Primjer izračuna toplinskog potencijala za gradski sustav u Nižnjem Novgorodu
Teritorij grada predstavlja složen, heterogen sustav u stalnoj promjeni. Opisivanje teritorija i provođenje procjene urbanog okoliša moguće je putem prostornih objekata (faktora). Faktori koji opisuju teritorij razlikuju se po vrsti utjecaja (pozitivan, negativan) i geometrijskoj konfiguraciji (točke, linije, poligoni).
Često je teško odrediti stupanj utjecaja svakog pojedinog objekta na razinu razvoja teritorija u cjelini ili na određeni njegov aspekt. Danas postaje sve urgentnije pitanje određivanja i opisivanja pojmova poput 'kultura', 'socijalna sfera', 'socijalna napetost', 'dobar život', 'ekonomski razvoj', 'zdravlje stanovništva'. Nejasnoća ovih pojmova povećava se kada ih želimo primijeniti na različite društvene grupe, stanovništvo različitih dobnih skupina i spolova.
Također, treba napomenuti da su granice grada u modernom smislu prilično uvjetne. Dnevna migracija stanovništva, transportna dostupnost udaljenih područja dodatno 'razvodnjava granicu' grada. Široko korišten pojam aglomeracije u cjelini odražava granice grada, ali istovremeno čini samo poimanje granice grada još nejasnijim.
Unatoč gore opisanim problemima, analiza i procjena teritorija danas su jedno od perspektivnih i zanimljivih područja koja omogućuju rješavanje niza aktualnih zadataka urbanog okoliša.
U članku je predložen metod analize teritorija korištenjem 'toplinskog' modela. Ova metoda se temelji na istraživanju potencijala koje stvaraju objekti (faktori) različite prirode (točkasti, linijski i površinski). Analiza teritorija ovom metodom pruža mogućnost prijelaza od skupa prostornih podataka (faktora) koji opisuju teritorij, do točne numeričke (bodovne) procjene na svakoj točki teritorija.
Istraženi potencijali u okviru analize teritorija imaju fizičku interpretaciju – širenje topline u sredinama različitih dimenzija (2D, 3D). Ovaj fenomen se može predstaviti kao „toplinski“ prikazi („toplinski“ karte teritorija), koji pružaju uvid u stepen razvoja teritorije ovisno o intenzitetu boje prikaza.
Faktori teritorija
Analiza teritorija podrazumijeva pronalaženje i obradu informacija o faktorima koji utječu na teritorij i njihovim indikatorima. Faktori utjecaja su objekti koji utiču na okolni teritorij, posjedujući skup karakteristika i prostorne koordinate. Primjeri faktora utjecaja mogu biti prodavnice, industrijski objekti, putevi, šume, vodeni objekti.
Indikatori utjecaja su objekti, koji odražavaju utjecaj objekata i također posjeduju skup karakteristika i prostorne koordinate. Primjeri indikatora utjecaja su: bankomati, reklamni plakati, spomenici.
U daljnjem tekstu koristit ćemo pojam faktori utjecaja, koji objedinjuje oba termina – faktore i indikatore utjecaja.
U nastavku se nalazi primjer prostornih podataka koji su faktori utjecaja.
Jedan od važnih koraka u analizi teritorija je faza prikupljanja i obrade izvornih podataka. Trenutno postoji mnogo informacija o faktorima utjecaja na teritorij različitog stepena detaljnosti.
Informacije se mogu dobiti iz otvorenih izvora ili izvora s ograničenim pristupom. U mnogim slučajevima otvorene informacije su dovoljno dobre za analizu, iako, obično, zahtijevaju prilično obiman proces obrade.
Među otvorenim izvorima, po našem mišljenju, lider je resurs — OpenStreetMap (OSM). Informacije dobivene iz ovog izvora se svakodnevno ažuriraju širom svijeta.
Informacije resursa OpenStreetMap (OSM) predstavljene su u sljedećim formatima:
— OSM format. Osnovni format s ekstenzijom „.osm“ koristi se za opisivanje grafičkih prikaza XML – čvorovi, putevi, odnosi.
— „Poljski format“. Tekstualni format s ekstenzijom „.mp“ koristi se za rad s grafikom.
— PBF format. Format skladištenja podataka s ekstenzijom „.osm.pbf“.
Kao izvore informacija također se mogu koristiti:
— 2GIS
Resurs sadrži kvalitetne, mjesečno obrađene informacije, s izvrsnom 3-slojnom klasifikacijom po poduzećima i organizacijama.
— KML (Keyhole Markup Language) datoteke
KML (Keyhole Markup Language) datoteke su format datoteka koji se koristi za prikazivanje geografskih podataka u programima Google Zemlja, Google Karte i Google Karte za mobilne uređaje.
Pomoću KML datoteka možete:
— postavljati različite ikone i dodavati oznake za označavanje lokacija na površini Zemlje
— stvarati različite kutove za odabrane objekte, mijenjajući položaj kamere
— koristiti različite slojevite slike
— definirati stilove za prilagodbu prikaza objekta, primjenjivati HTML kod za stvaranje hiperlinkova i ugrađenih slika
— koristiti mape za hijerarhijsko grupiranje elemenata
— dinamički dobivati i ažurirati KML datoteke s udaljenih ili lokalnih čvorova mreže
— dobivati KML podatke prema promjenama u 3D pregledniku
— Saveznoj agenciji za državnu registraciju, katastar i kartografiju "Rosreestr"
Informacije na portalu Rosreestra su dragocjene svojom sadržajem i ažurnošću, ali nažalost, ne nude mogućnost dobivanja grafike o objektima kapitalne gradnje i zemljišnim parcelama bez naknade. Portal Rosreestra također sadrži veliki opseg informacija ograničenog pristupa.
— Statistički organi
Statistički podaci su legitimni izvor informacija o teritoriju, no do danas su podaci statističkih organa dostupni samo za određeni broj pokazatelja, uglavnom u izvješćima statističkih organa i izvještajima regionalne vlasti.
— Informacijski sustavi državnih organa
Kvalitetne informacije nalaze se u informacijskim sustavima državnih organa, no samo mali dio njih objavljuje se u otvorenom pristupu i dostupan je za analizu.
Analiza teritorija ne postavlja određene zahtjeve za sastav informacija; u suštini, možete koristiti sve što se može pronaći, informacije iz otvorenih izvora su obično međusobno zamjenjive. Međutim, treba napomenuti da je čak i jedna informacija dobivena s OSM resursa dovoljna za analizu nepoznate teritorije.
Analiza teritorija pomoću 'toplinskog' modela. Fizička interpretacija potencijala.
Kao što je već spomenuto, analiza teritorija danas je aktualna tema i moćan alat za argumentirano privlačenje investicija u razvoj infrastrukture različitih urbanih sredina.
Raznolikost zadataka koji se rješavaju analizom teritorija može se objediniti u nekoliko velikih pravaca:
— Dobivanje maksimalno interpretabilne i detaljne procjene teritorija u svakoj njegovoj tački.
Rješavajući postavljeni zadatak, možemo dobiti set bodovnih ocjena u svakoj tački teritorija, koji daje predstavu o razini razvoja teritorija u cjelini, kao i u nekim specifičnim oblastima. Takva specifična oblast može biti, na primjer, kultura, industrija, trgovina itd.
— Utvrđivanje najpovoljnijih mjesta za smještaj investicijskih objekata određenog tipa (npr. banaka, specijaliziranih trgovina, trgovačko-zabavnih centara itd.) na odabranoj teritoriji.
— Analiza najefikasnijeg korištenja teritorija.
Ova oblast omogućava detaljno istraživanje karakteristika teritorija, tržišne situacije koja je uspostavljena na istraživanom području, identifikaciju traženih opcija.
— Utvrđivanje doprinosa jednog faktora u modelu cijene, na primjer, pojavom novih cesta i novih ruta.
— Analiza različitih aspekata jednog teritorija i usporedba različitih teritorija.
Originalnost metode analize teritorija predložene u ovom članku s primjenom 'toplinskog' modela sastoji se u korištenju pokazatelja razvoja teritorija — potencijala, predstavljenih u brojčanom izrazu i koji odražavaju stepen utjecaja objekta (faktora utjecaja) na teritoriju.
Da bismo razumjeli suštinu istraživanja, treba reći nekoliko riječi o samom toplinskom potencijalu i dati njegovu fizičku interpretaciju.
U fizici postoje pojmovi kao što su sila polje i sila funkcija. Sila polje ima dimenziju energije, dok sila funkcija ima dimenziju sile.
Za zakon univerzalne gravitacije sila polje je definirano formulom:
F=k/r2, gdje
k – konstanta;
r – udaljenost između objekata u interakciji.
Sila funkcija ϕ se definira izrazom:
dϕ=-F*dr, gdje
ϕ — potencijal sile polja;
dϕ, dr – diferencijali;
r — udaljenost između objekata u interakciji,
stoga ϕ=k/r.
Fizičko značenje potencijala sile polja ϕ je rad E, koji obavlja sila polje prelaskom nekog puta. U slučaju zakona univerzalne gravitacije, kada se udaljenost do objekta mijenja od r2 do r1, sila funkcija se određuje formulom
E=k*(1/r1-1/r2), gdje
E – rad koji obavlja sila polje prelaskom nekog puta;
r1, r2 – početna i završna pozicija objekta.
Za analizu teritorije, utjecaj objekata (faktora) na teritorij može se smatrati silom (sila funkcija), a razina razvoja teritorija kao ukupni toplinski potencijal (sila polje) svih objekata (faktora). U zadacima fizike, toplinski potencijal predstavlja temperaturu, a u zadacima analize teritorija uz korištenje 'toplinskog' modela, potencijal predstavlja ukupni utjecaj svih faktora na određenu tačku teritorije.
Prostorni podaci predstavljaju točke, linije, poligone. Za proračun potencijala, dugotrajni prostorni podaci razbijaju se na male dijelove. Za svaki dio računa se potencijal od točke množenjem s veličinom dijela objekta (faktora).
Podaci se razbijaju u smislen grupama prema principu sličnosti. Na primjer, objekti trgovine su objedinjeni prema robama. Postoje grupe šumskih objekata, vodenih objekata, naseljenih mjesta, stajališta prijevoza itd. Objedinjene po značenju grupe predstavljaju faktor. Prolaskom kroz sve objekte (faktore), dobivamo set toplinskih potencijala koji su prikladni za daljnju obradu.
Korištenje potencijala („toplinskih karata“) omogućava prijelaz s prostornih podataka na „toplinske“ slike objekata (faktora) utjecaja na teritoriju (vizualizacija potencijala). Ovaj prijelaz omogućava određivanje stupnja prisutnosti faktora u svakoj točki teritorija i provođenje daljnje analize, tj. prikazivanje različitih pravaca razvoja grada u boji. Na taj način, dobit ćemo sjaj različite intenzivnosti za svaku točku teritorija.
Primjeri „toplinskih“ slika teritorija grada Nižnjeg Novgoroda u pregledu nekoliko faktora prikazani su u nastavku.
„Toplinska“ karta grada N. Novgoroda, koja odražava faktor „Ljekarnička mreža“
„Toplinska“ karta grada N. Novgoroda, koja odražava faktor „Poliklinike za odrasle“
„Toplinska“ karta grada N. Novgoroda, koja odražava faktor „Dječje poliklinike“
„Toplinska“ karta grada N. Novgoroda, koja odražava faktor „Industrijske zone“
„Toplinske“ slike teritorija omogućuju određivanje koncentracije potencijala iz različitih objekata utjecaja. Nadalje, potrebno je objediniti dobivene potencijale u integralnu karakteristiku, koja omogućava ocjenu teritorija po velikom broju faktora. Za to je potrebna metoda koja omogućava analizu velikog volumena informacija, prepoznavanje objekata, te smanjenje dimenzionalnosti podataka uz gubitak minimalne količine informacija. Jedna od takvih metoda je metoda glavnih komponenti (Principal component analysis, PCA). O ovoj metodi možete pročitati više u .
Bit metode je pronalaženje linearne kombinacije izvornih parametara koja se najviše mijenja u području analize. Za prostorne podatke – najviše se mijenja po teritoriju.
Metoda glavnih komponenti ističe objekte (faktore) koji se najviše mijenjaju po teritoriju. Kao rezultat rada metode pojavljuju se nove varijable – glavne komponentne, koje su informativnije u usporedbi s izvornih podacima, a pomoću njih je lakše analizirati, opisivati i vizualizirati teritorij, kao i jednostavnije graditi modele.
Glavni komponenti predstavljaju analitičke izraze - zbroj potencijala početnih faktora s određenim koeficijentima. Međutim, ako neki faktor značajno utječe na teritorij, ali se ne mijenja na analiziranoj teritoriji, metoda glavnih komponenti neće uključiti taj faktor u sastav glavnih komponenti.
Glavne komponente se uređuju prema opadanju informacija - tj. raširenosti po teritoriji. Prve glavne komponente nose značajno veću informaciju od pojedinačnih faktora i dobro opisuju teritorij. U pravilu, pri korištenju oko stotinu faktora, prva glavna komponenta nosi oko 50% svih informacija (disperzije) po teritoriji. Glavne komponente nisu korelirane među sobom i mogu se koristiti za modele kao karakteristike teritorija u svakoj točki.
Prva komponenta, kao neki apstraktno izračunati pokazatelj teritorija, nema jasno ime i klasifikaciju. Međutim, skupina, koja je snažno korelirana s prvim komponentama, faktora omogućava tumačenje glavnih komponenti. U pravilu, s glavnim komponentama koreliraju sljedeći faktori:
— razina razvoja infrastrukture;
— transportna komponenta teritorija;
— klimatske zone;
— razina razvoja poljoprivrede;
— ekonomski potencijal teritorija.
Daljnja analiza, uključujući klasterizaciju, ide s nekoliko prvih značajnih glavnih komponenti.
Na slikama se može vidjeti grafičko prikazivanje prvih glavnih komponenti na području nekoliko gradova Ruske Federacije.
Prva glavna komponenta, koja karakterizira razinu razvoja gradske infrastrukture u g. N. Novgorodu
Prva glavna komponenta, koja karakterizira razinu razvoja gradske infrastrukture u g. Jekaterinburgu
Prva glavna komponenta, koja karakterizira razinu razvoja gradske infrastrukture u g. Kazanju
Prva glavna komponenta, koja karakterizira razinu razvoja gradske infrastrukture u g. Permu
Prva glavna komponenta, koja karakterizira razinu razvoja gradske infrastrukture u g. Samari
Prva glavna komponenta, koja karakterizira razinu razvoja gradske infrastrukture u g. Habarovsku
Integrativne karakteristike: klasterizacija
Naredna faza rada na analizi područja predstavlja pretraživanje zona urbanog prostora, homogeni po kvaliteti. Ova pretraga se oslanja na analizu vrednosti glavnih komponenti na svakoj tački teritorije. Zadatak pronalaženja navedenih homogених zona može se rešiti putem klasterizacije – procesa grupisanja teritorija po principu bliskosti skupa karakteristika.
Klasterizacija teritorije ima dva cilja:
— stvaranje bolje percipirane vizualizacije teritorije;
— isticanje oblasti za izradu posebnih modela.
Teritorije se klasterizuju u skladu sa odabranim faktorima za analizu. Ovi faktori mogu biti faktori koji utiču na formiranje cena ili faktori koji opisuju neku stranu razvoja teritorije, na primer, društvenu sferu.
Postoje dvije raširene klasične metode klasterizacije: metoda K-means i metoda dendrograma. Kada se radi sa teritorijama, dobro se pokazala metoda K-means, čija je karakteristika "uzgoj" klastera, pridruživanje novim objektima tačkama rasta. Prednosti metode K-means leže u sličnosti njenog rada sa prirodnim procesom oblikovanja teritorija: integracija sličnih, a ne razdvajanje različitih.
Metodom K-means izvršeno je računanje za Nižni Novgorod (slika ispod).
Usaglašavanje klastera s nivoom razvoja teritorije na primeru grada N. Novgoroda
Pri predloženom pristupu može se dobiti predstava o teritoriji po različitim temama. Temama koje nas zanimaju mogu biti, na primer, nivo razvoja urbanoj infrastrukture, nivo "elitnosti" teritorije, nivo razvoja kulture, socijalna komponenta razvoja teritorije. Ove teme su slabo definisana integrativna pojma, i sadrže mnoštvo međusobno povezanih faktora.
Pri određenom algoritmu odabira parametara za analizu (uključujući angažovanje eksperata), dobijamo tematske karte koje daju predstavu o jednom aspektu razvoja teritorije.
Pod integrativnim karakteristikama podrazumevaju se prve glavne komponente, prvenstveno najinformativnija prva glavna komponenta, i klasterizacija teritorije po odabranim parametrima.
Tematske karte prvih glavnih komponenti u različitim aspektima razvoja predstavljene su na slikama ispod.
Tematska karta „Objekti kulture“ na primjeru grada N. Novgoroda
Tematska karta „Socijalna sfera“ na primjeru grada N. Novgoroda
Integrativne karakteristike omogućuju razumijevanje osobitosti teritorija, operirajući s mnogim faktorima uz minimalne gubitke informacija.
Zaključno, valja još jednom naglasiti da je analiza teritorija danas izuzetno važna etapa u rješavanju zadataka razvoja urbanog okoliša, odabira lokacija za investicije u gradnju, traženja najpovoljnijeg smještaja novih objekata i drugih zadataka.
Predložena u članku metoda analize teritorije uz korištenje „toplinski“ modela od faktora različite prirode nije kritična prema skupu faktora, tj. ne postavlja ograničenja i zahtjeve prema izvornoj informaciji.
Raznolikost i suvišnost izvornih informacija, kao i mogućnost korištenja otvorenih podataka pruža neograničene perspektive za analizu bilo kojih teritorija svijeta.
U sljedećim publikacijama, posvećenim analizama teritorija planiramo razjasniti posebnosti sastavljanja modela uz korištenje glavnih komponenti i metode njihove implementacije za takve zadatke kao što su:
— odabir najboljeg mjesta za smještaj novog objekta;
— izrada cjenovne površine za određenu kategoriju objekata koristeći tržišnu vrijednost;
— procjena profitabilnosti određenog oblika djelatnosti u zavisnosti od lokacije objekata.
Također planiramo predstaviti metode povratnog prelaska od glavnih komponenti na faktore, što zauzvrat omogućuje dobivanje modela faktora za tu teritoriju.
Izvor: habr.com
