Un exemple de calcul du potentiel thermique pour le réseau routier de Nizhny Novgorod
Le territoire de la ville est un système complexe, hétérogène et en constante évolution. Il est possible de décrire le territoire et d'évaluer l'environnement urbain à l'aide d'objets spatiaux (facteurs). Les facteurs décrivant le territoire sont différents dans la nature de l'influence (positive, négative) et la 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 de certains de ses aspects individuels. Aujourd'hui, le problème de la définition et de la description de concepts tels que "culture", "sphère sociale", "tension sociale", "bien vivre", "développement économique", "santé publique" devient de plus en plus pertinent. L'ambiguïté de ces concepts s'accroît si l'on veut les appliquer à des groupes sociaux différents, des populations d'âges et de sexes différents.
En outre, il convient de noter que les limites de la ville dans le concept moderne sont plutôt arbitraires. La migration quotidienne de la population, l'accessibilité des transports des zones reculées "brouillent encore plus la frontière" de la ville. Le concept d'agglomération, aujourd'hui largement utilisé, reflète généralement les limites de la ville, mais en même temps rend encore plus flou le concept même de frontière de la ville.
Malgré les problèmes décrits ci-dessus, l'analyse et l'évaluation des territoires sont aujourd'hui l'un des domaines prometteurs et intéressants qui permettent de résoudre de nombreux problèmes urgents de l'environnement urbain.
L'article propose de réfléchir à une méthode d'analyse du territoire à partir d'un modèle "thermique". Cette méthode est basée sur l'étude des potentiels créés par des objets (facteurs) de nature diverse (ponctuelle, linéaire et surfacique). L'analyse du territoire par cette méthode permet de passer d'un ensemble de données spatiales (facteurs) décrivant le territoire à une évaluation numérique (ponctuelle) précise en chaque point du territoire.
Les potentiels étudiés dans le cadre de l'analyse du territoire ont une interprétation physique - la répartition de la chaleur dans des milieux de différentes dimensions (2D, 3D). Ce phénomène peut être représenté sous forme d'images "thermiques" (cartes "thermiques" du territoire), donnant une idée du degré d'aménagement du territoire, en fonction de l'intensité des couleurs de l'image.
Facteurs de territoire
L'analyse de territoire implique la recherche et le traitement d'informations sur les facteurs influençant le territoire et leurs indicateurs. Les facteurs d'influence sont des objets qui affectent la zone environnante, possédant un ensemble de caractéristiques et de coordonnées spatiales. Des exemples de facteurs d'influence sont les magasins, les installations industrielles, les routes, les forêts, les plans d'eau.
Les indicateurs d'influence sont des objets, réfléchissant l'influence des objets et possédant également un ensemble de caractéristiques et de coordonnées spatiales. Exemples d'indicateurs d'impact : guichets automatiques, panneaux d'affichage, monuments.
Dans la présentation suivante, nous utiliserons le concept de facteurs d'influence, qui combine les deux termes - facteurs et indicateurs d'influence.
Vous trouverez ci-dessous un exemple de données spatiales qui agissent comme des influenceurs.
L'une des étapes importantes du travail d'analyse des territoires est l'étape de collecte et de traitement des premières informations. Aujourd'hui, il existe de nombreuses informations sur les facteurs d'influence sur le territoire à des degrés divers de détail.
Les informations peuvent être obtenues à partir de sources ouvertes ou de sources à accès restreint. Dans de nombreux cas, l'information ouverte est suffisante pour l'analyse, même si, en règle générale, elle nécessite un traitement plutôt laborieux.
Parmi les sources ouvertes, le leader, à notre avis, est la ressource - OpenStreetMap (OSM). Les informations obtenues à partir de cette source sont mises à jour quotidiennement dans le monde entier.
Les informations sur les ressources OpenStreetMap (OSM) sont présentées dans les formats suivants :
-Format OSM. Le format principal avec l'extension ".osm" est utilisé pour décrire des images graphiques XML - nœuds, chemins, relations.
- "Format polonais". Le format texte avec l'extension ".mp" est utilisé pour travailler avec des graphiques.
-Format PBF. Format de stockage des données avec l'extension ".osm.pbf".
Vous pouvez également utiliser comme sources d'information :
- 2 SIG
La ressource contient des informations traitées mensuellement de haute qualité, avec un excellent classificateur à 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 Google Earth, Google Maps et Google Maps pour les applications mobiles.
Avec les fichiers KML, vous pouvez :
- définir diverses icônes et faire des signatures pour indiquer des endroits sur la surface de la Terre
— créer différents angles pour les objets sélectionnés en changeant la position de la caméra
- utiliser diverses images de superposition
- définir des styles pour personnaliser l'affichage d'un objet, appliquer du code HTML pour créer des hyperliens et des images en ligne
- utiliser des dossiers pour le regroupement hiérarchique des éléments
- recevoir et mettre à jour dynamiquement des fichiers KML à partir d'hôtes distants ou locaux
- obtenir des données KML en fonction des changements dans la visionneuse XNUMXD
- Service fédéral de l'enregistrement d'État, du cadastre et de la cartographie "Rosreestr"
Les informations sur le portail Rosreestr sont précieuses pour leur contenu et leur pertinence, mais, malheureusement, elles ne permettent pas de recevoir gratuitement des graphiques pour des projets de construction d'immobilisations et des terrains. Le portail Rosreestr contient également une grande quantité d'informations à accès restreint.
- Organismes statistiques
Les données statistiques sont une source légitime d'information sur le territoire, cependant, à ce jour, les données des autorités statistiques ne sont disponibles que pour un certain nombre d'indicateurs, principalement dans les rapports des autorités statistiques et les rapports des autorités régionales.
- Systèmes d'information des autorités
Les informations qualitatives sont contenues dans les systèmes d'information des autorités, mais seule une petite partie d'entre elles est publiée dans le domaine public et disponible pour analyse.
Mener une analyse des territoires n'impose pas d'exigences particulières sur la composition de l'information ; en fait, vous pouvez utiliser tout ce que vous pouvez trouver, les informations provenant de sources ouvertes sont généralement interchangeables. Cependant, il convient de noter que même les informations obtenues à partir de la ressource OSM suffisent à elles seules pour effectuer une analyse d'un territoire inconnu.
Analyse du territoire à l'aide du modèle "thermique". Interprétation physique des potentiels
Comme mentionné précédemment, l'analyse du territoire est aujourd'hui un sujet d'actualité et un puissant outil d'attraction raisonnée des investissements dans le développement des infrastructures des différents milieux urbains.
La variété des tâches résolues par l'analyse des territoires peut être regroupée en plusieurs grands domaines :
— Obtenir l'évaluation la plus interprétable et la plus détaillée du territoire en chacun de ses points.
En résolvant la tâche, vous pouvez obtenir un ensemble de scores à chaque point du territoire, donnant une idée du niveau de développement du territoire en général, ainsi que dans un certain domaine. Un tel domaine peut être, par exemple, la culture, l'industrie, le commerce, etc.
— Déterminer les endroits les plus avantageux pour localiser des objets d'investissement d'un certain type (par exemple, banques, magasins spécialisés, centres commerciaux et de divertissement, etc.) sur le territoire sélectionné.
— Analyse de l'utilisation la plus efficace du territoire.
Cette direction permet une étude détaillée des caractéristiques du territoire, de la situation du marché qui s'est développée dans la zone d'étude et l'identification des options populaires.
— Déterminer la contribution d'un facteur au modèle de coût, à partir de l'exemple de l'émergence de nouvelles routes et de nouveaux itinéraires.
– Analyse de différents aspects d'un territoire et analyse de différents territoires (comparaison de territoires).
L'originalité de la méthode d'analyse du territoire proposée dans l'article utilisant le modèle "thermique" réside dans l'utilisation d'indicateurs de développement du territoire - potentiels, présentés en termes numériques et reflétant le degré d'influence de l'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 de donner son interprétation physique.
En physique, il existe des concepts tels que champ de force и fonction de puissance. Le champ de force a la dimension de l'énergie, la fonction de force a la dimension 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 en interaction.
La fonction de force ϕ est déterminée par l'expression :
dϕ=-F*dr, où
ϕ est le potentiel du champ de force ;
dϕ, dr sont des différentiels ;
r est la distance entre les objets en interaction,
donc ϕ=k/r.
La signification physique du potentiel du champ de force ϕ est le travail E effectué par le champ de force lors du passage d'un certain chemin. Dans le cas de la loi de la gravitation universelle, lorsque la distance à l'objet passe de r2 à r1, la fonction de force est déterminée par la formule
E=k*(1/r1-1/r2), où
E est le travail effectué par le champ de force lors du passage d'un certain chemin ;
r1, r2 – position initiale et finale de l'objet.
Pour le problème d'analyse du territoire, l'influence des objets (facteurs) sur le territoire peut être considérée comme une force (fonction de puissance), et le niveau de développement du territoire, puisque 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 problèmes d'analyse des territoires à l'aide d'un modèle « thermique », le potentiel est l'effet total de tous les facteurs d'influence sur un point du territoire.
Les données spatiales sont des points, des lignes, des polygones. Pour calculer les potentiels, les données spatiales étendues sont divisées en petits fragments. Pour chaque fragment, le potentiel d'un point avec un multiplicateur égal à la taille du fragment d'objet (facteur) est calculé.
Les données sont réparties en groupes sémantiques selon le principe de similarité étroite. Par exemple, les objets d'échange sont regroupés par biens. Il existe des groupes d'objets forestiers, d'objets aquatiques, de colonies, d'arrêts de transport, etc. Les groupes unis dans le sens représentent un facteur. Après avoir traversé tous les objets (facteurs), nous obtenons un ensemble de potentiels thermiques adaptés à un traitement ultérieur.
L'utilisation de potentiels ("cartes thermiques") permet de passer de données spatiales à des images "thermiques" d'objets (facteurs) d'influence sur le territoire (visualisation des potentiels). Une telle transition permet de déterminer le degré de présence du facteur en chaque point du territoire et de mener une analyse plus approfondie, c'est-à-dire afficher différentes directions de développement de la ville en couleur. Ainsi, on obtient une lueur d'intensité différente pour chaque point du territoire.
Des exemples d'images "thermiques" du territoire de Nizhny Novgorod dans le contexte de plusieurs facteurs sont présentés ci-dessous.
Carte "Heat" de la ville de Nijni Novgorod, reflétant le facteur "Chaîne pharmaceutique"
Carte "Heat" de la ville de Nizhny Novgorod, reflétant le facteur "Polycliniques pour adultes"
Carte "Heat" de la ville de Nizhny Novgorod, reflétant le facteur "Polycliniques pour enfants"
Carte "Heat" de la ville de Nizhny Novgorod, reflétant le facteur "Zones industrielles"
Des images "thermiques" du territoire permettent de déterminer la concentration des potentiels des différents objets d'influence. Ensuite, il est nécessaire de combiner les potentiels obtenus en une caractéristique intégrale, ce qui permet d'évaluer le territoire par un grand nombre de facteurs. Cela nécessite une méthode qui vous permet d'analyser une grande quantité d'informations, de reconnaître des 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 trouverez plus de détails sur cette méthode dans .
L'essence de la méthode est de trouver une combinaison linéaire de paramètres initiaux qui change le plus fortement dans la zone d'analyse. Pour les données spatiales - les plus évolutives sur le territoire.
La méthode des composantes principales identifie les objets (facteurs) qui changent le plus sur le territoire. À la suite de la méthode, de nouvelles variables apparaissent - les composants principaux, qui sont plus informatifs que les données d'origine, à l'aide desquels il est plus facile d'analyser, de décrire et de visualiser le territoire, sur lequel il est plus facile de construire des modèles.
Les principaux composants sont des expressions analytiques - la somme des potentiels des facteurs initiaux avec certains coefficients. Cependant, si un facteur a un impact significatif sur le territoire, mais ne change pas sur le territoire analysé, la méthode des composantes principales n'inclura pas ce facteur dans les composantes principales.
Les composants principaux sont classés par ordre décroissant d'informations - c'est-à-dire répartition sur le territoire. Les premières composantes principales portent beaucoup plus d'informations que les facteurs individuels et décrivent bien le territoire. En règle générale, lorsqu'on utilise une centaine de facteurs, la première composante principale porte environ 50 % de toutes les informations (dispersion) sur le territoire. Les composantes principales ne sont pas corrélées entre elles et peuvent être utilisées pour des modèles comme caractéristiques du territoire en chaque point.
La composante principale, en tant qu'indicateur du territoire calculé de manière abstraite, n'a pas de nom et de classification clairs. Cependant, une combinaison de facteurs fortement corrélés à la composante principale permet d'interpréter les composantes principales. En règle générale, les facteurs suivants sont en corrélation avec les principaux composants :
— le niveau de développement des infrastructures ;
— composante transport du territoire;
— zones climatiques ;
— le niveau de développement de l'agriculture ;
- le potentiel économique du territoire.
Une analyse plus approfondie, y compris le regroupement, se poursuit avec les quelques premières composantes principales importantes.
Dans les figures, on peut voir une représentation graphique des premières composantes principales sur le territoire de plusieurs villes de la Fédération de Russie.
La première composante principale caractérisant le niveau de développement des infrastructures urbaines dans la ville de Nizhny Novgorod
La première composante principale caractérisant le niveau de développement des infrastructures urbaines à Ekaterinbourg
La première composante principale caractérisant le niveau de développement des infrastructures urbaines à Kazan
La première composante principale caractérisant le niveau de développement des infrastructures urbaines à Perm
La première composante principale caractérisant le niveau de développement des infrastructures urbaines à Samara
La première composante principale caractérisant le niveau de développement de l'infrastructure urbaine de Khabarovsk
Caractéristiques intégrales : clustering
La prochaine étape des travaux sur l'analyse des territoires est la recherche de zones de l'environnement urbain homogènes en qualité. Cette recherche est basée sur l'analyse des valeurs des composantes principales en chaque point du territoire. La tâche de trouver ces zones homogènes peut être résolue en utilisant le clustering - le processus de regroupement des territoires selon le principe de proximité d'un ensemble de caractéristiques.
Le regroupement de territoires a deux objectifs :
- créer une meilleure visualisation perçue du territoire ;
- attribution de zones pour la préparation de modèles individuels.
Les territoires sont regroupés en fonction des facteurs sélectionnés pour l'analyse. Ces facteurs peuvent être des facteurs qui affectent la tarification ou des facteurs qui décrivent certains aspects du développement du territoire, par exemple, la sphère sociale.
Il existe deux méthodes classiques de regroupement : la méthode des K-moyennes et la méthode des dendrogrammes. Lorsque l'on travaille avec des territoires, la méthode K-means a fait ses preuves, dont une caractéristique est la "croissance" d'un cluster en attachant de nouveaux objets à des points de croissance. Les avantages de la méthode K-means résident dans la similitude de son travail avec le processus naturel de formation du territoire : l'intégration des semblables plutôt que la séparation des dissemblables.
En utilisant la méthode K-means, un calcul a été effectué pour Nizhny Novgorod (Figure ci-dessous).
Conformité des clusters avec le niveau de développement du territoire sur l'exemple de la ville de Nizhny Novgorod
Avec l'approche proposée, vous pouvez vous faire une idée du territoire sur divers sujets. Les sujets qui nous intéressent peuvent être, par exemple, le niveau de développement des infrastructures urbaines, le niveau « d'élite » du territoire, le niveau de développement de la culture, la composante sociale du développement du territoire. Ces thèmes sont des concepts intégraux mal définis et consistent en de nombreux facteurs interdépendants.
Avec un algorithme de sélection des paramètres d'analyse (y compris avec la participation d'experts), nous obtiendrons des cartes thématiques qui donneront une idée d'un aspect du développement du territoire.
Les caractéristiques intégrales s'entendent comme les premières composantes principales, principalement la première composante principale la plus informative, et le regroupement du territoire selon les paramètres sélectionnés.
Des cartes thématiques des premières composantes principales pour divers aspects du développement sont présentées dans les figures ci-dessous.
Carte thématique "Objets de culture" sur l'exemple de la ville de Nizhny Novgorod
Carte thématique "Sphère sociale" sur l'exemple de la ville de Nizhny Novgorod
Les caractéristiques intégrales permettent de comprendre les caractéristiques du territoire, fonctionnant avec une variété de facteurs avec une perte minimale d'informations.
En conclusion, il convient de noter une fois de plus qu'aujourd'hui l'analyse des territoires est une étape extrêmement importante pour résoudre les problèmes d'aménagement de l'environnement urbain, de choix des lieux d'investissement dans la construction, de recherche de l'emplacement le plus avantageux pour de nouvelles installations et d'autres tâches.
La méthode d'analyse de territoire proposée dans l'article utilisant le modèle « thermique » à partir de facteurs de nature différente n'est pas critique à l'ensemble des facteurs, c'est-à-dire n'impose pas de restrictions et d'exigences sur l'information initiale.
La diversité et la redondance des informations sources, ainsi que la possibilité d'utiliser des données ouvertes offrent des perspectives illimitées pour l'analyse de tous les territoires du monde.
Dans les prochaines publications consacrées aux problèmes d'analyse de territoire, nous prévoyons de révéler les caractéristiques des modèles de construction utilisant les composants principaux et les méthodes pour leur mise en œuvre pour des tâches telles que :
– choisir le meilleur endroit lors du placement d'un nouvel objet;
— construction d'une surface de prix pour une certaine catégorie d'objets en utilisant la valeur marchande ;
-évaluation de la rentabilité d'un certain type d'activité en fonction de la localisation des objets.
Il est également prévu de présenter des méthodes de transition inverse des composants principaux aux facteurs, ce qui permet à son tour d'obtenir un modèle à partir des facteurs pour un territoire donné.
Source: habr.com