Implementasi teknis dari metode potensi termal untuk analisis wilayah

Dalam publikasi pertama ( Menggunakan Potensi Termal untuk Menganalisis Wilayah ), kami menjelaskan bagaimana potensi termal dapat digunakan untuk menganalisis wilayah, secara umum. Dalam publikasi berikut ini direncanakan untuk menggambarkan bagaimana informasi tentang objek spasial disimpan dalam database, bagaimana model dari komponen utama dibangun, dan secara umum, tugas menganalisis wilayah apa yang bisa dilakukan. Tetapi hal pertama yang pertama.

Menggunakan metode potensi termal di tempat pertama memungkinkan untuk merumuskan gagasan umum tentang wilayah yang menarik bagi kita. Misalnya, dengan mengambil informasi awal dari OSM di Barcelona (Catalonia), dan melakukan analisis terintegrasi tanpa memilih parameter, kita bisa mendapatkan gambar "termal" dari komponen utama pertama. Kami juga berbicara tentang peta "panas" di artikel pertama, tetapi tidak akan keluar dari tempatnya untuk mengingat bahwa istilah "panas" peta muncul karena makna fisik dari potensi yang digunakan untuk analisis integral. Yaitu dalam masalah fisika, potensial adalah suhu, dan dalam masalah analisis wilayah, potensi adalah efek total dari semua faktor yang berpengaruh pada titik tertentu di wilayah tersebut.

Berikut ini adalah contoh dari peta "panas" Barcelona yang diperoleh sebagai hasil analisis terpadu.


Peta "Thermal" dari komponen utama pertama, tanpa pemilihan parameter, Barcelona

Dan dengan mengatur parameter spesifik apa pun (dalam hal ini, kami telah memilih industri), Anda bisa mendapatkan peta "panas" langsung dari situ.


Peta termal dari komponen utama pertama, industri, Barcelona

Tentu saja, tugas analisis jauh lebih luas dan lebih beragam daripada memperoleh penilaian umum dari wilayah yang dipilih, oleh karena itu, sebagai contoh dalam artikel ini, kami mempertimbangkan tugas menemukan tempat terbaik ketika menempatkan objek baru dan implementasi teknis dari metode potensial termal untuk menyelesaikannya, dan dalam publikasi berikut kita akan melihat yang lain.

Memecahkan masalah menemukan tempat terbaik ketika menempatkan objek baru akan membantu menentukan seberapa banyak wilayah "siap menerima" objek baru ini, bagaimana ia akan berkorelasi dengan objek lain yang sudah tersedia di wilayah tersebut, berapa banyak objek baru ini akan bernilai untuk wilayah tersebut dan nilai apa yang akan ditambahkannya.

Tahapan implementasi teknis

Implementasi teknis dapat diwakili oleh urutan prosedur yang tercantum di bawah ini:

1. Persiapan lingkungan informasi.
2. Cari, pengumpulan, dan pemrosesan informasi sumber.
3. Membangun grid node di wilayah yang dianalisis.
4. Membagi faktor teritori menjadi fragmen.
5. Perhitungan potensi dari faktor.
6. Seleksi faktor untuk membuat karakteristik terintegrasi tematik wilayah tersebut.
7. Penerapan metode komponen utama untuk mendapatkan indikator integral wilayah.
8. Menciptakan model untuk memilih tempat untuk pembangunan fasilitas baru.

Tahap 1. Persiapan Lingkungan Informasi

Pada tahap ini, perlu untuk memilih sistem manajemen basis data (DBMS), menentukan sumber informasi, metode pengumpulan informasi, jumlah informasi yang dikumpulkan.
Untuk bekerja, kami menggunakan database PostgeSql (DB), tetapi perlu dicatat bahwa database lain yang bekerja dengan query SQL cocok.

Informasi awal akan disimpan dalam database - data spasial tentang objek: tipe data (titik, garis, poligon), koordinatnya dan karakteristik lainnya (panjang, luas, jumlah), serta semua nilai yang dihitung yang diperoleh sebagai hasil dari pekerjaan dan hasil pekerjaan itu sendiri .

Informasi statistik juga disajikan sebagai data spasial (misalnya, kabupaten dari suatu daerah dengan statistik yang ditugaskan untuk daerah ini).

Sebagai hasil dari konversi dan pemrosesan informasi sumber yang dikumpulkan, tabel dibentuk yang berisi informasi tentang faktor-faktor linier, titik dan area, pengidentifikasi dan koordinatnya.

Tahap 2. Cari, pengumpulan, dan pemrosesan informasi sumber

Sebagai informasi awal untuk menyelesaikan masalah ini, kami menggunakan informasi dari sumber kartografi terbuka yang berisi informasi tentang wilayah tersebut. Pemimpin, menurut pendapat kami, adalah informasi OSM, yang diperbarui setiap hari di seluruh dunia. Namun, jika Anda berhasil mengumpulkan informasi dari sumber lain - itu tidak akan lebih buruk.
Pemrosesan informasi terdiri dari penyeragaman, penghapusan informasi yang tidak akurat, dan persiapan untuk mengunggah ke basis data.

Tahap 3. Membangun kisi-kisi node di area yang dianalisis

Untuk memastikan kontinuitas wilayah yang dianalisis, perlu dibuat kisi di atasnya, yang simpulnya memiliki koordinat dalam sistem koordinat yang diberikan. Pada setiap node mesh, selanjutnya, nilai potensial akan ditentukan. Ini akan memungkinkan Anda untuk memvisualisasikan daerah yang homogen, cluster, dan hasil analisis akhir.

Bergantung pada tugas yang harus diselesaikan, dua opsi untuk membangun kisi dimungkinkan:
- Kotak dengan langkah reguler (S1) - adalah survei di seluruh wilayah. Dengan menggunakannya, potensi faktor dihitung, karakteristik integral wilayah (komponen utama dan kluster) ditentukan, dan hasil simulasi ditampilkan.

Saat memilih kisi ini, Anda harus menentukan:

• langkah grid - interval di mana node grid akan ditemukan;
• perbatasan wilayah yang dianalisis, yang mungkin sesuai dengan divisi administrasi-teritorial, atau mungkin area pada peta yang membatasi area perhitungan dalam bentuk poligon.

- Kotak yang tidak beraturan (S2) menjelaskan titik-titik individual di wilayah tersebut (mis. Centroid). Ini juga menghitung potensi dari faktor-faktor, menentukan karakteristik integral dari wilayah (komponen utama dan cluster). Pemodelan dengan komponen utama yang dihitung dilakukan tepat pada grid dengan langkah tidak teratur, dan untuk memvisualisasikan hasil simulasi, nomor cluster dari node grid dengan langkah tidak teratur dipindahkan ke node grid dengan langkah teratur sesuai dengan prinsip kedekatan koordinat.
Dalam database, informasi tentang koordinat node grid disimpan dalam bentuk tabel yang berisi informasi berikut untuk setiap node:

• ID Node
• koordinat dari simpul (x, y).

Contoh kisi dengan langkah reguler ke wilayah berbeda dengan langkah berbeda ditunjukkan pada gambar di bawah ini.




Cakupan jaringan kota N. Novgorod (titik merah). Cakupan kotak di wilayah Nizhny Novgorod (titik biru).

Tahap 4. Fragmentasi faktor wilayah

Untuk analisis lebih lanjut, faktor-faktor yang diperluas dari wilayah tersebut harus dikonversi menjadi array faktor diskrit, sehingga setiap node grid berisi informasi tentang setiap faktor yang ada di dalamnya. Faktor linier dibagi menjadi segmen, areal - menjadi fragmen.

Langkah partisi dipilih berdasarkan area wilayah dan spesifik faktor, untuk area yang luas (oblast), langkah partisi bisa 100-150 m, untuk wilayah yang lebih kecil (kota) langkah partisi bisa 25-50 m.

Informasi tentang hasil partisi disimpan dalam database dalam bentuk tabel yang berisi informasi berikut untuk setiap fragmen:

• pengidentifikasi faktor;
• koordinat centroid dari fragmen partisi yang diperoleh (x, y);
• panjang / luas fragmen

5 tahap. Perhitungan potensi dari faktor

Salah satu pendekatan yang mungkin dan dapat dipahami untuk analisis informasi awal adalah pertimbangan faktor sebagai potensi dari objek pengaruh.

Kami menggunakan solusi mendasar dari persamaan Laplace untuk kasus dua dimensi - logaritma jarak dari titik.

Dengan mempertimbangkan persyaratan nilai potensial akhir nol dan batasan nilai potensial jarak jauh, potensi ditentukan sebagai berikut:

$$$F (r) = Ln (r1 / r2)$ untuk r <r1 (1)

$$$F (r) = Ln (r / r2)$ untuk r2> r> = r1

$$$F (r) = 0$ untuk r> = r2


Jenis pengaruh potensial dari objek titik

Fungsi logaritmik harus dibatasi pada nol dan dibatasi pada jarak tertentu dari faktor. Jika keterbatasan potensial tidak dibuat pada jarak yang jauh dari faktor, maka sejumlah besar informasi harus diperhitungkan jauh dari titik yang dianalisis, yang secara praktis tidak mempengaruhi analisis. Oleh karena itu, kami memperkenalkan nilai jari-jari aksi faktor, di luar mana kontribusi terhadap potensi faktor sama dengan nol.

Untuk kota, besarnya jari-jari faktor diambil sama dengan setengah jam akses pejalan kaki - 2.000 meter. Untuk kawasan, kita harus berbicara tentang aksesibilitas transportasi setengah jam - 20.000 meter.

Jadi, sebagai hasil dari penghitungan nilai potensial, kami memiliki potensi total dari masing-masing faktor pada setiap node dari grid biasa.

6 tahap. Seleksi faktor untuk membuat karakteristik terintegrasi tematik wilayah tersebut

Pada tahap ini, faktor yang paling signifikan dan informatif dipilih untuk menciptakan karakteristik terintegrasi tematik wilayah tersebut.

Pemilihan faktor dapat dilakukan secara otomatis, menetapkan batas-batas tertentu ke parameter (korelasi, persentase pengaruh, dll.), Atau dapat dilakukan oleh para ahli, mengetahui subjek tugas dan memiliki beberapa gagasan tentang wilayah tersebut.

Setelah faktor yang paling signifikan dan informatif dipilih, Anda dapat melanjutkan ke langkah berikutnya - interpretasi komponen utama.

Tahap 7. Penerapan metode komponen utama untuk mendapatkan indikator integral wilayah. Clustering

Informasi awal tentang faktor-faktor wilayah, diubah pada tahap sebelumnya menjadi potensi yang dihitung untuk setiap node grid, digabungkan menjadi indikator integral baru - komponen utama.

Metode komponen utama menganalisis variabilitas faktor di wilayah studi dan menemukan, menurut hasil analisis ini, kombinasi linier yang paling bervariasi, yang memungkinkan menghitung ukuran perubahan - variansinya di wilayah tersebut.

Kami mengambil masalah umum untuk menyusun model pendekatan fungsi model linier ke nilai yang diberikan
$$$¢_i = 1, n (A_i * PCA_i, j + B) = POT_j$ (2)
Di mana saya adalah nomor komponen,
n adalah jumlah komponen yang terlibat dalam perhitungan
j adalah indeks dari simpul titik teritori, j = 1..k
k - jumlah semua node grid wilayah, sesuai dengan perhitungan komponen utama
$$$A_i$ - Koefisien pada komponen utama ke-i dari model
$$$PCA_i, j$ Merupakan nilai komponen utama ke-i pada titik j
B adalah anggota gratis dari model
$$$POT_j$ Apakah potensi pada titik j dari faktor yang kita bangun model

Kami mendefinisikan tidak diketahui dalam persamaan (2) dengan metode kuadrat terkecil, menggunakan properti komponen utama:
$$$¢_j = 1, k (PCA_i, j * PCA_i2, j) = 0$ (3)
Di mana i dan i2 adalah nomor komponen, i <> i2
indeks node situs - j
k adalah jumlah semua node di wilayah tersebut
$$$¢_j = 1, k (PCA_i, j) = 0$ (4)

(3) berarti tidak ada korelasi antar komponen
(4) - nilai total komponen apa pun adalah nol.

Kami mendapatkan:
$$$A_i = ≤_ j = 1, k (PCA_i, j * POT_j) / ¬_j = 1, k (PCA_i, j ** 2)$
$$$B = rata-rata (POT_j)$ (5)
Di sini, notasi seperti pada persamaan (2) , $$$rata-rata (POT_j)$ berarti potensi rata-rata

Hasil ini dapat diartikan sebagai berikut:
Model adalah ekspresi sederhana, yang terdiri dari nilai rata-rata dari nilai yang dimodelkan, dan koreksi sederhana untuknya oleh masing-masing komponen. Minimal, hasilnya harus mencakup istilah bebas B dan komponen utama pertama. Di bawah ini adalah contoh peta panas dari komponen utama pertama di wilayah Nizhny Novgorod.





Berdasarkan komponen utama yang dihitung, daerah homogen dapat dibangun. ini dapat dilakukan baik dalam segala hal dan, misalnya, hanya dalam penetapan harga - yaitu. melakukan pengelompokan. Untuk melakukan ini, Anda dapat menggunakan metode K-means . Untuk setiap wilayah homogen, nilai rata-rata komponen utama pertama yang mengkarakterisasi tingkat perkembangan wilayah dihitung.
Contoh pengelompokan berdasarkan parameter harga untuk wilayah Nizhny Novgorod diberikan di bawah ini.



Juga, dengan menggunakan komponen utama yang diperoleh sebagai parameter dari model biaya, kita bisa mendapatkan permukaan harga wilayah tersebut.


Harga permukaan kota N. Novgorod

8 tahap. Menciptakan model untuk memilih tempat untuk pembangunan fasilitas baru

Untuk memilih lokasi yang paling menarik untuk lokasi fasilitas baru (selanjutnya disebut "fasilitas"), seseorang harus membandingkan lokasi "fasilitas" dengan infrastruktur di sekitarnya. Untuk memfungsikan "objek" harus ada sumber daya yang cukup untuk memastikan fungsinya, sejumlah besar faktor harus diperhitungkan, baik dampak positif maupun negatif pada "objek". Totalitas faktor-faktor ini dapat didefinisikan sebagai lingkungan "nutrisi" untuk berfungsinya "objek". Korespondensi jumlah objek dengan jumlah sumber daya wilayah adalah dasar untuk berfungsinya "objek" secara konsisten.

Hasil perbandingan ini adalah potensi yang dihitung untuk setiap titik wilayah dan memungkinkan secara visual dan analitik untuk menganalisis pilihan lokasi untuk penempatan "objek" baru.

Untuk perdagangan, misalnya, antara lain, aliran konstan pembeli adalah penting, yang berarti bahwa daftar faktor yang harus diperhitungkan untuk objek perdagangan harus mencakup faktor-faktor yang menyediakan aliran ini (misalnya, infrastruktur sosial, tempat kerja, tempat tinggal, jalan raya, dll. )

Di sisi lain, ketika semua kondisi terpenuhi untuk memastikan berfungsinya objek-objek perdagangan, seseorang harus memperhitungkan kepadatan objek-objek perdagangan, karena “konsumsi” lingkungan menyebabkan penurunan kemungkinan pembelian. Aliran orang tidak terbatas, hal yang sama berlaku untuk sumber daya keuangan dan kemampuan fisik mereka.

Algoritma untuk memecahkan masalah dalam memilih lokasi terbaik untuk suatu objek adalah bahwa potensi yang diperoleh sebagai fungsi dari komponen utama sedekat mungkin dengan potensi kumpulan objek dari tipe "objek"; maka perbedaan antara potensi model dan potensi objek dari jenis "objek" dihitung; nilai potensi kontribusi dari satu "objek" dikurangi dari perbedaan yang dihasilkan; nilai-nilai negatif yang diperoleh dalam kasus ini diganti dengan nol, yaitu, tempat-tempat di mana tidak ada sumber daya yang cukup untuk berfungsinya “objek” baru dihilangkan.

Sebagai hasil dari tindakan, kami memperoleh titik-titik wilayah dengan nilai potensial positif, yaitu lokasi lokasi yang menguntungkan dari "objek" kami.

Dengan kata lain, kami memiliki potensi yang dihitung dari semua faktor yang kami miliki dan faktor yang kami inginkan untuk membangun model dan menganalisis area tematik yang dipilih (perdagangan, industri, budaya, lingkungan sosial, dll.)

Untuk ini, perlu memilih faktor untuk membangun variabel lingkungan - komponen utama - dan kemudian menghitung model dari mereka.
Kami mengusulkan untuk memilih faktor dengan menganalisis korelasi semua faktor dengan faktor referensi dari area tematik. Misalnya, untuk budaya, bisa teater, untuk sistem pendidikan sekolah, dll.

Kami menghitung korelasi potensi standar dengan potensi semua faktor. Kami memilih faktor-faktor yang koefisien korelasinya dalam nilai absolut lebih besar dari nilai tertentu (sering kali nilai koefisien korelasi minimum = 0,3).
$$$| Kkorr_i | > 0,3$ (6)
dimana $$$| Kkorr_i |$ - nilai absolut dari koefisien korelasi faktor ke-i dengan standar.

Korelasi dipertimbangkan untuk semua node dari grid yang mencakup wilayah.

Perbedaan antara potensi model dan potensi objek dengan tipe yang sama dengan objek baru dalam persamaan (2) menunjukkan potensi wilayah yang dapat digunakan untuk menemukan objek baru.

Sebagai hasilnya, kami memperoleh nilai potensi, yang mencirikan tingkat manfaat dari lokasi "objek" di wilayah studi.

Contoh cara menampilkan area yang direkomendasikan secara grafis untuk lokasi "objek" baru diberikan di bawah ini.



Dengan demikian, hasil penyelesaian masalah memilih lokasi terbaik untuk objek baru dapat direpresentasikan sebagai perkiraan wilayah dalam poin di setiap titik, memberikan gagasan tentang potensi untuk menempatkan objek investasi, mis. Semakin tinggi skor, semakin menguntungkan untuk memposisikan objek.

Sebagai kesimpulan, perlu disebutkan bahwa dalam artikel ini kami hanya memeriksa satu masalah yang dapat diselesaikan dengan menggunakan analisis wilayah, memiliki data dari sumber-sumber publik. Bahkan, ada banyak masalah yang dapat diselesaikan dengan bantuannya, jumlah mereka hanya dibatasi oleh imajinasi Anda.