Un esempio di calcolo del potenziale termico per una rete stradale a Nizhny Novgorod
Il territorio cittadino è un sistema complesso, eterogeneo e in costante cambiamento. Puoi descrivere il territorio e valutare l'ambiente urbano utilizzando oggetti spaziali (fattori). I fattori che descrivono il territorio differiscono nella natura della loro influenza (positiva, negativa) e nella configurazione geometrica (punti, linee, poligoni).
Spesso è abbastanza difficile determinare il grado di influenza di ogni singolo oggetto sul livello di sviluppo del territorio nel suo insieme o su qualche suo aspetto particolare. 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 rilevante. L’ambiguità di questi concetti aumenta se vogliamo applicarli a diversi gruppi sociali, popolazioni di età e genere diversi.
Inoltre, va notato che i confini della città nel concetto moderno sono piuttosto arbitrari. La migrazione quotidiana della popolazione, l'accessibilità ai trasporti delle aree remote “sfoca ancora di più il confine” della città. Il concetto ormai ampiamente diffuso di agglomerazione riflette generalmente i confini della città, ma allo stesso tempo rende ancora più vago il concetto stesso di confine urbano.
Nonostante i problemi sopra descritti, l'analisi e la valutazione dei territori oggi sono tra le aree più promettenti e interessanti che consentono di risolvere molti problemi urgenti dell'ambiente urbano.
L'articolo propone alla riflessione un metodo di analisi del territorio utilizzando un modello “termico”. Questo metodo si basa sullo studio dei potenziali creati da oggetti (fattori) di varia natura (puntuali, lineari e superficiali). L'analisi del territorio mediante questo metodo permette di passare da un insieme di dati spaziali (fattori) che descrivono il territorio ad una valutazione numerica accurata (punteggio) in ogni punto del territorio.
Le potenzialità studiate nell'ambito dell'analisi del territorio hanno un'interpretazione fisico - propagazione del calore in ambienti di diverse dimensioni (2D, 3D). Questo fenomeno può essere rappresentato sotto forma di immagini “termiche” (mappe “calore” del territorio), dando un'idea del grado di sviluppo del territorio a seconda dell'intensità del colore dell'immagine.
Fattori territoriali
L'analisi del territorio prevede la ricerca e l'elaborazione di informazioni sui fattori che influenzano il territorio e sui loro indicatori. I fattori d'influenza sono oggetti che influenzano il territorio circostante e hanno un insieme di caratteristiche e coordinate spaziali. Esempi di fattori d'influenza includono negozi, impianti industriali, strade, foreste e corpi idrici.
Gli indicatori di influenza sono oggetti riflettente influenza degli oggetti e avendo anche un insieme di caratteristiche e coordinate spaziali. Esempi di indicatori di influenza: bancomat, cartelloni pubblicitari, monumenti.
Nella seguente presentazione utilizzeremo il concetto di fattori di influenza, che combina entrambi i termini: fattori e indicatori di influenza.
Di seguito è riportato un esempio di dati spaziali che agiscono come fattori di influenza.
Una delle fasi importanti dello svolgimento del lavoro sull'analisi dei territori è la fase di raccolta ed elaborazione delle informazioni iniziali. Oggi ci sono molte informazioni sui fattori che influenzano il territorio con vari gradi di dettaglio.
Le informazioni possono essere ottenute da fonti aperte o da fonti riservate. In molti casi, le informazioni aperte sono sufficienti per l'analisi, sebbene, di norma, richiedano un'elaborazione piuttosto laboriosa.
Tra le fonti aperte, il leader, a nostro avviso, è la risorsa OpenStreetMap (OSM). Le informazioni ottenute da questa fonte vengono aggiornate quotidianamente in tutto il mondo.
Le informazioni sulle risorse OpenStreetMap (OSM) sono presentate nei seguenti formati:
- Formato OSM. Il formato principale con estensione “.osm” viene utilizzato per descrivere immagini grafiche XML: nodi, percorsi, relazioni.
- “Formato polacco”. Il formato testo con estensione “.mp” viene utilizzato per lavorare con la grafica.
- Formato PBF. Formato di archiviazione dei dati con estensione “.osm.pbf”.
Puoi anche utilizzare le seguenti fonti di informazione:
- 2 SIG
La risorsa contiene informazioni elaborate mensilmente di alta qualità, con un eccellente classificatore a 3 livelli per imprese e organizzazioni.
- File KML (Keyhole Markup Language).
I file KML (Keyhole Markup Language) sono un formato di file utilizzato per visualizzare dati geografici in Google Earth, Google Maps e Google Maps per dispositivi mobili.
Con i file KML puoi:
- installa varie icone e crea firme per indicare i luoghi sulla superficie della Terra
— crea angolazioni diverse per gli oggetti selezionati modificando la posizione della telecamera
- utilizzare diverse immagini sovrapposte
— definire stili per personalizzare la visualizzazione di un oggetto, applicare codice HTML per creare collegamenti ipertestuali e immagini in linea
— utilizzare le cartelle per il raggruppamento gerarchico degli elementi
— ricevere e aggiornare dinamicamente file KML da nodi di rete remoti o locali
- Ricevi dati KML in base alle modifiche nel visualizzatore 3D
- Servizio federale per la registrazione statale, il catasto e la cartografia "Rosreestr"
Le informazioni sul portale Rosreestr sono preziose per contenuto e pertinenza, ma sfortunatamente non consentono di ottenere gratuitamente grafica per progetti di costruzione di capitali e terreni. Il portale Rosreestr contiene anche una grande quantità di informazioni ad accesso limitato.
- Enti statistici
I dati statistici rappresentano una legittima fonte di informazioni sul territorio, tuttavia, ad oggi, i dati degli enti statistici sono disponibili solo per un certo numero di indicatori, principalmente nei rapporti degli enti statistici e nei rapporti delle autorità regionali.
- Sistemi informativi delle autorità
Informazioni di alta qualità sono contenute nei sistemi informativi governativi, ma solo una piccola parte di esse è pubblicata di pubblico dominio ed è disponibile per l'analisi.
Effettuare un'analisi dei territori non impone requisiti specifici sulla composizione delle informazioni, infatti è possibile utilizzare tutto ciò che è stato trovato; le informazioni provenienti da fonti aperte sono solitamente intercambiabili. Tuttavia, va notato che anche le sole informazioni ottenute dalla risorsa OSM sono sufficienti per effettuare un'analisi del territorio sconosciuto.
Analisi del territorio mediante modello “termico”. Interpretazione fisica dei potenziali
Come accennato in precedenza, l’analisi del territorio è oggi un tema caldo e un potente strumento per attirare ragionatamente investimenti nello sviluppo delle infrastrutture nei diversi ambienti urbani.
La varietà di problemi risolti utilizzando l’analisi del territorio può essere combinata in diverse aree principali:
— Ottenere in ogni punto la valutazione più interpretabile e dettagliata del territorio.
Risolvendo il problema si può ottenere in ogni punto del territorio una serie di punti, che danno un'idea del livello di sviluppo del territorio in generale, nonché di una determinata area tematica. Un settore di questo tipo potrebbe essere, ad esempio, la cultura, l'industria, il commercio, ecc.
— Determinazione dei luoghi più vantaggiosi per collocare oggetti di investimento di un certo tipo (ad esempio banche, negozi specializzati, centri commerciali e di intrattenimento, ecc.) nel territorio selezionato.
— Analisi dell'uso più efficace del territorio.
Questa direzione consente uno studio dettagliato delle caratteristiche del territorio, della situazione del mercato che si è sviluppata nel territorio in esame e l'identificazione delle opzioni popolari.
— Determinazione del contributo di un fattore al modello di costo, utilizzando l'esempio dell'emergere di nuove strade e nuovi percorsi.
— Analisi di diversi aspetti di un territorio e analisi di diversi territori (confronto di territori).
L'originalità del metodo di analisi del territorio proposto nell'articolo utilizzando il modello “termico” risiede nell'uso di indicatori di sviluppo del territorio - potenziali, presentati in termini numerici e che riflettono il grado di influenza dell'oggetto (fattore di influenza) sul territorio.
Per comprendere l'essenza dello studio è necessario spendere qualche parola sul potenziale termico stesso e darne l'interpretazione fisica.
In fisica ci sono concetti come campo di forza и funzione di forza. Il campo di forza ha la dimensione dell'energia, la funzione della 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 – costante;
r – distanza tra oggetti interagenti.
La funzione forza ϕ è determinata dall'espressione:
dϕ=-F*dr, dove
ϕ—potenziale del campo di forza;
dϕ, dr – differenziali;
r è la distanza tra 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 mentre percorre un certo percorso. Nel caso della legge di gravitazione universale, quando la distanza di un oggetto cambia da r2 a r1, la funzione forza è determinata dalla formula
E=k*(1/r1-1/r2), dove
E è il lavoro compiuto dal campo di forza mentre percorre un certo percorso;
r1, r2 – posizione iniziale e finale dell'oggetto.
Ai fini dell'analisi di un territorio, l'influenza degli oggetti (fattori) sul territorio può essere considerata come una forza (funzione di potenza), e il livello di sviluppo del territorio come potenziale termico complessivo (campo di forza) da tutti gli oggetti (fattori). Nei problemi di fisica, il potenziale termico è la temperatura, mentre nei problemi di analisi del territorio utilizzando un modello “termico”, il potenziale rappresenta l'impatto totale di tutti i fattori che influenzano un punto del territorio.
I dati spaziali sono costituiti da punti, linee e poligoni. Per calcolare i potenziali, i dati spaziali estesi vengono divisi in piccoli frammenti. Per ogni frammento, il potenziale dal punto viene calcolato con un moltiplicatore pari alla dimensione del frammento dell'oggetto (fattore).
I dati sono suddivisi in gruppi semantici in base al principio della stretta somiglianza. Ad esempio, gli oggetti commerciali vengono combinati per prodotto. Esistono gruppi di oggetti forestali, corpi idrici, insediamenti, fermate di trasporto, ecc. I gruppi uniti dal significato rappresentano un fattore. Dopo aver esaminato tutti gli oggetti (fattori), otteniamo un insieme di potenziali termici adatti per ulteriori elaborazioni.
L'utilizzo dei potenziali (“mappe di calore”) consente di passare dai dati spaziali ad immagini “termiche” di oggetti (fattori) di influenza sul territorio (visualizzazione dei potenziali). Tale transizione consente di determinare il grado di presenza del fattore in ciascun punto del territorio ed effettuare ulteriori analisi, ovvero. mostra a colori le diverse direzioni di sviluppo della città. Si ottiene così un bagliore di intensità variabile per ogni punto del territorio.
Di seguito vengono presentati esempi di immagini “termiche” del territorio di Nizhny Novgorod nel contesto di diversi fattori.
Mappa “termica” di Nizhny Novgorod, che riflette il fattore “catena delle farmacie”.
Mappa “calore” di Nizhny Novgorod, che riflette il fattore “Policlinici per adulti”
Mappa “termica” di Nizhny Novgorod, che riflette il fattore “cliniche per bambini”.
Mappa “termica” di Nizhny Novgorod, che riflette il fattore “Zone industriali”
Le immagini “termiche” del territorio consentono di determinare la concentrazione di potenziali provenienti da vari oggetti di influenza. Successivamente è necessario coniugare le potenzialità ottenute in una caratteristica integrale che consenta una valutazione del territorio basata su un gran numero di fattori. Ciò richiede un metodo che consenta di analizzare una grande quantità di informazioni, riconoscere oggetti e anche ridurre la dimensione dei dati, perdendo la minima quantità di informazioni. Uno di questi metodi è l’analisi delle componenti principali (PCA). Maggiori dettagli su questo metodo possono essere trovati in .
L'essenza del metodo è trovare una combinazione lineare di parametri iniziali che cambia più fortemente nell'area di analisi. Per i dati spaziali – i cambiamenti più forti sul territorio.
Il metodo delle componenti principali identifica gli oggetti (fattori) che cambiano più fortemente sul territorio. Come risultato del metodo compaiono nuove variabili: le componenti principali, che sono più informative rispetto ai dati originali, con l'aiuto delle quali è più facile analizzare, descrivere e visualizzare il territorio, su cui è più facile costruire modelli .
Le componenti principali sono espressioni analitiche: la somma dei potenziali dei fattori iniziali con determinati coefficienti. Tuttavia, se qualche fattore ha un impatto significativo sul territorio, ma non cambia in tutto il territorio analizzato, il metodo delle componenti principali non includerà questo fattore nella composizione delle componenti principali.
I componenti principali sono ordinati in ordine decrescente di informazioni, ad es. diffondendosi su tutto il territorio. Le prime componenti principali portano molte più informazioni rispetto ai singoli fattori e descrivono bene il territorio. Di norma, utilizzando un centinaio di fattori, la prima componente principale trasporta circa il 50% di tutta l'informazione (varianza) per il territorio. Le componenti principali non sono correlate tra loro e possono essere utilizzate come modelli come caratteristiche del territorio in ogni punto.
La componente principale, in quanto indicatore astrattamente calcolato del territorio, non ha un nome e una classificazione chiari. Tuttavia, un insieme di fattori fortemente correlati con la componente principale ci consente di interpretare le componenti principali. Di norma, i seguenti fattori sono correlati ai componenti principali:
— livello di sviluppo delle infrastrutture;
— componente trasporti del territorio;
— zone climatiche;
— livello di sviluppo agricolo;
— potenziale economico del territorio.
Un'ulteriore analisi, incluso il clustering, procede con i primi componenti principali significativi.
Nelle figure potete vedere la rappresentazione grafica delle prime principali componenti presenti nel territorio di alcune città della Federazione Russa.
La prima componente principale che caratterizza il livello di sviluppo delle infrastrutture urbane a Nizhny Novgorod
La prima componente principale che caratterizza il livello di sviluppo delle infrastrutture urbane a Ekaterinburg
La prima componente principale che caratterizza il livello di sviluppo delle infrastrutture urbane a Kazan
La prima componente principale che caratterizza il livello di sviluppo delle infrastrutture urbane a Perm
La prima componente principale che caratterizza il livello di sviluppo delle infrastrutture urbane a Samara
La prima componente principale che caratterizza il livello di sviluppo delle infrastrutture urbane a Khabarovsk
Caratteristiche integrali: clustering
L'ulteriore fase del lavoro sull'analisi del territorio è la ricerca di zone dell'ambiente urbano qualitativamente omogenee. Questa ricerca si basa sull'analisi dei valori delle principali componenti in ogni punto del territorio. Il problema della ricerca di queste zone omogenee può essere risolto utilizzando il clustering, il processo di raggruppamento di territori basato sul principio di prossimità di un insieme di caratteristiche.
Il clustering territoriale ha due obiettivi:
— creare una migliore visualizzazione percepita del territorio;
— assegnazione di aree per la compilazione dei singoli modelli.
I territori sono raggruppati in base ai fattori selezionati per l'analisi. Questi fattori possono essere fattori che influenzano i prezzi o fattori che descrivono alcuni aspetti dello sviluppo del territorio, ad esempio la sfera sociale.
Esistono due metodi classici comuni di clustering: il metodo K-medie e il metodo del dendrogramma. Quando si lavora con i territori, il metodo K-means si è dimostrato efficace, la cui caratteristica è la "crescita" del cluster aggiungendo nuovi oggetti ai punti di crescita. Il vantaggio del metodo K-means risiede nella somiglianza del suo lavoro con il processo naturale di formazione del territorio: integrazione di territori simili, piuttosto che separazione di territori dissimili.
Il metodo K-medie è stato utilizzato per i calcoli per Nizhny Novgorod (figura sotto).
Conformità dei cluster al livello di sviluppo del territorio usando l'esempio di Nizhny Novgorod
Con l'approccio proposto è possibile ottenere una panoramica del territorio su diverse tematiche. Argomenti di nostro interesse possono essere, ad esempio, il livello di sviluppo delle infrastrutture urbane, il livello di “élite” del territorio, il livello di sviluppo culturale, la componente sociale dello sviluppo del territorio. Questi temi sono concetti integrali mal definiti e sono costituiti da molti fattori correlati.
Utilizzando alcuni algoritmi di selezione dei parametri da analizzare (anche con il coinvolgimento di esperti), otterremo mappe tematiche che diano un'idea di un aspetto dello sviluppo del territorio.
Per caratteristiche integrali si intendono le prime componenti principali, in primo luogo la prima componente principale più informativa, e il raggruppamento del territorio secondo parametri selezionati.
Le mappe tematiche delle prime componenti principali per vari aspetti dello sviluppo sono presentate nelle figure seguenti.
Mappa tematica “Oggetti culturali” usando l'esempio di Nizhny Novgorod
Mappa tematica “Sfera sociale” usando l'esempio di Nizhny Novgorod
Le caratteristiche integrali consentono di comprendere le caratteristiche di un territorio utilizzando molti fattori con una perdita minima di informazioni.
In conclusione, vale ancora una volta la pena notare che oggi l'analisi dei territori è una fase estremamente importante per risolvere i problemi di sviluppo dell'ambiente urbano, scegliere i luoghi in cui investire nella costruzione, trovare la posizione più vantaggiosa per nuove strutture e altri compiti.
Il metodo di analisi del territorio proposto nell’articolo utilizzando un modello “termico” da fattori di diversa natura non è critico rispetto all’insieme dei fattori, ovvero non impone vincoli o requisiti sulle informazioni iniziali.
Fornisce la diversità e la ridondanza delle informazioni sulle fonti, nonché l'opportunità di utilizzare dati aperti prospettive illimitate per analizzare qualsiasi territorio мира.
Nelle seguenti pubblicazioni dedicate ai problemi dell'analisi territoriale, intendiamo rivelare le caratteristiche della compilazione di modelli utilizzando i principali componenti e metodi per la loro implementazione per compiti quali:
— scegliere la posizione migliore quando si posiziona un nuovo oggetto;
— costruzione di una superficie di prezzo per una determinata categoria di oggetti utilizzando il valore di mercato;
- valutazione della redditività di un certo tipo di attività a seconda dell'ubicazione degli oggetti.
Si prevede inoltre di presentare metodi per la transizione inversa dalle componenti principali ai fattori, che a sua volta consenta di ottenere un modello dai fattori per un dato territorio.
Fonte: habr.com