Példa a Nyizsnyij Novgorod utcahálózat termikus potenciáljának kiszámítására
A város területe összetett, heterogén rendszer, amely folyamatosan változik. Leírhatja a területet és értékelheti a városi környezetet térbeli objektumok (tényezők) segítségével. A területet leíró tényezők hatásuk jellegében (pozitív, negatív) és geometriai konfigurációjukban (pontok, vonalak, sokszögek) különböznek.
Gyakran meglehetősen nehéz meghatározni, hogy az egyes objektumok milyen befolyást gyakorolnak a terület egészének vagy annak bármely aspektusának fejlettségi szintjére. Napjainkban egyre aktuálisabb az olyan fogalmak meghatározása és leírása, mint a „kultúra”, „társadalmi szféra”, „társadalmi feszültség”, „jó élet”, „gazdasági fejlődés”, „népesség egészsége”. E fogalmak kétértelműsége fokozódik, ha különböző társadalmi csoportokra, különböző korú és nemű populációkra akarjuk alkalmazni őket.
Azt is meg kell jegyezni, hogy a város határai a modern koncepcióban meglehetősen önkényesek. A lakosság napi vándorlása, a távoli területek közlekedési elérhetősége még jobban „elmossa” a város határát. A ma már elterjedt agglomeráció fogalma általában a város határait tükrözi, ugyanakkor magát a városhatár fogalmát még homályosabbá teszi.
A fent leírt problémák ellenére a területek elemzése és értékelése ma az egyik legígéretesebb és legérdekesebb terület, amely lehetővé teszi a városi környezet számos sürgető problémájának megoldását.
A cikk megfontolásra javasol egy módszert a terület „termikus” modell segítségével történő elemzésére. Ez a módszer a különböző természetű (pontos, lineáris és területi) objektumok (tényezők) által létrehozott potenciálok tanulmányozásán alapul. A terület ezzel a módszerrel történő elemzése lehetővé teszi, hogy a területet leíró téradatok (tényezők) halmazától a terület minden pontján pontos számszerű (pontszám) értékelés felé mozduljunk el.
A területelemzés részeként vizsgált potenciáloknak van fizikai értelmezése - hőterjedés különböző dimenziójú környezetben (2D, 3D). Ezt a jelenséget „termikus” képek (a terület „hőtérképei”) formájában ábrázolhatjuk, amelyek képet adnak a terület fejlettségi fokáról a kép színintenzitásától függően.
Területi tényezők
A területelemzés magában foglalja a területet befolyásoló tényezőkre és azok mutatóira vonatkozó információk keresését és feldolgozását. A befolyásoló tényezők olyan objektumok, amelyek befolyásolják a környező területet, és amelyek jellemzőkkel és térbeli koordinátákkal rendelkeznek. Példák a befolyásoló tényezőkre: üzletek, ipari létesítmények, utak, erdők és víztestek.
A befolyás mutatói a tárgyak fényvisszaverő objektumok befolyása, valamint jellemzők és térbeli koordináták halmaza. Példák hatásjelzőkre: ATM-ek, hirdetőtáblák, emlékművek.
A következő előadásban a befolyásoló tényezők fogalmát használjuk, amely mindkét kifejezést – tényezőket és befolyási mutatókat – egyesíti.
Az alábbiakban bemutatunk egy példát olyan téradatokra, amelyek befolyásoló tényezőkként működnek.
A területek elemzésével kapcsolatos munka egyik fontos szakasza a kezdeti információk összegyűjtésének és feldolgozásának szakasza. A területet befolyásoló tényezőkről ma már rengeteg, különböző részletességű információ áll rendelkezésre.
Az információk nyílt forrásokból vagy korlátozott forrásokból szerezhetők be. Sok esetben elegendő a nyílt információ az elemzéshez, bár általában meglehetősen munkaigényes feldolgozást igényel.
A nyílt források közül véleményünk szerint a vezető az OpenStreetMap (OSM). Az ebből a forrásból nyert információkat naponta frissítik szerte a világon.
Az OpenStreetMap (OSM) erőforrás-információi a következő formátumokban jelennek meg:
- OSM formátum. A fő formátum „.osm” kiterjesztéssel az XML grafikus képek – csomópontok, útvonalak, kapcsolatok – leírására szolgál.
- „Lengyel formátum”. Az „.mp” kiterjesztésű szövegformátum a grafikával való munkához használatos.
- PBF formátum. Adattárolási formátum „.osm.pbf” kiterjesztéssel.
Információforrásként a következőket is használhatja:
- 2 GIS
Az erőforrás jó minőségű, havonta feldolgozott információkat tartalmaz, kiváló 3-szintű osztályozóval a vállalkozások és szervezetek számára.
- KML (Keyhole Markup Language) fájlok
A KML (Keyhole Markup Language) fájlok egy olyan fájlformátum, amelyet földrajzi adatok megjelenítésére használnak a Google Föld, a Google Térkép és a Google Térkép mobileszközökhöz szolgáltatásban.
A KML fájlokkal a következőket teheti:
- különféle ikonok telepítése és aláírások jelzése a Föld felszínén lévő helyek jelzésére
— különböző szögek létrehozása a kiválasztott objektumokhoz a kamera pozíciójának megváltoztatásával
- különböző átfedő képeket használjon
— Stílusok meghatározása egy objektum megjelenítésének testreszabásához, HTML kód alkalmazása hiperhivatkozások és soron belüli képek létrehozásához
— mappákat használjon az elemek hierarchikus csoportosításához
— KML-fájlok dinamikus fogadása és frissítése távoli vagy helyi hálózati csomópontokról
- KML adatok fogadása a XNUMXD-s megtekintő változásainak megfelelően
- Szövetségi Állami Nyilvántartási, Kataszteri és Térképészeti Szolgálat "Rosreestr"
A Rosreestr portálon található információk tartalma és relevanciája miatt értékesek, de sajnos nem teszik lehetővé a tőkeépítési projektek és telkek grafikájának ingyenes beszerzését. A Rosreestr portál is nagy mennyiségű korlátozott hozzáférésű információt tartalmaz.
- Statisztikai szervek
A statisztikai adatok jogos információforrást jelentenek a területről, azonban ma már csak bizonyos számú mutató esetében állnak rendelkezésre statisztikai szervektől származó adatok, elsősorban a statisztikai szervek jelentéseiben és a regionális hatóságok jelentéseiben.
- A hatóságok információs rendszerei
A kormányzati információs rendszerek jó minőségű információkat tartalmaznak, de ezeknek csak egy kis része kerül nyilvánosságra és elemzésre elérhető.
A területek elemzése nem támaszt konkrét követelményeket az információ összetételével kapcsolatban, sőt, mindent felhasználhat, amit talált, a nyílt forrásokból származó információk általában felcserélhetők. Meg kell azonban jegyezni, hogy még az OSM-forrásból nyert információ is elegendő az ismeretlen terület elemzéséhez.
A terület elemzése „termikus” modell segítségével. A potenciálok fizikai értelmezése
Amint azt korábban említettük, a területelemzés napjainkban felkapott téma és hatékony eszköz az infrastruktúra-fejlesztési beruházások indokolt vonzására különböző városi környezetben.
A területelemzéssel megoldott problémák sokfélesége több fő területre kombinálható:
— Minden ponton a terület leginkább értelmezhető és legrészletesebb értékelése.
A probléma megoldásával a terület minden pontján pontot szerezhet, amely képet ad a terület fejlettségi szintjéről általában, valamint egy bizonyos témakörben. Ilyen tantárgy lehet például a kultúra, az ipar, a kereskedelem stb.
— Egy adott típusú befektetési objektumok (például bankok, szaküzletek, bevásárló- és szórakoztató központok stb.) legelőnyösebb helyek meghatározása a kiválasztott területen.
— A terület leghatékonyabb felhasználásának elemzése.
Ez az irány lehetővé teszi a terület sajátosságainak, a vizsgált területen kialakult piaci helyzetnek a részletes vizsgálatát, a népszerű lehetőségek azonosítását.
— Egy tényező hozzájárulásának meghatározása a költségmodellhez, új utak és új útvonalak megjelenésének példáján.
— Egy terület különböző szempontjainak elemzése és különböző területek elemzése (területek összehasonlítása).
A cikkben javasolt, a „termikus” modellt használó területelemzési módszer eredetisége a területfejlesztési mutatók - potenciálok számszerűsített felhasználásában rejlik, és tükrözi az objektum (befolyásoló tényező) befolyásának mértékét a területre.
A tanulmány lényegének megértéséhez néhány szót kell ejteni magáról a termikus potenciálról, és meg kell adni annak fizikai értelmezését.
A fizikában vannak olyan fogalmak, mint erőtér и erő függvény. Az erőtérnek az energia, az erőfüggvénynek az erő dimenziója van.
Az egyetemes gravitáció törvénye szerint az erőteret a következő képlet határozza meg:
F=k/r2, ahol
k – állandó;
r – a kölcsönhatásban lévő objektumok közötti távolság.
A ϕ erőfüggvényt a következő kifejezés határozza meg:
dϕ=-F*dr, ahol
ϕ – erőtér potenciál;
dϕ, dr – differenciálművek;
r a kölcsönhatásban lévő objektumok közötti távolság,
ezért ϕ=k/r.
A ϕ erőtérpotenciál fizikai jelentése az E munka, amelyet az erőtér egy bizonyos úton haladva végez. Az univerzális gravitáció törvénye esetén, amikor egy objektum távolsága r2-ről r1-re változik, az erőfüggvényt a képlet határozza meg
E=k*(1/r1-1/r2), ahol
E az erőtér által végzett munka egy bizonyos úton haladva;
r1, r2 – az objektum kezdeti és végső helyzete.
Egy terület elemzéséhez az objektumok (tényezők) területre gyakorolt befolyása erőnek tekinthető (teljesítmény funkció), és a terület fejlettségi szintje mint a teljes termikus potenciál (erőtér) minden tárgyból (tényezőből). Fizikai feladatokban a termikus potenciál a hőmérséklet, a „termikus” modellt használó területelemzés problémáinál pedig a potenciál az összes befolyásoló tényező összhatását jelenti a terület egy pontjára.
A térbeli adatok pontokból, vonalakból és sokszögekből állnak. A potenciálok kiszámításához a kiterjesztett térbeli adatokat kis töredékekre osztják. Minden egyes töredék esetében a pontból származó potenciált az objektum töredékének (tényező) méretével megegyező szorzóval számítjuk ki.
Az adatokat a szoros hasonlóság elve alapján szemantikai csoportokra osztjuk. Például a kereskedelmi objektumok termékenként vannak kombinálva. Vannak erdőobjektum-csoportok, víztestek, települések, közlekedési megállók stb. A jelentés által egyesített csoportok egy tényezőt képviselnek. Az összes objektumon (tényezőn) végigjárva a további feldolgozásra alkalmas hőpotenciálok halmazát kapjuk.
A potenciálok („hőtérképek”) használata lehetővé teszi, hogy térbeli adatokról a területet befolyásoló objektumok (tényezők) „termikus” képeire váltson (potenciálok vizualizálása). Egy ilyen átmenet lehetővé teszi a faktor jelenlétének mértékének meghatározását a terület minden pontján, és további elemzések elvégzését, pl. színesben jelenítse meg a városfejlesztés különböző irányait. Így a terület minden pontjára változó intenzitású fényt kapunk.
Az alábbiakban bemutatunk példákat Nyizsnyij Novgorod területének „termikus” képeire számos tényező összefüggésében.
Nyizsnyij Novgorod „termikus” térképe, amely a „Patikalánc” tényezőt tükrözi
Nyizsnyij Novgorod „hőtérképe”, amely tükrözi a „felnőtt poliklinikák” tényezőt
Nyizsnyij Novgorod „termikus” térképe, amely tükrözi a „gyermekklinikák” tényezőt
Nyizsnyij Novgorod „termikus” térképe, amely tükrözi az „ipari övezetek” tényezőt
A terület „termikus” képei lehetővé teszik a különböző befolyási objektumok potenciálkoncentrációjának meghatározását. Ezt követően a kapott potenciálokat olyan integrált jellemzővé kell kombinálni, amely lehetővé teszi a terület nagyszámú tényező alapján történő értékelését. Ehhez olyan módszerre van szükség, amely lehetővé teszi nagy mennyiségű információ elemzését, objektumok felismerését, valamint az adatok méretének csökkentését, a legkevesebb információ elvesztésével. Az egyik ilyen módszer a főkomponens-analízis (PCA). Erről a módszerről további részleteket találhat .
A módszer lényege, hogy megtaláljuk a kezdeti paraméterek lineáris kombinációját, amely a legerősebben változik az elemzés területén. A térbeli adatoknál – a legerősebben változó a területen.
A főkomponens metódus azonosítja azokat az objektumokat (tényezőket), amelyek a legerősebben változnak a területen. A módszer eredményeként új változók jelennek meg - a fő komponensek, amelyek informatívabbak az eredeti adatokhoz képest, amelyek segítségével könnyebben elemezhető, leírható, vizualizálható a terület, amelyre könnyebben lehet modelleket építeni. .
A fő komponensek analitikus kifejezések - a kezdeti tényezők potenciáljainak összege bizonyos együtthatókkal. Ha azonban bármely tényező jelentős hatással van a területre, de nem változik az elemzett területen, akkor a főkomponens módszer ezt a tényezőt nem veszi figyelembe a főkomponensek összetételében.
A fő komponensek az információk csökkenő sorrendjében vannak rendezve – pl. terjed az egész területen. Az első főkomponensek lényegesen több információt hordoznak, mint az egyes tényezők, és jól jellemzik a területet. Körülbelül száz tényező használatakor általában az első főkomponens a területre vonatkozó összes információ (variancia) körülbelül 50%-át hordozza. A főkomponensek nem korrelálnak egymással, modellekhez használhatók a terület jellemzőiként az egyes pontokban.
A fő komponensnek, mint a terület néhány elvont módon számított mutatójának, nincs egyértelmű neve és besorolása. A főkomponenssel erősen korreláló tényezők együttese azonban lehetővé teszi a főkomponensek értelmezését. Általános szabály, hogy a következő tényezők korrelálnak a fő összetevőkkel:
— az infrastruktúra fejlettségi szintje;
— a terület közlekedési összetevője;
— éghajlati övezetek;
— a mezőgazdasági fejlettség szintje;
— a terület gazdasági potenciálja.
A további elemzés, beleértve a klaszterezést is, az első néhány jelentős főkomponenssel folytatódik.
Az ábrákon az Orosz Föderáció több városának területén található első főkomponensek grafikus ábrázolása látható.
Az első fő összetevő, amely a Nyizsnyij Novgorod városi infrastruktúrájának fejlettségi szintjét jellemzi
Az első fő összetevő, amely jellemzi a városi infrastruktúra fejlettségi szintjét Jekatyerinburgban
Az első fő összetevő, amely Kazany városi infrastruktúrájának fejlettségi szintjét jellemzi
Az első fő összetevő, amely a városi infrastruktúra fejlettségi szintjét jellemzi Permben
Az első fő összetevő, amely a városi infrastruktúra fejlettségi szintjét jellemzi Szamarában
Az első fő összetevő, amely a városi infrastruktúra fejlettségi szintjét jellemzi Habarovszkban
Integrált jellemzők: klaszterezés
A területelemzési munka további szakasza a városi környezet minőségileg homogén zónáinak felkutatása. Ez a keresés a főkomponensek értékeinek elemzésén alapul a terület minden pontján. Ezeknek a homogén zónáknak a felkutatásának problémája megoldható a klaszterezéssel - a területek csoportosításának folyamata a jellemzők halmazának közelségének elve alapján.
A területi klaszterezésnek két célja van:
— a terület jobban érzékelhető megjelenítése;
— területek felosztása az egyedi modellek összeállításához.
A területek az elemzésre kiválasztott tényezőknek megfelelően vannak csoportosítva. Ezek lehetnek az árazást befolyásoló tényezők, vagy a terület fejlődésének valamely aspektusát leíró tényezők, például a szociális szféra.
Két elterjedt klasszikus klaszterezési módszer létezik: a K-közép módszer és a dendrogram módszer. Területekkel végzett munka során jól bevált a K-means módszer, melynek jellemzője a klaszter „növekedése” új objektumok növekedési pontokhoz való hozzáadásával. A K-means módszer előnye abban rejlik, hogy munkája hasonló a területformálás természetes folyamatához: a hasonlók integrálása, nem pedig a különbözőek szétválasztása.
Nyizsnyij Novgorodra vonatkozó számításokhoz a K-közép módszert használták (az alábbi ábra).
A klaszterek megfelelése a terület fejlettségi szintjének Nyizsnyij Novgorod példájával
A javasolt megközelítéssel különféle témákban áttekintést lehet szerezni a területről. Számunkra érdekes témák lehetnek például a városi infrastruktúra fejlettségi szintje, a terület „elitségének” szintje, a kulturális fejlettség szintje, a terület fejlesztésének társadalmi összetevője. Ezek a témák rosszul meghatározott integrált fogalmak, és számos, egymással összefüggő tényezőből állnak.
Az elemzéshez szükséges paraméterek kiválasztására szolgáló algoritmus segítségével (beleértve a szakértők bevonását is) olyan tematikus térképeket kapunk, amelyek képet adnak a terület fejlődésének egyik aspektusáról.
Az integrált jellemzők az első főkomponensek, elsősorban a leginformatívabb első főkomponensek, valamint a terület kiválasztott paraméterek szerinti klaszterezése.
Az alábbi ábrákon a fejlesztés különböző aspektusaihoz tartozó első főkomponensek tematikus térképei láthatók.
Tematikus térkép „Kulturális objektumok” Nyizsnyij Novgorod példáján
Tematikus térkép „Szociális szféra” Nyizsnyij Novgorod példáján
Az integrált jellemzők lehetővé teszik egy terület jellemzőinek megértését számos tényező felhasználásával minimális információveszteség mellett.
Összegzésként érdemes még egyszer megjegyezni, hogy ma a területek elemzése rendkívül fontos állomása a városi környezet fejlesztésének, az építési beruházási helyek kiválasztásának, az új létesítmények legelőnyösebb helyszínének megtalálásának és egyéb feladatok megoldásának.
A cikkben javasolt területelemzés módszere, amely a különböző természetű tényezők „termikus” modelljét alkalmazza, nem kritikus a faktorhalmaz szempontjából, azaz nem támaszt megkötéseket vagy követelményeket a kiindulási információkkal szemben.
A forrásinformációk sokfélesége és redundanciája, valamint a nyílt adatok felhasználásának lehetősége biztosítja korlátlan kilátások bármely terület elemzésére béke.
A következő, a területi elemzés problémáival foglalkozó publikációkban a modellek összeállításának jellemzőit tervezzük feltárni főkomponensek és megvalósítási módszerek felhasználásával olyan feladatokhoz, mint:
— a legjobb hely kiválasztása új tárgy elhelyezésekor;
— árfelület kialakítása egy bizonyos kategóriájú objektum számára piaci érték felhasználásával;
- egy bizonyos típusú tevékenység jövedelmezőségének értékelése az objektumok elhelyezkedésétől függően.
A főkomponensekről a tényezőkre való fordított átmenet módszereinek bemutatását is tervezik, ami viszont lehetővé teszi, hogy egy adott területre vonatkozó tényezőkből modellt kapjunk.
Forrás: will.com