V prvej publikácii () sme opísali, ako možno použiť tepelné potenciály na analýzu území vo všeobecnosti. V nasledujúcich publikáciách bolo naplánované popísať, ako sa informácie o priestorových objektoch ukladajú do databáz, ako sa vytvárajú modely z hlavných komponentov a vo všeobecnosti, aké úlohy môže mať analýza územia. Ale prvé veci.
Použitie metódy tepelného potenciálu v prvom rade umožňuje získať všeobecnú predstavu o území, ktoré nás zaujíma. Napríklad získaním počiatočných informácií z OSM pre mesto Barcelona (Katalánsko) a vykonaním integrálnej analýzy bez výberu parametrov môžeme získať „tepelné“ snímky prvých hlavných komponentov. V prvom článku sme hovorili aj o „tepelných“ mapách, ale nebolo by od veci pripomenúť, že pojem „tepelná“ mapa vznikol kvôli fyzickému významu potenciálov používaných na integrálnu analýzu. Tie. v problémoch fyziky je potenciálom teplota a v problémoch územnej analýzy je potenciál celkový účinok všetkých ovplyvňujúcich faktorov na konkrétny bod územia.
Nižšie je uvedený príklad „tepelnej“ mapy mesta Barcelona získanej ako výsledok integrálnej analýzy.
„Tepelná“ mapa prvého hlavného komponentu, bez výberu parametrov, Barcelona
A nastavením konkrétneho parametra (v tomto prípade sme zvolili priemysel) získate „teplú“ mapu priamo preň.
Tepelná mapa prvého hlavného komponentu, priemyslu, Barcelona
Problémy analýzy sú, samozrejme, oveľa širšie a rozmanitejšie ako získanie všeobecného hodnotenia vybraného územia, preto sa v tomto článku ako príklad budeme zaoberať problémom nájdenia najlepšej lokality pri umiestnení nového objektu a technickým implementácia metódy tepelného potenciálu na jeho riešenie a v budúcich publikáciách sa pozrieme na ďalšie.
Vyriešenie problému hľadania najlepšej lokality pri umiestňovaní nového objektu pomôže určiť, do akej miery je územie „pripravené“ prijať tento nový objekt, ako bude korelovať s inými objektmi, ktoré už v území existujú, ako cenný bude tento nový objekt pre území a akú hodnotu pridá.
Etapy technickej realizácie
Technická implementácia môže byť reprezentovaná postupnosťou postupov uvedených nižšie:
- Príprava informačného prostredia.
- Vyhľadávanie, zber a spracovanie zdrojových informácií.
- Vybudovanie siete uzlov v analyzovanom území.
- Rozdelenie územných faktorov na fragmenty.
- Výpočet potenciálov z faktorov.
- Výber faktorov pre tvorbu tematických ucelených charakteristík územia.
- Aplikácia metódy hlavnej zložky na získanie ucelených ukazovateľov územia.
- Tvorba modelov pre výber miesta pre výstavbu nového zariadenia.
1. fáza Príprava informačného prostredia
V tejto fáze je potrebné vybrať systém správy databáz (DBMS), určiť zdroje informácií, spôsoby zberu informácií a množstvo zhromaždených informácií.
Pre našu prácu sme použili PostgeSql databázu (DB), ale stojí za zmienku, že každá iná databáza, ktorá pracuje s SQL dotazmi, bude stačiť.
Databáza bude uchovávať počiatočné informácie - priestorové údaje o objektoch: typy údajov (body, čiary, polygóny), ich súradnice a ďalšie charakteristiky (dĺžka, plocha, množstvo), ako aj všetky vypočítané hodnoty získané ako výsledok vykonaná práca a výsledky samotnej práce .
Štatistické informácie sú prezentované aj ako priestorové údaje (napríklad regióny regiónu so štatistickými údajmi priradenými k týmto regiónom).
V dôsledku transformácie a spracovania zozbieraných počiatočných informácií vznikajú tabuľky obsahujúce informácie o lineárnych, bodových a plošných faktoroch, ich identifikátoroch a súradniciach.
2. fáza Vyhľadávanie, zber a spracovanie zdrojových informácií
Ako prvotné informácie pre riešenie tohto problému nám slúžia informácie z otvorených kartografických zdrojov obsahujúce informácie o území. Lídrom sú podľa nás informácie OSM, denne aktualizované po celom svete. Ak sa vám však podarí zbierať informácie z iných zdrojov, nebude to horšie.
Spracovanie informácií spočíva v ich zjednotení, odstránení nepravdivých informácií a ich príprave na načítanie do databázy.
3. fáza Vybudovanie siete uzlov v analyzovanom území
Na zabezpečenie kontinuity analyzovaného územia je potrebné na ňom vybudovať sieť, ktorej uzly majú súradnice v danom súradnicovom systéme. V každom uzle siete sa následne určí potenciálna hodnota. To vám umožní vizualizovať homogénne oblasti, zhluky a konečné výsledky analýzy.
V závislosti od úloh, ktoré sa majú vyriešiť, sú možné dve možnosti konštrukcie mriežky:
— Mriežka s pravidelným krokom (S1) – je pozorovateľný na celom území. Používa sa na výpočet potenciálov z faktorov, určenie integrálnych charakteristík územia (hlavné zložky a zhluky) a zobrazenie výsledkov modelovania.
Pri výbere tejto mriežky musíte zadať:
- rozstup mriežky – interval, v ktorom budú umiestnené uzly mriežky;
- hranicu analyzovaného územia, ktorá môže zodpovedať administratívno-územnému členeniu, alebo môže ísť o oblasť na mape, ktorá ohraničuje výpočtovú oblasť vo forme polygónu.
— Mriežka s nepravidelným rozstupom (S2) popisuje jednotlivé body územia (napríklad centroidy). Používa sa aj na výpočet potenciálov z faktorov a určenie integrálnych charakteristík územia (hlavné zložky a zhluky). Modelovanie s vypočítanými hlavnými komponentmi sa vykonáva presne na mriežke s nepravidelným krokom a na vizualizáciu výsledkov simulácie sa čísla zhlukov z uzlov mriežky s nepravidelným krokom prenesú do uzlov mriežky s pravidelným krokom podľa princípu blízkosti. súradnice.
V databáze sú informácie o súradniciach uzlov mriežky uložené vo forme tabuľky obsahujúcej nasledujúce informácie pre každý uzol:
- ID uzla;
- súradnice uzla (x, y).
Príklady mriežok s pravidelnými rozstupmi pre rôzne územia s rôznymi rozstupmi sú znázornené na obrázkoch nižšie.
Mriežka pokrytia Nižného Novgorodu (červené bodky). Mriežka pokrytia regiónu Nižný Novgorod (modré bodky).
4. fáza Rozdelenie územných faktorov na fragmenty
Pre ďalšiu analýzu musia byť rozšírené faktory územia prevedené na pole diskrétnych faktorov tak, aby každý uzol siete obsahoval informácie o každom faktore, ktorý sa v ňom nachádza. Lineárne faktory sú rozdelené na segmenty, plošné faktory na fragmenty.
Krok rozdelenia sa vyberá na základe rozlohy územia a špecifického faktora; pre veľké oblasti (región) môže byť krok rozdelenia 100-150 m; pre menšie oblasti (mesto) môže byť krok rozdelenia 25-50 m .
V databáze sú informácie o výsledkoch delenia uložené vo forme tabuľky obsahujúcej nasledujúce informácie pre každý fragment:
- identifikátor faktora;
- súradnice ťažísk výsledných fragmentov rozdelenia (x, y);
- dĺžka/plocha fragmentov oddielu.
5. fáza Výpočet potenciálov z faktorov
Jedným z možných a zrozumiteľných prístupov k analýze počiatočných informácií je považovať faktory za potenciály z objektov vplyvu.
Využime základné riešenie Laplaceovej rovnice pre dvojrozmerný prípad - logaritmus vzdialenosti od bodu.
S prihliadnutím na požiadavku konečnej hodnoty potenciálu na nulu a obmedzenie hodnoty potenciálu na veľké vzdialenosti sa potenciál určí takto:
na r (1)
pre r2>r>=r1
pre r>=r2
Typ potenciálu vplyvu z bodového objektu
Logaritmická funkcia musí byť ohraničená nulou a primerane ohraničená v určitej vzdialenosti od faktorov. Ak by sme neobmedzili potenciál vo veľkých vzdialenostiach od faktora, museli by sme brať do úvahy obrovské množstvo informácií ďaleko od analyzovaného bodu, čo nemá na analýzu prakticky žiadny vplyv. Preto zavedieme hodnotu polomeru pôsobenia faktora, za ktorou je príspevok k potenciálu od faktora nulový.
Pre mesto sa predpokladá, že polomer faktora sa rovná pol hodine chodec dostupnosť - 2 000 metrov. Pre región by sme mali hovoriť o pol hodine dopravy dostupnosť - 20 000 metrov.
Výsledkom výpočtu potenciálnych hodnôt je teda celkový potenciál každého faktora v každom uzle pravidelnej siete.
6. fáza Výber faktorov pre tvorbu tematických ucelených charakteristík územia
V tejto fáze sa vyberajú najvýznamnejšie a najinformatívnejšie faktory na vytvorenie tematických ucelených charakteristík územia.
Výber faktorov môže byť uskutočnený automaticky stanovením určitých hraníc pre parametre (korelácia, percento vplyvu atď.), alebo môže byť vykonaný odborne, poznajúc tému problému a mať určité znalosti o území.
Po výbere najvýznamnejších a najinformatívnejších faktorov môžete prejsť k ďalším krokom - interpretácii hlavných komponentov.
7. fáza Aplikácia metódy hlavnej zložky na získanie ucelených ukazovateľov územia. Zhlukovanie
Počiatočné informácie o faktoroch územia, prevedené v predchádzajúcej fáze na potenciály vypočítané pre každý uzol siete, sú spojené do nových integrálnych ukazovateľov - hlavných komponentov.
Metóda hlavného komponentu analyzuje variabilitu faktorov v skúmanom území a na základe výsledkov tejto analýzy zisťuje ich najvariabilnejšiu lineárnu kombináciu, ktorá umožňuje vypočítať mieru ich zmeny - rozptyl po území.
Zoberme si všeobecný problém na vytvorenie modelu na aproximáciu funkcie lineárneho modelu na dané hodnoty
(2)
kde i je číslo komponentu,
n – počet komponentov zahrnutých do výpočtu
j – uzlový index bodu územia, j=1..k
k – počet všetkých uzlov siete územia, pre ktoré sa vykonal výpočet hlavných komponentov
— koeficient pre i-tý hlavný komponent modelu
– hodnota i-tej hlavnej zložky v j-tom bode
B – voľný termín modelu
— potenciál v j-tom bode faktora, pre ktorý budujeme model
Určme neznáme v rovnici (2) metóda najmenších štvorcov, využívajúca vlastnosti hlavných komponentov:
(3)
Kde i a i2 sú čísla komponentov, i<>i2
j—index uzla územia
k je počet všetkých uzlov územia
(4)
(3) znamená žiadnu koreláciu medzi komponentmi
(4) – celková hodnota akejkoľvek zložky je nula.
Máme:
(5)
Tu je zápis rovnaký ako v Eq. (2), znamená priemernú potenciálnu hodnotu
Tento výsledok možno interpretovať nasledovne:
Model je jednoduchý výraz pozostávajúci z priemernej hodnoty simulovanej hodnoty a jej jednoduchých korekcií pre každú zo zložiek. Výsledok musí obsahovať minimálne fiktívny výraz B a prvý hlavný komponent. Nižšie sú uvedené príklady tepelných máp prvých hlavných komponentov pre región Nižný Novgorod.
Na základe vypočítaných hlavných komponentov možno skonštruovať homogénne oblasti. dá sa to urobiť ako pri všetkých parametroch, tak aj napríklad len pri cenotvorbe - t.j. vykonať klastrovanie. Na tento účel môžete použiť . Pre každý homogénny región je vypočítaná priemerná hodnota 1. hlavnej zložky charakterizujúca úroveň rozvoja územia.
Príklad klastrovania podľa cenových parametrov pre región Nižný Novgorod je uvedený nižšie.
Taktiež pomocou získaných základných komponentov ako parametrov nákladového modelu môžeme získať cenovú plochu územia.
Cena povrchu Nižný Novgorod
8. fáza. Tvorba modelov pre výber miesta pre výstavbu nového zariadenia
Pre výber najatraktívnejšieho miesta pre umiestnenie nového objektu (ďalej len „objekt“) je potrebné porovnať umiestnenie „objektu“ s okolitou infraštruktúrou. Aby „objekt“ mohol fungovať, musí byť dostatok zdrojov na zabezpečenie jeho fungovania, pričom treba brať do úvahy veľké množstvo faktorov, či už pozitívnych alebo negatívnych dopadov na „objekt“. Celý súbor týchto faktorov možno definovať ako „živné“ prostredie pre fungovanie „objektu“. Súlad počtu objektov s počtom zdrojov územia je základom pre stabilné fungovanie „objektu“.
Výsledkom tohto porovnania je vypočítaný potenciál pre každý bod územia a umožňujúci vizuálnu a analytickú analýzu výberu miesta pre umiestnenie nového „objektu“.
Napríklad pre obchod je dôležitý okrem iného neustály tok kupujúcich, čo znamená, že zoznam faktorov, ktoré treba brať do úvahy pri predmetoch obchodu, by mal zahŕňať aj tie, ktoré tento tok zabezpečujú (napríklad zariadenia sociálnej infraštruktúry, miesta výkonu práce, miesta bydliska, dopravné trasy atď.).
Na druhej strane pri splnení všetkých podmienok na zabezpečenie fungovania maloobchodných zariadení je potrebné brať do úvahy hustotu maloobchodných zariadení, keďže „spotreba“ prostredia vedie k zníženiu možnosti nákupu. Tok ľudí nie je neobmedzený a to isté platí o ich finančných možnostiach a fyzických možnostiach.
Algoritmus na riešenie problému výberu najlepšieho miesta pre objekt vychádza zo skutočnosti, že potenciál získaný ako funkcia hlavných komponentov je čo najbližšie k potenciálu súboru objektov typu „objekt“; potom sa vypočíta rozdiel medzi potenciálom modelu a potenciálom objektov typu „objekt“; od výsledného rozdielu sa odpočíta hodnota potenciálu príspevku jedného „objektu“; Záporné hodnoty získané v tomto prípade sú nahradené nulou, to znamená, že miesta, v ktorých nie je dostatok zdrojov na fungovanie nového „objektu“, sú odstránené.
V dôsledku prijatých opatrení získavame body územia s kladnou potenciálnou hodnotou, to znamená miesta výhodnej polohy nášho „objektu“.
Inými slovami, máme k dispozícii vypočítané potenciály všetkých faktorov a faktor, pre ktorý chceme zostaviť model a analyzovať vybranú tematickú oblasť (obchod, priemysel, kultúra, sociálna sféra atď.)
Na to je potrebné vybrať faktory pre konštrukciu environmentálnych premenných - hlavné zložky - a potom na základe nich vypočítať modely.
Faktory navrhujeme vyberať analýzou korelácií všetkých faktorov s referenčným faktorom tematickej oblasti. Napríklad pre kultúru to môžu byť divadlá, pre školstvo, školy atď.
Vypočítame koreláciu štandardného potenciálu s potenciálmi všetkých faktorov. Vyberáme tie faktory, ktorých korelačné koeficienty sú vo veľkosti väčšie ako určitá hodnota (často sa berie hodnota minimálneho korelačného koeficientu = 0).
(6)
kde — absolútna hodnota korelačného koeficientu i-tého faktora so štandardom.
Korelácia sa vypočíta pre všetky uzly siete pokrývajúce územie.
Rozdiel medzi potenciálom modelu a potenciálom objektov rovnakého typu ako nový objekt v rovnici (2) ukazuje potenciál územia, ktorý je možné využiť na umiestnenie nových zariadení.
Výsledkom je, že získame potenciálnu hodnotu, ktorá charakterizuje mieru prínosu umiestnenia „objektu“ v skúmanej oblasti.
Nižšie je uvedený príklad, ako môžete graficky zobraziť odporúčané miesta pre nový „objekt“.
Výsledok riešenia problému výberu najlepšej lokality pre nový objekt teda možno znázorniť ako bodové hodnotenie územia v každom bode, poskytujúce predstavu o potenciáli umiestnenia investičného objektu, t.j. skóre, tým výnosnejšie je lokalizácia objektu.
Na záver stojí za to povedať, že v tomto článku sme uvažovali iba o jednom probléme, ktorý je možné vyriešiť pomocou analýzy územia, pričom máme k dispozícii údaje z otvorených zdrojov. V skutočnosti existuje veľa problémov, ktoré sa s jeho pomocou dajú vyriešiť, ich počet je obmedzený iba vašou predstavivosťou.
Zdroj: hab.com