Teknisk implementering av termisk potensialmetode for territorieanalyse

I den første publikasjonen (Bruk av termiske potensialer for territorieanalyse) beskrev vi hvordan termiske potensialer kan brukes til å analysere territorier generelt. I de følgende publikasjonene var det planlagt å beskrive hvordan informasjon om romlige objekter lagres i databaser, hvordan modeller fra hovedkomponentene bygges, og generelt hvilke oppgaver territorieanalyse kan være. Men først ting først.

Ved å bruke den termiske potensialmetoden gjør det først og fremst mulig å få en generell ide om territoriet som er av interesse for oss. For eksempel ved å ta den første informasjonen fra OSM for byen Barcelona (Catalonia), og utføre en integrert analyse uten å velge parametere, kan vi få "termiske" bilder av de første hovedkomponentene. Vi snakket også om "varme"-kart i den første artikkelen, men det ville ikke være galt å huske at begrepet "varme"-kart oppsto på grunn av den fysiske betydningen av potensialene som ble brukt til integrert analyse. De. i fysikkproblemer er potensial temperatur, og i territorielle analyseproblemer er potensial den totale effekten av alle påvirkningsfaktorer på et spesifikt punkt på territoriet.

Nedenfor er et eksempel på et "varme" kart over byen Barcelona oppnådd som et resultat av integrert analyse.

"Heat" kart over den første hovedkomponenten, uten parametervalg, Barcelona

Og ved å angi en spesifikk parameter (i dette tilfellet valgte vi industri), kan du få et "varme" kart direkte for det.

Varmekart over den første hovedkomponenten, industri, Barcelona

Selvfølgelig er analyseproblemene mye bredere og mer varierte enn å få en generell vurdering av det valgte territoriet, derfor vil vi som et eksempel i denne artikkelen vurdere problemet med å finne den beste plasseringen når du plasserer et nytt objekt og den tekniske implementering av den termiske potensialmetoden for å løse den, og i fremtidige publikasjoner vil vi se på andre.

Å løse problemet med å finne den beste plasseringen når du plasserer et nytt objekt vil bidra til å bestemme hvor "klar" territoriet er til å akseptere dette nye objektet, hvordan det vil korrelere med andre objekter som allerede eksisterer i territoriet, hvor verdifullt dette nye objektet vil være for territoriet og hvilken verdi det vil tilføre.

Stadier av teknisk implementering

Den tekniske implementeringen kan representeres av sekvensen av prosedyrer som er oppført nedenfor:

1. Forberede informasjonsmiljøet.
2. Søk, innsamling og bearbeiding av kildeinformasjon.
3. Konstruksjon av et rutenett av noder i det analyserte territoriet.
4. Å bryte ned territoriefaktorer i fragmenter.
5. Beregning av potensialer fra faktorer.
6. Utvalg av faktorer for å skape tematiske integrerte kjennetegn ved territoriet.
7. Anvendelse av hovedkomponentmetoden for å oppnå integrerte indikatorer for territoriet.
8. Opprettelse av modeller for valg av sted for bygging av et nytt anlegg.

1. stadie. Forberede informasjonsmiljøet

På dette stadiet er det nødvendig å velge et databasestyringssystem (DBMS), bestemme informasjonskilder, metoder for å samle informasjon og mengden informasjon som samles inn.
For vårt arbeid brukte vi PostgeSql-databasen (DB), men det er verdt å merke seg at enhver annen database som fungerer med SQL-spørringer vil gjøre det.

Databasen vil lagre innledende informasjon - romlige data om objekter: datatyper (punkter, linjer, polygoner), deres koordinater og andre egenskaper (lengde, areal, mengde), samt alle beregnede verdier oppnådd som et resultat av arbeidet som er utført og resultatene av selve arbeidet.

Statistisk informasjon presenteres også som romlige data (for eksempel regioner i en region med statistiske data tildelt disse regionene).

Som et resultat av transformasjon og prosessering av den innsamlede innledende informasjonen, dannes tabeller som inneholder informasjon om lineære, punkt- og arealfaktorer, deres identifikatorer og koordinater.

Trinn 2. Søk, innsamling og bearbeiding av kildeinformasjon

Som innledende informasjon for å løse dette problemet, bruker vi informasjon fra åpne kartografiske kilder som inneholder informasjon om territoriet. Lederen, etter vår mening, er OSM-informasjon, som oppdateres daglig over hele verden. Men hvis du klarer å samle informasjon fra andre kilder, blir det ikke verre.
Informasjonsbehandling består i å bringe den til ensartethet, eliminere falsk informasjon og forberede den for lasting i databasen.

Trinn 3. Konstruksjon av et rutenett av noder i det analyserte territoriet

For å sikre kontinuiteten til det analyserte territoriet, er det nødvendig å konstruere et rutenett på det, hvis noder har koordinater i et gitt koordinatsystem. Ved hver grid node vil den potensielle verdien deretter bli bestemt. Dette vil tillate deg å visualisere homogene områder, klynger og de endelige analyseresultatene.

Avhengig av oppgavene som skal løses, er to alternativer for å konstruere et rutenett mulig:
— Rutenett med vanlig trinn (S1) – er observerbar over hele territoriet. Den brukes til å beregne potensialene fra faktorene, bestemme de integrerte egenskapene til territoriet (hovedkomponenter og klynger) og vise modelleringsresultatene.

Når du velger dette rutenettet, må du spesifisere:

• rutenettavstand - intervallet som rutenettnoder vil være plassert i;
• grensen til det analyserte territoriet, som kan tilsvare en administrativ-territoriell inndeling, eller det kan være et område på kartet som begrenser beregningsområdet i form av en polygon.

— Rutenett med uregelmessig avstand (S2) beskriver individuelle punkter i territoriet (for eksempel centroider). Den brukes også til å beregne potensialer fra faktorer, og bestemme de integrerte egenskapene til territoriet (hovedkomponenter og klynger). Modellering med beregnede hovedkomponenter utføres nøyaktig på et rutenett med et uregelmessig trinn, og for å visualisere simuleringsresultatene overføres klyngetall fra rutenettnoder med et uregelmessig trinn til rutenettnoder med et regulært trinn i henhold til prinsippet om koordinaters nærhet .
I databasen lagres informasjon om koordinatene til rutenettnoder i form av en tabell som inneholder følgende informasjon for hver node:

• node ID;
• nodekoordinater (x, y).

Eksempler på rutenett med regelmessig avstand for ulike territorier med ulik avstand er vist i figurene nedenfor.

Dekningsnett for Nizhny Novgorod (røde prikker). Dekningsnett for Nizhny Novgorod-regionen (blå prikker).

Trinn 4 Å bryte ned territoriefaktorer i fragmenter

For videre analyse må utvidede faktorer for territoriet konverteres til en rekke diskrete faktorer slik at hver rutenettnode inneholder informasjon om hver faktor som er tilstede i den. Lineære faktorer er delt inn i segmenter, arealfaktorer i fragmenter.

Delingstrinnet velges basert på området til territoriet og den spesifikke faktoren; for store områder (region) kan skilletrinnet være 100-150 m; for mindre områder (by) kan skilletrinnet være 25-50 m .

I databasen lagres informasjon om delingsresultatene i form av en tabell som inneholder følgende informasjon for hvert fragment:

• faktoridentifikator;
• koordinatene til tyngdepunktene til de resulterende partisjonsfragmentene (x, y);
• lengde/areal av partisjonsfragmentene.

Trinn 5 Beregning av potensialer fra faktorer

En av de mulige og forståelige tilnærmingene til å analysere innledende informasjon er å betrakte faktorer som potensialer fra påvirkningsobjekter.

La oss bruke den grunnleggende løsningen av Laplaces ligning for det todimensjonale tilfellet - logaritmen til avstanden fra punktet.

Med hensyn til kravet om en endelig potensiell verdi ved null og begrensningen av potensiell verdi over store avstander, bestemmes potensialet som følger:

for r<r1 (1)

for r2>r>=r1

for r>=r2

Type påvirkningspotensial fra et punktobjekt

Den logaritmiske funksjonen må være avgrenset til null og rimelig avgrenset i en viss avstand fra faktorene. Hvis vi ikke gjorde begrensninger på potensialet i store avstander fra faktoren, ville vi måtte ta hensyn til en enorm mengde informasjon langt fra det analyserte punktet, noe som praktisk talt ikke har noen effekt på analysen. Derfor introduserer vi verdien av virkningsradiusen til faktoren, utover hvilken bidraget til potensialet fra faktoren er null.

For en by antas radiusen til faktoren å være lik en halvtime fotgjenger tilgjengelighet - 2 meter. For regionen bør vi snakke om en halvtime transportere tilgjengelighet - 20 000 meter.

Som et resultat av å beregne potensielle verdier, har vi det totale potensialet fra hver faktor ved hver node i det vanlige nettet.

Etappe 6. Utvalg av faktorer for å skape tematiske integrerte kjennetegn ved territoriet

På dette stadiet velges de mest betydningsfulle og informative faktorene for å skape tematiske integrerte kjennetegn ved territoriet.

Valget av faktorer kan utføres automatisk ved å sette visse grenser for parametrene (korrelasjon, prosentandel av innflytelse, etc.), eller det kan gjøres ekspert, kjenne til temaet for problemet og ha en viss forståelse av territoriet.

Etter at de mest betydningsfulle og informative faktorene er valgt, kan du fortsette til de neste trinnene - tolkning av hovedkomponentene.

Etappe 7 Anvendelse av hovedkomponentmetoden for å oppnå integrerte indikatorer for territoriet. Gruppering

Den første informasjonen om territoriefaktorene, konvertert på forrige trinn til potensialer beregnet for hver nettnode, kombineres til nye integrerte indikatorer - hovedkomponentene.

Hovedkomponentmetoden analyserer variabiliteten av faktorer i studieområdet og finner, basert på resultatene fra denne analysen, deres mest variable lineære kombinasjon, som gjør det mulig å beregne målet for deres endring - spredning over territoriet.

La oss ta et generelt problem for å lage en modell for å tilnærme en lineær modellfunksjon til gitte verdier
(2)
Der i er komponentnummeret,
n – antall komponenter involvert i beregningen
j – nodeindeks for et territoriumpunkt, j=1..k
k - antallet av alle noder i territoriumnettet som beregningen av hovedkomponentene ble utført for
— koeffisient for den i-te hovedkomponenten i modellen
– verdien av den i-te hovedkomponenten ved det j-te punktet
B – friperiode for modellen
— potensial ved det j-te punktet av faktoren vi bygger en modell for

La oss bestemme de ukjente i ligningen (2) minste kvadraters metode, ved å bruke egenskapene til hovedkomponentene:
(3)
Der i og i2 er komponentnummer, i<>i2
j — territorium nodeindeks
k er antallet av alle territoriumnoder
(4)

(3) betyr ingen korrelasjon mellom komponenter
(4) – den totale verdien av en komponent er null.

Vi får:

(5)
Her er notasjonen den samme som i Eq. (2), betyr den gjennomsnittlige potensielle verdien

Dette resultatet kan tolkes som følger:
Modellen er et enkelt uttrykk som består av gjennomsnittsverdien av den simulerte verdien og enkle korrigeringer til denne for hver av komponentene. Resultatet må som et minimum inkludere dummyleddet B og den første hovedkomponenten. Nedenfor er eksempler på varmekart over de første hovedkomponentene for Nizhny Novgorod-regionen.

Basert på de beregnede hovedkomponentene kan homogene regioner konstrueres. dette kan gjøres både for alle parametere og for eksempel bare for prissetting - dvs. utføre gruppering. For dette kan du bruke K-betyr metode. For hver homogen region beregnes gjennomsnittsverdien av den første hovedkomponenten, som karakteriserer utviklingsnivået til territoriet.
Et eksempel på klynging etter prisparametere for Nizhny Novgorod-regionen er gitt nedenfor.

Ved å bruke de oppnådde hovedkomponentene som parametere for kostnadsmodellen, kan vi også få tak i prisoverflaten til territoriet.

Prisoverflaten til Nizhny Novgorod

Etappe 8. Opprettelse av modeller for valg av sted for bygging av et nytt anlegg

For å velge det mest attraktive stedet for plasseringen av et nytt objekt (heretter referert til som "objektet"), er det nødvendig å sammenligne plasseringen av "objektet" med den omkringliggende infrastrukturen. For at «objektet» skal fungere, må det være nok ressurser til å sikre dets funksjon; et stort antall faktorer, både positive og negative påvirkninger på «objektet» må tas i betraktning. Hele settet av disse faktorene kan defineres som et "næringsstoff" miljø for funksjonen til "objektet". Korrespondansen mellom antall objekter og antall ressurser i territoriet er grunnlaget for stabil funksjon av "objektet".

Resultatet av denne sammenligningen er potensialet beregnet for hvert punkt på territoriet og tillater en visuell og analytisk analyse av valg av plassering for å plassere et nytt "objekt".

For handel er blant annet en konstant strøm av kjøpere viktig, noe som betyr at listen over faktorer som må tas i betraktning for handelsobjekter også bør inkludere de som sikrer denne flyten (for eksempel sosiale infrastrukturanlegg, arbeidssteder, bosteder, transportveier osv.).

På den annen side, når alle betingelser er oppfylt for å sikre at detaljhandelen fungerer, er det nødvendig å ta hensyn til tettheten av detaljhandelsanlegg, siden "forbruk" av miljøet fører til en reduksjon i muligheten for kjøp. Strømmen av mennesker er ikke ubegrenset, og det samme gjelder deres økonomiske ressurser og fysiske evner.

Algoritmen for å løse problemet med å velge den beste plasseringen for et objekt kommer ned til det faktum at potensialet oppnådd som en funksjon av hovedkomponentene er så nært som mulig potensialet til et sett med objekter av typen "objekt"; deretter beregnes forskjellen mellom potensialet til modellen og potensialet til objekter av typen "objekt"; verdien av bidragspotensialet til ett "objekt" trekkes fra den resulterende forskjellen; De negative verdiene som er oppnådd i dette tilfellet erstattes av null, det vil si at de stedene der det ikke er nok ressurser til å fungere til det nye "objektet", elimineres.

Som et resultat av handlingene som er iverksatt, oppnår vi poeng av territoriet med en positiv potensiell verdi, det vil si steder med gunstig plassering av vårt "objekt".

Vi har med andre ord de beregnede potensialene til alle faktorene til rådighet og faktoren vi ønsker å bygge en modell for og analysere det valgte tematiske området (handel, industri, kultur, sosial sfære, etc.)

For å gjøre dette er det nødvendig å velge faktorer for å konstruere miljøvariabler - hovedkomponentene - og deretter beregne modeller basert på dem.
Vi foreslår å velge faktorer ved å analysere korrelasjonene mellom alle faktorer med referansefaktoren til det tematiske området. For kultur kan det for eksempel være teatre, for utdanningssystemet, skoler osv.

Vi beregner korrelasjonen av standardpotensialet med potensialene til alle faktorer. Vi velger de faktorene hvis korrelasjonskoeffisienter i størrelsesorden er større enn en viss verdi (ofte tas verdien av minimumkorrelasjonskoeffisienten = 0).
(6)
der — absolutt verdi av korrelasjonskoeffisienten til den i-te faktoren med standarden.

Korrelasjonen beregnes over alle rutenettnoder som dekker territoriet.

Forskjellen mellom potensialet til modellen og potensialet til objekter av samme type som det nye objektet i ligningen (2) viser potensialet til territoriet, som kan brukes til å lokalisere nye anlegg.

Som et resultat får vi den potensielle verdien, som kjennetegner nyttegraden av plasseringen av "objektet" i studieområdet.

Et eksempel på hvordan du grafisk kan vise de anbefalte plasseringene for et nytt "objekt" er gitt nedenfor.

Dermed kan resultatet av å løse problemet med å velge den beste plasseringen for et nytt objekt representeres som en vurdering av territoriet i poeng på hvert punkt, noe som gir en ide om potensialet for å lokalisere et investeringsobjekt, dvs. jo høyere score, jo mer lønnsomt er det å lokalisere objektet.

Avslutningsvis er det verdt å si at vi i denne artikkelen har vurdert bare ett problem som kan løses ved hjelp av territorieanalyse, med data fra åpne kilder tilgjengelig. Faktisk er det mange problemer som kan løses med dens hjelp, antallet begrenses bare av fantasien din.

Kilde: www.habr.com