Architecton: Proceedings of Higher Education №2 (82) June, 2023

Urbanistics

A methodology for determining the city's urban space population

УДК: 711.4–112, 711.4–16
DOI: 10.47055/19904126_2023_2(82)_23

Abstract

Введение

Устойчивое развитие урбанизированных территорий опирается на результативную градостроительную политику, учитывающую ограниченный ресурсный потенциал территории, социально-экономические и пространственные процессы. Урбанизация основана на процессах создания и уплотнения связей, отличающихся центростремительной или центробежной направленностью [1]. Это позволяет рассматривать урбанизированное пространство города и конгломератовые образования – узлы концентрации ресурсов и процессов агломерирования – в качестве систем. Городские и агломерационные системы отличаются динамичностью, непостоянством и неравномерностью роста, обладают структурой, возможной к разделению на подсистемы. Их характеристики соответствуют сложным системам, развитие которых происходит эволюционным путем [2]. Это позволяет отнести городские и агломерационные системы к автокаталитическим, или самоорганизующимся [3].

Сложность в управлении самоорганизующимися системами заключается в недостаточной обоснованности стратегических и планировочных решений ввиду искаженности результатов анализа. Это связано с обобщением эмпирических оценок, недостаточной точностью исследований и принятием статистических величин системы пропорциональными для ее частей. Для верификации градостроительных решений требуются методики исследования, отличающиеся сравнительно высоким качеством обработанной геоинформации и результатом ее интерпретации. В связи с этим объектом исследования определяется город как самоорганизующаяся система в административных границах. Предметом исследования выступают демографические характеристики урбанизированных территорий – распределение населения в пространстве города.

Исследование подготовлено с целью повышения эффективности оценки демографических ресурсов урбанизированных территорий. Для этого разработана структура методики, включающая алгоритм расчета антропогенной нагрузки на основе данных дистанционного зондирования, вводятся коэффициенты влияния регламентов территориальных зон документации градостроительного зонирования на численность населения, описывается механизм расчета достигаемых значений. Апробация методики проведена на примере города Иркутска Иркутской области.

Исследованием предполагается, что корреляционная зависимость между исходной функционально-планировочной ситуацией и характеристиками градостроительных регламентов территориальных зон по шкале Чеддока больше или равна 0,70 [4]. Разработанная методика соответствует требованиям отечественной нормативно-правовой документации, организующей градостроительную деятельность, применима в контексте различных самоорганизующихся систем и адаптивна к задачам исследования экономико-географических, социально-экономических и геопространственных наук.

Методы и инструменты

В качестве исходных данных для расчета численности населения используются результаты дистанционного зондирования – съемка спутника Landsat 8-го или 9-го поколения, а также документация градостроительного зонирования, включая площадные векторы с геоинформацией о местоположении территориальных зон, их количественные и качественные характеристики – градостроительные регламенты.

Применимость результатов дистанционного зондирования оценивается при выполнении следующих условий:

1. Процент облачности тайла (от англ. tile) не должен превышать 5–10%, значение для территории исследования в области видимости тайла должно быть равным 0%.
2. Период съемки необходимо выбирать с учетом вегетационных особенностей территории исследования. Исследованием рекомендуется использовать данные съемки, подготовленные в апреле и мае для снижения перекрывающего эффекта древесной растительности;
3. При потребности использования нескольких тайлов ввиду отсутствия целостного охвата территории исследования требуется использовать спектральную съемку, подготовленную в один временной период.

Для проверки условий используются данные дистанционного зондирования, отличающиеся вариативностью результатов обработки исходных данных. В связи с этим в исследовании принято, что обработку данных дистанционного зондирования целесообразно осуществлять на основе спектральной съемки. Исследование ставит своей целью анализ урбанизированных территорий, что в отношении спектральной съемки требует выявления антропогенно измененных и застроенных ландшафтов. В связи с этим целесообразно применение синтеза каналов 5-4-3: застройка отображается зелено-голубыми оттенками; 7-5-3: застройка отображается розово-фиолетовыми оттенками; 5-6-2: урбанизированные территории отображаются белесыми, серыми и зелено-голубыми оттенками; 7-6-4: урбанизированные территории отображаются белесыми, зелено-голубыми и малиновыми оттенками [5]. Для упрощения интерпретации данных используется цветовая вариация спектра, соответствующая синтезу каналов 7-5-3.

Использование нескольких тайлов возможно путем мозаики (англ. mosaicking). Исследованием определено, что наиболее точный результат мозаики доступен к получению инструментами растушевки и нормализации области наложения тайлов программного обеспечения SAGA и ArcGISPro [6–8]. Исходная пространственная единица соответствует размеру пикселя тайла и в натуральной величине составляет 30 на 30 м. Повышение детальности изображений не требуется.

В отношении документации градостроительного зонирования определен перечень количественных и качественных характеристик территориальных зон, необходимый для расчета коэффициентов нормализации данных о распределении жилой застройки на урбанизированных территориях (табл. 1).

Таблица 1
Количественных и качественные характеристики территориальных зон

Исследованием определены методы, лежащие в фундаменте подготовленной методики [9]:

1. Метод агрегирования геокодированных микроданных

На основе местоположения точечных данных о численности населения ячейкам демографической сетки территории исследования присваивается числовое значение, являющееся результатом арифметических операций над исходными данными. Например, при наличии множества точечных данных проводятся операции суммирования, усреднения, определения предельной численности населения в пределах ячейки.

2. Метод дезагрегирования геоинформации

При отсутствии геокодированных микроданных о численности населения используются статистические данные, числовое распределение которых основывается на вспомогательных пространственных данных. Вспомогательными определяются данные о землепользовании, вегетационно-почвенные и ландшафтные геоданные. Базовый подход к использованию метода предполагает визуальную интерпретацию спутниковых снимков в целях выявления жилой застройки в ячейках демографической сетки. Применение исключительно одного метода деагрегирования геоинформации не рекомендуется в силу наличия значительной погрешности результатов пространственной оценки.

3. Гибридный метод

Сущность метода заключается в поиске компромиссного решения при выборе между точностью и доступностью исходных данных. Геокодирование ячеек демографической сетки происходит путем аккумулирования информации из административных и статистических источников.

Исследование предлагается алгоритм применения методики, в целях обоснования выводов разделенный на этапы. На этапе сбора исходных данных происходит подготовка тайлов спектральной съемки Landsat, включающая мозаику, синтез каналов съемки и фреймовую обрезку тайлов по границам территории исследования (рис. 1.1). Фреймовая обрезка необходима для ускорения автоматизированных процессов обработки исходных данных.

Рис. 1. Подготовительный этап методики определения численности населения урбанизированного пространства города.
Сост. Ю. Е. Семенов

На полученное изображение накладывается демографическая сетка, соответствующая пространственному охвату тайла. Сторона ячейки принимается кратной планировочно-структурным модулям – 6, 30, 75, 100, – и рекомендуется в зависимости от параметров территории и цели исследования, равной 150 или 300 метров [10]. Таким образом, ячейка демографической сетки соответствует 1–2 кварталам, рекомендуемым Стандартом комплексного развития территории [11] (рис. 1.2).

Цель следующего этапа – извлечение геоинформации, содержащейся в спектральной съемке. В связи с этим происходит векторизация изображения, в результате которой каждому пикселю разрешением 30 на 30 м. присваивается уникальное значение R, соответствующее спектру отражения поверхности, зафиксированной на нем. С учетом выбранных каналов, использованных для синтеза спектральной съемки, выявляется диапазон значений, соответствующих урбанизированным территориям (рис. 2.3).

Рис. 2. Этап извлечения данных методики определения численности населения урбанизированного пространства города.
Сост. Ю. Е. Семенов

Переход от разрешения пикселя к разрешению демографической сетки происходит в результате построения для каждого пикселя цетроида с присвоения ему значения R, усреднением значений R центроидов, находящихся в пределах ячейки K_n, и присвоением ячейке полученного значения R_ср (рис. 2.4).

Точность результатов расчета численности населения повышается за счет использования пространственных регламентов землепользования и застройки. На демографическую сетку накладываются территориальные зоны так, что сегмент S(К₁) = S(ТЗ₁) + S(ТЗ₂) + … + S(ТЗ_n), где ТЗ₁, ТЗ₂ … ТЗ_n – условные номера территориальных зон, расположенных в границах сегмента К₁(рис. 3.5, 6).

Рис. 3. Этап агрегирования геоинформации методики определения численности населения урбанизированного пространства города.
Сост. Ю. Е. Семенов

Усредненное значение R_n сегмента K_n уточняется коэффициентом потенциала урбанизации M, рассчитываемого как ∑S(ТЗ_t)*T_t / S(K_n),

где S(ТЗ_t)– площадь фрагмента территориальной зоны, расположенной в пределах сегмента K_n, T_t – коэффициент нормализации усредненного значения отражения поверхности сегмента K_n, S(K_n) – площадь сегмента K_n.

Коэффициент нормализации усредненного значения отражения поверхности сегмента Kn определяется как T_t = Кэ(K_n)* К_з(K_n) / countТЗ_ВРИ, где К_э – коэффициент этажности, К_з – коэффициент застройки, определенные в табл. 1, а также countТЗ_ВРИ – количество видов разрешенного использования, допускающих размещение жилой застройки в пределах территориальной зоны.

Завершающий этап интерпретации предполагает оценку пропорционального распределения численности населения относительно рассчитанных уточненных значений R₁(M₁), R₂(M₂), R₃(M₃),…,R_n(M_n) для сегментов демографической сетки K₁, K₂, K₃, …, K_n.

Результаты

Предложенная методика определения численности населения урбанизированного пространства города апробирована на урбанизированном пространстве  Иркутска.

Для апробации методики подготовлены исходные данные:

1. Спектральная съемка Landsat 8–9 OLI/TIRSC2 L1 за период 02.05.2022 – 11.05.2022, процент облачности тайла равен 3.85, система координат –WGS 84 / UTMzone 48N.

2. Численность постоянного населения  Иркутска на 2022 г. – 617 249 чел. [12]; Максимальный параметр высотности (Э_max) – 60 м;

3. Рассчитанные исследованием количественные и качественные характеристики территориальных зон представлены в табл. 2.

Таблица 2
Количественных и качественные характеристики территориальных зон Иркутска

Коэффициент нормализации T_t используется для уточнения результатов обработки данных дистанционного зондирования. Арифметическая операция по его расчету проводится в качестве примера для территориальных зон ЖЗ-102 и ЖЗ-102/И, расположенных вне исторической части Иркутска: T_t=(0,3*0,4 + 0,2*0,4 + 0,2*0,6) / 3 = 0,107 (табл. 2).

В рамках подготовительного этапа апробации методики на примере Иркутска включает синтез спектральной съемки по каналам 7-5-3, подготовку демографической сетки с размерностью ячейки 300 на 300 м и исключение пространственных данных вне границ территории исследования – границ городского округа «города Иркутск» (реестровый номер 38:00-3.12) (рис. 4).

На этапе извлечения данных демографической сетке присвоены усредненные значения отражения поверхности спектральной съемки. На рис. 4 представлена классификация значений, соответствующая степени урбанизации территории исследования, в диапазоне от естественных природных ландшафтов (степень урбанизации – 0%) до сильно измененных урбанизированных территорий (степень урбанизации – 100%).

Рис. 4. Апробация подготовительного этапа и этапа извлечения данных методики определения численности населения
урбанизированного пространства города на примере города Иркутска. Сост. Ю. Е. Семенов

Выявлено, что к наименее измененным ландшафтам можно отнести речную долину города, включая пойменные территории и нижний уровень террасы, а также олесненные участки, являющиеся объектами охраны. Ввиду законодательных и пространственных ограничений хозяйственного освоения природные ландшафты являются естественными преградами экстенсивного роста города в пределах существующих земельных ресурсов. Таким образом, крупные массивы жилой застройки расположены в северо-западном, юго-западном, южном, юго-восточном, восточном и северо-восточном направлениях относительно геометрического центра Иркутска.

Для оценки распределения ночного населения городской системы используются сведения регламентов, определяющих как характеристики застройки, так и ее функциональную принадлежность. В результате наложения демографической сетки на существующие территориальные зоны формируются сегменты, в границах которых расположена жилая застройка, либо застройка, содержащая жилую функцию (рис. 5).

С учетом характеристик территориальных зон документации градостроительного зонирования определяется, что селитебные территории преимущественно представлены малоэтажной (в том числе индивидуальной) и среднеэтажной застройкой. Тем не менее, наибольшая численность населения сконцентрирована в многоэтажной застройке на северо-западе, юго-западе, юге и юго-востоке относительно геометрического центра Иркутска.

Рис. 5. Апробация этапа агрегирования данных методики определения численности населения
урбанизированного пространства города на примере Иркутска. Сост. Ю.Е. Семенов

На завершающем шаге этапа агрегирования данных подготовлена матричная сетка распределения ночного населения г. Иркутска (рис. 6). Для удобства оценки полученных результатов применяется классификация, базирующаяся на числовых диапазонах.

Исследованием определено, что существует дисбаланс в распределении селитебных территорий Иркутска – на северо-западе, юге и юго-востоке превалируют спальные районы. С точки зрения теории трансектного планирования наблюдается поступательный интенсивный рост города в северо-западном, южном и юго-восточном направлениях [13].

Рис. 6. Распределение населения Иркутска на 2022 г. по результатам применения методики определения
численности населения урбанизированного пространства города. Сост. Ю.Е. Семенов

Тенденция обусловлена системностью и плановостью пространственного развития, отражающего общемировые закономерности процесса урбанизации. Кроме того, выявлен скачкообразный фрагментарный рост в западном и юго-западном направлениях. Возникновение участков территории с плотностью населения до 720 чел. на га вызвано открытием общественно-деловых объектов, введением в оборот земель, собственность на которые не разграничена, а также реализацией проектов жилых комплексов с высокой маржинальностью.

Угроза для устойчивого стабильного роста Иркутска – локальные решения с коротким горизонтом прогнозирования. Их последствиями являются маргинализация спальных районов ввиду их удаленности от инфраструктур города и внесистемное влияние на транспортную сеть, влекущее заторы в часы пиковой нагрузки и перебои в работе общественного транспорта.

Для снижения негативных последствий принятых решений и предотвращение возникновения новых угроз развитию города рекомендуется применение разработанной методики в рамках ретроспективно-темпорального анализа. На его основе оценивается полезность градополитических, пространственных и социально-экономических решений на рост Иркутска.

Выводы

Предложенная исследованием методика определения численности населения эффективна при расчете демографических ресурсов городской системы. Результаты исследования отличаются масштабируемостью – расчет численности населения для сегментов от 9 га, универсальностью – методика применима в отношении урбанизированных территорий, для которых определены регламенты землепользования и застройки.

Методика лежит в основе исследований, направленных на повышение эффективности и предсказуемости пространственного развития урбанизированных территорий. На ее основе возможен прогноз перспектив роста урбанизированного пространства города в целях урегулирования, этапирования и систематизации землепользования.

В исследовании определены требования к исходным данным методики; предложена структура методики, включающая алгоритм ее использования – подготовительный этап, этап извлечения данных и этап интерпретации; вводятся расчетные величины, необходимые для получения высокоточного результата, и механизм их применения.

References

1. Andreeva, Yu.V. (2011) Organization of the elements in the hierarchical structure of the agglomerations of southern Russia. AMIT, vol. 16, No. 3, pp. 1-10. (in Russian)

2. Gospodinov, S.G., (2022) Emergence and evolution of systems. Educational Resources and Technologies, vol. 38, no. 1, pp. 91-97. (in Russian)

3. Sidorova, A.E., (2022), Models of self-organization in the evolution of biological systems of micro- and macrolevels. Abstract of Ph.D. dissertation, Biophysics, Lomonosov Moscow State University. (in Russian)

4. Shikhov, A.N., Gerasimov, A.P., Ponomarchuk, A.I. and Perminova, E.S. (2020), Thematic Decoding and Interpretation of Space Images of Medium and High Spatial Resolution, 1st ed. Perm: Perm State National Research University. (in Russian)

5. SAGA-GIS Tool Library Documentation (v7.7.0) (2003), “Tool Mosaicking”. Available at: https://saga-gis.sourceforge.io/saga_tool_doc/7.7.0/grid_tools_3.html  (Accessed 11 April 2023).

6. Saga GIS tutorials. Mosaicking imagery. Available at: https://sagatutorials.wordpress.com/mosaicing-imagery/  (Accessed 11 April 2023).

7. ESRI CIS. Creation of seamless mosaics in ArcGIS on the example of Sentinel-2 images. Available at: https://blogs.esri-cis.com/2020/10/14/create-mosaic-arcgis/  (Accessed 11 April 2023). (in Russian)

8. Methodological manual on territorial typologies (2019). Publications Office of the European Union, Luxembourg.

9. Potayev, G.A., (2015). Methodology of urban planning design: educational and methodological manual for the specialty "Urban Planning" for the II stage of higher education (master's degree)”. Minsk: Belarusian National Technical University. (in Russian)

10. Dom RF. Standard of complex development of territories. Available at: https://дом.рф/urban/standards/printsipy-kompleksnogo-razvitiya-territoriy/  (Accessed 15 April 2023). (in Russian)

11. Federal State Statistics Service Territorial body of the Federal State Statistics Service in the Irkutsk region. Number of permanent population of the Irkutsk region by municipalities (at the beginning of the year). Available at: https://38.rosstat.gov.ru/storage/mediabank/post_nas_2022.html  (Accessed 17 April 2023). (in Russian)

12. Al-Jaberi, A.A.H., Per'kova, M.V. (2019), Concepts of new urbanism: trans-sectoral development, or cut-and-paste planning, Bulletin of TGASU, No. 3, pp. 133-143. (in Russian)

13. Bavrina, A.P., Borisov, I.B. (2021) Modern rules of correlation analysis application. In Aid of the Researcher, vol. 68, No. 3, pp. 70-79. (in Russian)

Citation link

Semenov, Yu.E., Repkin, A.I., Belomestnykh, S.S. A methodology for determining the city's urban space population [Online] //Architecton: Proceedings of Higher Education. – 2023. – №2(82). – URL: http://archvuz.ru/en/2023_2/23/  – doi: 10.47055/19904126_2023_2(82)_23

Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons "Attrubution-ShareALike" ("Атрибуция - на тех же условиях"). 4.0 Всемирная