Utilisation des potentiels thermiques pour l'analyse de territoire

Un exemple de calcul du potentiel thermique d'un réseau routier à Nijni Novgorod

Le territoire de la ville est un système complexe et hétérogène, en constante évolution. Il est possible de décrire le territoire et d'évaluer l'environnement urbain à l'aide d'objets spatiaux (facteurs). Les facteurs décrivant le territoire sont différents par la nature de leur influence (positive, négative) et leur configuration géométrique (points, lignes, polygones).

Il est souvent difficile de déterminer le degré d'influence de chaque objet individuel sur le niveau de développement du territoire dans son ensemble ou sur un aspect particulier de celui-ci. Aujourd'hui, le problème de la définition et de la description de concepts tels que «culture», «sphère sociale», «tension sociale», «bonne vie», «développement économique» et «santé publique» devient de plus en plus pertinent. L'ambiguïté de ces concepts augmente si nous voulons les appliquer à différents groupes sociaux, populations d'âges et de sexes différents.

Il convient également de noter que les limites de la ville dans le concept moderne sont plutôt arbitraires. La migration quotidienne de la population, l'accessibilité aux transports des zones reculées «brouillent encore plus la frontière» de la ville. La notion largement utilisée d'agglomération dans son ensemble reflète les limites de la ville, mais rend en même temps le concept même des limites de la ville encore plus vague.

Malgré les problèmes décrits ci-dessus, l'analyse et l'évaluation des territoires sont aujourd'hui quelques-uns des domaines prometteurs et intéressants qui permettent de résoudre de nombreux problèmes urgents de l'environnement urbain.


L'article propose d'envisager une méthode d'analyse du territoire à l'aide du modèle «thermique». La base de cette méthode est l'étude des potentiels créés par des objets (facteurs) de natures diverses (ponctuelles, linéaires et surfaciques). L'analyse du territoire à l'aide de cette méthode permet de passer d'un ensemble de données spatiales (facteurs) décrivant le territoire à une estimation numérique (ponctuelle) exacte à chaque point du territoire.

Les potentiels étudiés dans le cadre de l'analyse du territoire ont une interprétation physique - la répartition de la chaleur dans des milieux de différentes dimensions (2D, 3D). Ce phénomène peut être représenté sous forme d'images «thermiques» (cartes «thermiques» du territoire), donnant une idée du degré de développement du territoire en fonction de l'intensité des couleurs de l'image.

Facteurs territoriaux

L'analyse du territoire implique la recherche et le traitement d'informations sur les facteurs d'influence sur le territoire et leurs indicateurs. Les facteurs d'influence sont des objets qui affectent le territoire environnant, possédant un ensemble de caractéristiques et de coordonnées spatiales. Les magasins, les installations industrielles, les routes, les forêts et les plans d'eau sont des exemples de facteurs d'influence.

Les indicateurs d'influence sont des objets qui reflètent l' influence des objets et ont également un ensemble de caractéristiques et de coordonnées spatiales. Exemples d'indicateurs d'impact: distributeurs automatiques de billets, panneaux d'affichage, monuments.

Dans la présentation suivante, nous utiliserons le concept de facteurs d'influence, combinant à la fois termes - facteurs et indicateurs d'influence.

Voici un exemple de données spatiales qui influencent les facteurs.



L'une des étapes importantes du travail d'analyse des territoires est l'étape de collecte et de traitement des informations initiales. Aujourd'hui, il y a beaucoup d'informations sur les facteurs qui influencent le territoire à des degrés divers de détail.

Les informations peuvent être obtenues auprès de sources ouvertes ou de sources d'accès limité. Dans de nombreux cas, des informations ouvertes sont suffisantes pour l'analyse, même si, en règle générale, elles nécessitent un traitement assez long.

Parmi les sources ouvertes, le leader, à notre avis, est la ressource - OpenStreetMap (OSM). Les informations obtenues à partir de cette source sont mises à jour quotidiennement dans le monde entier.

Les informations sur les ressources OpenStreetMap (OSM) sont présentées dans les formats suivants:

- Format OSM. Le format de base avec l'extension «.osm» est utilisé pour décrire les images XML - nœuds, chemins, relations.

- «format polonais». Un format de texte avec l'extension «.mp» est utilisé pour travailler avec des graphiques.

- Format PBF. Format de stockage des données avec l'extension ".osm.pbf".

Comme sources d'informations, vous pouvez également utiliser:

- 2GIS
La ressource contient des informations traitées de haute qualité tous les mois, avec un excellent classificateur à 3 niveaux pour les entreprises et les organisations.

- Fichiers KML (Keyhole Markup Language)
Les fichiers KML (Keyhole Markup Language) sont un format de fichier utilisé pour afficher des données géographiques dans Google Earth, Google Maps et Google Maps pour les appareils mobiles.

En utilisant des fichiers KML, vous pouvez:
- définir diverses icônes et faire des signatures pour indiquer des endroits sur la surface de la Terre
- créer différents angles pour les objets sélectionnés en changeant la position de la caméra
- utiliser différentes images de superposition
- définir des styles pour personnaliser l'affichage de l'objet, utiliser du code HTML pour créer des hyperliens et des images incorporées
- utiliser des dossiers pour le regroupement hiérarchique des éléments
- recevoir et mettre à jour dynamiquement des fichiers KML à partir d'hôtes distants ou locaux
- Recevoir des données KML en fonction des changements dans la visionneuse 3D

- Service fédéral d'enregistrement des états, de cadastre et de cartographie "Rosreestr"
Les informations sur le portail Rosreestra sont précieuses pour leur contenu et leur pertinence, mais, malheureusement, elles ne permettent pas d'obtenir gratuitement un calendrier des projets de construction d'immobilisations et de terrains. Le portail Rosreestra contient également une grande quantité d'informations restreintes.

- Autorités statistiques
Les données statistiques sont une source légitime d'informations sur le territoire, mais à ce jour, les données des autorités statistiques ne sont disponibles que pour un certain nombre d'indicateurs, principalement dans les rapports des autorités statistiques et les rapports des autorités régionales.

- Systèmes d'information du gouvernement
Des informations de haute qualité sont contenues dans les systèmes d'information du gouvernement, mais seule une petite partie d'entre elles est publiée dans le domaine public et disponible pour analyse.

L'analyse des territoires n'impose aucune exigence spécifique sur la composition des informations, en fait, vous pouvez utiliser tout ce que vous pouvez trouver, les informations provenant de sources ouvertes sont généralement interchangeables. Cependant, il convient de noter que même les informations reçues de la ressource OSM suffisent pour effectuer une analyse d'un territoire inconnu.

Analyse du territoire à l'aide du modèle "thermique". Interprétation physique des potentiels

Comme mentionné précédemment, l'analyse du territoire aujourd'hui est un sujet urgent et un outil puissant pour attirer raisonnablement les investissements dans le développement des infrastructures de divers environnements urbains.

Une variété de tâches qui peuvent être résolues en analysant les territoires peuvent être combinées en plusieurs grands domaines:

- Obtenir l'évaluation la plus interprétée et détaillée du territoire à chacun de ses points.
Pour résoudre ce problème, vous pouvez obtenir un ensemble d'estimations ponctuelles à chaque point du territoire, donnant une idée du niveau de développement du territoire en général, ainsi que dans certains domaines. Un tel domaine peut être, par exemple, la culture, l'industrie, le commerce, etc.

- Détermination des endroits les plus avantageux pour le placement d'objets d'investissement d'un certain type (par exemple, banques, magasins spécialisés, centres commerciaux et de divertissement, etc.) sur le territoire sélectionné.

- Analyse de l'utilisation la plus efficace du territoire.
Cette direction permet une étude détaillée des caractéristiques du territoire, de la situation du marché prévalant dans la zone d'étude et l'identification des options qui sont demandées.

- Déterminer la contribution d'un facteur au modèle de coût, en utilisant l'exemple de l'émergence de nouvelles routes et de nouveaux itinéraires.

- Analyse de différents aspects d'un territoire et analyse de différents territoires (comparaison de territoires).

L'originalité de la méthode d'analyse du territoire proposée dans l'article utilisant le modèle «thermique» consiste en l'utilisation d'indicateurs de développement du territoire - potentiels, présentés en termes numériques et reflétant le degré d'influence de l'objet (facteur d'influence) sur le territoire.

Pour comprendre l'essence de l'étude, il faut dire quelques mots sur le potentiel thermique lui-même, et donner son interprétation physique.

En physique, il existe des concepts tels qu'un champ de force et une fonction de force . Le champ de force a la dimension de l'énergie, la fonction de force est la dimension de la force.

Pour la loi de la gravité, le champ de force est déterminé par la formule:

$$$F = k / r2$où
k est une constante;
r est la distance entre les objets en interaction.

La fonction de force ϕ est déterminée par l'expression:

$$$dϕ = -F * dr$où
ϕ est le potentiel du champ de force;
dϕ, dr sont des différentiels;
r est la distance entre les objets en interaction,

donc $$$ϕ = k / r$.

La signification physique du potentiel du champ de force ϕ est le travail E effectué par le champ de force lors du passage d'un certain chemin. Dans le cas de la loi de la gravitation universelle, lorsque la distance à l'objet passe de r2 à r1, la fonction de force est déterminée par la formule

$$$E = k * (1 / r1-1 / r2)$où
E - travail effectué par un champ de force lors du passage d'un certain chemin;
r1, r2 - la position initiale et finale de l'objet.

Pour l'analyse du territoire, l'influence des objets (facteurs) sur le territoire peut être considérée comme la force ( fonction de puissance ) et le niveau de développement du territoire comme le potentiel thermique total ( champ de force ) de tous les objets (facteurs). Dans les problèmes de physique, le potentiel thermique est la température, et dans les problèmes d'analyse de territoires à l'aide du modèle "thermique", le potentiel est l'effet total de tous les facteurs influençant le point du territoire.

Les données spatiales sont des points, des lignes, des polygones. Pour calculer les potentiels, les données spatiales étendues sont divisées en petits fragments. Pour chaque fragment, le potentiel d'un point avec un facteur égal à la taille du fragment de l'objet (facteur) est calculé.

Les données sont divisées en groupes sémantiques selon le principe de la similitude étroite. Par exemple, les objets commerciaux sont combinés par des marchandises. Il y a des groupes d'objets forestiers, des plans d'eau, des colonies, des arrêts de bus, etc. Les groupes significatifs sont un facteur. En traversant tous les objets (facteurs), nous obtenons un ensemble de potentiels thermiques adaptés à un traitement ultérieur.

L'utilisation des potentiels («heat maps») permet de passer des données spatiales aux images «thermiques» d'objets (facteurs) d'influence sur le territoire (visualisation des potentiels). Une telle transition permet de déterminer le degré de présence du facteur à chaque point du territoire et de mener une analyse plus approfondie, c'est-à-dire afficher différentes directions de développement de la ville en couleur. Ainsi, nous obtenons une lueur d'intensité variable pour chaque point du territoire.

Des exemples d'images "thermiques" du territoire de Nijni Novgorod dans le cadre de plusieurs facteurs sont présentés ci-dessous.


Carte «thermique» de N. Novgorod, reflétant le facteur «chaîne de pharmacie»


Carte «thermique» de N. Novgorod, reflétant le facteur «Polycliniques pour adultes»


Carte «thermique» de N. Novgorod, reflétant le facteur «polycliniques pour enfants»


Carte "thermique" de N. Novgorod, reflétant le facteur "Zones industrielles"

Des images «thermiques» du territoire permettent de déterminer la concentration des potentiels de divers objets d'influence. Ensuite, il est nécessaire de combiner les potentiels obtenus en une caractéristique intégrale qui permet une évaluation du territoire par un grand nombre de facteurs. Pour ce faire, vous avez besoin d'une méthode qui vous permet d'analyser une grande quantité d'informations, de reconnaître des objets et également de réduire la dimensionnalité des données en perdant le moins d'informations. L'une de ces méthodes est l'analyse en composantes principales (ACP). Vous pouvez en savoir plus sur cette méthode sur Wikipedia .

L'essence de la méthode est de trouver une combinaison linéaire de paramètres initiaux, qui change le plus fortement dans le domaine de l'analyse. Pour les données spatiales - la plus variable sur le territoire.

La méthode des composantes principales identifie les objets (facteurs) qui varient le plus fortement à travers le territoire. Grâce au travail de la méthode, de nouvelles variables apparaissent - les principaux composants, plus informatifs par rapport aux données initiales, à l'aide desquels il est plus facile d'analyser, de décrire et de visualiser le territoire, ce qui facilite la construction de modèles.

Les principaux composants sont des expressions analytiques - la somme des potentiels des facteurs initiaux avec quelques coefficients. Cependant, si un facteur a un impact significatif sur le territoire, mais ne change pas dans le territoire analysé, la méthode des composantes principales n'inclura pas ce facteur dans la composition des composantes principales.

Les principaux composants sont classés par ordre décroissant d'informations - c'est-à-dire répartis sur le territoire. Les premières composantes principales contiennent beaucoup plus d'informations que les facteurs individuels et décrivent bien le territoire. En règle générale, lorsque l'on utilise une centaine de facteurs, le premier composant principal transporte environ 50% de toutes les informations (dispersion) sur le territoire. Les principales composantes ne sont pas corrélées les unes aux autres et peuvent être utilisées pour les modèles comme caractéristiques du territoire à chaque point.

La composante principale, en tant qu’indicateur calculé de manière abstraite du territoire, n’a pas de nom ni de classification clairs. Cependant, la combinaison de facteurs fortement corrélés avec le composant principal permet d'interpréter les composants principaux. En règle générale, les facteurs suivants sont en corrélation avec les principaux composants:

- niveau de développement des infrastructures;
- composante transport du territoire;
- zones climatiques;
- niveau de développement agricole;
- potentiel économique du territoire.

Une analyse plus approfondie, y compris le clustering, est fournie avec quelques-uns des premiers principaux composants importants.

Dans les figures, vous pouvez voir un affichage graphique des premiers composants majeurs dans plusieurs villes de la Fédération de Russie.


La première composante principale caractérisant le niveau de développement des infrastructures urbaines à N. Novgorod


La première composante principale caractérisant le niveau de développement des infrastructures urbaines à Iekaterinbourg


La première composante principale caractérisant le niveau de développement des infrastructures urbaines à Kazan


La première composante principale caractérisant le niveau de développement des infrastructures urbaines à Perm


La première composante principale caractérisant le niveau de développement des infrastructures urbaines à Samara


La première composante principale caractérisant le niveau de développement des infrastructures de la ville de Khabarovsk

Caractéristiques intégrales: mise en cluster

La prochaine étape des travaux sur l'analyse des territoires est la recherche de zones urbaines de qualité uniforme. Cette recherche est basée sur une analyse des valeurs des principaux composants à chaque point du territoire. La tâche de recherche de ces zones homogènes peut être résolue en utilisant le clustering - le processus de regroupement des territoires selon le principe de la proximité d'un ensemble de caractéristiques.

Le regroupement territorial a deux objectifs:

- créer une visualisation mieux perçue du territoire;
- attribution de zones pour la compilation de modèles individuels.

Les territoires sont regroupés selon des facteurs sélectionnés pour l'analyse. Ces facteurs peuvent être des facteurs affectant les prix ou des facteurs décrivant un aspect du développement d'un territoire, par exemple la sphère sociale.

Il existe deux méthodes classiques de regroupement classique: la méthode K-means et la méthode dendrogramme. Lorsque l'on travaille avec des territoires, la méthode K-means a fait ses preuves, dont la particularité est la «croissance» du cluster en connectant de nouveaux objets aux points de croissance. Les avantages de la méthode K-means sont la similitude de son travail avec le processus naturel de formation des territoires: l'intégration de territoires similaires, plutôt que la séparation de territoires dissemblables.

La méthode des moyennes K a été utilisée pour calculer Nizhny Novgorod (figure ci-dessous).


Correspondance des clusters au niveau de développement du territoire par l'exemple de la ville de N. Novgorod

Avec l'approche proposée, vous pouvez vous faire une idée du territoire sur différents sujets. Les sujets qui nous intéressent peuvent être, par exemple, le niveau de développement des infrastructures urbaines, le niveau d '«élitisme» du territoire, le niveau de développement de la culture, la composante sociale du développement du territoire. Ces sujets sont des concepts intégraux mal définis et se composent de nombreux facteurs interdépendants.

Avec un algorithme de sélection des paramètres d'analyse (y compris avec la participation d'experts), nous obtiendrons des cartes thématiques qui donneront une idée d'un aspect du développement du territoire.

Les caractéristiques intégrales sont comprises comme les premiers composants principaux, tout d'abord, le premier composant principal le plus informatif, et le regroupement du territoire selon les paramètres sélectionnés.

Des cartes thématiques des premiers éléments majeurs sur divers aspects du développement sont présentées dans les figures ci-dessous.


Carte thématique "Objets de culture" sur l'exemple de la ville de N. Novgorod


Carte thématique «Sphère sociale» sur l'exemple de la ville de N. Novgorod

Les caractéristiques intégrales permettent de comprendre les caractéristiques du territoire, fonctionnant avec de nombreux facteurs avec une perte minimale d'informations.

En conclusion, il convient de noter une fois de plus qu'aujourd'hui, l'analyse des territoires est une étape extrêmement importante pour résoudre les problèmes de développement de l'environnement urbain, choisir des endroits pour investir dans la construction et trouver l'emplacement le plus favorable pour de nouveaux objets et d'autres tâches.

La méthode d'analyse du territoire proposée dans l'article en utilisant le modèle «thermique» à partir de facteurs de nature différente n'est pas critique pour l'ensemble des facteurs, c'est-à-dire qu'elle n'impose pas de restrictions et d'exigences à l'information source.

La diversité et la redondance des informations source, ainsi que la possibilité d'utiliser des données ouvertesperspectives illimitées pour l'analyse de n'importe quel territoire du monde.

Dans les publications suivantes consacrées aux tâches d'analyse territoriale, nous prévoyons de révéler les caractéristiques de la compilation de modèles en utilisant les principaux composants et les méthodes de leur mise en œuvre pour des tâches telles que:

- choisir le meilleur endroit lors de la mise en place d'une nouvelle installation;
- construire une surface de prix pour une certaine catégorie d'objets en utilisant la valeur de marché;
-évaluation de la rentabilité d'un certain type d'activité en fonction de la localisation des objets

Il est également prévu d'introduire des méthodes de transition inverse des principales composantes vers les facteurs, ce qui permet à son tour d'obtenir un modèle de facteurs pour un territoire donné.