Przykład obliczenia potencjału cieplnego dla miejskiej sieci w Niżnym Nowogrodzie
Terytorium miasta to skomplikowany, niejednorodny system, który jest w ciągłej zmianie. Opisanie terytorium i przeprowadzenie oceny miejskiego środowiska można zrealizować za pomocą obiektów przestrzennych (czynników). Czynniki te różnią się charakterem wpływu (pozytywnym, negatywnym) oraz konfiguracją geometryczną (punkty, linie, poligony).
Często trudno jest określić stopień wpływu każdego pojedynczego obiektu na poziom rozwoju terytorium jako całości lub na jakiś jego pojedynczy aspekt. Obecnie problem definiowania i opisywania takich pojęć jak "kultura", "sfera społeczna", "napięcia społeczne", "dobre życie", "rozwój gospodarczy", "zdrowie populacji" staje się coraz bardziej aktualny. Niejednoznaczność tych pojęć wzrasta, jeśli chcemy zastosować je do różnych grup społecznych, populacji w różnych przedziałach wieku oraz płci.
Należy również zauważyć, że granice miasta w nowoczesnym rozumieniu są dość umowne. Codzienna migracja mieszkańców oraz dostępność komunikacyjna odległych obszarów "rozmywają granicę" miasta jeszcze bardziej. Powszechnie stosowane teraz pojęcie aglomeracji ogólnie odzwierciedla granice miasta, jednocześnie czyniąc sam koncept granicy miasta jeszcze bardziej nieostrym.
Pomimo opisanych powyżej problemów, analiza i ocena terytoriów są dziś jednym z obiecujących i interesujących kierunków, które pozwalają na rozwiązanie wielu aktualnych problemów miejskiego środowiska.
W artykule proponuje się metodę analizy terytorium z wykorzystaniem modelu "cieplnego". Podstawą tej metody jest badanie potencjałów generowanych przez obiekty (czynniki) różnej natury (punktowe, liniowe i powierzchniowe). Analiza terytorium za pomocą tej metody pozwala przejść od zestawu danych przestrzennych (czynników) opisujących terytorium do dokładnej ilościowej (punktowej) oceny w każdym punkcie terytorium.
Analizowane w ramach badania terenu potencjały mają fizyczną interpretację – rozprzestrzenianie ciepła w mediach o różnej wymiarowości (2D, 3D). Zjawisko to można przedstawić w postaci „termalnych” obrazów („termalnych” map terenu), które dają wyobrażenie o stopniu rozwoju terytorium w zależności od intensywności koloru obrazu.
Czynniki terenu
Analiza terenu zakłada poszukiwanie i przetwarzanie informacji na temat czynników wpływających na terytorium oraz ich wskaźników. Czynnikami wpływającymi są obiekty mające wpływ na otaczające terytorium, charakteryzujące się zestawem cech i współrzędnymi przestrzennymi. Przykładami czynników wpływów mogą być sklepy, obiekty przemysłowe, drogi, lasy, obiekty wodne.
Wskaźnikami wpływu są obiekty, odzwierciedlające wpływ obiektów, które również mają zestaw cech i współrzędnych przestrzennych. Przykładami wskaźników wpływu są: bankomaty, billboardy, pomniki.
W dalszej części będziemy posługiwać się pojęciem czynniki wpływu, które łączy oba terminy – czynniki i wskaźniki wpływu.
Poniżej znajduje się przykład danych przestrzennych, które stanowią czynniki wpływu.
Jednym z ważnych etapów realizacji prac nad analizą terenów jest etap zbierania i przetwarzania informacji wyjściowej. Obecnie informacji o czynnikach wpływu na terytorium o różnym poziomie szczegółowości jest dość dużo.
Informacje mogą pochodzić ze źródeł otwartych lub z ograniczonym dostępem. W wielu przypadkach informacji otwartych wystarcza do analizy, chociaż, jak zwykle, wymagają one dość pracochłonnej obróbki.
Wśród otwartych źródeł liderem, naszym zdaniem, jest zasób – OpenStreetMap (OSM). Informacje pozyskiwane z tego źródła są aktualizowane codziennie na całym świecie.
Informacje zasobu OpenStreetMap (OSM) są przedstawiane w następujących formatach:
— format OSM. Główny format z rozszerzeniem „.osm” używany do opisywania obrazów graficznych XML – węzły, ścieżki, relacje.
— „Format polski”. Format tekstowy z rozszerzeniem „.mp” używany do pracy z grafiką.
— format PBF. Format przechowywania danych z rozszerzeniem „.osm.pbf”.
Jako źródła informacji można również wykorzystać:
— 2GIS
Zasób zawiera wysokiej jakości, comiesięcznie przetwarzane informacje, z doskonałym 3-poziomowym klasyfikatorem dla przedsiębiorstw i organizacji.
— Pliki KML (Keyhole Markup Language)
Pliki KML (Keyhole Markup Language) to format plików używany do wyświetlania danych geograficznych w programach Google Earth, Google Maps i Google Maps na urządzenia mobilne.
Za pomocą plików KML można:
— ustawiać różne ikony i tworzyć podpisy wskazujące miejsca na powierzchni Ziemi
— tworzyć różne ujęcia dla wybranych obiektów, zmieniając położenie kamery
— używać różnych nakładanych obrazów
— definiować style dla dostosowania wyświetlania obiektu, stosować kod HTML do tworzenia hiperłącz i osadzonych obrazów
— używać folderów do hierarchicznego grupowania elementów
— dynamicznie uzyskiwać i aktualizować pliki KML z zdalnych lub lokalnych węzłów sieciowych
— uzyskiwać dane KML zgodnie ze zmianami w narzędziu do przeglądania 3D
— Federalna Służba Zarejestrowania, Katastru i Kartografii "Rosrejestr"
Informacje na portalu Rosrejestru są cenne dzięki swojej treści i aktualności, ale niestety nie umożliwiają uzyskania grafiki dotyczącej obiektów budowlanych i działek na zasadzie bezpłatnej. Portal Rosrejestru zawiera również dużą ilość informacji ograniczonego dostępu.
— Organy statystyki
Dane statystyczne to legitymne źródło informacji o terytorium, jednak na dziś dane organów statystyki są dostępne tylko dla niektórych wskaźników, głównie w raportach organów statystyki i sprawozdaniach władzy regionalnej.
— Systemy informacyjne organów władzy
Wysokiej jakości informacje zawarte są w systemach informacyjnych organów władzy, jednak tylko ich niewielka część jest publikowana w otwartym dostępie i dostępna do analizy.
Przeprowadzanie analizy terenu nie narzuca żadnych konkretnych wymagań dotyczących składu informacji; w zasadzie można korzystać ze wszystkiego, co udało się znaleźć, informacje z publicznie dostępnych źródeł zazwyczaj są zamienne. Należy jednak zauważyć, że nawet jedna informacja uzyskana z zasobu OSM wystarczy, aby przeprowadzić analizę nieznanego terenu.
Analiza terenu z zastosowaniem modelu «cieplnego». Fizyczna interpretacja potencjałów.
Jak już wcześniej wspomniano, analiza terenu jest dzisiaj aktualnym tematem i potężnym narzędziem do argumentacji na rzecz przyciągania inwestycji w rozwój infrastruktury różnych środowisk miejskich.
Różnorodność zadań, które można rozwiązać dzięki przeprowadzaniu analizy terenu, można połączyć w kilka głównych kierunków:
— Uzyskanie maksymalnie interpretowalnej i szczegółowej oceny terenu w każdym jego punkcie.
Rozwiązując postawione zadanie, można uzyskać zestaw ocen punktowych w każdym punkcie terenu, co daje obraz poziomu rozwoju obszaru w ogóle oraz w danej dziedzinie. Taką dziedziną może być np. kultura, przemysł, handel itd.
— Określenie najbardziej korzystnych miejsc na umieszczenie obiektów inwestycyjnych konkretnego typu (np. banków, specjalistycznych sklepów, centrów handlowo-rozrywkowych itd.) na wybranym terenie.
— Analiza najefektywniejszego wykorzystania terenu.
Ten kierunek pozwala na szczegółowe badanie cech terenu, sytuacji rynkowej panującej na badanym terenie, oraz identyfikację poszukiwanych opcji.
— Określenie wpływu jednego czynnika na model wartości, na przykład w odniesieniu do pojawienia się nowych dróg i nowych tras.
— Analiza różnych aspektów jednego terenu oraz analiza różnych terenów (porównanie terenów).
Oryginalność przedstawionej w artykule metody analizy terenu z zastosowaniem modelu «cieplnego» polega na wykorzystaniu wskaźników rozwoju terenu — potencjałów, przedstawionych w formie liczbowej, które odzwierciedlają stopień wpływu obiektu (czynnika wpływającego) na teren.
Aby zrozumieć sedno badania, należy powiedzieć kilka słów o samym potencjale cieplnym i podać jego fizyczną interpretację.
W fizyce istnieją takie pojęcia jak pole siłowe i funkcja siłowa. Pole siłowe ma wymiar energii, funkcja siłowa – wymiar siły.
Dla prawa powszechnej grawitacji pole siłowe definiuje się wzorem:
F=k/r2, gdzie
k – stała;
r – odległość między oddziałującymi obiektami.
Funkcja siłowa ϕ definiuje się wyrażeniem:
dϕ=-F*dr, gdzie
ϕ — potencjał pola siłowego;
dϕ, dr – różniczki;
r — odległość między oddziałującymi obiektami,
stąd ϕ=k/r.
Fizyczny sens potencjału pola siłowego ϕ – to praca E, wykonywana przez pole siłowe podczas przebywania pewnego dystansu. W przypadku prawa powszechnej grawitacji, przy zmianie odległości do obiektu z r2 do r1, funkcja siłowa określona jest wzorem
E=k*(1/r1-1/r2), gdzie
E – praca wykonywana przez pole siłowe podczas przebywania pewnego dystansu;
r1, r2 – początkowa i końcowa pozycja obiektu.
W zadaniu analizy obszaru wpływ obiektów (czynników) na obszar można rozpatrywać jako siłę (funkcję siłową), a poziom rozwoju obszaru jako łączny potencjał cieplny (pole siłowe) ze wszystkich obiektów (czynników). W zadaniach fizycznych potencjał cieplny jest temperaturą, a w zadaniach analizy obszarów z użyciem "cieplnej" modelu, potencjał stanowi łączne oddziaływanie wszystkich czynników wpływających na punkt obszaru.
Dane przestrzenne to punkty, linie, poligony. Aby obliczyć potencjały, rozległe dane przestrzenne dzieli się na małe fragmenty. Dla każdego fragmentu oblicza się potencjał od punktu z mnożnikiem równym rozmiarowi fragmentu obiektu (czynnika).
Dane dzieli się na grupy semantyczne według zasady bliskiego podobieństwa. Na przykład, obiekty handlu są grupowane według towarów. Są grupy obiektów leśnych, wodnych, miejscowości, przystanków transportu itd. Połączone semantycznie grupy stanowią czynnik. Przechodząc przez wszystkie obiekty (czynniki), uzyskujemy zestaw potencjałów cieplnych gotowych do dalszej obróbki.
Wykorzystanie potencjałów ("map cieplnych") pozwala przejść od danych przestrzennych do "cieplnych" obrazów obiektów (czynników) wpływu na terytoria (wizualizacja potencjałów). Taka zmiana umożliwia określenie stopnia obecności czynnika w każdym punkcie terytorium oraz przeprowadzanie dalszej analizy, tzn. wyświetlenie różnych kierunków rozwoju miasta w kolorze. W ten sposób uzyskujemy świecenie o różnej intensywności dla każdego punktu terytorium.
Przykłady "cieplnych" obrazów terytorium miasta Niżnego Nowgorodu w aspekcie kilku czynników przedstawione są poniżej.
"Mapa cieplna" miasta N. Nowgorod, odzwierciedlająca czynnik "Sieć apteczna"
"Mapa cieplna" miasta N. Nowgorod, odzwierciedlająca czynnik "Przychodnie dla dorosłych"
"Mapa cieplna" miasta N. Nowgorod, odzwierciedlająca czynnik "Przychodnie dziecięce"
"Mapa cieplna" miasta N. Nowgorod, odzwierciedlająca czynnik "Strefy przemysłowe"
"Cieplne" obrazy terytorium pozwalają określić koncentrację potencjałów z różnych obiektów wpływu. Następnie konieczne jest połączenie uzyskanych potencjałów w zintegrowaną charakterystykę, która pozwala na ocenę terytorium według dużej liczby czynników. W tym celu potrzebna jest metoda, która pozwala analizować dużą ilość informacji, rozpoznawać obiekty oraz zmniejszyć wymiarowość danych, tracąc przy tym jak najmniej informacji. Jedną z takich metod jest metoda głównych składowych (PCA). Szczegółowe informacje na temat tej metody można znaleźć w .
Istota metody polega na znalezieniu liniowej kombinacji oryginalnych parametrów, która najsilniej zmienia się w obszarze analizy. Dla danych przestrzennych – najsilniej zmieniającej się w terenie.
Metoda głownych składowych wydobywa obiekty (czynniki), które najsilniej zmieniają się w terenie. W wyniku działania metody pojawiają się nowe zmienne – główne składowe, które są bardziej informacyjne w porównaniu do danych oryginalnych, dzięki czemu łatwiej analizować, opisywać i wizualizować terytorium, a także budować modele.
Główne składniki to wyrażenia analityczne — suma potencjałów czynników źródłowych z pewnymi współczynnikami. Jednakże jeśli jakiś czynnik ma istotny wpływ na terytorium, ale nie zmienia się na analizowanym obszarze, metoda głównych składników nie uwzględni tego czynnika w składzie głównych składników.
Główne składniki są uporządkowane według malejącej ilości informacji – tzn. rozprzestrzenienia na terytorium. Pierwsze główne składniki niosą w sobie znacznie większe informacje niż pojedyncze czynniki i dobrze opisują terytorium. Zazwyczaj, przy użyciu około stu czynników, pierwszy główny składnik niesie w sobie około 50% całej informacji (wariancji) na terytorium. Główne składniki nie korelują ze sobą i mogą być używane w modelach jako cechy terytorium w każdym punkcie.
Pierwszy składnik, jako pewien abstrakcyjnie obliczany wskaźnik terytorium, nie ma wyraźnej nazwy i klasyfikacji. Jednak zestaw czynników silnie skorelowanych z głównym składnikiem pozwala na interpretację głównych składników. Zazwyczaj z głównymi składnikami korelują następujące czynniki:
— poziom rozwoju infrastruktury;
— transportowy komponent terytorium;
— strefy klimatyczne;
— poziom rozwoju rolnictwa;
— potencjał ekonomiczny terytorium.
Dalsza analiza, w tym klasteryzacja, przebiega z kilkoma pierwszymi istotnymi głównymi składnikami.
Na rysunkach można zobaczyć graficzne przedstawienie pierwszych głównych składników na terytorium kilku miast Federacji Rosyjskiej.
Pierwszy główny składnik, charakteryzujący poziom rozwoju infrastruktury miejskiej w N. Nowogrodzie.
Pierwszy główny składnik, charakteryzujący poziom rozwoju infrastruktury miejskiej w Jekaterynburgu.
Pierwszy główny składnik, charakteryzujący poziom rozwoju infrastruktury miejskiej w Kazaniu.
Pierwszy główny składnik, charakteryzujący poziom rozwoju infrastruktury miejskiej w Permie.
Pierwszy główny składnik, charakteryzujący poziom rozwoju infrastruktury miejskiej w Samarze.
Pierwszy główny składnik, charakteryzujący poziom rozwoju infrastruktury miejskiej w Chabarowsku.
Cechy integralne: klasteryzacja
Kolejny etap prac nad analizą obszarów to poszukiwanie stref miejskiego środowiska, jednorodnych pod względem jakości. Poszukiwania te opierają się na analizie wartości głównych składowych w każdym punkcie obszaru. Zadanie odnalezienia wskazanych jednorodnych stref można rozwiązać poprzez klasteryzację – proces grupowania obszarów według bliskości zestawu cech.
Klasteryzacja obszaru ma dwa cele:
— stworzenie lepiej postrzegalnej wizualizacji obszaru;
— wyodrębnienie obszarów do składania osobnych modeli.
Obszary są klasteryzowane zgodnie z wybranymi czynnikami do analizy. Czynniki te mogą być czynnikami wpływającymi na kształtowanie cen lub czynnikami opisującymi jakąś stronę rozwoju obszaru, na przykład sferę społeczną.
Istnieją dwie popularne klasyczne metody klasteryzacji: metoda K-means i metoda dendrogramów. W pracy z obszarami dobrze sprawdziła się metoda K-means, której cechą jest «wyhodowanie» klastra poprzez dołączanie nowych obiektów do punktów wzrostu. Zaletą metody K-means jest podobieństwo jej działania do naturalnego procesu kształtowania obszarów: integracja podobnych, a nie dzielenie różnorodnych.
Obliczenia za pomocą metody K-means przeprowadzono dla Niżnego Nowogrodu (rysunek poniżej).
Zgodność klastrów z poziomem rozwoju obszaru na przykładzie miasta N. Nowgorod
Zaproponowane podejście pozwala na uzyskanie wyobrażenia o obszarze w różnych tematach. Interesującymi nas tematami mogą być na przykład poziom rozwoju infrastruktury miejskiej, poziom «elitowości» obszaru, poziom rozwoju kultury, społeczny aspekt rozwoju tego obszaru. Tematy te stanowią słabo zdefiniowane pojęcia integralne i składają się z wielu powiązanych czynników.
Przy pewnym algorytmie doboru parametrów do analizy (w tym przy udziale ekspertów) uzyskamy mapy tematyczne, które dadzą obraz jednego aspektu rozwoju obszaru.
Pod pojęciem cech integralnych rozumie się pierwsze główne składowe, przede wszystkim najbardziej informacyjną pierwszą główną składową, oraz klasteryzację obszaru według wybranych parametrów.
Tematyczne mapy pierwszych głównych komponentów w różnych aspektach rozwoju przedstawione są na rysunkach poniżej.
Tematyczna mapa „Obiekty kultury” na przykładzie miasta N. Nowgorod.
Tematyczna mapa „Sfera społeczna” na przykładzie miasta N. Nowgorod.
Integralne charakterystyki pozwalają zrozumieć cechy terytorium, operując na wielu czynnikach z minimalnymi stratami informacji.
Na zakończenie należy jeszcze raz podkreślić, że analiza terytoriów jest obecnie niezwykle ważnym etapem w rozwiązywaniu zadań związanych z rozwojem przestrzeni miejskiej, wyborze miejsc do inwestowania w budownictwo, poszukiwaniu najbardziej korzystnych lokalizacji nowych obiektów oraz innych zadań.
Proponowana w artykule metoda analizy terytorium z wykorzystaniem modelu „ciepłotowego” przy różnych czynnikach nie jest krytyczna w stosunku do zestawu czynników, tzn. nie nakłada ograniczeń i wymagań co do danych źródłowych.
Różnorodność i nadmiar danych źródłowych, a także możliwość korzystania z danych otwartych, stwarzają nieograniczone perspektywy dla analizy dowolnych terytoriów świata.
W kolejnych publikacjach, poświęconych zagadnieniom analizy terytoriów, planujemy przedstawić cechy składania modeli z wykorzystaniem głównych komponentów oraz metody ich realizacji dla takich zadań jak:
— wybór najlepszego miejsca na umiejscowienie nowego obiektu;
— budowa powierzchni cenowej dla określonej kategorii obiektów z wykorzystaniem wartości rynkowej;
- ocena rentowności określonego rodzaju działalności w zależności od lokalizacji obiektów.
Planujemy również zaprezentować metody odwrotnego przejścia od głównych komponentów do czynników, co z kolei pozwoli uzyskać model oparty na czynnikach dla danego terytorium.
Źródło: habr.com
