Uso de potenciais térmicos para análise de território

Um exemplo de cálculo do potencial térmico de uma rede de ruas em Níjni Novgorod

O território da cidade é um sistema complexo e heterogêneo, em constante mudança. É possível descrever o território e avaliar o ambiente urbano usando objetos espaciais (fatores). Os fatores que descrevem o território são diferentes na natureza de sua influência (positiva, negativa) e na configuração geométrica (pontos, linhas, polígonos).

Muitas vezes, é difícil determinar o grau de influência de cada objeto individual no nível de desenvolvimento do território como um todo ou em algum aspecto particular dele. Hoje, o problema de definir e descrever conceitos como “cultura”, “esfera social”, “tensão social”, “boa vida”, “desenvolvimento econômico” e “saúde pública” está se tornando cada vez mais relevante. A ambiguidade desses conceitos aumenta se queremos aplicá-los a diferentes grupos sociais, populações de diferentes idades e sexos.

Além disso, deve-se notar que os limites da cidade no conceito moderno são bastante arbitrários. A migração diária da população, a acessibilidade de transporte de áreas remotas "obscurecem ainda mais a fronteira" da cidade. A noção amplamente usada de aglomeração como um todo reflete os limites da cidade, mas ao mesmo tempo torna o próprio conceito dos limites da cidade ainda mais vago.

Apesar dos problemas descritos acima, a análise e avaliação dos territórios hoje são algumas das áreas promissoras e interessantes que permitem solucionar muitos problemas urgentes do ambiente urbano.


O artigo propõe considerar um método de análise do território usando o modelo "térmico". A base desse método é o estudo de potenciais criados por objetos (fatores) de várias naturezas (pontuais, lineares e areais). A análise do território usando esse método torna possível mover de um conjunto de dados espaciais (fatores) que descrevem o território para uma estimativa numérica exata (ponto) em cada ponto do território.

Os potenciais estudados como parte da análise do território têm uma interpretação física - a distribuição do calor em meios de diferentes dimensões (2D, 3D). Esse fenômeno pode ser representado na forma de imagens "térmicas" (mapas "térmicos" do território)), dando uma idéia do grau de desenvolvimento do território, dependendo da intensidade da cor da imagem.

Fatores de Território

A análise do território envolve a busca e o processamento de informações sobre fatores de influência no território e seus indicadores. Fatores de influência são objetos que afetam o território circundante, possuindo um conjunto de características e coordenadas espaciais. Exemplos de fatores de influência incluem lojas, instalações industriais, estradas, florestas, corpos d'água.

Indicadores de influência são objetos que refletem a influência de objetos e também possuem um conjunto de características e coordenadas espaciais. Exemplos de indicadores de impacto: caixas eletrônicos, outdoors, monumentos.

Na apresentação a seguir, usaremos o conceito de fatores de influência, combinando termos - fatores e indicadores de influência.

A seguir, é apresentado um exemplo de dados espaciais que estão influenciando fatores.



Uma das etapas importantes do trabalho de análise de territórios é a etapa de coleta e processamento de informações iniciais. Hoje, existem muitas informações sobre fatores de influência no território, com graus variados de detalhes.

É possível obter informações de fontes abertas ou de acesso limitado. Em muitos casos, a informação aberta é suficiente para análise, embora, como regra, precise de um processamento bastante demorado.

Entre as fontes abertas, o líder, em nossa opinião, é o recurso - OpenStreetMap (OSM). As informações obtidas dessa fonte são atualizadas diariamente em todo o mundo.

As informações de recursos do OpenStreetMap (OSM) são apresentadas nos seguintes formatos:

- formato OSM. O formato básico com a extensão ".osm" é usado para descrever imagens XML - nós, caminhos, relacionamentos.

- "formato polonês". Um formato de texto com a extensão ".mp" é usado para trabalhar com gráficos.

- formato PBF. Formato de armazenamento de dados com a extensão ".osm.pbf".

Como fontes de informação, você também pode usar:

- 2GIS
O recurso contém informações processadas mensalmente de alta qualidade, com um excelente classificador de três níveis para empresas e organizações.

- arquivos KML (Keyhole Markup Language)
Os arquivos KML (Keyhole Markup Language) são um formato de arquivo usado para exibir dados geográficos no Google Earth, Google Maps e Google Maps para dispositivos móveis.

Usando arquivos KML, você pode:
- defina vários ícones e faça assinaturas para indicar lugares na superfície da Terra
- crie vários ângulos para objetos selecionados, alterando a posição da câmera
- use várias imagens de sobreposição
- define estilos para personalizar a exibição do objeto, usa código HTML para criar hiperlinks e imagens incorporadas
- use pastas para agrupamento hierárquico de itens
- receba e atualize dinamicamente arquivos KML de hosts remotos ou locais
- Receba dados KML de acordo com as alterações no visualizador em 3D

- Serviço Federal de Registro, Cadastro e Cartografia do Estado "Rosreestr"
As informações no portal Rosreestra são valiosas por seu conteúdo e relevância, mas, infelizmente, não permitem obter um cronograma para projetos de construção de capital e terrenos de forma gratuita. O portal Rosreestra também contém uma grande quantidade de informações restritas.

- autoridades estatísticas
Os dados estatísticos são uma fonte legítima de informações sobre o território; no entanto, atualmente, os dados das autoridades estatísticas estão disponíveis apenas para um certo número de indicadores, principalmente em relatórios de autoridades estatísticas e relatórios de autoridades regionais.

- Sistemas de informação do governo
Informações de alta qualidade estão contidas nos sistemas de informação do governo, mas apenas uma pequena parte delas é publicada em domínio público e disponível para análise.

A análise dos territórios não impõe nenhum requisito específico à composição das informações; na verdade, você pode usar tudo o que encontrar; as informações de fontes abertas são intercambiáveis ​​como regra. No entanto, deve-se notar que mesmo apenas as informações recebidas do recurso OSM são suficientes para fazer uma análise de um território desconhecido.

Análise do território usando o modelo "térmico". Interpretação física de potenciais

Como mencionado anteriormente, a análise do território hoje é um tópico urgente e uma ferramenta poderosa para atrair razoavelmente investimentos no desenvolvimento de infraestrutura de vários ambientes urbanos.

Uma variedade de tarefas que podem ser resolvidas analisando territórios pode ser combinada em várias áreas grandes:

- Obter a avaliação mais interpretada e detalhada do território em cada um dos seus pontos.
Resolvendo esse problema, é possível obter um conjunto de estimativas de pontos em cada ponto do território, fornecendo uma idéia do nível de desenvolvimento do território em geral, bem como em alguma área de assunto. Essa área de assunto pode ser, por exemplo, cultura, indústria, comércio etc.

- Determinação dos locais mais vantajosos para a colocação de objetos de investimento de um determinado tipo (por exemplo, bancos, lojas especializadas, centros de compras e entretenimento, etc.) no território selecionado.

- Análise do uso mais eficiente do território.
Essa direção permite um estudo detalhado das características do território, a situação do mercado prevalecente na área de estudo e a identificação das opções demandadas.

- Determinação da contribuição de um fator para o modelo de custo, usando o exemplo do surgimento de novas estradas e novas rotas.

- Análise de diferentes aspectos de um território e análise de diferentes territórios (comparação de territórios).

A originalidade do método de análise do território proposto no artigo, utilizando o modelo “térmico”, consiste em utilizar indicadores do desenvolvimento do território - potenciais, apresentados em termos numéricos e refletindo o grau de influência do objeto (fator de influência) no território.

Para entender a essência do estudo, algumas palavras devem ser ditas sobre o potencial térmico em si e dar sua interpretação física.

Na física, existem conceitos como um campo de força e uma função de força . O campo de força tem a dimensão da energia, a função força é a dimensão da força.

Para a lei da gravidade, o campo de força é determinado pela fórmula:

$$$F = k / r2$onde
k é uma constante;
r é a distância entre objetos em interação.

A função de força ϕ é determinada pela expressão:

$$$dϕ = -F * dr$onde
ϕ é o potencial do campo de força;
dϕ, dr são diferenciais;
r é a distância entre objetos em interação,

portanto $$$ϕ = k / r$.

O significado físico do potencial do campo de força ϕ é o trabalho E realizado pelo campo de força ao passar por um determinado caminho. No caso da lei da gravitação universal, quando a distância ao objeto muda de r2 para r1, a função força é determinada pela fórmula

$$$E = k * (1 / r1-1 / r2)$onde
E - trabalho realizado por um campo de força ao passar por um determinado caminho;
r1, r2 - a posição inicial e final do objeto.

Para a tarefa de analisar o território, a influência de objetos (fatores) no território pode ser considerada como força ( função de potência ) e o nível de desenvolvimento do território como o potencial térmico total ( campo de força ) de todos os objetos (fatores). Nos problemas da física, o potencial térmico é a temperatura, e nos problemas de análise de territórios usando o modelo "térmico", o potencial é o efeito total de todos os fatores que influenciam o ponto do território.

Dados espaciais são pontos, linhas, polígonos. Para calcular os potenciais, os dados espaciais estendidos são divididos em pequenos fragmentos. Para cada fragmento, é calculado o potencial de um ponto com um fator igual ao tamanho do fragmento do objeto (fator).

Os dados são divididos em grupos semânticos de acordo com o princípio da similaridade próxima. Por exemplo, objetos de comércio são combinados por mercadorias. Existem grupos de objetos da floresta, corpos d'água, assentamentos, pontos de ônibus, etc. Os grupos significativos são um fator. Passando por todos os objetos (fatores), obtemos um conjunto de potenciais térmicos adequados para processamento adicional.

O uso de potenciais (“mapas de calor”) permite passar de dados espaciais para imagens “térmicas” de objetos (fatores) de influência no território (visualização de potenciais). Essa transição torna possível determinar o grau de presença do fator em cada ponto do território e realizar análises adicionais, ou seja, exibir diferentes direções de desenvolvimento da cidade em cores. Assim, obtemos um brilho de intensidade variável para cada ponto do território.

Exemplos de imagens "térmicas" do território de Nizhny Novgorod no contexto de vários fatores são apresentados abaixo.


Mapa "térmico" de N. Novgorod, refletindo o fator "Cadeia de farmácias"


Mapa "térmico" de N. Novgorod, refletindo o fator "Policlínicas para adultos"


Mapa "térmico" de N. Novgorod, refletindo o fator "Policlínicas infantis"


Mapa "térmico" de N. Novgorod, refletindo o fator "zonas industriais"

Imagens "térmicas" do território permitem determinar a concentração de potenciais de vários objetos de influência. Em seguida, é necessário combinar os potenciais obtidos em uma característica integral que permita uma avaliação do território por um grande número de fatores. Para fazer isso, você precisa de um método que permita analisar uma grande quantidade de informações, reconhecer objetos e também reduzir a dimensionalidade dos dados, perdendo a menor quantidade de informações. Um desses métodos é a análise de componentes principais (PCA). Você pode ler mais sobre esse método na Wikipedia .

A essência do método é encontrar uma combinação linear de parâmetros iniciais, que muda mais fortemente no campo da análise. Para dados espaciais - o mais variável em todo o território.

O método dos componentes principais identifica objetos (fatores) que variam mais fortemente em todo o território. Como resultado do trabalho do método, novas variáveis ​​aparecem - os principais componentes, mais informativos em comparação com os dados iniciais, com os quais é mais fácil analisar, descrever e visualizar o território, o que facilita a construção de modelos.

Os principais componentes são expressões analíticas - a soma dos potenciais dos fatores iniciais com alguns coeficientes. No entanto, se algum fator tiver um impacto significativo no território, mas não mudar no território analisado, o método do componente principal não incluirá esse fator na composição dos componentes principais.

Os principais componentes são ordenados em ordem decrescente de informações - ou seja, espalhados por todo o território. Os primeiros componentes principais carregam muito mais informações do que fatores individuais e descrevem bem o território. Como regra, ao usar cerca de cem fatores, o primeiro componente principal carrega cerca de 50% de todas as informações (dispersão) em todo o território. Os principais componentes não se correlacionam e podem ser usados ​​para modelos como características do território em cada ponto.

O componente principal, como indicador calculado abstratamente do território, não possui nome e classificação claros. No entanto, a combinação de fatores fortemente correlacionados com o componente principal permite a interpretação dos componentes principais. Como regra, os seguintes fatores se correlacionam com os principais componentes:

- nível de desenvolvimento da infraestrutura;
- componente de transporte do território;
- zonas climáticas;
- nível de desenvolvimento agrícola;
- potencial econômico do território.

Uma análise mais aprofundada, incluindo clustering, vem com alguns dos primeiros componentes principais significativos.

Nas figuras, você pode ver uma exibição gráfica dos primeiros componentes principais em várias cidades da Federação Russa.


O primeiro componente principal que caracteriza o nível de desenvolvimento da infraestrutura urbana em N. Novgorod


O primeiro componente principal que caracteriza o nível de desenvolvimento da infraestrutura urbana em Ecaterimburgo


O primeiro componente principal que caracteriza o nível de desenvolvimento da infraestrutura urbana em Kazan


O primeiro componente principal que caracteriza o nível de desenvolvimento da infraestrutura urbana em Perm


O primeiro componente principal que caracteriza o nível de desenvolvimento da infraestrutura urbana em Samara


O primeiro componente principal que caracteriza o nível de desenvolvimento da infraestrutura da cidade de Khabarovsk

Recursos integrais: Clustering

A próxima etapa do trabalho de análise de territórios é a busca de áreas urbanas de qualidade uniforme. Essa pesquisa é baseada em uma análise dos valores dos principais componentes em cada ponto do território. A tarefa de procurar essas zonas homogêneas pode ser resolvida usando o agrupamento - o processo de agrupar territórios de acordo com o princípio da proximidade de um conjunto de características.

O agrupamento territorial tem dois objetivos:

- criar uma melhor visualização percebida do território;
- alocação de áreas para a compilação de modelos individuais.

Os territórios são agrupados de acordo com os fatores selecionados para análise. Esses fatores podem ser fatores que afetam os preços ou fatores que descrevem algum aspecto do desenvolvimento de um território, por exemplo, a esfera social.

Existem dois métodos clássicos comuns de agrupamento: o método K-means e o método dendrograma. Ao trabalhar com territórios, o método K-means mostrou-se bem, cuja peculiaridade é o "crescimento" do cluster, conectando novos objetos aos pontos de crescimento. As vantagens do método K-means são a semelhança de seu trabalho com o processo natural de formação de territórios: integração de outros semelhantes, em vez de separação de diferentes.

O método K-means foi usado para calcular Nizhny Novgorod (Figura abaixo).


Correspondência de clusters ao nível de desenvolvimento do território pelo exemplo da cidade de N. Novgorod

Com a abordagem proposta, você pode ter uma idéia do território sobre vários tópicos. Os tópicos de interesse para nós podem ser, por exemplo, o nível de desenvolvimento da infraestrutura urbana, o nível de "elitismo" do território, o nível de desenvolvimento da cultura, o componente social do desenvolvimento do território. Esses tópicos são conceitos integrais mal definidos e consistem em muitos fatores inter-relacionados.

Com algum algoritmo para selecionar parâmetros para análise (inclusive com o envolvimento de especialistas), obteremos mapas temáticos que dão uma idéia de um aspecto do desenvolvimento do território.

As características integrais são entendidas como os primeiros componentes principais, antes de tudo o primeiro componente principal mais informativo e o agrupamento do território de acordo com os parâmetros selecionados.

Mapas temáticos dos primeiros componentes principais sobre vários aspectos do desenvolvimento são apresentados nas figuras abaixo.


Mapa temático “Objetos culturais” no exemplo de N. Novgorod


Mapa temático “Esfera social” no exemplo de N. Novgorod

Características integrais permitem compreender as características do território, operando com muitos fatores com perda mínima de informações.

Concluindo, vale ressaltar mais uma vez que hoje a análise de territórios é uma etapa extremamente importante para solucionar os problemas de desenvolvimento do ambiente urbano, escolher locais para investir em construção, encontrar o local mais favorável para novos objetos e outras tarefas.

O método de análise do território proposto no artigo, utilizando o modelo “térmico” de fatores de natureza diferente, não é crítico para o conjunto de fatores, ou seja, não impõe restrições e requisitos às informações de origem.

A diversidade e redundância das informações de origem, bem como a capacidade de usar dados abertos, oferece perspectivas ilimitadas para a análise de qualquer território do mundo.

Nas seguintes publicações dedicadas aos problemas da análise territorial, planejamos revelar os recursos da compilação de modelos usando os principais componentes e métodos para sua implementação em tarefas como:

- escolher o melhor local para colocar um novo objeto;
- construir uma superfície de preço para uma determinada categoria de objetos usando valor de mercado;
avaliação da rentabilidade de um determinado tipo de atividade, dependendo da localização dos objetos.

Também está planejado introduzir métodos de transição inversa dos principais componentes para fatores, o que, por sua vez, permite obter um modelo de fatores para um determinado território.