Primjer izračuna toplinskog potencijala za uličnu mrežu u Nižnjem Novgorodu
Gradsko područje je složen, heterogen sustav koji se stalno mijenja. Možete opisati teritorij i procijeniti urbani okoliš pomoću prostornih objekata (faktora). Čimbenici koji opisuju teritorij razlikuju se po prirodi utjecaja (pozitivni, negativni) i geometrijskoj konfiguraciji (točke, linije, poligoni).
Često je vrlo teško odrediti stupanj utjecaja svakog pojedinog objekta na razinu razvoja teritorija u cjelini ili bilo kojeg njegovog pojedinog aspekta. Danas problem definiranja i opisivanja pojmova kao što su „kultura“, „socijalna sfera“, „socijalna napetost“, „dobar život“, „ekonomski razvoj“, „zdravlje stanovništva“ postaje sve aktualniji. Dvosmislenost ovih pojmova se povećava ako ih želimo primijeniti na različite društvene skupine, populacije različite dobi i spola.
Također, treba napomenuti da su granice grada u modernom konceptu prilično proizvoljne. Svakodnevna migracija stanovništva, prometna dostupnost udaljenih područja još više „zamagljuje granicu“ grada. Sada već široko korišten koncept aglomeracije općenito odražava granice grada, ali u isto vrijeme sam pojam gradske granice čini još nejasnijim.
Unatoč gore opisanim problemima, analiza i procjena teritorija danas su među najperspektivnijim i najzanimljivijim područjima koja omogućuju rješavanje mnogih hitnih problema urbanog okoliša.
U članku se na razmatranje predlaže metoda analize teritorija pomoću "termalnog" modela. Ova se metoda temelji na proučavanju potencijala koje stvaraju objekti (čimbenici) različite prirode (točkasti, linearni i površinski). Analiza teritorija ovom metodom omogućuje prijelaz sa skupa prostornih podataka (faktora) koji opisuju teritorij na točnu numeričku (bodovnu) procjenu na svakoj točki teritorija.
Potencijali koji se proučavaju u sklopu analize teritorija imaju fizičku interpretaciju - širenje topline u okolišima različitih dimenzija (2D, 3D). Ovaj fenomen može se prikazati u obliku "termalnih" slika ("toplinske" karte teritorija), dajući ideju o stupnju razvijenosti teritorija ovisno o intenzitetu boje slike.
Čimbenici teritorija
Analiza teritorija uključuje pretraživanje i obradu informacija o čimbenicima koji utječu na teritorij i njihovim pokazateljima. Čimbenici utjecaja su objekti koji utječu na okolni teritorij i imaju skup karakteristika i prostornih koordinata. Primjeri čimbenika utjecaja uključuju trgovine, industrijske objekte, ceste, šume i vodena tijela.
Indikatori utjecaja su objekti reflektirajući utjecaj objekata i također ima skup karakteristika i prostornih koordinata. Primjeri indikatora utjecaja: bankomati, reklamne ploče, spomenici.
U daljnjem izlaganju koristit ćemo se pojmom čimbenici utjecaja koji objedinjuje oba pojma – čimbenike i pokazatelje utjecaja.
Ispod je primjer prostornih podataka koji djeluju kao čimbenici utjecaja.
Jedna od važnih faza izvođenja radova na analizi teritorija je faza prikupljanja i obrade početnih informacija. Danas postoji mnogo informacija o čimbenicima koji utječu na teritorij različitog stupnja detalja.
Informacije se mogu dobiti iz otvorenih ili ograničenih izvora. U mnogim slučajevima za analizu su dovoljne otvorene informacije, iako u pravilu zahtijevaju prilično napornu obradu.
Među otvorenim izvorima, lider je, po našem mišljenju, resurs OpenStreetMap (OSM). Informacije dobivene iz ovog izvora svakodnevno se ažuriraju u cijelom svijetu.
Informacije o resursima OpenStreetMap (OSM) predstavljene su u sljedećim formatima:
- OSM format. Glavni format s ekstenzijom “.osm” koristi se za opisivanje XML grafičkih slika – čvorova, staza, odnosa.
- “poljski format”. Za rad s grafikom koristi se tekstualni format s ekstenzijom “.mp”.
- PBF format. Format pohrane podataka s ekstenzijom “.osm.pbf”.
Također možete koristiti sljedeće kao izvore informacija:
- 2 GIS
Resurs sadrži visokokvalitetne, mjesečno obrađene informacije, s izvrsnim klasifikatorom od 3 razine za poduzeća i organizacije.
- KML (Keyhole Markup Language) datoteke
KML (Keyhole Markup Language) datoteke su format datoteke koji se koristi za prikaz geografskih podataka u Google Earthu, Google Kartama i Google Kartama za mobilne uređaje.
S KML datotekama možete:
- instalirajte razne ikone i napravite potpise za označavanje mjesta na površini Zemlje
— stvorite različite kutove za odabrane objekte promjenom položaja kamere
- koristiti različite preklapajuće slike
— definirajte stilove za prilagodbu prikaza objekta, primijenite HTML kod za stvaranje hiperveza i ugrađenih slika
— koristiti mape za hijerarhijsko grupiranje elemenata
— dinamički primati i ažurirati KML datoteke s udaljenih ili lokalnih mrežnih čvorova
- Primite KML podatke u skladu s promjenama u 3D pregledniku
- Savezna služba za državnu registraciju, katastar i kartografiju "Rosreestr"
Informacije na portalu Rosreestr vrijedne su zbog svog sadržaja i relevantnosti, ali, nažalost, ne omogućuju besplatno dobivanje grafika za kapitalne građevinske projekte i zemljišne parcele. Portal Rosreestr također sadrži veliku količinu informacija s ograničenim pristupom.
- Statistička tijela
Statistički podaci legitiman su izvor informacija o teritoriju, no od danas su podaci statističkih tijela dostupni samo za određeni broj pokazatelja, uglavnom u izvješćima statističkih tijela i izvješćima regionalnih tijela.
- Informacijski sustavi tijela vlasti
Visokokvalitetne informacije sadržane su u državnim informacijskim sustavima, ali samo mali dio njih je javno objavljen i dostupan za analizu.
Provođenje analize teritorija ne nameće nikakve posebne zahtjeve za sastav informacija, zapravo možete koristiti sve što ste pronašli; informacije iz otvorenih izvora obično su zamjenjive. Međutim, treba napomenuti da su čak i informacije dobivene samo iz OSM izvora dovoljne za analizu nepoznatog područja.
Analiza teritorija pomoću “termalnog” modela. Fizička interpretacija potencijala
Kao što je već spomenuto, analiza teritorija danas je vruća tema i moćan alat za razumno privlačenje ulaganja u razvoj infrastrukture u različitim urbanim sredinama.
Različiti problemi koji se rješavaju analizom teritorija mogu se kombinirati u nekoliko glavnih područja:
— Dobivanje što razumljivije i detaljne procjene teritorija na svakoj točki.
Rješavanjem problema možete dobiti skup točaka na svakoj točki teritorija, dajući ideju o razini razvoja teritorija općenito, kao iu određenom predmetnom području. Takvo područje može biti, na primjer, kultura, industrija, trgovina itd.
— Određivanje najpovoljnijih mjesta za postavljanje investicijskih objekata određene vrste (na primjer, banke, specijalizirane trgovine, trgovački i zabavni centri itd.) Na odabranom području.
— Analiza najučinkovitijeg korištenja teritorija.
Ovaj smjer omogućuje detaljno proučavanje karakteristika teritorija, tržišne situacije koja se razvila na području koje se proučava i prepoznavanje popularnih opcija.
— Utvrđivanje doprinosa jednog čimbenika troškovnom modelu na primjeru nastanka novih cesta i novih ruta.
— Analiza različitih aspekata jednog teritorija i analiza različitih teritorija (usporedba teritorija).
Originalnost metode analize teritorija predložene u članku korištenjem "termalnog" modela leži u korištenju pokazatelja razvoja teritorija - potencijala, prikazanih u numeričkom smislu i odražavajući stupanj utjecaja objekta (faktora utjecaja) na teritorij.
Za razumijevanje suštine studije potrebno je reći nekoliko riječi o samom toplinskom potencijalu i dati njegovu fizikalnu interpretaciju.
U fizici postoje pojmovi kao što su polje sile и funkcija sile. Polje sile ima dimenziju energije, funkcija sile ima dimenziju sile.
Za zakon univerzalne gravitacije, polje sila definirano je formulom:
F=k/r2, gdje je
k – konstanta;
r – udaljenost između objekata u interakciji.
Funkcija sile ϕ određena je izrazom:
dϕ=-F*dr, gdje
ϕ—potencijal polja sile;
dϕ, dr – diferencijali;
r je udaljenost između međusobno povezanih objekata,
dakle ϕ=k/r.
Fizičko značenje potencijala polja sile ϕ je rad E koji polje sile izvrši prijelaskom određene staze. U slučaju zakona univerzalne gravitacije, kada se udaljenost do objekta promijeni s r2 na r1, funkcija sile određena je formulom
E=k*(1/r1-1/r2), gdje je
E je rad polja sila dok prolazi određenim putem;
r1, r2 – početni i krajnji položaj objekta.
Za zadatak analize teritorija, utjecaj objekata (čimbenika) na teritorij može se smatrati silom (funkcija snage), a stupanj razvijenosti teritorija kao ukupni toplinski potencijal (polje sile) od svih objekata (faktora). U problemima fizike toplinski potencijal je temperatura, au problemima analize teritorija pomoću “toplinskog” modela potencijal predstavlja ukupni utjecaj svih utjecajnih čimbenika na točku teritorija.
Prostorni podaci sastoje se od točaka, linija i poligona. Za izračun potencijala, prošireni prostorni podaci podijeljeni su u male fragmente. Za svaki fragment izračunava se potencijal iz točke s množiteljem jednakim veličini fragmenta objekta (faktor).
Podaci su podijeljeni u semantičke skupine prema načelu bliske sličnosti. Na primjer, trgovinski objekti su spojeni robom. Postoje skupine šumskih objekata, vodnih tijela, naselja, prometnih stajališta itd. Skupine ujedinjene značenjem predstavljaju faktor. Prolaskom kroz sve objekte (faktore) dobivamo skup toplinskih potencijala pogodnih za daljnju obradu.
Korištenje potencijala ("toplinske karte") omogućuje vam prijelaz s prostornih podataka na "toplinske" slike objekata (čimbenika) utjecaja na teritoriju (vizualizacija potencijala). Takav prijelaz omogućuje određivanje stupnja prisutnosti čimbenika na svakoj točki teritorija i provedbu daljnje analize, tj. prikazati različite pravce razvoja grada u boji. Tako dobivamo sjaj različitog intenziteta za svaku točku teritorija.
U nastavku su prikazani primjeri "toplinskih" slika teritorija Nižnjeg Novgoroda u kontekstu nekoliko čimbenika.
"Termalna" karta Nižnjeg Novgoroda, koja odražava faktor "Lanac ljekarni".
Karta "topline" Nižnjeg Novgoroda, odražavajući faktor "Poliklinike za odrasle"
"Termalna" karta Nižnjeg Novgoroda, koja odražava faktor "Dječje klinike"
"Termalna" karta Nižnjeg Novgoroda, odražavajući faktor "Industrijske zone"
"Toplotne" slike teritorija omogućuju određivanje koncentracije potencijala različitih objekata utjecaja. Zatim je potrebno objediniti dobivene potencijale u integralnu karakteristiku koja omogućuje procjenu teritorija na temelju velikog broja faktora. To zahtijeva metodu koja vam omogućuje analizu velike količine informacija, prepoznavanje objekata, a također smanjuje dimenziju podataka, gubeći najmanju količinu informacija. Jedna od tih metoda je analiza glavnih komponenti (PCA). Više detalja o ovoj metodi možete pronaći u .
Suština metode je pronaći linearnu kombinaciju početnih parametara koja se najjače mijenja u području analize. Za prostorne podatke – najsnažnije se mijenjaju preko teritorija.
Metoda glavne komponente identificira objekte (čimbenike) koji se najviše mijenjaju na teritoriju. Kao rezultat metode pojavljuju se nove varijable - glavne komponente, koje su informativnije u odnosu na izvorne podatke, uz pomoć kojih je lakše analizirati, opisati i vizualizirati teritorij, na kojem je lakše graditi modele .
Glavne komponente su analitički izrazi - zbroj potencijala početnih faktora s određenim koeficijentima. Međutim, ako bilo koji čimbenik ima značajan utjecaj na teritorij, ali se ne mijenja na analiziranom teritoriju, metoda glavne komponente neće uključiti taj čimbenik u sastav glavnih komponenti.
Glavne komponente poredane su silaznim redoslijedom informacija – tj. šireći se po cijelom teritoriju. Prve glavne komponente nose znatno više informacija od pojedinačnih čimbenika i dobro opisuju teritorij. U pravilu, kada se koristi stotinjak faktora, prva glavna komponenta nosi oko 50% svih informacija (varijance) za teritorij. Glavne komponente ne koreliraju jedna s drugom i mogu se koristiti za modele kao karakteristike teritorija u svakoj točki.
Glavna komponenta, kao neki apstraktno izračunati pokazatelj teritorija, nema jasan naziv i klasifikaciju. Međutim, skup čimbenika koji su snažno povezani s glavnom komponentom omogućuje nam tumačenje glavnih komponenti. U pravilu, sljedeći čimbenici koreliraju s glavnim komponentama:
— stupanj razvoja infrastrukture;
— prometna komponenta teritorija;
— klimatske zone;
— stupanj razvoja poljoprivrede;
— gospodarski potencijal teritorija.
Daljnja analiza, uključujući klasteriranje, nastavlja se s prvih nekoliko značajnih glavnih komponenti.
Na slikama možete vidjeti grafički prikaz prvih glavnih sastavnica na području nekoliko gradova Ruske Federacije.
Prva glavna komponenta koja karakterizira razinu razvoja urbane infrastrukture u Nižnjem Novgorodu
Prva glavna komponenta koja karakterizira razinu razvoja urbane infrastrukture u Jekaterinburgu
Prva glavna komponenta koja karakterizira razinu razvoja urbane infrastrukture u Kazanu
Prva glavna komponenta koja karakterizira razinu razvoja urbane infrastrukture u Permu
Prva glavna komponenta koja karakterizira razinu razvoja urbane infrastrukture u Samari
Prva glavna komponenta koja karakterizira razinu razvoja urbane infrastrukture u Khabarovsku
Integralne karakteristike: klasterizacija
Daljnja faza rada na analizi teritorija je potraga za zonama urbane sredine koje su po kvaliteti homogene. Ovo pretraživanje temelji se na analizi vrijednosti glavnih komponenti na svakoj točki teritorija. Problem traženja tih homogenih zona može se riješiti klasteriranjem - procesom grupiranja teritorija na temelju načela blizine skupa karakteristika.
Grupiranje teritorija ima dva cilja:
— stvaranje bolje percipirane vizualizacije teritorija;
— dodjela područja za sastavljanje pojedinačnih modela.
Teritori su grupirani u skladu s odabranim faktorima za analizu. Ti čimbenici mogu biti čimbenici koji utječu na cijene ili čimbenici koji opisuju neki aspekt razvoja teritorija, na primjer, socijalna sfera.
Postoje dvije uobičajene klasične metode klasteriranja: metoda K-srednjih vrijednosti i metoda dendrograma. U radu s teritorijima, metoda K-means dobro se pokazala, čija je značajka "rast" klastera dodavanjem novih objekata točkama rasta. Prednost metode K-means leži u sličnosti njezina rada s prirodnim procesom formiranja teritorija: integracija sličnih, umjesto odvajanja različitih.
Metoda K-srednjih vrijednosti korištena je za izračune za Nižnji Novgorod (slika dolje).
Usklađenost klastera s razinom razvoja teritorija na primjeru Nižnjeg Novgoroda
Predloženim pristupom moguće je dobiti pregled teritorija na različite teme. Teme koje nas zanimaju mogu biti, primjerice, stupanj razvijenosti urbane infrastrukture, stupanj “elitnosti” teritorija, stupanj kulturnog razvoja, društvena komponenta razvoja teritorija. Te su teme loše definirani integralni koncepti i sastoje se od mnogih međusobno povezanih čimbenika.
Koristeći neki algoritam za odabir parametara za analizu (uključujući i uključivanje stručnjaka), dobit ćemo tematske karte koje daju ideju o jednom aspektu razvoja teritorija.
Pod integralnim karakteristikama podrazumijevaju se prve glavne komponente, prvenstveno najinformativnija prva glavna komponenta, te grupiranje teritorija prema odabranim parametrima.
Tematske karte prvih glavnih komponenti za različite aspekte razvoja prikazane su na slikama u nastavku.
Tematska karta "Kulturni objekti" na primjeru Nižnjeg Novgoroda
Tematska karta "Društvena sfera" na primjeru Nižnjeg Novgoroda
Integralne karakteristike omogućuju razumijevanje karakteristika teritorija korištenjem mnogih faktora uz minimalan gubitak informacija.
Zaključno, vrijedi još jednom napomenuti da je danas analiza teritorija iznimno važna faza u rješavanju problema razvoja urbanog okoliša, odabiru mjesta za ulaganje u izgradnju, pronalaženju najpovoljnije lokacije za nove objekte i druge zadatke.
Metoda analize teritorija predložena u članku korištenjem "toplinskog" modela iz čimbenika različite prirode nije kritična za skup čimbenika, tj. ne nameće ograničenja ili zahtjeve na početne informacije.
Raznolikost i redundancija izvornih informacija, kao i mogućnost korištenja otvorenih podataka, pruža neograničeni izgledi za analizu bilo kojeg teritorija svijet.
U sljedećim publikacijama posvećenim problemima teritorijalne analize, planiramo otkriti značajke sastavljanja modela koristeći glavne komponente i metode za njihovu implementaciju za takve zadatke kao što su:
— izbor najbolje lokacije pri postavljanju novog objekta;
— izgradnja cjenovne površine za određenu kategoriju objekata korištenjem tržišne vrijednosti;
- procjena isplativosti određene vrste djelatnosti ovisno o lokaciji objekata.
Također se planira predstaviti metode za obrnuti prijelaz s glavnih komponenti na faktore, što zauzvrat omogućuje dobivanje modela iz faktora za određeni teritorij.
Izvor: www.habr.com