Przykład obliczenia potencjału cieplnego sieci ulicznej w Niżnym Nowogrodzie
Terytorium miasta jest złożonym, heterogenicznym systemem podlegającym ciągłym zmianom. Można opisać terytorium i ocenić środowisko miejskie za pomocą obiektów przestrzennych (czynników). Czynniki opisujące terytorium różnią się charakterem oddziaływania (dodatni, ujemny) i konfiguracją geometryczną (punkty, linie, wielokąty).
Często dość trudno jest określić stopień wpływu poszczególnych obiektów na poziom rozwoju terytorium jako całości lub jego konkretnego aspektu. Obecnie coraz bardziej istotny staje się problem definiowania i opisu takich pojęć, jak „kultura”, „sfera społeczna”, „napięcie społeczne”, „dobre życie”, „rozwój gospodarczy”, „zdrowie populacji”. Wieloznaczność tych pojęć wzrasta, jeśli chcemy je zastosować do różnych grup społecznych, populacji w różnym wieku i różnej płci.
Należy także zauważyć, że granice miasta we współczesnej koncepcji są dość arbitralne. Codzienne migracje ludności, dostępność komunikacyjna odległych obszarów jeszcze bardziej „zacierają” granicę miasta. Powszechnie stosowane obecnie pojęcie aglomeracji w zasadzie odzwierciedla granice miasta, ale jednocześnie czyni samo pojęcie granicy miasta jeszcze bardziej niejasnym.
Pomimo opisanych powyżej problemów, analiza i ocena terytoriów należą dziś do najbardziej obiecujących i interesujących obszarów, które pozwalają rozwiązać wiele palących problemów środowiska miejskiego.
W artykule zaproponowano do rozważenia metodę analizy terytorium z wykorzystaniem modelu „termicznego”. Metoda ta opiera się na badaniu potencjałów wytworzonych przez obiekty (czynniki) o różnym charakterze (punktowym, liniowym i powierzchniowym). Analiza terytorium tą metodą pozwala przejść od zbioru danych przestrzennych (czynników) opisujących terytorium do dokładnej oceny numerycznej (punktowej) w każdym punkcie terytorium.
Potencjały badane w ramach analizy terytorium mają interpretację fizyczną - propagację ciepła w środowiskach o różnych wymiarach (2D, 3D). Zjawisko to można przedstawić w postaci obrazów „termicznych” (map „cieplnych” terytorium), dających wyobrażenie o stopniu rozwoju terytorium w zależności od intensywności kolorów obrazu.
Czynniki terytorialne
Analiza terytorialna polega na wyszukiwaniu i przetwarzaniu informacji o czynnikach wpływających na terytorium i ich wskaźnikach. Czynniki wpływające to obiekty, które wpływają na otaczające terytorium i mają zestaw cech i współrzędnych przestrzennych. Przykładami czynników wpływających są sklepy, obiekty przemysłowe, drogi, lasy i zbiorniki wodne.
Wskaźniki wpływu są przedmiotami odblaskowy oddziaływania obiektów, a także posiadanie zbioru cech i współrzędnych przestrzennych. Przykładowe wskaźniki wpływu: bankomaty, billboardy, pomniki.
W poniższej prezentacji będziemy posługiwać się koncepcją czynników wpływu, która łączy w sobie oba terminy – czynniki i wskaźniki wpływu.
Poniżej znajduje się przykład danych przestrzennych, które działają jako czynniki wpływające.
Jednym z ważnych etapów prowadzenia prac nad analizą terytoriów jest etap gromadzenia i przetwarzania informacji wstępnych. Obecnie istnieje wiele informacji o czynnikach wpływających na terytorium o różnym stopniu szczegółowości.
Informacje można uzyskać ze źródeł otwartych lub zastrzeżonych. W wielu przypadkach do analizy wystarczą otwarte informacje, chociaż z reguły wymagają one dość pracochłonnego przetwarzania.
Wśród otwartych źródeł liderem naszym zdaniem jest zasób OpenStreetMap (OSM). Informacje pozyskiwane z tego źródła są codziennie aktualizowane na całym świecie.
Informacje o zasobach OpenStreetMap (OSM) są prezentowane w następujących formatach:
-Format OSM. Główny format z rozszerzeniem „.osm” służy do opisywania obrazów graficznych XML – węzłów, ścieżek, relacji.
- „polski format”. Do pracy z grafiką używany jest format tekstowy z rozszerzeniem „.mp”.
-Format PBF. Format przechowywania danych z rozszerzeniem „.osm.pbf”.
Jako źródła informacji możesz także użyć:
- 2 GIS
Zasób zawiera wysokiej jakości informacje przetwarzane co miesiąc, z doskonałym 3-poziomowym klasyfikatorem dla przedsiębiorstw i organizacji.
- Pliki KML (Keyhole Markup Language).
Pliki KML (Keyhole Markup Language) to format pliku używany do wyświetlania danych geograficznych w Google Earth, Mapach Google i Mapach Google dla urządzeń mobilnych.
Dzięki plikom KML możesz:
- instaluj różne ikony i rób podpisy, aby wskazać miejsca na powierzchni Ziemi
— utwórz różne kąty dla wybranych obiektów, zmieniając położenie kamery
- użyj różnych obrazów nakładek
— zdefiniuj style, aby dostosować sposób wyświetlania obiektu, zastosuj kod HTML, aby utworzyć hiperłącza i obrazy wbudowane
— użyj folderów do hierarchicznego grupowania elementów
— dynamicznie odbieraj i aktualizuj pliki KML ze zdalnych lub lokalnych węzłów sieci
- Otrzymuj dane KML zgodnie ze zmianami w przeglądarce XNUMXD
- Federalna Służba Rejestracji Państwowej, Katastru i Kartografii „Rosreestr”
Informacje zawarte na portalu Rosreestr są cenne ze względu na swoją treść i aktualność, ale niestety nie pozwalają na bezpłatne uzyskanie grafik do inwestycji inwestycyjnych i działek. Portal Rosreestr zawiera również dużą ilość informacji o ograniczonym dostępie.
- Organy statystyczne
Dane statystyczne są legalnym źródłem informacji o terytorium, jednakże na dzień dzisiejszy dane organów statystycznych dostępne są jedynie dla określonej liczby wskaźników, głównie w sprawozdaniach organów statystycznych i sprawozdaniach władz regionalnych.
- Systemy informacyjne organów
Wysokiej jakości informacje zawarte są w rządowych systemach informacyjnych, jednak tylko niewielka ich część jest publikowana w domenie publicznej i dostępna do analizy.
Przeprowadzenie analizy terytoriów nie nakłada żadnych szczególnych wymagań co do składu informacji, tak naprawdę można wykorzystać wszystko, co zostało znalezione, informacje z otwartych źródeł są zwykle wymienne. Należy jednak zaznaczyć, że nawet informacje uzyskane z samych zasobów OSM wystarczą do przeprowadzenia analizy nieznanego terytorium.
Analiza terytorium z wykorzystaniem modelu „termicznego”. Fizyczna interpretacja potencjałów
Jak wspomniano wcześniej, analiza terytorialna jest dziś gorącym tematem i potężnym narzędziem przemyślanego przyciągania inwestycji w rozwój infrastruktury w różnych środowiskach miejskich.
Różnorodność problemów rozwiązywanych za pomocą analizy terytorium można połączyć w kilka głównych obszarów:
— Uzyskanie najbardziej zrozumiałej i szczegółowej oceny terytorium w każdym punkcie.
Rozwiązując problem, możesz uzyskać zbiór punktów w każdym punkcie terytorium, dając wyobrażenie o poziomie rozwoju terytorium w ogóle, a także w określonej dziedzinie tematycznej. Takim obszarem tematycznym może być na przykład kultura, przemysł, handel itp.
— Określenie najkorzystniejszych miejsc do umieszczenia obiektów inwestycyjnych danego typu (np. banki, sklepy specjalistyczne, centra handlowo-rozrywkowe itp.) na wybranym terenie.
— Analiza najbardziej efektywnego wykorzystania terytorium.
Kierunek ten pozwala na szczegółowe zbadanie charakterystyki terytorium, sytuacji rynkowej, która rozwinęła się na badanym terytorium, a także identyfikację popularnych opcji.
— Określenie udziału jednego czynnika w modelu kosztowym na przykładzie pojawienia się nowych dróg i nowych tras.
— Analiza różnych aspektów jednego terytorium i analiza różnych terytoriów (porównanie terytoriów).
Oryginalność zaproponowanej w artykule metody analizy terytorium z wykorzystaniem modelu „termicznego” polega na wykorzystaniu wskaźników rozwoju terytorium – potencjałów, przedstawionych w ujęciu liczbowym i odzwierciedlających stopień wpływu obiektu (czynnika wpływu) na terytorium.
Aby zrozumieć istotę badania, należy powiedzieć kilka słów o samym potencjale cieplnym i podać jego interpretację fizyczną.
W fizyce istnieją takie pojęcia jak pole siłowe и funkcja siły. Pole siłowe ma wymiar energii, funkcja siły ma wymiar siły.
Dla prawa powszechnego ciążenia pole siłowe definiuje się wzorem:
F=k/r2, gdzie
k – stała;
r – odległość pomiędzy oddziałującymi ze sobą obiektami.
Funkcję siły ϕ określa się za pomocą wyrażenia:
dϕ=-F*dr, gdzie
ϕ – potencjał pola siłowego;
dϕ, dr – różnice;
r to odległość między oddziałującymi obiektami,
zatem ϕ=k/r.
Fizyczne znaczenie potencjału pola siłowego ϕ to praca E wykonana przez pole siłowe podczas przechodzenia określonej drogi. W przypadku prawa powszechnego ciążenia, gdy odległość do obiektu zmienia się z r2 na r1, funkcję siły określa się ze wzoru
E=k*(1/r1-1/r2), gdzie
E jest pracą wykonaną przez pole siłowe podczas przechodzenia określonej ścieżki;
r1, r2 – położenie początkowe i końcowe obiektu.
W przypadku zadania analizy terytorium wpływ obiektów (czynników) na terytorium można uznać za siłę (funkcja zasilania), a poziom zagospodarowania terenu jako całkowity potencjał cieplny (pole siłowe) ze wszystkich obiektów (czynników). W zadaniach fizycznych potencjał termiczny to temperatura, a w problemach analizy terytorium przy użyciu modelu „termicznego” potencjał reprezentuje całkowity wpływ wszystkich czynników wpływających na punkt na terytorium.
Dane przestrzenne składają się z punktów, linii i wielokątów. Aby obliczyć potencjały, rozszerzone dane przestrzenne dzielone są na małe fragmenty. Dla każdego fragmentu potencjał z punktu obliczany jest za pomocą mnożnika równego wielkości fragmentu obiektu (współczynnik).
Dane podzielone są na grupy semantyczne w oparciu o zasadę ścisłego podobieństwa. Na przykład obiekty handlowe są łączone według produktów. Znajdują się tu zespoły obiektów leśnych, zbiorniki wodne, osady, przystanki komunikacyjne itp. Grupy zjednoczone znaczeniem reprezentują czynnik. Po przejściu wszystkich obiektów (czynników) otrzymujemy zbiór potencjałów termicznych odpowiednich do dalszej obróbki.
Wykorzystanie potencjałów („map ciepła”) pozwala na przejście od danych przestrzennych do obrazów „termicznych” obiektów (czynników) wpływających na terytorium (wizualizacja potencjałów). Takie przejście pozwala określić stopień obecności czynnika w każdym punkcie terytorium i przeprowadzić dalszą analizę, tj. wyświetlają w kolorze różne kierunki rozwoju miasta. W ten sposób uzyskujemy poświatę o różnym natężeniu dla każdego punktu terytorium.
Poniżej przedstawiono przykłady obrazów „termicznych” terytorium Niżnego Nowogrodu w kontekście kilku czynników.
Mapa „termiczna” Niżnego Nowogrodu odzwierciedlająca czynnik „Sieć aptek”.
Mapa „Upał” Niżnego Nowogrodu, uwzględniająca czynnik „Polikliniki dla dorosłych”
Mapa „termiczna” Niżnego Nowogrodu, odzwierciedlająca czynnik „Kliniki dziecięce”.
Mapa „termiczna” Niżnego Nowogrodu, uwzględniająca czynnik „Strefy przemysłowe”
Obrazy „termiczne” terytorium umożliwiają określenie koncentracji potencjałów z różnych obiektów oddziaływania. Następnie konieczne jest połączenie uzyskanych potencjałów w integralną charakterystykę, która pozwala na ocenę terytorium na podstawie dużej liczby czynników. Wymaga to metody, która pozwala analizować dużą ilość informacji, rozpoznawać obiekty, a także zmniejszać wymiar danych, tracąc jak najmniej informacji. Jedną z takich metod jest analiza głównych składowych (PCA). Więcej szczegółów na temat tej metody można znaleźć w .
Istotą metody jest znalezienie takiej kombinacji liniowej parametrów początkowych, która najsilniej zmienia się w obszarze analizy. Dla danych przestrzennych – najsilniej zmieniające się terytorialnie.
Metoda głównych składowych identyfikuje obiekty (czynniki), które najsilniej zmieniają się na terytorium. W wyniku zastosowania metody pojawiają się nowe zmienne – główne składowe, które w porównaniu z danymi pierwotnymi mają charakter bardziej informacyjny, za pomocą których łatwiej jest analizować, opisywać i wizualizować terytorium, na którym łatwiej jest budować modele .
Głównymi składnikami są wyrażenia analityczne - suma potencjałów czynników początkowych o określonych współczynnikach. Jeżeli jednak jakiś czynnik ma istotny wpływ na terytorium, ale nie zmienia się na całym analizowanym terytorium, metoda głównych składowych nie uwzględni tego czynnika w składzie głównych składników.
Główne komponenty są uporządkowane w malejącej kolejności informacji – tj. rozprzestrzeniający się po całym terytorium. Pierwsze główne składowe niosą ze sobą znacznie więcej informacji niż poszczególne czynniki i dobrze opisują terytorium. Z reguły przy stosowaniu około stu czynników pierwszy główny składnik niesie około 50% wszystkich informacji (wariancji) dla terytorium. Główne składniki nie są ze sobą skorelowane i można je wykorzystać w modelach jako charakterystykę terytorium w każdym punkcie.
Główny składnik, jako jakiś abstrakcyjnie wyliczony wskaźnik terytorium, nie ma jednoznacznej nazwy i klasyfikacji. Jednakże zbiór czynników, które są silnie skorelowane ze składową główną, pozwala na interpretację głównych składowych. Z reguły następujące czynniki korelują z głównymi składnikami:
— poziom rozwoju infrastruktury;
— element transportowy terytorium;
— strefy klimatyczne;
— poziom rozwoju rolnictwa;
— potencjał gospodarczy terytorium.
Dalsza analiza, w tym grupowanie, przebiega z kilkoma pierwszymi znaczącymi głównymi składnikami.
Na rysunkach można zobaczyć graficzną reprezentację pierwszych głównych elementów na terenie kilku miast Federacji Rosyjskiej.
Pierwsza główna składowa charakteryzująca poziom rozwoju infrastruktury miejskiej w Niżnym Nowogrodzie
Pierwsza główna składowa charakteryzująca poziom rozwoju infrastruktury miejskiej w Jekaterynburgu
Pierwsza główna składowa charakteryzująca poziom rozwoju infrastruktury miejskiej w Kazaniu
Pierwszym głównym elementem charakteryzującym poziom rozwoju infrastruktury miejskiej w Permie
Pierwszy główny element charakteryzujący poziom rozwoju infrastruktury miejskiej w Samarze
Pierwsza główna składowa charakteryzująca poziom rozwoju infrastruktury miejskiej w Chabarowsku
Charakterystyka integralna: grupowanie
Kolejnym etapem prac nad analizą terytorialną jest poszukiwanie jednorodnych jakościowo stref środowiska miejskiego. Poszukiwanie to opiera się na analizie wartości głównych składników w każdym punkcie terytorium. Problem poszukiwania tych jednorodnych stref można rozwiązać stosując klastrowanie – proces grupowania terytoriów w oparciu o zasadę bliskości zbioru cech.
Grupowanie terytorialne ma dwa cele:
— stworzenie lepiej postrzeganej wizualizacji terytorium;
— przydział obszarów do kompilacji poszczególnych modeli.
Terytoria grupowane są zgodnie z wybranymi do analizy czynnikami. Czynnikami tymi mogą być czynniki wpływające na cenę lub czynniki opisujące jakiś aspekt rozwoju terytorium, np. sferę społeczną.
Istnieją dwie popularne klasyczne metody grupowania: metoda K-średnich i metoda dendrogramu. Podczas pracy z terytoriami dobrze sprawdziła się metoda K-średnich, której cechą jest „rośnięcie” klastra poprzez dodawanie nowych obiektów do punktów wzrostu. Zaletą metody K-średnich jest podobieństwo jej działania do naturalnego procesu kształtowania się terytorium: integracja podobnych, a nie separacja odmiennych.
Do obliczeń dla Niżnego Nowogrodu wykorzystano metodę K-średnich (rysunek poniżej).
Zgodność klastrów z poziomem rozwoju terytorium na przykładzie Niżnego Nowogrodu
Dzięki proponowanemu podejściu możliwe jest uzyskanie przeglądu terytorium na różne tematy. Tematami, które nas interesują, mogą być na przykład poziom rozwoju infrastruktury miejskiej, poziom „elitarności” terytorium, poziom rozwoju kulturalnego, społeczny komponent rozwoju terytorium. Tematy te są źle zdefiniowanymi koncepcjami integralnymi i składają się z wielu powiązanych ze sobą czynników.
Stosując jakiś algorytm doboru parametrów do analizy (w tym przy zaangażowaniu ekspertów) otrzymamy mapy tematyczne, które dają wyobrażenie o jednym aspekcie rozwoju terytorium.
Przez cechy integralne rozumie się pierwsze główne komponenty, przede wszystkim pierwszy główny komponent najbardziej informacyjny i grupowanie terytorium według wybranych parametrów.
Mapy tematyczne pierwszych zasadniczych komponentów dla różnych aspektów rozwoju przedstawiono na poniższych rysunkach.
Mapa tematyczna „Obiekty kultury” na przykładzie Niżnego Nowogrodu
Mapa tematyczna „Sfera społeczna” na przykładzie Niżnego Nowogrodu
Charakterystyka integralna umożliwia zrozumienie cech terytorium przy użyciu wielu czynników przy minimalnej utracie informacji.
Podsumowując, warto jeszcze raz zauważyć, że dziś analiza terytoriów jest niezwykle ważnym etapem w rozwiązywaniu problemów zagospodarowania środowiska miejskiego, wyborze miejsc do inwestycji w budownictwie, znalezieniu najkorzystniejszej lokalizacji dla nowych obiektów i innych zadań.
Zaproponowana w artykule metoda analizy terytorium wykorzystująca model „termiczny” z czynników o różnym charakterze nie jest krytyczna dla zbioru czynników, tj. nie nakłada ograniczeń ani wymagań na informację wyjściową.
Zapewnia różnorodność i redundancję informacji źródłowych, a także możliwość wykorzystania otwartych danych nieograniczone możliwości analizy dowolnego terytorium świata.
W kolejnych publikacjach poświęconych zagadnieniom analizy terytorialnej planujemy ujawnić cechy zestawiania modeli z wykorzystaniem głównych komponentów i metod ich realizacji dla takich zadań jak:
— wybór najlepszej lokalizacji przy postawieniu nowego obiektu;
— budowa powierzchni cenowej dla określonej kategorii obiektów przy wykorzystaniu wartości rynkowej;
- ocena opłacalności danego rodzaju działalności w zależności od lokalizacji obiektów.
Planowane jest także przedstawienie metod odwrotnego przejścia od składowych głównych do czynników, co z kolei umożliwi otrzymanie modelu z czynników dla danego obszaru.
Źródło: www.habr.com