Exemplu de calcul al potențialului termic pentru rețeaua stradală a orașului Nizhni Novgorod
Zona orașului este un sistem complex și heterogen, aflat în continuă schimbare. Descrierea zonei și evaluarea mediului urban pot fi realizate cu ajutorul obiectelor spațiale (factori). Factorii care descriu zona variază în funcție de natura influenței (pozitivă sau negativă) și de configurația geometrică (puncte, linii, poligoane).
Adesea, este destul de dificil să se determine gradul de influență al fiecărui obiect individual asupra nivelului de dezvoltare a zonei în ansamblu sau asupra unui anumit aspect al acesteia. Problema definirii și descrierii unor concepte precum "cultură", "sfera socială", "tensionare socială", "viață bună", "dezvoltare economică", "sănătatea populației" devine tot mai relevantă. Ambiguitatea acestor concepte crește dacă dorim să le aplicăm în raport cu diferite grupuri sociale, populația de vârste și genuri diferite.
De asemenea, trebuie remarcat că granițele orașului, în sensul modern, sunt destul de condiționate. Migrarea zilnică a populației și accesibilitatea prompte a zonelor îndepărtate "estompează" și mai mult limita orașului. Conceptul de aglomerare, folosit pe scară largă în prezent, reflectă în general limitele orașului, dar, în același timp, face ca noțiunea de graniță a orașului să fie și mai vagă.
În ciuda problemelor descrise mai sus, analiza și evaluarea zonelor sunt în prezent unele dintre direcțiile promițătoare și interesante, care permit rezolvarea multor probleme actuale ale mediului urban.
Articolul propune spre examinare o metodă de analiză a teritoriului folosind un model "termic". La baza acestei metode se află cercetarea potențialelor create de obiectele (factorii) de diferite tipuri (punctuale, liniare și de suprafață). Analiza teritoriului cu ajutorul acestei metode permite trecerea de la un set de date spațiale (factori) care descriu zona, la o evaluare numerică (punctaj) exactă în fiecare punct al teritoriului.
Potenziale studiate în cadrul analizei teritoriale au o interpretare fizică – distribuția căldurii în medii de diferite dimensiuni (2D, 3D). Acest fenomen poate fi reprezentat prin „imagini termice” („hărți termice” ale teritoriului), care oferă o idee despre gradul de dezvoltare a teritoriului în funcție de intensitatea culorii imaginii.
Factorii teritoriali
Analiza teritoriului implică căutarea și procesarea informațiilor despre factorii care influențează teritoriul și indicatorii acestora. Factorii de influență sunt obiecte care au impact asupra teritoriului înconjurător, având un set de caracteristici și coordonate spațiale. Exemple de factori de influență pot fi magazinele, obiectele industriale, drumurile, pădurile, cursurile de apă.
Indicatorii de influență sunt obiecte care reflectă influența obiectelor și de asemenea au un set de caractere și coordonate spațiale. Exemple de indicatori de influență includ bancomatele, panourile publicitare, monumentele.
În cadrul prezentului document, vom folosi termenul factori de influență, care înglobează ambele noțiuni – factori și indicatori de influență.
Mai jos este un exemplu de date spațiale care constituie factori de influență.
Una dintre etapele importante ale lucrărilor de analiză a teritoriilor este etapa de colectare și procesare a informațiilor inițiale. În prezent, există destul de multe informații despre factorii de influență asupra teritoriului, cu grade diferite de detaliere.
Informațiile pot fi obținute din surse deschise sau din surse cu acces limitat. În multe cazuri, informațiile deschise sunt suficiente pentru analiză, deși, în general, necesită o procesare destul de laborioasă.
Printre sursele deschise, liderul este, în opinia noastră, resursa – OpenStreetMap (OSM). Informațiile obținute din această sursă sunt actualizate zilnic la nivel global.
Informațiile resursei OpenStreetMap (OSM) sunt prezentate în următoarele formate:
— format OSM. Formatul principal cu extensia „.osm” este utilizat pentru descrierea imaginilor grafice XML - noduri, căi, relații.
— „format polonez”. Formatul text cu extensia „.mp” este utilizat pentru lucrul cu grafica.
— format PBF. Formatul de stocare a datelor cu extensia „.osm.pbf”.
De asemenea, pot fi utilizate ca surse de informații:
— 2GIS
Resursa conține informații de calitate, procesate lunar, cu un excelent clasificator pe 3 niveluri pentru întreprinderi și organizații.
— Fișiere KML (Keyhole Markup Language)
Fișierele KML (Keyhole Markup Language) sunt un format de fișiere utilizat pentru a afișa date geografice în programele Google Earth, Google Maps și Google Maps pentru dispozitive mobile.
Utilizând fișierele KML, puteți:
— stabili diverse pictograme și face etichete pentru a indica locații pe suprafața Pământului
— crea diverse unghiuri pentru obiectele selectate, modificând poziția camerei
— utiliza diverse imagini suprapuse
— defini stiluri pentru personalizarea afișării obiectului, aplicând cod HTML pentru a crea hyperlinkuri și imagini încorporate
— utiliza foldere pentru gruparea ierarhică a elementelor
— obține și actualiza dinamic fișiere KML din noduri de rețea locale sau remote
— obține date KML conform modificărilor din instrumentul de vizualizare 3D
— Serviciul Federal de Înregistrare a Statului, Cadastru și Cartografie „Rosreestr”
Informația de pe portalul Rosreestr este valoroasă prin conținutul și actualitatea sa, dar, din păcate, nu oferă posibilitatea de a obține grafice pentru obiectele de construcție și terenurile în mod gratuit. Portalul Rosreestr conține, de asemenea, un volum mare de informații cu acces limitat.
— Organele de statistică
Datele statistice sunt o sursă legitimă de informații despre teritoriu, însă, la momentul actual, datele organelor de statistică sunt disponibile doar pentru un număr limitat de indicatori, în principal în rapoartele organelor de statistică și în raporturile autorităților regionale.
— Sistemele informaționale ale autorităților publice
Informațiile de calitate sunt conținute în sistemele informaționale ale autorităților publice, însă doar o mică parte din acestea sunt publicate în acces deschis și disponibile pentru analiză.
Analiza teritoriilor nu impune cerințe specifice asupra compunerii informației; în esență, se poate folosi tot ce s-a putut găsi, informațiile din surse deschise fiind, de regulă, interschimbabile. Totuși, merită menționat că chiar și informațiile obținute de la sursa OSM sunt suficiente pentru a realiza o analiză a unui teritoriu necunoscut.
Analiza teritoriului utilizând un model „termic”. Interpretarea fizică a potențialelor.
După cum s-a spus anterior, analiza teritoriului este o temă actuală și un instrument puternic pentru atragerea argumentată a investițiilor în dezvoltarea infrastructurii diferitelor medii urbane.
Diversitatea sarcinilor rezolvate prin realizarea analizei teritoriilor poate fi grupată în câteva orientări majore:
— Obținerea unei evaluări maxime interpretabile și detaliate a teritoriului în fiecare punct al acestuia.
Rezolvând sarcina stabilită, se poate obține un set de evaluări punctuale care oferă o idee despre nivelul de dezvoltare a teritoriului în general, dar și în anumite domenii specifice. Un astfel de domeniu specific ar putea fi, de exemplu, cultura, industria, comerțul etc.
— Identificarea celor mai avantajoase locații pentru amplasarea obiectelor de investiție de anumite tipuri (de exemplu, bănci, magazine specializate, centre comerciale și de divertisment etc.) pe teritoriul ales.
— Analiza utilizării celei mai eficiente a teritoriului.
Această orientare permite realizarea unei cercetări detaliate a caracteristicilor teritoriului, a situației de pe piață existentă pe teritoriul studiat, precum și identificarea variantelor solicitate.
— Determinarea contribuției unui factor în modelul de cost, exemplificată prin apariția de noi drumuri și rute noi.
— Analiza diferitelor aspecte ale unui teritoriu și compararea diferitelor teritorii.
Originalitatea metodei de analiză a teritoriului propusă în articol cu aplicarea modelului „termic” constă în utilizarea indicatorilor de dezvoltare a teritoriului — potențiale, exprimate numeric și reflectând gradul de influență al unui obiect (factor de influență) asupra teritoriului.
Pentru a înțelege esența cercetării, este necesar să spunem câteva cuvinte despre potențialul termic în sine și să oferim o interpretare fizică a acestuia.
În fizică există concepte precum câmpul de forță și funcția de forță. Câmpul de forță are dimensiunea energiei, iar 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 definită prin expresia:
dϕ=-F*dr, unde
ϕ — potențialul câmpului de forță;
dϕ, dr – diferențiale;
r — distanța dintre obiectele care interacționează,
prin urmare ϕ=k/r.
Sensul fizic al potențialului câmpului de forță ϕ este lucrul E efectuat de câmpul de forță în timpul parcurgerii unei anumite distanțe. În cazul legii gravitației universale, la schimbarea distanței față de obiect de la r2 la r1, funcția de forță este definită prin formula
E=k*(1/r1-1/r2), unde
E – lucrarea efectuată de câmpul de forță în timpul parcurgerii unei anumite distanțe;
r1, r2 – poziția inițială și finală a obiectului.
În analiza teritoriului, influența obiectelor (factorilor) asupra teritoriului poate fi considerată ca o forță (funcția de forță), iar nivelul de dezvoltare al teritoriului ca un potențial termic total (câmpul de forță) provenit de la toate obiectele (factorii). În sarcinile de fizică, potențialul termic este temperatura, iar în sarcinile de analiză a teritoriilor folosind un model "termic", potențialul reprezintă impactul total al tuturor factorilor de influență asupra unui punct din teritoriu.
Datele spațiale sunt puncte, linii, poligoane. Pentru calcularea potențialelor, datele spațiale extinse sunt împărțite în fragmente mici. Pentru fiecare fragment se calculează potențialul de la punct cu un factor multiplicator egal cu dimensiunea fragmentului obiectului (factorului).
Datele sunt împărțite în grupuri semantice pe baza principiului similarității apropiate. De exemplu, obiectele de comerț sunt grupate după produse. Există grupuri de obiecte forestiere, obiecte de apă, așezări, stații de transport etc. Grupurile unite prin semnificație reprezintă un factor. Parcurgând toate obiectele (factorii), obținem un set de potențiale termice care sunt apt de prelucrat ulterior.
Utilizarea potențialelor ("hărților termice") permite trecerea de la date spațiale la imagini "termice" ale obiectelor (factorilor) care influențează teritoriul (vizualizarea potențialelor). Această tranziție oferă posibilitatea de a determina gradul de prezență a factorului în fiecare punct al teritoriului și de a efectua analize suplimentare, adică de a reda diferitele direcții de dezvoltare a orașului în culori. Astfel, vom obține o strălucire de intensitate variată pentru fiecare punct de pe teritoriu.
Exemple de imagini „termice” ale teritoriului orașului Nizhni Novgorod în funcție de câțiva factori sunt prezentate mai jos.
Harta „termică” a orașului N. Novgorod, care reflectă factorul „Rețeaua de farmacii”
Harta „termică” a orașului N. Novgorod, care reflectă factorul „Policlinici pentru adulți”
Harta „termică” a orașului N. Novgorod, care reflectă factorul „Policlinici pediatrică”
Harta „termică” a orașului N. Novgorod, care reflectă factorul „Zone industriale”
Imaginile „termice” ale teritoriului permit determinarea concentrației potențialelor de la diferite obiecte de influență. Ulterior, este necesar să se combine potențialele obținute într-o caracteristică integrală, care să permită evaluarea teritoriului în funcție de un număr mare de factori. Pentru aceasta, este necesară o metodă care să permită analiza unui volum mare de informații, recunoașterea obiectelor, precum și reducerea dimensiunii datelor, pierzând cea mai mică cantitate de informație. Una dintre aceste metode este analiza componentelor principale (Principal Component Analysis, PCA). Mai multe detalii despre această metodă pot fi citite în .
Esenta metodei constă în găsirea unei combinații liniare a parametrilor initiali, care variază cel mai mult în domeniul de analiză. Pentru datele spațiale – cel mai mult variind pe teritoriul.
Metoda componentelor principale identifică obiectele (factorii) care variază cel mai mult pe teritoriu. Ca rezultat al activității metodei, apar noi variabile – componente principale, care sunt mai informative în comparație cu datele inițiale, facilitând analiza, descrierea și vizualizarea teritoriului, precum și construirea mai ușoară a modelelor.
Componentele principale reprezintă expresii analitice - suma potențialelor factorilor inițiali cu anumite coeficiente. Cu toate acestea, dacă un factor are un impact semnificativ asupra unei teritorii, dar nu se schimbă în teritoriul analizat, metoda componentelor principale nu va include acest factor în compunerea sa.
Componentele principale sunt ordonate în funcție de scăderea informației - adică de dispersia lor pe teritoriul analizat. Primele componente principale conțin informații semnificativ mai mari decât factorii individuali și descriu bine teritoriul. De obicei, atunci când se folosesc în jur de o sută de factori, prima componentă principală conține aproximativ 50% din toată informația (dispersie) a teritoriului. Componentele principale nu se corelează între ele și pot fi utilizate în modele ca caracteristici ale teritoriului în fiecare punct.
Componentele principale, ca un indicator abstract calculat al teritoriului, nu au un nume și o clasificare clare. Cu toate acestea, ansamblul factorilor care corelează puternic cu componenta principală permite interpretarea acestora. De obicei, următorii factori 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 clusteringul, se desfășoară cu primele câteva componente principale semnificative.
În ilustrații se poate observa reprezentarea grafică a primelor componente principale în teritoriul mai multor orașe din Federația Rusă.
Prima componentă principală, caracterizând nivelul de dezvoltare al infrastructurii urbane în Nizhni Novgorod
Prima componentă principală, caracterizând nivelul de dezvoltare al infrastructurii urbane în Ekaterinburg
Prima componentă principală, caracterizând nivelul de dezvoltare al infrastructurii urbane în Kazan
Prima componentă principală, caracterizând nivelul de dezvoltare al infrastructurii urbane în Perm
Prima componentă principală, caracterizând nivelul de dezvoltare al infrastructurii urbane în Samara
Prima componentă principală, caracterizând nivelul de dezvoltare al infrastructurii urbane în Habarovsk
Caracteristici integrale: clasificarea
Următorul pas în analiza teritoriilor constă în căutarea zonelor din mediul urban, omogene din punct de vedere al calității. Această căutare se bazează pe analiza valorilor componentelor principale în fiecare punct al teritoriului. Sarcina de identificare a acestor zone omogene poate fi rezolvată prin clasificare - un proces de grupare a teritoriilor pe baza similarității caracteristicilor.
Clasificarea teritoriului urmărește două obiective:
— crearea unei vizualizări mai bine percepute a teritoriului;
— evidențierea unor zone pentru dezvoltarea de modele separate.
Teritoriile sunt clasificate conform factorilor selectați pentru analiză. Acești factori pot fi cei care influențează formarea prețurilor sau factori care descriu o anumită latură a dezvoltării teritoriale, de exemplu, domeniul social.
Există două metode clasice frecvent utilizate în clasificare: metoda K-means și metoda dendrogramelor. În lucrul cu teritoriile, metoda K-means s-a dovedit a fi eficientă, având ca trăsătură 'creșterea' clusterei prin adăugarea de noi obiecte la punctele de creștere. Avantajul metodei K-means constă în asemănarea sa cu procesul natural de formare a teritoriilor: integrarea celor asemănătoare, nu separarea celor diferite.
Prin metoda K-means s-a efectuat calculul pentru Nizhny Novgorod (ilustrația de mai jos).
Conformitatea clusterelor cu nivelul de dezvoltare al teritoriului pe exemplul orașului N. Novgorod
Prin abordarea propusă se poate obține o reprezentare a teritoriului în funcție de diferite teme. Temele de interes pot include, de exemplu, nivelul dezvoltării infrastructurii urbane, nivelul de 'elitism' al teritoriului, nivelul dezvoltării culturii, componenta socială a dezvoltării teritoriale. Aceste teme sunt concepte integrale puțin definite și constau din numeroși factori interconectați.
Printr-un anumit algoritm de selecție a parametrilor pentru analiză (inclusiv cu implicarea experților), vom obține hărți tematice care oferă o imagine asupra unui aspect al dezvoltării teritoriale.
Prin caracteristici integrale se înțeleg primele componente principale, în primul rând cea mai informativă primă componentă principală, și clasificarea teritoriului conform parametrilor selectați.
Hărțile tematice ale primelor componente principale despre diferite aspecte ale dezvoltării sunt prezentate în imaginile de mai jos.
Harta tematică „Obiecte culturale” exemplificată prin orașul Nizhniy Novgorod
Harta tematică „Sfera socială” exemplificată prin orașul Nizhniy Novgorod
Caracteristicile integrale permit înțelegerea specificităților teritoriului, operând cu numeroși factori cu pierderi minime de informație.
În concluzie, merită să subliniem din nou că analiza teritoriilor reprezintă o etapă extrem de importantă în soluționarea sarcinilor de dezvoltare a mediului urban, a alegerii locurilor pentru investiții în construcție, a căutării celor mai avantajoase locații pentru noi obiective și a altor sarcini.
Metoda de analiză a teritoriului propusă în articol, utilizând modelul „termic” bazat pe factori de diferite tipuri, nu este critică față de setul de factori, adică nu impune restricții și cerințe pentru informația inițială.
Diversitatea și redundanța informației inițiale, precum și posibilitatea de a folosi date deschise, oferă perspective nelimitate pentru analiza oricăror teritorii ale lumii.
În publicațiile următoare, dedicate sarcinilor de analiză a teritoriilor, intenționăm să dezvăluim specificitățile elaborării modelelor utilizând principalele componente și metodele lor de implementare pentru sarcini precum:
— alegerea celui mai bun loc pentru amplasarea unui nou obiect;
— construirea unei suprafețe de preț pentru o anumită categorie de obiecte utilizând valoarea de piață;
- evaluarea rentabilității unei anumite activități în funcție de locația obiectelor.
De asemenea, avem în plan să prezentăm metodele de tranziție inversă de la principalele componente la factori, ceea ce, la rândul său, permite obținerea unui model bazat pe factori pentru acest teritoriu.
Sursa: habr.com
