Nižnij Novgorodo gatvių tinklo šiluminio potencialo skaičiavimo pavyzdys
Miesto teritorija yra sudėtinga, nevienalytė sistema, kuri nuolat kinta. Galite apibūdinti teritoriją ir įvertinti urbanistinę aplinką naudodami erdvinius objektus (veiksnius). Teritoriją apibūdinantys veiksniai skiriasi savo įtakos pobūdžiu (teigiamas, neigiamas) ir geometrine konfigūracija (taškai, linijos, daugiakampiai).
Dažnai yra gana sunku nustatyti kiekvieno atskiro objekto įtakos visos teritorijos ar bet kurio konkretaus jos aspekto išsivystymo lygiui. Šiandien vis aktualesnė tampa tokių sąvokų kaip „kultūra“, „socialinė sfera“, „socialinė įtampa“, „geras gyvenimas“, „ekonominis vystymasis“, „gyventojų sveikata“ apibrėžimo ir apibūdinimo problema. Šių sąvokų dviprasmiškumas didėja, jei norime jas pritaikyti skirtingoms socialinėms grupėms, įvairaus amžiaus ir lyties populiacijoms.
Taip pat reikėtų pažymėti, kad miesto ribos šiuolaikinėje koncepcijoje yra gana savavališkos. Kasdieninė gyventojų migracija, atokių vietovių susisiekimas transportu dar labiau „ištrina“ miesto sieną. Dabar plačiai vartojama aglomeracijos sąvoka apskritai atspindi miesto ribas, bet kartu dar labiau apibrėžia pačią miesto ribos sampratą.
Nepaisant aukščiau aprašytų problemų, teritorijų analizė ir vertinimas šiandien yra viena iš perspektyviausių ir įdomiausių sričių, leidžiančių išspręsti daugelį aktualių miesto aplinkos problemų.
Straipsnyje siūlomas teritorijos analizės metodas naudojant „terminį“ modelį. Šis metodas pagrįstas įvairaus pobūdžio (taškinių, tiesinių ir plotinių) objektų (veiksnių) sukurtų potencialų tyrimu. Teritorijos analizė šiuo metodu leidžia pereiti nuo teritoriją apibūdinančių erdvinių duomenų (veiksnių) rinkinio prie tikslaus skaitinio (balo) įvertinimo kiekviename teritorijos taške.
Teritorijos analizės metu tirti potencialai turi fizikinį aiškinimą – šilumos sklidimas skirtingų dimensijų aplinkoje (2D, 3D). Šis reiškinys gali būti pavaizduotas „terminių“ vaizdų (teritorijos „šilumos“ žemėlapių) pavidalu, suteikiantis idėją apie teritorijos išsivystymo laipsnį, priklausomai nuo vaizdo spalvų intensyvumo.
Teritoriniai veiksniai
Teritorijos analizė apima informacijos apie teritoriją įtakojančius veiksnius ir jų rodiklius paiešką ir apdorojimą. Įtakojantys veiksniai – objektai, darantys įtaką aplinkinei teritorijai ir turintys savybių bei erdvinių koordinačių rinkinį. Įtakojančių veiksnių pavyzdžiai yra parduotuvės, pramonės objektai, keliai, miškai ir vandens telkiniai.
Poveikio rodikliai yra objektai atspindintis objektų įtaka, taip pat turintis charakteristikų ir erdvinių koordinačių rinkinį. Įtakos rodiklių pavyzdžiai: bankomatai, reklaminiai stendai, paminklai.
Tolesniame pristatyme vartosime įtakos veiksnių sąvoką, kuri jungia abu terminus – veiksnius ir įtakos rodiklius.
Žemiau pateikiamas erdvinių duomenų, kurie veikia kaip įtakojantys veiksniai, pavyzdys.
Vienas iš svarbių teritorijų analizės darbų etapų yra pradinės informacijos rinkimo ir apdorojimo etapas. Šiandien yra daug informacijos apie veiksnius, turinčius įtakos teritorijai, įvairaus detalumo.
Informaciją galima gauti iš atvirų šaltinių arba ribotų šaltinių. Daugeliu atvejų analizei pakanka atviros informacijos, nors, kaip taisyklė, jos apdorojimas reikalauja gana daug darbo jėgos.
Tarp atvirųjų šaltinių lyderis, mūsų nuomone, yra šaltinis OpenStreetMap (OSM). Iš šio šaltinio gaunama informacija kasdien atnaujinama visame pasaulyje.
OpenStreetMap (OSM) išteklių informacija pateikiama šiais formatais:
- OSM formatas. Pagrindinis formatas su plėtiniu „.osm“ naudojamas apibūdinti XML grafinius vaizdus – mazgus, kelius, ryšius.
- „lenkiškas formatas“. Teksto formatas su plėtiniu „.mp“ naudojamas darbui su grafika.
- PBF formatas. Duomenų saugojimo formatas su plėtiniu „.osm.pbf“.
Taip pat galite naudoti šiuos informacijos šaltinius:
- 2 GIS
Ištekliuje yra aukštos kokybės, kas mėnesį apdorojama informacija su puikiu 3 lygių klasifikatoriumi įmonėms ir organizacijoms.
- KML (Keyhole Markup Language) failai
KML (Keyhole Markup Language) failai yra failo formatas, naudojamas geografiniams duomenims rodyti „Google“ žemėje, „Google“ žemėlapiuose ir „Google“ žemėlapiuose mobiliesiems įrenginiams.
Naudodami KML failus galite:
- įdiegti įvairias piktogramas ir parašyti vietas Žemės paviršiuje
— sukurti skirtingus pasirinktų objektų kampus keičiant fotoaparato padėtį
- naudoti skirtingus perdangos vaizdus
- apibrėžkite stilius, kad pritaikytumėte objekto rodymą, pritaikykite HTML kodą hipersaitams ir įterptiesiems vaizdams kurti
— naudoti aplankus elementų hierarchiniam grupavimui
- dinamiškai gauti ir atnaujinti KML failus iš nuotolinio arba vietinio tinklo mazgų
- Gaukite KML duomenis pagal pakeitimus 3D vaizduoklėje
- Federalinė valstybinės registracijos, kadastro ir kartografijos tarnyba „Rosreestr“
Informacija portale Rosreestr yra vertinga savo turiniu ir aktualumu, tačiau, deja, ji neleidžia nemokamai gauti kapitalinių statybų projektų ir žemės sklypų grafikos. Portale Rosreestr taip pat yra daug ribotos prieigos informacijos.
- Statistikos įstaigos
Statistiniai duomenys yra teisėtas informacijos apie teritoriją šaltinis, tačiau šiuo metu statistikos įstaigų duomenys yra prieinami tik tam tikram rodiklių skaičiui, daugiausia statistikos įstaigų ir regionų valdžios institucijų ataskaitose.
- Valdžios institucijų informacinės sistemos
Aukštos kokybės informacija yra valstybės informacinėse sistemose, tačiau tik nedidelė jos dalis skelbiama viešai ir yra prieinama analizei.
Teritorijų analizė nekelia jokių specifinių reikalavimų informacijos sudėčiai, iš tikrųjų galite naudoti viską, kas buvo rasta iš atvirų šaltinių, yra keičiama. Tačiau reikia pažymėti, kad net vien iš OSM šaltinio gautos informacijos pakanka nepažįstamos teritorijos analizei atlikti.
Teritorijos analizė naudojant „terminį“ modelį. Fizinis potencialų aiškinimas
Kaip minėta anksčiau, teritorijų analizė šiandien yra aktuali tema ir galingas įrankis pagrįstam investicijų pritraukimui į infrastruktūros plėtrą įvairiose miesto aplinkose.
Teritorijos analizės būdu išspręstų problemų įvairovę galima sujungti į kelias pagrindines sritis:
— Gauti labiausiai interpretuojamą ir išsamesnį teritorijos įvertinimą kiekviename taške.
Išspręsdami problemą, kiekviename teritorijos taške galite gauti taškų rinkinį, suteikiantį idėją apie teritorijos išsivystymo lygį apskritai, taip pat tam tikroje dalykinėje srityje. Tokia dalykinė sritis galėtų būti, pavyzdžiui, kultūra, pramonė, prekyba ir kt.
— Palankiausių vietų tam tikro tipo investiciniams objektams (pavyzdžiui, bankams, specializuotoms parduotuvėms, prekybos ir pramogų centrams ir kt.) dėti pasirinktoje teritorijoje nustatymas.
— Efektyviausio teritorijos panaudojimo analizė.
Ši kryptis leidžia išsamiai ištirti teritorijos ypatybes, rinkos situaciją, susidariusią tiriamoje teritorijoje, identifikuoti populiarius variantus.
— Vieno veiksnio įnašo į sąnaudų modelį nustatymas, naudojant naujų kelių ir naujų maršrutų atsiradimo pavyzdį.
— Vienos teritorijos skirtingų aspektų analizė ir skirtingų teritorijų analizė (teritorijų palyginimas).
Straipsnyje siūlomo teritorijos analizės metodo, naudojant „šiluminį“ modelį, originalumas slypi teritorijos plėtros rodiklių – potencialų, pateiktų skaitine išraiška ir atspindinčių objekto (įtakos faktoriaus) įtakos teritorijai laipsnį, panaudojime.
Norint suprasti tyrimo esmę, reikia pasakyti keletą žodžių apie patį šiluminį potencialą ir pateikti jo fizinę interpretaciją.
Fizikoje yra tokių sąvokų kaip jėgos laukas и jėgos funkcija. Jėgos laukas turi energijos matmenis, jėgos funkcija – jėgos matmenis.
Pagal visuotinės gravitacijos dėsnį jėgos laukas apibrėžiamas pagal formulę:
F=k/r2, kur
k – konstanta;
r – atstumas tarp sąveikaujančių objektų.
Jėgos funkcija ϕ nustatoma pagal išraišką:
dϕ=-F*dr, kur
ϕ—jėgos lauko potencialas;
dϕ, dr – skirtumai;
r yra atstumas tarp sąveikaujančių objektų,
todėl ϕ=k/r.
Jėgos lauko potencialo ϕ fizikinė reikšmė yra jėgos lauko atliktas darbas E einant tam tikru keliu. Visuotinės gravitacijos dėsnio atveju, kai atstumas iki objekto keičiasi nuo r2 iki r1, jėgos funkcija nustatoma pagal formulę
E=k*(1/r1-1/r2), kur
E – jėgos lauko atliktas darbas važiuojant tam tikru keliu;
r1, r2 – pradinė ir galutinė objekto padėtis.
Teritorijos analizei objektų (veiksnių) įtaka teritorijai gali būti laikoma jėga (galios funkcija), o teritorijos išsivystymo lygis kaip bendras šiluminis potencialas (jėgos laukas) iš visų objektų (veiksnių). Fizikos uždaviniuose šiluminis potencialas yra temperatūra, o teritorijos analizės uždaviniuose, naudojant „šiluminį“ modelį, potencialas parodo bendrą visų įtakojančių veiksnių poveikį teritorijos taškui.
Erdvinius duomenis sudaro taškai, linijos ir daugiakampiai. Norint apskaičiuoti potencialus, išplėstiniai erdviniai duomenys suskirstomi į mažus fragmentus. Kiekvienam fragmentui potencialas iš taško apskaičiuojamas daugikliu, lygiu objekto fragmento dydžiui (faktoriui).
Duomenys skirstomi į semantines grupes, remiantis artimo panašumo principu. Pavyzdžiui, prekybos objektai yra sujungti prekėmis. Yra miško objektų grupės, vandens telkiniai, gyvenvietės, transporto stotelės ir kt. Grupės, kurias vienija prasmė, yra veiksnys. Perėję visus objektus (veiksnius), gauname aibę šiluminių potencialų, tinkamų tolesniam apdorojimui.
Potencialų („šilumos žemėlapių“) naudojimas leidžia pereiti nuo erdvinių duomenų prie „terminių“ objektų (veiksnių) vaizdų, turinčių įtakos teritorijai (potencialų vizualizavimas). Toks perėjimas leidžia nustatyti veiksnio buvimo laipsnį kiekviename teritorijos taške ir atlikti tolesnę analizę, t.y. spalvotai parodyti įvairias miesto plėtros kryptis. Taigi kiekvienam teritorijos taškui gauname įvairaus intensyvumo švytėjimą.
Žemiau pateikiami Nižnij Novgorodo teritorijos „terminių“ vaizdų pavyzdžiai kelių veiksnių kontekste.
Nižnij Novgorodo „terminis“ žemėlapis, atspindintis „vaistinės grandinės“ faktorių
Nižnij Novgorodo „šilumos“ žemėlapis, atspindintis veiksnį „poliklinikos suaugusiems“
Nižnij Novgorodo „terminis“ žemėlapis, atspindintis „vaikų klinikų“ veiksnį
Nižnij Novgorodo „terminis“ žemėlapis, atspindintis „pramoninių zonų“ faktorių
Teritorijos „terminiai“ vaizdai leidžia nustatyti potencialų koncentraciją iš įvairių įtakos objektų. Toliau reikia sujungti gautus potencialus į vientisą charakteristiką, leidžiančią įvertinti teritoriją remiantis daugybe veiksnių. Tam reikalingas metodas, leidžiantis analizuoti didelį informacijos kiekį, atpažinti objektus, taip pat sumažinti duomenų matmenis, prarandant mažiausiai informacijos. Vienas iš šių metodų yra pagrindinių komponentų analizė (PCA). Daugiau informacijos apie šį metodą rasite .
Metodo esmė yra rasti linijinį pradinių parametrų derinį, kuris labiausiai keičiasi analizės srityje. Erdviniams duomenims – stipriausiai besikeičiantys visoje teritorijoje.
Pagrindinio komponento metodas identifikuoja objektus (veiksnius), kurie labiausiai kinta visoje teritorijoje. Metodo dėka atsiranda nauji kintamieji – pagrindiniai komponentai, kurie yra informatyvesni lyginant su pirminiais duomenimis, kurių pagalba lengviau analizuoti, aprašyti ir vizualizuoti teritoriją, ant kurios lengviau statyti modelius. .
Pagrindiniai komponentai yra analitinės išraiškos – pradinių veiksnių potencialų suma su tam tikrais koeficientais. Tačiau jei kuris nors veiksnys turi reikšmingos įtakos teritorijai, bet nekinta visoje analizuojamoje teritorijoje, taikant pagrindinio komponento metodą šis veiksnys neįtraukiamas į pagrindinių komponentų sudėtį.
Pagrindiniai komponentai išdėstyti informacijos mažėjimo tvarka – t.y. plinta visoje teritorijoje. Pirmieji pagrindiniai komponentai turi daug daugiau informacijos nei atskiri veiksniai ir gerai apibūdina teritoriją. Paprastai, naudojant apie šimtą veiksnių, pirmasis pagrindinis komponentas neša apie 50% visos informacijos (dispersijos) apie teritoriją. Pagrindiniai komponentai tarpusavyje nekoreliuoja ir gali būti naudojami modeliams kaip kiekvieno taško teritorijos charakteristikos.
Pagrindinis komponentas, kaip koks nors abstrakčiai apskaičiuotas teritorijos rodiklis, neturi aiškaus pavadinimo ir klasifikacijos. Tačiau su pagrindiniu komponentu stipriai susietų veiksnių rinkinys leidžia interpretuoti pagrindinius komponentus. Paprastai šie veiksniai koreliuoja su pagrindiniais komponentais:
— infrastruktūros išsivystymo lygis;
— teritorijos transporto komponentas;
- klimato zonos;
— žemės ūkio išsivystymo lygis;
— teritorijos ekonominis potencialas.
Tolesnė analizė, įskaitant grupavimą, atliekama naudojant keletą pirmųjų svarbių pagrindinių komponentų.
Paveiksluose galite pamatyti grafinį pirmųjų pagrindinių komponentų kelių Rusijos Federacijos miestų teritorijoje vaizdą.
Pirmasis pagrindinis komponentas, apibūdinantis Nižnij Novgorodo miesto infrastruktūros išsivystymo lygį
Pirmasis pagrindinis komponentas, apibūdinantis miesto infrastruktūros išsivystymo lygį Jekaterinburge
Pirmasis pagrindinis komponentas, apibūdinantis miesto infrastruktūros išsivystymo lygį Kazanėje
Pirmasis pagrindinis komponentas, apibūdinantis Permės miesto infrastruktūros išsivystymo lygį
Pirmasis pagrindinis komponentas, apibūdinantis miesto infrastruktūros išsivystymo lygį Samaroje
Pirmasis pagrindinis komponentas, apibūdinantis Chabarovsko miesto infrastruktūros išsivystymo lygį
Integralinės charakteristikos: klasterizacija
Tolesnis teritorijos analizės darbo etapas – kokybiškai vienalyčių urbanistinės aplinkos zonų paieška. Ši paieška pagrįsta pagrindinių komponentų verčių analize kiekviename teritorijos taške. Šių vienarūšių zonų paieškos problema gali būti išspręsta naudojant klasterizavimą – teritorijų grupavimo procesą, pagrįstą savybių rinkinio artumo principu.
Teritorijų grupavimas turi du tikslus:
— sukurti geriau suvokiamą teritorijos vizualizaciją;
— plotų paskirstymas individualiems modeliams sudaryti.
Teritorijos sugrupuojamos pagal pasirinktus analizei veiksnius. Šie veiksniai gali būti veiksniai, darantys įtaką kainodarai arba veiksniai, apibūdinantys kokį nors teritorijos plėtros aspektą, pavyzdžiui, socialinę sritį.
Yra du įprasti klasikiniai klasterizacijos metodai: K-means metodas ir dendrogramos metodas. Dirbant su teritorijomis puikiai pasiteisino K-means metodas, kurio ypatybė – klasterio „augimas“, į augimo taškus pridedant naujų objektų. K-means metodo pranašumas yra jo darbo panašumas į natūralų teritorijų formavimo procesą: panašių integravimas, o ne nepanašių atskyrimas.
Nižnij Novgorodo skaičiavimams buvo naudojamas K vidurkių metodas (paveikslas žemiau).
Klasterių atitikimas teritorijos išsivystymo lygiui naudojant Nižnij Novgorodo pavyzdį
Taikant siūlomą metodą, galima gauti teritorijos apžvalgą įvairiomis temomis. Mus dominančios temos gali būti, pavyzdžiui, miesto infrastruktūros išsivystymo lygis, teritorijos „elito“ lygis, kultūrinio išsivystymo lygis, socialinis teritorijos plėtros komponentas. Šios temos yra blogai apibrėžtos vientisos sąvokos ir susideda iš daugelio tarpusavyje susijusių veiksnių.
Naudodami tam tikrą analizės parametrų parinkimo algoritmą (taip pat ir pasitelkę ekspertus), gausime teminius žemėlapius, kurie suteiks idėją apie vieną teritorijos plėtros aspektą.
Integralinės charakteristikos suprantamos kaip pirmieji pagrindiniai komponentai, pirmiausia informatyviausias pirmasis pagrindinis komponentas, ir teritorijos klasterizavimas pagal pasirinktus parametrus.
Pirmųjų pagrindinių komponentų teminiai žemėlapiai įvairiems plėtros aspektams pateikti žemiau esančiuose paveiksluose.
Teminis žemėlapis „Kultūros objektai“ Nižnij Novgorodo pavyzdžiu
Teminis žemėlapis „Socialinė sfera“ Nižnij Novgorodo pavyzdžiu
Integralios charakteristikos leidžia suprasti teritorijos ypatybes naudojant daugybę veiksnių, minimaliai prarandant informaciją.
Apibendrinant verta dar kartą pastebėti, kad šiandien teritorijų analizė yra itin svarbus etapas sprendžiant urbanistinės aplinkos vystymo problemas, pasirenkant vietas investuoti į statybas, ieškant palankiausios vietos naujiems objektams ir kitiems darbams.
Straipsnyje siūlomas teritorijos analizės metodas, naudojant „šiluminį“ modelį iš skirtingo pobūdžio veiksnių, nėra kritinis veiksnių visumai, t. y. nekelia apribojimų ar reikalavimų pradinei informacijai.
Suteikia šaltinio informacijos įvairovę ir perteklių, taip pat galimybę naudoti atvirus duomenis neribotos bet kurios teritorijos analizės perspektyvos ramybė.
Šiose publikacijose, skirtose teritorinės analizės problemoms, planuojame atskleisti modelių sudarymo ypatumus naudojant pagrindinius komponentus ir jų įgyvendinimo metodus tokioms užduotims kaip:
— geriausios vietos pasirinkimas statant naują objektą;
— tam tikros kategorijos objektų kainos paviršiaus statyba naudojant rinkos vertę;
- tam tikros veiklos rūšies pelningumo įvertinimas priklausomai nuo objektų vietos.
Taip pat planuojama pateikti atvirkštinio perėjimo nuo pagrindinių komponentų prie veiksnių metodus, o tai savo ruožtu leidžia gauti modelį iš tam tikros teritorijos veiksnių.
Šaltinis: www.habr.com