Nutzung thermischer Potentiale für die Gebietsanalyse

Ein Beispiel für die Berechnung des thermischen Potentials für ein Straßennetz in Nischni Nowgorod

Das Territorium der Stadt ist ein komplexes, heterogenes System, das sich ständig verändert. Es ist möglich, das Territorium zu beschreiben und die städtische Umgebung anhand räumlicher Objekte (Faktoren) zu bewerten. Die Faktoren, die das Gebiet beschreiben, unterscheiden sich in der Art ihres Einflusses (positiv, negativ) und der geometrischen Konfiguration (Punkte, Linien, Polygone).

Es ist oft schwierig, den Grad des Einflusses jedes einzelnen Objekts auf den Entwicklungsstand des gesamten Territoriums oder einen bestimmten Aspekt davon zu bestimmen. Das Problem, Konzepte wie „Kultur“, „soziale Sphäre“, „soziale Spannung“, „gutes Leben“, „wirtschaftliche Entwicklung“ und „öffentliche Gesundheit“ zu definieren und zu beschreiben, gewinnt heute zunehmend an Bedeutung. Die Mehrdeutigkeit dieser Konzepte nimmt zu, wenn wir sie auf verschiedene soziale Gruppen, Bevölkerungsgruppen unterschiedlichen Alters und Geschlechts anwenden wollen.

Es sollte auch beachtet werden, dass die Grenzen der Stadt im modernen Konzept eher willkürlich sind. Tägliche Bevölkerungsmigration und Verkehrsanbindung in abgelegenen Gebieten „verwischen“ die Grenze der Stadt noch mehr. Der weit verbreitete Begriff der Agglomeration als Ganzes spiegelt die Grenzen der Stadt wider, macht aber gleichzeitig das Konzept der Grenzen der Stadt noch vager.

Trotz der oben beschriebenen Probleme sind die Analyse und Bewertung von Gebieten heute einige der vielversprechenden und interessanten Bereiche, die es ermöglichen, viele dringende Probleme der städtischen Umwelt zu lösen.


Der Artikel schlägt vor, eine Methode zur Analyse des Territoriums unter Verwendung des "thermischen" Modells in Betracht zu ziehen. Grundlage dieser Methode ist die Untersuchung von Potentialen, die von Objekten (Faktoren) verschiedener Art (Punkt, Linear und Fläche) erzeugt werden. Die Analyse des Territoriums mit dieser Methode ermöglicht es, von einer Reihe von Geodaten (Faktoren), die das Territorium beschreiben, zu einer genauen numerischen (Punkt-) Schätzung an jedem Punkt im Territorium überzugehen.

Die im Rahmen der Gebietsanalyse untersuchten Potentiale haben eine physikalische Interpretation - die Wärmeverteilung in Medien unterschiedlicher Dimensionen (2D, 3D). Dieses Phänomen kann in Form von „Wärmebildern“ („Wärmekarten“ des Territoriums) dargestellt werden, die eine Vorstellung vom Entwicklungsgrad des Territoriums in Abhängigkeit von der Farbintensität des Bildes geben.

Gebietsfaktoren

Die Analyse des Gebiets umfasst die Suche und Verarbeitung von Informationen über Einflussfaktoren auf das Gebiet und deren Indikatoren. Einflussfaktoren sind Objekte, die das umliegende Gebiet beeinflussen und eine Reihe von Merkmalen und Raumkoordinaten besitzen. Beispiele für Einflussfaktoren sind Geschäfte, Industrieanlagen, Straßen, Wälder und Gewässer.

Einflussindikatoren sind Objekte, die den Einfluss von Objekten widerspiegeln und auch eine Reihe von Merkmalen und Raumkoordinaten aufweisen. Beispiele für Wirkungsindikatoren: Geldautomaten, Werbetafeln, Denkmäler.

In der folgenden Präsentation werden wir das Konzept der Einflussfaktoren verwenden und sowohl Begriffe als auch Einflussindikatoren kombinieren.

Das Folgende ist ein Beispiel für räumliche Daten, die Einflussfaktoren sind.



Eine der wichtigen Phasen der Arbeit an der Analyse von Gebieten ist die Phase der Erfassung und Verarbeitung von Anfangsinformationen. Heute gibt es viele Informationen über Einflussfaktoren auf das Gebiet mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad.

Informationen können aus offenen Quellen oder Quellen mit eingeschränktem Zugang bezogen werden. In vielen Fällen reichen offene Informationen für die Analyse aus, obwohl sie in der Regel eine ziemlich zeitaufwändige Verarbeitung erfordern.

Unter Open Source ist unserer Meinung nach die Ressource OpenStreetMap (OSM) führend. Informationen aus dieser Quelle werden täglich auf der ganzen Welt aktualisiert.

OpenStreetMap (OSM) -Ressourceninformationen werden in den folgenden Formaten angezeigt:

- OSM-Format. Das Grundformat mit der Erweiterung „.osm“ beschreibt XML-Bilder - Knoten, Pfade, Beziehungen.

- "Polnisches Format". Für die Arbeit mit Grafiken wird ein Textformat mit der Erweiterung „.mp“ verwendet.

- PBF-Format. Datenspeicherformat mit der Erweiterung ".osm.pbf".

Als Informationsquelle können Sie auch verwenden:

- 2GIS
Die Ressource enthält qualitativ hochwertige, monatlich verarbeitete Informationen mit einem hervorragenden 3-Ebenen-Klassifikator für Unternehmen und Organisationen.

- KML-Dateien (Keyhole Markup Language)
KML-Dateien (Keyhole Markup Language) sind ein Dateiformat, mit dem geografische Daten in Google Earth, Google Maps und Google Maps für mobile Geräte angezeigt werden.

Mit KML-Dateien können Sie:
- Setzen Sie verschiedene Symbole und machen Sie Signaturen, um Orte auf der Erdoberfläche anzuzeigen
- Erstellen Sie verschiedene Winkel für ausgewählte Objekte, indem Sie die Position der Kamera ändern
- Verwenden Sie verschiedene Overlay-Bilder
- Definieren Sie Stile zum Anpassen der Anzeige des Objekts. Verwenden Sie HTML-Code, um Hyperlinks und eingebettete Bilder zu erstellen
- Verwenden Sie Ordner für die hierarchische Gruppierung von Elementen
- KML-Dateien dynamisch von Remote- oder lokalen Hosts empfangen und aktualisieren
- Empfangen Sie KML-Daten entsprechend den Änderungen im 3D-Viewer

- Bundesdienst für staatliche Registrierung, Kataster und Kartographie "Rosreestr"
Die Informationen auf dem Rosreestra-Portal sind inhaltlich und relevant wertvoll, ermöglichen jedoch leider keinen kostenlosen Zeitplan für Kapitalbauprojekte und Grundstücke. Das Rosreestra-Portal enthält auch eine große Menge eingeschränkter Informationen.

- Statistische Behörden
Statistische Daten sind eine legitime Informationsquelle über das Gebiet. Ab heute sind die Daten der statistischen Behörden jedoch nur für eine bestimmte Anzahl von Indikatoren verfügbar, hauptsächlich in Berichten der statistischen Behörden und Berichten der regionalen Behörden.

- Informationssysteme der Regierung
Hochwertige Informationen sind in staatlichen Informationssystemen enthalten, aber nur ein kleiner Teil davon wird öffentlich veröffentlicht und steht zur Analyse zur Verfügung.

Die Analyse der Gebiete stellt keine besonderen Anforderungen an die Zusammensetzung der Informationen. Tatsächlich können Sie alles verwenden, was Sie finden können. Informationen aus offenen Quellen sind in der Regel austauschbar. Es sollte jedoch beachtet werden, dass bereits die von der OSM-Ressource empfangenen Informationen ausreichen, um eine Analyse eines unbekannten Gebiets durchzuführen.

Analyse des Territoriums mit dem "thermischen" Modell. Physikalische Interpretation von Potentialen

Wie bereits erwähnt, ist die Analyse des heutigen Territoriums ein dringendes Thema und ein wirksames Instrument, um angemessen Investitionen in die Entwicklung der Infrastruktur verschiedener städtischer Umgebungen anzuziehen.

Eine Vielzahl von Aufgaben, die durch die Analyse von Gebieten gelöst werden können, können in mehreren großen Bereichen zusammengefasst werden:

- Erlangung der am besten interpretierten und detailliertesten Bewertung des Gebiets an jedem seiner Punkte.
Wenn Sie dieses Problem lösen, können Sie an jedem Punkt des Gebiets eine Reihe von Punktschätzungen erhalten, die eine Vorstellung vom Entwicklungsstand des Gebiets im Allgemeinen sowie in einigen Themenbereichen vermitteln. Ein solches Fachgebiet kann beispielsweise Kultur, Industrie, Handel usw. sein.

- Ermittlung der vorteilhaftesten Orte für die Platzierung von Anlageobjekten eines bestimmten Typs (z. B. Banken, Fachgeschäfte, Einkaufs- und Unterhaltungszentren usw.) im ausgewählten Gebiet.

- Analyse der effizientesten Nutzung des Gebiets.
Diese Richtung ermöglicht eine detaillierte Untersuchung der Merkmale des Gebiets, der im Untersuchungsgebiet herrschenden Marktsituation und der Ermittlung der nachgefragten Optionen.

- Ermittlung des Beitrags eines Faktors zum Kostenmodell am Beispiel der Entstehung neuer Straßen und Routen.

- Analyse verschiedener Aspekte eines Gebiets und Analyse verschiedener Gebiete (Vergleich der Gebiete).

Die Originalität der im Artikel vorgeschlagenen Methode zur Analyse des Gebiets unter Verwendung des "thermischen" Modells besteht in der Verwendung von Indikatoren für die Entwicklung des Gebiets - Potentiale, die numerisch dargestellt werden und den Grad des Einflusses des Objekts (Einflussfaktor) auf das Gebiet widerspiegeln.

Um das Wesentliche der Studie zu verstehen, sollten einige Worte über das thermische Potential selbst gesagt und seine physikalische Interpretation gegeben werden.

In der Physik gibt es Konzepte wie ein Kraftfeld und eine Kraftfunktion . Das Kraftfeld hat die Dimension der Energie, die Kraftfunktion ist die Dimension der Kraft.

Für das Gravitationsgesetz wird das Kraftfeld durch die Formel bestimmt:

$$$F = k / r2$wo
k ist eine Konstante;
r ist der Abstand zwischen interagierenden Objekten.

Die Kraftfunktion ϕ wird bestimmt durch den Ausdruck:

$$$dϕ = -F * dr$wo
ϕ ist das Potential des Kraftfeldes;
dϕ, dr sind Differentiale;
r ist der Abstand zwischen interagierenden Objekten,

deshalb $$$ϕ = k / r$.

Die physikalische Bedeutung des Kraftfeldpotentials ϕ ist die Arbeit E, die das Kraftfeld beim Passieren eines bestimmten Pfades ausführt. Im Fall des Gesetzes der universellen Gravitation wird die Kraftfunktion durch die Formel bestimmt, wenn sich der Abstand zum Objekt von r2 nach r1 ändert

$$$E = k * (1 / r1-1 / r2)$wo
E - Arbeit, die von einem Kraftfeld ausgeführt wird, wenn ein bestimmter Pfad passiert wird;
r1, r2 - die Anfangs- und Endposition des Objekts.

Für die Analyse des Territoriums kann der Einfluss von Objekten (Faktoren) auf das Territorium als Stärke ( Kraftfunktion ) und der Entwicklungsstand des Territoriums als das gesamte thermische Potential ( Kraftfeld ) aller Objekte (Faktoren) betrachtet werden. In den Problemen der Physik ist das thermische Potential die Temperatur, und in den Problemen der Analyse von Gebieten unter Verwendung des "thermischen" Modells ist das Potential die Gesamtwirkung aller Faktoren, die den Punkt des Gebiets beeinflussen.

Geodaten sind Punkte, Linien, Polygone. Zur Berechnung der Potentiale werden erweiterte Geodaten in kleine Fragmente unterteilt. Für jedes Fragment wird das Potential von einem Punkt mit einem Faktor berechnet, der der Größe des Fragments des Objekts (Faktors) entspricht.

Daten werden nach dem Prinzip der engen Ähnlichkeit in semantische Gruppen unterteilt. Zum Beispiel werden Handelsgegenstände durch Waren kombiniert. Es gibt Gruppen von Waldobjekten, Gewässern, Siedlungen, Bushaltestellen usw. Die sinnvollen Gruppen sind ein Faktor. Durch alle Objekte (Faktoren) erhalten wir eine Reihe von thermischen Potentialen, die für die weitere Verarbeitung geeignet sind.

Die Verwendung von Potentialen („Wärmekarten“) ermöglicht es Ihnen, von räumlichen Daten zu „thermischen“ Bildern von Objekten (Faktoren) zu wechseln, die Einfluss auf das Gebiet haben (Visualisierung von Potentialen). Ein solcher Übergang ermöglicht es, den Grad des Vorhandenseins des Faktors an jedem Punkt im Gebiet zu bestimmen und weitere Analysen durchzuführen, d.h. zeigen verschiedene Richtungen der Entwicklung der Stadt in Farbe. Auf diese Weise erhalten wir für jeden Punkt des Territoriums ein Leuchten unterschiedlicher Intensität.

Beispiele für "Wärmebilder" des Territoriums von Nischni Nowgorod im Zusammenhang mit mehreren Faktoren sind nachstehend aufgeführt.


"Thermische" Karte von N. Novgorod, die den Faktor "Apothekenkette" widerspiegelt


"Thermische" Karte von N. Novgorod, die den Faktor "Polikliniken für Erwachsene" widerspiegelt


"Thermische" Karte von N. Novgorod, die den Faktor "Kinderpolikliniken" widerspiegelt


"Thermische" Karte von N. Novgorod, die den Faktor "Industriezonen" widerspiegelt.

"Wärmebilder" des Territoriums ermöglichen die Bestimmung der Konzentration von Potentialen aus verschiedenen Einflussobjekten. Als nächstes ist es notwendig, die erhaltenen Potentiale zu einem integralen Merkmal zu kombinieren, das eine Bewertung des Territoriums durch eine große Anzahl von Faktoren ermöglicht. Dazu benötigen Sie eine Methode, mit der Sie eine große Menge an Informationen analysieren, Objekte erkennen und die Dimensionalität von Daten reduzieren können, indem Sie die geringste Menge an Informationen verlieren. Eine solche Methode ist die Hauptkomponentenanalyse (PCA). Weitere Informationen zu dieser Methode finden Sie auf Wikipedia .

Das Wesentliche der Methode besteht darin, eine lineare Kombination von Anfangsparametern zu finden, die sich im Bereich der Analyse am stärksten ändert. Für räumliche Daten - die variabelste im gesamten Gebiet.

Die Methode der Hauptkomponenten identifiziert Objekte (Faktoren), die im gesamten Gebiet am stärksten variieren. Als Ergebnis der Arbeit der Methode erscheinen neue Variablen - die Hauptkomponenten, die im Vergleich zu den ursprünglichen Daten informativer sind und mit denen es einfacher ist, das Gebiet zu analysieren, zu beschreiben und zu visualisieren, was das Erstellen von Modellen erleichtert.

Die Hauptkomponenten sind analytische Ausdrücke - die Summe der Potentiale der Anfangsfaktoren mit einigen Koeffizienten. Wenn jedoch ein Faktor einen signifikanten Einfluss auf das Gebiet hat, sich jedoch im analysierten Gebiet nicht ändert, wird dieser Faktor bei der Hauptkomponentenmethode nicht in die Zusammensetzung der Hauptkomponenten einbezogen.

Die Hauptkomponenten sind in absteigender Reihenfolge der Informationen angeordnet - d. H. über das Gebiet verteilt. Die ersten Hauptkomponenten enthalten viel mehr Informationen als einzelne Faktoren und beschreiben das Gebiet gut. Bei Verwendung von ungefähr hundert Faktoren trägt die erste Hauptkomponente in der Regel ungefähr 50% aller Informationen (Streuung) im gesamten Gebiet. Die Hauptkomponenten korrelieren nicht miteinander und können für Modelle als Merkmale des Gebiets an jedem Punkt verwendet werden.

Die Hauptkomponente hat als abstrakt berechneter Indikator für das Gebiet keinen eindeutigen Namen und keine eindeutige Klassifizierung. Die Kombination von Faktoren, die stark mit der Hauptkomponente korrelieren, ermöglicht jedoch die Interpretation der Hauptkomponenten. In der Regel korrelieren folgende Faktoren mit den Hauptkomponenten:

- Stand der Infrastrukturentwicklung;
- Verkehrskomponente des Hoheitsgebiets;
- Klimazonen;
- Stand der landwirtschaftlichen Entwicklung;
- wirtschaftliches Potenzial des Gebiets.

Weitere Analysen, einschließlich Clustering, umfassen einige der ersten wichtigen Hauptkomponenten.

In den Abbildungen sehen Sie eine grafische Darstellung der ersten Hauptkomponenten in mehreren Städten der Russischen Föderation.


Die erste Hauptkomponente, die den Entwicklungsstand der städtischen Infrastruktur in N. Novgorod kennzeichnet


Die erste Hauptkomponente, die den Entwicklungsstand der städtischen Infrastruktur in Jekaterinburg kennzeichnet


Die erste Hauptkomponente, die den Entwicklungsstand der städtischen Infrastruktur in Kasan kennzeichnet


Die erste Hauptkomponente, die den Entwicklungsstand der städtischen Infrastruktur in Perm kennzeichnet


Die erste Hauptkomponente, die den Entwicklungsstand der städtischen Infrastruktur in Samara kennzeichnet


Die erste Hauptkomponente, die den Entwicklungsstand der städtischen Infrastruktur von Chabarowsk kennzeichnet

Integrale Funktionen: Clustering

Die nächste Phase der Arbeit an der Analyse von Gebieten ist die Suche nach städtischen Gebieten von einheitlicher Qualität. Diese Suche basiert auf einer Analyse der Werte der Hauptkomponenten an jedem Punkt des Gebiets. Die Suche nach diesen homogenen Zonen kann mithilfe von Clustering gelöst werden - dem Prozess der Gruppierung von Gebieten nach dem Prinzip der Nähe einer Reihe von Merkmalen.

Territoriales Clustering hat zwei Ziele:

- Schaffung einer besser wahrgenommenen Visualisierung des Territoriums;
- Zuweisung von Bereichen für die Erstellung einzelner Modelle.

Gebiete werden nach ausgewählten Faktoren für die Analyse gruppiert. Diese Faktoren können Faktoren sein, die die Preisgestaltung beeinflussen, oder Faktoren, die einen Aspekt der Entwicklung eines Gebiets beschreiben, beispielsweise die soziale Sphäre.

Es gibt zwei gängige klassische Clustering-Methoden: die K-Means-Methode und die Dendrogramm-Methode. Bei der Arbeit mit Territorien hat sich die K-Means-Methode bewährt, deren Besonderheit das „Wachsen“ des Clusters durch das Verbinden neuer Objekte mit den Wachstumspunkten ist. Die Vorteile der K-Means-Methode liegen in der Ähnlichkeit ihrer Arbeit mit dem natürlichen Prozess der Gebietsbildung: Integration ähnlicher Gebiete anstelle der Trennung unterschiedlicher Gebiete.

Die K-Mittelwert-Methode wurde verwendet, um Nischni Nowgorod zu berechnen (Abbildung unten).


Entsprechung von Clustern zum Entwicklungsstand des Territoriums am Beispiel von N. Novgorod

Mit dem vorgeschlagenen Ansatz können Sie sich einen Überblick über das Gebiet zu verschiedenen Themen verschaffen. Die Themen, die uns interessieren, können zum Beispiel der Entwicklungsstand der städtischen Infrastruktur, der Grad des „Elitismus“ des Territoriums, der Entwicklungsstand der Kultur, die soziale Komponente der Entwicklung des Territoriums sein. Diese Themen sind schlecht definierte integrale Konzepte und bestehen aus vielen miteinander verbundenen Faktoren.

Mit einigen Algorithmen zur Auswahl von Parametern für die Analyse (auch unter Einbeziehung von Experten) erhalten wir thematische Karten, die einen Eindruck von einem Aspekt der Entwicklung des Gebiets vermitteln.

Unter integralen Merkmalen werden die ersten Hauptkomponenten verstanden, vor allem die informativste erste Hauptkomponente und die Gruppierung des Gebiets nach den ausgewählten Parametern.

In den folgenden Abbildungen sind thematische Karten der ersten Hauptkomponenten zu verschiedenen Aspekten der Entwicklung dargestellt.


Thematische Karte "Kulturobjekte" am Beispiel der Stadt N. Novgorod


Thematische Karte „Soziale Sphäre“ am Beispiel der Stadt N. Novgorod

Integrale Merkmale ermöglichen es, die Merkmale des Gebiets zu verstehen, wobei mit vielen Faktoren und minimalem Informationsverlust gearbeitet wird.

Zusammenfassend ist noch einmal anzumerken, dass die Analyse von Gebieten heute ein äußerst wichtiger Schritt ist, um die Probleme der Entwicklung der städtischen Umwelt zu lösen, Orte für Investitionen in den Bau auszuwählen und den günstigsten Standort für neue Objekte und andere Aufgaben zu finden.

Die in dem Artikel vorgeschlagene Methode zur Analyse des in dem Artikel vorgeschlagenen Gebiets unter Verwendung des „thermischen“ Modells anhand von Faktoren unterschiedlicher Art ist für die Menge der Faktoren nicht kritisch, dh sie stellt keine Einschränkungen und Anforderungen an die Quellinformationen.

Die Vielfalt und Redundanz der Quellinformationen sowie die Fähigkeit, offene Daten zu verwenden, bietenunbegrenzte Aussichten für die Analyse eines Territoriums der Welt.

In den folgenden Veröffentlichungen, die sich mit den Problemen der Gebietsanalyse befassen, planen wir, die Merkmale der Kompilierung von Modellen unter Verwendung der Hauptkomponenten und -methoden für deren Implementierung für folgende Aufgaben aufzuzeigen:

- Auswahl des besten Ortes beim Platzieren eines neuen Objekts;
- Aufbau einer Preisfläche für eine bestimmte Kategorie von Objekten unter Verwendung des Marktwerts;
-Bewertung der Rentabilität einer bestimmten Art von Aktivität in Abhängigkeit vom Standort der Objekte.

Es ist auch geplant, Methoden für den umgekehrten Übergang von den Hauptkomponenten zu Faktoren einzuführen, die es uns wiederum ermöglichen, ein Modell von Faktoren für ein bestimmtes Gebiet zu erhalten.