Een voorbeeld van het berekenen van het thermisch potentieel voor het stratennetwerk van Nizjni Novgorod
Het territorium van de stad is een complex, heterogeen systeem dat voortdurend in verandering is. Het is mogelijk om het territorium te beschrijven en de stedelijke omgeving te beoordelen met behulp van ruimtelijke objecten (factoren). De factoren die het territorium beschrijven, verschillen in de aard van invloed (positief, negatief) en geometrische configuratie (punten, lijnen, polygonen).
Het is vaak moeilijk om de mate van invloed van elk individueel object op het ontwikkelingsniveau van het territorium als geheel of enkele van zijn individuele aspecten te bepalen. Tegenwoordig wordt het probleem van het definiëren en beschrijven van concepten als "cultuur", "sociale sfeer", "sociale spanning", "goed leven", "economische ontwikkeling", "volksgezondheid" steeds relevanter. De dubbelzinnigheid van deze concepten neemt toe als we ze willen toepassen op verschillende sociale groepen, populaties van verschillende leeftijden en geslachten.
Ook moet worden opgemerkt dat de grenzen van de stad in het moderne concept nogal willekeurig zijn. Dagelijkse migratie van de bevolking, transporttoegankelijkheid van afgelegen gebieden "vervagen de grens" van de stad nog meer. Het concept van agglomeratie, dat nu veel wordt gebruikt, geeft over het algemeen de grenzen van de stad weer, maar maakt tegelijkertijd het concept van de stadsgrens zelf nog vager.
Ondanks de hierboven beschreven problemen, is de analyse en beoordeling van territoria tegenwoordig een van de veelbelovende en interessante gebieden waarmee veel urgente problemen van de stedelijke omgeving kunnen worden opgelost.
Het artikel stelt ter overweging een methode voor om het grondgebied te analyseren met behulp van een "thermisch" model. Deze methode is gebaseerd op de studie van mogelijkheden gecreëerd door objecten (factoren) van verschillende aard (punt, lineair en vlak). Territoriumanalyse met behulp van deze methode maakt het mogelijk om over te stappen van een reeks ruimtelijke gegevens (factoren) die het territorium beschrijven naar een nauwkeurige numerieke (punt)beoordeling op elk punt van het territorium.
De mogelijkheden die zijn bestudeerd als onderdeel van de analyse van het territorium hebben een fysieke interpretatie - de distributie van warmte in media met verschillende dimensies (2D, 3D). Dit fenomeen kan worden weergegeven in de vorm van "thermische" beelden ("thermische" kaarten van het territorium), die een idee geven van de mate van ontwikkeling van het territorium, afhankelijk van de kleurintensiteit van het beeld.
Territorium factoren
Territoriumanalyse omvat het zoeken en verwerken van informatie over de factoren die van invloed zijn op het territorium en hun indicatoren. Invloedsfactoren zijn objecten die de omgeving beïnvloeden, met een reeks kenmerken en ruimtelijke coördinaten. Voorbeelden van invloedsfactoren zijn winkels, industriële voorzieningen, wegen, bossen, waterlichamen.
Invloedsindicatoren zijn objecten, reflecterend de invloed van objecten en ook het bezit van een reeks kenmerken en ruimtelijke coördinaten. Voorbeelden van impactindicatoren: geldautomaten, billboards, monumenten.
In de volgende presentatie zullen we het concept van invloedsfactoren gebruiken, dat beide termen combineert - factoren en indicatoren van invloed.
Hieronder ziet u een voorbeeld van ruimtelijke gegevens die fungeren als beïnvloeders.
Een van de belangrijke stadia in het werk aan de analyse van territoria is de fase van het verzamelen en verwerken van initiële informatie. Tegenwoordig is er veel informatie over de invloedsfactoren op het grondgebied van verschillende mate van detail.
Informatie kan worden verkregen uit open bronnen of bronnen met beperkte toegang. In veel gevallen is open informatie voldoende voor analyse, hoewel het in de regel een vrij moeizame verwerking vereist.
Onder open bronnen is de leider, naar onze mening, de bron - OpenStreetMap (OSM). De informatie die uit deze bron wordt verkregen, wordt dagelijks over de hele wereld bijgewerkt.
Broninformatie van OpenStreetMap (OSM) wordt gepresenteerd in de volgende formaten:
- OSM-indeling. Het hoofdformaat met de extensie ".osm" wordt gebruikt om grafische XML-afbeeldingen te beschrijven - knooppunten, paden, relaties.
- "Pools formaat". Voor het werken met afbeeldingen wordt het tekstformaat met de extensie ".mp" gebruikt.
- PBF-formaat. Gegevensopslagformaat met de extensie ".osm.pbf".
U kunt ook als informatiebronnen gebruiken:
- 2 GIS
De bron bevat maandelijks verwerkte informatie van hoge kwaliteit, met een uitstekende classificatie op 3 niveaus voor ondernemingen en organisaties.
- KML-bestanden (Keyhole Markup Language).
KML-bestanden (Keyhole Markup Language) zijn een bestandsindeling die wordt gebruikt om geografische gegevens weer te geven in Google Earth, Google Maps en Google Maps voor mobiele toepassingen.
Met KML-bestanden kunt u:
- stel verschillende pictogrammen in en maak handtekeningen om plaatsen op het aardoppervlak aan te geven
— creëer verschillende hoeken voor geselecteerde objecten door de camerapositie te wijzigen
- gebruik verschillende overlay-afbeeldingen
- definieer stijlen om de weergave van een object aan te passen, pas HTML-code toe om hyperlinks en inline afbeeldingen te maken
- gebruik mappen voor hiërarchische groepering van elementen
- KML-bestanden dynamisch ontvangen en bijwerken van externe of lokale hosts
- KML-gegevens ophalen op basis van wijzigingen in de XNUMXD-viewer
- Federale Dienst voor Staatsregistratie, Kadaster en Cartografie "Rosreestr"
De informatie op het Rosreestr-portaal is waardevol vanwege de inhoud en relevantie ervan, maar maakt het helaas niet mogelijk om gratis grafische afbeeldingen voor kapitaalbouwprojecten en landpercelen te ontvangen. Het Rosreestr-portaal bevat ook een grote hoeveelheid beperkte toegangsinformatie.
- Statistische instanties
Statistische gegevens zijn een legitieme bron van informatie over het grondgebied, maar vanaf vandaag zijn de gegevens van statistische autoriteiten alleen beschikbaar voor een bepaald aantal indicatoren, voornamelijk in de rapporten van statistische autoriteiten en rapporten van regionale autoriteiten.
- Informatiesystemen van autoriteiten
Kwalitatieve informatie is opgenomen in de informatiesystemen van de overheid, maar slechts een klein deel daarvan wordt gepubliceerd in het publieke domein en is beschikbaar voor analyse.
Het uitvoeren van een analyse van de territoria stelt geen specifieke eisen aan de samenstelling van informatie, je kunt eigenlijk alles gebruiken wat je kunt vinden, informatie uit open bronnen is meestal uitwisselbaar. Er moet echter worden opgemerkt dat zelfs de informatie verkregen uit de OSM-bron alleen voldoende is om een analyse te maken van onbekend terrein.
Analyse van het territorium met behulp van het "thermische" model. Fysische interpretatie van potentialen
Zoals eerder vermeld, is de analyse van het territorium vandaag de dag een hot topic en een krachtig instrument om op beredeneerde wijze investeringen aan te trekken in de ontwikkeling van de infrastructuur van verschillende stedelijke omgevingen.
De verscheidenheid aan taken die worden opgelost door de analyse van territoria kan worden gecombineerd in verschillende hoofdgebieden:
— Het verkrijgen van de meest interpreteerbare en gedetailleerde beoordeling van het grondgebied op elk van zijn punten.
Door de taak op te lossen, kunt u op elk punt van het territorium een reeks scores krijgen, die een idee geven van het ontwikkelingsniveau van het territorium in het algemeen, evenals in een bepaald vakgebied. Zo'n vakgebied kan bijvoorbeeld zijn cultuur, industrie, handel etc.
— Bepalen van de meest voordelige plaatsen voor het lokaliseren van investeringsobjecten van een bepaald type (bijvoorbeeld banken, gespecialiseerde winkels, winkel- en amusementscentra, enz.) in het geselecteerde gebied.
— Analyse van het meest efficiënte gebruik van het grondgebied.
Deze richting maakt een gedetailleerde studie mogelijk van de kenmerken van het gebied, de marktsituatie die zich in het studiegebied heeft ontwikkeld en de identificatie van populaire opties.
— Bepalen van de bijdrage van één factor aan het kostenmodel, aan de hand van het voorbeeld van de opkomst van nieuwe wegen en nieuwe routes.
– Analyse van verschillende aspecten van één territorium en analyse van verschillende territoria (vergelijking van territoria).
De originaliteit van de in het artikel voorgestelde methode van territoriumanalyse met behulp van het "thermische" model ligt in het gebruik van indicatoren voor de ontwikkeling van het territorium - mogelijkheden, gepresenteerd in numerieke termen en die de mate van invloed van het object weerspiegelen (invloedsfactor) op het grondgebied.
Om de essentie van de studie te begrijpen, moeten een paar woorden worden gezegd over het thermische potentieel zelf en moet de fysieke interpretatie ervan worden gegeven.
In de natuurkunde zijn er concepten als krachtveld и Power functie. Het krachtveld heeft de dimensie van energie, de krachtfunctie heeft de dimensie van kracht.
Voor de wet van de universele zwaartekracht wordt het krachtveld gedefinieerd door de formule:
F=k/r2, waar
k is een constante;
r is de afstand tussen op elkaar inwerkende objecten.
De krachtfunctie ϕ wordt gegeven door:
dϕ=-F*dr, waar
ϕ is het krachtveldpotentieel;
dϕ, dr zijn differentiëlen;
r is de afstand tussen op elkaar inwerkende objecten,
vandaar ϕ=k/r.
De fysieke betekenis van het potentieel van het krachtveld ϕ is de arbeid E die het krachtveld verricht tijdens het passeren van een bepaald pad. In het geval van de wet van universele zwaartekracht, wanneer de afstand tot het object verandert van r2 naar r1, wordt de krachtfunctie bepaald door de formule
E=k*(1/r1-1/r2), waar
E is het werk dat door het krachtveld wordt gedaan tijdens het passeren van een bepaald pad;
r1, r2 – begin- en eindpositie van het object.
Voor het probleem van territoriumanalyse kan de invloed van objecten (factoren) op het territorium worden beschouwd als een kracht (Power functie), en het ontwikkelingsniveau van het gebied, als het totale thermische potentieel (krachtveld) van alle objecten (factoren). In de natuurkundige problemen is de thermische potentiaal temperatuur, en in de problemen van het analyseren van territoria met behulp van een "thermisch" model, is de potentiaal het totale effect van alle factoren die van invloed zijn op een punt in het territorium.
Ruimtelijke gegevens zijn punten, lijnen, veelhoeken. Om de mogelijkheden te berekenen, worden uitgebreide ruimtelijke gegevens opgedeeld in kleine fragmenten. Voor elk fragment wordt de potentiaal van een punt met een vermenigvuldiger gelijk aan de grootte van het objectfragment (factor) berekend.
De gegevens zijn verdeeld in semantische groepen volgens het principe van nauwe gelijkenis. Handelsvoorwerpen worden bijvoorbeeld gegroepeerd op goederen. Er zijn groepen bosobjecten, waterobjecten, nederzettingen, transportstops, enz. In betekenis verenigde groepen vertegenwoordigen een factor. Nadat we alle objecten (factoren) hebben doorlopen, verkrijgen we een reeks thermische potentialen die geschikt zijn voor verdere verwerking.
Het gebruik van potentiëlen ("thermische kaarten") stelt u in staat om van ruimtelijke gegevens naar "thermische" beelden van objecten (factoren) van invloed op het territorium te gaan (visualisatie van potentiëlen). Een dergelijke overgang maakt het mogelijk om de mate van aanwezigheid van de factor op elk punt van het territorium te bepalen en verdere analyse uit te voeren, d.w.z. verschillende richtingen van stadsontwikkeling in kleur weergeven. Zo krijgen we een gloed van verschillende intensiteit voor elk punt van het territorium.
Voorbeelden van "thermische" beelden van het grondgebied van Nizhny Novgorod in de context van verschillende factoren worden hieronder weergegeven.
"Hitte" -kaart van de stad Nizjni Novgorod, die de factor "Apotheekketen" weergeeft
"Hitte" kaart van de stad Nizjni Novgorod, die de factor "Poliklinieken voor volwassenen" weergeeft
"Hitte" kaart van de stad Nizjni Novgorod, die de factor "Kinderpoliklinieken" weergeeft
"Hitte" kaart van de stad Nizhny Novgorod, als gevolg van de factor "Industriële zones"
"Thermische" beelden van het territorium maken het mogelijk om de concentratie van potentialen van verschillende invloedsobjecten te bepalen. Vervolgens is het noodzakelijk om de verkregen mogelijkheden te combineren tot een integraal kenmerk, waardoor het territorium op een groot aantal factoren kan worden beoordeeld. Dit vereist een methode waarmee u een grote hoeveelheid informatie kunt analyseren, objecten kunt herkennen en de dimensie van gegevens kunt verkleinen, waarbij u zo min mogelijk informatie verliest. Een van die methoden is de principale componentenanalyse (PCA). Meer informatie over deze methode is te vinden in .
De essentie van de methode is het vinden van een lineaire combinatie van initiële parameters die het sterkst verandert op het gebied van analyse. Voor ruimtelijke gegevens - de sterkst veranderende over het grondgebied.
De methode van de hoofdcomponent identificeert objecten (factoren) die het meest veranderen over het territorium. Als resultaat van de methode verschijnen nieuwe variabelen - de hoofdcomponenten, die informatiever zijn dan de oorspronkelijke gegevens, met behulp waarvan het gemakkelijker is om het territorium te analyseren, beschrijven en visualiseren waarop het gemakkelijker is om modellen te bouwen.
De belangrijkste componenten zijn analytische uitdrukkingen - de som van de mogelijkheden van de initiële factoren met enkele coëfficiënten. Als een factor echter een significante impact heeft op het territorium, maar niet verandert in het geanalyseerde territorium, zal de hoofdcomponentenmethode deze factor niet opnemen in de hoofdcomponenten.
De belangrijkste componenten zijn geordend in aflopende volgorde van informatie - d.w.z. verspreiding over het grondgebied. De eerste hoofdcomponenten bevatten veel meer informatie dan individuele factoren en beschrijven het territorium goed. Als er ongeveer honderd factoren worden gebruikt, bevat de eerste hoofdcomponent in de regel ongeveer 50% van alle informatie (verspreiding) op het grondgebied. De hoofdcomponenten correleren niet met elkaar en kunnen voor modellen worden gebruikt als kenmerken van het territorium op elk punt.
Het hoofdbestanddeel, als een abstract berekende indicator van het territorium, heeft geen duidelijke naam en classificatie. Een combinatie van factoren die sterk samenhangen met de hoofdcomponent stelt ons echter in staat de hoofdcomponenten te interpreteren. In de regel correleren de volgende factoren met de hoofdcomponenten:
— het ontwikkelingsniveau van de infrastructuur;
— vervoersdeel van het grondgebied;
— klimaatzones;
— het ontwikkelingsniveau van de landbouw;
- het economisch potentieel van het gebied.
Verdere analyse, inclusief clustering, gaat verder met de eerste paar belangrijke hoofdcomponenten.
In de figuren ziet men een grafische weergave van de eerste hoofdcomponenten op het grondgebied van verschillende steden van de Russische Federatie.
De eerste hoofdcomponent die het ontwikkelingsniveau van de stedelijke infrastructuur in de stad Nizjni Novgorod kenmerkt
De eerste hoofdcomponent die het ontwikkelingsniveau van de stedelijke infrastructuur in Yekaterinburg kenmerkt
De eerste hoofdcomponent die het ontwikkelingsniveau van de stedelijke infrastructuur in Kazan kenmerkt
De eerste hoofdcomponent die het ontwikkelingsniveau van de stedelijke infrastructuur in Perm kenmerkt
De eerste hoofdcomponent die het ontwikkelingsniveau van de stedelijke infrastructuur in Samara kenmerkt
De eerste hoofdcomponent die het ontwikkelingsniveau van de stedelijke infrastructuur van Khabarovsk kenmerkt
Integrale kenmerken: clustering
De volgende fase van het werk aan de analyse van territoria is het zoeken naar zones van de stedelijke omgeving die homogeen van kwaliteit zijn. Deze zoekopdracht is gebaseerd op de analyse van de waarden van de belangrijkste componenten op elk punt van het territorium. De taak van het vinden van deze homogene zones kan worden opgelost met behulp van clustering - het proces van het groeperen van territoria volgens het principe van nabijheid van een reeks kenmerken.
Territoriumclustering heeft twee doelen:
- het creëren van een beter waargenomen visualisatie van het territorium;
- toewijzing van gebieden voor de voorbereiding van individuele modellen.
Territoria zijn geclusterd volgens de geselecteerde factoren voor analyse. Deze factoren kunnen factoren zijn die de prijs beïnvloeden of factoren die een bepaald aspect van de ontwikkeling van het territorium beschrijven, bijvoorbeeld de sociale sfeer.
Er zijn twee gebruikelijke klassieke clustermethoden: de K-means-methode en de dendrogram-methode. Bij het werken met territoria heeft de K-means-methode zich goed bewezen, een kenmerk hiervan is het "groeien" van een cluster door nieuwe objecten aan groeipunten te bevestigen. De voordelen van de K-means-methode liggen in de gelijkenis van haar werk met het natuurlijke proces van territoriumvorming: de integratie van gelijksoortige, in plaats van de scheiding van ongelijksoortige.
Met behulp van de K-means-methode is een berekening gemaakt voor Nizjni Novgorod (figuur hieronder).
Conformiteit van clusters met het ontwikkelingsniveau van het grondgebied naar het voorbeeld van de stad Nizhny Novgorod
Met de voorgestelde aanpak kun je een beeld krijgen van het territorium over verschillende onderwerpen. Onderwerpen die voor ons van belang zijn, kunnen bijvoorbeeld het ontwikkelingsniveau van de stedelijke infrastructuur, het niveau van "elite" van het gebied, het ontwikkelingsniveau van de cultuur, de sociale component van de ontwikkeling van het gebied zijn. Deze thema's zijn slecht gedefinieerde integrale concepten en bestaan uit veel samenhangende factoren.
Met een algoritme voor het selecteren van parameters voor analyse (ook met de betrokkenheid van experts), krijgen we thematische kaarten die een idee geven van één aspect van de ontwikkeling van het territorium.
De integrale kenmerken worden opgevat als de eerste hoofdcomponenten, in de eerste plaats de meest informatieve eerste hoofdcomponent, en de clustering van het territorium volgens de geselecteerde parameters.
Thematische kaarten van de eerste hoofdcomponenten voor verschillende aspecten van ontwikkeling zijn weergegeven in onderstaande figuren.
Thematische kaart "Objecten van cultuur" naar het voorbeeld van de stad Nizjni Novgorod
Thematische kaart "Sociale sfeer" naar het voorbeeld van de stad Nizjni Novgorod
Integrale kenmerken maken het mogelijk om de kenmerken van het territorium te begrijpen, waarbij met een verscheidenheid aan factoren wordt gewerkt met minimaal informatieverlies.
Concluderend is het nogmaals vermeldenswaard dat de analyse van territoria tegenwoordig een uiterst belangrijke fase is bij het oplossen van de problemen van de ontwikkeling van de stedelijke omgeving, het kiezen van plaatsen om in de bouw te investeren, het vinden van de meest voordelige locatie voor nieuwe voorzieningen en andere taken.
De in het artikel voorgestelde methode van territoriumanalyse met behulp van het "thermische" model van factoren van verschillende aard is niet kritisch voor de reeks factoren, d.w.z. legt geen beperkingen en vereisten op aan de initiële informatie.
De diversiteit en redundantie van de broninformatie, evenals de mogelijkheid om open data te gebruiken, biedt onbeperkte perspectieven voor de analyse van alle territoria мира.
In de volgende publicaties gewijd aan de problemen van territoriumanalyse, zijn we van plan de kenmerken te onthullen van het bouwen van modellen met behulp van hoofdcomponenten en methoden voor hun implementatie voor taken als:
– kiezen van de beste plek bij het plaatsen van een nieuw object;
— constructie van een prijsoppervlak voor een bepaalde categorie objecten op basis van marktwaarde;
-beoordeling van de winstgevendheid van een bepaald type activiteit afhankelijk van de locatie van de objecten.
Het is ook de bedoeling om methoden te presenteren voor de omgekeerde overgang van de hoofdcomponenten naar de factoren, waardoor je op zijn beurt een model kunt krijgen van de factoren voor een bepaald gebied.
Bron: www.habr.com