Ett exempel på beräkning av termisk potential för ett gatunät i Nizhny Novgorod
Stadens territorium är ett komplext, heterogent system som är i ständig förändring. Du kan beskriva territoriet och bedöma stadsmiljön med hjälp av rumsliga objekt (faktorer). Faktorer som beskriver territoriet skiljer sig åt i arten av deras inflytande (positivt, negativt) och geometrisk konfiguration (punkter, linjer, polygoner).
Det är ofta ganska svårt att bestämma graden av inflytande för varje enskilt objekt på utvecklingsnivån för territoriet som helhet eller någon särskild aspekt av det. Idag blir problemet med att definiera och beskriva sådana begrepp som "kultur", "social sfär", "social spänning", "bra liv", "ekonomisk utveckling", "befolkningshälsa" allt mer relevant. Tvetydigheten i dessa begrepp ökar om vi vill applicera dem på olika sociala grupper, populationer av olika åldrar och kön.
Det bör också noteras att gränserna för staden i det moderna konceptet är ganska godtyckliga. Daglig migration av befolkningen, transporttillgänglighet i avlägsna områden "suddar ut gränsen" till staden ännu mer. Det numera allmänt använda begreppet agglomeration speglar generellt stadens gränser, men gör samtidigt själva begreppet stadsgräns ännu vagare.
Trots problemen som beskrivs ovan är analys och bedömning av territorier idag bland de mest lovande och intressanta områdena som gör det möjligt att lösa många pressande problem i stadsmiljön.
I artikeln föreslås en metod för att analysera territoriet med hjälp av en "termisk" modell. Denna metod är baserad på studiet av potentialer skapade av objekt (faktorer) av olika karaktär (punkt, linjär och area). Analys av territoriet med denna metod gör det möjligt att gå från en uppsättning rumsliga data (faktorer) som beskriver territoriet till en korrekt numerisk (poäng)bedömning vid varje punkt i territoriet.
Potentialerna som studeras som en del av territorieanalysen har en fysisk tolkning - värmeutbredning i miljöer av olika dimensioner (2D, 3D). Detta fenomen kan representeras i form av "termiska" bilder ("värme" kartor över territoriet), vilket ger en uppfattning om graden av utveckling av territoriet beroende på bildens färgintensitet.
Territorifaktorer
Territorieanalys innebär att söka och bearbeta information om de faktorer som påverkar territoriet och deras indikatorer. Påverkande faktorer är objekt som påverkar det omgivande territoriet och har en uppsättning egenskaper och rumsliga koordinater. Exempel på påverkande faktorer är butiker, industrianläggningar, vägar, skogar och vattendrag.
Indikatorer på inflytande är objekt reflekterande påverkan av objekt och även ha en uppsättning egenskaper och rumsliga koordinater. Exempel på påverkansindikatorer: bankomater, skyltar, monument.
I den följande presentationen kommer vi att använda begreppet påverkansfaktorer, som kombinerar båda termerna – faktorer och indikatorer på påverkan.
Nedan finns ett exempel på rumslig data som fungerar som påverkande faktorer.
Ett av de viktiga stegen i arbetet med att analysera territorier är insamlingen och bearbetningen av initial information. Idag finns det mycket information om de faktorer som påverkar territoriet med varierande detaljeringsgrad.
Information kan erhållas från öppna källor eller begränsade källor. I många fall räcker öppen information för analys, även om den i regel kräver ganska arbetskrävande bearbetning.
Bland öppna källor är ledaren, enligt vår mening, resursen OpenStreetMap (OSM). Informationen som erhålls från denna källa uppdateras dagligen över hela världen.
OpenStreetMap (OSM) resursinformation presenteras i följande format:
- OSM-format. Huvudformatet med tillägget ".osm" används för att beskriva XML-grafiska bilder – noder, sökvägar, relationer.
- "polskt format". Textformatet med tillägget ".mp" används för att arbeta med grafik.
- PBF-format. Datalagringsformat med tillägget ".osm.pbf".
Du kan också använda följande som informationskällor:
- 2 GIS
Resursen innehåller högkvalitativ, månatlig bearbetad information, med en utmärkt klassificerare i tre nivåer för företag och organisationer.
- KML-filer (Keyhole Markup Language).
KML-filer (Keyhole Markup Language) är ett filformat som används för att visa geografiska data i Google Earth, Google Maps och Google Maps för mobila enheter.
Med KML-filer kan du:
- installera olika ikoner och skapa signaturer för att indikera platser på jordens yta
— skapa olika vinklar för valda objekt genom att ändra kamerans position
- använd olika överläggsbilder
— definiera stilar för att anpassa visningen av ett objekt, tillämpa HTML-kod för att skapa hyperlänkar och infogade bilder
— använd mappar för hierarkisk gruppering av element
— ta emot och uppdatera KML-filer dynamiskt från fjärr- eller lokala nätverksnoder
- Ta emot KML-data enligt ändringar i 3D-visningen
- Federal Service for State Registration, Cadastre and Cartography "Rosreestr"
Informationen på Rosreestr-portalen är värdefull för dess innehåll och relevans, men den gör det tyvärr inte möjligt att få grafik för stora byggprojekt och tomter gratis. Rosreestr-portalen innehåller också en stor mängd begränsad åtkomstinformation.
- Statistiska organ
Statistiska uppgifter är en legitim källa till information om territoriet, men från och med idag finns uppgifter från statistikorgan endast tillgängliga för ett visst antal indikatorer, främst i rapporter från statistiska organ och rapporter från regionala myndigheter.
- Myndigheters informationssystem
Information av hög kvalitet finns i statliga informationssystem, men endast en liten del av den publiceras offentligt och är tillgänglig för analys.
Att genomföra en analys av territorier ställer inga specifika krav på informationens sammansättning; i själva verket kan du använda allt som hittades; information från öppna källor är vanligtvis utbytbar. Det bör dock noteras att även informationen som erhålls från enbart OSM-resursen räcker för att göra en analys av okänt territorium.
Analys av territoriet med hjälp av en "termisk" modell. Fysisk tolkning av potentialer
Som tidigare nämnts är territorieanalys idag ett hett ämne och ett kraftfullt verktyg för motiverad attraktion av investeringar i utveckling av infrastruktur i olika stadsmiljöer.
Mångfalden av problem som löses med hjälp av territoriumanalys kan kombineras i flera huvudområden:
— Få den mest tolkbara och detaljerade bedömningen av territoriet vid varje punkt.
Genom att lösa problemet kan du få en uppsättning poäng vid varje punkt i territoriet, vilket ger en uppfattning om territoriets utvecklingsnivå i allmänhet, såväl som inom ett visst ämnesområde. Ett sådant ämnesområde kan till exempel vara kultur, industri, handel m.m.
— Fastställande av de mest fördelaktiga platserna för placering av investeringsobjekt av en viss typ (till exempel banker, specialiserade butiker, shopping- och nöjescentra, etc.) i det valda territoriet.
— Analys av den mest effektiva användningen av territoriet.
Denna riktning möjliggör en detaljerad studie av territoriets egenskaper, marknadssituationen som har utvecklats i det undersökta territoriet och identifieringen av populära alternativ.
— Fastställande av bidraget från en faktor till kostnadsmodellen, med hjälp av exemplet med uppkomsten av nya vägar och nya rutter.
— Analys av olika aspekter av ett territorium och analys av olika territorier (jämförelse av territorier).
Originaliteten hos metoden för territoriumanalys som föreslås i artikeln med hjälp av den "termiska" modellen ligger i användningen av territoriumutvecklingsindikatorer - potentialer, presenterade i numeriska termer och återspeglar graden av inflytande av objektet (påverkansfaktor) på territoriet.
För att förstå kärnan i studien är det nödvändigt att säga några ord om själva den termiska potentialen och ge dess fysiska tolkning.
Inom fysiken finns sådana begrepp som kraftfält и kraftfunktion. Kraftfältet har dimensionen energi, kraftfunktionen har dimensionen kraft.
För lagen om universell gravitation definieras kraftfältet av formeln:
F=k/r2, där
k – konstant;
r – avstånd mellan interagerande objekt.
Kraftfunktionen ϕ bestäms av uttrycket:
dϕ=-F*dr, där
ϕ—kraftfältpotential;
dϕ, dr – differentialer;
r är avståndet mellan interagerande objekt,
därför ϕ=k/r.
Den fysiska betydelsen av kraftfältspotentialen ϕ är det arbete E som utförs av kraftfältet medan det passerar en viss väg. När det gäller lagen om universell gravitation, när avståndet till ett föremål ändras från r2 till r1, bestäms kraftfunktionen av formeln
E=k*(l/rl-1/r1), där
E är det arbete som kraftfältet utför medan det passerar en viss väg;
r1, r2 – objektets initiala och slutliga position.
För uppgiften att analysera ett territorium kan påverkan av objekt (faktorer) på territoriet betraktas som en kraft (kraftfunktion), och territoriets utvecklingsnivå som den totala termiska potentialen (kraftfält) från alla objekt (faktorer). I fysikproblem är termisk potential temperatur, och i problem med territoriumanalys som använder en "termisk" modell representerar potentialen den totala påverkan av alla påverkande faktorer på en punkt i territoriet.
Rumslig data består av punkter, linjer och polygoner. För att beräkna potentialer delas utökade rumsliga data in i små fragment. För varje fragment beräknas potentialen från punkten med en multiplikator som är lika med storleken på objektfragmentet (faktor).
Uppgifterna är indelade i semantiska grupper baserat på principen om nära likhet. Till exempel kombineras handelsobjekt efter produkt. Det finns grupper av skogsobjekt, vattenförekomster, bosättningar, transportstopp m.m. Grupper förenade av mening representerar en faktor. Efter att ha gått igenom alla objekt (faktorer) får vi en uppsättning termiska potentialer som är lämpliga för vidare bearbetning.
Användningen av potentialer ("värmekartor") låter dig gå från rumslig data till "termiska" bilder av objekt (faktorer) som påverkar territoriet (visualisering av potentialer). En sådan övergång gör det möjligt att bestämma graden av närvaro av faktorn vid varje punkt i territoriet och utföra ytterligare analys, d.v.s. visa olika riktningar för stadsutveckling i färg. Således får vi en glöd av varierande intensitet för varje punkt i territoriet.
Exempel på "termiska" bilder av Nizhny Novgorods territorium i samband med flera faktorer presenteras nedan.
"Termisk" karta över Nizhny Novgorod, som återspeglar faktorn "Apotekkedjan".
"Heat" karta över Nizhny Novgorod, som återspeglar faktorn "Polyclinics for adults"
"Termisk" karta över Nizhny Novgorod, som återspeglar faktorn "Barnkliniker".
"Termisk" karta över Nizhny Novgorod, som återspeglar faktorn "Industrizoner"
"Termiska" bilder av territoriet gör det möjligt att bestämma koncentrationen av potentialer från olika påverkansobjekt. Därefter är det nödvändigt att kombinera de erhållna potentialerna till en integrerad egenskap som möjliggör en bedömning av territoriet baserat på ett stort antal faktorer. Detta kräver en metod som gör att du kan analysera en stor mängd information, känna igen objekt och även minska dimensionen av data och förlora minsta mängd information. En av dessa metoder är principal component analysis (PCA). Mer information om denna metod finns i .
Kärnan i metoden är att hitta en linjär kombination av initiala parametrar som förändras starkast inom analysområdet. För rumslig data – den mest förändrade över territoriet.
Principal component-metoden identifierar objekt (faktorer) som förändras starkast över territoriet. Som ett resultat av metoden visas nya variabler - huvudkomponenterna, som är mer informativa jämfört med originaldata, med hjälp av vilka det är lättare att analysera, beskriva och visualisera territoriet, på vilket det är lättare att bygga modeller .
Huvudkomponenterna är analytiska uttryck - summan av potentialerna för de initiala faktorerna med vissa koefficienter. Men om någon faktor har en betydande inverkan på territoriet, men inte förändras över det analyserade territoriet, kommer huvudkomponentmetoden inte att inkludera denna faktor i sammansättningen av huvudkomponenterna.
Huvudkomponenterna är ordnade i fallande informationsordning – d.v.s. sprider sig över hela territoriet. De första huvudkomponenterna innehåller betydligt mer information än enskilda faktorer och beskriver territoriet väl. Som regel, när man använder ett hundratal faktorer, bär den första huvudkomponenten ungefär 50 % av all information (varians) för territoriet. De huvudsakliga komponenterna korrelerar inte med varandra och kan användas för modeller som egenskaper för territoriet vid varje punkt.
Huvudkomponenten, som en abstrakt beräknad indikator för territoriet, har inte ett tydligt namn och klassificering. En uppsättning faktorer som är starkt korrelerade med huvudkomponenten tillåter oss dock att tolka huvudkomponenterna. Som regel korrelerar följande faktorer med huvudkomponenterna:
— Nivå på infrastrukturutveckling.
— Transportkomponenten i territoriet.
— klimatzoner.
— Nivå på jordbrukets utveckling.
— territoriets ekonomiska potential.
Ytterligare analys, inklusive klustring, fortsätter med de första betydande huvudkomponenterna.
I figurerna kan du se en grafisk representation av de första huvudkomponenterna på territoriet för flera städer i Ryska federationen.
Den första huvudkomponenten som kännetecknar utvecklingsnivån för urban infrastruktur i Nizhny Novgorod
Den första huvudkomponenten som kännetecknar utvecklingsnivån för urban infrastruktur i Jekaterinburg
Den första huvudkomponenten som kännetecknar utvecklingsnivån för urban infrastruktur i Kazan
Den första huvudkomponenten som kännetecknar utvecklingsnivån för urban infrastruktur i Perm
Den första huvudkomponenten som kännetecknar utvecklingsnivån för urban infrastruktur i Samara
Den första huvudkomponenten som kännetecknar utvecklingsnivån för urban infrastruktur i Khabarovsk
Integrerade egenskaper: klustring
Det ytterligare steget i arbetet med territoriumanalys är sökandet efter zoner i stadsmiljön som är homogena i kvalitet. Denna sökning är baserad på analysen av värdena för de viktigaste komponenterna vid varje punkt i territoriet. Problemet med att söka efter dessa homogena zoner kan lösas med hjälp av klustring - processen att gruppera territorier baserat på principen om närhet till en uppsättning egenskaper.
Territoriklustring har två mål:
— Skapa en bättre uppfattad visualisering av territoriet.
— Tilldelning av områden för sammanställning av individuella modeller.
Territorier grupperas i enlighet med de valda faktorerna för analys. Dessa faktorer kan vara faktorer som påverkar prissättningen eller faktorer som beskriver någon aspekt av utvecklingen av territoriet, till exempel den sociala sfären.
Det finns två vanliga klassiska klustringsmetoder: K-means-metoden och dendrogrammetoden. När man arbetar med territorier har K-means-metoden visat sig väl, vars egenskap är att "växa" ett kluster genom att lägga till nya objekt till tillväxtpunkter. Fördelen med K-means-metoden ligger i likheten mellan dess arbete och den naturliga processen för territoriumbildning: integration av liknande, snarare än separation av olika.
K-medelmetoden användes för beräkningar för Nizhny Novgorod (figur nedan).
Överensstämmelse med kluster med territoriets utvecklingsnivå med exemplet Nizhny Novgorod
Med det föreslagna tillvägagångssättet är det möjligt att få en överblick över territoriet i olika ämnen. Ämnen av intresse för oss kan till exempel vara utvecklingsnivån för urban infrastruktur, nivån på territoriets "elititet", nivån på kulturell utveckling, den sociala komponenten i utvecklingen av territoriet. Dessa teman är dåligt definierade integrerade begrepp och består av många inbördes relaterade faktorer.
Med hjälp av någon algoritm för att välja parametrar för analys (inklusive med inblandning av experter), kommer vi att få tematiska kartor som ger en uppfattning om en aspekt av utvecklingen av territoriet.
Integralegenskaper förstås som de första huvudkomponenterna, i första hand den mest informativa första huvudkomponenten, och klustring av territoriet enligt valda parametrar.
Tematiska kartor över de första huvudkomponenterna för olika aspekter av utvecklingen presenteras i figurerna nedan.
Tematisk karta "Kulturella föremål" med exemplet med Nizhny Novgorod
Tematisk karta "Social sfär" med exemplet från Nizhny Novgorod
Integrerade egenskaper gör det möjligt att förstå egenskaperna hos ett territorium med hjälp av många faktorer med minimal förlust av information.
Sammanfattningsvis är det värt att notera ännu en gång att idag är analysen av territorier ett extremt viktigt steg för att lösa problemen med att utveckla stadsmiljön, välja platser att investera i konstruktion, hitta den mest fördelaktiga platsen för nya anläggningar och andra uppgifter.
Metoden för territoriumanalys som föreslås i artikeln med hjälp av en "termisk" modell från faktorer av olika karaktär är inte kritisk för uppsättningen av faktorer, det vill säga den ställer inte begränsningar eller krav på den initiala informationen.
Mångfalden och redundansen av källinformation, samt möjligheten att använda öppna data, ger obegränsade möjligheter att analysera vilket territorium som helst av världen.
I följande publikationer som ägnas åt problemen med territoriell analys planerar vi att avslöja funktionerna i att sammanställa modeller med hjälp av huvudkomponenter och metoder för deras implementering för sådana uppgifter som:
— att välja den bästa platsen när ett nytt objekt placeras;
— Konstruktion av en prisyta för en viss kategori av objekt med marknadsvärde.
- bedömning av lönsamheten för en viss typ av verksamhet beroende på objektens placering.
Det finns också planer på att presentera metoder för den omvända övergången från huvudkomponenter till faktorer, vilket i sin tur gör det möjligt att få en modell från faktorer för ett givet territorium.
Källa: will.com