Un exemplo de cálculo do potencial térmico para unha rede de rúas en Nizhny Novgorod
O territorio da cidade é un sistema complexo, heteroxéneo, en constante cambio. Pode describir o territorio e valorar o medio urbano mediante obxectos espaciais (factores). Os factores que describen o territorio difiren pola natureza da súa influencia (positiva, negativa) e a súa configuración xeométrica (puntos, liñas, polígonos).
A miúdo resulta bastante difícil determinar o grao de influencia de cada obxecto individual no nivel de desenvolvemento do territorio no seu conxunto ou de calquera aspecto particular del. Hoxe, o problema de definir e describir conceptos como "cultura", "esfera social", "tensión social", "boa vida", "desenvolvemento económico", "saúde da poboación" é cada vez máis relevante. A ambigüidade destes conceptos aumenta se queremos aplicalos a distintos grupos sociais, poboacións de diferentes idades e xéneros.
Ademais, hai que ter en conta que os límites da cidade no concepto moderno son bastante arbitrarios. A migración diaria da poboación, a accesibilidade ao transporte de zonas remotas "difuminan aínda máis a fronteira" da cidade. O concepto de aglomeración agora moi usado xeralmente reflicte os límites da cidade, pero ao mesmo tempo fai que o propio concepto de límite da cidade sexa aínda máis vago.
A pesar dos problemas descritos anteriormente, a análise e valoración dos territorios atópanse hoxe entre os ámbitos máis prometedores e interesantes que permiten resolver moitos problemas acuciantes do medio urbano.
O artigo propón a consideración un método para analizar o territorio mediante un modelo “térmico”. Este método baséase no estudo dos potenciais creados por obxectos (factores) de diversa natureza (punto, lineal e área). A análise do territorio mediante este método permite pasar dun conxunto de datos espaciais (factores) que describen o territorio a unha valoración numérica (puntuación) precisa en cada punto do territorio.
Os potenciais estudados como parte da análise do territorio teñen unha interpretación física - propagación da calor en ambientes de diferentes dimensións (2D, 3D). Este fenómeno pódese representar en forma de imaxes "térmicas" ("calor" mapas do territorio), dando unha idea do grao de desenvolvemento do territorio dependendo da intensidade da cor da imaxe.
Factores do territorio
A análise do territorio implica buscar e procesar información sobre os factores que inflúen no territorio e os seus indicadores. Os factores que inflúen son obxectos que inflúen no territorio circundante e teñen un conxunto de características e coordenadas espaciais. Exemplos de factores de influencia inclúen tendas, instalacións industriais, estradas, bosques e masas de auga.
Os indicadores de influencia son obxectos reflexivo influencia dos obxectos e que tamén teñen un conxunto de características e coordenadas espaciais. Exemplos de indicadores de influencia: caixeiros automáticos, cartelería, monumentos.
Na seguinte presentación empregaremos o concepto de factores de influencia, que combina ambos termos: factores e indicadores de influencia.
A continuación móstrase un exemplo de datos espaciais que actúan como factores de influencia.
Unha das etapas importantes da realización dun traballo de análise de territorios é a etapa de recollida e tratamento da información inicial. Hoxe hai moita información sobre os factores que inflúen no territorio de diversos graos de detalle.
A información pódese obter de fontes abertas ou restrinxidas. En moitos casos, a información aberta é suficiente para a análise, aínda que, por regra xeral, require un procesamento bastante laborioso.
Entre as fontes abertas, o líder, na nosa opinión, é o recurso OpenStreetMap (OSM). A información obtida desta fonte actualízase diariamente en todo o mundo.
A información de recursos de OpenStreetMap (OSM) preséntase nos seguintes formatos:
- Formato OSM. O formato principal coa extensión ".osm" úsase para describir imaxes gráficas XML: nodos, camiños, relacións.
- "Formato polaco". O formato de texto coa extensión ".mp" úsase para traballar con gráficos.
- Formato PBF. Formato de almacenamento de datos coa extensión “.osm.pbf”.
Tamén podes utilizar o seguinte como fontes de información:
- 2 GIS
O recurso contén información procesada mensualmente de alta calidade, cun excelente clasificador de 3 niveis para empresas e organizacións.
- Ficheiros KML (Keyhole Markup Language).
Os ficheiros KML (Keyhole Markup Language) son un formato de ficheiro que se usa para mostrar datos xeográficos en Google Earth, Google Maps e Google Maps para dispositivos móbiles.
Con ficheiros KML pode:
- instala varias iconas e fai sinaturas para indicar lugares na superficie da Terra
— crea diferentes ángulos para os obxectos seleccionados cambiando a posición da cámara
- Utiliza diferentes imaxes superpostas
— definir estilos para personalizar a visualización dun obxecto, aplicar código HTML para crear hipervínculos e imaxes en liña
— utilizar cartafoles para a agrupación xerárquica de elementos
— Reciba e actualice de forma dinámica ficheiros KML desde nodos de rede remotas ou locais
- Reciba datos KML segundo os cambios no visor XNUMXD
- Servizo Federal de Rexistro Estatal, Catastro e Cartografía "Rosreestr"
A información do portal Rosreestr é valiosa polo seu contido e relevancia, pero, lamentablemente, non permite obter gráficos para proxectos de construción de capital e terreos de xeito gratuíto. O portal Rosreestr tamén contén unha gran cantidade de información de acceso restrinxido.
- Órganos estatísticos
Os datos estatísticos son unha fonte lexítima de información sobre o territorio, con todo, a día de hoxe, os datos dos organismos estatísticos só están dispoñibles para un determinado número de indicadores, principalmente nos informes de organismos estatísticos e informes das autoridades rexionais.
- Sistemas de información das autoridades
A información de alta calidade está contida nos sistemas de información gobernamentais, pero só unha pequena parte dela publícase no dominio público e está dispoñible para a súa análise.
A realización dunha análise de territorios non impón ningún requisito específico sobre a composición da información; de feito, pódese utilizar todo o que se atopou; a información de fontes abertas adoita ser intercambiable. Non obstante, cómpre sinalar que mesmo a información obtida só do recurso OSM é suficiente para facer unha análise do territorio descoñecido.
Análise do territorio mediante un modelo “térmico”. Interpretación física de potenciais
Como se mencionou anteriormente, a análise do territorio é hoxe un tema candente e unha poderosa ferramenta para a atracción razoada de investimentos no desenvolvemento de infraestruturas en diversos contornos urbanos.
A variedade de problemas resoltos mediante a análise do territorio pódese combinar en varias áreas principais:
— Obtención da valoración máis interpretable e detallada do territorio en cada punto.
Ao resolver o problema, pode obter un conxunto de puntos en cada punto do territorio, dando unha idea do nivel de desenvolvemento do territorio en xeral, así como nunha determinada área temática. Tal área temática podería ser, por exemplo, cultura, industria, comercio, etc.
— Determinación dos lugares máis vantaxosos para a colocación de obxectos de investimento dun determinado tipo (por exemplo, bancos, tendas especializadas, centros comerciais e de entretemento, etc.) no territorio seleccionado.
— Análise do uso máis eficaz do territorio.
Esta dirección permite un estudo detallado das características do territorio, da situación do mercado que se desenvolveu no territorio obxecto de estudo e da identificación de opcións populares.
— Determinación da contribución dun factor ao modelo de custo, tomando o exemplo da aparición de novas vías e novas vías.
— Análise de distintos aspectos dun territorio e análise de distintos territorios (comparación de territorios).
A orixinalidade do método de análise do territorio proposto no artigo mediante o modelo "térmico" reside no uso de indicadores de desenvolvemento do territorio - potenciais, presentados en termos numéricos e que reflicten o grao de influencia do obxecto (factor de influencia) sobre o territorio.
Para comprender a esencia do estudo, é necesario dicir algunhas palabras sobre o potencial térmico en si e dar a súa interpretación física.
En física existen conceptos como campo de forza и función de forza. O campo de forza ten a dimensión da enerxía, a función de forza ten a dimensión da forza.
Para a lei da gravitación universal, o campo de forza defínese pola fórmula:
F=k/r2, onde
k - constante;
r – distancia entre obxectos que interactúan.
A función de forza ϕ está determinada pola expresión:
dϕ=-F*dr, onde
ϕ—potencial de campo de forza;
dϕ, dr – diferenciais;
r é a distancia entre os obxectos que interactúan,
polo tanto ϕ=k/r.
O significado físico do potencial do campo de forza ϕ é o traballo E que realiza o campo de forza mentres pasa por un certo camiño. No caso da lei da gravitación universal, cando a distancia a un obxecto cambia de r2 a r1, a función de forza está determinada pola fórmula
E=k*(1/r1-1/r2), onde
E é o traballo realizado polo campo de forza ao pasar un determinado camiño;
r1, r2 - posición inicial e final do obxecto.
Para a tarefa de analizar un territorio, a influencia dos obxectos (factores) sobre o territorio pódese considerar como unha forza (función de potencia), e o nivel de desenvolvemento do territorio como potencial térmico total (campo de forza) de todos os obxectos (factores). Nos problemas de física, o potencial térmico é a temperatura, e nos problemas de análise do territorio mediante un modelo "térmico", o potencial representa o impacto total de todos os factores que inflúen nun punto do territorio.
Os datos espaciais consisten en puntos, liñas e polígonos. Para calcular potenciais, os datos espaciais estendidos divídense en pequenos fragmentos. Para cada fragmento, o potencial do punto calcúlase cun multiplicador igual ao tamaño do fragmento do obxecto (factor).
Os datos divídense en grupos semánticos baseados no principio de semellanza estreita. Por exemplo, os obxectos comerciais combínanse por mercadorías. Existen grupos de obxectos forestais, masas de auga, asentamentos, paradas de transporte, etc. Os grupos unidos polo significado representan un factor. Despois de pasar por todos os obxectos (factores), obtemos un conxunto de potenciais térmicos adecuados para un posterior procesamento.
O uso de potenciais (“mapas de calor”) permite pasar de datos espaciais a imaxes “térmicas” de obxectos (factores) de influencia sobre o territorio (visualización de potenciais). Tal transición permite determinar o grao de presenza do factor en cada punto do territorio e realizar máis análises, é dicir. mostrar diferentes direccións de desenvolvemento da cidade en cor. Así, obtemos un brillo de intensidade variable para cada punto do territorio.
A continuación preséntanse exemplos de imaxes "térmicas" do territorio de Nizhny Novgorod no contexto de varios factores.
Mapa "térmico" de Nizhny Novgorod, que reflicte o factor "cadea de farmacias".
Mapa "calor" de Nizhny Novgorod, que reflicte o factor "Policlínicas para adultos"
Mapa "térmico" de Nizhny Novgorod, que reflicte o factor "clínicas infantís"
Mapa "térmico" de Nizhny Novgorod, que reflicte o factor "Zonas industriais"
As imaxes "térmicas" do territorio permiten determinar a concentración de potenciais de diversos obxectos de influencia. A continuación, cómpre combinar as potenciais obtidas nunha característica integral que permita unha valoración do territorio a partir dunha gran cantidade de factores. Isto require un método que permita analizar unha gran cantidade de información, recoñecer obxectos e tamén reducir a dimensión dos datos, perdendo a menor cantidade de información. Un destes métodos é a análise de compoñentes principais (PCA). Podes atopar máis detalles sobre este método en .
A esencia do método é atopar unha combinación lineal de parámetros iniciais que cambie máis fortemente na área de análise. Para os datos espaciais: os que máis cambian no territorio.
O método do compoñente principal identifica os obxectos (factores) que cambian con maior forza ao longo do territorio. Como resultado do método, aparecen novas variables: os compoñentes principais, que son máis informativos en comparación cos datos orixinais, coa axuda dos cales é máis fácil analizar, describir e visualizar o territorio, sobre o que é máis fácil construír modelos. .
Os compoñentes principais son expresións analíticas: a suma dos potenciais dos factores iniciais con certos coeficientes. Non obstante, se algún factor ten un impacto significativo no territorio, pero non cambia en todo o territorio analizado, o método dos compoñentes principais non incluirá este factor na composición dos compoñentes principais.
Os compoñentes principais están ordenados en orde decrecente de información, é dicir. estendéndose por todo o territorio. Os primeiros compoñentes principais levan significativamente máis información que os factores individuais e describen ben o territorio. Como regra xeral, ao usar uns cen factores, o primeiro compoñente principal leva preto do 50% de toda a información (varianza) para o territorio. Os compoñentes principais non se correlacionan entre si e pódense utilizar para modelos como características do territorio en cada punto.
O compoñente principal, como algún indicador calculado abstractamente do territorio, non ten un nome e unha clasificación claras. Porén, un conxunto de factores que están fortemente correlacionados co compoñente principal permítenos interpretar os compoñentes principais. Como regra xeral, os seguintes factores correlacionan cos compoñentes principais:
- Nivel de desenvolvemento da infraestrutura;
— compoñente de transporte do territorio;
- zonas climáticas;
- Nivel de desenvolvemento agrícola;
— Potencial económico do territorio.
A análise máis adiante, incluíndo a agrupación, procede cos primeiros compoñentes principais significativos.
Nas figuras pódese ver unha representación gráfica dos primeiros compoñentes principais no territorio de varias cidades da Federación Rusa.
O primeiro compoñente principal que caracteriza o nivel de desenvolvemento da infraestrutura urbana en Nizhny Novgorod
O primeiro compoñente principal que caracteriza o nivel de desenvolvemento da infraestrutura urbana en Ekaterimburgo
O primeiro compoñente principal que caracteriza o nivel de desenvolvemento da infraestrutura urbana en Kazán
O primeiro compoñente principal que caracteriza o nivel de desenvolvemento da infraestrutura urbana en Perm
O primeiro compoñente principal que caracteriza o nivel de desenvolvemento da infraestrutura urbana en Samara
O primeiro compoñente principal que caracteriza o nivel de desenvolvemento da infraestrutura urbana en Khabarovsk
Características integrais: agrupación
A fase posterior do traballo de análise do territorio é a busca de zonas do medio urbano de calidade homoxénea. Esta busca baséase na análise dos valores dos principais compoñentes en cada punto do territorio. O problema da busca destas zonas homoxéneas pódese resolver mediante a agrupación, o proceso de agrupación de territorios baseado no principio de proximidade dun conxunto de características.
A agrupación territorial ten dous obxectivos:
— crear unha mellor visualización percibida do territorio;
— Asignación de áreas para a compilación de modelos individuais.
Os territorios agrúpanse de acordo cos factores seleccionados para a súa análise. Estes factores poden ser factores que inflúen nos prezos ou factores que describen algún aspecto do desenvolvemento do territorio, por exemplo, o ámbito social.
Existen dous métodos clásicos de agrupación comúns: o método de K-means e o método de dendrograma. Cando se traballa con territorios, o método K-means demostrou ser bo, cuxa característica é o "crecemento" dun clúster engadindo novos obxectos aos puntos de crecemento. A vantaxe do método K-means reside na semellanza do seu traballo co proceso natural de formación do territorio: integración de similares, en lugar de separación de disímiles.
Para os cálculos de Nizhny Novgorod utilizouse o método de K-means (figura a continuación).
Cumprimento dos clusters co nivel de desenvolvemento do territorio usando o exemplo de Nizhny Novgorod
Co enfoque proposto, é posible obter unha visión xeral do territorio sobre diversos temas. Os temas de interese para nós poden ser, por exemplo, o nivel de desenvolvemento das infraestruturas urbanas, o nivel de “elite” do territorio, o nivel de desenvolvemento cultural, o compoñente social do desenvolvemento do territorio. Estes temas son conceptos integrais mal definidos e consisten en moitos factores interrelacionados.
Usando algún algoritmo para seleccionar parámetros para a análise (incluso coa participación de expertos), obteremos mapas temáticos que dan unha idea dun aspecto do desenvolvemento do territorio.
Enténdese por características integrais os primeiros compoñentes principais, principalmente o primeiro compoñente principal máis informativo, e a agrupación do territorio segundo os parámetros seleccionados.
Nas figuras seguintes preséntanse mapas temáticos dos primeiros compoñentes principais para diversos aspectos do desenvolvemento.
Mapa temático "Obxectos culturais" co exemplo de Nizhny Novgorod
Mapa temático "Ámbito social" co exemplo de Nizhny Novgorod
As características integrais permiten comprender as características dun territorio utilizando moitos factores cunha mínima perda de información.
Como conclusión, cómpre sinalar unha vez máis que hoxe a análise dos territorios é unha etapa sumamente importante para resolver os problemas de desenvolvemento do medio urbano, elixir lugares para investir na construción, atopar a localización máis vantaxosa para novas instalacións e outras tarefas.
O método de análise do territorio proposto no artigo mediante un modelo "térmico" a partir de factores de diferente natureza non é crítico para o conxunto de factores, é dicir, non impón restricións ou requisitos á información inicial.
A diversidade e redundancia da información de orixe, así como a oportunidade de utilizar datos abertos, ofrece perspectivas ilimitadas para analizar calquera territorio paz.
Nas seguintes publicacións dedicadas aos problemas da análise territorial, pretendemos revelar as características da compilación de modelos utilizando compoñentes e métodos principais para a súa implementación para tarefas como:
— escoller a mellor localización ao colocar un novo obxecto;
— construción dunha superficie de prezos para unha determinada categoría de obxectos utilizando o valor de mercado;
- valoración da rendibilidade dun determinado tipo de actividade en función da localización dos obxectos.
Tamén se prevé presentar métodos para a transición inversa de compoñentes principais a factores, que á súa vez permiten obter un modelo a partir de factores para un determinado territorio.
Fonte: www.habr.com