 2GIS
La ressource contient des informations de qualité, traitées mensuellement, avec un excellent classificateur en 3 niveaux pour les entreprises et les organisations.
— Fichiers KML (Keyhole Markup Language)
Les fichiers KML (Keyhole Markup Language) sont un format de fichier utilisé pour afficher des données géographiques dans les programmes Google Earth, Google Maps et Google Maps pour appareils mobiles.
Avec les fichiers KML, vous pouvez :
— définir différents icônes et créer des légendes pour marquer des lieux à la surface de la Terre
— créer différents angles de vue pour les objets sélectionnés en modifiant la position de la caméra
— utiliser différentes images superposées
— définir des styles pour personnaliser l'affichage d'un objet, appliquer du code HTML pour créer des hyperliens et des images intégrées
— utiliser des dossiers pour regrouper hiérarchiquement des éléments
— obtenir et mettre à jour dynamiquement des fichiers KML depuis des nœuds distants ou locaux du réseau
— recevoir des données KML en fonction des changements dans l'outil de visualisation 3D
— Service fédéral d'enregistrement d'État, de cadastre et de cartographie « Rosreestr »
Les informations sur le portail Rosreestr sont précieuses par leur contenu et leur actualité, mais malheureusement, elles ne permettent pas d'obtenir des graphiques sur les objets de construction et les parcelles de terrain gratuitement. Le portail Rosreestr contient également un grand volume d'informations à accès limité.
— Organismes statistiques
Les données statistiques constituent une source légitime d'informations sur le territoire; cependant, à l'heure actuelle, les données des organismes statistiques ne sont disponibles que pour un certain nombre d'indicateurs, principalement dans les rapports des organismes statistiques et les dépôts des autorités régionales.
— Systèmes d'information des autorités
Des informations de qualité sont contenues dans les systèmes d'information des autorités, mais seule une petite partie d'entre elles est publiée en accès libre et accessible à l'analyse.
L'analyse des territoires n'impose aucune exigence particulière quant à la composition des informations, en principe, on peut utiliser tout ce qui a été trouvé, les informations provenant de sources ouvertes étant généralement interchangeables. Cependant, il convient de noter qu'une seule information provenant de la ressource OSM est suffisante pour réaliser l'analyse d'un territoire inconnu.
Analyse du territoire à l'aide d'un modèle "thermique". Interprétation physique des potentiels.
Comme mentionné précédemment, l'analyse des territoires est aujourd'hui un sujet d'actualité et un puissant outil permettant d'attirer des investissements dans le développement des infrastructures de divers environnements urbains.
La diversité des tâches résolues par l'analyse des territoires peut être regroupée en plusieurs grandes directions :
— Obtenir une évaluation aussi interprétable que détaillée du territoire en chaque point.
En résolvant la tâche, il est possible d'obtenir un ensemble d'évaluations par points sur le territoire, donnant une idée du niveau de développement global, ainsi que dans un domaine particulier. Ce domaine particulier peut être, par exemple, la culture, l'industrie, le commerce, etc.
— Détermination des emplacements les plus avantageux pour l'implantation d'objets d'investissement de type spécifique (par exemple, banques, magasins spécialisés, centres commerciaux, etc.) sur le territoire choisi.
— Analyse de l'utilisation la plus efficace du territoire.
Cette direction permet d'effectuer une recherche détaillée des caractéristiques du territoire, de la situation du marché établie dans la zone étudiée, et d'identifier les options demandées.
— Détermination de la contribution d'un facteur à un modèle de coût, sur l'exemple de l'apparition de nouvelles routes et de nouveaux trajets.
— Analyse de différents aspects d'un territoire et comparaison de différents territoires.
L'originalité de la méthode d'analyse du territoire proposée dans cet article utilisant un modèle "thermique" réside dans l'utilisation d'indicateurs de développement du territoire — des potentiels, présentés sous forme numérique, reflétant le degré d'influence d'un objet (facteur d'influence) sur le territoire.
Pour comprendre l'essence de l'étude, il convient de dire quelques mots sur le potentiel thermique lui-même et d'en donner une interprétation physique.
En physique, il existe des concepts comme champ de force et fonction de force. Le champ de force a la dimension de l'énergie, la fonction de force a celle de la force.
Pour la loi de la gravitation universelle, le champ de force est défini par la formule :
F=k/r2, où
k est une constante ;
r est la distance entre les objets interagissant.
La fonction de force ϕ est définie par l'expression :
dϕ=-F*dr, où
ϕ est le potentiel du champ de force ;
dϕ, dr sont des différentielles ;
r est la distance entre les objets interagissant,
donc ϕ=k/r.
Le sens physique du potentiel du champ de force ϕ est le travail E effectué par le champ de force lors du passage sur une certaine distance. Dans le cas de la loi de la gravitation universelle, lors du changement de la distance à l'objet de r2 à r1, la fonction de force est définie par la formule
E=k*(1/r1-1/r2), où
E est le travail effectué par le champ de force lors du passage sur une certaine distance ;
r1, r2 sont la position initiale et finale de l'objet.
Pour l'analyse d'un territoire, l'influence des objets (facteurs) sur le territoire peut être considérée comme une force (fonction de force), et le niveau de développement du territoire, comme le potentiel thermique total (champ de force) de tous les objets (facteurs). Dans les problèmes de physique, le potentiel thermique est la température, et dans les tâches d'analyse des territoires utilisant le modèle « thermique », le potentiel représente l'impact total de tous les facteurs d'influence sur un point du territoire.
Les données spatiales représentent des points, des lignes, des polygones. Pour calculer les potentiels, les données spatiales étendues sont divisées en petits fragments. Pour chaque fragment, le potentiel est calculé à partir du point avec un multiplicateur égal à la taille du fragment de l'objet (facteur).
Les données sont divisées en groupes sémantiques selon le principe de similarité étroite. Par exemple, les objets commerciaux sont regroupés par type de produits. Il existe des groupes d'objets forestiers, d'objets aquatiques, de localités, d'arrêts de transport, etc. Les groupes réunis par sens représentent un facteur. En parcourant tous les objets (facteurs), nous obtenons un ensemble de potentiels thermiques qui peuvent être traités ultérieurement.
L'utilisation des potentiels (« cartes thermiques ») permet de passer des données spatiales à des images « thermiques » d'objets (facteurs) d'influence sur le territoire (visualisation des potentiels). Ce passage permet de déterminer le degré de présence du facteur en chaque point du territoire et de procéder à une analyse ultérieure, c'est-à-dire de représenter différentes directions de développement de la ville par des couleurs. Ainsi, nous obtiendrons une luminescence d'intensité variable pour chaque point du territoire.
Des exemples d'images « thermiques » du territoire de la ville de Nizhny Novgorod en fonction de plusieurs facteurs sont présentés ci-dessous.
Carte « thermique » de Nizhny Novgorod, reflétant le facteur « Réseau de pharmacies »
Carte « thermique » de Nizhny Novgorod, reflétant le facteur « Cliniques pour adultes »
Carte « thermique » de Nizhny Novgorod, reflétant le facteur « Cliniques pédiatriques »
Carte « thermique » de Nizhny Novgorod, reflétant le facteur « Zones industrielles »
Les images « thermiques » du territoire permettent de déterminer la concentration des potentiels des différents objets d'influence. Il est ensuite nécessaire de regrouper les potentiels obtenus en une caractéristique intégrale permettant d'évaluer le territoire selon un grand nombre de facteurs. Pour cela, une méthode est nécessaire, qui permet d'analyser un grand volume d'informations, de reconnaître les objets et de réduire la dimension des données, en perdant le moins d'informations possible. L'une de ces méthodes est l'analyse en composantes principales (ACP). Vous pouvez lire plus en détail sur cette méthode dans .
L'essence de la méthode consiste à trouver une combinaison linéaire des paramètres d'origine, qui change le plus dans le domaine d'analyse. Pour les données spatiales, il s'agit de la variation la plus forte sur le territoire.
La méthode des composantes principales met en évidence les objets (facteurs) qui changent le plus sur le territoire. À l'issue de cette méthode, de nouvelles variables - les composantes principales - apparaissent, qui sont plus informatives par rapport aux données d'origine, ce qui facilite l'analyse, la description et la visualisation du territoire, ainsi que la construction de modèles.
Les principales composantes représentent des expressions analytiques — la somme des potentiels des facteurs d'origine avec certains coefficients. Cependant, si un facteur a une influence significative sur la région, mais ne varie pas dans la zone analysée, la méthode des principales composantes n'inclura pas ce facteur dans les principales composantes.
Les principales composantes sont ordonnées par ordre décroissant d'information — c'est-à-dire leur répartition sur le territoire. Les premières principales composantes contiennent une information nettement plus importante que les facteurs individuels et décrivent bien la région. En général, lorsque l'on utilise environ une centaine de facteurs, la première principale composante contient environ 50 % de toute l'information (variance) sur le territoire. Les principales composantes ne sont pas corrélées entre elles et peuvent être utilisées dans des modèles en tant que caractéristiques du territoire à chaque point.
La principale composante, en tant qu'indicateur abstrait calculé pour la région, n'a pas de nom et de classification définis. Cependant, l'ensemble des facteurs fortement corrélés avec la principale composante permet d'interpréter les principales composantes. En général, les facteurs suivants sont corrélés avec les principales composantes :
— niveau de développement des infrastructures ;
— composante de transport du territoire ;
— zones climatiques ;
— niveau de développement de l'agriculture ;
— potentiel économique de la région.
L'analyse ultérieure, y compris la classification, se fait avec les premières principales composantes significatives.
Les illustrations montrent une représentation graphique des premières principales composantes sur le territoire de plusieurs villes de la Fédération de Russie.
Première principale composante, caractérisant le niveau de développement de l'infrastructure urbaine de N. Novgorod
Première principale composante, caractérisant le niveau de développement de l'infrastructure urbaine d'Ekaterinbourg
Première principale composante, caractérisant le niveau de développement de l'infrastructure urbaine de Kazan
Première principale composante, caractérisant le niveau de développement de l'infrastructure urbaine de Perm
Première principale composante, caractérisant le niveau de développement de l'infrastructure urbaine de Samara
Première principale composante, caractérisant le niveau de développement de l'infrastructure urbaine de Khabarovsk
Caractéristiques intégrales : clustering
L'étape suivante de l'analyse des territoires consiste à rechercher des zones urbaines homogènes par leur qualité. Cette recherche repose sur l'analyse des valeurs des principales composantes à chaque point du territoire. La tâche de recherche de ces zones homogènes peut être résolue par le clustering, un processus qui regroupe les territoires en fonction de la proximité d'un ensemble de caractéristiques.
Le clustering d'un territoire poursuit deux objectifs :
— créer une visualisation du territoire plus perceptible ;
— mettre en évidence des zones pour élaborer des modèles distincts.
Les territoires sont regroupés en fonction des facteurs sélectionnés pour l'analyse. Ces facteurs peuvent être des éléments influençant la formation des prix ou des éléments décrivant un aspect du développement du territoire, comme le domaine social.
Il existe deux méthodes classiques de clustering largement utilisées : la méthode K-means et la méthode des dendrogrammes. Pour l'analyse des territoires, la méthode K-means s'est avérée efficace, sa particularité étant la « croissance » d'un cluster en ajoutant de nouveaux objets aux points de croissance. Les avantages de la méthode K-means résident dans sa similitude avec le processus naturel de formation des territoires : l'intégration de similarités plutôt que la séparation des dissemblances.
La méthode K-means a été appliquée à la ville de Nizhny Novgorod (illustration ci-dessous).
Correspondance des clusters avec le niveau de développement du territoire sur l'exemple de N. Novgorod
Avec l'approche proposée, il est possible d'obtenir une représentation du territoire à travers divers thèmes. Les thèmes qui nous intéressent peuvent être, par exemple, le niveau de développement de l'infrastructure urbaine, le niveau de 'l'élitisme' du territoire, le niveau de développement culturel, l'aspect social du développement du territoire. Ces thèmes sont des concepts intégraux mal définis, constitués de nombreux facteurs interconnectés.
Avec un certain algorithme de sélection des paramètres pour l'analyse (y compris avec l'aide d'experts), nous obtiendrons des cartes thématiques qui donneront une vue d'un aspect du développement du territoire.
Par caractéristiques intégrales, on entend les premières principales composantes, principalement la première composante principale la plus informative, et le clustering du territoire selon les paramètres sélectionnés.
Les cartes thématiques des premières composantes principales selon divers aspects du développement sont présentées dans les images ci-dessous.
Carte thématique « Objets culturels » à l'exemple de Nizhny Novgorod
Carte thématique « Domaine social » à l'exemple de Nizhny Novgorod
Les caractéristiques intégrales permettent de comprendre les particularités d'un territoire en opérant sur une multitude de facteurs tout en minimisant les pertes d'information.
En conclusion, il convient de souligner à nouveau que l'analyse des territoires est aujourd'hui une étape cruciale dans la résolution des tâches de développement de l'environnement urbain, le choix des sites pour les investissements dans la construction, la recherche de l'emplacement le plus rentable pour de nouveaux objets et d'autres tâches.
La méthode d'analyse de territoire proposée dans l'article utilisant un modèle « thermique » à partir de facteurs de différentes natures n'est pas critique quant à l'ensemble des facteurs, c'est-à-dire n'impose pas de restrictions ni d'exigences sur les informations de base.
La diversité et la redondance des informations de base, ainsi que la possibilité d'utiliser des données ouvertes, offrent des perspectives illimitées pour l'analyse de tout territoire dans le monde.
Dans les prochaines publications consacrées aux problèmes d'analyse des territoires, nous prévoyons de dévoiler les particularités de l'élaboration de modèles utilisant les principales composantes et les méthodes de leur mise en œuvre pour des tâches telles que :
— le choix du meilleur emplacement pour un nouvel objet ;
— la construction d'une surface de prix pour une catégorie spécifique d'objets utilisant la valeur marchande ;
- l'évaluation de la rentabilité d'une certaine activité en fonction de l'emplacement des objets.
Nous prévoyons également de présenter des méthodes de retour de la principale composante aux facteurs, ce qui permet d'obtenir un modèle à partir des facteurs pour ce territoire.
Source : habr.com
