Nijniy Novgorod'daki bir sokak ağı için termal potansiyelin hesaplanmasına bir örnek
Kent bölgesi sürekli değişim halinde olan karmaşık, heterojen bir sistemdir. Mekansal nesneleri (faktörleri) kullanarak bölgeyi tanımlayabilir ve kentsel çevreyi değerlendirebilirsiniz. Bölgeyi tanımlayan faktörler, etkilerinin doğası (pozitif, negatif) ve geometrik konfigürasyon (noktalar, çizgiler, çokgenler) bakımından farklılık gösterir.
Her bir nesnenin, bölgenin bir bütün olarak gelişme düzeyi veya belirli bir yönü üzerindeki etki derecesini belirlemek genellikle oldukça zordur. Günümüzde “kültür”, “toplumsal alan”, “toplumsal gerilim”, “iyi yaşam”, “ekonomik kalkınma”, “nüfus sağlığı” gibi kavramların tanımlanması ve tanımlanması sorunu giderek önem kazanmaktadır. Bu kavramları farklı sosyal gruplara, farklı yaş ve cinsiyetteki nüfuslara uygulamak istersek, bu kavramların belirsizliği daha da artar.
Ayrıca modern konseptte şehrin sınırlarının oldukça keyfi olduğunu da belirtmek gerekir. Nüfusun günlük göçü, uzak bölgelere ulaşımın erişilebilirliği şehrin “sınırlarını daha da bulanıklaştırıyor”. Artık yaygın olarak kullanılan yığılma kavramı genel olarak kentin sınırlarını yansıtıyor ancak aynı zamanda kent sınırı kavramını daha da belirsiz hale getiriyor.
Yukarıda açıklanan sorunlara rağmen, bugün bölgelerin analizi ve değerlendirilmesi, kentsel çevrenin birçok acil sorununun çözülmesine olanak tanıyan en umut verici ve ilginç alanlar arasındadır.
Makale, bölgeyi "termal" bir model kullanarak analiz etmek için bir yöntem önermektedir. Bu yöntem, çeşitli doğadaki (nokta, doğrusal ve alan) nesnelerin (faktörlerin) yarattığı potansiyellerin incelenmesine dayanmaktadır. Bu yöntemi kullanarak bölgenin analizi, bölgeyi tanımlayan bir dizi mekansal veriden (faktörlerden) bölgenin her noktasında doğru bir sayısal (puan) değerlendirmeye geçmeyi mümkün kılar.
Bölge analizinin bir parçası olarak incelenen potansiyellerin fiziksel bir yorumu vardır - farklı boyutlardaki ortamlarda (2B, 3B) ısı yayılımı. Bu fenomen, görüntünün renk yoğunluğuna bağlı olarak bölgenin gelişim derecesi hakkında fikir veren “termal” görüntüler (bölgenin “ısı” haritaları) şeklinde temsil edilebilir.
Bölge faktörleri
Bölge analizi, bölgeyi etkileyen faktörler ve bunların göstergeleri hakkındaki bilgilerin aranmasını ve işlenmesini içerir. Etkileyici faktörler, çevredeki bölgeyi etkileyen ve bir takım özelliklere ve mekansal koordinatlara sahip nesnelerdir. Etkileyen faktörlere örnek olarak mağazalar, endüstriyel tesisler, yollar, ormanlar ve su kütleleri verilebilir.
Etki göstergeleri nesnelerdir yansıtıcı nesnelerin etkisi ve ayrıca bir dizi özelliğe ve mekansal koordinatlara sahip olmak. Etki göstergelerine örnekler: ATM'ler, reklam panoları, anıtlar.
Aşağıdaki sunumda, etki faktörleri ve göstergelerini birleştiren etki faktörleri kavramını kullanacağız.
Aşağıda etkileyici faktörler olarak hareket eden mekansal verilere bir örnek verilmiştir.
Bölgeleri analiz etmeye yönelik çalışmalar yürütmenin önemli aşamalarından biri, ilk bilgilerin toplanması ve işlenmesi aşamasıdır. Bugün bölgeyi etkileyen faktörler hakkında değişen derecelerde ayrıntıya sahip pek çok bilgi var.
Bilgi açık kaynaklardan veya kısıtlı kaynaklardan elde edilebilir. Çoğu durumda, açık bilgi analiz için yeterlidir, ancak kural olarak oldukça emek yoğun bir işlem gerektirir.
Açık kaynaklar arasında lider, bizce, OpenStreetMap (OSM) kaynağıdır. Bu kaynaktan elde edilen bilgiler dünya çapında günlük olarak güncellenmektedir.
OpenStreetMap (OSM) kaynak bilgileri aşağıdaki formatlarda sunulur:
-OSM formatı. “.osm” uzantılı ana format, XML grafik görüntülerini (düğümler, yollar, ilişkiler) tanımlamak için kullanılır.
- “Lehçe formatı”. Grafiklerle çalışmak için “.mp” uzantılı metin formatı kullanılır.
-PBF formatı. “.osm.pbf” uzantılı veri depolama formatı.
Aşağıdakileri de bilgi kaynağı olarak kullanabilirsiniz:
- 2 CBS
Kaynak, işletmeler ve kuruluşlar için mükemmel bir 3 seviyeli sınıflandırıcıyla birlikte yüksek kaliteli, aylık olarak işlenmiş bilgiler içerir.
- KML (Anahtar Deliği İşaretleme Dili) dosyaları
KML (Anahtar Deliği İşaretleme Dili) dosyaları, mobil cihazlar için Google Earth, Google Haritalar ve Google Haritalar'da coğrafi verileri görüntülemek için kullanılan bir dosya biçimidir.
KML dosyalarıyla şunları yapabilirsiniz:
- Dünya yüzeyindeki yerleri belirtmek için çeşitli simgeler yükleyin ve imzalar atın
— kamera konumunu değiştirerek seçilen nesneler için farklı açılar oluşturun
- farklı kaplama görselleri kullanın
— bir nesnenin görünümünü özelleştirmek için stiller tanımlayın, köprüler ve satır içi görüntüler oluşturmak için HTML kodunu uygulayın
— öğelerin hiyerarşik gruplandırılması için klasörleri kullanın
— KML dosyalarını uzak veya yerel ağ düğümlerinden dinamik olarak alın ve güncelleyin
- 3D görüntüleyicideki değişikliklere göre KML verilerini alın
- Federal Devlet Tescil, Kadastro ve Haritacılık Servisi "Rosreestr"
Rosreestr portalındaki bilgiler içeriği ve alaka düzeyi açısından değerlidir ancak ne yazık ki sermaye inşaat projeleri ve arsalar için grafiklerin ücretsiz olarak alınmasını mümkün kılmamaktadır. Rosreestr portalı ayrıca büyük miktarda kısıtlı erişim bilgisi içerir.
- İstatistiksel organlar
İstatistiksel veriler bölge hakkında meşru bir bilgi kaynağıdır, ancak bugün itibariyle istatistik kuruluşlarından gelen veriler yalnızca belirli sayıda gösterge için, özellikle istatistik kuruluşlarının raporlarında ve bölgesel otoritelerin raporlarında mevcuttur.
- Yetkililerin bilgi sistemleri
Yüksek kaliteli bilgiler hükümet bilgi sistemlerinde bulunur, ancak yalnızca küçük bir kısmı kamuya açık olarak yayınlanır ve analize açıktır.
Bölgelerin analizini yapmak, bilgilerin bileşimine ilişkin herhangi bir özel gereklilik getirmez; aslında bulunan her şeyi kullanabilirsiniz; açık kaynaklardan gelen bilgiler genellikle birbirinin yerine kullanılabilir. Ancak şunu da belirtmek gerekir ki OSM kaynağından elde edilen bilgiler bile tek başına bilinmeyen bir bölgenin analizini yapmak için yeterlidir.
Bölgenin “termal” bir model kullanılarak analizi. Potansiyellerin fiziksel yorumlanması
Daha önce de belirtildiği gibi, bölge analizi bugün sıcak bir konudur ve çeşitli kentsel ortamlarda altyapının geliştirilmesine yönelik yatırımların makul bir şekilde çekilmesi için güçlü bir araçtır.
Bölge analizi kullanılarak çözülen çeşitli problemler birkaç ana alanda birleştirilebilir:
— Her noktada bölgenin en yorumlanabilir ve ayrıntılı değerlendirmesinin elde edilmesi.
Sorunu çözerek, bölgenin her noktasında, genel olarak bölgenin ve belirli bir konu alanının gelişim düzeyi hakkında fikir veren bir dizi puan elde edebilirsiniz. Böyle bir konu alanı örneğin kültür, sanayi, ticaret vb. olabilir.
— Seçilen bölgede belirli türdeki yatırım nesnelerinin (örneğin bankalar, özel mağazalar, alışveriş ve eğlence merkezleri vb.) yerleştirilmesi için en avantajlı yerlerin belirlenmesi.
— Bölgenin en etkili kullanımının analizi.
Bu yön, bölgenin özelliklerinin, incelenen bölgede gelişen pazar durumunun ve popüler seçeneklerin belirlenmesinin ayrıntılı bir şekilde incelenmesine olanak tanır.
— Yeni yolların ve yeni güzergahların ortaya çıkması örneğini kullanarak bir faktörün maliyet modeline katkısının belirlenmesi.
— Bir bölgenin farklı yönlerinin analizi ve farklı bölgelerin analizi (bölgelerin karşılaştırılması).
Makalede “termal” model kullanılarak önerilen bölge analizi yönteminin özgünlüğü, bölge geliştirme göstergelerinin - sayısal terimlerle sunulan ve nesnenin (etki faktörü) bölge üzerindeki etki derecesini yansıtan potansiyellerin kullanılmasında yatmaktadır.
Çalışmanın özünü anlamak için termal potansiyelin kendisi hakkında birkaç söz söylemek ve fiziksel yorumunu vermek gerekir.
Fizikte şöyle kavramlar var: kuvvet alanı и kuvvet fonksiyonu. Kuvvet alanı enerji boyutuna sahiptir, kuvvet fonksiyonu ise kuvvet boyutuna sahiptir.
Evrensel çekim yasası için kuvvet alanı aşağıdaki formülle tanımlanır:
F=k/r2, burada
k – sabit;
r – etkileşim halindeki nesneler arasındaki mesafe.
Kuvvet fonksiyonu ϕ şu ifadeyle belirlenir:
dϕ=-F*dr, burada
ϕ—kuvvet alanı potansiyeli;
dϕ, dr – diferansiyeller;
r, etkileşim halindeki nesneler arasındaki mesafedir,
dolayısıyla ϕ=k/r.
Kuvvet alanı potansiyelinin fiziksel anlamı ϕ, kuvvet alanının belirli bir yolu geçerken yaptığı E işidir. Evrensel çekim yasası durumunda, bir nesneye olan mesafe r2'den r1'e değiştiğinde kuvvet fonksiyonu aşağıdaki formülle belirlenir:
E=k*(1/r1-1/r2), burada
E, kuvvet alanının belirli bir yolu geçerken yaptığı iştir;
r1, r2 – nesnenin başlangıç ve son konumu.
Bir bölgeyi analiz etme görevi için, nesnelerin (faktörlerin) bölge üzerindeki etkisi bir kuvvet olarak düşünülebilir (güç fonksiyonu) ve toplam termal potansiyel olarak bölgenin gelişim düzeyi (kuvvet alanı) tüm nesnelerden (faktörlerden). Fizik problemlerinde termal potansiyel sıcaklıktır ve "termal" model kullanılarak bölge analizi problemlerinde potansiyel, bölgedeki bir nokta üzerindeki tüm etkileyen faktörlerin toplam etkisini temsil eder.
Uzamsal veriler noktalardan, çizgilerden ve çokgenlerden oluşur. Potansiyelleri hesaplamak için genişletilmiş mekansal veriler küçük parçalara bölünür. Her parça için noktadan gelen potansiyel, nesne parçasının boyutuna (faktör) eşit bir çarpanla hesaplanır.
Veriler yakın benzerlik ilkesine göre anlamsal gruplara ayrılır. Örneğin ticari nesneler ürüne göre birleştirilir. Orman nesneleri, su kütleleri, yerleşim yerleri, ulaşım durakları vb. gruplar vardır. Anlam yoluyla birleştirilen gruplar bir faktörü temsil eder. Tüm nesnelerden (faktörlerden) geçtikten sonra, daha ileri işlemlere uygun bir dizi termal potansiyel elde ederiz.
Potansiyellerin ("ısı haritaları") kullanımı, mekansal verilerden bölge üzerindeki etkiye sahip nesnelerin (faktörlerin) "termal" görüntülerine (potansiyellerin görselleştirilmesi) geçmenizi sağlar. Böyle bir geçiş, faktörün bölgenin her noktasındaki varlığının derecesini belirlemeyi ve daha ileri analizler yapmayı mümkün kılar; Şehir gelişiminin farklı yönlerini renkli olarak gösterin. Böylece bölgenin her noktası için değişen yoğunlukta bir parlaklık elde ediyoruz.
Nijniy Novgorod bölgesinin çeşitli faktörler bağlamında “termal” görüntülerinin örnekleri aşağıda sunulmaktadır.
Nijniy Novgorod'un “Eczane zinciri” faktörünü yansıtan “Termal” haritası
Nijniy Novgorod'un “Yetişkinler için Poliklinikler” faktörünü yansıtan “Isı” haritası
Nijniy Novgorod'un “Çocuk klinikleri” faktörünü yansıtan “termal” haritası
Nijniy Novgorod'un “Sanayi bölgeleri” faktörünü yansıtan “termal” haritası
Bölgenin “termal” görüntüleri, çeşitli etki nesnelerinden gelen potansiyellerin konsantrasyonunu belirlemeyi mümkün kılar. Daha sonra, elde edilen potansiyelleri, bölgenin çok sayıda faktöre dayalı olarak değerlendirilmesine olanak tanıyan bütünleyici bir özellik halinde birleştirmek gerekir. Bu, büyük miktarda bilgiyi analiz etmenize, nesneleri tanımanıza ve aynı zamanda en az miktarda bilgiyi kaybederek veri boyutunu azaltmanıza olanak tanıyan bir yöntem gerektirir. Bu yöntemlerden biri temel bileşen analizidir (PCA). Bu yöntemle ilgili daha fazla ayrıntıyı şurada bulabilirsiniz: .
Yöntemin özü, analiz alanında en güçlü şekilde değişen başlangıç parametrelerinin doğrusal bir kombinasyonunu bulmaktır. Mekansal veriler için – bölge üzerinde en güçlü şekilde değişen veriler.
Temel bileşen yöntemi, bölge üzerinde en güçlü şekilde değişen nesneleri (faktörleri) tanımlar. Yöntemin bir sonucu olarak, yeni değişkenler ortaya çıkıyor - orijinal verilere kıyasla daha bilgilendirici olan, model oluşturmanın daha kolay olduğu bölgeyi analiz etmenin, tanımlamanın ve görselleştirmenin daha kolay olduğu ana bileşenler .
Ana bileşenler analitik ifadelerdir - belirli katsayılarla başlangıç faktörlerinin potansiyellerinin toplamı. Bununla birlikte, herhangi bir faktörün bölge üzerinde önemli bir etkisi varsa ancak analiz edilen bölge genelinde değişmiyorsa, temel bileşenler yöntemi bu faktörü ana bileşenlerin bileşimine dahil etmeyecektir.
Ana bileşenler azalan bilgi sırasına göre sıralanmıştır; bölge boyunca yayılıyor. İlk temel bileşenler, bireysel faktörlerden önemli ölçüde daha fazla bilgi taşır ve bölgeyi iyi tanımlar. Kural olarak, yaklaşık yüz faktör kullanıldığında, ilk temel bileşen bölgeye ilişkin tüm bilgilerin (varyans) yaklaşık %50'sini taşır. Temel bileşenler birbirleriyle ilişkili değildir ve her noktadaki bölgenin özellikleri olarak modeller için kullanılabilir.
Bölgenin soyut olarak hesaplanmış bir göstergesi olan ana bileşenin net bir adı ve sınıflandırması yoktur. Ancak ana bileşenle güçlü bir şekilde ilişkili olan bir dizi faktör, ana bileşenleri yorumlamamıza olanak sağlar. Kural olarak, aşağıdaki faktörler ana bileşenlerle ilişkilidir:
— altyapı geliştirme düzeyi;
- bölgenin ulaşım bileşeni;
— iklim bölgeleri;
— tarımsal gelişme düzeyi;
— bölgenin ekonomik potansiyeli.
Kümelemeyi de içeren ileri analiz, ilk birkaç önemli temel bileşenle devam eder.
Şekillerde, Rusya Federasyonu'nun çeşitli şehirlerinin topraklarındaki ilk ana bileşenlerin grafiksel bir temsilini görebilirsiniz.
Nijniy Novgorod'da kentsel altyapının gelişim düzeyini karakterize eden ilk ana bileşen
Yekaterinburg'da kentsel altyapının gelişim düzeyini karakterize eden ilk ana bileşen
Kazan'da kentsel altyapının gelişim düzeyini karakterize eden ilk ana bileşen
Perm'de kentsel altyapının gelişim düzeyini karakterize eden ilk ana bileşen
Samara'da kentsel altyapının gelişim düzeyini karakterize eden ilk ana bileşen
Habarovsk'ta kentsel altyapının gelişim düzeyini karakterize eden ilk ana bileşen
İntegral özellikler: kümeleme
Bölge analizi çalışmasının bir sonraki aşaması, kentsel çevrenin kalite açısından homojen bölgelerinin araştırılmasıdır. Bu arama, bölgedeki her noktadaki ana bileşenlerin değerlerinin analizine dayanmaktadır. Bu homojen bölgeleri arama sorunu, kümelenme - bir dizi özelliğin yakınlığı ilkesine dayalı olarak bölgeleri gruplandırma süreci - kullanılarak çözülebilir.
Bölge kümelemesinin iki hedefi vardır:
— bölgenin daha iyi algılanan bir görselleştirmesinin yaratılması;
- Bireysel modellerin derlenmesi için alanların tahsisi.
Bölgeler, analiz için seçilen faktörlere uygun olarak kümelenir. Bu faktörler, fiyatlandırmayı etkileyen faktörler veya bölgenin gelişiminin bazı yönlerini (örneğin sosyal alan) tanımlayan faktörler olabilir.
İki yaygın klasik kümeleme yöntemi vardır: K-ortalama yöntemi ve dendrogram yöntemi. Bölgelerle çalışırken, özelliği büyüme noktalarına yeni nesneler ekleyerek bir kümenin "büyümesi" olan K-means yöntemi kendini iyi kanıtlamıştır. K-aracı yönteminin avantajı, çalışmasının bölge oluşumunun doğal sürecine olan benzerliğinde yatmaktadır: farklı olanların ayrılması yerine benzer olanların entegrasyonu.
Nijniy Novgorod hesaplamalarında K-ortalama yöntemi kullanıldı (aşağıdaki şekil).
Nijniy Novgorod örneğini kullanarak kümelerin bölgenin kalkınma düzeyine uygunluğu
Önerilen yaklaşımla bölgeye çeşitli konularda genel bir bakış elde etmek mümkündür. Bizi ilgilendiren konular, örneğin kentsel altyapının gelişim düzeyi, bölgenin "seçkinlik" düzeyi, kültürel gelişim düzeyi, bölgenin gelişiminin sosyal bileşeni olabilir. Bu temalar iyi tanımlanmamış tamamlayıcı kavramlardır ve birbiriyle ilişkili birçok faktörden oluşur.
Analiz için parametrelerin seçilmesine yönelik bazı algoritmalar kullanarak (uzmanların katılımı dahil), bölgenin gelişiminin bir yönü hakkında fikir veren tematik haritalar elde edeceğiz.
Bütünleşik özellikler, ilk temel bileşenler, öncelikle en bilgilendirici ilk temel bileşen ve bölgenin seçilen parametrelere göre kümelenmesi olarak anlaşılmaktadır.
Gelişimin çeşitli yönlerine ilişkin ilk temel bileşenlerin tematik haritaları aşağıdaki şekillerde sunulmaktadır.
Nizhny Novgorod örneğini kullanan tematik harita “Kültürel Nesneler”
Nizhny Novgorod örneğini kullanan tematik harita “Sosyal alan”
Bütünleşik özellikler, minimum bilgi kaybıyla birçok faktörü kullanarak bir bölgenin özelliklerini anlamayı mümkün kılar.
Sonuç olarak, bugün bölgelerin analizinin kentsel çevrenin geliştirilmesi, inşaat yatırımı yapılacak yerlerin seçilmesi, yeni tesisler için en avantajlı yerin bulunması ve diğer görevler gibi sorunların çözümünde son derece önemli bir aşama olduğunu bir kez daha belirtmekte fayda var.
Farklı nitelikteki faktörlerden "termal" bir model kullanan makalede önerilen bölge analizi yöntemi, faktörler kümesi için kritik değildir, yani. ilk bilgilere kısıtlama veya gereksinim getirmez.
Kaynak bilgilerinin çeşitliliği ve fazlalığının yanı sıra açık veri kullanma fırsatı da sağlar. herhangi bir bölgeyi analiz etmek için sınırsız olasılık мира.
Bölgesel analiz sorunlarına ayrılmış aşağıdaki yayınlarda, aşağıdaki gibi görevler için uygulanmasına yönelik temel bileşenleri ve yöntemleri kullanarak model derlemenin özelliklerini ortaya çıkarmayı planlıyoruz:
— yeni bir nesne yerleştirirken en iyi konumun seçilmesi;
- belirli bir nesne kategorisi için piyasa değeri kullanılarak bir fiyat yüzeyinin oluşturulması;
- nesnelerin konumuna bağlı olarak belirli bir faaliyet türünün karlılığının değerlendirilmesi.
Ayrıca, temel bileşenlerden faktörlere ters geçiş için yöntemlerin sunulmasına yönelik planlar da mevcuttur; bu da, belirli bir bölge için faktörlerden bir model elde edilmesini mümkün kılar.
Kaynak: habr.com