שימוש בפוטנציאל תרמי לניתוח טריטוריות

דוגמה לחישוב פוטנציאל תרמי עבור רשת רחובות בניז'ני נובגורוד

שטח העיר הוא מערכת מורכבת, הטרוגנית הנמצאת בשינוי מתמיד. ניתן לתאר את הטריטוריה ולהעריך את הסביבה העירונית באמצעות אובייקטים מרחביים (גורמים). גורמים המתארים את הטריטוריה שונים באופי השפעתם (חיובית, שלילית) ובתצורה הגיאומטרית (נקודות, קווים, מצולעים).

לעתים קרובות די קשה לקבוע את מידת ההשפעה של כל אובייקט בודד על רמת ההתפתחות של הטריטוריה בכללותה או כל היבט מסוים שלה. כיום, הבעיה של הגדרה ותיאור של מושגים כמו "תרבות", "תחום חברתי", "מתח חברתי", "חיים טובים", "פיתוח כלכלי", "בריאות האוכלוסייה" הופכת יותר ויותר רלוונטית. העמימות של מושגים אלו גוברת אם נרצה ליישם אותם על קבוצות חברתיות שונות, אוכלוסיות בגילאים שונים ומגדרים שונים.

כמו כן, יש לציין כי גבולות העיר בתפיסה המודרנית הם די שרירותיים. הגירה יומיומית של האוכלוסייה, נגישות תחבורתית של אזורים מרוחקים "מטשטשת את גבול" העיר עוד יותר. המושג הנפוץ כיום של צבירה משקף בדרך כלל את גבולות העיר, אך בו בזמן הופך את עצם הרעיון של גבול העיר למעורפל עוד יותר.

למרות הבעיות שתוארו לעיל, ניתוח והערכת שטחים כיום הם מהאזורים המבטיחים והמעניינים ביותר המאפשרים פתרון בעיות דחופות רבות של הסביבה העירונית.

המאמר מציע לבחינה שיטה לניתוח השטח באמצעות מודל "תרמי". שיטה זו מבוססת על חקר הפוטנציאלים הנוצרים על ידי אובייקטים (גורמים) בעלי אופי שונים (נקודה, ליניארית ושטח). ניתוח הטריטוריה בשיטה זו מאפשר לעבור ממערך של נתונים מרחביים (גורמים) המתארים את השטח להערכה מספרית (ניקוד) מדויקת בכל נקודה בשטח.

לפוטנציאלים הנלמדים במסגרת ניתוח הטריטוריה יש פרשנות פיזיקלית - התפשטות חום בסביבות במידות שונות (2D, 3D). תופעה זו יכולה להיות מיוצגת בצורה של תמונות "תרמיות" ("מפות "חום" של השטח), המעניקות מושג על מידת ההתפתחות של הטריטוריה בהתאם לעוצמת הצבע של התמונה.

גורמי טריטוריה

ניתוח טריטוריה כולל חיפוש ועיבוד מידע על הגורמים המשפיעים על השטח ועל האינדיקטורים שלהם. גורמים משפיעים הם עצמים המשפיעים על הטריטוריה הסובבת ויש להם מערכת של מאפיינים וקואורדינטות מרחביות. דוגמאות לגורמים משפיעים כוללים חנויות, מתקנים תעשייתיים, כבישים, יערות וגופי מים.

אינדיקטורים של השפעה הם אובייקטים מחזיר אור השפעה של אובייקטים וגם בעלי סט של מאפיינים וקואורדינטות מרחביות. דוגמאות למדדי השפעה: כספומטים, שלטי חוצות, אנדרטאות.

במצגת הבאה נשתמש במושג גורמי השפעה, המשלב את שני המונחים – גורמים ומדדי השפעה.

להלן דוגמה לנתונים מרחביים הפועלים כגורמים משפיעים.

אחד השלבים החשובים בביצוע עבודה על ניתוח שטחים הוא שלב איסוף ועיבוד המידע הראשוני. כיום יש מידע רב על הגורמים המשפיעים על הטריטוריה בדרגות שונות של פירוט.

ניתן לקבל מידע ממקורות פתוחים או ממקורות מוגבלים. במקרים רבים, מידע פתוח מספיק לניתוח, אם כי, ככלל, הוא דורש עיבוד די עתיר עבודה.

בין המקורות הפתוחים, המוביל, לדעתנו, הוא המשאב OpenStreetMap (OSM). המידע המתקבל ממקור זה מתעדכן מדי יום בכל העולם.

מידע על משאבי OpenStreetMap (OSM) מוצג בפורמטים הבאים:

- פורמט OSM. הפורמט הראשי עם הסיומת ".osm" משמש לתיאור תמונות גרפיות של XML - צמתים, נתיבים, קשרים.

- "פורמט פולני". פורמט הטקסט עם הסיומת ".mp" משמש לעבודה עם גרפיקה.

- פורמט PBF. פורמט אחסון נתונים עם הסיומת ".osm.pbf".

אתה יכול גם להשתמש בדברים הבאים כמקורות מידע:

- 2 GIS
המשאב מכיל מידע מעובד חודשי איכותי, עם מסווג מעולה ב-3 רמות עבור ארגונים וארגונים.

- קבצי KML (Keyhole Markup Language).
קובצי KML (Keyhole Markup Language) הם פורמט קובץ המשמש להצגת נתונים גיאוגרפיים ב-Google Earth, Google Maps ומפות Google עבור מכשירים ניידים.

עם קבצי KML אתה יכול:
- התקן אייקונים שונים וצור חתימות לציון מקומות על פני כדור הארץ
— צור זוויות שונות עבור אובייקטים נבחרים על ידי שינוי מיקום המצלמה
- השתמש בתמונות שכבות שונות
- הגדר סגנונות להתאמה אישית של התצוגה של אובייקט, החל קוד HTML ליצירת היפר-קישורים ותמונות מוטבעות
- השתמש בתיקיות לקיבוץ היררכי של אלמנטים
- קבלה ועדכון דינמי של קובצי KML מצמתי רשת מרוחקים או מקומיים
- קבל נתוני KML בהתאם לשינויים במציג התלת מימד

- השירות הפדרלי לרישום מדינה, קדסטר וקרטוגרפיה "רוזריסטר"
המידע בפורטל Rosreestr הוא בעל ערך עבור תוכנו ורלוונטיותו, אך למרבה הצער, הוא אינו מאפשר לקבל גרפיקה לפרויקטי בנייה הוניים ומגרשי קרקע ללא תשלום. פורטל Rosreestr מכיל גם כמות גדולה של מידע גישה מוגבל.

- גופים סטטיסטיים
נתונים סטטיסטיים הם מקור לגיטימי למידע על השטח, אולם נכון להיום, נתונים מגופים סטטיסטיים זמינים רק עבור מספר מסוים של אינדיקטורים, בעיקר בדוחות של גופים סטטיסטיים ובדוחות של רשויות אזוריות.

- מערכות מידע של רשויות
מידע איכותי כלול במערכות מידע ממשלתיות, אך רק חלק קטן ממנו מתפרסם ברשות הרבים וזמין לניתוח.

ביצוע ניתוח שטחים אינו מטיל דרישות ספציפיות להרכב המידע; למעשה, אתה יכול להשתמש בכל מה שנמצא; מידע ממקורות פתוחים בדרך כלל ניתן להחלפה. עם זאת, יש לציין כי אפילו המידע המתקבל ממשאב ה-OSM בלבד מספיק כדי לבצע ניתוח של טריטוריה לא מוכרת.

ניתוח השטח באמצעות מודל "תרמי". פרשנות פיזית של פוטנציאלים

כפי שהוזכר קודם לכן, ניתוח טריטוריה כיום הוא נושא חם וכלי רב עוצמה למשיכת השקעות מנומקת בפיתוח תשתיות בסביבות עירוניות שונות.

ניתן לשלב את מגוון הבעיות הנפתרות באמצעות ניתוח טריטוריה למספר תחומים עיקריים:

- השגת ההערכה המפורטת והניתנת לפירוש של השטח בכל נקודה.
על ידי פתרון הבעיה, אתה יכול לקבל קבוצה של נקודות בכל נקודה של הטריטוריה, לתת מושג על רמת הפיתוח של הטריטוריה באופן כללי, כמו גם בתחום מסוים. תחום נושא כזה יכול להיות, למשל, תרבות, תעשייה, מסחר וכו'.

- קביעת המקומות המועילים ביותר להצבת חפצי השקעה מסוג מסוים (לדוגמה, בנקים, חנויות מיוחדות, מרכזי קניות ובידור וכו') בשטח הנבחר.

- ניתוח השימוש היעיל ביותר בשטח.
כיוון זה מאפשר לימוד מפורט של מאפייני השטח, מצב השוק שהתפתח בשטח הנבדק וזיהוי אפשרויות פופולריות.

- קביעת תרומתו של גורם אחד למודל העלויות, תוך שימוש בדוגמה של הופעת כבישים חדשים ונתיבים חדשים.

- ניתוח היבטים שונים של טריטוריה אחת וניתוח של טריטוריות שונות (השוואת שטחים).

המקוריות של שיטת ניתוח הטריטוריה המוצעת במאמר תוך שימוש במודל ה"תרמי" נעוצה בשימוש באינדיקטורים לפיתוח טריטוריה - פוטנציאלים, המוצגים במונחים מספריים ומשקפים את מידת ההשפעה של האובייקט (גורם ההשפעה) על השטח.

כדי להבין את מהות המחקר, יש צורך לומר כמה מילים על הפוטנציאל התרמי עצמו ולתת את הפירוש הפיזי שלו.

בפיזיקה יש מושגים כמו שדה כוח и פונקציית כוח. לשדה הכוח יש מימד של אנרגיה, לפונקציית הכוח יש מימד כוח.

עבור חוק הכבידה האוניברסלית, שדה הכוח מוגדר על ידי הנוסחה:

F=k/r2, איפה
k - קבוע;
r - מרחק בין עצמים המקיימים אינטראקציה.

פונקציית הכוח ϕ נקבעת על ידי הביטוי:

dϕ=-F*dr, איפה
ϕ—פוטנציאל שדה כוח;
dϕ, dr - דיפרנציאלים;
r הוא המרחק בין עצמים באינטראקציה,

לכן ϕ=k/r.

המשמעות הפיזית של פוטנציאל שדה הכוח ϕ היא העבודה E שמבצע שדה הכוח תוך כדי מעבר נתיב מסוים. במקרה של חוק הכבידה האוניברסלית, כאשר המרחק לעצם משתנה מ-r2 ל-r1, פונקציית הכוח נקבעת על ידי הנוסחה

E=k*(1/r1-1/r2), שבו
E הוא העבודה שנעשה על ידי שדה הכוח תוך כדי מעבר נתיב מסוים;
r1, r2 - מיקום ראשוני וסופי של האובייקט.

לצורך המשימה של ניתוח טריטוריה, ניתן להתייחס להשפעה של עצמים (גורמים) על השטח ככוח (פונקציית כוח), ורמת הפיתוח של הטריטוריה כפוטנציאל התרמי הכולל (שדה כוח) מכל האובייקטים (הגורמים). בבעיות פיזיקה, הפוטנציאל התרמי הוא טמפרטורה, ובבעיות של ניתוח טריטוריה באמצעות מודל "תרמי", הפוטנציאל מייצג את ההשפעה הכוללת של כל הגורמים המשפיעים על נקודה בשטח.

נתונים מרחביים מורכבים מנקודות, קווים ומצולעים. כדי לחשב פוטנציאלים, נתונים מרחביים מורחבים מחולקים לשברים קטנים. עבור כל שבר, הפוטנציאל מהנקודה מחושב עם מכפיל השווה לגודל שבר האובייקט (פקטור).

הנתונים מחולקים לקבוצות סמנטיות המבוססות על עקרון הדמיון הקרוב. לדוגמה, חפצי סחר משולבים לפי מוצר. ישנן קבוצות של חפצי יער, מקווי מים, יישובים, תחנות תחבורה וכו'. קבוצות המאוחדות במשמעות מייצגות גורם. לאחר שעברנו את כל האובייקטים (הגורמים), אנו מקבלים סט של פוטנציאלים תרמיים המתאימים לעיבוד נוסף.

השימוש בפוטנציאלים ("מפות חום") מאפשר לנוע מנתונים מרחביים לתמונות "תרמיות" של אובייקטים (גורמי השפעה) על הטריטוריה (וויזואליזציה של פוטנציאלים). מעבר כזה מאפשר לקבוע את מידת הנוכחות של הגורם בכל נקודה בשטח ולבצע ניתוח נוסף, כלומר. להציג כיוונים שונים של התפתחות העיר בצבע. לפיכך, אנו משיגים זוהר בעוצמה משתנה עבור כל נקודה בשטח.

דוגמאות לתמונות "תרמיות" של שטחה של ניז'ני נובגורוד בהקשר של מספר גורמים מוצגות להלן.

מפה "תרמית" של ניז'ני נובגורוד, המשקפת את גורם "שרשרת בתי המרקחת".

מפת "חום" של ניז'ני נובגורוד, המשקפת את הגורם "פוליקליניקות למבוגרים"

מפה "תרמית" של ניז'ני נובגורוד, המשקפת את גורם "מרפאות הילדים".

מפה "תרמית" של ניז'ני נובגורוד, המשקפת את הגורם "אזורי תעשייה"

תמונות "תרמיות" של הטריטוריה מאפשרות לקבוע את ריכוז הפוטנציאלים מאובייקטים שונים של השפעה. לאחר מכן, יש צורך לשלב את הפוטנציאלים המתקבלים למאפיין אינטגרלי המאפשר הערכה של השטח על סמך מספר רב של גורמים. זה דורש שיטה המאפשרת לנתח כמות גדולה של מידע, לזהות אובייקטים, וגם להפחית את מימד הנתונים, לאבד את הכמות הקטנה ביותר של מידע. אחת מהשיטות הללו היא ניתוח הרכיבים העיקריים (PCA). פרטים נוספים על שיטה זו ניתן למצוא ב ויקיפדיה.

מהות השיטה היא למצוא שילוב ליניארי של פרמטרים ראשוניים המשתנה בצורה החזקה ביותר בתחום הניתוח. לנתונים מרחביים - המשתנה הכי חזק בשטח.

שיטת הרכיבים העיקריים מזהה אובייקטים (גורמים) המשתנים בצורה החזקה ביותר על פני השטח. כתוצאה מהשיטה מופיעים משתנים חדשים - המרכיבים העיקריים, שהם אינפורמטיביים יותר בהשוואה לנתונים המקוריים, בעזרתם קל יותר לנתח, לתאר ולהמחיש את הטריטוריה שעליה קל יותר לבנות מודלים. .

המרכיבים העיקריים הם ביטויים אנליטיים - סכום הפוטנציאלים של הגורמים ההתחלתיים עם מקדמים מסוימים. עם זאת, אם לגורם כלשהו יש השפעה משמעותית על השטח, אך אינו משתנה על פני השטח המנותח, שיטת הרכיב העיקרי לא תכלול גורם זה בהרכב המרכיבים העיקריים.

המרכיבים העיקריים מסודרים בסדר יורד של מידע - כלומר. מתפשט בכל השטח. המרכיבים העיקריים הראשונים נושאים מידע משמעותי יותר מגורמים בודדים ומתארים היטב את השטח. ככלל, כאשר משתמשים בכמאה גורמים, המרכיב העיקרי הראשון נושא כ-50% מכל המידע (שונות) עבור הטריטוריה. המרכיבים העיקריים אינם מתואמים זה עם זה וניתן להשתמש בהם עבור מודלים כמאפיינים של הטריטוריה בכל נקודה.

למרכיב העיקרי, כאינדיקטור מחושב מופשט של השטח, אין שם וסיווג ברורים. עם זאת, קבוצה של גורמים המתואמים מאוד עם המרכיב העיקרי מאפשר לנו לפרש את המרכיבים העיקריים. ככלל, הגורמים הבאים מתואמים עם המרכיבים העיקריים:

- רמת פיתוח התשתית;
- מרכיב תחבורה של השטח;
- אזורי אקלים;
- רמת הפיתוח החקלאי;
- הפוטנציאל הכלכלי של השטח.

ניתוח נוסף, כולל אשכול, ממשיך עם המרכיבים העיקריים המשמעותיים הראשונים.

באיורים ניתן לראות ייצוג גרפי של המרכיבים העיקריים הראשונים בשטחן של מספר ערים בפדרציה הרוסית.

המרכיב העיקרי הראשון המאפיין את רמת הפיתוח של תשתיות עירוניות בניז'ני נובגורוד

המרכיב העיקרי הראשון המאפיין את רמת הפיתוח של התשתיות העירוניות ביקטרינבורג

המרכיב העיקרי הראשון המאפיין את רמת הפיתוח של תשתיות עירוניות בקאזאן

המרכיב העיקרי הראשון המאפיין את רמת הפיתוח של התשתיות העירוניות בפרם

המרכיב העיקרי הראשון המאפיין את רמת הפיתוח של התשתיות העירוניות בסמארה

המרכיב העיקרי הראשון המאפיין את רמת הפיתוח של תשתיות עירוניות בחברובסק

מאפיינים אינטגרליים: התקבצות

השלב הנוסף של העבודה על ניתוח טריטוריה הוא חיפוש אחר אזורים של הסביבה העירונית בעלי איכות הומוגנית. חיפוש זה מבוסס על ניתוח ערכי המרכיבים העיקריים בכל נקודה בשטח. ניתן לפתור את בעיית החיפוש אחר אזורים הומוגניים אלה באמצעות clustering - תהליך של קיבוץ טריטוריות המבוסס על עקרון הקרבה של קבוצת מאפיינים.

לאשכול טריטוריה יש שתי מטרות:

- יצירת הדמיה נתפסת טוב יותר של השטח;
- הקצאת שטחים להרכבת מודלים בודדים.

הטריטוריות מקובצות בהתאם לגורמים שנבחרו לניתוח. גורמים אלה עשויים להיות גורמים המשפיעים על התמחור או גורמים המתארים היבט כלשהו של התפתחות השטח, למשל, התחום החברתי.

קיימות שתי שיטות קלסתר קלאסיות נפוצות: שיטת K-means ושיטת הדנדרוגרמה. בעבודה עם טריטוריות, שיטת K-means הוכיחה את עצמה היטב, שהתכונה שלה היא "גידול" של אשכול על ידי הוספת אובייקטים חדשים לנקודות צמיחה. היתרון של שיטת K-means טמון בדמיון של עבודתה לתהליך הטבעי של היווצרות טריטוריה: אינטגרציה של דומים, ולא הפרדה של לא דומים.

שיטת K-means שימשה לחישובים עבור ניז'ני נובגורוד (איור למטה).

עמידה של אשכולות ברמת הפיתוח של השטח באמצעות הדוגמה של ניז'ני נובגורוד

בגישה המוצעת ניתן לקבל סקירה כללית של השטח בנושאים שונים. נושאים המעניינים אותנו עשויים להיות, למשל, רמת הפיתוח של התשתיות העירוניות, רמת ה"עילית" של השטח, רמת ההתפתחות התרבותית, המרכיב החברתי בפיתוח השטח. נושאים אלו הם מושגים אינטגרליים לא מוגדרים, ומורכבים מגורמים רבים הקשורים זה בזה.

באמצעות אלגוריתם כלשהו לבחירת פרמטרים לניתוח (כולל במעורבות של מומחים), נקבל מפות נושאיות שנותנות מושג על היבט אחד של התפתחות השטח.

מאפיינים אינטגרליים מובנים כמרכיבים העיקריים הראשונים, בעיקר המרכיב העיקרי הראשון האינפורמטיבי ביותר, והתקבצות של הטריטוריה לפי פרמטרים נבחרים.

מפות נושאיות של המרכיבים העיקריים הראשונים להיבטים שונים של פיתוח מוצגות באיורים שלהלן.

מפה נושאית "חפצי תרבות" באמצעות הדוגמה של ניז'ני נובגורוד

מפה נושאית "תחום חברתי" באמצעות הדוגמה של ניז'ני נובגורוד

מאפיינים אינטגרליים מאפשרים להבין את המאפיינים של טריטוריה תוך שימוש בגורמים רבים עם אובדן מידע מינימלי.

לסיכום, ראוי לציין שוב שכיום ניתוח השטחים הוא שלב חשוב ביותר בפתרון בעיות פיתוח הסביבה העירונית, בחירת מקומות להשקעה בבנייה, מציאת המיקום המשתלם ביותר למתקנים חדשים ומשימות נוספות.

שיטת ניתוח הטריטוריה המוצעת במאמר תוך שימוש במודל "תרמי" מגורמים בעלי אופי שונה אינה קריטית למכלול הגורמים, כלומר אינה מטילה הגבלות או דרישות על המידע הראשוני.

הגיוון והיתירות של מידע המקור, כמו גם ההזדמנות להשתמש בנתונים פתוחים, מספקים סיכויים בלתי מוגבלים לניתוח כל טריטוריה שָׁלוֹם.

בפרסומים הבאים המוקדשים לבעיות של ניתוח טריטוריאלי, אנו מתכננים לחשוף את התכונות של הידור מודלים תוך שימוש ברכיבים ושיטות עיקריות ליישום שלהם עבור משימות כגון:

- בחירת המיקום הטוב ביותר בעת הצבת חפץ חדש;
- בניית משטח מחיר לקטגוריה מסוימת של חפצים תוך שימוש בשווי שוק;
- הערכת הרווחיות של סוג מסוים של פעילות בהתאם למיקום החפצים.

כמו כן, ישנן תוכניות להציג שיטות למעבר הפוך ממרכיבים עיקריים לגורמים, אשר בתורו מאפשר לקבל מודל מגורמים לטריטוריה נתונה.

מקור: www.habr.com