Príklad výpočtu tepelného potenciálu pre uličnú sieť v Nižnom Novgorode
Územie mesta je zložitý, heterogénny systém, ktorý sa neustále mení. Môžete opísať územie a posúdiť mestské prostredie pomocou priestorových objektov (faktorov). Faktory popisujúce územie sa líšia charakterom svojho vplyvu (pozitívny, negatívny) a geometrickou konfiguráciou (body, čiary, polygóny).
Často je dosť ťažké určiť mieru vplyvu každého jednotlivého objektu na úroveň rozvoja územia ako celku alebo jeho konkrétneho aspektu. Problém definovania a opisu pojmov ako „kultúra“, „sociálna sféra“, „sociálne napätie“, „dobrý život“, „ekonomický rozvoj“, „zdravie obyvateľstva“ sa dnes stáva čoraz aktuálnejším. Nejednoznačnosť týchto pojmov sa zvyšuje, ak ich chceme aplikovať na rôzne sociálne skupiny, populácie rôzneho veku a pohlavia.
Tiež je potrebné poznamenať, že hranice mesta v modernom poňatí sú dosť ľubovoľné. Každodenná migrácia obyvateľstva, dopravná dostupnosť odľahlých oblastí ešte viac „rozmazáva hranicu“ mesta. V súčasnosti široko používaný koncept aglomerácie vo všeobecnosti odráža hranice mesta, no zároveň robí samotný pojem hranice mesta ešte vágnejším.
Napriek vyššie popísaným problémom dnes analýza a hodnotenie území patrí medzi najperspektívnejšie a najzaujímavejšie oblasti, ktoré umožňujú riešiť mnohé naliehavé problémy mestského prostredia.
Článok navrhuje na zváženie metódu analýzy územia pomocou „tepelného“ modelu. Táto metóda je založená na štúdiu potenciálov vytvorených objektmi (faktormi) rôzneho charakteru (bodové, lineárne a plošné). Analýza územia touto metódou umožňuje prejsť od súboru priestorových údajov (faktorov) popisujúcich územie k presnému numerickému (bodovému) hodnoteniu v každom bode územia.
Potenciály skúmané v rámci analýzy územia majú fyzikálnu interpretáciu - šírenie tepla v prostrediach rôznych rozmerov (2D, 3D). Tento jav môže byť reprezentovaný vo forme „tepelných“ obrazov („tepelných“ máp územia), ktoré poskytujú predstavu o stupni rozvoja územia v závislosti od intenzity farieb obrazu.
Teritoriálne faktory
Analýza územia zahŕňa vyhľadávanie a spracovanie informácií o faktoroch ovplyvňujúcich územie a ich ukazovateľoch. Ovplyvňujúce faktory sú objekty, ktoré ovplyvňujú okolité územie a majú súbor charakteristík a priestorových súradníc. Príklady ovplyvňujúcich faktorov zahŕňajú obchody, priemyselné zariadenia, cesty, lesy a vodné plochy.
Indikátory vplyvu sú predmety reflexné vplyv objektov a tiež majúci súbor charakteristík a priestorových súradníc. Príklady ukazovateľov vplyvu: bankomaty, billboardy, pamiatky.
V nasledujúcej prezentácii použijeme pojem faktory vplyvu, ktorý spája oba pojmy – faktory aj ukazovatele vplyvu.
Nižšie je uvedený príklad priestorových údajov, ktoré pôsobia ako ovplyvňujúce faktory.
Jednou z dôležitých fáz vykonávania práce na analýze území je fáza zberu a spracovania počiatočných informácií. V súčasnosti existuje veľa informácií o faktoroch ovplyvňujúcich územie rôzneho stupňa podrobnosti.
Informácie možno získať z otvorených zdrojov alebo obmedzených zdrojov. V mnohých prípadoch postačujú na analýzu otvorené informácie, aj keď si to spravidla vyžaduje pomerne náročné spracovanie.
Medzi otvorenými zdrojmi je podľa nášho názoru lídrom zdroj OpenStreetMap (OSM). Informácie získané z tohto zdroja sú denne aktualizované po celom svete.
Informácie o zdrojoch OpenStreetMap (OSM) sú prezentované v nasledujúcich formátoch:
- Formát OSM. Hlavný formát s príponou „.osm“ sa používa na popis XML grafických obrázkov – uzlov, ciest, vzťahov.
- „Poľský formát“. Na prácu s grafikou sa používa textový formát s príponou „.mp“.
- Formát PBF. Formát ukladania údajov s príponou „.osm.pbf“.
Ako zdroje informácií môžete použiť aj nasledovné:
- 2 GIS
Zdroj obsahuje vysokokvalitné, mesačne spracované informácie s vynikajúcim 3-úrovňovým klasifikátorom pre podniky a organizácie.
- súbory KML (Keyhole Markup Language).
Súbory KML (Keyhole Markup Language) sú formát súboru, ktorý sa používa na zobrazenie geografických údajov v službách Google Earth, Mapy Google a Mapy Google pre mobilné zariadenia.
Pomocou súborov KML môžete:
- nainštalujte rôzne ikony a vytvorte podpisy na označenie miest na povrchu Zeme
— vytvorte rôzne uhly pre vybrané objekty zmenou polohy kamery
- používať rôzne prekrývajúce obrázky
— definujte štýly na prispôsobenie zobrazenia objektu, použite HTML kód na vytvorenie hypertextových odkazov a vložených obrázkov
— použiť priečinky na hierarchické zoskupovanie prvkov
— dynamicky prijímať a aktualizovať súbory KML zo vzdialených alebo lokálnych sieťových uzlov
- Prijímať údaje KML podľa zmien v zobrazovači 3D
- Federálna služba pre štátnu registráciu, kataster a kartografiu "Rosreestr"
Informácie na portáli Rosreestr sú cenné pre svoj obsah a relevantnosť, žiaľ, neumožňujú bezplatné získanie grafiky pre projekty investičnej výstavby a pozemkov. Portál Rosreestr obsahuje aj veľké množstvo informácií s obmedzeným prístupom.
- Štatistické orgány
Štatistické údaje sú legitímnym zdrojom informácií o území, k dnešnému dňu sú však údaje štatistických orgánov dostupné len pre určitý počet ukazovateľov, najmä v hláseniach štatistických orgánov a hláseniach krajských úradov.
- Informačné systémy úradov
Vysokokvalitné informácie sú obsiahnuté vo vládnych informačných systémoch, ale len malá časť z nich je zverejnená vo verejnej sfére a je dostupná na analýzu.
Vykonanie analýzy území nekladie žiadne špecifické požiadavky na zloženie informácií, v skutočnosti môžete použiť všetko, čo bolo nájdené z otvorených zdrojov, je zvyčajne vzájomne zameniteľné. Treba však poznamenať, že aj informácie získané zo samotného zdroja OSM stačia na analýzu neznámeho územia.
Analýza územia pomocou „tepelného“ modelu. Fyzikálna interpretácia potenciálov
Ako už bolo spomenuté, analýza územia je dnes horúcou témou a účinným nástrojom na odôvodnené prilákanie investícií do rozvoja infraštruktúry v rôznych mestských prostrediach.
Rôznorodosť problémov riešených pomocou analýzy územia možno spojiť do niekoľkých hlavných oblastí:
— Získanie najlepšie interpretovateľného a podrobného hodnotenia územia v každom bode.
Vyriešením problému môžete získať súbor bodov v každom bode územia, čím získate predstavu o úrovni rozvoja územia vo všeobecnosti, ako aj v určitej tematickej oblasti. Takouto tematickou oblasťou môže byť napríklad kultúra, priemysel, obchod atď.
— Určenie najvýhodnejších miest na umiestnenie investičných objektov určitého typu (napríklad banky, špecializované predajne, nákupné a zábavné centrá a pod.) na vybranom území.
— Analýza najefektívnejšieho využitia územia.
Tento smer umožňuje podrobnú štúdiu charakteristík územia, trhovej situácie, ktorá sa vyvinula na skúmanom území, a identifikáciu populárnych možností.
— Určenie príspevku jedného faktora k modelu nákladov na príklade vzniku nových ciest a nových trás.
— Analýza rôznych aspektov jedného územia a analýza rôznych území (porovnanie území).
Originalita metódy analýzy územia navrhovanej v článku pomocou „tepelného“ modelu spočíva vo využití ukazovateľov rozvoja územia - potenciálov, prezentovaných v číselnom vyjadrení a odrážajúcich mieru vplyvu objektu (faktora vplyvu) na územie.
Aby sme pochopili podstatu štúdie, je potrebné povedať pár slov o samotnom tepelnom potenciáli a uviesť jeho fyzikálnu interpretáciu.
Vo fyzike existujú také pojmy ako silové pole и silová funkcia. Silové pole má rozmer energie, silová funkcia má rozmer sily.
Pre zákon univerzálnej gravitácie je silové pole definované vzorcom:
F=k/r2, kde
k – konštanta;
r – vzdialenosť medzi vzájomne pôsobiacimi objektmi.
Silová funkcia ϕ je určená výrazom:
dϕ=-F*dr, kde
ϕ – potenciál silového poľa;
dϕ, dr – diferenciály;
r je vzdialenosť medzi interagujúcimi objektmi,
preto ϕ=k/r.
Fyzikálny význam potenciálu silového poľa ϕ je práca E vykonaná silovým poľom pri prejdení určitej dráhy. V prípade zákona univerzálnej gravitácie, keď sa vzdialenosť od objektu mení z r2 na r1, je silová funkcia určená vzorcom
E=k*(1/r1-1/r2), kde
E je práca vykonaná silovým poľom pri prechode určitou dráhou;
r1, r2 – počiatočná a konečná poloha objektu.
Pre úlohu analýzy územia možno vplyv objektov (faktorov) na územie považovať za silu (výkonová funkcia), a úroveň rozvoja územia ako celkový tepelný potenciál (silové pole) zo všetkých predmetov (faktorov). Vo fyzikálnych úlohách je tepelným potenciálom teplota a v úlohách analýzy územia pomocou „tepelného“ modelu potenciál predstavuje celkový vplyv všetkých ovplyvňujúcich faktorov na bod v území.
Priestorové údaje pozostávajú z bodov, čiar a polygónov. Na výpočet potenciálov sú rozšírené priestorové údaje rozdelené na malé fragmenty. Pre každý fragment sa potenciál z bodu vypočíta s multiplikátorom, ktorý sa rovná veľkosti fragmentu objektu (faktora).
Údaje sú rozdelené do sémantických skupín na základe princípu blízkej podobnosti. Napríklad obchodné predmety sa kombinujú podľa produktov. Nachádzajú sa tu skupiny lesných objektov, vodné plochy, osady, dopravné zastávky a pod. Významovo zjednotené skupiny predstavujú faktor. Po prejdení všetkých objektov (faktorov) získame súbor tepelných potenciálov vhodných na ďalšie spracovanie.
Využitie potenciálov („tepelných máp“) umožňuje prejsť od priestorových údajov k „tepelným“ snímkam objektov (faktorov) vplyvu na územie (vizualizácia potenciálov). Takýto prechod umožňuje určiť mieru prítomnosti faktora v každom bode územia a vykonať ďalší rozbor, t.j. farebne zobraziť rôzne smery rozvoja mesta. Takto získame žiaru rôznej intenzity pre každý bod územia.
Príklady „termálnych“ snímok územia Nižného Novgorodu v kontexte viacerých faktorov sú uvedené nižšie.
„Termálna“ mapa Nižného Novgorodu, ktorá odráža faktor „reťazca lekární“.
„Tepelná“ mapa Nižného Novgorodu, odrážajúca faktor „Polikliniky pre dospelých“
„Termálna“ mapa Nižného Novgorodu, ktorá odráža faktor „Detské kliniky“
„Tepelná“ mapa Nižného Novgorodu, odrážajúca faktor „Priemyselné zóny“
„Tepelné“ snímky územia umožňujú určiť koncentráciu potenciálov z rôznych objektov vplyvu. Ďalej je potrebné skombinovať získané potenciály do ucelenej charakteristiky, ktorá umožňuje hodnotenie územia na základe veľkého množstva faktorov. Vyžaduje si to metódu, ktorá vám umožní analyzovať veľké množstvo informácií, rozpoznávať objekty a tiež zmenšiť rozmer údajov, pričom stratíte najmenšie množstvo informácií. Jednou z týchto metód je analýza hlavných komponentov (PCA). Viac podrobností o tejto metóde nájdete v .
Podstatou metódy je nájsť lineárnu kombináciu počiatočných parametrov, ktorá sa najsilnejšie mení v oblasti analýzy. Pre priestorové údaje – najvýraznejšie sa meniace na území.
Metóda hlavného komponentu identifikuje objekty (faktory), ktoré sa v území najviac menia. V dôsledku metódy sa objavujú nové premenné - hlavné komponenty, ktoré sú informatívnejšie v porovnaní s pôvodnými údajmi, pomocou ktorých je jednoduchšie analyzovať, opísať a vizualizovať územie, na ktorom je jednoduchšie stavať modely. .
Hlavnými komponentmi sú analytické výrazy - súčet potenciálov počiatočných faktorov s určitými koeficientmi. Ak má však niektorý faktor významný vplyv na územie, ale nemení sa naprieč analyzovaným územím, metóda hlavného komponentu nezahrnie tento faktor do zloženia hlavných komponentov.
Hlavné komponenty sú zoradené v zostupnom poradí informácií – t.j. šíriacim sa po celom území. Prvé hlavné komponenty nesú podstatne viac informácií ako jednotlivé faktory a dobre popisujú územie. Spravidla pri použití okolo stovky faktorov nesie prvá hlavná zložka asi 50 % všetkých informácií (variantov) pre územie. Hlavné komponenty spolu nekorelujú a môžu byť použité pre modely ako charakteristiky územia v každom bode.
Hlavná zložka, ako nejaký abstraktne vypočítaný ukazovateľ územia, nemá jasný názov a klasifikáciu. Súbor faktorov, ktoré silne korelujú s hlavným komponentom, nám však umožňuje interpretovať hlavné komponenty. S hlavnými komponentmi spravidla korelujú tieto faktory:
— úroveň rozvoja infraštruktúry;
— dopravná zložka územia;
— klimatické zóny;
— úroveň rozvoja poľnohospodárstva;
— ekonomický potenciál územia.
Ďalšia analýza, vrátane klastrovania, pokračuje s niekoľkými prvými významnými hlavnými komponentmi.
Na obrázkoch môžete vidieť grafické znázornenie prvých hlavných komponentov na území niekoľkých miest Ruskej federácie.
Prvý hlavný komponent charakterizujúci úroveň rozvoja mestskej infraštruktúry v Nižnom Novgorode
Prvá hlavná zložka charakterizujúca úroveň rozvoja mestskej infraštruktúry v Jekaterinburgu
Prvý hlavný komponent charakterizujúci úroveň rozvoja mestskej infraštruktúry v Kazani
Prvý hlavný komponent charakterizujúci úroveň rozvoja mestskej infraštruktúry v Perme
Prvý hlavný komponent charakterizujúci úroveň rozvoja mestskej infraštruktúry v Samare
Prvá hlavná zložka charakterizujúca úroveň rozvoja mestskej infraštruktúry v Chabarovsku
Integrálna charakteristika: zhlukovanie
Ďalšou etapou práce na analýze územia je hľadanie zón mestského prostredia, ktoré sú kvalitatívne homogénne. Toto vyhľadávanie je založené na analýze hodnôt hlavných komponentov v každom bode územia. Problém hľadania týchto homogénnych zón možno vyriešiť pomocou zhlukovania – procesu zoskupovania území na princípe blízkosti súboru charakteristík.
Klastrovanie území má dva ciele:
— vytvorenie lepšie vnímanej vizualizácie územia;
— pridelenie oblastí na zostavovanie jednotlivých modelov.
Územia sú zoskupené podľa faktorov vybraných na analýzu. Týmito faktormi môžu byť faktory ovplyvňujúce tvorbu cien alebo faktory popisujúce niektorý aspekt rozvoja územia, napríklad sociálnu sféru.
Existujú dve bežné klasické metódy zhlukovania: metóda K-means a metóda dendrogramu. Pri práci s územiami sa osvedčila metóda K-means, ktorej črtou je „rastanie“ zhluku pridávaním nových objektov do bodov rastu. Výhoda metódy K-means spočíva v podobnosti jej práce s prirodzeným procesom formovania územia: integrácia podobných, a nie oddeľovanie odlišných.
Na výpočty pre Nižný Novgorod bola použitá metóda K-means (obrázok nižšie).
Súlad klastrov s úrovňou rozvoja územia na príklade Nižného Novgorodu
Navrhnutým prístupom je možné získať prehľad o území na rôzne témy. Témami, ktoré nás môžu zaujímať, môže byť napríklad úroveň rozvoja mestskej infraštruktúry, úroveň „elity“ územia, úroveň kultúrneho rozvoja, sociálna zložka rozvoja územia. Tieto témy sú zle definované integrálne koncepty a pozostávajú z mnohých vzájomne súvisiacich faktorov.
Pomocou nejakého algoritmu na výber parametrov na analýzu (aj so zapojením odborníkov) získame tematické mapy, ktoré dávajú predstavu o jednom aspekte rozvoja územia.
Integrálnymi charakteristikami sa rozumejú prvé hlavné zložky, predovšetkým najinformatívnejšia prvá hlavná zložka a zhlukovanie územia podľa vybraných parametrov.
Tematické mapy prvých hlavných komponentov pre rôzne aspekty vývoja sú uvedené na obrázkoch nižšie.
Tematická mapa „Kultúrne objekty“ na príklade Nižného Novgorodu
Tematická mapa „Sociálna sféra“ na príklade Nižného Novgorodu
Integrálne charakteristiky umožňujú pochopiť charakteristiky územia pomocou mnohých faktorov s minimálnou stratou informácií.
Na záver treba ešte raz poznamenať, že dnes je analýza území mimoriadne dôležitou etapou pri riešení problémov rozvoja mestského prostredia, výberu miest na investovanie do výstavby, hľadania najvýhodnejšej lokality pre nové zariadenia a ďalších úloh.
Metóda analýzy územia navrhovaná v článku pomocou „tepelného“ modelu z faktorov rôzneho charakteru nie je pre súbor faktorov kritická, t. j. nekladie obmedzenia ani požiadavky na počiatočné informácie.
Rozmanitosť a redundancia zdrojových informácií, ako aj možnosť využívať otvorené dáta, to poskytuje neobmedzené vyhliadky na analýzu akéhokoľvek územia svet.
V nasledujúcich publikáciách venovaných problematike územnej analýzy plánujeme odhaliť vlastnosti zostavovania modelov s využitím hlavných komponentov a metód ich implementácie pre také úlohy, ako sú:
— výber najlepšieho miesta pri umiestňovaní nového objektu;
— vytvorenie cenovej hladiny pre určitú kategóriu predmetov s použitím trhovej hodnoty;
- posúdenie rentability určitého druhu činnosti v závislosti od umiestnenia objektov.
Plánuje sa tiež prezentácia metód spätného prechodu od hlavných komponentov k faktorom, čo zase umožňuje získať model z faktorov pre dané územie.
Zdroj: hab.com