Um exemplo de cálculo do potencial térmico para uma rede viária em Nizhny Novgorod
O território da cidade é um sistema complexo, heterogêneo e em constante mudança. Você pode descrever o território e avaliar o ambiente urbano usando objetos espaciais (fatores). Os fatores que descrevem o território diferem na natureza de sua influência (positiva, negativa) e na configuração geométrica (pontos, linhas, polígonos).
Muitas vezes é muito difícil determinar o grau de influência de cada objeto individual no nível de desenvolvimento do território como um todo ou em qualquer aspecto particular dele. Hoje, o problema de definir e descrever conceitos como “cultura”, “esfera social”, “tensão social”, “boa vida”, “desenvolvimento económico”, “saúde da população” torna-se cada vez mais relevante. A ambiguidade destes conceitos aumenta se quisermos aplicá-los a diferentes grupos sociais, populações de diferentes idades e géneros.
Além disso, deve-se notar que os limites da cidade no conceito moderno são bastante arbitrários. A migração diária da população, a acessibilidade ao transporte em áreas remotas “confunde ainda mais a fronteira” da cidade. O conceito de aglomeração, agora amplamente utilizado, geralmente reflete os limites da cidade, mas ao mesmo tempo torna o próprio conceito de limite da cidade ainda mais vago.
Apesar dos problemas acima descritos, a análise e avaliação dos territórios estão hoje entre as áreas mais promissoras e interessantes que permitem resolver muitos problemas prementes do ambiente urbano.
O artigo propõe para consideração um método de análise do território através de um modelo “térmico”. Este método baseia-se no estudo de potenciais criados por objetos (fatores) de diversas naturezas (pontual, linear e de área). 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 estudados no âmbito da análise do território têm uma interpretação física - propagação de calor em ambientes de diferentes dimensões (2D, 3D). Este fenómeno pode ser representado sob a forma de imagens “térmicas” (mapas de “calor” do território), dando uma ideia do grau de desenvolvimento do território em função da intensidade da cor da imagem.
Fatores territoriais
A análise do território envolve a busca e o processamento de informações sobre os fatores que influenciam o território e seus indicadores. Fatores de influência são objetos que influenciam o território envolvente e possuem um conjunto de características e coordenadas espaciais. Exemplos de fatores de influência incluem lojas, instalações industriais, estradas, florestas e corpos d'água.
Indicadores de influência são objetos reflexivo influência de objetos e também possuir um conjunto de características e coordenadas espaciais. Exemplos de indicadores de influência: ATMs, outdoors, monumentos.
Na apresentação a seguir utilizaremos o conceito de fatores de influência, que combina os dois termos – fatores e indicadores de influência.
Abaixo está um exemplo de dados espaciais que atuam como fatores de influência.
Uma das etapas importantes na realização dos trabalhos de análise de territórios é a etapa de coleta e processamento das informações iniciais. Hoje existem muitas informações sobre os fatores que influenciam o território, com diversos graus de detalhamento.
As informações podem ser obtidas de fontes abertas ou restritas. Em muitos casos, a informação aberta é suficiente para análise, embora, via de regra, exija um processamento bastante trabalhoso.
Entre as fontes abertas, o líder, em nossa opinião, é o recurso OpenStreetMap (OSM). As informações obtidas nesta fonte são atualizadas diariamente em todo o mundo.
As informações de recursos do OpenStreetMap (OSM) são apresentadas nos seguintes formatos:
- Formato OSM. O formato principal com extensão “.osm” é usado para descrever imagens gráficas XML – nós, caminhos, relacionamentos.
- “Formato polonês”. O formato de texto com extensão “.mp” é utilizado para trabalhar com gráficos.
- Formato PBF. Formato de armazenamento de dados com extensão “.osm.pbf”.
Você também pode usar o seguinte como fontes de informação:
- 2 GIS
O recurso contém informações processadas mensalmente de alta qualidade, com um excelente classificador de 3 níveis para empresas e organizações.
- Arquivos KML (linguagem de marcação Keyhole)
Arquivos KML (Keyhole Markup Language) são um formato de arquivo usado para exibir dados geográficos no Google Earth, Google Maps e Google Maps para dispositivos móveis.
Com arquivos KML você pode:
- instale vários ícones e faça assinaturas para indicar locais na superfície da Terra
— crie diferentes ângulos para objetos selecionados alterando a posição da câmera
- use diferentes imagens de sobreposição
— defina estilos para personalizar a exibição de um objeto, aplique código HTML para criar hiperlinks e imagens embutidas
— use pastas para agrupamento hierárquico de elementos
— receber e atualizar dinamicamente arquivos KML de nós de rede remotos ou locais
- Receba dados KML de acordo com as alterações no visualizador XNUMXD
- Serviço Federal de Registro Estadual, Cadastro e Cartografia "Rosreestr"
As informações do portal Rosreestr são valiosas pelo seu conteúdo e relevância, mas, infelizmente, não permitem a obtenção gratuita de gráficos para obras de capital e terrenos. O portal Rosreestr também contém uma grande quantidade de informações de acesso restrito.
- Órgãos estatísticos
Os dados estatísticos são uma fonte legítima de informação sobre o território, no entanto, até à data, os dados dos organismos estatísticos estão disponíveis apenas para um determinado número de indicadores, principalmente nos relatórios dos organismos estatísticos e nos relatórios das autoridades regionais.
- Sistemas de informação das autoridades
Informação de alta qualidade está contida nos sistemas de informação do governo, mas apenas uma pequena parte dela é publicada no domínio público e está disponível para análise.
A realização de uma análise de territórios não impõe quaisquer requisitos específicos à composição da informação; na verdade, pode-se utilizar tudo o que foi encontrado; as informações de fontes abertas costumam ser intercambiáveis. Contudo, deve-se notar que mesmo a informação obtida apenas a partir do recurso OSM é suficiente para fazer uma análise de território desconhecido.
Análise do território através de um modelo “térmico”. Interpretação física de potenciais
Como mencionado anteriormente, a análise do território é hoje um tema quente e uma ferramenta poderosa para a atração fundamentada de investimentos no desenvolvimento de infraestrutura em diversos ambientes urbanos.
A variedade de problemas resolvidos através da análise territorial pode ser combinada em várias áreas principais:
— Obter a avaliação mais interpretável e detalhada do território em cada ponto.
Ao resolver o problema, é possível obter um conjunto de pontos em cada ponto do território, dando uma ideia do nível de desenvolvimento do território em geral, bem como numa determinada área temática. Essa área temática poderia ser, por exemplo, cultura, indústria, comércio, etc.
— Determinar os locais mais vantajosos para a colocação de objetos de investimento de um determinado tipo (por exemplo, bancos, lojas especializadas, centros comerciais e de entretenimento, etc.) no território selecionado.
— Análise da utilização mais eficaz do território.
Esta direção permite um estudo detalhado das características do território, da situação de mercado que se desenvolveu no território em estudo e da identificação de opções populares.
— Determinação da contribuição de um fator para o modelo de custos, utilizando o exemplo do surgimento de novas estradas e novas rotas.
— Análise de diferentes aspectos de um território e análise de diferentes territórios (comparação de territórios).
A originalidade do método de análise do território proposto no artigo utilizando o modelo “térmico” reside na utilização de indicadores de desenvolvimento do território - potenciais, apresentados em termos numéricos e refletindo o grau de influência do objeto (fator de influência) no território.
Para compreender a essência do estudo, é necessário dizer algumas palavras sobre o próprio potencial térmico e dar sua interpretação física.
Na física existem conceitos como campo de força и função de força. O campo de força tem a dimensão da energia, a função de força tem a dimensão da força.
Para a lei da gravitação universal, o campo de força é definido pela fórmula:
F=k/r2, onde
k – constante;
r – distância entre objetos em interação.
A função de força ϕ é determinada pela expressão:
dϕ=-F*dr, onde
ϕ—potencial do campo de força;
dϕ, dr – diferenciais;
r é a distância entre objetos em interação,
portanto ϕ=k/r.
O significado físico do potencial do campo de força ϕ é o trabalho E realizado pelo campo de força ao passar por um determinado caminho. No caso da lei da gravitação universal, quando a distância até um objeto muda de r2 para r1, a função força é determinada pela fórmula
E=k*(1/r1-1/r2), onde
E é o trabalho realizado pelo campo de força ao passar por um determinado caminho;
r1, r2 – posição inicial e final do objeto.
Para a tarefa de analisar um território, a influência dos objetos (fatores) no território pode ser considerada como uma força (Função liga-desliga), e o nível de desenvolvimento do território como potencial térmico total (campo de força) de todos os objetos (fatores). Em problemas de física, o potencial térmico é a temperatura, e em problemas de análise de território utilizando um modelo “térmico”, o potencial representa o impacto total de todos os fatores que influenciam um ponto do território.
Os dados espaciais consistem em pontos, linhas e polígonos. Para calcular potenciais, os dados espaciais estendidos são divididos em pequenos fragmentos. Para cada fragmento, o potencial do ponto é calculado com um multiplicador igual ao tamanho do fragmento do objeto (fator).
Os dados são divididos em grupos semânticos com base no princípio da similaridade. Por exemplo, os objetos comerciais são combinados por produto. Existem grupos de objetos florestais, corpos d'água, assentamentos, paradas de transporte, etc. Grupos unidos por significado representam um fator. Tendo passado por todos os objetos (fatores), obtemos um conjunto de potenciais térmicos adequados para processamento posterior.
A utilização de potenciais (“mapas de calor”) permite passar de dados espaciais para imagens “térmicas” de objetos (fatores) de influência no território (visualização de potenciais). Tal transição permite determinar o grau de presença do fator em cada ponto do território e realizar análises posteriores, ou seja, exibir diferentes direções do desenvolvimento da cidade em cores. Assim, obtemos um brilho de intensidade variável para cada ponto do território.
Exemplos de imagens “térmicas” do território de Nizhny Novgorod no contexto de vários fatores são apresentados a seguir.
Mapa “térmico” de Nizhny Novgorod, refletindo o fator “Cadeia de farmácias”
Mapa de “calor” de Nizhny Novgorod, refletindo o fator “Policlínicas para adultos”
Mapa “térmico” de Nizhny Novgorod, refletindo o fator “clínicas infantis”
Mapa “térmico” de Nizhny Novgorod, refletindo o fator “Zonas industriais”
As imagens “térmicas” do território permitem determinar a concentração de potenciais de vários objetos de influência. Em seguida, é necessário combinar os potenciais obtidos numa característica integral que permita uma avaliação do território com base num grande número de factores. Isso requer um método que permita analisar uma grande quantidade de informações, reconhecer objetos e também reduzir a dimensão dos dados, perdendo o mínimo de informações. Um desses métodos é a análise de componentes principais (PCA). Mais detalhes sobre este método podem ser encontrados em .
A essência do método é encontrar uma combinação linear de parâmetros iniciais que mude mais fortemente na área de análise. Para dados espaciais – os que mudam mais fortemente no território.
O método dos componentes principais identifica os objetos (fatores) que mudam mais fortemente no território. Como resultado do método surgem novas variáveis - os componentes principais, mais informativos em relação aos dados originais, com os quais é mais fácil analisar, descrever e visualizar o território, sobre os quais é mais fácil construir modelos .
Os componentes principais são expressões analíticas - a soma dos potenciais dos fatores iniciais com certos coeficientes. Porém, se algum fator tiver impacto significativo no território, mas não se alterar em todo o território analisado, o método das componentes principais não incluirá esse fator na composição das componentes principais.
Os componentes principais são ordenados em ordem decrescente de informações – ou seja, espalhando-se por todo o território. Os primeiros componentes principais contêm significativamente mais informações do que os fatores individuais e descrevem bem o território. Via de regra, ao utilizar cerca de cem fatores, o primeiro componente principal carrega cerca de 50% de toda a informação (variância) do território. Os componentes principais não se correlacionam entre si e podem ser utilizados para modelos como características do território em cada ponto.
O componente principal, como algum indicador do território calculado abstratamente, não possui nome e classificação claros. No entanto, um conjunto de fatores fortemente correlacionados com a componente principal permite-nos interpretar as componentes principais. Via de regra, os seguintes fatores se correlacionam com os componentes principais:
— nível de desenvolvimento de infra-estruturas;
— componente de transporte do território;
— zonas climáticas;
— nível de desenvolvimento agrícola;
— potencial económico do território.
Uma análise mais aprofundada, incluindo o agrupamento, prossegue com os primeiros componentes principais significativos.
Nas figuras você pode ver uma representação gráfica dos primeiros componentes principais no território de várias cidades da Federação Russa.
O primeiro componente principal que caracteriza o nível de desenvolvimento da infraestrutura urbana em Nizhny Novgorod
O primeiro componente principal que caracteriza o nível de desenvolvimento da infraestrutura urbana em Yekaterinburg
O primeiro componente principal que caracteriza o nível de desenvolvimento da infraestrutura urbana em Kazan
O primeiro componente principal que caracteriza o nível de desenvolvimento da infraestrutura urbana em Perm
O primeiro componente principal que caracteriza o nível de desenvolvimento da infraestrutura urbana em Samara
O primeiro componente principal que caracteriza o nível de desenvolvimento da infraestrutura urbana em Khabarovsk
Características integrais: agrupamento
A próxima etapa do trabalho de análise do território é a busca de zonas do ambiente urbano de qualidade homogênea. Esta pesquisa baseia-se na análise dos valores das componentes principais em cada ponto do território. O problema de busca dessas zonas homogêneas pode ser resolvido por meio do clustering - processo de agrupamento de territórios baseado no princípio da proximidade de um conjunto de características.
O agrupamento de territórios tem dois objetivos:
— criar uma melhor visualização do território;
— atribuição de áreas para a compilação de modelos individuais.
Os territórios são agrupados de acordo com os fatores selecionados para análise. Estes factores podem ser factores que influenciam os preços ou factores que descrevem algum aspecto do desenvolvimento do território, por exemplo, a esfera social.
Existem dois métodos clássicos de agrupamento comuns: o método K-means e o método dendograma. Ao trabalhar com territórios, o método K-means tem se mostrado bem, cuja característica é o “crescimento” de um cluster adicionando novos objetos aos pontos de crescimento. A vantagem do método K-means reside na semelhança do seu trabalho com o processo natural de formação de territórios: integração de territórios semelhantes, em vez de separação de territórios diferentes.
O método K-means foi usado para cálculos para Nizhny Novgorod (figura abaixo).
Conformidade dos clusters com o nível de desenvolvimento do território usando o exemplo de Nizhny Novgorod
Com a abordagem proposta é possível obter uma visão geral do território sobre diversos temas. Os temas que nos interessam podem ser, por exemplo, o nível de desenvolvimento das infra-estruturas urbanas, o nível de “elite” do território, o nível de desenvolvimento cultural, a componente social do desenvolvimento do território. Esses temas são conceitos integrais mal definidos e consistem em muitos fatores inter-relacionados.
Utilizando algum algoritmo de seleção de parâmetros para análise (inclusive com o envolvimento de especialistas), obteremos mapas temáticos que dão uma ideia de um aspecto do desenvolvimento do território.
As características integrais são entendidas como os primeiros componentes principais, principalmente o primeiro componente principal mais informativo, e agrupamento do território de acordo com parâmetros selecionados.
Os mapas temáticos dos primeiros componentes principais para vários aspectos do desenvolvimento são apresentados nas figuras abaixo.
Mapa temático “Objetos Culturais” usando o exemplo de Nizhny Novgorod
Mapa temático “Esfera Social” usando o exemplo de Nizhny Novgorod
As características integrais permitem compreender as características de um território a partir de diversos fatores com mínima perda de informação.
Concluindo, importa referir mais uma vez que hoje a análise dos territórios é uma etapa extremamente importante na resolução dos problemas de desenvolvimento do ambiente urbano, na escolha dos locais para investir na construção, na procura da localização mais vantajosa para novas instalações e outras tarefas.
O método de análise territorial proposto no artigo utilizando um modelo “térmico” a partir de fatores de natureza diversa não é crítico ao conjunto de fatores, ou seja, não impõe restrições ou exigências à informação inicial.
A diversidade e redundância das fontes de informação, bem como a oportunidade de utilizar dados abertos, proporcionam perspectivas ilimitadas para analisar qualquer território do mundo.
Nas seguintes publicações dedicadas aos problemas de análise territorial, pretendemos revelar as características da compilação de modelos utilizando os principais componentes e métodos para a sua implementação para tarefas como:
— escolher a melhor localização ao colocar um novo objeto;
— construção de uma superfície de preços para uma determinada categoria de objetos utilizando o valor de mercado;
- avaliação da rentabilidade de um determinado tipo de atividade em função da localização dos objetos.
Está também prevista a apresentação de métodos de transição inversa de componentes principais para factores, o que por sua vez permite obter um modelo a partir de factores para um determinado território.
Fonte: habr.com