Primer izračuna toplotnega potenciala za ulično omrežje v Nižnem Novgorodu
Mestno ozemlje je kompleksen, heterogen sistem, ki se nenehno spreminja. S pomočjo prostorskih objektov (faktorjev) lahko opišete ozemlje in ocenite urbano okolje. Dejavniki, ki opisujejo ozemlje, se razlikujejo po naravi svojega vpliva (pozitivni, negativni) in geometrijski konfiguraciji (točke, črte, poligoni).
Pogosto je precej težko določiti stopnjo vpliva vsakega posameznega objekta na stopnjo razvoja ozemlja kot celote ali katerega koli njegovega posameznega vidika. Danes postaja vse bolj aktualen problem definiranja in opisovanja pojmov, kot so "kultura", "socialna sfera", "socialna napetost", "dobro življenje", "gospodarski razvoj", "zdravje prebivalstva". Dvoumnost teh pojmov se poveča, če jih želimo uporabiti za različne družbene skupine, populacije različnih starosti in spolov.
Prav tako je treba opozoriti, da so meje mesta v sodobnem konceptu precej poljubne. Dnevne migracije prebivalstva, prometna dostopnost oddaljenih območij še bolj »brišejo meje« mesta. Danes zelo razširjen pojem aglomeracije na splošno odraža meje mesta, hkrati pa sam pojem meje mesta še bolj zamegljuje.
Kljub zgoraj opisanim težavam sta analiza in ocenjevanje ozemlja danes med najbolj obetavnimi in zanimivimi področji, ki omogočajo reševanje številnih perečih problemov urbanega okolja.
Članek predlaga v obravnavo metodo za analizo ozemlja z uporabo "toplotnega" modela. Ta metoda temelji na preučevanju potencialov, ki jih ustvarjajo predmeti (faktorji) različnih narav (točkovni, linearni in površinski). Analiza ozemlja s to metodo omogoča prehod od nabora prostorskih podatkov (faktorjev), ki opisujejo ozemlje, do natančne numerične (točkovne) ocene na vsaki točki ozemlja.
Potenciali, ki jih proučujemo v okviru analize ozemlja, imajo fizikalno interpretacijo - širjenje toplote v okoljih različnih dimenzij (2D, 3D). Ta pojav je mogoče predstaviti v obliki "toplotnih" slik ("toplotnih" zemljevidov ozemlja), ki dajejo predstavo o stopnji razvoja ozemlja glede na barvno intenzivnost slike.
Ozemeljski dejavniki
Analiza ozemlja vključuje iskanje in obdelavo informacij o dejavnikih, ki vplivajo na ozemlje, in njihovih indikatorjih. Vplivni dejavniki so objekti, ki vplivajo na okoliško ozemlje in imajo niz značilnosti in prostorskih koordinat. Primeri vplivnih dejavnikov vključujejo trgovine, industrijske objekte, ceste, gozdove in vodna telesa.
Indikatorji vpliva so predmeti odsevni vpliv predmetov in imajo tudi nabor značilnosti in prostorskih koordinat. Primeri indikatorjev vpliva: bankomati, panoji, spomeniki.
V nadaljevanju predstavitve bomo uporabili koncept dejavnikov vpliva, ki združuje oba pojma – faktorje in indikatorje vpliva.
Spodaj je primer prostorskih podatkov, ki delujejo kot vplivni dejavniki.
Ena od pomembnih stopenj izvajanja dela na analizi ozemlja je stopnja zbiranja in obdelave začetnih informacij. Danes obstaja veliko informacij o dejavnikih, ki vplivajo na ozemlje, z različnimi stopnjami podrobnosti.
Informacije je mogoče pridobiti iz odprtih ali omejenih virov. V mnogih primerih za analizo zadoščajo odprte informacije, čeprav praviloma zahtevajo precej delovno intenzivno obdelavo.
Med odprtimi viri je po našem mnenju vodilni vir OpenStreetMap (OSM). Informacije, pridobljene iz tega vira, se dnevno posodabljajo po vsem svetu.
Informacije o virih OpenStreetMap (OSM) so predstavljene v naslednjih oblikah:
- OSM format. Glavni format s pripono “.osm” se uporablja za opis grafičnih podob XML – vozlišč, poti, odnosov.
- “poljski format”. Za delo z grafiko se uporablja besedilni format s končnico “.mp”.
- format PBF. Format za shranjevanje podatkov s pripono “.osm.pbf”.
Kot vir informacij lahko uporabite tudi naslednje:
- 2 GIS
Vir vsebuje visokokakovostne, mesečno obdelane informacije z odličnim 3-stopenjskim klasifikatorjem za podjetja in organizacije.
- Datoteke KML (Keyhole Markup Language).
Datoteke KML (Keyhole Markup Language) so oblika datoteke, ki se uporablja za prikaz geografskih podatkov v Google Zemlji, Google Zemljevidih in Google Zemljevidih za mobilne naprave.
Z datotekami KML lahko:
- namestite različne ikone in naredite podpise za označevanje mest na površju Zemlje
— ustvarite različne kote za izbrane predmete s spreminjanjem položaja kamere
- uporabite različne prekrivne slike
— definirajte sloge za prilagoditev prikaza predmeta, uporabite kodo HTML za ustvarjanje hiperpovezav in slik v vrstici
— uporaba map za hierarhično združevanje elementov
— dinamično prejemanje in posodabljanje datotek KML iz oddaljenih ali lokalnih omrežnih vozlišč
- Prejemajte podatke KML glede na spremembe v pregledovalniku XNUMXD
- Zvezna služba za državno registracijo, kataster in kartografijo "Rosreestr"
Informacije na portalu Rosreestr so dragocene zaradi svoje vsebine in ustreznosti, vendar na žalost ne omogočajo brezplačne pridobitve grafik za kapitalske gradbene projekte in zemljišča. Portal Rosreestr vsebuje tudi veliko količino informacij z omejenim dostopom.
- Statistični organi
Statistični podatki so legitimen vir informacij o ozemlju, vendar so danes podatki statističnih organov na voljo le za določeno število kazalnikov, predvsem v poročilih statističnih organov in poročilih regionalnih oblasti.
- Informacijski sistemi organov
Kakovostne informacije so shranjene v državnih informacijskih sistemih, le majhen del pa je javno objavljen in na voljo za analizo.
Izvajanje analize ozemelj ne nalaga nobenih posebnih zahtev glede sestave informacij, pravzaprav lahko uporabite vse, kar ste našli, informacije iz odprtih virov so običajno zamenljive. Vendar je treba opozoriti, da so tudi informacije, pridobljene samo iz vira OSM, dovolj za analizo neznanega ozemlja.
Analiza ozemlja z "termalnim" modelom. Fizikalna interpretacija potencialov
Kot smo že omenili, je analiza ozemlja danes vroča tema in močno orodje za razumno privabljanje naložb v razvoj infrastrukture v različnih urbanih okoljih.
Raznolikost problemov, ki jih rešuje analiza ozemlja, je mogoče združiti v več glavnih področij:
— Pridobitev najbolj razumljive in podrobne ocene ozemlja na vsaki točki.
Z rešitvijo problema lahko dobite niz točk na vsaki točki ozemlja, ki dajejo idejo o stopnji razvoja ozemlja na splošno, pa tudi na določenem predmetnem področju. Takšno predmetno področje je lahko na primer kultura, industrija, trgovina itd.
— Določitev najugodnejših mest za postavitev naložbenih predmetov določene vrste (na primer banke, specializirane trgovine, nakupovalni in zabaviščni centri itd.) Na izbranem ozemlju.
— Analiza najučinkovitejše uporabe ozemlja.
Ta smer omogoča podrobno preučevanje značilnosti ozemlja, tržne razmere, ki so se razvile na proučevanem ozemlju, in prepoznavanje priljubljenih možnosti.
— Določitev prispevka enega faktorja k modelu stroškov na primeru nastanka novih cest in novih poti.
— Analiza različnih vidikov enega ozemlja in analiza različnih ozemelj (primerjava ozemelj).
Izvirnost metode analize ozemlja, predlagane v članku z uporabo "toplotnega" modela, je v uporabi indikatorjev razvoja ozemlja - potencialov, predstavljenih v številčnem smislu in odražajo stopnjo vpliva objekta (faktorja vpliva) na ozemlje.
Da bi razumeli bistvo študije, je treba povedati nekaj besed o samem toplotnem potencialu in podati njegovo fizikalno interpretacijo.
V fiziki obstajajo koncepti, kot so zaščitno polje и funkcija sile. Polje sile ima razsežnost energije, funkcija sile ima razsežnost sile.
Za zakon univerzalne gravitacije je polje sile definirano s formulo:
F=k/r2, kjer je
k – konstanta;
r – razdalja med medsebojno delujočimi objekti.
Funkcija sile ϕ je določena z izrazom:
dϕ=-F*dr, kjer je
ϕ—potencial polja sile;
dϕ, dr – diferenciali;
r je razdalja med medsebojno delujočimi predmeti,
torej ϕ=k/r.
Fizični pomen potenciala polja sile ϕ je delo E, ki ga opravi polje sile med prehodom določene poti. V primeru zakona univerzalne gravitacije, ko se razdalja do predmeta spremeni od r2 do r1, je funkcija sile določena s formulo
E=k*(1/r1-1/r2), kjer je
E je delo, ki ga opravi polje sil med prehodom določene poti;
r1, r2 – začetni in končni položaj objekta.
Za nalogo analize ozemlja lahko vpliv predmetov (dejavnikov) na ozemlje obravnavamo kot silo (funkcija moči), stopnja razvitosti ozemlja pa kot skupni toplotni potencial (zaščitno polje) od vseh objektov (faktorjev). Pri fizikalnih problemih je toplotni potencial temperatura, pri problemih analize ozemlja s »toplotnim« modelom pa potencial predstavlja skupni vpliv vseh vplivnih dejavnikov na točko ozemlja.
Prostorske podatke sestavljajo točke, črte in poligoni. Za izračun potencialov se razširjeni prostorski podatki razdelijo na majhne fragmente. Za vsak fragment se izračuna potencial iz točke z množiteljem, ki je enak velikosti fragmenta objekta (faktor).
Podatki so razdeljeni v pomenske skupine po načelu tesne podobnosti. Trgovski predmeti so na primer združeni po izdelku. Obstajajo skupine gozdnih objektov, vodnih teles, naselij, prometnih postajališč itd. Pomensko združene skupine predstavljajo dejavnik. Po pregledu vseh objektov (faktorjev) dobimo niz toplotnih potencialov, primernih za nadaljnjo obdelavo.
Uporaba potencialov (»toplotnih zemljevidov«) vam omogoča prehod od prostorskih podatkov do »toplotnih« slik predmetov (dejavnikov) vpliva na ozemlje (vizualizacija potencialov). Takšen prehod omogoča določitev stopnje prisotnosti dejavnika na vsaki točki ozemlja in izvedbo nadaljnje analize, tj. barvno prikazati različne smeri razvoja mesta. Tako dobimo sij različne intenzivnosti za vsako točko ozemlja.
Spodaj so predstavljeni primeri "toplotnih" slik ozemlja Nižnega Novgoroda v kontekstu več dejavnikov.
»Toplotni« zemljevid Nižnega Novgoroda, ki odraža faktor »lekarniške verige«.
"Toplotni" zemljevid Nižnega Novgoroda, ki odraža faktor "Poliklinike za odrasle"
"Termalni" zemljevid Nižnega Novgoroda, ki odraža faktor "Otroške klinike"
"Toplotni" zemljevid Nižnega Novgoroda, ki odraža faktor "Industrijske cone"
"Toplotne" slike ozemlja omogočajo določitev koncentracije potencialov različnih predmetov vpliva. Nato je treba pridobljene potenciale združiti v integralno karakteristiko, ki omogoča oceno ozemlja na podlagi velikega števila dejavnikov. To zahteva metodo, ki vam omogoča analizo velike količine informacij, prepoznavanje predmetov in tudi zmanjšanje razsežnosti podatkov, pri čemer izgubite najmanj informacij. Ena od teh metod je analiza glavnih komponent (PCA). Več podrobnosti o tej metodi najdete v .
Bistvo metode je najti linearno kombinacijo začetnih parametrov, ki se najbolj spreminja v območju analize. Za prostorske podatke – najmočneje se spreminjajo po ozemlju.
Metoda glavne komponente identificira objekte (faktorje), ki se na ozemlju najmočneje spreminjajo. Kot rezultat metode se pojavijo nove spremenljivke - glavne komponente, ki so bolj informativne v primerjavi z izvirnimi podatki, s pomočjo katerih je lažje analizirati, opisati in vizualizirati ozemlje, na katerem je lažje graditi modele. .
Glavne komponente so analitični izrazi - vsota potencialov začetnih faktorjev z določenimi koeficienti. Če pa ima katerikoli dejavnik pomemben vpliv na ozemlje, vendar se ne spreminja po analiziranem ozemlju, metoda glavnih komponent tega dejavnika ne bo vključila v sestavo glavnih komponent.
Glavne komponente so razvrščene po padajočem vrstnem redu informacij – tj. širi po celotnem ozemlju. Prve glavne komponente nosijo bistveno več informacij kot posamezni dejavniki in dobro opisujejo ozemlje. Praviloma pri uporabi približno sto faktorjev nosi prva glavna komponenta približno 50% vseh informacij (variance) za ozemlje. Glavne komponente med seboj niso v korelaciji in se lahko uporabijo za modele kot značilnosti ozemlja na vsaki točki.
Glavna komponenta kot nekakšen abstraktno izračunan indikator ozemlja nima jasnega imena in klasifikacije. Vendar nam niz dejavnikov, ki so močno povezani z glavno komponento, omogoča razlago glavnih komponent. Praviloma so naslednji dejavniki povezani z glavnimi komponentami:
— stopnja razvoja infrastrukture;
— prometna komponenta ozemlja;
— podnebne cone;
— stopnja razvoja kmetijstva;
— gospodarski potencial ozemlja.
Nadaljnja analiza, vključno z združevanjem v gruče, se nadaljuje s prvimi nekaj pomembnimi glavnimi komponentami.
Na slikah si lahko ogledate grafični prikaz prvih glavnih komponent na ozemlju več mest Ruske federacije.
Prva glavna komponenta, ki označuje stopnjo razvoja mestne infrastrukture v Nižnem Novgorodu
Prva glavna komponenta, ki označuje stopnjo razvoja mestne infrastrukture v Jekaterinburgu
Prva glavna komponenta, ki označuje stopnjo razvoja mestne infrastrukture v Kazanu
Prva glavna komponenta, ki označuje stopnjo razvoja mestne infrastrukture v Permu
Prva glavna komponenta, ki označuje stopnjo razvoja mestne infrastrukture v Samari
Prva glavna komponenta, ki označuje stopnjo razvoja mestne infrastrukture v Habarovsku
Integralne značilnosti: grozdenje
Nadaljnja faza dela pri analizi ozemlja je iskanje kakovostno homogenih območij urbanega okolja. To iskanje temelji na analizi vrednosti glavnih komponent na vsaki točki ozemlja. Problem iskanja teh homogenih območij je mogoče rešiti z grozdenjem - procesom združevanja ozemelj v skupine po načelu bližine nabora značilnosti.
Grozdenje ozemlja ima dva cilja:
— ustvarjanje boljše zaznavne vizualizacije ozemlja;
— dodelitev območij za sestavo posameznih modelov.
Ozemlja so razvrščena v skupine glede na izbrane dejavnike za analizo. Ti dejavniki so lahko dejavniki, ki vplivajo na oblikovanje cen, ali dejavniki, ki opisujejo nekatere vidike razvoja ozemlja, na primer socialno področje.
Obstajata dve običajni klasični metodi združevanja v gruče: metoda K-povprečij in metoda dendrograma. Pri delu z ozemlji se je dobro izkazala metoda K-means, katere značilnost je "rast" grozda z dodajanjem novih predmetov točkam rasti. Prednost metode K-means je v podobnosti njenega delovanja z naravnim procesom oblikovanja ozemlja: integracija podobnih namesto ločevanja neenakih.
Za izračune za Nižni Novgorod je bila uporabljena metoda K-means (slika spodaj).
Skladnost grozdov s stopnjo razvitosti ozemlja na primeru Nižnega Novgoroda
S predlaganim pristopom je mogoče pridobiti pregled ozemlja na različne teme. Teme, ki nas zanimajo, so lahko na primer stopnja razvitosti urbane infrastrukture, stopnja »elitnosti« ozemlja, stopnja kulturne razvitosti, socialna komponenta razvitosti ozemlja. Te teme so slabo definirani integralni koncepti in so sestavljeni iz številnih medsebojno povezanih dejavnikov.
Z uporabo določenega algoritma za izbiro parametrov za analizo (vključno z vključevanjem strokovnjakov) bomo pridobili tematske karte, ki dajejo predstavo o enem vidiku razvoja ozemlja.
Pod integralnimi značilnostmi razumemo prve glavne komponente, predvsem najbolj informativno prvo glavno komponento, in grupiranje ozemlja po izbranih parametrih.
Tematski zemljevidi prvih glavnih komponent za različne vidike razvoja so predstavljeni na spodnjih slikah.
Tematski zemljevid "Kulturni objekti" na primeru Nižnega Novgoroda
Tematski zemljevid "Socialna sfera" na primeru Nižnega Novgoroda
Integralne značilnosti omogočajo razumevanje značilnosti ozemlja z uporabo številnih dejavnikov z minimalno izgubo informacij.
Na koncu je treba še enkrat opozoriti, da je danes analiza ozemelj izjemno pomembna faza pri reševanju problemov razvoja urbanega okolja, izbiri krajev za vlaganje v gradnjo, iskanju najugodnejše lokacije za nove objekte in drugih nalogah.
Metoda analize ozemlja, predlagana v članku z uporabo "toplotnega" modela dejavnikov različne narave, ni kritična za nabor dejavnikov, to pomeni, da ne nalaga omejitev ali zahtev glede začetnih informacij.
Zagotavlja raznolikost in redundanco izvornih informacij ter možnost uporabe odprtih podatkov neomejene možnosti za analizo katerega koli ozemlja sveta.
V naslednjih publikacijah, posvečenih problemom teritorialne analize, nameravamo razkriti značilnosti sestavljanja modelov z uporabo glavnih komponent in metod za njihovo izvedbo za naloge, kot so:
— izbira najboljše lokacije pri postavitvi novega objekta;
— oblikovanje cenovne površine za določeno kategorijo predmetov z uporabo tržne vrednosti;
- ocena donosnosti določene vrste dejavnosti glede na lokacijo objektov.
V načrtu je tudi predstavitev metod za obratni prehod od glavnih komponent k faktorjem, kar bo omogočilo pridobitev modela iz faktorjev za dano ozemlje.
Vir: www.habr.com