Нижний Новгородтағы көше желісінің жылу әлеуетін есептеудің мысалы
Қала аумағы – үнемі өзгеріп отыратын күрделі, гетерогенді жүйе. Кеңістіктік объектілерді (факторларды) пайдалана отырып, аумақты сипаттауға және қалалық ортаны бағалауға болады. Территорияны сипаттайтын факторлар әсер ету сипатымен (оң, теріс) және геометриялық конфигурациясында (нүктелер, сызықтар, көпбұрыштар) ерекшеленеді.
Әрбір жеке объектінің жалпы аумақтың даму деңгейіне немесе оның қандай да бір нақты аспектісіне әсер ету дәрежесін анықтау көбінесе өте қиын. Бүгінгі таңда «мәдениет», «әлеуметтік сала», «әлеуметтік шиеленіс», «жақсы өмір», «экономикалық даму», «халықтың денсаулығы» сияқты ұғымдарды анықтау және сипаттау мәселесі өзекті болуда. Егер біз оларды әртүрлі әлеуметтік топтарға, әртүрлі жастағы және жыныстағы популяцияларға қолданғымыз келсе, бұл ұғымдардың екіұштылығы артады.
Сондай-ақ, қазіргі концепцияда қаланың шекаралары біршама ерікті екенін атап өткен жөн. Халықтың күнделікті көші-қоны, шалғай аудандардың көлік қолжетімділігі қаланың шекарасын бұрынғыдан да «бұлыңғыртады». Қазіргі кезде кеңінен қолданылып жүрген агломерация концепциясы жалпы алғанда қаланың шекарасын көрсетеді, бірақ сонымен бірге қала шекарасы ұғымының өзін бұрынғыдан да анық емес етеді.
Жоғарыда сипатталған проблемаларға қарамастан, аумақтарды талдау және бағалау бүгінгі таңда қалалық ортаның көптеген өзекті мәселелерін шешуге мүмкіндік беретін ең перспективалы және қызықты бағыттардың бірі болып табылады.
Мақалада «термиялық» модельді пайдалана отырып, аумақты талдау әдісін қарастыру ұсынылады. Бұл әдіс әртүрлі табиғаттағы (нүктелік, сызықтық және аумақтық) объектілер (факторлар) тудыратын потенциалдарды зерттеуге негізделген. Бұл әдісті қолдану арқылы аумақты талдау аумақты сипаттайтын кеңістіктік деректер (факторлар) жиынтығынан аумақтың әрбір нүктесінде нақты сандық (баллдық) бағалауға көшуге мүмкіндік береді.
Территорияны талдау шеңберінде зерттелетін потенциалдар физикалық интерпретацияға ие - әртүрлі өлшемдегі (2D, 3D) орталарда жылудың таралуы. Бұл құбылыс кескіннің түс қарқындылығына байланысты аумақтың даму дәрежесі туралы түсінік беретін «термиялық» кескіндер («термиялық» аумақтық карталар) түрінде ұсынылуы мүмкін.
Территориялық факторлар
Аумақтық талдау аумаққа әсер ететін факторлар мен олардың көрсеткіштері туралы ақпаратты іздеу мен өңдеуді қамтиды. Әсер етуші факторлар - бұл қоршаған аумаққа әсер ететін және сипаттамалар мен кеңістіктік координаталар жиынтығы бар объектілер. Әсер етуші факторлардың мысалдарына дүкендер, өндірістік нысандар, жолдар, ормандар және су объектілері жатады.
Әсер ету көрсеткіштері объектілер болып табылады рефлексиялық объектілердің әсері, сонымен қатар сипаттамалар мен кеңістіктік координаталар жиынтығы бар. Әсер ету көрсеткіштерінің мысалдары: банкоматтар, билбордтар, ескерткіштер.
Келесі презентацияда біз екі терминді біріктіретін әсер ету факторлары түсінігін қолданамыз - факторлар мен әсер ету көрсеткіштері.
Төменде әсер етуші факторлар ретінде әрекет ететін кеңістіктік деректердің мысалы келтірілген.
Территорияларды талдау жұмысының маңызды кезеңдерінің бірі бастапқы ақпаратты жинау және өңдеу кезеңі болып табылады. Бүгінгі күні әртүрлі дәрежедегі егжей-тегжейлі аумаққа әсер ететін факторлар туралы көптеген ақпарат бар.
Ақпаратты ашық көздерден немесе шектеулі көздерден алуға болады. Көптеген жағдайларда ашық ақпарат талдау үшін жеткілікті, дегенмен, әдетте, ол айтарлықтай еңбекті қажет ететін өңдеуді қажет етеді.
Ашық дереккөздердің ішінде көшбасшы, біздің ойымызша, OpenStreetMap (OSM) ресурсы болып табылады. Бұл дереккөзден алынған ақпарат бүкіл әлем бойынша күн сайын жаңартылып отырады.
OpenStreetMap (OSM) ресурс ақпараты келесі пішімдерде ұсынылған:
- OSM пішімі. «.osm» кеңейтімі бар негізгі пішім XML графикалық кескіндерін – түйіндерді, жолдарды, қатынастарды сипаттау үшін қолданылады.
- «Польша форматы». Графикамен жұмыс істеу үшін «.mp» кеңейтімі бар мәтін пішімі қолданылады.
- PBF пішімі. “.osm.pbf” кеңейтімі бар деректерді сақтау пішімі.
Сондай-ақ ақпарат көздері ретінде келесілерді пайдалануға болады:
- 2 ГАЖ
Ресурста кәсіпорындар мен ұйымдар үшін тамаша 3 деңгейлі классификаторы бар жоғары сапалы, ай сайынғы өңделетін ақпарат бар.
- KML (Keyhole Markup Language) файлдары
KML (Keyhole Markup Language) файлдары – Google Earth, Google Maps және мобильді құрылғыларға арналған Google Maps қолданбаларында географиялық деректерді көрсету үшін пайдаланылатын файл пішімі.
KML файлдарымен сіз:
- әртүрлі белгішелерді орнату және жер бетіндегі орындарды көрсету үшін қол қою
— камера орнын өзгерту арқылы таңдалған нысандар үшін әртүрлі бұрыштар жасаңыз
- әртүрлі қабаттасатын суреттерді пайдалану
— нысанның дисплейін теңшеу үшін стильдерді анықтау, гиперсілтемелер мен кірістірілген кескіндерді жасау үшін HTML кодын қолдану
— элементтерді иерархиялық топтастыру үшін қалталарды пайдалану
— қашықтағы немесе жергілікті желі түйіндерінен KML файлдарын динамикалық түрде алу және жаңарту
- XNUMXD қарау құралының өзгерістеріне сәйкес KML деректерін алыңыз
- Мемлекеттік тіркеу, кадастр және картография федералды қызметі «Росреестр»
Rosreestr порталындағы ақпарат өзінің мазмұны мен өзектілігімен құнды, бірақ, өкінішке орай, күрделі құрылыс жобалары мен жер учаскелері үшін графиканы тегін алуға мүмкіндік бермейді. Rosreestr порталы сонымен қатар шектеулі қол жеткізу ақпаратының үлкен көлемін қамтиды.
- Статистикалық органдар
Статистикалық деректер аумақ туралы заңды ақпарат көзі болып табылады, дегенмен, бүгінгі күні статистикалық органдардың мәліметтері көрсеткіштердің белгілі бір саны бойынша ғана, негізінен статистикалық органдардың есептері мен облыстық билік органдарының есептері бойынша қолжетімді.
- Билік органдарының ақпараттық жүйелері
Сапалы ақпарат мемлекеттік ақпараттық жүйелерде қамтылған, бірақ оның аз ғана бөлігі қоғамдық игілікте жарияланып, талдауға қолжетімді.
Территорияларға талдау жүргізу ақпараттың құрамына ешқандай нақты талаптар қоймайды, шын мәнінде сіз табылғанның бәрін пайдалана аласыз, ашық көздерден алынған ақпарат әдетте бір-бірін алмастырады. Дегенмен, бейтаныс аумақты талдау үшін OSM ресурсынан алынған ақпараттың өзі жеткілікті екенін атап өткен жөн.
Термиялық модель арқылы аумақты талдау. Потенциалдардың физикалық интерпретациясы
Бұрын айтылғандай, аумақты талдау бүгінде өзекті тақырып және әртүрлі қалалық ортада инфрақұрылымды дамытуға инвестицияларды дәлелді тартудың қуатты құралы болып табылады.
Аумақтық талдауды қолдану арқылы шешілетін мәселелердің әртүрлілігін бірнеше негізгі бағыттарға біріктіруге болады:
— Әрбір нүктеде аумақтың неғұрлым түсіндірілетін және егжей-тегжейлі бағасын алу.
Мәселені шешу арқылы сіз жалпы аумақтың, сондай-ақ белгілі бір пәндік аймақтың даму деңгейі туралы түсінік беретін аумақтың әрбір нүктесінде ұпайлар жиынтығын ала аласыз. Мұндай пәндік сала, мысалы, мәдениет, өнеркәсіп, сауда және т.б.
— Таңдалған аумақта белгілі бір түрдегі инвестициялық объектілерді (мысалы, банктер, мамандандырылған дүкендер, сауда және ойын-сауық орталықтары және т.б.) орналастыру үшін ең тиімді орындарды анықтау.
— Аумақты тиімді пайдалануды талдау.
Бұл бағыт аумақтың ерекшеліктерін, зерттелетін аумақта қалыптасқан нарықтық жағдайды егжей-тегжейлі зерттеуге және танымал нұсқаларды анықтауға мүмкіндік береді.
— Жаңа жолдар мен жаңа маршруттардың пайда болуын мысалға ала отырып, бір фактордың шығын үлгісіне қосқан үлесін анықтау.
— Бір аумақтың әртүрлі аспектілерін талдау және әртүрлі аумақтарды талдау (территорияларды салыстыру).
Мақалада «жылу» үлгісін қолдану арқылы ұсынылған аумақты талдау әдісінің өзіндік ерекшелігі аумақты дамыту көрсеткіштерін – сандық түрде берілген және объектінің аумаққа әсер ету дәрежесін (әсер ету коэффициентін) көрсететін потенциалдарды пайдалануда жатыр.
Зерттеудің мәнін түсіну үшін жылу потенциалының өзі туралы бірнеше сөз айтып, оның физикалық түсіндірмесін беру керек.
Физикада деген сияқты ұғымдар бар күш өрісі и күш функциясы. Күш өрісі энергия өлшеміне, күш функциясы күш өлшеміне ие.
Бүкіләлемдік тартылыс заңы үшін күш өрісі мына формуламен анықталады:
F=k/r2, мұндағы
k – тұрақты;
r – өзара әрекеттесетін объектілер арасындағы қашықтық.
Күш функциясы ϕ мына өрнекпен анықталады:
dϕ=-F*dr, мұндағы
ϕ—күш өрісінің потенциалы;
dϕ, dr – дифференциалдар;
r – әрекеттесетін объектілер арасындағы қашықтық,
сондықтан ϕ=k/r.
Күш өрісі потенциалының физикалық мағынасы ϕ күш өрісінің белгілі бір жолды өту кезінде орындайтын жұмысы Е. Бүкіләлемдік тартылыс заңы жағдайында затқа дейінгі қашықтық r2-ден r1-ге өзгергенде, күш функциясы формуламен анықталады.
E=k*(1/r1-1/r2), мұндағы
E – белгілі бір жолдан өткенде күш өрісінің атқаратын жұмысы;
r1, r2 – объектінің бастапқы және соңғы орны.
Аумақты талдау міндеті үшін аумаққа объектілердің (факторлардың) әсерін күш ретінде қарастыруға болады (қуат функциясы), және жалпы жылу потенциалы ретінде аумақтың даму деңгейі (күш өрісі) барлық объектілерден (факторлардан). Физика есептерінде жылу потенциалы температура болып табылады, ал «жылу» моделін қолданып аумақты талдау есептерінде потенциал барлық әсер етуші факторлардың аумақтағы нүктеге жалпы әсерін білдіреді.
Кеңістіктік деректер нүктелерден, түзулерден және көпбұрыштардан тұрады. Потенциалдарды есептеу үшін кеңейтілген кеңістіктік деректер шағын фрагменттерге бөлінеді. Әрбір фрагмент үшін нүктеден келетін потенциал объект фрагментінің (фактор) өлшеміне тең көбейткішпен есептеледі.
Деректер жақын ұқсастық принципі бойынша семантикалық топтарға бөлінеді. Мысалы, сауда объектілері өнім бойынша біріктіріледі. Орман объектілерінің топтары, су объектілері, елді мекендер, көлік аялдамалары және т.б. Мағынасы бойынша біріккен топтар факторды білдіреді. Барлық объектілерден (факторлардан) өтіп, біз одан әрі өңдеуге жарамды жылу потенциалдарының жиынтығын аламыз.
Потенциалды пайдалану («жылу карталары») аумаққа әсер ету объектілерінің (факторларының) кеңістіктік деректерінен «жылулық» суреттеріне өтуге мүмкіндік береді (потенциалдарды визуализациялау). Мұндай ауысу аумақтың әрбір нүктесінде фактордың болу дәрежесін анықтауға және одан әрі талдау жүргізуге мүмкіндік береді, яғни. қала дамуының түрлі бағыттарын түрлі-түсті етіп көрсету. Осылайша, біз аумақтың әрбір нүктесі үшін әртүрлі қарқындылықтағы жарқырауды аламыз.
Төменде бірнеше факторлар контекстіндегі Нижний Новгород аумағының «жылу» суреттерінің мысалдары келтірілген.
«Дәріханалар тізбегі» факторын көрсететін Нижний Новгородтың «жылу» картасы
«Ересектер емханасы» факторын көрсететін Нижний Новгородтың «жылу» картасы
«Балалар емханасы» факторын көрсететін Нижний Новгородтың «жылу» картасы
«Индустриалды аймақтар» факторын көрсететін Нижний Новгородтың «жылу» картасы
Аумақтың «жылулық» суреттері әртүрлі әсер ету объектілерінің потенциалдарының шоғырлануын анықтауға мүмкіндік береді. Әрі қарай, алынған потенциалдарды көптеген факторлардың негізінде аумақты бағалауға мүмкіндік беретін интегралдық сипаттамаға біріктіру қажет. Бұл ақпараттың үлкен көлемін талдауға, объектілерді тануға, сондай-ақ ақпараттың ең аз мөлшерін жоғалтып, деректер өлшемін азайтуға мүмкіндік беретін әдісті қажет етеді. Осы әдістердің бірі негізгі құрамдас талдау (PCA) болып табылады. Бұл әдіс туралы толығырақ ақпаратты мына жерден табуға болады .
Әдістің мәні талдау аймағында ең күшті өзгеретін бастапқы параметрлердің сызықтық комбинациясын табу болып табылады. Кеңістіктік деректер үшін – аумақ бойынша ең қатты өзгеретін.
Негізгі құрамдас әдіс аумақ бойынша ең күшті өзгеретін объектілерді (факторларды) анықтайды. Әдістің нәтижесінде жаңа айнымалылар пайда болады – бастапқы деректермен салыстырғанда ақпараттандыратын негізгі компоненттер, олардың көмегімен аумақты талдау, сипаттау және визуализациялау оңайырақ, олар бойынша модельдерді құру оңайырақ. .
Негізгі компоненттері аналитикалық өрнектер – белгілі бір коэффициенттері бар бастапқы факторлардың потенциалдарының қосындысы. Алайда, егер қандай да бір фактор аумаққа елеулі әсер етсе, бірақ талданатын аумақ бойынша өзгермесе, негізгі құрамдас әдіс бұл факторды негізгі құрамдас бөліктердің құрамына қоспайды.
Негізгі құрамдас бөліктер ақпараттың кему ретімен реттелген – яғни. аумаққа таралуда. Бірінші негізгі құрамдас бөліктер жеке факторларға қарағанда анағұрлым көбірек ақпарат береді және аумақты жақсы сипаттайды. Әдетте, жүзге жуық факторларды пайдаланған кезде бірінші негізгі құрамдас аумақ бойынша барлық ақпараттың (дисперсияның) шамамен 50% құрайды. Негізгі құрамдас бөліктер бір-бірімен корреляцияланбайды және оларды әр нүктедегі аумақтың сипаттамалары ретінде модельдер үшін пайдалануға болады.
Негізгі құрамдас аумақтың кейбір абстрактілі есептелген көрсеткіші ретінде нақты атауы мен жіктелуі жоқ. Дегенмен, негізгі құрамдас бөлікпен тығыз байланыста болатын факторлардың жиынтығы негізгі компоненттерді түсіндіруге мүмкіндік береді. Әдетте, келесі факторлар негізгі компоненттермен байланысты:
— инфрақұрылымның даму деңгейі;
— аумақтың көлік құрамдас бөлігі;
— климаттық аймақтар;
— ауыл шаруашылығының даму деңгейі;
— аумақтың экономикалық әлеуеті.
Одан әрі талдау, соның ішінде кластерлеу, алғашқы бірнеше маңызды негізгі құрамдастармен жалғасады.
Суреттерде Ресей Федерациясының бірнеше қалаларының аумағындағы бірінші негізгі құрамдас бөліктердің графикалық көрінісін көруге болады.
Нижний Новгородтағы қалалық инфрақұрылымның даму деңгейін сипаттайтын бірінші негізгі компонент
Екатеринбург қаласындағы қалалық инфрақұрылымның даму деңгейін сипаттайтын бірінші негізгі компонент
Қазан қаласының қалалық инфрақұрылымының даму деңгейін сипаттайтын бірінші негізгі компонент
Пермь қаласындағы қалалық инфрақұрылымның даму деңгейін сипаттайтын бірінші негізгі компонент
Самара қаласының қалалық инфрақұрылымының даму деңгейін сипаттайтын бірінші негізгі компонент
Хабаровск қаласының қалалық инфрақұрылымының даму деңгейін сипаттайтын бірінші негізгі компонент
Интегралдық сипаттамалар: кластерлену
Территорияны талдау бойынша жұмыстың келесі кезеңі - сапасы жағынан біркелкі қалалық ортаның аймақтарын іздеу. Бұл іздеу аумақтың әрбір нүктесіндегі негізгі компоненттердің мәндерін талдауға негізделген. Осы біртекті аймақтарды іздеу мәселесін кластерлеу арқылы шешуге болады - сипаттамалар жиынтығының жақындығы принципіне негізделген аумақтарды топтастыру процесі.
Аумақтық кластерлеудің екі мақсаты бар:
— аумақтың жақсы қабылданатын визуализациясын жасау;
— жеке үлгілерді құрастыру үшін аумақтарды бөлу.
Территориялар талдау үшін таңдалған факторларға сәйкес кластерленген. Бұл факторлар бағаға әсер ететін факторлар немесе аумақтың дамуының кейбір аспектілерін сипаттайтын факторлар болуы мүмкін, мысалы, әлеуметтік сала.
Екі жалпы классикалық кластерлеу әдісі бар: К-орталар әдісі және дендрограмма әдісі. Территориялармен жұмыс істеу кезінде K-means әдісі өзін жақсы дәлелдеді, оның ерекшелігі өсу нүктелеріне жаңа нысандарды қосу арқылы кластердің «өсуі» болып табылады. K-меанс әдісінің артықшылығы оның жұмысының аумақты қалыптастырудың табиғи процесіне ұқсастығында: ұқсас еместерді бөлуге қарағанда, ұқсастарды біріктіру.
Нижний Новгород үшін есептеулер үшін K-means әдісі қолданылды (төмендегі сурет).
Нижний Новгород мысалында кластерлердің аумақтың даму деңгейіне сәйкестігі
Ұсынылған тәсіл арқылы әртүрлі тақырыптар бойынша аумаққа шолу жасауға болады. Бізді қызықтыратын тақырыптар, мысалы, қалалық инфрақұрылымның даму деңгейі, аумақтың «элиталық» деңгейі, мәдени даму деңгейі, аумақты дамытудың әлеуметтік құрамдас бөлігі болуы мүмкін. Бұл тақырыптар дұрыс анықталмаған интегралдық ұғымдар және көптеген өзара байланысты факторлардан тұрады.
Талдау үшін параметрлерді таңдаудың кейбір алгоритмін қолдана отырып (соның ішінде сарапшыларды тарта отырып) біз аумақты дамытудың бір аспектісі туралы түсінік беретін тақырыптық карталарды аламыз.
Интегралдық сипаттамалар деп бірінші негізгі құрамдас бөліктер, ең алдымен ең ақпараттылығы жоғары бірінші негізгі компонент және таңдалған параметрлер бойынша аумақты кластерлеу түсініледі.
Дамудың әртүрлі аспектілеріне арналған бірінші негізгі компоненттердің тақырыптық карталары төмендегі суреттерде берілген.
Нижний Новгород мысалында «Мәдени нысандар» тақырыптық картасы
Нижний Новгород мысалында «Әлеуметтік сала» тақырыптық картасы
Интегралдық сипаттамалар ақпараттың аз жоғалуы арқылы көптеген факторларды пайдалана отырып, аумақтың сипаттамаларын түсінуге мүмкіндік береді.
Қорытындылай келе, бүгінгі таңда аумақтарды талдау қала ортасын дамыту, құрылыс салуға инвестиция салу үшін орындарды таңдау, жаңа нысандарды орналастыру үшін ең тиімді орынды табу және басқа да міндеттерді шешудің аса маңызды кезеңі болып табылатынын тағы бір мәрте атап өткен жөн.
Мақалада ұсынылған аумақты талдау әдісі әртүрлі сипаттағы факторлардан «жылу» моделін пайдалана отырып, факторлар жиынтығы үшін маңызды емес, яғни бастапқы ақпаратқа шектеулер мен талаптар қоймайды.
Бастапқы ақпараттың әртүрлілігі мен артықтығы, сондай-ақ ашық деректерді пайдалану мүмкіндігі қамтамасыз етеді кез келген аумақты талдаудың шексіз перспективалары әлемнің.
Аумақтық талдау мәселелеріне арналған келесі жарияланымдарда біз негізгі компоненттерді пайдалана отырып, модельдерді құрастыру ерекшеліктерін және оларды келесі тапсырмалар үшін орындау әдістерін ашуды жоспарлап отырмыз:
— жаңа объектіні орналастыру кезінде ең жақсы орынды таңдау;
— нарықтық құнын пайдалана отырып, белгілі бір санаттағы объектілер үшін баға бетін салу;
- объектілердің орналасуына байланысты белгілі бір қызмет түрінің табыстылығын бағалау.
Сондай-ақ негізгі құрамдас бөліктерден факторларға кері көшу әдістерін ұсыну жоспарлануда, бұл өз кезегінде берілген аумақ үшін факторлардан үлгі алуға мүмкіндік береді.
Ақпарат көзі: www.habr.com