Príklad výpočtu tepelných potenciálov pre ulicu v meste Nižnij Novgorod
Územie mesta je zložitý, heterogénny systém, ktorý sa neustále mení. Popis územia a posúdenie mestského prostredia je možné vykonať pomocou priestorových objektov (faktorov). Faktory popisujúce územie sa líšia podľa charakteru vplyvu (pozitívny, negatívny) a geometrickej konfigurácie (body, línie, polygóny).
Často je ťažké určiť stupeň vplyvu každého jednotlivého objektu na úroveň rozvoja územia ako celku alebo na nejaký jeho konkrétny aspekt. Dnes sa problém určenia a opisu takých pojmov ako „kultúra“, „sociálna sféra“, „sociálny napätie“, „dobrý život“, „ekonomický rozvoj“, „zdravie obyvateľstva“ stáva čoraz aktuálnejším. Nejednoznačnosť týchto pojmov sa zvyšuje, ak ich chceme aplikovať na rôzne sociálne skupiny, obyvateľstvo rôzneho veku a pohlavia.
Taktiež je potrebné poznamenať, že hranice mesta v modernom ponímaní sú dosť podmienečné. Denne migrácia obyvateľstva a dopravná dostupnosť vzdialených oblastí „rozmazávajú hranicu“ mesta ešte viac. Široko používaný pojem aglomerácie v celku odráža hranice mesta, ale súčasne robí samotný pojem hranice mesta ešte rozmazanejším.
Napriek vyššie uvedeným problémom, analýza a hodnotenie území sú dnes jednými z perspektívnych a zaujímavých smerov, ktoré umožňujú riešiť množstvo aktuálnych otázok mestského prostredia.
V článku sa navrhuje metóda analýzy územia s využitím „tepelných“ modelov. Základom tejto metódy je výskum potenciálov vytvorených objektmi (faktormi) rôznej povahy (bodové, lineárne a plošné). Analýza územia pomocou tejto metódy umožňuje prejsť od súboru priestorových údajov (faktorov), ktoré popisujú územie, k presnému číselnému (bodovému) hodnoteniu v každom bode územia.
Analyzované potenciály v rámci územného rozboru majú fyzickú interpretáciu – šírenie tepla v prostrediach rôznej dimenzie (2D, 3D). Tento jav môžeme predstaviť vo forme „teplotných“ obrázkov („teplotných“ máp územia), ktoré poskytujú predstavu o stupni rozvoja územia v závislosti od intenzity farby obrázka.
Faktory územia
Územný rozbor zahŕňa vyhľadávanie a spracovanie informácií o faktoroch ovplyvňujúcich územie a o ich ukazovateľoch. Faktory ovplyvnenia predstavujú objekty, ktoré pôsobia na okolitú územie, disponujúce súborom charakteristík a priestorovými súradnicami. Príkladmi faktorov ovplyvnenia môžu byť obchody, priemyselné objekty, cesty, lesy, vodné plochy.
Ukazovatele ovplyvnenia predstavujú objekty, odrážajúce vplyv objektov a taktiež disponujúce súborom charakteristík a priestorovými súradnicami. Príklady ukazovateľov ovplyvnenia: bankomaty, reklamné tabule, pamätníky.
V ďalšom texte budeme používať pojem faktory ovplyvnenia, ktorý spája obidva termíny – faktory a ukazovatele ovplyvnenia.
Nižšie je uvedený príklad priestorových údajov, ktoré vystupujú ako faktory ovplyvnenia.
Jedným z dôležitých krokov pri vykonávaní prác na analýze území je fáza zbierania a spracovania základných informácií. V súčasnosti existuje bohaté množstvo informácií o faktoroch ovplyvnenia na územie v rôznej miere podrobnosti.
Informácie môžu byť získané z otvorených zdrojov alebo zdrojov s obmedzeným prístupom. V mnohých prípadoch je otvorených informácií dostatočne veľa na analýzu, hoci obvykle vyžadujú dosť pracné spracovanie.
Medzi otvorenými zdrojmi je podľa nášho názoru lídrom zdroj – OpenStreetMap (OSM). Informácie získavané z tohto zdroja sa aktualizujú denne po celom svete.
Informácie zdroja OpenStreetMap (OSM) sú prezentované v nasledujúcich formátoch:
— OSM formát. Hlavný formát s príponou „.osm“ sa používa na opis grafických obrazov XML – uzly, cesty, vzťahy.
— „Poľský formát“. Textový formát s príponou „.mp“ sa používa na prácu s grafikou.
— PBF formát. Formát ukladania údajov s príponou „.osm.pbf“.
Ako zdroje informácií sa tiež môžu použiť:
— 2GIS
Zdroje obsahujú kvalitné, mesačne spracovávané informácie s vynikajúcim 3úrovňovým klasifikátorom pre podniky a organizácie.
— Súbory KML (Keyhole Markup Language)
Súbory KML (Keyhole Markup Language) sú formát súborov, ktorý sa používa na zobrazovanie geografických údajov v programoch Google Zem, Mapy Google a Mapy Google pre mobilné zariadenia.
So súbormi KML môžete:
— nastavovať rôzne ikony a vytvárať popisy na označenie miest na zemskom povrchu
— vytvárať rôzne uhly pohľadu pre vybrané objekty zmenou polohy kamery
— používať rôzne prekryté obrázky
— definovať štýly na prispôsobenie zobrazenia objektu, aplikovať HTML kód na vytváranie hypertextových odkazov a vložených obrázkov
— používať priečinky na hierarchické zoskupovanie prvkov
— dynamicky získavať a aktualizovať súbory KML z diaľkových alebo lokálnych uzlov siete
— prijímať údaje KML v súlade so zmenami v prostriedku trojrozmerného zobrazenia
— Federálna služba štátnej registrácie, katastru a kartografie „Rosreestr“
Informácie na portáli Rosreestra sú cenné svojím obsahom a aktuálnosťou, ale bohužiaľ neposkytujú možnosť získavať grafiku o objektoch kapitálovej výstavby a pozemkoch bezplatne. Portál Rosreestra tiež obsahuje veľké množstvo informácií s obmedzeným prístupom.
— Štatistické úrady
Štatistické údaje sú legitímnym zdrojom informácií o území, avšak k dnešnému dňu sú údaje štatistických úradov dostupné len pre niektoré ukazovatele, väčšinou v správach štatistických úradov a správach regionálnych úradov.
— Informačné systémy orgánov moci
Kvalitné informácie sa nachádzajú v informačných systémoch orgánov moci, avšak len malá časť z nich je zverejnená verejne a je prístupná na analýzu.
Analyzing territories does not impose any specific information requirements; essentially, one can use anything found, as information from open-source types is generally interchangeable. However, it should be noted that even a single piece of information obtained from OSM is sufficient to conduct an analysis of an unfamiliar area.
Territory analysis using a 'thermal' model. Physical interpretation of potentials.
As previously mentioned, territory analysis is currently a relevant topic and a powerful tool for justifying investments in the development of infrastructure in various urban environments.
The variety of tasks addressed through territory analysis can be grouped into several major categories:
— Obtaining the most interpretable and detailed assessment of the territory at each point.
By solving the assigned task, one can obtain a set of scores for each point in the territory, providing insights into the overall level of development of the area, as well as within certain subject areas. Such subject areas could include culture, industry, trade, etc.
— Identifying the most advantageous locations for establishing investment objects of a specific type (e.g., banks, specialized shops, shopping and entertainment centers, etc.) within the chosen territory.
— Analyzing the most effective use of the territory.
This direction allows for a detailed study of the characteristics of the territory, the market situation prevailing in the area being studied, and the identification of in-demand options.
— Determining the contribution of one factor to the value model, exemplified by the emergence of new roads and routes.
— Analyzing different aspects of one territory and comparing different territories.
The originality of the proposed method for territory analysis using the 'thermal' model lies in employing development indicators of the territory—potentials expressed numerically that reflect the degree of influence of an object (influence factor) on the territory.
Na pochopenie podstaty výskumu je potrebné povedať niekoľko slov o samotnom tepelnom potenciáli a poskytnúť jeho fyzickú interpretáciu.
V oblasti fyziky existujú také pojmy ako silové pole a silová funkcia. Silové pole má dimenziu energie, silová funkcia – dimenziu sily.
Pre zákon univerzálnej gravitácie je silové pole definované vzorcom:
F=k/r2, kde
k – konštanta;
r – vzdialenosť medzi interactujúcimi objektmi.
Silová funkcia ϕ je definovaná výrazom:
dϕ=-F*dr, kde
ϕ — potenciál silového poľa;
dϕ, dr – diferenciály;
r — vzdialenosť medzi interactujúcimi objektmi,
preto ϕ=k/r.
Fyzikálny význam potenciálu silového poľa ϕ je práca E vykonaná silovým poľom pri prechode určitým úsekom. V prípade zákona univerzálnej gravitácie je silová funkcia pri zmene vzdialenosti od objektu z r2 na r1 definovaná vzorcom
E=k*(1/r1-1/r2), kde
E – práca vykonaná silovým poľom pri prechode určitým úsekom;
r1, r2 – počiatočná a konečná pozícia objektu.
Pre úlohu analýzy územia môžeme vplyv objektov (faktorov) na územie považovať za silu (silová funkcia), zatiaľ čo úroveň rozvoja územia predstavuje súhrnný tepelný potenciál (silové pole) zo všetkých objektov (faktorov). V úlohách fyziky je tepelný potenciál teplotou, a v úlohách analýzy území pri použití "tepelného" modelu potenciál predstavuje súhrnné pôsobenie všetkých faktorov vplyvu na bod územia.
Priestorové dáta predstavujú body, línie, polygóny. Na výpočet potenciálov sú rozšírené priestorové dáta rozdelené na malé fragmenty. Pre každý fragment sa vypočíta potenciál od bodu so zohľadnením veľkosti fragmentu objektu (faktora).
Dáta sú rozdelené do významových skupín na základe blízkej podobnosti. Napríklad objekty obchodu sú spojené podľa tovarov. Existujú skupiny lesných objektov, vodných objektov, osídlených miest, zastávok dopravy atď. Skupiny zmyselne zjednotené predstavujú faktor. Prechádzajúc všetkými objektmi (faktormi) získavame súbor tepelných potenciálov vhodných na ďalšie spracovanie.
Využitie potenciálov ("teplotných máp") umožňuje prechod od priestorových dát k "teplotným" zobrazeniam faktorov vplývajúcich na územie (vizualizácia potenciálov). Takýto prechod umožňuje určiť mieru prítomnosti faktora v každom bode územia a vykonať ďalšiu analýzu, t.j. zobraziť rôzne smerovania rozvoja mesta farbou. Takto získame žiarenie rôznej intenzity pre každý bod územia.
Príklady "teplotných" zobrazení územia mesta Nižný Novgorod z pohľadu niekoľkých faktorov sú uvedené nižšie.
"Teplotná" mapa mesta N. Novgorod, odrážajúca faktor "Lekárenská sieť"
"Teplotná" mapa mesta N. Novgorod, odrážajúca faktor "Polikliniky pre dospelých"
"Teplotná" mapa mesta N. Novgorod, odrážajúca faktor "Deti polikliniky"
"Teplotná" mapa mesta N. Novgorod, odrážajúca faktor "Priemyselné zóny"
"Teplotné" zobrazenia územia umožňujú určiť koncentráciu potenciálov od rôznych vplyvných objektov. Následne je potrebné skombinovať získané potenciály do integračnej charakteristiky, ktorá umožní hodnotenie územia na základe množstva faktorov. Na to je potrebný metóda, ktorá umožňuje analyzovať veľké množstvo informácií, rozpoznať objekty a tiež znížiť dimenziu dát, pričom stratíme čo najmenej informácií. Jednou z takýchto metód je metóda hlavných komponentov (Principálna komponentná analýza, PCA). Viac o tejto metóde sa môžete dočítať v .
Podstatou metódy je nájsť lineárnu kombináciu pôvodných parametrov, ktorá sa najvýraznejšie mení v oblasti analýzy. Pre priestorové dáta – najvýraznejšie mení na území.
Metóda hlavných komponentov vyčleňuje objekty (faktory), ktoré sa najvýraznejšie menia na území. V dôsledku práce metódy vznikajú nové premenné – hlavné komponenty, ktoré sú informatívnejšie v porovnaní s pôvodnými dátami, pomocou ktorých je jednoduchšie analyzovať, opisovať a vizualizovať územie, po ktorých je jednoduchšie stavať modely.
Hlavné komponenty predstavujú analytické výrazy — súčet potenciálov vstupných faktorov s niektorými koeficientmi. Ak však ktorýkoľvek faktor významne ovplyvňuje územie, ale nemení sa na analyzovanom území, metóda hlavných komponentov tento faktor nezahrnie do súčtu hlavných komponentov.
Hlavné komponenty sú usporiadané podľa klesajúcej informačnej hodnoty – t.j. podľa rozšírenia na území. Prvé hlavné komponenty nesú v sebe zásadne väčšiu informáciu než jednotlivé faktory a dobre popisujú územie. Zvyčajne, pri použití približne sto faktorov, prvá hlavná komponenta nesie okolo 50 % všetkých informácií (rozptylu) na území. Hlavné komponenty nie sú vzájomne korelované a môžu sa používať pre modely ako charakteristiky územia v každom bode.
Hlavná komponenta, ako určitý abstraktne vypočítaný ukazovateľ územia, nemá presné názvy a klasifikáciu. Avšak súbor faktorov, ktoré sú silne korelované s hlavnou komponentou, umožňuje interpretovať hlavné komponenty. Zvyčajne sa s hlavnými komponentami korelujú nasledujúce faktory:
— úroveň rozvoja infraštruktúry;
— dopravná súčasť územia;
— klimatické zóny;
— úroveň rozvoja poľnohospodárstva;
— ekonomický potenciál územia.
Ďalšia analýza, vrátane klastrových analýz, prebieha s niekoľkými prvými významnými hlavnými komponentami.
Na obrázkoch je možné vidieť grafické zobrazenie prvých hlavných komponent na území viacerých miest Ruskej federácie.
Prvá hlavná komponenta, charakterizujúca úroveň rozvoja mestskej infraštruktúry mesta N. Novgorod.
Prvá hlavná komponenta, charakterizujúca úroveň rozvoja mestskej infraštruktúry mesta Jekaterinburg.
Prvá hlavná komponenta, charakterizujúca úroveň rozvoja mestskej infraštruktúry mesta Kazaň.
Prvá hlavná komponenta, charakterizujúca úroveň rozvoja mestskej infraštruktúry mesta Perm.
Prvá hlavná komponenta, charakterizujúca úroveň rozvoja mestskej infraštruktúry mesta Samara.
Prvá hlavná komponenta, charakterizujúca úroveň rozvoja mestskej infraštruktúry mesta Chabarovsk.
Integrované charakteristiky: klasterizácia
Nasledujúca fáza prác na analýze území predstavuje hľadanie oblastí mestského prostredia, ktoré sú homogénne z hľadiska kvality. Toto hľadanie je založené na analýze hodnôt hlavných komponentov na každom bode územia. Úloha hľadania týchto homogénnych zón môže byť riešená pomocou klasterizácie – procesu skupinovania území na základe blízkosti súhrnu charakteristík.
Klasterizácia územia sleduje dva ciele:
— vytvorenie lepšie vnímateľnej vizualizácie územia;
— vyčlenenie oblastí pre zostavenie samostatných modelov.
Územia sa klasterizujú v súlade s vybranými faktormi na analýzu. Tieto faktory môžu byť faktormi ovplyvňujúcimi cenotvorbu alebo faktormi, ktoré opisujú určitý aspekt rozvoja územia, napríklad sociálnu sféru.
Existujú dva bežné klasické metódy klasterizácie: metóda K-means a metóda dendrogramov. Pri práci s územiami sa osvedčila metóda K-means, ktorej špecifikom je „vytváranie“ klastera pripojením nových objektov k rastovým bodom. Výhody metódy K-means spočívajú v podobnosti jej fungovania s prirodzeným procesom formovania území: integrácia podobných, nie rozdelenie odlišných.
Metódou K-means bol vykonaný výpočet pre Nižnij Novgorod (obrázok nižšie).
Zhodnotenie klastrov úrovne rozvoja územia na príklade mesta N. Novgorod
Pri navrhnutom prístupe je možné získať predstavu o území z rôznych tém. Zaujímavými témami môžu byť napríklad úroveň rozvoja mestských infraštruktúr, úroveň „elitnosti“ územia, úroveň rozvoja kultúry, sociálna zložka rozvoja územia. Tieto témy sú zle definované integrované pojmy a pozostávajú z množstva vzájomne prepojených faktorov.
Pri niektorom algoritme výberu parametrov na analýzu (vrátane zapojenia expertov) získame tematické mapy, ktoré poskytujú predstavu o jednom aspekte rozvoja územia.
Pod integrovanými charakteristikami rozumieme prvé hlavné komponenty, predovšetkým najinformatívnejšiu prvú hlavnú komponentu, a klasterizáciu územia podľa vybraných parametrov.
Tematické mapy prvých hlavných komponentov podľa rôznych aspektov rozvoja sú zobrazené na obrázkoch nižšie.
Tematická mapa „Objekty kultúry“ na príklade mesta N. Novgorod
Tematická mapa „Sociálna sféra“ na príklade mesta N. Novgorod
Integrované charakteristiky umožňujú pochopiť špecifiká územia, operujúc s množstvom faktorov s minimálnymi stratami informácií.
Na záver treba ešte raz zdôrazniť, že dnes je analýza území mimoriadne dôležitým krokom pri riešení úloh rozvoja mestského prostredia, výberu miest pre investície do výstavby, hľadania najvýhodnejšej polohy nových objektov a iných úloh.
Navrhnutá metóda analýzy územia pomocou „teplotného“ modelu z faktorov rôznej povahy nie je kritická na sadu faktorov, t. j. neukladá obmedzenia a požiadavky na zdrojové informácie.
Rozmanitosť a nadbytok zdrojových informácií, ako aj možnosť využívať otvorené údaje poskytujú neobmedzené perspektívy pre analýzu akýchkoľvek území sveta.
V nasledujúcich publikáciách, ktoré sa zaoberajú úlohami analýzy území, plánujeme odkryť špecifiká zostavovania modelov pomocou hlavných komponentov a metódy ich realizácie pre také úlohy ako:
— výber najlepšieho miesta pri umiestnení nového objektu;
— vytvorenie cenovej plochy pre určitú kategóriu objektov s využitím trhovej hodnoty;
— hodnotenie výnosnosti určitého typu činnosti v závislosti od umiestnenia objektov.
Takisto v pláne je predstaviť metódy spätného prechodu od hlavných komponentov k faktorom, čo zase umožňuje získať model faktorov pre toto územie.
Zdroj: habr.com
