În prima publicație () am descris modul în care potenţialele termice pot fi utilizate pentru a analiza teritorii în general. În următoarele publicații s-a planificat să se descrie modul în care informațiile despre obiectele spațiale sunt stocate în baze de date, cum sunt construite modele din componentele principale și, în general, ce sarcini de analiză a teritoriului pot fi. Dar mai întâi lucrurile.
Utilizarea metodei potențialului termic, în primul rând, face posibilă obținerea unei idei generale a teritoriului care ne interesează. De exemplu, luând informațiile inițiale de la OSM pentru orașul Barcelona (Catalunia), și efectuând o analiză integrală fără selectarea parametrilor, putem obține imagini „termice” ale primelor componente principale. Am vorbit și despre hărțile „căldurii” în primul articol, dar nu ar fi greșit să reamintim că termenul de hartă „căldură” a apărut din cauza semnificației fizice a potențialelor utilizate pentru analiza integrală. Acestea. în problemele de fizică, potențialul este temperatura, iar în problemele de analiză teritorială, potențialul este efectul total al tuturor factorilor de influență asupra unui anumit punct de pe teritoriu.
Mai jos este un exemplu de hartă „căldură” a orașului Barcelona, obținută ca rezultat al analizei integrale.
Harta „căldură” a primei componente principale, fără selectarea parametrilor, Barcelona
Și setând un parametru specific (în acest caz, am ales industria), puteți obține o hartă „căldură” direct pentru acesta.
Harta termică a primei componente principale, industria, Barcelona
Desigur, problemele de analiză sunt mult mai ample și mai variate decât obținerea unei evaluări generale a teritoriului selectat, prin urmare, ca exemplu, în acest articol vom lua în considerare problema găsirii celei mai bune locații la amplasarea unui nou obiect și aspectul tehnic. implementarea metodei potențialului termic pentru rezolvarea acestuia, iar în publicațiile viitoare ne vom uita la altele.
Rezolvarea problemei de a găsi cea mai bună locație atunci când plasați un nou obiect va ajuta la determinarea cât de „gata” este teritoriul pentru a accepta acest nou obiect, cum se va corela cu alte obiecte deja existente în teritoriu, cât de valoros va fi acest nou obiect pentru teritoriul și ce valoare va adăuga.
Etapele implementării tehnice
Implementarea tehnică poate fi reprezentată de succesiunea procedurilor enumerate mai jos:
- Pregătirea mediului informațional.
- Căutarea, colectarea și prelucrarea informațiilor surse.
- Construirea unei grile de noduri pe teritoriul analizat.
- Defalcarea factorilor de teritoriu în fragmente.
- Calculul potenţialelor din factori.
- Selectarea factorilor pentru crearea caracteristicilor integrale tematice ale teritoriului.
- Aplicarea metodei componentelor principale pentru obținerea indicatorilor integrali ai teritoriului.
- Crearea de modele pentru selectarea unui amplasament pentru construirea unei noi facilitati.
Etapa 1. Pregătirea mediului informațional
În această etapă, este necesar să se selecteze un sistem de management al bazei de date (DBMS), să se determine sursele de informații, metodele de colectare a informațiilor și cantitatea de informații colectate.
Pentru munca noastră, am folosit baza de date PostgeSql (DB), dar merită remarcat faptul că orice altă bază de date care funcționează cu interogări SQL va funcționa.
Baza de date va stoca informații inițiale - date spațiale despre obiecte: tipuri de date (puncte, linii, poligoane), coordonatele acestora și alte caracteristici (lungime, suprafață, cantitate), precum și toate valorile calculate obținute ca urmare a munca desfasurata si rezultatele muncii in sine .
Informațiile statistice sunt prezentate și ca date spațiale (de exemplu, regiuni ale unei regiuni cu date statistice atribuite acestor regiuni).
Ca urmare a transformării și procesării informațiilor inițiale colectate, se formează tabele care conțin informații despre factorii liniari, punctiali și de suprafață, identificatorii și coordonatele acestora.
Etapa 2 Căutarea, colectarea și prelucrarea informațiilor surse
Ca informații inițiale pentru rezolvarea acestei probleme, folosim informații din surse cartografice deschise care conțin informații despre teritoriu. Liderul, în opinia noastră, este informația OSM, actualizată zilnic în întreaga lume. Cu toate acestea, dacă reușiți să colectați informații din alte surse, nu va fi mai rău.
Prelucrarea informației constă în uniformizarea acesteia, eliminarea informațiilor false și pregătirea acesteia pentru încărcare în baza de date.
Etapa 3. Construirea unei grile de noduri pe teritoriul analizat
Pentru a asigura continuitatea teritoriului analizat, este necesară construirea unei grile pe acesta, ale cărei noduri au coordonate într-un sistem de coordonate dat. La fiecare nod al grilei se va determina ulterior valoarea potentiala. Acest lucru vă va permite să vizualizați zone omogene, clustere și rezultatele analizei finale.
În funcție de sarcinile de rezolvat, sunt posibile două opțiuni pentru construirea unei grile:
— Grilă cu pas obișnuit (S1) – este observabilă pe întreg teritoriul. Este utilizat pentru calcularea potențialelor din factori, determinarea caracteristicilor integrale ale teritoriului (componente principale și clustere) și afișarea rezultatelor modelării.
Când selectați această grilă, trebuie să specificați:
- grid spacing – intervalul la care vor fi amplasate nodurile grilei;
- limita teritoriului analizat, care poate corespunde unei împărțiri administrativ-teritoriale, sau poate fi o zonă de pe hartă care limitează aria de calcul sub formă de poligon.
— Grilă cu distanță neregulată (S2) descrie puncte individuale ale teritoriului (de exemplu centroizi). De asemenea, este utilizat pentru a calcula potențialele din factori și pentru a determina caracteristicile integrale ale teritoriului (componente principale și clustere). Modelarea cu componente principale calculate se realizează exact pe o grilă cu un pas neregulat, iar pentru a vizualiza rezultatele simulării, numerele de grup de la nodurile grilei cu un pas neregulat sunt transferate la nodurile grilei cu un pas regulat, conform principiului proximității coordonatelor. .
În baza de date, informațiile despre coordonatele nodurilor grilei sunt stocate sub forma unui tabel care conține următoarele informații pentru fiecare nod:
- ID-ul nodului;
- coordonatele nodului (x, y).
Exemple de grile cu spațiere regulată pentru diferite teritorii cu spațiere diferită sunt prezentate în figurile de mai jos.
Grila de acoperire a Nijni Novgorod (puncte roșii). Grila de acoperire a regiunii Nijni Novgorod (puncte albastre).
Etapa 4 Defalcarea factorilor de teritoriu în fragmente
Pentru o analiză ulterioară, factorii extinși ai teritoriului trebuie convertiți într-o serie de factori discreti, astfel încât fiecare nod al grilei să conțină informații despre fiecare factor prezent în el. Factorii liniari sunt împărțiți în segmente, factorii de zonă în fragmente.
Etapa de despărțire este selectată în funcție de suprafața teritoriului și factorul specific; pentru zone mari (regiune) treapta de despărțire poate fi de 100-150 m; pentru zone mai mici (oraș) treapta de despărțire poate fi de 25-50 m .
În baza de date, informațiile despre rezultatele împărțirii sunt stocate sub forma unui tabel care conține următoarele informații pentru fiecare fragment:
- identificator de factor;
- coordonatele centroizilor fragmentelor de partiție rezultate (x, y);
- lungimea/aria fragmentelor de partiție.
Etapa 5 Calculul potenţialelor din factori
Una dintre abordările posibile și ușor de înțeles pentru analiza informațiilor inițiale este de a considera factorii ca potențial de la obiectele de influență.
Să folosim soluția fundamentală a ecuației lui Laplace pentru cazul bidimensional - logaritmul distanței de la punct.
Luând în considerare cerința unei valori potențiale finite la zero și limitarea valorii potențialului pe distanțe mari, potențialul se determină după cum urmează:
la r (1)
pentru r2>r>=r1
pentru r>=r2
Tip de potențial de influență de la un obiect punctual
Funcția logaritmică trebuie să fie mărginită la zero și limitată în mod rezonabil la o anumită distanță de factori. Dacă nu am face restricții asupra potențialului la distanțe mari de factor, atunci ar trebui să luăm în considerare o cantitate uriașă de informații departe de punctul analizat, care practic nu are niciun efect asupra analizei. Prin urmare, introducem valoarea razei de acțiune a factorului, dincolo de care contribuția la potențialul din factor este zero.
Pentru un oraș, se presupune că raza factorului este egală cu o jumătate de oră pietonal accesibilitate - 2 de metri. Pentru regiune ar trebui să vorbim de o jumătate de oră transport accesibilitate - 20 de metri.
Astfel, ca urmare a calculării valorilor potențialelor, avem potențialul total din fiecare factor la fiecare nod al grilei obișnuite.
Etapa 6. Selectarea factorilor pentru crearea caracteristicilor integrale tematice ale teritoriului
În această etapă, sunt selectați factorii cei mai semnificativi și informativi pentru a crea caracteristici tematice integrale ale teritoriului.
Selectarea factorilor se poate realiza automat prin stabilirea anumitor limite pentru parametri (corelație, procent de influență etc.), sau se poate face cu expertiză, cunoscând subiectul problemei și având o oarecare înțelegere a teritoriului.
După ce au fost selectați factorii cei mai semnificativi și mai informativi, puteți trece la următorii pași - interpretarea componentelor principale.
Etapa 7 Aplicarea metodei componentelor principale pentru obținerea indicatorilor integrali ai teritoriului. Clustering
Informațiile inițiale despre factorii de teritoriu, convertite în etapa anterioară în potențiale calculate pentru fiecare nod de grilă, sunt combinate în noi indicatori integrali - componentele principale.
Metoda componentei principale analizează variabilitatea factorilor din zona de studiu și găsește, pe baza rezultatelor acestei analize, cea mai variabilă combinație liniară a acestora, ceea ce face posibilă calcularea măsurii schimbării - dispersie a acestora pe teritoriu.
Să luăm o problemă generală pentru a crea un model pentru aproximarea unei funcții de model liniar la valori date
(2)
Unde i este numărul componentei,
n – numărul de componente implicate în calcul
j – indicele nodului unui punct de teritoriu, j=1..k
k – numărul tuturor nodurilor grilei de teritoriu pentru care s-a efectuat calculul componentelor principale
— coeficient pentru a i-a componentă principală a modelului
– valoarea i-a componentă principală în al-lea punct
B – termenul liber al modelului
— potențialul în punctul j al factorului pentru care construim un model
Să determinăm necunoscutele din ecuație (2) metoda celor mai mici pătrate, folosind proprietățile componentelor principale:
(3)
Unde i și i2 sunt numere componente, i<>i2
j — indicele nodului de teritoriu
k este numărul tuturor nodurilor de teritoriu
(4)
(3) înseamnă că nu există corelații între componente
(4) – valoarea totală a oricărei componente este zero.
Primim:
(5)
Aici notația este aceeași ca în Ec. (2), înseamnă valoarea potențială medie
Acest rezultat poate fi interpretat astfel:
Modelul este o expresie simplă constând din valoarea medie a valorii simulate și corecții simple ale acesteia pentru fiecare dintre componente. Cel puțin, rezultatul trebuie să includă termenul inactiv B și prima componentă principală. Mai jos sunt exemple de hărți termice ale primelor componente principale pentru regiunea Nijni Novgorod.
Pe baza componentelor principale calculate, se pot construi regiuni omogene. acest lucru se poate face atât pentru toți parametrii, cât și, de exemplu, numai pentru cei de preț - adică. efectuează gruparea. Pentru aceasta, puteți folosi . Pentru fiecare regiune omogenă se calculează valoarea medie a primei componente principale, care caracterizează nivelul de dezvoltare a teritoriului.
Mai jos este prezentat un exemplu de grupare în funcție de parametrii de preț pentru regiunea Nijni Novgorod.
De asemenea, folosind componentele principale obținute ca parametri ai modelului de cost, putem obține suprafața de preț a teritoriului.
Suprafața de preț a Nijni Novgorod
Etapa 8. Crearea de modele pentru selectarea unui amplasament pentru construirea unei noi facilitati
Pentru a selecta locul cel mai atractiv pentru locația unui nou obiect (denumit în continuare „obiect”), este necesar să se compare locația „obiectului” cu infrastructura din jur. Pentru ca „obiectul” să funcționeze, trebuie să existe suficiente resurse pentru a-i asigura funcționarea; trebuie luați în considerare un număr mare de factori, atât impacturi pozitive, cât și negative asupra „obiectului”. Întregul set al acestor factori poate fi definit ca un mediu „nutrient” pentru funcționarea „obiectului”. Corespondența numărului de obiecte cu numărul de resurse ale teritoriului este baza pentru funcționarea stabilă a „obiectului”.
Rezultatul acestei comparații este potențialul calculat pentru fiecare punct al teritoriului și care permite o analiză vizuală și analitică a alegerii locației pentru amplasarea unui nou „obiect”.
Pentru comerț, de exemplu, printre altele, este important un flux constant de cumpărători, ceea ce înseamnă că lista factorilor care trebuie luați în considerare pentru obiectele comerciale ar trebui să includă și pe cei care asigură acest flux (de exemplu, facilități de infrastructură socială, locuri de muncă, locuri de reședință, căi de transport etc.).
Pe de altă parte, atunci când sunt îndeplinite toate condițiile pentru a asigura funcționarea unităților de vânzare cu amănuntul, este necesar să se țină cont de densitatea instalațiilor de vânzare cu amănuntul, deoarece „consumul” mediului duce la scăderea posibilității de achiziție. Fluxul de oameni nu este nelimitat și același lucru este valabil și pentru resursele lor financiare și capacitățile fizice.
Algoritmul de rezolvare a problemei alegerii celei mai bune locații pentru un obiect se rezumă la faptul că potențialul obținut în funcție de componentele principale este cât mai aproape de potențialul unui set de obiecte de tip „obiect”; apoi se calculează diferența dintre potențialul modelului și potențialul obiectelor de tip „obiect”; din diferența rezultată se scade valoarea potențialului de contribuție al unui „obiect”; Valorile negative obținute în acest caz sunt înlocuite cu zero, adică acele locuri în care nu există suficiente resurse pentru funcționarea noului „obiect” sunt eliminate.
În urma acțiunilor întreprinse, obținem puncte ale teritoriului cu o valoare potențială pozitivă, adică locuri de amplasare favorabilă a „obiectului” nostru.
Cu alte cuvinte, avem potențialele calculate ale tuturor factorilor la dispoziție și factorul pentru care dorim să construim un model și să analizăm aria tematică selectată (comerț, industrie, cultură, sfera socială etc.)
Pentru a face acest lucru, este necesar să se selecteze factori pentru construirea variabilelor de mediu - componentele principale - și apoi să se calculeze modele pe baza acestora.
Ne propunem selectarea factorilor prin analizarea corelațiilor tuturor factorilor cu factorul de referință al ariei tematice. De exemplu, pentru cultură ar putea fi teatre, pentru sistemul de învățământ, școli etc.
Se calculează corelația potențialului standard cu potențialele tuturor factorilor. Selectăm acei factori ai căror coeficienți de corelație în mărime sunt mai mari decât o anumită valoare (deseori se ia valoarea coeficientului de corelație minim = 0).
(6)
unde — valoarea absolută a coeficientului de corelație al factorului i cu standardul.
Corelația este calculată pe toate nodurile grilei care acoperă teritoriul.
Diferența dintre potențialul modelului și potențialul obiectelor de același tip ca noul obiect din ecuație (2) arată potențialul teritoriului, care poate fi folosit pentru a localiza noi facilități.
Ca urmare, obținem valoarea potențială, care caracterizează gradul de beneficiu al amplasării „obiectului” în zona de studiu.
Un exemplu despre cum puteți afișa grafic locațiile recomandate pentru un nou „obiect” este dat mai jos.
Astfel, rezultatul rezolvării problemei alegerii celei mai bune locații pentru un nou obiect poate fi reprezentat ca o evaluare a teritoriului în puncte în fiecare punct, dând o idee despre potențialul de localizare a unui obiect de investiție, adică cu cât este mai mare. scor, cu atât este mai profitabilă localizarea obiectului.
În concluzie, merită să spunem că în acest articol am luat în considerare o singură problemă care poate fi rezolvată folosind analiza teritoriului, având la îndemână date din surse deschise. De fapt, există o mulțime de probleme care pot fi rezolvate cu ajutorul lui, numărul lor este limitat doar de imaginația ta.
Sursa: www.habr.com