Приклад розрахунку теплового потенціалу вуличної мережі м. Нижнього Новгорода
Територія міста – складна, неоднорідна система, що у постійному зміні. Описати територію та провести оцінку міського середовища можна за допомогою просторових об'єктів (факторів). Чинники, що описують територію, різні характером впливу (позитивне, негативне) і геометричної зміни (точки, лінії, полігони).
Найчастіше визначити рівень впливу кожного окремого об'єкта на рівень розвитку території в цілому або якийсь окремий її аспект досить складно. На сьогодні проблема визначення та опису таких понять як «культура», «соціальна сфера», «соціальна напруженість», «хороше життя», «економічний розвиток», «здоров'я населення» стає дедалі актуальнішою. Неоднозначність цих понять збільшується, якщо хочемо застосувати їх щодо різних соціальних груп, населення різного віку та статі.
Також слід зазначити, що межі міста в сучасному понятті досить умовні. Добова міграція населення, транспортна доступність віддалених районів «розмивають кордон» міста ще більше. Поняття агломерації, що широко використовується зараз, в цілому відображає межі міста, але в той же час робить саме поняття кордону міста ще більш розпливчастим.
Незважаючи на описані вище проблеми, аналіз та оцінка територій на сьогодні є одними з перспективних та цікавих напрямків, що дозволяють вирішувати безліч актуальних завдань міського середовища.
У статті пропонується для розгляду метод аналізу території з використанням «теплової» моделі. В основі даного методу лежить дослідження потенціалів, створюваних об'єктами (факторами) різної природи (точкові, лінійні та майданні). Аналіз території за допомогою цього методу дає можливість перейти від набору просторових даних (факторів), що описують територію, до точної числової (бальної) оцінки у кожній точці території.
Досліджувані у межах проведення аналізу території потенціали, мають фізичну інтерпретацію – поширення тепла серед різної розмірності (2D, 3D). Це можна у вигляді «теплових» зображень («теплових» карт території), дають уявлення про рівень розвитку території залежно від інтенсивності кольору зображення.
Чинники території
Аналіз території передбачає пошук та обробку інформації про фактори впливу на територію та про їх індикатори. Факторами впливу виступають об'єкти, що впливають на навколишню територію, що володіють набором характеристик та просторовими координатами. Прикладами факторів впливу можуть бути магазини, промислові об'єкти, дороги, ліси, водні об'єкти.
Індикаторами впливу виступають об'єкти, відбивають вплив об'єктів і також які мають набором показників і просторовими координатами. Приклади індикаторів впливу банкомати, рекламні щити, пам'ятники.
У подальшому викладі будемо використовуватися поняттям фактори впливу, що поєднує в собі обидва терміни – фактори та індикатори впливу.
Нижче наведено приклад просторових даних, які є чинниками впливу.
Одним із важливих етапів проведення робіт з аналізу територій є етап збирання та обробки вихідної інформації. На сьогоднішній день інформації про фактори впливу на територію різного ступеня подробиці досить багато.
Інформація може бути отримана з відкритих джерел або обмеженого доступу. У багатьох випадках відкритої інформації достатньо для аналізу, хоча, як правило, вона потребує досить трудомісткої обробки.
Серед відкритих джерел лідером, на нашу думку, є ресурс ОpenStreetMap (OSM). Інформація, яка отримується з цього джерела, оновлюється щодня по всьому світу.
Інформація ресурсу OpenStreetMap (OSM) представлена в наступних форматах:
- OSM формат. Основний формат з розширенням ".osm" використовується для опису графічних образів XML - вузли, шляхи, відносини.
- "Польський формат". Текстовий формат з розширенням ".mp" використовується для роботи з графікою.
- PBF формат. Формат зберігання даних із розширенням «.osm.pbf».
Як джерела інформації також можна використовувати:
- 2ГІС
Ресурс містить якісну інформацію, щомісяця обробляється, з прекрасним 3-рівневим класифікатором по підприємствах і організаціях.
- KML (Keyhole Markup Language) файли
KML (Keyhole Markup Language) файли – це формат файлів, який використовується для відображення географічних даних у програмах Google Планета Земля, Карти Google та Карти Google для мобільних пристроїв.
За допомогою файлів KML можна:
— встановлювати різні значки та робити підписи для позначення місць на поверхні Землі
— створювати різні ракурси для вибраних об'єктів, змінюючи положення камери
— використовувати різні зображення, що накладаються
— визначати стилі для налаштування відображення об'єкта, застосовувати код HTML для створення гіперпосилань та вбудованих зображень
— використовувати папки для ієрархічного угрупування елементів
— динамічно отримувати та оновлювати файли KML із віддалених або локальних вузлів мережі
— отримувати дані KML відповідно до змін у засобі тривимірного перегляду
- Федеральна служба державної реєстрації, кадастру та картографії «Росреєстр»
Інформація на порталі Росреєстру цінна своїм змістом та актуальністю, але, на жаль, не дає можливості отримувати графіку щодо об'єктів капітального будівництва та земельних ділянок на безоплатній основі. Портал Росреєстру також містить великий обсяг інформації обмеженого доступу.
- Органи статистики
Статистичні дані – легітимне джерело інформації про територію, проте станом на сьогодні дані органів статистики доступні лише за деякою кількістю показників, переважно у звітах органів статистики та доповідях регіональної влади.
- Інформаційні системи органів влади
Якісна інформація міститься в інформаційних системах органах влади, проте лише невелика їх частина публікується у відкритому доступі та доступна для аналізу.
Проведення аналізу територій не накладає будь-яких певних вимог до складу інформації, по суті можна користуватися всім, що вдалося знайти, інформація з джерел відкритого типу, як правило, взаємозамінна. Однак, слід зазначити, що навіть однієї лише інформації, отриманої з ресурсу OSM, достатньо, щоб зробити аналіз незнайомої території.
Аналіз території із використанням «теплової» моделі. Фізична інтерпретація потенціалів
Як уже було сказано раніше, аналіз території на сьогодні є актуальною темою та потужним інструментом для аргументованого залучення інвестицій у розвиток інфраструктури різних міських середовищ.
Різноманітність завдань, які вирішуються за допомогою проведення аналізу територій, можна об'єднати у декілька великих напрямків:
— Отримання максимально інтерпретованої та деталізованої оцінки території у кожній її точці.
Вирішуючи поставлену задачу можна отримати набір бальних оцінок у кожній точці території, що дає уявлення про рівень розвитку території загалом, а також деякі предметні області. Такою предметною областю може бути, наприклад, культура, промисловість, торгівля тощо.
— Визначення найвигідніших місць для розміщення інвестиційних об'єктів певного типу (наприклад, банків, профільних магазинів, торгово-розважальних центрів та ін.) на вибраній території.
- Аналіз найефективнішого використання території.
Даний напрямок дозволяє проводити докладне дослідження характеристик території, ринкової ситуації, що склалася на території, що досліджується, ідентифікацію затребуваних варіантів.
— Визначення вкладу одного фактора у модель вартості, на прикладі появи нових доріг та нових маршрутів.
- Аналіз різних аспектів однієї території та аналіз різних територій (порівняння територій).
Оригінальність запропонованого у статті методу аналізу території із застосуванням «теплової» моделі полягає у використанні показників розвитку території — потенціалів, представлених у числовому виразі та відображають ступінь впливу об'єкта (фактора впливу) на територію.
Для розуміння суті дослідження слід сказати кілька слів про тепловий потенціал, дати його фізичну інтерпретацію.
У фізиці існують такі поняття як силове поле и силова функція. Силове поле має розмірність енергії, силова функція – розмірність сили.
Для закону всесвітнього тяжіння силове поле визначено формулою:
F=k/r2, де
k – константа;
r – відстань між об'єктами, що взаємодіють.
Силова функція визначається виразом:
dϕ=-F*dr, де
ϕ - потенціал силового поля;
dϕ, dr – диференціали;
r - відстань між взаємодіючими об'єктами,
отже ϕ=k/r.
Фізичний сенс потенціалу силового поля ϕ – це робота Е, що здійснюється силовим полем під час проходження деякого шляху. У разі закону всесвітнього тяжіння за зміни відстані до об'єкта від r2 до r1 силова функція визначається за формулою
Е=k*(1/r1-1/r2), де
Е - робота, що здійснюється силовим полем при проходженні деякого шляху;
r1, r2 - початкове та кінцеве положення об'єкта.
Для завдання аналізу території вплив об'єктів (чинників) на територію можна розглядати як силу (силова функцію), а рівень розвитку території, як сумарний тепловий потенціал (силове поле) від усіх об'єктів (чинників). У завданнях фізики тепловий потенціал є температурою, а в завданнях аналізу територій з використанням «теплової» моделі потенціал є сумарним впливом усіх факторів впливу на точку території.
Просторові дані є точки, лінії, полігони. Для розрахунку потенціалів протяжні просторові дані розбиваються на дрібні фрагменти. До кожного фрагмента розраховується потенціал від точки з множником рівним розміру фрагмента об'єкта (фактора).
Дані розбиваються на смислові групи за принципом близької схожості. Наприклад, об'єкти торгівлі об'єднані за товарами. Існують групи лісових об'єктів, водних об'єктів, населених пунктів, зупинок транспорту тощо. Об'єднані за змістом групи є чинником. Пройшовши по всіх об'єктах (факторах), отримуємо набір теплових потенціалів, придатних для подальшої обробки.
Використання потенціалів (теплових карт) дозволяє перейти від просторових даних до теплових зображень об'єктів (факторів) впливу на території (візуалізація потенціалів). Такий перехід дає можливість визначити ступінь присутності чинника у кожній точці території та проводити подальший аналіз, тобто. відобразити різні напрямки розвитку міста у кольорі. Таким чином, отримаємо світіння різної інтенсивності для кожної точки території.
Приклади «теплових» зображень території Нижнього Новгорода в розрізі кількох факторів, представлені нижче.
"Теплова" карта м. Н. Новгорода, що відображає фактор "Аптечна мережа"
"Теплова" карта м. Н. Новгорода, що відображає фактор "Поліклініки для дорослих"
«Теплова» карта м. Н. Новгорода, що відображає фактор «Дитячі поліклініки»
"Теплова" карта м. Н. Новгорода, що відображає фактор "Промислові зони"
"Теплові" зображення території дозволяють визначити концентрацію потенціалів від різних об'єктів впливу. Далі необхідно об'єднати отримані потенціали в інтегральну характеристику, що дозволяє провести оцінку території за великою кількістю факторів. І тому необхідний метод, що дозволяє аналізувати великий обсяг інформації, розпізнавати об'єкти, і навіть зменшити розмірність даних, втративши найменшу кількість інформації. Одним із таких методів є метод головних компонентів (Principal component analysis, PCA). Докладніше про цей метод можна прочитати в .
Суть методу – знаходження лінійної комбінації вихідних параметрів, що найбільше змінюється в області аналізу. Для просторових даних – найбільш сильно змінюється територією.
Метод головних компонент виділяє об'єкти (фактори), що найбільше змінюються по території. Через війну роботи методу з'являються нові змінні – головні компоненти, є більш інформативними проти вихідними даними, з допомогою яких легше аналізувати, описувати і візуалізувати територію, якими простіше будувати моделі.
Головні компоненти є аналітичними виразами — сумою потенціалів вихідних факторів з деякими коефіцієнтами. Однак якщо будь-який фактор істотно впливає на територію, але не змінюється по аналізованій території, метод головних компонент не включить цей фактор до складу головних компонент.
Основні компоненти впорядковуються щодо зменшення інформації – тобто. поширення територією. Перші головні компоненти несуть у собі значно більшу інформацію, ніж окремі чинники, і добре описують територію. Як правило, при використанні близько сотні факторів перша головна компонента несе в собі близько 50% всієї інформації (дисперсії) по території. Головні компоненти не корелюють між собою і можуть використовуватися для моделей як характеристики території в кожній точці.
Головна компонента, як деякий абстрактно обчислений показник території, не має чіткої назви та класифікації. Однак, сукупність, що сильно корелює з головною компонентою, факторів дозволяють інтерпретувати головні компоненти. Як правило, з головними компонентами корелюють такі фактори:
- Рівень розвитку інфраструктури;
- Транспортна складова території;
- Кліматичні зони;
- Рівень розвитку сільського господарства;
- Економічний потенціал території.
Подальший аналіз, зокрема кластеризація йде з кількома першими значимими основними компонентами.
На малюнках можна побачити графічне відображення перших основних компонент біля кількох міст Російської Федерації.
Перший головний компонент, що характеризує рівень розвитку міської інфраструктури м. М. Новгорода
Перший головний компонент, що характеризує рівень розвитку міської інфраструктури м. Єкатеринбурга
Перший головний компонент, що характеризує рівень розвитку міської інфраструктури м. Казані
Перший головний компонент, що характеризує рівень розвитку міської інфраструктури м. Пермі
Перший головний компонент, що характеризує рівень розвитку міської інфраструктури м. Самари
Перший головний компонент, що характеризує рівень розвитку міської інфраструктури м. Хабаровська
Інтегральні характеристики: кластеризація
Подальший етап робіт з аналізу територій є пошук зон міського середовища, однорідних за якістю. Цей пошук ґрунтується на аналізі значень основних компонентів у кожній точці території. Завдання пошуку зазначених однорідних зон можна вирішити з допомогою кластеризації – процесу угруповання територій за принципом близькості сукупності характеристик.
Кластеризація території має дві мети:
- Створення краще сприймається візуалізації території;
- Виділення областей для складання окремих моделей.
Території кластеризуються відповідно до відібраних факторів для аналізу. Ці фактори можуть бути факторами, що впливають на ціноутворення або факторами, що описують якийсь бік розвитку території, наприклад соціальну сферу.
Існує два поширені класичні методи кластеризації: метод K-means і метод дендрограм. Працюючи з територіями добре себе зарекомендував метод K-means, особливістю якого є «вирощування» кластера, шляхом приєднання до точок зростання нових об'єктів. Переваги методу K-means полягає у схожості його роботи на природний процес формування територій: інтеграція схожих, а не поділ несхожих.
Методом K-means було зроблено розрахунок по Нижньому Новгороду (рисунок нижче).
Відповідність кластерів рівню розвитку території на прикладі М.Новгорода
За запропонованого підходу можна отримати уявлення про територію з різних тем. Темами, що цікавлять нас, можуть бути, наприклад, рівень розвитку міської інфраструктури, рівень «елітності» території, рівень розвитку культури, соціальна складова розвитку території. Ці теми є погано певними інтегральними поняттями і складаються з безлічі взаємопов'язаних факторів.
За деякого алгоритму відбору параметрів для аналізу (у тому числі із залученням експертів), ми отримаємо тематичні карти, що дають уявлення про один аспект розвитку території.
Під інтегральними характеристиками розуміються перші головні компоненти, насамперед найінформативніша перша головна компонента, і кластеризація територія за відібраними параметрами.
Тематичні карти перших основних компонент з різних аспектів розвитку представлені на рисунках нижче.
Тематична карта «Об'єкти культури» на прикладі М.Новгорода
Тематична карта «Соціальна сфера» на прикладі М.Новгорода
Інтегральні характеристики дають можливість зрозуміти особливості території, оперуючи безліччю чинників із мінімальними втратами інформації.
У висновку варто ще раз відзначити, що на сьогодні аналіз територій є вкрай важливим етапом при вирішенні завдань розвитку міського середовища, вибору місць для інвестування у будівництво, пошуку найбільш вигідного розташування нових об'єктів та інших завдань.
Запропонований у статті метод аналізу території із використанням «теплової» моделі від факторів різної природи не є критичним до набору факторів, тобто не накладає обмеження та вимоги до вихідної інформації.
Різноманітність та надмірність вихідної інформації, а також можливість користуватися відкритими даними надає необмежені перспективи для аналізу будь-яких територій світу.
У наступних публікаціях, присвячених завданням аналізу територій, ми плануємо розкрити особливості складання моделей з використанням головних компонентів та методи їх реалізації для таких завдань як:
- Вибір найкращого місця при розміщенні нового об'єкта;
- Побудова цінової поверхні для певної категорії об'єктів з використанням ринкової вартості;
-Оцінка прибутковості певного виду діяльності в залежності від розташування об'єктів.
Також у планах представити методи зворотного переходу від головних компонент до факторів, що дозволяє отримати модель від факторів для даної території.
Джерело: habr.com