Esempio di calcolo del potenziale termico per la rete stradale della città di Nizhny Novgorod
Il territorio della città è un sistema complesso e eterogeneo, in costante cambiamento. È possibile descrivere il territorio e valutare l'ambiente urbano tramite oggetti spaziali (fattori). I fattori che descrivono il territorio variano per natura d'influenza (positiva, negativa) e configurazione geometrica (punti, linee, poligoni).
Spesso è difficile determinare l'impatto di ciascun singolo oggetto sullo sviluppo complessivo del territorio o su qualche suo aspetto specifico. Oggi, il problema di identificare e descrivere concetti come "cultura", "sfera sociale", "tensione sociale", "buona vita", "sviluppo economico", "salute della popolazione" sta diventando sempre più rilevante. L'ambiguità di questi concetti aumenta se desideriamo applicarli a diversi gruppi sociali, a popolazioni di età e genere diversi.
Inoltre, è importante notare che i confini della città, nel concetto moderno, sono piuttosto convenzionali. La migrazione quotidiana della popolazione e l'accessibilità dei trasporti nelle aree periferiche "sfocano ulteriormente il confine" della città. Il concetto di agglomerato, oggi ampiamente utilizzato, riflette in generale i confini della città, ma al tempo stesso rende il concetto stesso di confine della città ancora più vago.
Nonostante i problemi descritti sopra, l'analisi e la valutazione dei territori oggi rappresentano alcune delle direzioni più promettenti e interessanti, che consentono di affrontare numerosi compiti rilevanti per l'ambiente urbano.
L'articolo propone un metodo di analisi del territorio utilizzando un modello "termico". Questo metodo si basa sull'analisi dei potenziali creati da oggetti (fattori) di natura diversa (puntuali, lineari e superficiali). L'analisi del territorio con questo metodo consente di passare da un insieme di dati spaziali (fattori) che descrivono il territorio a una valutazione numerica (punteggio) precisa in ogni punto del territorio.
I potenziali analizzati nell'ambito dell'analisi del territorio hanno un'interpretazione fisica: la diffusione del calore in ambienti di diversa dimensionalità (2D, 3D). Questo fenomeno può essere rappresentato tramite "immagini termiche" (mappe termiche del territorio), che danno un'idea del grado di sviluppo del territorio in base all'intensità del colore dell'immagine.
Fattori del territorio
L'analisi del territorio implica la ricerca e l'elaborazione di informazioni sui fattori di influenza sul territorio e sui loro indicatori. I fattori di influenza sono oggetti che influenzano il territorio circostante, dotati di un insieme di caratteristiche e coordinate spaziali. Esempi di fattori di influenza possono includere negozi, siti industriali, strade, foreste, corpi idrici.
Gli indicatori di influenza sono oggetti che riflettono l'influenza degli oggetti e possiedono anch'essi un insieme di caratteristiche e coordinate spaziali. Esempi di indicatori di influenza: bancomat, cartelloni pubblicitari, monumenti.
Nella seguente esposizione utilizzeremo il concetto di fattori di influenza, che racchiude entrambi i termini: fattori e indicatori di influenza.
Di seguito è fornito un esempio di dati spaziali, che fungono da fattori di influenza.
Una delle fasi importanti nello svolgimento di lavori di analisi dei territori è la raccolta e l'elaborazione delle informazioni iniziali. Attualmente, ci sono molte informazioni sui fattori di influenza sul territorio di varia dettagliate.
Le informazioni possono essere ottenute da fonti aperte o da fonti a accesso limitato. In molti casi, le informazioni aperte sono sufficienti per l'analisi, sebbene, in genere, necessitino di un'elaborazione abbastanza laboriosa.
Tra le fonti aperte, riteniamo che il leader sia il sito — OpenStreetMap (OSM). Le informazioni ottenute da questa fonte vengono aggiornate quotidianamente in tutto il mondo.
Le informazioni della risorsa OpenStreetMap (OSM) sono presentate nei seguenti formati:
— Formato OSM. Il formato principale con estensione ".osm" è utilizzato per descrivere immagini grafiche XML – nodi, percorsi, relazioni.
— "Formato polacco". Formato testo con estensione ".mp" utilizzato per lavorare con la grafica.
— Formato PBF. Formato di archiviazione dati con estensione ".osm.pbf".
Come fonti di informazione possono essere utilizzati anche:
— 2GIS
La risorsa contiene informazioni di alta qualità, elaborate mensilmente, con un eccellente classificatore a 3 livelli per aziende e organizzazioni.
— File KML (Keyhole Markup Language)
I file KML (Keyhole Markup Language) sono un formato di file utilizzato per visualizzare dati geografici in programmi come Google Earth, Google Maps e Google Maps per dispositivi mobili.
Con i file KML è possibile:
— impostare varie icone e creare etichette per indicare luoghi sulla superficie terrestre
— creare diverse angolazioni per oggetti selezionati modificando la posizione della telecamera
— utilizzare varie immagini sovrapposte
— definire stili per personalizzare la visualizzazione degli oggetti, utilizzare codice HTML per creare collegamenti ipertestuali e immagini incorporate
— utilizzare cartelle per raggruppare gerarchicamente gli elementi
— ottenere e aggiornare dinamicamente i file KML da nodi di rete remoti o locali
— ricevere dati KML in base alle variazioni nel visualizzatore 3D
— Servizio federale per la registrazione statale, il catasto e la cartografia «Rosreestr»
Le informazioni sul portale di Rosreestr sono preziose per il loro contenuto e attualità, ma, sfortunatamente, non offrono la possibilità di ottenere grafica su oggetti di costruzione e terreni a titolo gratuito. Il portale di Rosreestr contiene anche un gran numero di informazioni a accesso limitato.
— Gli organi di statistica
I dati statistici rappresentano una fonte legittima di informazioni sul territorio, tuttavia, ad oggi, i dati degli organi di statistica sono disponibili solo per un numero limitato di indicatori, principalmente nei rapporti degli organi di statistica e nei documenti delle autorità regionali.
— Sistemi informativi degli organi governativi
Informazioni di qualità sono contenute nei sistemi informativi degli organi governativi, ma solo una piccola parte di esse è pubblicata in accesso aperto e disponibile per l'analisi.
L'analisi dei territori non impone requisiti specifici sulla composizione delle informazioni; in sostanza, si può utilizzare qualsiasi cosa sia riusciti a trovare, le informazioni provenienti da fonti aperte sono generalmente intercambiabili. Tuttavia, è importante notare che anche solo le informazioni ottenute dalla risorsa OSM sono sufficienti per effettuare un'analisi di un territorio sconosciuto.
Analisi del territorio utilizzando un modello «termico». Interpretazione fisica dei potenziali
Come già accennato, l'analisi del territorio è un tema attuale e uno strumento potente per attrarre investimenti nel miglioramento delle infrastrutture delle diverse aree urbane.
Le varie attività che possono essere risolte mediante l'analisi dei territori possono essere suddivise in diverse aree principali:
— Ottenere una valutazione il più interpretativa e dettagliata possibile del territorio in ogni suo punto.
Affrontando il compito, è possibile ottenere un insieme di punteggi in ogni punto del territorio, offrendo un'idea del livello di sviluppo complessivo del territorio, così come in specifici settori. Un esempio di settore potrebbe essere la cultura, l'industria, il commercio, ecc.
— Determinare i luoghi più favorevoli per posizionare progetti di investimento di un certo tipo (ad esempio, banche, negozi specializzati, centri commerciali, ecc.) sul territorio selezionato.
— Analizzare l'utilizzo più efficace del territorio.
Questa direzione consente di condurre un'analisi dettagliata delle caratteristiche del territorio, della situazione di mercato esistente e dell'identificazione delle varianti richieste.
— Determinare il contributo di un fattore nel modello di costo, come nel caso dell'emergere di nuove strade e nuovi percorsi.
— Analizzare diversi aspetti di un territorio e confrontare diversi territori (confronto tra territori).
L'originalità del metodo di analisi del territorio proposto nell'articolo, che utilizza un modello «termico», consiste nell'uso di indicatori di sviluppo territoriale — potenziali, espressi numericamente e che riflettono il grado di impatto di un oggetto (fattore di influenza) sul territorio.
Per comprendere il significato della ricerca, è necessario dire alcune parole sul potenziale termico stesso e fornire la sua interpretazione fisica.
In fisica esistono concetti come campo di forza e funzione di forza. Il campo di forza ha la dimensione dell'energia, mentre la funzione di forza ha la dimensione della forza.
Per la legge di gravitazione universale, il campo di forza è definito dalla formula:
F=k/r2, dove
k è una costante;
r è la distanza tra gli oggetti interagenti.
La funzione di forza ϕ è definita dall'espressione:
dϕ=-F*dr, dove
ϕ è il potenziale del campo di forza;
dϕ, dr sono differenziali;
r è la distanza tra gli oggetti interagenti,
quindi ϕ=k/r.
Il significato fisico del potenziale del campo di forza ϕ è il lavoro E compiuto dal campo di forza durante il percorso. Nel caso della legge di gravità universale, al variare della distanza da un oggetto da r2 a r1, la funzione di forza è definita dalla formula
E=k*(1/r1-1/r2), dove
E è il lavoro compiuto dal campo di forza durante un percorso;
r1, r2 sono la posizione iniziale e finale dell'oggetto.
Per l'analisi territoriale, l'impatto degli oggetti (fattori) sul territorio può essere considerato come una forza (funzione di forza), mentre il livello di sviluppo del territorio è il potenziale termico totale (campo di forza) di tutti gli oggetti (fattori). Nelle problematiche fisiche, il potenziale termico rappresenta la temperatura, mentre nelle analisi territoriali che utilizzano un modello “termico”, il potenziale riflette l'impatto complessivo di tutti i fattori su un punto del territorio.
I dati spaziali consistono in punti, linee, poligoni. Per calcolare i potenziali, i dati spaziali estesi vengono suddivisi in frammenti più piccoli. Per ogni frammento, si calcola il potenziale da un punto, con un moltiplicatore pari alla dimensione del frammento dell'oggetto (fattore).
I dati vengono suddivisi in gruppi tematici secondo il principio della somiglianza. Ad esempio, gli oggetti commerciali sono raggruppati per tipo di merce. Ci sono gruppi di oggetti forestali, acquatici, abitati, fermate di trasporto, ecc. I gruppi tematici costituiscono un fattore. Esaminando tutti gli oggetti (fattori), otteniamo un insieme di potenziali termici, pronti per ulteriori elaborazioni.
Utilizzare i potenziali (“mappe termiche”) consente di passare dai dati spaziali a rappresentazioni “termiche” degli oggetti (fattori) che influenzano il territorio (visualizzazione dei potenziali). Questo passaggio offre la possibilità di determinare il grado di presenza di un fattore in ogni punto del territorio e di effettuare ulteriori analisi, cioè rappresentare diverse direzioni di sviluppo della città attraverso il colore. In questo modo, otteniamo un'illuminazione di intensità variabile per ogni punto del territorio.
Esempi di rappresentazioni “termiche” del territorio della città di Nizhny Novgorod in relazione a diversi fattori sono mostrati di seguito.
Mappa termica della città di N. Novgorod, che riflette il fattore “Rete di Farmacie”
Mappa termica della città di N. Novgorod, che riflette il fattore “Cliniche per adulti”
Mappa termica della città di N. Novgorod, che riflette il fattore “Cliniche pediatriche”
Mappa termica della città di N. Novgorod, che riflette il fattore “Aree industriali”
Le rappresentazioni “termiche” del territorio consentono di determinare la concentrazione dei potenziali provenienti da vari oggetti di influenza. Successivamente, è necessario unire i potenziali ottenuti in una caratteristica integrativa che consenta di valutare il territorio in base a un gran numero di fattori. Per questo è necessaria una metodologia che consenta di analizzare un grande volume di informazioni, riconoscere gli oggetti e ridurre la dimensionalità dei dati, perdendo il minor numero possibile di informazioni. Uno di questi metodi è l'analisi delle componenti principali (Principal Component Analysis, PCA). Maggiori dettagli su questo metodo possono essere letti in .
La sostanza del metodo consiste nel trovare una combinazione lineare dei parametri iniziali che varia maggiormente nell'area di analisi. Per i dati spaziali, quello che varia maggiormente sul territorio.
L'analisi delle componenti principali evidenzia gli oggetti (fattori) che variano maggiormente sul territorio. Come risultato del lavoro del metodo, vengono generate nuove variabili - componenti principali, che sono più informative rispetto ai dati originali e facilitano l'analisi, la descrizione e la visualizzazione del territorio, rendendo più semplice costruire modelli.
Le componenti principali rappresentano espressioni analitiche - la somma dei potenziali dei fattori originali con alcuni coefficienti. Tuttavia, se un fattore ha un impatto significativo sul territorio ma non varia nel territorio analizzato, il metodo delle componenti principali non lo includerà nelle componenti principali.
Le componenti principali sono ordinate in base alla riduzione delle informazioni - cioè alla dispersione sul territorio. Le prime componenti principali contengono un'informazione notevolmente maggiore rispetto ai fattori singoli e descrivono bene il territorio. Di norma, utilizzando circa un centinaio di fattori, la prima componente principale contiene circa il 50% di tutte le informazioni (varianza) sul territorio. Le componenti principali non sono correlate tra loro e possono essere utilizzate per modelli come caratteristiche del territorio in ogni punto.
La componente principale, come un indicatore astratto della territorialità, non ha un nome e una classificazione ben definiti. Tuttavia, l'insieme dei fattori che mostrano una forte correlazione con la componente principale permette di interpretare le componenti principali. Di solito, le seguenti variabili sono correlate con le componenti principali:
— livello di sviluppo delle infrastrutture;
— componente di trasporto del territorio;
— zone climatiche;
— livello di sviluppo dell'agricoltura;
— potenziale economico del territorio.
L'analisi successiva, compresa la clusterizzazione, utilizza le prime componenti principali significative.
Nei grafici si può vedere la rappresentazione grafica delle prime componenti principali in varie città della Federazione Russa.
La prima componente principale, che caratterizza il livello di sviluppo delle infrastrutture urbane di N. Novgorod.
La prima componente principale, che caratterizza il livello di sviluppo delle infrastrutture urbane di Ekaterinburg.
La prima componente principale, che caratterizza il livello di sviluppo delle infrastrutture urbane di Kazan.
La prima componente principale, che caratterizza il livello di sviluppo delle infrastrutture urbane di Perm.
La prima componente principale, che caratterizza il livello di sviluppo delle infrastrutture urbane di Samara.
La prima componente principale, che caratterizza il livello di sviluppo delle infrastrutture urbane di Khabarovsk.
Caratteristiche integrali: clusterizzazione.
La fase successiva dell'analisi dei territori riguarda la ricerca di zone urbane omogenee per qualità. Questa ricerca si basa sull'analisi dei valori delle componenti principali in ogni punto del territorio. L'obiettivo di cercare queste zone omogenee può essere ottenuto tramite la clusterizzazione: un processo di raggruppamento dei territori in base alla vicinanza delle loro caratteristiche.
La clusterizzazione del territorio ha due obiettivi:
— creare una visualizzazione del territorio più percepibile;
— identificare aree per la creazione di modelli separati.
I territori vengono clusterizzati secondo i fattori selezionati per l'analisi. Questi fattori possono essere legati ai prezzi o descrivere un aspetto dello sviluppo del territorio, come il settore sociale.
Esistono due metodi classici di clusterizzazione ampiamente utilizzati: il metodo K-means e il metodo degli dendrogrammi. Quando si lavora con i territori, il metodo K-means ha dimostrato di essere efficace, caratterizzato dalla 'crescita' del cluster tramite l'aggiunta di nuovi oggetti ai punti di crescita. I vantaggi del metodo K-means risiedono nella sua somiglianza con il processo naturale di formazione dei territori: integrazione di elementi simili anziché divisione di quelli dissimili.
Il calcolo per Nizhny Novgorod è stato eseguito utilizzando il metodo K-means (grafico qui sotto).
Corrispondenza dei cluster con il livello di sviluppo del territorio, a esempio di N. Novgorod.
Con l'approccio proposto, è possibile ottenere una visione del territorio su diversi temi. I temi di nostro interesse possono essere, ad esempio, il livello di sviluppo delle infrastrutture urbane, il livello di 'elitismo' del territorio, il livello di sviluppo culturale, la componente sociale dello sviluppo del territorio. Questi temi sono concetti integrali poco definiti e consistono in molteplici fattori interconnessi.
Applicando un certo algoritmo di selezione dei parametri per l'analisi (compresa la consulenza di esperti), otterremo mappe tematiche che forniscono una visione di uno specifico aspetto dello sviluppo del territorio.
Per caratteristiche integrali si intendono le prime componenti principali, in particolare la prima componente principale, la più informativa, e la clusterizzazione del territorio in base ai parametri selezionati.
Le mappe tematiche delle prime componenti principali su vari aspetti dello sviluppo sono presentate nei grafici qui sotto.
Mappa tematica 'Oggetti culturali' per N. Novgorod.
Mappa tematica 'Settore sociale' per N. Novgorod.
Le caratteristiche integrali consentono di comprendere le peculiarità del territorio, operando su molti fattori con perdite minime di informazioni.
In conclusione, vale la pena sottolineare ancora una volta che, al giorno d'oggi, l'analisi dei territori è una fase estremamente importante nella risoluzione delle sfide dello sviluppo urbano, nella scelta di luoghi per investimenti in costruzione, nella ricerca della posizione più vantaggiosa per nuovi oggetti e per altri compiti.
Il metodo di analisi territoriale proposto nell'articolo, che utilizza un modello "termico" basato su fattori di diversa natura, non è critico nei confronti dell'insieme di fattori, ovvero non impone limiti e requisiti alle informazioni di partenza.
La varietà e la ridondanza delle informazioni di partenza, insieme alla possibilità di utilizzare dati aperti, offrono prospettive illimitate per l'analisi di qualsiasi territorio del mondo.
Nelle pubblicazioni future dedicate all'analisi territoriale, intendiamo approfondire le caratteristiche della costruzione di modelli utilizzando le componenti principali e i metodi di attuazione per compiti come:
— la scelta del miglior luogo per l'ubicazione di un nuovo oggetto;
— la costruzione di una superficie dei prezzi per una specifica categoria di oggetti utilizzando il valore di mercato;
— la valutazione della redditività di un particolare tipo di attività in base alla posizione degli oggetti.
Abbiamo anche in programma di presentare metodi di retrocessione dalle componenti principali ai fattori, il che consente di ottenere un modello di fattori per il territorio in questione.
Fonte: habr.com
