Contoh pengiraan potensi terma untuk rangkaian jalan di Nizhny Novgorod
Wilayah bandar adalah sistem yang kompleks dan heterogen yang sentiasa berubah. Anda boleh menerangkan wilayah dan menilai persekitaran bandar menggunakan objek spatial (faktor). Faktor yang menggambarkan wilayah berbeza dalam sifat pengaruhnya (positif, negatif) dan konfigurasi geometri (titik, garis, poligon).
Selalunya agak sukar untuk menentukan tahap pengaruh setiap objek individu pada tahap pembangunan wilayah secara keseluruhan atau mana-mana aspek tertentu daripadanya. Hari ini, masalah mentakrifkan dan menghuraikan konsep seperti "budaya", "sfera sosial", "ketegangan sosial", "kehidupan yang baik", "pembangunan ekonomi", "kesihatan penduduk" menjadi semakin relevan. Kekaburan konsep-konsep ini meningkat jika kita ingin menerapkannya kepada kumpulan sosial yang berbeza, populasi yang berbeza umur dan jantina.
Juga, perlu diperhatikan bahawa sempadan bandar dalam konsep moden agak sewenang-wenangnya. Penghijrahan penduduk setiap hari, akses pengangkutan kawasan terpencil "mengaburkan sempadan" bandar lebih banyak lagi. Konsep aglomerasi yang kini digunakan secara meluas secara amnya mencerminkan sempadan bandar, tetapi pada masa yang sama menjadikan konsep sempadan bandar lebih kabur.
Walaupun masalah yang dinyatakan di atas, analisis dan penilaian wilayah hari ini adalah antara bidang yang paling menjanjikan dan menarik yang membolehkan menyelesaikan banyak masalah mendesak persekitaran bandar.
Artikel itu mencadangkan untuk dipertimbangkan kaedah untuk menganalisis wilayah menggunakan model "terma". Kaedah ini berdasarkan kajian potensi yang dicipta oleh objek (faktor) pelbagai sifat (titik, linear dan luas). Analisis wilayah menggunakan kaedah ini memungkinkan untuk beralih daripada set data spatial (faktor) yang menerangkan wilayah kepada penilaian berangka yang tepat (skor) pada setiap titik wilayah.
Potensi yang dikaji sebagai sebahagian daripada analisis wilayah mempunyai tafsiran fizikal - perambatan haba dalam persekitaran dimensi berbeza (2D, 3D). Fenomena ini boleh diwakili dalam bentuk imej "terma" ("panas" peta wilayah), memberikan gambaran tentang tahap pembangunan wilayah bergantung pada keamatan warna imej.
Faktor wilayah
Analisis wilayah melibatkan pencarian dan pemprosesan maklumat tentang faktor-faktor yang mempengaruhi wilayah dan penunjuknya. Faktor yang mempengaruhi ialah objek yang mempengaruhi wilayah sekeliling dan mempunyai satu set ciri dan koordinat ruang. Contoh faktor yang mempengaruhi termasuk kedai, kemudahan perindustrian, jalan raya, hutan dan badan air.
Penunjuk pengaruh ialah objek reflektif pengaruh objek dan juga mempunyai set ciri dan koordinat ruang. Contoh penunjuk pengaruh: ATM, papan iklan, monumen.
Dalam pembentangan berikut kami akan menggunakan konsep faktor pengaruh, yang menggabungkan kedua-dua istilah – faktor dan penunjuk pengaruh.
Di bawah ialah contoh data spatial yang bertindak sebagai faktor yang mempengaruhi.
Salah satu peringkat penting dalam kerja menganalisis wilayah ialah peringkat mengumpul dan memproses maklumat awal. Hari ini terdapat banyak maklumat tentang faktor-faktor yang mempengaruhi wilayah pelbagai peringkat terperinci.
Maklumat boleh diperoleh daripada sumber terbuka atau sumber terhad. Dalam banyak kes, maklumat terbuka mencukupi untuk analisis, walaupun, sebagai peraturan, ia memerlukan pemprosesan yang agak intensif buruh.
Antara sumber terbuka, peneraju, pada pendapat kami, ialah sumber OpenStreetMap (OSM). Maklumat yang diperoleh daripada sumber ini dikemas kini setiap hari di seluruh dunia.
Maklumat sumber OpenStreetMap (OSM) dibentangkan dalam format berikut:
- Format OSM. Format utama dengan sambungan ".osm" digunakan untuk menerangkan imej grafik XML - nod, laluan, perhubungan.
- "Format Poland". Format teks dengan sambungan ".mp" digunakan untuk bekerja dengan grafik.
- Format PBF. Format storan data dengan sambungan “.osm.pbf”.
Anda juga boleh menggunakan yang berikut sebagai sumber maklumat:
- 2 GIS
Sumber ini mengandungi maklumat yang diproses bulanan berkualiti tinggi, dengan pengelas 3 peringkat yang sangat baik untuk perusahaan dan organisasi.
- Fail KML (Keyhole Markup Language).
Fail KML (Keyhole Markup Language) ialah format fail yang digunakan untuk memaparkan data geografi dalam Google Earth, Peta Google dan Peta Google untuk peranti mudah alih.
Dengan fail KML anda boleh:
- pasang pelbagai ikon dan buat tandatangan untuk menunjukkan tempat di permukaan Bumi
— cipta sudut berbeza untuk objek terpilih dengan menukar kedudukan kamera
- gunakan imej tindanan yang berbeza
— tentukan gaya untuk menyesuaikan paparan objek, gunakan kod HTML untuk mencipta hiperpautan dan imej sebaris
— gunakan folder untuk pengelompokan hierarki elemen
— menerima dan mengemas kini fail KML secara dinamik daripada nod rangkaian jauh atau setempat
- Terima data KML mengikut perubahan dalam pemapar XNUMXD
- Perkhidmatan Persekutuan untuk Pendaftaran Negeri, Kadaster dan Kartografi "Rosreestr"
Maklumat di portal Rosreestr adalah berharga untuk kandungan dan kaitannya, tetapi, malangnya, ia tidak memungkinkan untuk mendapatkan grafik untuk projek pembinaan modal dan plot tanah secara percuma. Portal Rosreestr juga mengandungi sejumlah besar maklumat akses terhad.
- Badan perangkaan
Data statistik ialah sumber maklumat yang sah tentang wilayah itu, namun, setakat hari ini, data daripada badan statistik hanya tersedia untuk beberapa penunjuk tertentu, terutamanya dalam laporan badan statistik dan laporan pihak berkuasa wilayah.
- Sistem maklumat pihak berkuasa
Maklumat berkualiti tinggi terkandung dalam sistem maklumat kerajaan, tetapi hanya sebahagian kecil daripadanya diterbitkan dalam domain awam dan tersedia untuk analisis.
Menjalankan analisis wilayah tidak mengenakan sebarang keperluan khusus pada komposisi maklumat; sebenarnya, anda boleh menggunakan semua yang ditemui; maklumat daripada sumber terbuka biasanya boleh ditukar ganti. Walau bagaimanapun, perlu diingat bahawa walaupun maklumat yang diperoleh daripada sumber OSM sahaja sudah cukup untuk membuat analisis wilayah yang tidak dikenali.
Analisis wilayah menggunakan model "terma". Tafsiran fizikal potensi
Seperti yang dinyatakan sebelum ini, analisis wilayah hari ini adalah topik hangat dan alat yang berkuasa untuk tarikan yang munasabah bagi pelaburan dalam pembangunan infrastruktur dalam pelbagai persekitaran bandar.
Pelbagai masalah yang diselesaikan menggunakan analisis wilayah boleh digabungkan menjadi beberapa bidang utama:
— Mendapatkan penilaian wilayah yang paling boleh ditafsir dan terperinci pada setiap titik.
Dengan menyelesaikan masalah, anda boleh mendapatkan satu set mata pada setiap titik wilayah, memberikan gambaran tentang tahap pembangunan wilayah secara umum, serta dalam kawasan subjek tertentu. Bidang subjek sedemikian boleh, sebagai contoh, budaya, industri, perdagangan, dsb.
— Menentukan tempat yang paling berfaedah untuk meletakkan objek pelaburan dari jenis tertentu (contohnya, bank, kedai khusus, pusat membeli-belah dan hiburan, dsb.) di wilayah yang dipilih.
— Analisis penggunaan wilayah yang paling berkesan.
Arah ini membolehkan kajian terperinci tentang ciri-ciri wilayah, keadaan pasaran yang telah berkembang di wilayah yang dikaji, dan pengenalpastian pilihan popular.
— Penentuan sumbangan satu faktor kepada model kos, menggunakan contoh kemunculan jalan baru dan laluan baharu.
— Analisis aspek berbeza bagi satu wilayah dan analisis wilayah berbeza (perbandingan wilayah).
Keaslian kaedah analisis wilayah yang dicadangkan dalam artikel menggunakan model "terma" terletak pada penggunaan penunjuk pembangunan wilayah - potensi, dibentangkan dalam istilah berangka dan mencerminkan tahap pengaruh objek (faktor pengaruh) di wilayah itu.
Untuk memahami intipati kajian, adalah perlu untuk mengatakan beberapa perkataan tentang potensi haba itu sendiri dan memberikan tafsiran fizikalnya.
Dalam fizik terdapat konsep seperti bidang kuasa и fungsi daya. Medan daya mempunyai dimensi tenaga, fungsi daya mempunyai dimensi daya.
Untuk undang-undang graviti universal, medan daya ditakrifkan oleh formula:
F=k/r2, di mana
k – malar;
r – jarak antara objek yang berinteraksi.
Fungsi daya ϕ ditentukan oleh ungkapan:
dϕ=-F*dr, di mana
ϕ—potensi medan daya;
dϕ, dr – pembezaan;
r ialah jarak antara objek yang berinteraksi,
oleh itu ϕ=k/r.
Maksud fizikal potensi medan daya ϕ ialah kerja E yang dilakukan oleh medan daya semasa melalui laluan tertentu. Dalam kes undang-undang graviti universal, apabila jarak ke objek berubah dari r2 ke r1, fungsi daya ditentukan oleh formula
E=k*(1/r1-1/r2), di mana
E ialah kerja yang dilakukan oleh medan daya semasa melalui laluan tertentu;
r1, r2 – kedudukan awal dan akhir objek.
Untuk tugas menganalisis wilayah, pengaruh objek (faktor) terhadap wilayah boleh dianggap sebagai kekuatan (fungsi kuasa), dan tahap pembangunan wilayah sebagai jumlah potensi haba (bidang kuasa) daripada semua objek (faktor). Dalam masalah fizik, potensi haba ialah suhu, dan dalam masalah analisis wilayah menggunakan model "terma", potensi mewakili jumlah kesan semua faktor yang mempengaruhi pada satu titik di wilayah itu.
Data spatial terdiri daripada titik, garis dan poligon. Untuk mengira potensi, data spatial lanjutan dibahagikan kepada serpihan kecil. Bagi setiap serpihan, potensi dari titik dikira dengan pengganda yang sama dengan saiz serpihan objek (faktor).
Data dibahagikan kepada kumpulan semantik berdasarkan prinsip persamaan rapat. Sebagai contoh, objek perdagangan digabungkan dengan barangan. Terdapat kumpulan objek hutan, badan air, penempatan, perhentian pengangkutan, dll. Kumpulan yang bersatu dengan makna mewakili faktor. Setelah melalui semua objek (faktor), kami memperoleh satu set potensi terma yang sesuai untuk pemprosesan selanjutnya.
Penggunaan potensi ("peta haba") membolehkan anda beralih dari data spatial kepada imej "terma" objek (faktor) pengaruh pada wilayah (visualisasi potensi). Peralihan sedemikian memungkinkan untuk menentukan tahap kehadiran faktor pada setiap titik wilayah dan menjalankan analisis lanjut, i.e. memaparkan arah pembangunan bandar yang berbeza dalam warna. Oleh itu, kami memperoleh cahaya dengan intensiti yang berbeza-beza untuk setiap titik wilayah.
Contoh imej "terma" wilayah Nizhny Novgorod dalam konteks beberapa faktor dibentangkan di bawah.
Peta "Terma" Nizhny Novgorod, mencerminkan faktor "rantaian Farmasi".
Peta "Haba" Nizhny Novgorod, mencerminkan faktor "Poliklinik untuk orang dewasa"
Peta "Terma" Nizhny Novgorod, mencerminkan faktor "Klinik kanak-kanak"
Peta "Terma" Nizhny Novgorod, mencerminkan faktor "Zon Perindustrian"
Imej "terma" wilayah memungkinkan untuk menentukan kepekatan potensi daripada pelbagai objek pengaruh. Seterusnya, adalah perlu untuk menggabungkan potensi yang diperolehi menjadi ciri penting yang membolehkan penilaian wilayah berdasarkan sejumlah besar faktor. Ini memerlukan kaedah yang membolehkan anda menganalisis sejumlah besar maklumat, mengenali objek, dan juga mengurangkan dimensi data, kehilangan jumlah maklumat yang paling sedikit. Salah satu kaedah ini ialah analisis komponen utama (PCA). Butiran lanjut tentang kaedah ini boleh didapati dalam .
Intipati kaedah ini adalah untuk mencari gabungan linear parameter awal yang berubah paling kuat dalam bidang analisis. Untuk data spatial – perubahan paling kuat di seluruh wilayah.
Kaedah komponen utama mengenal pasti objek (faktor) yang berubah paling kuat di seluruh wilayah. Hasil daripada kaedah itu, pembolehubah baru muncul - komponen utama, yang lebih bermaklumat berbanding dengan data asal, dengan bantuan yang lebih mudah untuk menganalisis, menerangkan dan memvisualisasikan wilayah, di mana lebih mudah untuk membina model .
Komponen utama ialah ungkapan analitikal - jumlah potensi faktor awal dengan pekali tertentu. Walau bagaimanapun, jika mana-mana faktor mempunyai kesan yang ketara ke atas wilayah, tetapi tidak berubah merentasi wilayah yang dianalisis, kaedah komponen utama tidak akan memasukkan faktor ini dalam komposisi komponen utama.
Komponen utama disusun mengikut susunan maklumat yang menurun - i.e. merebak ke seluruh wilayah. Komponen utama pertama membawa lebih banyak maklumat daripada faktor individu dan menerangkan wilayah dengan baik. Sebagai peraturan, apabila menggunakan kira-kira seratus faktor, komponen utama pertama membawa kira-kira 50% daripada semua maklumat (varians) untuk wilayah tersebut. Komponen utama tidak berkait antara satu sama lain dan boleh digunakan untuk model sebagai ciri wilayah pada setiap titik.
Komponen utama, kerana beberapa penunjuk wilayah yang dikira secara abstrak, tidak mempunyai nama dan klasifikasi yang jelas. Walau bagaimanapun, satu set faktor yang sangat berkorelasi dengan komponen utama membolehkan kita mentafsir komponen utama. Sebagai peraturan, faktor berikut berkorelasi dengan komponen utama:
— tahap pembangunan infrastruktur;
- komponen pengangkutan wilayah;
- zon iklim;
— tahap pembangunan pertanian;
- potensi ekonomi wilayah.
Analisis lanjut, termasuk pengelompokan, diteruskan dengan beberapa komponen utama penting yang pertama.
Dalam angka, anda boleh melihat perwakilan grafik komponen utama pertama di wilayah beberapa bandar di Persekutuan Rusia.
Komponen utama pertama yang mencirikan tahap pembangunan infrastruktur bandar di Nizhny Novgorod
Komponen utama pertama yang mencirikan tahap pembangunan infrastruktur bandar di Yekaterinburg
Komponen utama pertama yang mencirikan tahap pembangunan infrastruktur bandar di Kazan
Komponen utama pertama yang mencirikan tahap pembangunan infrastruktur bandar di Perm
Komponen utama pertama yang mencirikan tahap pembangunan infrastruktur bandar di Samara
Komponen utama pertama yang mencirikan tahap pembangunan infrastruktur bandar di Khabarovsk
Ciri kamiran: pengelompokan
Tahap selanjutnya kerja pada analisis wilayah adalah mencari zon persekitaran bandar yang homogen dalam kualiti. Carian ini berdasarkan analisis nilai komponen utama pada setiap titik di wilayah itu. Masalah mencari zon homogen ini boleh diselesaikan menggunakan pengelompokan - proses pengelompokan wilayah berdasarkan prinsip kedekatan satu set ciri.
Pengelompokan wilayah mempunyai dua matlamat:
— mewujudkan visualisasi wilayah yang lebih baik;
— peruntukan kawasan untuk penyusunan model individu.
Wilayah dikelompokkan mengikut faktor yang dipilih untuk dianalisis. Faktor ini mungkin faktor yang mempengaruhi harga atau faktor yang menerangkan beberapa aspek pembangunan wilayah, contohnya, sfera sosial.
Terdapat dua kaedah pengelompokan klasik yang biasa: kaedah K-means dan kaedah dendrogram. Apabila bekerja dengan wilayah, kaedah K-means telah membuktikan dirinya dengan baik, cirinya ialah "berkembang" kelompok dengan menambahkan objek baharu pada titik pertumbuhan. Kelebihan kaedah K-means terletak pada persamaan kerjanya dengan proses semula jadi pembentukan wilayah: penyepaduan yang serupa, bukannya pemisahan yang tidak serupa.
Kaedah K-means digunakan untuk pengiraan untuk Nizhny Novgorod (rajah di bawah).
Pematuhan kelompok dengan tahap pembangunan wilayah menggunakan contoh Nizhny Novgorod
Dengan pendekatan yang dicadangkan, adalah mungkin untuk mendapatkan gambaran keseluruhan wilayah mengenai pelbagai topik. Topik yang menarik kepada kita mungkin, sebagai contoh, tahap pembangunan infrastruktur bandar, tahap "elit" wilayah, tahap pembangunan budaya, komponen sosial pembangunan wilayah. Tema ini adalah konsep integral yang tidak jelas, dan terdiri daripada banyak faktor yang saling berkaitan.
Menggunakan beberapa algoritma untuk memilih parameter untuk analisis (termasuk dengan penglibatan pakar), kami akan mendapatkan peta tematik yang memberi gambaran tentang satu aspek pembangunan wilayah.
Ciri kamiran difahami sebagai komponen utama pertama, terutamanya komponen utama pertama yang paling bermaklumat, dan pengelompokan wilayah mengikut parameter yang dipilih.
Peta tematik komponen utama pertama untuk pelbagai aspek pembangunan dibentangkan dalam rajah di bawah.
Peta tematik "Objek Budaya" menggunakan contoh Nizhny Novgorod
Peta tematik "Sfera sosial" menggunakan contoh Nizhny Novgorod
Ciri-ciri kamiran membolehkan anda memahami ciri-ciri wilayah menggunakan banyak faktor dengan kehilangan maklumat yang minimum.
Sebagai kesimpulan, perlu diperhatikan sekali lagi bahawa hari ini analisis wilayah adalah peringkat yang sangat penting dalam menyelesaikan masalah pembangunan persekitaran bandar, memilih tempat untuk melabur dalam pembinaan, mencari lokasi yang paling berfaedah untuk kemudahan baru dan tugas lain.
Kaedah analisis wilayah yang dicadangkan dalam artikel menggunakan model "terma" daripada faktor yang berbeza sifat tidak kritikal kepada set faktor, iaitu ia tidak mengenakan sekatan atau keperluan pada maklumat awal.
Kepelbagaian dan redundansi maklumat sumber, serta peluang untuk menggunakan data terbuka, menyediakan prospek tanpa had untuk menganalisis mana-mana wilayah kedamaian.
Dalam penerbitan berikut yang dikhaskan untuk masalah analisis wilayah, kami merancang untuk mendedahkan ciri penyusunan model menggunakan komponen utama dan kaedah untuk pelaksanaannya untuk tugas seperti:
— memilih lokasi terbaik apabila meletakkan objek baharu;
— pembinaan permukaan harga untuk kategori objek tertentu menggunakan nilai pasaran;
- penilaian keuntungan jenis aktiviti tertentu bergantung pada lokasi objek.
Terdapat juga rancangan untuk membentangkan kaedah untuk peralihan terbalik daripada komponen utama kepada faktor, yang seterusnya memungkinkan untuk mendapatkan model daripada faktor untuk wilayah tertentu.
Sumber: www.habr.com