Esempio di calcolo del potenziale termico per la rete stradale della città di Nizhny Novgorod
Il territorio della città è un sistema complesso e non omogeneo, in continua evoluzione. È possibile descrivere il territorio e condurre una valutazione dell'ambiente urbano utilizzando oggetti spaziali (fattori). I fattori che descrivono il territorio variano per natura di influenza (positiva, negativa) e configurazione geometrica (punti, linee, poligoni).
Spesso è difficile determinare il grado di influenza di ciascun singolo oggetto sul livello di sviluppo del territorio nel suo complesso o su un suo aspetto specifico. Oggi, il problema di definire e descrivere concetti come "cultura", "sfera sociale", "tensione sociale", "buona vita", "sviluppo economico", "salute della popolazione" sta diventando sempre più attuale. L'ambiguità di questi concetti aumenta se desideriamo applicarli a diversi gruppi sociali, popolazioni di diverse età e sesso.
Va anche notato che i confini della città, nel concetto moderno, sono piuttosto arbitrari. La migrazione quotidiana della popolazione e l'accessibilità dei trasporti nelle aree remote "sfocano ulteriormente il confine" della città. Il concetto di agglomerazione, oggi ampiamente utilizzato, riflette in generale i confini della città, ma al contempo rende il concetto stesso di confine urbano ancora più vago.
Nonostante i problemi sopra descritti, l'analisi e la valutazione dei territori sono oggi uno degli ambiti più promettenti e interessanti, che consente di affrontare molte questioni rilevanti dell'ambiente urbano.
L'articolo propone un metodo di analisi del territorio utilizzando un modello "termico". Alla base di questo metodo vi è lo studio dei potenziali creati da oggetti (fattori) di natura diversa (puntuali, lineari e areali). 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 (in punteggio) accurata in ogni punto del territorio.
I potenziali esaminati nell'ambito dell'analisi territoriale hanno un'interpretazione fisica: la diffusione del calore in ambienti di diversa dimensione (2D, 3D). Questo fenomeno può essere rappresentato tramite immagini "termiche" (mappe "termiche" del territorio), che offrono un'idea del grado di sviluppo del territorio in base all'intensità del colore dell'immagine.
Fattori territoriali
L'analisi del territorio implica la ricerca e l'elaborazione di informazioni sui fattori che influenzano il territorio e sui loro indicatori. I fattori che influenzano risultano essere oggetti che esercitano un impatto sul territorio circostante, possedendo un insieme di caratteristiche e coordinate spaziali. Esempi di fattori di influenza possono includere negozi, strutture industriali, strade, boschi, corpi idrici.
Gli indicatori di influenza sono oggetti che riflettono l'influenza di oggetti e possiedono anche un insieme di caratteristiche e coordinate spaziali. Esempi di indicatori di influenza: bancomat, cartelloni pubblicitari, monumenti.
Nella continuazione, utilizzeremo il concetto di fattori di influenza, che unisce entrambi i termini - fattori e indicatori di influenza.
Di seguito è riportato un esempio di dati spaziali che fungono da fattori di influenza.
Una delle fasi importanti nell'esecuzione dei lavori di analisi territoriale è la fase di raccolta e trattamento delle informazioni di base. Attualmente ci sono molte informazioni sui fattori di influenza sul territorio con diversi gradi di dettaglio.
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, di norma, richiedano un trattamento piuttosto laborioso.
Tra le fonti aperte, riteniamo che il leader sia il servizio - OpenStreetMap (OSM). Le informazioni ottenute da questa fonte vengono aggiornate quotidianamente in tutto il mondo.
Le informazioni del servizio OpenStreetMap (OSM) sono disponibili nei seguenti formati:
— Formato OSM. Il formato principale con estensione ".osm" viene utilizzato per descrivere immagini grafiche XML - nodi, percorsi, relazioni.
— "Formato Polacco". Formato testuale con estensione ".mp" utilizzato per lavorare con 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 applicazioni come Google Earth, Google Maps e Google Maps per dispositivi mobili.
Con i file KML è possibile:
— impostare diverse icone e creare etichette per segnare luoghi sulla superficie terrestre
— creare prospettive diverse per oggetti selezionati, modificando la posizione della telecamera
— utilizzare varie immagini sovrapposte
— definire stili per personalizzare la visualizzazione degli oggetti, applicare codice HTML per creare collegamenti ipertestuali e immagini incorporate
— utilizzare cartelle per la raggruppamento gerarchico degli elementi
— ottenere e aggiornare dinamicamente i file KML da nodi di rete remoti o locali
— ricevere dati KML in base alle modifiche dello strumento di visualizzazione 3D
— Servizio federale per la registrazione statale, il catasto e la cartografia "Rosreestr"
Le informazioni sul portale di Rosreestr sono preziose per i loro contenuti e la loro attualità, ma purtroppo non consentono di ottenere grafica sugli oggetti di costruzione e sui terreni a titolo gratuito. Il portale Rosreestr contiene anche un ampio volume di informazioni ad accesso limitato.
— Organismi di statistiche
I dati statistici rappresentano una fonte legittima di informazione sul territorio, tuttavia, attualmente, i dati degli organismi di statistica sono disponibili solo per alcuni indicatori, principalmente nei rapporti degli organismi di statistica e nelle relazioni delle autorità regionali.
— Sistemi informativi degli organi di governo
Informazioni di qualità sono contenute nei sistemi informativi degli organi di governo, ma solo una loro piccola parte viene pubblicata in accesso pubblico e disponibile per analisi.
La conduzione di un'analisi territoriale non impone requisiti specifici sulla composizione delle informazioni; in sostanza, si può utilizzare tutto ciò che si riesce a trovare, e le informazioni da fonti di tipo aperto sono generalmente intercambiabili. Tuttavia, è importante notare che anche solo l'informazione ottenuta dalla risorsa OSM è sufficiente per eseguire un'analisi di un territorio sconosciuto.
Analisi del territorio utilizzando un modello "termico". Interpretazione fisica dei potenziali
Come già accennato in precedenza, l'analisi del territorio è attualmente un argomento rilevante e uno strumento potente per attrarre investimenti giustificati nello sviluppo delle infrastrutture di diversi contesti urbani.
La varietà di compiti risolti attraverso l'analisi territoriale può essere riunita in diversi grandi ambiti:
— Ottenere una valutazione massimamente interpretativa e dettagliata del territorio in ciascun suo punto.
Risolvendo il compito assegnato, è possibile ottenere un insieme di valutazioni in punti specifici del territorio, che forniscono un'idea del livello generale di sviluppo dell'area, così come in alcune aree specifiche. Un'area tematica specifica potrebbe essere, ad esempio, la cultura, l'industria, il commercio, ecc.
— Identificare i luoghi più favorevoli per l'ubicazione di oggetti di investimento di un certo tipo (ad esempio, banche, negozi specializzati, centri commerciali, ecc.) nel territorio selezionato.
— Analisi dell'utilizzo più efficace del territorio.
Questo ambito consente di condurre un'analisi dettagliata delle caratteristiche del territorio, della situazione di mercato esistente nell'area in esame e dell'identificazione delle opzioni richieste.
— Determinare il contributo di un fattore nel modello di costo, prendendo come esempio la comparsa di nuove strade e nuovi percorsi.
— Analisi di diversi aspetti di un territorio e analisi di territori diversi (confronto tra territori).
L'originalità del metodo di analisi territoriale proposto nell'articolo, che utilizza un modello "termico", consiste nell'impiego di indicatori di sviluppo del territorio - potenziali, espressi in forma numerica e che riflettono il grado di influenza di un oggetto (fattore di influenza) sul territorio.
Per comprendere la sostanza della ricerca, è opportuno dire qualche parola sul potenziale termico stesso, fornendo la sua interpretazione fisica.
In fisica esistono concetti come campo di forza e funzione di forza. Il campo di forza ha dimensione energia, la funzione di forza ha dimensione 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 effettuato dal campo di forza nel percorrere un certo cammino. Nel caso della legge di gravitazione universale, variando la distanza dall'oggetto da r2 a r1, la funzione di forza è definita dalla formula
E=k*(1/r1-1/r2), dove
E è il lavoro effettuato dal campo di forza nel percorrere un certo cammino;
r1, r2 sono la posizione iniziale e finale dell'oggetto.
Per l'analisi territoriale, l'influenza degli oggetti (fattori) sul territorio può essere considerata come forza (funzione di forza), mentre il livello di sviluppo del territorio è pari al potenziale termico totale (campo di forza) di tutti gli oggetti (fattori). Nelle questioni fisiche, il potenziale termico è la temperatura, mentre nelle questioni di analisi territoriale utilizzando il modello "termico", il potenziale rappresenta l'effetto totale di tutti i fattori di influenza su un punto del territorio.
I dati spaziali sono composti da punti, linee, poligoni. Per il calcolo dei potenziali, i dati spaziali estesi vengono suddivisi in frammenti più piccoli. Per ciascun 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 semantici secondo il principio della somiglianza ravvicinata. Ad esempio, gli oggetti commerciali vengono raggruppati per categorie merceologiche. Ci sono gruppi di oggetti forestali, oggetti acquatici, località, fermate dei trasporti, ecc. I gruppi uniti semanticamente rappresentano un fattore. Passando attraverso tutti gli oggetti (fattori), si ottiene un insieme di potenziali termici pronti per ulteriori elaborazioni.
L'uso dei potenziali ("mappe termiche") consente di passare da dati spaziali a immagini "termiche" di oggetti (fattori) che influenzano il territorio (visualizzazione dei potenziali). Questa transizione offre la possibilità di determinare il grado di presenza di un fattore in ogni punto del territorio e di effettuare ulteriori analisi, ovvero 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 immagini "termiche" del territorio della città di Nizhny Novgorod riguardo a diversi fattori sono presentati di seguito.
"Mappa termica" della città di N. Novgorod che riflette il fattore "Rete farmaceutica"
"Mappa termica" della città di N. Novgorod che riflette il fattore "Ambulatori per adulti"
"Mappa termica" della città di N. Novgorod che riflette il fattore "Ambulatori pediatrici"
"Mappa termica" della città di N. Novgorod che riflette il fattore "Zone industriali"
"Mappe termiche" del territorio consentono di determinare la concentrazione di potenziali da vari oggetti d'influenza. Successivamente, è necessario combinare i potenziali ottenuti in una caratteristica integrale che consenta di valutare il territorio in base a un numero elevato di fattori. Per questo è necessario un metodo che permetta di analizzare un grande volume di informazioni, riconoscere oggetti e ridurre la dimensionalità dei dati, perdendo la minor quantità possibile di informazioni. Uno di questi metodi è il metodo delle componenti principali (Principal Component Analysis, PCA). Ulteriori dettagli su questo metodo possono essere letti in .
Il principio del metodo consiste nel trovare una combinazione lineare dei parametri originali che varia maggiormente nell'area di analisi. Per i dati spaziali, la variazione avviene maggiormente nel territorio.
Il metodo delle componenti principali evidenzia gli oggetti (fattori) che variano maggiormente sul territorio. Come risultato del lavoro del metodo, emergono nuove variabili – le componenti principali – che sono più informative rispetto ai dati originali e attraverso le quali è più facile analizzare, descrivere e visualizzare il territorio, per le quali è più semplice costruire modelli.
Le componenti principali rappresentano espressioni analitiche - la somma dei potenziali dei fattori di origine con alcuni coefficienti. Tuttavia, se un fattore ha un impatto significativo sul territorio ma non varia nell'area analizzata, il metodo delle componenti principali non includerà quel fattore nella composizione delle componenti principali.
Le componenti principali sono ordinate in base alla diminuzione dell'informazione, cioè della diffusione sul territorio. Le prime componenti principali contengono informazioni significativamente maggiori rispetto ai singoli fattori e descrivono bene il territorio. In generale, 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 nei modelli come caratteristiche del territorio in ogni punto.
La componente principale, come un indicatore astratto calcolato del territorio, non ha un nome e una classificazione ben definiti. Tuttavia, un insieme di fattori che correlano fortemente con la componente principale consente di interpretare le componenti principali. In generale, con le componenti principali si correlano i seguenti fattori:
— livello di sviluppo dell'infrastruttura;
— componente di trasporto del territorio;
— zone climatiche;
— livello di sviluppo dell'agricoltura;
— potenziale economico del territorio.
L'analisi successiva, compresa la clusterizzazione, avviene con le prime componenti principali significative.
Nelle figure è possibile vedere la rappresentazione grafica delle prime componenti principali sul territorio di diverse città della Federazione Russa.
Prima componente principale, che caratterizza il livello di sviluppo dell'infrastruttura urbana di N. Novgorod
Prima componente principale, che caratterizza il livello di sviluppo dell'infrastruttura urbana di Ekaterinburg
Prima componente principale, che caratterizza il livello di sviluppo dell'infrastruttura urbana di Kazan
Prima componente principale, che caratterizza il livello di sviluppo dell'infrastruttura urbana di Perm
Prima componente principale, che caratterizza il livello di sviluppo dell'infrastruttura urbana di Samara
Prima componente principale, che caratterizza il livello di sviluppo dell'infrastruttura urbana di Khabarovsk
Caratteristiche integrali: clustering
La fase successiva del lavoro di analisi territoriale consiste nella ricerca di aree urbane omogenee per qualità. Questa ricerca si basa sull'analisi dei valori delle componenti principali in ogni punto del territorio. L'obiettivo di identificare le suddette aree omogenee può essere risolto attraverso il clustering, un processo di raggruppamento dei territori in base alla somiglianza delle caratteristiche.
Il clustering del territorio persegue due obiettivi:
— creare una visualizzazione del territorio più facilmente percepibile;
— isolare aree per la creazione di modelli separati.
I territori vengono clusterizzati in base ai fattori selezionati per l'analisi. Questi fattori possono riguardare elementi che influenzano la formazione dei prezzi, o fattori che descrivono un certo aspetto dello sviluppo del territorio, come ad esempio la sfera sociale.
Esistono due metodi classici di clustering ampiamente diffusi: il metodo K-means e il metodo delle dendrogrammi. Nel lavoro con i territori, il metodo K-means si è rivelato efficace, caratterizzato dalla «crescita» di un cluster mediante l'aggiunta di nuovi oggetti ai punti di crescita. I vantaggi del metodo K-means risiedono nella somiglianza del suo funzionamento con il processo naturale di formazione dei territori: integrazione di ciò che è simile, piuttosto che divisione di ciò che è dissimile.
Il calcolo con il metodo K-means è stato effettuato per Nizhny Novgorod (vedi figura sotto).
Corrispondenza dei cluster con il livello di sviluppo del territorio nell'esempio di N. Novgorod
Con l'approccio proposto, è possibile ottenere una rappresentazione del territorio su vari argomenti. Gli argomenti di nostro interesse potrebbero essere, ad esempio, il livello di sviluppo delle infrastrutture urbane, il livello di «elitismo» del territorio, il livello di sviluppo culturale, o la componente sociale dello sviluppo del territorio. Questi argomenti sono concetti integrali poco definiti, composti da molteplici fattori interconnessi.
Con un certo algoritmo di selezione dei parametri per l'analisi (incluso il coinvolgimento di esperti), otterremo mappe tematiche che offrono un'idea di un aspetto dello sviluppo del territorio.
Per caratteristiche integrali si intendono le prime componenti principali, in particolare la prima componente principale più informativa, e il clustering del territorio in base ai parametri selezionati.
Le carte tematiche delle prime componenti principali relative ai vari aspetti dello sviluppo sono presentate nelle figure sottostanti.
La mappa tematica «Oggetti culturali» a esempio della città di Nizhni Novgorod
La mappa tematica «Settore sociale» a esempio della città di Nizhni Novgorod
Le caratteristiche integrali consentono di comprendere le specificità del territorio, operando su molteplici fattori con minime perdite di informazione.
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 questioni relative allo sviluppo dell'ambiente urbano, alla scelta dei luoghi per investimenti nella costruzione, alla ricerca della posizione più vantaggiosa per nuovi oggetti e per altre questioni.
Il metodo di analisi del territorio proposto nell'articolo, utilizzando un modello «termico» basato su fattori di diversa natura, non è critico rispetto al set di fattori, cioè non impone limitazioni e requisiti alle informazioni di partenza.
La varietà e l'eccesso delle informazioni di partenza, così come la possibilità di utilizzare dati aperti, offrono prospettive illimitate per l'analisi di qualsiasi territorio del mondo.
Nelle prossime pubblicazioni dedicate alle questioni di analisi dei territori, pianifichiamo di svelare le peculiarità della composizione dei modelli utilizzando le componenti principali e i metodi di attuazione per questioni come:
— la scelta del miglior luogo per posizionare un nuovo oggetto;
— la costruzione di una superficie dei prezzi per una determinata categoria di oggetti utilizzando il valore di mercato;
— la valutazione della redditività di un determinato tipo di attività in relazione alla posizione degli oggetti.
Abbiamo anche in programma di presentare metodi per il passaggio inverso dalle componenti principali ai fattori, il che, a sua volta, consente di ottenere un modello basato sui fattori per questo territorio.
Fonte: habr.com
