Exemplo de cálculo do potencial térmico para a rede urbana de Nizhny Novgorod
O território da cidade é um sistema complexo e heterogêneo, em constante mudança. É possível descrever o território e realizar uma avaliação do ambiente urbano através de objetos espaciais (fatores). Os fatores que descrevem o território diferem em relação ao caráter de influência (positivo, negativo) e à configuração geométrica (pontos, linhas, polígonos).
Frequentemente, é difícil determinar o grau de influência de cada objeto individual sobre o nível de desenvolvimento do território como um todo ou de algum aspecto específico. Atualmente, a questão de definir e descrever conceitos como "cultura", "esfera social", "tensão social", "boa qualidade de vida", "desenvolvimento econômico", "saúde da população" se torna cada vez mais relevante. A ambiguidade desses conceitos aumenta quando tentamos aplicá-los a diferentes grupos sociais e populações de idades e gêneros diversos.
Além disso, é importante notar que os limites da cidade, no conceito moderno, são bastante condicionais. A migração diária da população e a acessibilidade de transporte a áreas distantes "desdibujam" ainda mais a fronteira da cidade. O conceito de aglomeração, amplamente utilizado hoje, reflete em geral os limites da cidade, mas, ao mesmo tempo, torna a própria noção de limite da cidade ainda mais vaga.
Apesar dos problemas mencionados acima, a análise e avaliação de territórios são atualmente algumas das direções mais promissoras e interessantes que permitem abordar uma série de questões relevantes para o ambiente urbano.
O artigo propõe um método de análise do território utilizando um modelo "térmico". A base deste método é o estudo dos potenciais criados por objetos (fatores) de diversas naturezas (pontuais, lineares e superficiais). A análise do território através deste método permite passar de um conjunto de dados espaciais (fatores) que descrevem o território para uma avaliação numérica precisa (pontuação) em cada ponto do território.
Os potenciais analisados durante a investigação territorial têm uma interpretação física – a propagação de calor em meios de diferentes dimensões (2D, 3D). Esse fenômeno pode ser representado como imagens "térmicas" ("mapas térmicos" do território), que oferecem uma visão sobre o nível de desenvolvimento do território com base na intensidade da cor da imagem.
Fatores do território
A análise territorial implica na busca e processamento de informações sobre os fatores que influenciam o território e seus indicadores. Os fatores de influência são objetos que afetam o território ao seu redor, possuindo um conjunto de características e coordenadas espaciais. Exemplos de fatores de influência incluem lojas, instalações industriais, estradas, florestas e corpos hídricos.
Os indicadores de influência são objetos que refletem a influência dos objetos e também possuem um conjunto de características e coordenadas espaciais. Exemplos de indicadores de influência incluem caixas eletrônicos, outdoors e monumentos.
Na exposição a seguir, utilizaremos o conceito de fatores de influência, que engloba ambos os termos – fatores e indicadores de influência.
Abaixo está um exemplo de dados espaciais que atuam como fatores de influência.
Uma das etapas importantes na condução de trabalhos de análise de territórios é a fase de coleta e processamento de informações iniciais. Atualmente, há muitas informações sobre fatores de influência no território com diferentes níveis de detalhamento.
As informações podem ser obtidas de fontes abertas ou de fontes de acesso restrito. Em muitos casos, a informação aberta é suficiente para a análise, embora, como regra, ela exija um processamento bastante trabalhoso.
Entre as fontes abertas, acreditamos que o líder é o recurso — OpenStreetMap (OSM). As informações obtidas dessa fonte são atualizadas diariamente em todo o mundo.
As informações do recurso OpenStreetMap (OSM) estão disponíveis nos seguintes formatos:
— Formato OSM. O formato principal com a extensão ".osm" é utilizado para descrever representações gráficas – nós, caminhos, relações.
— Formato Polaco. Um formato de texto com a extensão ".mp" utilizado para trabalhar com gráficos.
— Formato PBF. Formato de armazenamento de dados com a extensão ".osm.pbf".
Outras fontes de informação também podem incluir:
— 2GIS
O recurso contém informações de qualidade, processadas mensalmente, com um excelente classificador de 3 níveis para empresas e organizações.
— Arquivos KML (Keyhole Markup Language)
Arquivos KML (Keyhole Markup Language) são um formato de arquivo utilizado para exibir dados geográficos em programas como Google Earth, Google Maps e Google Maps para dispositivos móveis.
Com arquivos KML, é possível:
— definir diferentes ícones e fazer anotações para marcar locais na superfície da Terra
— criar diferentes ângulos para os objetos selecionados, alterando a posição da câmera
— usar várias imagens sobrepostas
— definir estilos para personalizar a exibição do objeto, aplicar código HTML para criar hyperlinks e imagens incorporadas
— utilizar pastas para agrupar elementos de forma hierárquica
— obter e atualizar arquivos KML dinamicamente de nós remotos ou locais
— receber dados KML de acordo com as mudanças na ferramenta de visualização 3D
— Serviço Federal de Registro do Estado, Cadastro e Cartografia "Rosreestre"
As informações no portal do Rosreestre são valiosas por seu conteúdo e atualidade, mas, infelizmente, não permitem o acesso gratuito a gráficos de objetos de construção e terrenos. O portal do Rosreestre também contém um grande volume de informações de acesso restrito.
— Órgãos de Estatística
Os dados estatísticos são uma fonte legítima de informações sobre o território, no entanto, atualmente, os dados dos órgãos de estatística estão disponíveis apenas para um número limitado de indicadores, principalmente em relatórios dos órgãos de estatística e relatórios do governo regional.
— Sistemas de Informação dos Órgãos Governamentais
Informações de qualidade estão contidas nos sistemas de informação dos órgãos governamentais, mas apenas uma pequena parte delas é publicada em acesso aberto e disponível para análise.
A análise de áreas não impõe requisitos específicos sobre a composição das informações; na verdade, pode-se utilizar tudo o que foi encontrado, sendo as informações de fontes abertas geralmente intercambiáveis. No entanto, vale ressaltar que apenas com as informações obtidas do recurso OSM já é suficiente para realizar a análise de uma área desconhecida.
Análise do território usando um modelo 'térmico'. Interpretação física dos potenciais.
Como já mencionado anteriormente, a análise de território é um tema relevante hoje e uma ferramenta poderosa para a captação gradual de investimentos no desenvolvimento da infraestrutura de diferentes ambientes urbanos.
A diversidade de tarefas que podem ser resolvidas por meio da análise de áreas pode ser agrupada em várias grandes direções:
— Obtenção da avaliação mais interpretável e detalhada do território em cada um de seus pontos.
Ao resolver a tarefa proposta, podemos obter um conjunto de notas em cada ponto do território, proporcionando uma ideia do nível de desenvolvimento do território como um todo, bem como em uma determinada área temática. Essa área temática pode ser, por exemplo, cultura, indústria, comércio, etc.
— Identificação dos locais mais vantajosos para a instalação de objetos de investimento de determinado tipo (como bancos, lojas especializadas, centros comerciais de entretenimento etc.) no território selecionado.
— Análise do uso mais eficiente do território.
Essa direção permite a realização de um estudo detalhado das características do território, da situação de mercado que se estabeleceu na área em estudo, e a identificação de opções demandadas.
— Determinação da contribuição de um fator no modelo de custo, tomando como exemplo o surgimento de novas estradas e novos trajetos.
— Análise de diferentes aspectos de um território e comparação de diferentes territórios.
A originalidade do método de análise do território proposto no artigo, utilizando o modelo 'térmico', consiste na utilização de indicadores de desenvolvimento do território — potenciais, apresentados em forma numérica e refletindo o grau de influência do objeto (fator de influência) sobre o território.
Para compreender a essência do estudo, é necessário dizer algumas palavras sobre o próprio potencial térmico, dando sua interpretação física.
Na física, existem conceitos como campo de força e função de força. O campo de força tem dimensão de energia, a função de força – dimensão de força.
Para a lei da gravitação universal, o campo de força é definido pela fórmula:
F=k/r2, onde
k – constante;
r – distância entre os objetos em interação.
A função de força ϕ é definida pela expressão:
dϕ=-F*dr, onde
ϕ — potencial do campo de força;
dϕ, dr – diferenciais;
r — distância entre os objetos em interação,
portanto ϕ=k/r.
O sentido físico do potencial do campo de força ϕ é o trabalho E realizado pelo campo de força ao longo de um determinado caminho. No caso da lei da gravitação universal, ao alterar a distância do objeto de r2 para r1, a função de força é definida pela fórmula
E=k*(1/r1-1/r2), onde
E – trabalho realizado pelo campo de força ao longo de um determinado caminho;
r1, r2 – posição inicial e final do objeto.
Para a tarefa de análise territorial, a influência dos objetos (fatores) sobre o território pode ser considerada como uma força (função de força), e o nível de desenvolvimento do território, como potencial térmico total (campo de força) de todos os objetos (fatores). Nas tarefas de física, o potencial térmico é a temperatura, e nas tarefas de análise territorial utilizando o modelo "térmico", o potencial representa o impacto total de todos os fatores de influência em um ponto do território.
Os dados espaciais representam pontos, linhas e polígonos. Para calcular os potenciais, os dados espaciais extensos são divididos em pequenos fragmentos. Para cada fragmento, o potencial é calculado a partir do ponto com um multiplicador igual ao tamanho do fragmento do objeto (fator).
Os dados são agrupados em grupos semânticos com base na proximidade de semelhança. Por exemplo, objetos de comércio são agrupados por produtos. Há grupos de objetos florestais, objetos hídricos, assentamentos, paradas de transporte, etc. Os grupos agrupados por significado representam um fator. Ao percorrer todos os objetos (fatores), obtemos um conjunto de potenciais térmicos que estão prontos para processamento posterior.
A utilização de potenciais ("mapas de calor") permite a transição de dados espaciais para imagens "térmicas" de objetos (fatores) de influência no território (visualização de potenciais). Essa transição possibilita a determinação do grau de presença do fator em cada ponto do território e a realização de uma análise posterior, ou seja, a representação das diferentes direções de desenvolvimento da cidade em cores. Assim, obtemos uma luminosidade de intensidade variável para cada ponto do território.
Exemplos de imagens "térmicas" do território da cidade de Nizhny Novgorod sob diferentes fatores são apresentados a seguir.
"Mapa térmico" da cidade de N. Novgorod, refletindo o fator "Rede de Farmácias".
"Mapa térmico" da cidade de N. Novgorod, refletindo o fator "Policlínicas para adultos".
"Mapa térmico" da cidade de N. Novgorod, refletindo o fator "Policlínicas infantis".
"Mapa térmico" da cidade de N. Novgorod, refletindo o fator "Zonas industriais".
"Imagens térmicas" do território permitem determinar a concentração de potenciais de diferentes objetos de influência. Em seguida, é necessário combinar os potenciais obtidos em um caráter integral, que permita avaliar o território com base em um grande número de fatores. Para isso, um método que permita analisar um grande volume de informações, reconhecer objetos e também reduzir a dimensionalidade dos dados, perdendo a menor quantidade de informações. Um desses métodos é o método de componentes principais (Principal Component Analysis - PCA). Para mais detalhes sobre esse método, leia em .
A essência do método é encontrar uma combinação linear dos parâmetros originais que muda mais significativamente na área de análise. Para dados espaciais, é a que muda de forma mais acentuada em relação ao território.
O método de componentes principais destaca objetos (fatores) que mudam mais intensamente no território. Como resultado do trabalho do método, surgem novas variáveis – componentes principais, que são mais informativas em comparação aos dados originais, facilitando a análise, descrição e visualização do território, além de permitir a construção de modelos de forma mais simples.
Os principais componentes representam expressões analíticas — a soma dos potenciais dos fatores de origem com alguns coeficientes. No entanto, se algum fator tiver uma influência significativa sobre o território, mas não mudar na área analisada, o método dos principais componentes não incluirá esse fator na composição dos principais componentes.
Os principais componentes são ordenados em ordem decrescente de informação — ou seja, de disseminação pelo território. Os primeiros principais componentes contêm uma informação significativamente maior do que os fatores isolados e descrevem bem o território. Em geral, ao usar cerca de cem fatores, o primeiro principal componente carrega cerca de 50% de toda a informação (dispersão) do território. Os principais componentes não se correlacionam entre si e podem ser usados em modelos como características do território em cada ponto.
O principal componente, como uma medida abstrata e computada do território, não tem um nome e classificação claros. No entanto, um conjunto de fatores que apresentam forte correlação com o principal componente permite interpretar os principais componentes. Geralmente, os seguintes fatores correlacionam-se com os principais componentes:
— nível de desenvolvimento da infraestrutura;
— componente de transporte do território;
— zonas climáticas;
— nível de desenvolvimento da agricultura;
— potencial econômico do território.
A análise posterior, incluindo a clusterização, prossegue com os primeiros principais componentes significativos.
Nos gráficos, pode-se ver a representação gráfica dos primeiros principais componentes nos territórios de várias cidades da Federação da Rússia.
O primeiro principal componente, caracterizando o nível de desenvolvimento da infraestrutura urbana da cidade de N. Novgorod
O primeiro principal componente, caracterizando o nível de desenvolvimento da infraestrutura urbana da cidade de Yekaterinburgo
O primeiro principal componente, caracterizando o nível de desenvolvimento da infraestrutura urbana da cidade de Kazan
O primeiro principal componente, caracterizando o nível de desenvolvimento da infraestrutura urbana da cidade de Perm
O primeiro principal componente, caracterizando o nível de desenvolvimento da infraestrutura urbana da cidade de Samara
O primeiro principal componente, caracterizando o nível de desenvolvimento da infraestrutura urbana da cidade de Khabarovsk
Características integrais: clusterização
A próxima etapa do trabalho de análise de territórios consiste na busca por áreas urbanas homogêneas em qualidade. Essa busca é baseada na análise dos valores das componentes principais em cada ponto do território. A tarefa de encontrar essas áreas homogêneas pode ser realizada por meio da clusterização – um processo de agrupamento de territórios com base na proximidade de um conjunto de características.
A clusterização do território visa dois objetivos:
— criar uma visualização do território mais clara;
— destacar áreas para a elaboração de modelos separados.
Os territórios são clusterizados de acordo com os fatores selecionados para análise. Esses fatores podem ser aqueles que influenciam a formação de preços ou fatores que descrevem algum aspecto do desenvolvimento do território, como a esfera social.
Existem dois métodos clássicos de clusterização amplamente utilizados: o método K-means e o método de dendrogramas. Na análise de territórios, o método K-means tem se mostrado eficaz, caracterizando-se pelo "crescimento" do cluster, por meio da adição de novos objetos aos pontos de crescimento. As vantagens do método K-means residem na sua semelhança com o processo natural de formação de territórios: a integração do semelhante, e não a separação do dissemelhante.
A aplicação do método K-means foi realizada para Nizhny Novgorod (imagem abaixo).
Correspondência dos clusters com o nível de desenvolvimento do território, usando o exemplo da cidade de Nizhny Novgorod
Com a abordagem proposta, é possível obter uma visão sobre o território em diversos temas. Os temas de nosso interesse podem incluir, por exemplo, o nível de desenvolvimento da infraestrutura urbana, o nível de "elite" do território, o nível de desenvolvimento cultural e o aspecto social do desenvolvimento do território. Esses temas são conceitos integrais mal definidos e consistem em uma variedade de fatores interconectados.
Com um determinado algoritmo de seleção de parâmetros para análise (incluindo a participação de especialistas), obteremos mapas temáticos que oferecem uma visão de um aspecto do desenvolvimento do território.
Por características integrais entendem-se as primeiras componentes principais, principalmente a primeira componente principal, que é a mais informativa, e a clusterização do território com base nos parâmetros selecionados.
Os mapas temáticos dos primeiros componentes principais sobre vários aspectos do desenvolvimento estão apresentados nas figuras abaixo.
Mapa temático "Objetos de Cultura" com exemplo da cidade de Nizhny Novgorod
Mapa temático "Esfera Social" com exemplo da cidade de Nizhny Novgorod
As características integrais permitem entender as particularidades do território, manipulando uma variedade de fatores com perdas mínimas de informação.
Concluindo, é importante ressaltar que a análise de territórios é uma etapa extremamente importante na resolução de tarefas de desenvolvimento do ambiente urbano, escolha de locais para investimento em construção, busca pela localização mais vantajosa de novos objetos e outras tarefas.
O método de análise do território proposto no artigo, utilizando um modelo "térmico" a partir de fatores de diferentes naturezas, não é crítico em relação ao conjunto de fatores, ou seja, não impõe restrições ou requisitos à informação inicial.
A diversidade e redundância das informações iniciais, bem como a possibilidade de utilizar dados abertos, oferecem perspectivas ilimitadas para a análise de quaisquer territórios do mundo.
Nas próximas publicações, dedicadas às tarefas de análise de territórios, planejamos revelar as particularidades da elaboração de modelos usando componentes principais e os métodos de sua implementação para tarefas como:
— escolha do melhor local para a instalação de um novo objeto;
— construção de uma superfície de preços para uma determinada categoria de objetos com base no valor de mercado;
— avaliação da rentabilidade de um determinado tipo de atividade em função da localização dos objetos.
Também temos planos de apresentar métodos de transição inversa de componentes principais para fatores, o que, por sua vez, permite obter um modelo de fatores para este território.
Fonte: habr.com
