Một ví dụ về tính toán tiềm năng nhiệt cho mạng lưới đường phố ở Nizhny Novgorod
Lãnh thổ thành phố là một hệ thống phức tạp, không đồng nhất và luôn thay đổi. Bạn có thể mô tả lãnh thổ và đánh giá môi trường đô thị bằng cách sử dụng các đối tượng (yếu tố) không gian. Các yếu tố mô tả lãnh thổ khác nhau về bản chất ảnh hưởng của chúng (tích cực, tiêu cực) và cấu hình hình học (điểm, đường, đa giác).
Thường rất khó để xác định mức độ ảnh hưởng của từng đối tượng riêng lẻ đối với mức độ phát triển của toàn bộ lãnh thổ hoặc bất kỳ khía cạnh cụ thể nào của lãnh thổ đó. Ngày nay, vấn đề định nghĩa và mô tả các khái niệm như “văn hóa”, “lĩnh vực xã hội”, “căng thẳng xã hội”, “cuộc sống tốt đẹp”, “phát triển kinh tế”, “sức khỏe dân số” ngày càng trở nên phù hợp. Sự mơ hồ của những khái niệm này sẽ tăng lên nếu chúng ta muốn áp dụng chúng cho các nhóm xã hội khác nhau, các nhóm dân cư ở các độ tuổi và giới tính khác nhau.
Ngoài ra, cần lưu ý rằng ranh giới của thành phố trong khái niệm hiện đại là khá tùy tiện. Sự di cư hàng ngày của người dân, khả năng tiếp cận giao thông của các vùng sâu vùng xa “làm mờ ranh giới” của thành phố hơn nữa. Khái niệm tích tụ được sử dụng rộng rãi hiện nay nhìn chung phản ánh ranh giới của thành phố, nhưng đồng thời làm cho chính khái niệm về ranh giới thành phố càng trở nên mơ hồ hơn.
Bất chấp những vấn đề được mô tả ở trên, phân tích và đánh giá lãnh thổ ngày nay là một trong những lĩnh vực hứa hẹn và thú vị nhất cho phép giải quyết nhiều vấn đề cấp bách của môi trường đô thị.
Bài báo đề xuất xem xét phương pháp phân tích lãnh thổ bằng mô hình “nhiệt”. Phương pháp này dựa trên việc nghiên cứu các thế năng được tạo ra bởi các vật thể (yếu tố) có tính chất khác nhau (điểm, tuyến tính và diện tích). Việc phân tích lãnh thổ bằng phương pháp này giúp có thể chuyển từ một tập hợp dữ liệu không gian (các yếu tố) mô tả lãnh thổ sang đánh giá (điểm) chính xác bằng số tại mỗi điểm của lãnh thổ.
Các tiềm năng được nghiên cứu như một phần của phân tích lãnh thổ có cách giải thích vật lý - sự truyền nhiệt trong môi trường có kích thước khác nhau (2D, 3D). Hiện tượng này có thể được biểu diễn dưới dạng hình ảnh “nhiệt” (bản đồ “nhiệt” của lãnh thổ), đưa ra ý tưởng về mức độ phát triển của lãnh thổ tùy thuộc vào cường độ màu của hình ảnh.
Yếu tố lãnh thổ
Phân tích lãnh thổ bao gồm việc tìm kiếm và xử lý thông tin về các yếu tố ảnh hưởng đến lãnh thổ và các chỉ số của chúng. Yếu tố ảnh hưởng là những vật thể có ảnh hưởng đến lãnh thổ xung quanh và có tập hợp các đặc điểm, tọa độ không gian. Ví dụ về các yếu tố ảnh hưởng bao gồm cửa hàng, cơ sở công nghiệp, đường sá, rừng và vùng nước.
Các chỉ số ảnh hưởng là đối tượng phản chiếu ảnh hưởng của các đối tượng và cũng có một tập hợp các đặc điểm và tọa độ không gian. Ví dụ về các chỉ số ảnh hưởng: ATM, biển quảng cáo, tượng đài.
Trong phần trình bày sau đây, chúng tôi sẽ sử dụng khái niệm các yếu tố ảnh hưởng, kết hợp cả hai thuật ngữ – yếu tố và chỉ số ảnh hưởng.
Dưới đây là một ví dụ về dữ liệu không gian đóng vai trò là yếu tố ảnh hưởng.
Một trong những giai đoạn quan trọng của việc thực hiện công việc phân tích lãnh thổ là giai đoạn thu thập và xử lý thông tin ban đầu. Ngày nay có rất nhiều thông tin về các yếu tố ảnh hưởng đến lãnh thổ với mức độ chi tiết khác nhau.
Thông tin có thể được lấy từ các nguồn mở hoặc nguồn hạn chế. Trong nhiều trường hợp, thông tin mở là đủ để phân tích, mặc dù, theo quy luật, nó đòi hỏi quá trình xử lý khá tốn nhiều công sức.
Trong số các nguồn mở, theo chúng tôi, nguồn dẫn đầu là tài nguyên OpenStreetMap (OSM). Thông tin thu được từ nguồn này được cập nhật hàng ngày trên toàn thế giới.
Thông tin tài nguyên OpenStreetMap (OSM) được trình bày theo các định dạng sau:
- Định dạng OSM. Định dạng chính có phần mở rộng “.osm” được sử dụng để mô tả hình ảnh đồ họa XML – nút, đường dẫn, mối quan hệ.
- “Định dạng Ba Lan”. Định dạng văn bản có phần mở rộng “.mp” được sử dụng để làm việc với đồ họa.
- Định dạng PBF. Định dạng lưu trữ dữ liệu với phần mở rộng “.osm.pbf”.
Bạn cũng có thể sử dụng những nguồn sau đây làm nguồn thông tin:
- 2 GIS
Tài nguyên chứa thông tin được xử lý hàng tháng, chất lượng cao, với bộ phân loại 3 cấp tuyệt vời dành cho doanh nghiệp và tổ chức.
- Tệp KML (Ngôn ngữ đánh dấu lỗ khóa)
Tệp KML (Ngôn ngữ đánh dấu lỗ khóa) là định dạng tệp được sử dụng để hiển thị dữ liệu địa lý trong Google Earth, Google Maps và Google Maps dành cho thiết bị di động.
Với tệp KML bạn có thể:
- cài đặt các biểu tượng khác nhau và tạo chữ ký để chỉ ra các địa điểm trên bề mặt Trái đất
— tạo các góc khác nhau cho các đối tượng được chọn bằng cách thay đổi vị trí camera
- sử dụng các hình ảnh lớp phủ khác nhau
— xác định kiểu để tùy chỉnh cách hiển thị của một đối tượng, áp dụng mã HTML để tạo siêu liên kết và hình ảnh nội tuyến
- sử dụng các thư mục để nhóm các phần tử theo thứ bậc
— nhận và cập nhật động các tệp KML từ các nút mạng cục bộ hoặc từ xa
- Nhận dữ liệu KML theo những thay đổi trong trình xem 3D
- Dịch vụ Liên bang về Đăng ký Tiểu bang, Địa chính và Bản đồ "Rosreestr"
Thông tin trên cổng Rosreestr có giá trị về nội dung và mức độ liên quan của nó, nhưng thật không may, nó không thể lấy đồ họa miễn phí cho các dự án xây dựng cơ bản và lô đất. Cổng Rosreestr cũng chứa một lượng lớn thông tin truy cập bị hạn chế.
- Cơ quan thống kê
Dữ liệu thống kê là nguồn thông tin hợp pháp về lãnh thổ, tuy nhiên, cho đến nay, dữ liệu từ các cơ quan thống kê chỉ có sẵn cho một số chỉ tiêu nhất định, chủ yếu trong các báo cáo của cơ quan thống kê và báo cáo của chính quyền khu vực.
- Hệ thống thông tin của cơ quan chức năng
Thông tin chất lượng cao được chứa trong hệ thống thông tin của chính phủ, nhưng chỉ một phần nhỏ trong số đó được công bố rộng rãi và có sẵn để phân tích.
Việc thực hiện phân tích các vùng lãnh thổ không đặt ra bất kỳ yêu cầu cụ thể nào về thành phần thông tin; trên thực tế, bạn có thể sử dụng mọi thông tin tìm thấy được; Tuy nhiên, cần lưu ý rằng ngay cả thông tin nhận được từ tài nguyên OSM cũng đủ để thực hiện phân tích về lãnh thổ xa lạ.
Phân tích lãnh thổ bằng mô hình “nhiệt”. Giải thích vật lý của tiềm năng
Như đã đề cập trước đó, phân tích lãnh thổ ngày nay là một chủ đề nóng và là một công cụ mạnh mẽ để thu hút đầu tư hợp lý vào việc phát triển cơ sở hạ tầng ở các môi trường đô thị khác nhau.
Sự đa dạng của các vấn đề được giải quyết bằng cách sử dụng phân tích lãnh thổ có thể được kết hợp thành một số lĩnh vực chính:
— Có được đánh giá chi tiết và dễ hiểu nhất về lãnh thổ tại mỗi điểm.
Bằng cách giải quyết vấn đề, bạn có thể thu được một tập hợp điểm tại mỗi điểm trên lãnh thổ, đưa ra ý tưởng về mức độ phát triển của lãnh thổ nói chung, cũng như trong một lĩnh vực chủ đề nhất định. Ví dụ, một lĩnh vực chủ đề như vậy có thể là văn hóa, công nghiệp, thương mại, v.v.
— Xác định những địa điểm thuận lợi nhất để đặt các đối tượng đầu tư thuộc một loại hình nhất định (ví dụ: ngân hàng, cửa hàng chuyên doanh, trung tâm mua sắm và giải trí, v.v.) trong lãnh thổ đã chọn.
- Phân tích việc sử dụng lãnh thổ một cách hiệu quả nhất.
Hướng này cho phép nghiên cứu chi tiết về đặc điểm của lãnh thổ, tình hình thị trường đã phát triển trong lãnh thổ đang nghiên cứu và xác định các lựa chọn phổ biến.
— Xác định sự đóng góp của một yếu tố vào mô hình chi phí, sử dụng ví dụ về sự xuất hiện của các con đường mới và các tuyến đường mới.
— Phân tích các khía cạnh khác nhau của một lãnh thổ và phân tích các lãnh thổ khác nhau (so sánh các lãnh thổ).
Điểm độc đáo của phương pháp phân tích lãnh thổ được đề xuất trong bài viết sử dụng mô hình “nhiệt” nằm ở việc sử dụng các chỉ số phát triển lãnh thổ - tiềm năng, được trình bày dưới dạng số và phản ánh mức độ ảnh hưởng của đối tượng (yếu tố ảnh hưởng) đến lãnh thổ.
Để hiểu bản chất của nghiên cứu, cần phải nói đôi lời về bản thân thế nhiệt và đưa ra cách giải thích vật lý của nó.
Trong vật lý có những khái niệm như trường lực и hàm lực. Trường lực có chiều năng lượng, hàm lực có chiều lực.
Đối với định luật vạn vật hấp dẫn, trường lực được xác định theo công thức:
F=k/r2, trong đó
k – hằng số;
r – khoảng cách giữa các vật thể tương tác.
Hàm lực ϕ được xác định bởi biểu thức:
dϕ=-F*dr, trong đó
ϕ—thế năng trường lực;
dϕ, dr – vi phân;
r là khoảng cách giữa các vật thể tương tác,
do đó ϕ=k/r.
Ý nghĩa vật lý của thế năng trường lực ϕ là công E được thực hiện bởi trường lực khi đi qua một đường nhất định. Trong trường hợp định luật vạn vật hấp dẫn, khi khoảng cách tới một vật thay đổi từ r2 thành r1 thì hàm lực được xác định theo công thức
E=k*(1/r1-1/r2), trong đó
E là công do trường lực thực hiện khi đi qua một đường nhất định;
r1, r2 – vị trí đầu và cuối của vật.
Đối với nhiệm vụ phân tích một lãnh thổ, sự ảnh hưởng của các đối tượng (yếu tố) trên lãnh thổ có thể được coi là một lực lượng (chức năng điện) và mức độ phát triển của lãnh thổ dưới dạng tổng tiềm năng nhiệt (trường lực) từ tất cả các đối tượng (các yếu tố). Trong các bài toán vật lý, thế nhiệt là nhiệt độ, và trong các bài toán phân tích lãnh thổ sử dụng mô hình “nhiệt”, thế năng biểu thị tác động tổng thể của tất cả các yếu tố ảnh hưởng lên một điểm trong lãnh thổ.
Dữ liệu không gian bao gồm các điểm, đường và đa giác. Để tính toán tiềm năng, dữ liệu không gian mở rộng được chia thành các phần nhỏ. Đối với mỗi mảnh, điện thế từ điểm được tính bằng hệ số nhân bằng kích thước của mảnh đối tượng (hệ số).
Dữ liệu được chia thành các nhóm ngữ nghĩa dựa trên nguyên tắc gần giống nhau. Ví dụ: các đối tượng thương mại được kết hợp theo sản phẩm. Có các nhóm đối tượng rừng, vùng nước, khu định cư, điểm dừng vận chuyển, v.v. Các nhóm thống nhất theo ý nghĩa đại diện cho một yếu tố. Sau khi xem xét tất cả các vật thể (yếu tố), chúng ta thu được một tập hợp các thế nhiệt phù hợp để xử lý tiếp.
Việc sử dụng các tiềm năng (“bản đồ nhiệt”) cho phép bạn chuyển từ dữ liệu không gian sang hình ảnh “nhiệt” của các đối tượng (yếu tố) ảnh hưởng trên lãnh thổ (hình dung các tiềm năng). Sự chuyển đổi như vậy giúp xác định mức độ hiện diện của yếu tố tại mỗi điểm trên lãnh thổ và tiến hành phân tích sâu hơn, tức là. hiển thị các hướng phát triển khác nhau của thành phố bằng màu sắc. Do đó, chúng ta thu được ánh sáng có cường độ khác nhau cho từng điểm trên lãnh thổ.
Ví dụ về hình ảnh “nhiệt” của lãnh thổ Nizhny Novgorod trong bối cảnh một số yếu tố được trình bày dưới đây.
Bản đồ “Nhiệt” Nizhny Novgorod, phản ánh yếu tố “Chuỗi nhà thuốc”
Bản đồ “Nhiệt” Nizhny Novgorod, phản ánh yếu tố “Phòng khám đa khoa cho người lớn”
Bản đồ “Nhiệt đới” Nizhny Novgorod, thể hiện yếu tố “Phòng khám trẻ em”
Bản đồ “Nhiệt” Nizhny Novgorod, thể hiện yếu tố “Khu công nghiệp”
Hình ảnh “nhiệt” của lãnh thổ giúp xác định mức độ tập trung tiềm năng từ các đối tượng ảnh hưởng khác nhau. Tiếp theo, cần kết hợp những tiềm năng thu được thành một đặc điểm tổng thể cho phép đánh giá lãnh thổ dựa trên một số lượng lớn các yếu tố. Điều này đòi hỏi một phương pháp cho phép người ta phân tích một lượng lớn thông tin, nhận dạng đối tượng, đồng thời giảm kích thước của dữ liệu, làm mất ít thông tin nhất. Một trong những phương pháp này là phân tích thành phần chính (PCA). Thông tin chi tiết về phương pháp này có thể được tìm thấy trong .
Bản chất của phương pháp là tìm tổ hợp tuyến tính của các tham số ban đầu thay đổi mạnh nhất trong vùng phân tích. Đối với dữ liệu không gian – sự thay đổi mạnh mẽ nhất trên lãnh thổ.
Phương pháp thành phần chính xác định các đối tượng (yếu tố) thay đổi mạnh mẽ nhất trên lãnh thổ. Kết quả của phương pháp, các biến mới xuất hiện - các thành phần chính, có nhiều thông tin hơn so với dữ liệu gốc, với sự trợ giúp của nó để phân tích, mô tả và hình dung lãnh thổ dễ dàng hơn, từ đó xây dựng mô hình dễ dàng hơn .
Các thành phần chính là các biểu thức phân tích - tổng tiềm năng của các yếu tố ban đầu với các hệ số nhất định. Tuy nhiên, nếu bất kỳ yếu tố nào có tác động đáng kể đến lãnh thổ nhưng không thay đổi trên toàn lãnh thổ được phân tích thì phương pháp thành phần chính sẽ không đưa yếu tố này vào thành phần của các thành phần chính.
Các thành phần chính được sắp xếp theo thứ tự giảm dần của thông tin – tức là lan rộng khắp lãnh thổ. Các thành phần chính đầu tiên mang nhiều thông tin hơn đáng kể so với các yếu tố riêng lẻ và mô tả rõ ràng về lãnh thổ. Theo quy định, khi sử dụng khoảng một trăm yếu tố, thành phần chính đầu tiên mang khoảng 50% tổng số thông tin (phương sai) cho lãnh thổ. Các thành phần chính không tương quan với nhau và có thể được sử dụng cho các mô hình như đặc điểm của lãnh thổ tại mỗi điểm.
Thành phần chính, như một số chỉ số lãnh thổ được tính toán trừu tượng, không có tên và phân loại rõ ràng. Tuy nhiên, một tập hợp các yếu tố có mối tương quan chặt chẽ với thành phần chính cho phép chúng ta diễn giải các thành phần chính. Theo quy định, các yếu tố sau tương quan với các thành phần chính:
- mức độ phát triển cơ sở hạ tầng;
- bộ phận vận tải của lãnh thổ;
- vùng khí hậu;
- mức độ phát triển nông nghiệp;
- Tiềm năng kinh tế của lãnh thổ.
Phân tích sâu hơn, bao gồm cả phân cụm, tiến hành với một số thành phần chính quan trọng đầu tiên.
Trong các hình vẽ, bạn có thể thấy biểu diễn đồ họa của các thành phần chính đầu tiên trên lãnh thổ một số thành phố của Liên bang Nga.
Thành phần chính đầu tiên đặc trưng cho mức độ phát triển cơ sở hạ tầng đô thị ở Nizhny Novgorod
Thành phần chính đầu tiên đặc trưng cho mức độ phát triển cơ sở hạ tầng đô thị ở Yekaterinburg
Thành phần chính đầu tiên đặc trưng cho mức độ phát triển cơ sở hạ tầng đô thị ở Kazan
Thành phần chính đầu tiên đặc trưng cho mức độ phát triển cơ sở hạ tầng đô thị ở Perm
Thành phần chính đầu tiên đặc trưng cho mức độ phát triển cơ sở hạ tầng đô thị ở Samara
Thành phần chính đầu tiên đặc trưng cho mức độ phát triển cơ sở hạ tầng đô thị ở Khabarovsk
Đặc điểm tích hợp: phân cụm
Giai đoạn tiếp theo của công việc phân tích lãnh thổ là tìm kiếm các khu vực môi trường đô thị có chất lượng đồng nhất. Việc tìm kiếm này dựa trên việc phân tích giá trị của các thành phần chính tại mỗi điểm trong lãnh thổ. Vấn đề tìm kiếm các vùng đồng nhất này có thể được giải quyết bằng cách sử dụng phân cụm - quá trình nhóm các vùng lãnh thổ dựa trên nguyên tắc gần nhau của một tập hợp các đặc điểm.
Phân cụm lãnh thổ có hai mục tiêu:
- tạo ra hình ảnh trực quan tốt hơn về lãnh thổ;
- phân bổ các khu vực để biên soạn các mô hình riêng lẻ.
Các vùng lãnh thổ được nhóm lại theo các yếu tố được lựa chọn để phân tích. Những yếu tố này có thể là các yếu tố ảnh hưởng đến giá cả hoặc các yếu tố mô tả một số khía cạnh của sự phát triển của lãnh thổ, ví dụ như lĩnh vực xã hội.
Có hai phương pháp phân cụm cổ điển phổ biến: phương pháp K-means và phương pháp dendrogram. Khi làm việc với các vùng lãnh thổ, phương pháp K-mean đã chứng tỏ bản thân rất tốt, đặc điểm của phương pháp này là “phát triển” một cụm bằng cách thêm các đối tượng mới vào các điểm tăng trưởng. Ưu điểm của phương pháp K-mean nằm ở sự tương đồng trong công việc của nó với quá trình hình thành lãnh thổ tự nhiên: tích hợp những cái tương tự, thay vì tách biệt những cái khác nhau.
Phương pháp K-mean được sử dụng để tính toán cho Nizhny Novgorod (hình bên dưới).
Sự tuân thủ của các cụm với mức độ phát triển của lãnh thổ bằng ví dụ của Nizhny Novgorod
Với cách tiếp cận được đề xuất, có thể đạt được sự hiểu biết về lãnh thổ về các chủ đề khác nhau. Ví dụ, các chủ đề mà chúng tôi quan tâm có thể là mức độ phát triển cơ sở hạ tầng đô thị, mức độ “tinh hoa” của lãnh thổ, mức độ phát triển văn hóa, thành phần xã hội của sự phát triển của lãnh thổ. Những chủ đề này là những khái niệm không thể thiếu được xác định rõ ràng và bao gồm nhiều yếu tố có liên quan với nhau.
Sử dụng một số thuật toán để chọn tham số để phân tích (bao gồm cả sự tham gia của các chuyên gia), chúng tôi sẽ có được các bản đồ chuyên đề đưa ra ý tưởng về một khía cạnh của sự phát triển của lãnh thổ.
Đặc điểm tích hợp được hiểu là các thành phần chính đầu tiên, chủ yếu là thành phần chính đầu tiên có nhiều thông tin nhất và phân cụm lãnh thổ theo các tham số đã chọn.
Bản đồ chuyên đề của các hợp phần chính đầu tiên cho các khía cạnh phát triển khác nhau được trình bày trong các hình dưới đây.
Bản đồ chuyên đề “Đối tượng văn hóa” sử dụng ví dụ của Nizhny Novgorod
Bản đồ chuyên đề “Không gian xã hội” sử dụng ví dụ của Nizhny Novgorod
Các đặc điểm tích hợp giúp có thể hiểu được các đặc điểm của một lãnh thổ bằng cách sử dụng nhiều yếu tố với mức độ mất thông tin tối thiểu.
Tóm lại, điều đáng chú ý một lần nữa là ngày nay việc phân tích lãnh thổ là một khâu cực kỳ quan trọng trong việc giải quyết các vấn đề phát triển môi trường đô thị, lựa chọn địa điểm đầu tư xây dựng, tìm vị trí thuận lợi nhất cho các cơ sở mới và các nhiệm vụ khác.
Phương pháp phân tích lãnh thổ được đề xuất trong bài viết sử dụng mô hình “nhiệt” từ các yếu tố có tính chất khác nhau không quan trọng đối với tập hợp các yếu tố, tức là nó không áp đặt các hạn chế hoặc yêu cầu đối với thông tin ban đầu.
Sự đa dạng và dư thừa của thông tin nguồn, cũng như cơ hội sử dụng dữ liệu mở, mang lại triển vọng không giới hạn để phân tích bất kỳ lãnh thổ nào hòa bình.
Trong các ấn phẩm sau đây dành cho các vấn đề phân tích lãnh thổ, chúng tôi dự định tiết lộ các tính năng của việc biên soạn các mô hình bằng cách sử dụng các thành phần và phương pháp chính để thực hiện chúng cho các nhiệm vụ như:
— chọn vị trí tốt nhất khi đặt một đồ vật mới;
— xây dựng bề mặt giá cho một loại đối tượng nhất định sử dụng giá trị thị trường;
- đánh giá lợi nhuận của một loại hoạt động nhất định tùy thuộc vào vị trí của các đối tượng.
Ngoài ra còn có kế hoạch trình bày các phương pháp chuyển đổi ngược từ các thành phần chính sang các yếu tố, từ đó giúp có thể có được mô hình từ các yếu tố cho một lãnh thổ nhất định.
Nguồn: www.habr.com