Uso de potenciales térmicos para el análisis del territorio.

Un ejemplo de cálculo del potencial térmico para una red de calles en Nizhny Novgorod

El territorio de la ciudad es un sistema complejo y heterogéneo, que está en constante cambio. Es posible describir el territorio y evaluar el entorno urbano utilizando objetos (factores) espaciales. Los factores que describen el territorio son diferentes en la naturaleza de su influencia (positiva, negativa) y la configuración geométrica (puntos, líneas, polígonos).

A menudo es difícil determinar el grado de influencia de cada objeto individual en el nivel de desarrollo del territorio como un todo o algún aspecto particular del mismo. Hoy en día, el problema de definir y describir conceptos tales como "cultura", "esfera social", "tensión social", "buena vida", "desarrollo económico" y "salud pública" es cada vez más relevante. La ambigüedad de estos conceptos aumenta si queremos aplicarlos a diferentes grupos sociales, poblaciones de diferentes edades y sexos.

Además, debe tenerse en cuenta que los límites de la ciudad en el concepto moderno son bastante arbitrarios. La migración diaria de la población, la accesibilidad al transporte de áreas remotas "desdibujan aún más la frontera" de la ciudad. La noción ampliamente utilizada de aglomeración en su conjunto refleja los límites de la ciudad, pero al mismo tiempo hace que el concepto mismo de los límites de la ciudad sea aún más vago.

A pesar de los problemas descritos anteriormente, el análisis y la evaluación de los territorios actuales son algunas de las áreas prometedoras e interesantes que permiten resolver muchos problemas urgentes del entorno urbano.


El artículo propone considerar un método para analizar el territorio utilizando el modelo "térmico". La base de este método es el estudio de potenciales creados por objetos (factores) de diversa naturaleza (puntuales, lineales y reales). El análisis del territorio utilizando este método permite pasar de un conjunto de datos espaciales (factores) que describen el territorio a una estimación numérica (punto) exacta en cada punto del territorio.

Los potenciales estudiados como parte del análisis del territorio tienen una interpretación física: la distribución del calor en medios de diferentes dimensiones (2D, 3D). Este fenómeno se puede representar en forma de imágenes "térmicas" (mapas "térmicos" del territorio), dando una idea del grado de desarrollo del territorio en función de la intensidad del color de la imagen.

Factores territoriales

El análisis del territorio implica la búsqueda y el procesamiento de información sobre los factores de influencia en el territorio y sus indicadores. Los factores de influencia son objetos que afectan el territorio circundante y poseen un conjunto de características y coordenadas espaciales. Ejemplos de factores de influencia incluyen tiendas, instalaciones industriales, carreteras, bosques, cuerpos de agua.

Los indicadores de influencia son objetos que reflejan la influencia de los objetos y también tienen un conjunto de características y coordenadas espaciales. Ejemplos de indicadores de impacto: cajeros automáticos, vallas publicitarias, monumentos.

En la siguiente presentación, utilizaremos el concepto de factores de influencia, combinando ambos términos: factores e indicadores de influencia.

El siguiente es un ejemplo de datos espaciales que influyen en los factores.



Una de las etapas importantes del trabajo sobre el análisis de territorios es la etapa de recopilación y procesamiento de información inicial. Hoy en día, hay mucha información sobre factores de influencia en el territorio con diversos grados de detalle.

La información se puede obtener de fuentes abiertas o de acceso limitado. En muchos casos, la información abierta es suficiente para el análisis, aunque, por regla general, necesita un procesamiento que consume bastante tiempo.

Entre las fuentes abiertas, el líder, en nuestra opinión, es el recurso: OpenStreetMap (OSM). La información obtenida de esta fuente se actualiza diariamente en todo el mundo.

La información de recursos de OpenStreetMap (OSM) se presenta en los siguientes formatos:

- Formato OSM. El formato básico con la extensión ".osm" se utiliza para describir imágenes XML: nodos, rutas, relaciones.

- "Formato polaco". Se utiliza un formato de texto con la extensión ".mp" para trabajar con gráficos.

- Formato PBF. Formato de almacenamiento de datos con la extensión ".osm.pbf".

Como fuentes de información también puede usar:

- 2GIS
El recurso contiene información procesada mensualmente de alta calidad, con un excelente clasificador de 3 niveles para empresas y organizaciones.

- Archivos KML (Keyhole Markup Language)
Los archivos KML (Keyhole Markup Language) son un formato de archivo utilizado para mostrar datos geográficos en Google Earth, Google Maps y Google Maps para dispositivos móviles.

Usando archivos KML puedes:
- establecer varios iconos y hacer firmas para indicar lugares en la superficie de la Tierra
- crea varios ángulos para los objetos seleccionados cambiando la posición de la cámara
- usa varias imágenes superpuestas
- defina estilos para personalizar la visualización del objeto, use código HTML para crear hipervínculos e imágenes incrustadas
- Utilice carpetas para la agrupación jerárquica de elementos.
- reciba y actualice dinámicamente archivos KML desde hosts remotos o locales
- Reciba datos KML de acuerdo con los cambios en el visor 3D

- Servicio Federal de Registro Estatal, Catastro y Cartografía "Rosreestr"
La información en el portal de Rosreestra es valiosa por su contenido y relevancia, pero, desafortunadamente, no permite obtener un cronograma para proyectos de construcción de capital y terrenos sin cargo. El portal de Rosreestra también contiene una gran cantidad de información restringida.

- Autoridades estadísticas
Los datos estadísticos son una fuente legítima de información sobre el territorio, sin embargo, a partir de hoy, los datos de las autoridades estadísticas solo están disponibles para un cierto número de indicadores, principalmente en informes de autoridades estadísticas e informes de autoridades regionales.

- Sistemas de información del gobierno
La información de alta calidad está contenida en los sistemas de información del gobierno, pero solo una pequeña parte de ellos se publica en el dominio público y está disponible para su análisis.

El análisis de los territorios no impone ningún requisito específico sobre la composición de la información, de hecho, puede usar todo lo que pueda encontrar, la información de fuentes abiertas es intercambiable por regla general. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que incluso la información recibida del recurso OSM es suficiente para hacer un análisis de un territorio desconocido.

Análisis del territorio utilizando el modelo "térmico". Interpretación física de potenciales

Como se mencionó anteriormente, el análisis del territorio actual es un tema urgente y una herramienta poderosa para atraer razonablemente la inversión en el desarrollo de infraestructura de diversos entornos urbanos.

Una variedad de tareas que se pueden resolver analizando territorios se pueden combinar en varias áreas grandes:

- Obtención de la evaluación más interpretada y detallada del territorio en cada uno de sus puntos.
Al resolver este problema, puede obtener un conjunto de estimaciones puntuales en cada punto del territorio, dando una idea del nivel de desarrollo del territorio en general, así como en algún área temática. Tal área temática puede ser, por ejemplo, cultura, industria, comercio, etc.

- Determinación de los lugares más ventajosos para la colocación de objetos de inversión de cierto tipo (por ejemplo, bancos, tiendas especializadas, centros comerciales y de entretenimiento, etc.) en el territorio seleccionado.

- Análisis del uso más eficiente del territorio.
Esta dirección permite un estudio detallado de las características del territorio, la situación del mercado que prevalece en el área de estudio y la identificación de las opciones que están en demanda.

- Determinar la contribución de un factor al modelo de costos, utilizando el ejemplo de la aparición de nuevas carreteras y nuevas rutas.

- Análisis de diferentes aspectos de un territorio y análisis de diferentes territorios (comparación de territorios).

La originalidad del método de análisis del territorio propuesto en el artículo utilizando el modelo "térmico" consiste en el uso de indicadores del desarrollo del territorio - potenciales, presentados en términos numéricos y que reflejan el grado de influencia del objeto (factor de influencia) en el territorio.

Para comprender la esencia del estudio, se deben decir algunas palabras sobre el potencial térmico en sí mismo y dar su interpretación física.

En física, existen conceptos tales como un campo de fuerza y una función de fuerza . El campo de fuerza tiene la dimensión de energía, la función de fuerza es la dimensión de la fuerza.

Para la ley de la gravedad, el campo de fuerza está determinado por la fórmula:

$$$F = k / r2$donde
k es una constante;
r es la distancia entre los objetos que interactúan.

La función de fuerza ϕ está determinada por la expresión:

$$$dϕ = -F * dr$donde
ϕ es el potencial del campo de fuerza;
dϕ, dr son diferenciales;
r es la distancia entre los objetos que interactúan,

por lo tanto $$$ϕ = k / r$.

El significado físico del potencial del campo de fuerza ϕ es el trabajo E realizado por el campo de fuerza al pasar por un camino determinado. En el caso de la ley de la gravitación universal, cuando la distancia al objeto cambia de r2 a r1, la función de fuerza está determinada por la fórmula

$$$E = k * (1 / r1-1 / r2)$donde
E - trabajo realizado por un campo de fuerza al pasar un cierto camino;
r1, r2: la posición inicial y final del objeto.

Para la tarea de analizar el territorio, la influencia de los objetos (factores) en el territorio puede considerarse como fuerza ( función de potencia ), y el nivel de desarrollo del territorio como el potencial térmico total ( campo de fuerza ) de todos los objetos (factores). En los problemas de la física, el potencial térmico es la temperatura, y en los problemas de análisis de territorios utilizando el modelo "térmico", el potencial es el efecto total de todos los factores que influyen en el punto del territorio.

Los datos espaciales son puntos, líneas, polígonos. Para calcular los potenciales, los datos espaciales extendidos se dividen en pequeños fragmentos. Para cada fragmento, se calcula el potencial de un punto con un factor igual al tamaño del fragmento del objeto (factor).

Los datos se dividen en grupos semánticos según el principio de estrecha similitud. Por ejemplo, los objetos de comercio se combinan por bienes. Hay grupos de objetos forestales, cuerpos de agua, asentamientos, paradas de autobús, etc. Los grupos significativos son un factor. Al pasar por todos los objetos (factores), obtenemos un conjunto de potenciales térmicos adecuados para su posterior procesamiento.

El uso de potenciales ("mapas de calor") le permite pasar de datos espaciales a imágenes "térmicas" de objetos (factores) de influencia en el territorio (visualización de potenciales). Dicha transición permite determinar el grado de presencia del factor en cada punto del territorio y realizar análisis adicionales, es decir. Mostrar diferentes direcciones de desarrollo de la ciudad en color. Por lo tanto, obtenemos un brillo de intensidad variable para cada punto del territorio.

A continuación se presentan ejemplos de imágenes "térmicas" del territorio de Nizhny Novgorod en el contexto de varios factores.


Mapa "térmico" de N. Novgorod, que refleja el factor "Cadena de farmacias"


Mapa "térmico" de N. Novgorod, que refleja el factor "Policlínicas para adultos"


Mapa "térmico" de N. Novgorod, que refleja el factor "Policlínicas infantiles"


Mapa "térmico" de N. Novgorod, que refleja el factor "Zonas industriales"

Las imágenes "térmicas" del territorio permiten determinar la concentración de potenciales de varios objetos de influencia. A continuación, es necesario combinar los potenciales obtenidos en una característica integral que permita una evaluación del territorio por una gran cantidad de factores. Para hacer esto, necesita un método que le permita analizar una gran cantidad de información, reconocer objetos y también reducir la dimensionalidad de los datos al perder la menor cantidad de información. Uno de estos métodos es el análisis de componentes principales (PCA). Puede leer más sobre este método en Wikipedia .

La esencia del método es encontrar una combinación lineal de parámetros iniciales, que cambia más fuertemente en el campo de análisis. Para datos espaciales, la más variable en todo el territorio.

El método de componentes principales identifica objetos (factores) que varían más fuertemente en todo el territorio. Como resultado del trabajo del método, aparecen nuevas variables: los componentes principales, que son más informativos en comparación con los datos iniciales, con la ayuda de los cuales es más fácil analizar, describir y visualizar el territorio, lo que facilita la construcción de modelos.

Los componentes principales son expresiones analíticas: la suma de los potenciales de los factores iniciales con algunos coeficientes. Sin embargo, si algún factor tiene un impacto significativo en el territorio, pero no cambia en el territorio analizado, el método del componente principal no incluirá este factor en la composición de los componentes principales.

Los componentes principales se ordenan en orden descendente de información, es decir, extendido por el territorio. Los primeros componentes principales llevan mucha más información que factores individuales, y describen bien el territorio. Como regla general, cuando se usan alrededor de cien factores, el primer componente principal transporta alrededor del 50% de toda la información (dispersión) en todo el territorio. Los componentes principales no se correlacionan entre sí y pueden usarse para modelos como características del territorio en cada punto.

El componente principal, como algún indicador del territorio calculado de manera abstracta, no tiene un nombre ni una clasificación claros. Sin embargo, la combinación de factores fuertemente correlacionados con el componente principal permite la interpretación de los componentes principales. Como regla general, los siguientes factores se correlacionan con los componentes principales:

- nivel de desarrollo de infraestructura;
- componente de transporte del territorio;
- zonas climáticas;
- nivel de desarrollo agrícola;
- potencial económico del territorio.

Un análisis más detallado, que incluye la agrupación, incluye algunos de los primeros componentes principales significativos.

En las figuras, puede ver una visualización gráfica de los primeros componentes principales en varias ciudades de la Federación Rusa.


El primer componente principal que caracteriza el nivel de desarrollo de la infraestructura urbana en N. Novgorod


El primer componente principal que caracteriza el nivel de desarrollo de la infraestructura urbana en Ekaterimburgo.


El primer componente principal que caracteriza el nivel de desarrollo de la infraestructura urbana en Kazan


El primer componente principal que caracteriza el nivel de desarrollo de la infraestructura urbana en Perm.


El primer componente principal que caracteriza el nivel de desarrollo de la infraestructura urbana en Samara


El primer componente principal que caracteriza el nivel de desarrollo de la infraestructura de la ciudad de Khabarovsk.

Características integrales: agrupamiento

La siguiente etapa de trabajo en el análisis de territorios es la búsqueda de áreas urbanas de calidad uniforme. Esta búsqueda se basa en un análisis de los valores de los componentes principales en cada punto del territorio. La tarea de buscar estas zonas homogéneas se puede resolver mediante la agrupación, el proceso de agrupar territorios de acuerdo con el principio de proximidad de un conjunto de características.

La agrupación territorial tiene dos objetivos:

- crear una mejor visualización percibida del territorio;
- asignación de áreas para la compilación de modelos individuales.

Los territorios se agrupan de acuerdo con factores seleccionados para el análisis. Estos factores pueden ser factores que afectan los precios o factores que describen algún aspecto del desarrollo de un territorio, por ejemplo, la esfera social.

Hay dos métodos de agrupamiento clásicos comunes: el método K-means y el método dendrogram. Cuando se trabaja con territorios, el método K-means se ha demostrado bien, cuya peculiaridad es el "crecimiento" del clúster al conectar nuevos objetos a los puntos de crecimiento. Las ventajas del método K-means son la similitud de su trabajo con el proceso natural de formación de territorios: la integración de otros similares, en lugar de la separación de otros diferentes.

El método de K-medias se utilizó para calcular Nizhny Novgorod (Figura a continuación).


Correspondencia de clusters al nivel de desarrollo del territorio por el ejemplo de la ciudad de N. Novgorod

Con el enfoque propuesto, puede hacerse una idea del territorio en varios temas. Los temas de interés para nosotros pueden ser, por ejemplo, el nivel de desarrollo de la infraestructura urbana, el nivel de "elitismo" del territorio, el nivel de desarrollo de la cultura, el componente social del desarrollo del territorio. Estos temas son conceptos integrales mal definidos y consisten en muchos factores interrelacionados.

Con algún algoritmo para seleccionar parámetros para el análisis (incluso con la participación de expertos), obtendremos mapas temáticos que dan una idea de un aspecto del desarrollo del territorio.

Las características integrales se entienden como los primeros componentes principales, en primer lugar, el primer componente principal más informativo y la agrupación del territorio de acuerdo con los parámetros seleccionados.

Los mapas temáticos de los primeros componentes principales sobre diversos aspectos del desarrollo se presentan en las siguientes figuras.


Mapa temático "Objetos de cultura" sobre el ejemplo de la ciudad de N. Novgorod


Mapa temático "Esfera social" sobre el ejemplo de la ciudad de N. Novgorod

Las características integrales permiten comprender las características del territorio, operando con muchos factores con una pérdida mínima de información.

En conclusión, vale la pena señalar una vez más que hoy, el análisis de los territorios es una etapa extremadamente importante para resolver los problemas de desarrollo del entorno urbano, elegir lugares para invertir en la construcción y encontrar la ubicación más favorable para nuevos objetos y otras tareas.

El método para analizar el territorio propuesto en el artículo utilizando el modelo "térmico" a partir de factores de diferente naturaleza no es crítico para el conjunto de factores, es decir, no impone restricciones y requisitos sobre la información de origen.

La diversidad y la redundancia de la información de origen, así como la capacidad de usar datos abiertos proporcionaperspectivas ilimitadas para el análisis de cualquier territorio del mundo.

En las siguientes publicaciones dedicadas a las tareas de análisis territorial, planeamos revelar las características de compilar modelos utilizando los principales componentes y métodos para su implementación para tareas tales como:

- elegir el mejor lugar al colocar una nueva instalación;
- construir una superficie de precios para una determinada categoría de objetos utilizando el valor de mercado;
-evaluación de la rentabilidad de un determinado tipo de actividad según la ubicación de los objetos.

También está previsto introducir métodos de transición inversa de los componentes principales a los factores, lo que a su vez nos permite obtener un modelo de factores para un territorio determinado.