Коришћење термичких потенцијала за анализу територије

Пример израчунавања топлотног потенцијала за уличну мрежу у Нижњем Новгороду

Територија града је сложен, хетероген систем који се стално мења. Можете описати територију и проценити урбану средину користећи просторне објекте (факторе). Фактори који описују територију разликују се по природи свог утицаја (позитиван, негативан) и геометријској конфигурацији (тачке, линије, полигони).

Често је прилично тешко одредити степен утицаја сваког појединачног објекта на ниво развоја територије у целини или неког њеног посебног аспекта. Данас је све актуелнији проблем дефинисања и описивања појмова као што су „култура”, „социјална сфера”, „друштвена напетост”, „добар живот”, „економски развој”, „здравље становништва”. Вишесмисленост ових појмова се повећава ако желимо да их применимо на различите друштвене групе, популације различитог узраста и пола.

Такође, треба напоменути да су границе града у савременом концепту прилично произвољне. Свакодневна миграција становништва, транспортна доступност удаљених подручја још више „замагљује“ границу града. Сада широко коришћени концепт агломерације генерално одражава границе града, али у исто време чини сам концепт границе града још нејаснијим.

Упркос горе описаним проблемима, анализа и процена територија данас су међу најперспективнијим и најинтересантнијим областима које омогућавају решавање многих горућих проблема урбане средине.

У чланку се на разматрање предлаже метод за анализу територије коришћењем „термалног” модела. Овај метод се заснива на проучавању потенцијала које стварају објекти (фактори) различите природе (тачкасте, линеарне и површине). Анализа територије коришћењем ове методе омогућава прелазак са скупа просторних података (фактора) који описују територију на тачну нумеричку (оцену) процену на свакој тачки територије.

Потенцијали који се проучавају у оквиру анализе територије имају физичку интерпретацију – ширење топлоте у срединама различитих димензија (2Д, 3Д). Овај феномен се може представити у облику „термалних“ слика („топлотних“ мапа територије), дајући представу о степену развоја територије у зависности од интензитета боје слике.

Фактори територије

Анализа територије подразумева претраживање и обраду информација о факторима који утичу на територију и њиховим показатељима. Фактори утицаја су објекти који утичу на околну територију и имају скуп карактеристика и просторних координата. Примери фактора утицаја су продавнице, индустријски објекти, путеви, шуме и водена тела.

Индикатори утицаја су објекти рефлексивни утицај објеката и такође има скуп карактеристика и просторних координата. Примери индикатора утицаја: банкомати, билборди, споменици.

У наредном излагању користићемо концепт фактора утицаја, који комбинује оба појма – факторе и индикаторе утицаја.

Испод је пример просторних података који делују као фактори утицаја.

Једна од важних фаза извођења радова на анализи територија је фаза прикупљања и обраде почетних информација. Данас постоји много информација о факторима који утичу на територију различитог степена детаља.

Информације се могу добити из отворених или ограничених извора. У многим случајевима, отворене информације су довољне за анализу, иако, по правилу, захтевају доста радно интензивну обраду.

Међу отвореним изворима, лидер је, по нашем мишљењу, ресурс ОпенСтреетМап (ОСМ). Информације добијене из овог извора свакодневно се ажурирају широм света.

Информације о ОпенСтреетМап (ОСМ) ресурсима су представљене у следећим форматима:

- ОСМ формат. Главни формат са екстензијом “.осм” се користи за описивање КСМЛ графичких слика – чворова, путања, односа.

- „пољски формат“. Формат текста са екстензијом “.мп” се користи за рад са графиком.

- ПБФ формат. Формат складиштења података са екстензијом „.осм.пбф“.

Као изворе информација можете користити и следеће:

- 2 ГИС
Ресурс садржи висококвалитетне, месечно обрађене информације, са одличним класификатором на 3 нивоа за предузећа и организације.

- КМЛ (Кеихоле Маркуп Лангуаге) датотеке
КМЛ (Кеихоле Маркуп Лангуаге) датотеке су формат датотеке који се користи за приказивање географских података у Гоогле Еартх-у, Гоогле мапама и Гоогле мапама за мобилне уређаје.

Са КМЛ датотекама можете:
- инсталирајте разне иконе и направите потписе за означавање места на површини Земље
— креирајте различите углове за изабране објекте променом положаја камере
- користите различите преклапајуће слике
— дефинишете стилове да бисте прилагодили приказ објекта, примените ХТМЛ код за креирање хипервеза и инлине слика
— користити фасцикле за хијерархијско груписање елемената
— динамички примајте и ажурирајте КМЛ датотеке са удаљених или локалних мрежних чворова
- Примајте КМЛ податке у складу са променама у 3Д приказивачу

- Федерална служба за државну регистрацију, катастар и картографију "Росреестр"
Информације на порталу Росреестр су драгоцене због свог садржаја и релевантности, али, нажалост, не омогућавају бесплатно добијање графика за пројекте капиталне изградње и земљишних парцела. Портал Росреестр такође садржи велику количину информација о ограниченом приступу.

- Статистичка тела
Статистички подаци су легитиман извор информација о територији, међутим, од данас су подаци статистичких органа доступни само за одређени број индикатора, углавном у извештајима статистичких органа и извештајима регионалних власти.

- Информациони системи органа власти
Висококвалитетне информације садржане су у државним информационим системима, али се само мали део њих објављује у јавном домену и доступан је за анализу.

Спровођење анализе територија не намеће никакве посебне захтеве за састав информација, у ствари, можете користити све што је пронађено из отворених извора; Међутим, треба напоменути да су и саме информације добијене од ОСМ ресурса довољне да се направи анализа непознате територије.

Анализа територије коришћењем „термалног” модела. Физичка интерпретација потенцијала

Као што је раније поменуто, анализа територије данас је врућа тема и моћно средство за разумно привлачење инвестиција у развој инфраструктуре у различитим урбаним срединама.

Разноликост проблема решених анализом територије може се комбиновати у неколико главних области:

— Добијање што разумљивије и детаљније процене територије у свакој тачки.
Решавањем проблема можете добити скуп тачака на свакој тачки територије, дајући представу о нивоу развоја територије уопште, као иу одређеној предметној области. Таква предметна област може бити, на пример, култура, индустрија, трговина итд.

— Одређивање најповољнијих места за постављање инвестиционих објеката одређене врсте (на пример, банке, специјализоване продавнице, тржни и забавни центри, итд.) на одабраној територији.

— Анализа најефикаснијег коришћења територије.
Овај правац омогућава детаљно проучавање карактеристика територије, тржишне ситуације која се развила на територији која се проучава и идентификацију популарних опција.

— Утврђивање доприноса једног фактора моделу трошкова на примеру настанка нових путева и нових праваца.

— Анализа различитих аспеката једне територије и анализа различитих територија (поређење територија).

Оригиналност методе анализе територије која је предложена у чланку коришћењем „термалног” модела лежи у коришћењу индикатора развоја територије – потенцијала, представљених у нумеричком смислу и који одражавају степен утицаја објекта (фактора утицаја) на територију.

Да би се разумела суштина студије, потребно је рећи неколико речи о самом термичком потенцијалу и дати његову физичку интерпретацију.

У физици постоје концепти као поље силе и функција силе. Поље сила има димензију енергије, функција силе има димензију силе.

За закон универзалне гравитације, поље силе је дефинисано формулом:

Ф=к/р2, где
к – константа;
р – растојање између објеката у интеракцији.

Функција силе ϕ је одређена изразом:

дϕ=-Ф*др, где
ϕ—потенцијал поља сила;
дϕ, др – диференцијали;
р је растојање између објеката у интеракцији,

дакле ϕ=к/р.

Физичко значење потенцијала поља сила ϕ је рад Е који изврши поље сила док пролази одређену путању. У случају закона универзалне гравитације, када се растојање до објекта промени са р2 на р1, функција силе је одређена формулом

Е=к*(1/р1-1/р2), где је
Е је рад који изврши поље силе док пролази одређени пут;
р1, р2 – почетни и крајњи положај објекта.

За задатак анализе територије, утицај објеката (фактора) на територију може се посматрати као сила (функција снаге), а степен развијености територије као укупни топлотни потенцијал (поље силе) од свих објеката (фактора). У проблемима физике, топлотни потенцијал је температура, ау проблемима анализе територије коришћењем „термалног” модела, потенцијал представља укупан утицај свих утицајних фактора на тачку на територији.

Просторни подаци се састоје од тачака, линија и полигона. Да би се израчунали потенцијали, проширени просторни подаци се деле на мале фрагменте. За сваки фрагмент се израчунава потенцијал из тачке са множиоцем једнаким величини фрагмента објекта (фактора).

Подаци су подељени у семантичке групе по принципу блиске сличности. На пример, трговински објекти су комбиновани робом. Постоје групе шумских објеката, водних тијела, насеља, транспортних стајалишта итд. Групе удружене по значењу представљају фактор. Прошавши кроз све објекте (факторе), добијамо скуп термичких потенцијала погодних за даљу обраду.

Коришћење потенцијала („топлотних мапа“) омогућава вам да пређете са просторних података на „термалне“ слике објеката (фактора) утицаја на територију (визуелизација потенцијала). Такав прелаз омогућава да се утврди степен присуства фактора на свакој тачки територије и изврши даља анализа, тј. приказати различите правце развоја града у боји. Тако добијамо сјај различитог интензитета за сваку тачку територије.

У наставку су представљени примери „термалних“ слика територије Нижњег Новгорода у контексту неколико фактора.

„Термална“ карта Нижњег Новгорода, која одражава фактор „ланца апотека“.

„Топлотна“ карта Нижњег Новгорода, која одражава фактор „Поликлинике за одрасле“

„Термална“ мапа Нижњег Новгорода, која одражава фактор „дечије клинике“

„Термална“ карта Нижњег Новгорода, која одражава фактор „Индустријске зоне“

„Термичке“ слике територије омогућавају одређивање концентрације потенцијала различитих објеката утицаја. Затим је потребно објединити добијене потенцијале у интегралну карактеристику која омогућава процену територије на основу великог броја фактора. Ово захтева метод који омогућава анализу велике количине информација, препознавање објеката, а такође и смањење димензије података, губећи најмању количину информација. Једна од ових метода је анализа главних компоненти (ПЦА). Више детаља о овој методи можете пронаћи у Википедиа.

Суштина методе је да се пронађе линеарна комбинација почетних параметара која се најјаче мења у области анализе. За просторне податке – најјаче промене на територији.

Метода главне компоненте идентификује објекте (факторе) који се најјаче мењају на територији. Као резултат методе појављују се нове варијабле - главне компоненте, које су информативније у односу на оригиналне податке, уз помоћ којих је лакше анализирати, описати и визуализовати територију на којој је лакше градити моделе. .

Главне компоненте су аналитички изрази – збир потенцијала почетних фактора са одређеним коефицијентима. Међутим, ако било који фактор има значајан утицај на територију, али се не мења на анализираној територији, метода главне компоненте неће укључити овај фактор у састав главних компоненти.

Главне компоненте су поређане у опадајућем редоследу информација – тј. ширећи се по целој територији. Прве главне компоненте носе знатно више информација од појединачних фактора и добро описују територију. По правилу, када се користи око сто фактора, прва главна компонента носи око 50% свих информација (варијансе) за територију. Главне компоненте нису у корелацији једна са другом и могу се користити за моделе као карактеристике територије у свакој тачки.

Главна компонента, као неки апстрактно прорачунат показатељ територије, нема јасан назив и класификацију. Међутим, скуп фактора који су у снажној корелацији са главном компонентом омогућава нам да тумачимо главне компоненте. По правилу, следећи фактори корелирају са главним компонентама:

— степен развијености инфраструктуре;
— транспортна компонента територије;
— климатске зоне;
— степен развоја пољопривреде;
— економски потенцијал територије.

Даља анализа, укључујући груписање, наставља се са првих неколико значајних главних компоненти.

На сликама можете видети графички приказ првих главних компоненти на територији неколико градова Руске Федерације.

Прва главна компонента која карактерише ниво развоја урбане инфраструктуре у Нижњем Новгороду

Прва главна компонента која карактерише ниво развоја урбане инфраструктуре у Јекатеринбургу

Прва главна компонента која карактерише ниво развоја урбане инфраструктуре у Казању

Прва главна компонента која карактерише ниво развоја урбане инфраструктуре у Перму

Прва главна компонента која карактерише ниво развоја урбане инфраструктуре у Самари

Прва главна компонента која карактерише ниво развоја урбане инфраструктуре у Хабаровску

Интегралне карактеристике: груписање

Даља фаза рада на анализи територија је тражење зона урбане средине које су по квалитету хомогене. Ова претрага се заснива на анализи вредности главних компоненти на свакој тачки територије. Проблем тражења ових хомогених зона може се решити кластеризацијом – процесом груписања територија на основу принципа близине скупа карактеристика.

Груписање територија има два циља:

— стварање боље перципиране визуелизације територије;
— додела области за састављање појединачних модела.

Територије су груписане у складу са одабраним факторима за анализу. Ови фактори могу бити фактори који утичу на цене или фактори који описују неки аспект развоја територије, на пример, друштвену сферу.

Постоје две уобичајене класичне методе груписања: метода К-средње вредности и метода дендрограма. У раду са територијама, метода К-меанс се добро показала, чија је карактеристика „раст“ кластера додавањем нових објеката тачкама раста. Предност методе К-меанс лежи у сличности њеног рада са природним процесом формирања територије: интеграција сличних, а не раздвајање различитих.

Метода К-средње вредности је коришћена за израчунавање за Нижњи Новгород (слика испод).

Усклађеност кластера са нивоом развоја територије на примеру Нижњег Новгорода

Предложеним приступом могуће је добити преглед територије на различите теме. Теме које нас занимају могу бити, на пример, степен развијености урбане инфраструктуре, ниво „елитности“ територије, ниво културног развоја, социјална компонента развоја територије. Ове теме су лоше дефинисани интегрални концепти и састоје се од много међусобно повезаних фактора.

Користећи неки алгоритам за одабир параметара за анализу (укључујући и ангажовање стручњака), добићемо тематске карте које дају представу о једном аспекту развоја територије.

Под интегралним карактеристикама се подразумевају прве главне компоненте, пре свега најинформативнија прва главна компонента, и груписање територије према одабраним параметрима.

Тематске карте првих главних компоненти за различите аспекте развоја приказане су на сликама испод.

Тематска карта „Културни објекти“ на примеру Нижњег Новгорода

Тематска мапа „Социјална сфера“ на примеру Нижњег Новгорода

Интегралне карактеристике омогућавају разумевање карактеристика територије користећи многе факторе уз минималан губитак информација.

У закључку, вреди још једном напоменути да је анализа територија данас изузетно важна фаза у решавању проблема развоја урбаног окружења, одабиру места за улагање у изградњу, проналажењу најповољније локације за нове објекте и других задатака.

Метода анализе територије која је предложена у чланку коришћењем „термалног” модела од фактора различите природе није критична за скуп фактора, односно не намеће ограничења или захтеве за почетне информације.

Разноврсност и редундантност изворних информација, као и могућност коришћења отворених података, пружа неограничени изгледи за анализу било које територије мир.

У следећим публикацијама посвећеним проблемима територијалне анализе, планирамо да откријемо карактеристике компајлирања модела користећи главне компоненте и методе за њихову имплементацију за такве задатке као што су:

— избор најбоље локације приликом постављања новог објекта;
— израда површине цене за одређену категорију објеката коришћењем тржишне вредности;
- процена рентабилности одређене врсте делатности у зависности од локације објеката.

У плану је и представљање метода за обрнути прелаз са главних компоненти на факторе, што заузврат омогућава добијање модела од фактора за дату територију.

Извор: ввв.хабр.цом