Un exemplu de calcul al potențialului termic pentru o rețea stradală din Nijni Novgorod
Teritoriul orașului este un sistem complex, eterogen, în continuă schimbare. Puteți descrie teritoriul și evalua mediul urban folosind obiecte spațiale (factori). Factorii care descriu teritoriul diferă prin natura influenței lor (pozitive, negative) și configurația geometrică (puncte, linii, poligoane).
Este adesea destul de dificil să se determine gradul de influență a fiecărui obiect individual asupra nivelului de dezvoltare a teritoriului ca întreg sau a oricărui aspect particular al acestuia. Astăzi, problema definirii și descrierii unor astfel de concepte precum „cultură”, „sferă socială”, „tensiune socială”, „viață bună”, „dezvoltare economică”, „sănătate a populației” devine din ce în ce mai relevantă. Ambiguitatea acestor concepte crește dacă dorim să le aplicăm la diferite grupuri sociale, populații de diferite vârste și genuri.
De asemenea, trebuie remarcat faptul că limitele orașului în conceptul modern sunt destul de arbitrare. Migrația zilnică a populației, accesibilitatea la transport în zonele îndepărtate „ estompează și mai mult granița ” orașului. Conceptul de aglomerare utilizat acum pe scară largă reflectă în general granițele orașului, dar în același timp face conceptul însuși al limitei orașului și mai vag.
În ciuda problemelor descrise mai sus, analiza și evaluarea teritoriilor se numără astăzi printre cele mai promițătoare și interesante zone care permit rezolvarea multor probleme stringente ale mediului urban.
Articolul propune spre considerare o metodă de analiză a teritoriului folosind un model „termic”. Această metodă se bazează pe studiul potențialelor create de obiecte (factori) de diferite naturi (punct, liniar și zonă). Analiza teritoriului folosind această metodă face posibilă trecerea de la un set de date spațiale (factori) care descriu teritoriul la o evaluare numerică (scor) precisă în fiecare punct al teritoriului.
Potențialele studiate în cadrul analizei teritoriului au o interpretare fizică - propagarea căldurii în medii de dimensiuni diferite (2D, 3D). Acest fenomen poate fi reprezentat sub formă de imagini „termice” (hărți „termice” ale teritoriului), dând o idee despre gradul de dezvoltare a teritoriului în funcție de intensitatea culorii imaginii.
Factorii de teritoriu
Analiza teritoriului presupune căutarea și prelucrarea informațiilor despre factorii care influențează teritoriul și indicatorii acestora. Factorii de influență sunt obiecte care influențează teritoriul înconjurător și au un set de caracteristici și coordonate spațiale. Exemple de factori de influență includ magazine, facilități industriale, drumuri, păduri și corpuri de apă.
Indicatorii de influență sunt obiecte reflectorizant influența obiectelor și, de asemenea, având un set de caracteristici și coordonate spațiale. Exemple de indicatori de influență: bancomate, panouri publicitare, monumente.
În prezentarea următoare vom folosi conceptul de factori de influență, care combină ambii termeni – factori și indicatori de influență.
Mai jos este un exemplu de date spațiale care acționează ca factori de influență.
Una dintre etapele importante ale efectuării lucrărilor de analiză a teritoriilor este etapa de colectare și prelucrare a informațiilor inițiale. Astăzi există o mulțime de informații despre factorii care influențează teritoriul de diferite grade de detaliu.
Informațiile pot fi obținute din surse deschise sau surse restricționate. În multe cazuri, informațiile deschise sunt suficiente pentru analiză, deși, de regulă, necesită o prelucrare destul de intensivă în muncă.
Dintre sursele deschise, lider, în opinia noastră, este resursa OpenStreetMap (OSM). Informațiile obținute din această sursă sunt actualizate zilnic în întreaga lume.
Informațiile despre resursele OpenStreetMap (OSM) sunt prezentate în următoarele formate:
- format OSM. Formatul principal cu extensia „.osm” este folosit pentru a descrie imaginile grafice XML – noduri, căi, relații.
- „Format polonez”. Formatul text cu extensia „.mp” este folosit pentru lucrul cu grafica.
- format PBF. Format de stocare a datelor cu extensia „.osm.pbf”.
De asemenea, puteți utiliza următoarele ca surse de informații:
- 2 GIS
Resursa conține informații de înaltă calitate, procesate lunar, cu un excelent clasificator pe 3 niveluri pentru întreprinderi și organizații.
- Fișierele KML (Keyhole Markup Language).
Fișierele KML (Keyhole Markup Language) sunt un format de fișier care este utilizat pentru afișarea datelor geografice în Google Earth, Google Maps și Google Maps pentru dispozitive mobile.
Cu fișierele KML puteți:
- instalați diverse pictograme și faceți semnături pentru a indica locurile de pe suprafața Pământului
— creați unghiuri diferite pentru obiectele selectate prin schimbarea poziției camerei
- utilizați diferite imagini suprapuse
— definiți stiluri pentru a personaliza afișarea unui obiect, aplicați cod HTML pentru a crea hyperlinkuri și imagini inline
— utilizați foldere pentru gruparea ierarhică a elementelor
— primiți și actualizați în mod dinamic fișierele KML de la nodurile rețelei locale sau la distanță
- Primiți date KML în funcție de modificările din vizualizatorul 3D
- Serviciul Federal de Înregistrare de Stat, Cadastru și Cartografie „Rosreestr”
Informațiile de pe portalul Rosreestr sunt valoroase pentru conținutul și relevanța sa, dar, din păcate, nu fac posibilă obținerea gratuită a graficelor pentru proiecte de construcții capitale și terenuri. Portalul Rosreestr conține, de asemenea, o cantitate mare de informații cu acces restricționat.
- Organisme statistice
Datele statistice sunt o sursă legitimă de informații despre teritoriu, însă, în prezent, datele de la organismele de statistică sunt disponibile doar pentru un anumit număr de indicatori, în principal în rapoartele organismelor de statistică și rapoartele autorităților regionale.
- Sistemele informaționale ale autorităților
Informațiile de înaltă calitate sunt conținute în sistemele informaționale guvernamentale, dar doar o mică parte din acestea sunt publicate în domeniul public și sunt disponibile pentru analiză.
Efectuarea unei analize a teritoriilor nu impune cerințe specifice asupra compoziției informațiilor, de fapt, puteți folosi toate informațiile găsite din surse deschise; Cu toate acestea, trebuie menționat că chiar și informațiile obținute din resursa OSM sunt suficiente pentru a face o analiză a teritoriului necunoscut.
Analiza teritoriului folosind un model „termic”. Interpretarea fizică a potențialelor
După cum am menționat mai devreme, analiza teritoriului este astăzi un subiect fierbinte și un instrument puternic pentru atragerea rațională a investițiilor în dezvoltarea infrastructurii în diverse medii urbane.
Varietatea problemelor rezolvate folosind analiza teritoriului poate fi combinată în mai multe domenii majore:
— Obținerea celei mai interpretabile și detaliate evaluări a teritoriului în fiecare punct.
Prin rezolvarea problemei, puteți obține un set de puncte în fiecare punct al teritoriului, dând o idee despre nivelul de dezvoltare a teritoriului în general, precum și într-un anumit domeniu. Un astfel de domeniu ar putea fi, de exemplu, cultura, industria, comerțul etc.
— Determinarea celor mai avantajoase locuri pentru amplasarea obiectelor de investiții de un anumit tip (de exemplu, bănci, magazine specializate, centre comerciale și de divertisment etc.) în teritoriul selectat.
— Analiza utilizării celei mai eficiente a teritoriului.
Această direcție permite un studiu detaliat al caracteristicilor teritoriului, situația pieței care s-a dezvoltat în teritoriul studiat și identificarea opțiunilor populare.
— Determinarea contribuției unui factor la modelul de cost, folosind exemplul apariției de noi drumuri și noi rute.
— Analiza diferitelor aspecte ale unui teritoriu și analiza diferitelor teritorii (compararea teritoriilor).
Originalitatea metodei de analiză a teritoriului propusă în articol folosind modelul „termic” constă în utilizarea indicatorilor de dezvoltare a teritoriului - potențiale, prezentați în termeni numerici și care reflectă gradul de influență a obiectului (factorul de influență) asupra teritoriului.
Pentru a înțelege esența studiului, este necesar să spunem câteva cuvinte despre potențialul termic în sine și să dam interpretarea fizică a acestuia.
În fizică există concepte precum Câmp de forță и funcția de forță. Câmpul de forță are dimensiunea energiei, funcția de forță are dimensiunea forței.
Pentru legea gravitației universale, câmpul de forță este definit prin formula:
F=k/r2, unde
k – constantă;
r – distanța dintre obiectele care interacționează.
Funcția de forță ϕ este determinată de expresia:
dϕ=-F*dr, unde
ϕ—potenţial de câmp de forţă;
dϕ, dr – diferențiale;
r este distanța dintre obiectele care interacționează,
prin urmare ϕ=k/r.
Semnificația fizică a potențialului câmpului de forță ϕ este munca E efectuată de câmpul de forță în timp ce parcurge o anumită cale. În cazul legii gravitației universale, când distanța până la un obiect se modifică de la r2 la r1, funcția forță este determinată de formula
E=k*(1/r1-1/r2), unde
E este munca efectuată de câmpul de forță în timp ce parcurge o anumită cale;
r1, r2 – poziția inițială și finală a obiectului.
Pentru sarcina de a analiza un teritoriu, influența obiectelor (factorilor) asupra teritoriului poate fi considerată ca o forță (functie de putere), și nivelul de dezvoltare a teritoriului ca potențial termic total (Câmp de forță) din toate obiectele (factorii). În problemele de fizică, potențialul termic este temperatura, iar în problemele de analiză a teritoriului folosind un model „termic”, potențialul reprezintă impactul total al tuturor factorilor de influență asupra unui punct din teritoriu.
Datele spațiale constau din puncte, linii și poligoane. Pentru a calcula potențialele, datele spațiale extinse sunt împărțite în fragmente mici. Pentru fiecare fragment, potențialul din punct este calculat cu un multiplicator egal cu dimensiunea fragmentului de obiect (factor).
Datele sunt împărțite în grupuri semantice pe baza principiului asemănării apropiate. De exemplu, obiectele comerciale sunt combinate în funcție de produs. Există grupuri de obiecte forestiere, corpuri de apă, așezări, opriri de transport etc. Grupurile unite prin semnificație reprezintă un factor. După ce am parcurs toate obiectele (factorii), obținem un set de potențiale termice potrivite pentru prelucrarea ulterioară.
Utilizarea potențialelor („hărți termice”) vă permite să treceți de la date spațiale la imagini „termice” ale obiectelor (factorilor) de influență asupra teritoriului (vizualizarea potențialelor). O astfel de tranziție face posibilă determinarea gradului de prezență a factorului în fiecare punct al teritoriului și efectuarea unei analize ulterioare, i.e. afișează în culori diferite direcții de dezvoltare a orașului. Astfel, obținem o strălucire de intensitate variabilă pentru fiecare punct al teritoriului.
Mai jos sunt prezentate exemple de imagini „termice” ale teritoriului Nijni Novgorod în contextul mai multor factori.
Harta „termică” a orașului Nijni Novgorod, care reflectă factorul „lanțul de farmacii”.
Harta „căldură” a orașului Nijni Novgorod, reflectând factorul „Policlinici pentru adulți”
Harta „termică” a orașului Nijni Novgorod, care reflectă factorul „clinicii pentru copii”
Harta „termică” a orașului Nijni Novgorod, reflectând factorul „zone industriale”
Imaginile „termice” ale teritoriului fac posibilă determinarea concentrației potențialelor de la diferite obiecte de influență. În continuare, este necesară combinarea potențialelor obținute într-o caracteristică integrală care să permită o evaluare a teritoriului pe baza unui număr mare de factori. Acest lucru necesită o metodă care vă permite să analizați o cantitate mare de informații, să recunoașteți obiecte și, de asemenea, să reduceți dimensiunea datelor, pierzând cea mai mică cantitate de informații. Una dintre aceste metode este analiza componentelor principale (PCA). Mai multe detalii despre această metodă găsiți în .
Esența metodei este de a găsi o combinație liniară a parametrilor inițiali care se schimbă cel mai puternic în zona de analiză. Pentru date spațiale – cea mai puternică schimbare de pe teritoriu.
Metoda componentei principale identifică obiectele (factorii) care se schimbă cel mai puternic pe teritoriu. Ca urmare a metodei, apar noi variabile - componentele principale, care sunt mai informative în comparație cu datele originale, cu ajutorul cărora este mai ușor să analizezi, să descrii și să vizualizezi teritoriul, pe care este mai ușor să construiești modele. .
Componentele principale sunt expresiile analitice - suma potenţialelor factorilor iniţiali cu anumiţi coeficienţi. Cu toate acestea, dacă vreun factor are un impact semnificativ asupra teritoriului, dar nu se modifică pe teritoriul analizat, metoda componentelor principale nu va include acest factor în compoziția componentelor principale.
Componentele principale sunt ordonate în ordinea descrescătoare a informațiilor – adică răspândindu-se pe tot teritoriul. Primele componente principale conțin mult mai multe informații decât factorii individuali și descriu bine teritoriul. De regulă, atunci când se utilizează aproximativ o sută de factori, prima componentă principală transportă aproximativ 50% din toate informațiile (varianță) pentru teritoriu. Componentele principale nu se corelează între ele și pot fi utilizate pentru modele ca caracteristici ale teritoriului în fiecare punct.
Componenta principală, ca un indicator calculat abstract al teritoriului, nu are o denumire și o clasificare clare. Cu toate acestea, un set de factori care sunt puternic corelați cu componenta principală ne permite să interpretăm componentele principale. De regulă, următorii factori se corelează cu componentele principale:
— nivelul de dezvoltare a infrastructurii;
— componenta de transport a teritoriului;
— zonele climatice;
— nivelul de dezvoltare a agriculturii;
— potențialul economic al teritoriului.
Analiza ulterioară, inclusiv gruparea, continuă cu primele câteva componente principale semnificative.
În figuri puteți vedea o reprezentare grafică a primelor componente principale de pe teritoriul mai multor orașe ale Federației Ruse.
Prima componentă principală care caracterizează nivelul de dezvoltare a infrastructurii urbane din Nijni Novgorod
Prima componentă principală care caracterizează nivelul de dezvoltare a infrastructurii urbane din Ekaterinburg
Prima componentă principală care caracterizează nivelul de dezvoltare a infrastructurii urbane din Kazan
Prima componentă principală care caracterizează nivelul de dezvoltare a infrastructurii urbane din Perm
Prima componentă principală care caracterizează nivelul de dezvoltare a infrastructurii urbane din Samara
Prima componentă principală care caracterizează nivelul de dezvoltare a infrastructurii urbane din Khabarovsk
Caracteristici integrale: clustering
Etapa ulterioară a lucrării de analiză a teritoriului este căutarea unor zone ale mediului urban care să fie omogene ca calitate. Această căutare se bazează pe analiza valorilor componentelor principale în fiecare punct din teritoriu. Problema căutării acestor zone omogene poate fi rezolvată folosind clustering - procesul de grupare a teritoriilor bazat pe principiul proximității unui set de caracteristici.
Gruparea teritorială are două obiective:
— crearea unei vizualizări mai bine percepute a teritoriului;
— alocarea de zone pentru compilarea modelelor individuale.
Teritoriile sunt grupate în conformitate cu factorii selectați pentru analiză. Acești factori pot fi factori care influențează prețurile sau factori care descriu un anumit aspect al dezvoltării teritoriului, de exemplu, sfera socială.
Există două metode clasice comune de grupare: metoda K-means și metoda dendrogramei. Când lucrați cu teritorii, metoda K-means s-a dovedit bine, a cărei caracteristică este „creșterea” unui cluster prin adăugarea de noi obiecte la punctele de creștere. Avantajul metodei K-means constă în asemănarea activității sale cu procesul natural de formare a teritoriului: integrarea celor similare, mai degrabă decât separarea celor diferite.
Metoda K-means a fost utilizată pentru calculele pentru Nijni Novgorod (figura de mai jos).
Conformitatea clusterelor cu nivelul de dezvoltare al teritoriului folosind exemplul lui Nijni Novgorod
Prin abordarea propusă, este posibil să obțineți o imagine de ansamblu asupra teritoriului pe diverse teme. Subiectele de interes pentru noi pot fi, de exemplu, nivelul de dezvoltare a infrastructurii urbane, nivelul de „elite” al teritoriului, nivelul de dezvoltare culturală, componenta socială a dezvoltării teritoriului. Aceste teme sunt concepte integrale prost definite și constau din mulți factori interrelaționați.
Folosind un anumit algoritm de selectare a parametrilor de analiză (inclusiv cu implicarea experților), vom obține hărți tematice care oferă o idee despre un aspect al dezvoltării teritoriului.
Caracteristicile integrale sunt înțelese ca primele componente principale, în primul rând prima componentă principală cea mai informativă și gruparea teritoriului în funcție de parametrii selectați.
Hărțile tematice ale primelor componente principale pentru diferite aspecte ale dezvoltării sunt prezentate în figurile de mai jos.
Harta tematică „Obiecte culturale” folosind exemplul lui Nijni Novgorod
Harta tematică „Sfera socială” folosind exemplul lui Nijni Novgorod
Caracteristicile integrale fac posibilă înțelegerea caracteristicilor unui teritoriu folosind mulți factori cu pierderi minime de informații.
În concluzie, este de remarcat încă o dată că analiza teritoriilor reprezintă astăzi o etapă extrem de importantă în rezolvarea problemelor dezvoltării mediului urban, alegerea locurilor de investit în construcții, găsirea celei mai avantajoase locații pentru noi dotări și alte sarcini.
Metoda de analiză a teritoriului propusă în articol folosind un model „termic” din factori de natură diferită nu este critică pentru setul de factori, adică nu impune restricții sau cerințe asupra informațiilor inițiale.
Diversitatea și redundanța informațiilor sursă, precum și posibilitatea de a utiliza date deschise, oferă perspective nelimitate pentru analiza oricărui teritoriu pace.
În următoarele publicații dedicate problemelor analizei teritoriale, intenționăm să dezvăluim caracteristicile compilarii modelelor folosind componente și metode principale pentru implementarea lor pentru sarcini precum:
— alegerea celei mai bune locații la plasarea unui nou obiect;
— construirea unei suprafețe de preț pentru o anumită categorie de obiecte folosind valoarea de piață;
- evaluarea rentabilitatii unui anumit tip de activitate in functie de amplasarea obiectelor.
Există, de asemenea, planuri de prezentare a metodelor de tranziție inversă de la componentele principale la factori, ceea ce, la rândul său, face posibilă obținerea unui model din factori pentru un anumit teritoriu.
Sursa: www.habr.com