Можно ли предсказать жизнь города по форме его кварталов?

Шелудков Александр Владимирович

Сомов Эдуард Владимирович

Можно ли по конфигурации улиц и зданий предсказать, где откроется кафе, а где возникнут пробки? Участники научно-учебной группы «Пространственный анализ и моделирование городских процессов» ищут универсальные закономерности, используя открытые данные и машинное обучение. Александр Шелудков и Эдуард Сомов рассказывают, зачем сравнивать Ярославль, Тюмень и Владивосток, как морфология города связана с мобильностью жителей, зачем нужна новая городская статистика и почему открытые данные меняют подход к изучению городов.

Этот материал продолжает рассказ о проектах новых научно-учебных групп НИУ ВШЭ.

 

— Как возникла идея вашего проекта? Есть ли у него предыстория?

Александр Шелудков, доцент базовой кафедры Института географии РАН факультета географии и геоинформационных технологий, академический наставник образовательной программы «Пространственные данные и прикладная геоаналитика»

— Вопрос о том, как связана форма городов — конфигурация зданий, улиц, кварталов, их взаиморасположение — с экономическим и социальным развитием городских территорий — плотностью экономической активности, размещением услуг, распределением потоков мобильности (пешеходов и автомобилей) — один из фундаментальных вопросов в географии, городской экономике и архитектуре.

Каждый город уникален, но, как утверждают классические теории, закономерности городского развития, в том числе пространственные структуры, которые оно создает, очень схожи. В любом городе есть центр и периферийные районы, оживленные пешеходные улицы с магазинами и кафе, главные автомагистрали и тихие укромные улочки; есть богатые районы и более бедные; районы, где жизнь кипит днем и спадает к вечеру, и, напротив, — где активность концентрируется в темное время суток. Физическая ткань города, его морфология, создает предпосылки для возникновения этих различий, но и сама способна меняться под давлением экономики и социальных взаимодействий, и тогда здания и районы перестраиваются.

Морфометрия и пространственная статистика пытаются перевести эти различия в цифры — математически описать, как форма улиц и зданий связана с конкретными проявлениями человеческой активности в пространстве. Проблема в том, что модели, которые описывают эту связь, были созданы во времена, когда у нас не было точных и детальных данных для большого количества городов. Сегодня такие данные, в частности для описания городской морфологии, появились. Например, такие открытые картографические сервисы, как OpenStreetMap. Сильно выросли возможности автоматической обработки данных, в том числе алгоритмы машинного обучения и поиска нелинейных связей. Два эти фактора открывают возможности для исследований того, носят ли закономерности в связях между морфологией и функциями городских территорий универсальный характер и, главное, можем ли мы использовать данные о морфологии городов для прогнозирования их дальнейшей экономической и социальной жизни.

Эдуард Сомов, доцент факультета географии и геоинформационных технологий, академический наставник образовательной программы «Пространственные данные и прикладная геоаналитика»

— У нас было несколько источников вдохновения. Например, исследования европейских ученых о таксономии городских форм. Они также построены на принципах использования открытых данных и масштабируемых методов, но их результаты не могут быть однозначно перенесены на Россию, где траектории развития городов значительно отличаются от европейских. Другой источник — это аналитический доклад коллег с факультета городского и регионального развития «Планирование разрастания» (2021). Это первое в своем роде масштабное исследование процессов городского роста в России, с выборкой более чем 90 городов, рассматривавшее, в частности, и некоторые аспекты морфологии. Мы также планируем работать с большой выборкой, но мы делаем акцент на пространственных данных и возможностях их использования для решения разных задач городской аналитики.

— В чем заключается цель проекта?

Александр Шелудков 

— Конечная цель проекта — создание альтернативной городской статистики, которая будет основана на морфометрических характеристиках отдельных зданий, улиц и кварталов, но при этом будет показывать, как функционирует город в целом: как различается доступность районов, где располагаются рабочие места и центры социальной активности, какими маршрутами передвигаются жители и в конечном счете чем одни города отличаются от других. Мы хотим выйти на масштабируемые подходы, которые полностью опираются на открытые данные.

— В чем актуальность проекта?

Александр Шелудков 

— География давно превратилась в науку о больших данных, особенно в области обработки спутниковых снимков. На базе таких информационных массивов каждый год проводят тысячи исследований по всему миру. Городская наука в этом смысле немного отстает: современные городские исследования все более требовательны к данным, а детальной статистики на уровне городских районов и кварталов либо нет, либо она фрагментирована или недоступна в силу сложностей сбора и высокой стоимости. Не хватает стандартизированной информации и общепринятых подходов к ее обработке, чтобы проводить масштабируемые исследования с широкой выборкой. Своей работой мы хотим хотя бы частично закрыть этот пробел. Отчасти это попытка удовлетворить наши собственные потребности в данных, которые возникают при работе студентов над курсовыми и дипломными проектами и при реализации исследовательских проектов на факультете. Но мы уверены, что такие данные и методы будут широко востребованы в академии и за ее пределами.

— Какие результаты рассчитываете получить?

Александр Шелудков

— Первый год проекта посвящен работе с отдельными полигонами, где мы тестируем гипотезы и настраиваем инструменты. В качестве таких полигонов были выбраны Ярославль, Тюмень и Владивосток. Это три крупных города, которые расположены в разных частях нашей страны и по многим параметрам очень непохожи: время основания, характер рельефа (он очень сильно влияет на морфологию), структура застройки, темпы роста. Выбирая столь разные города, мы стремимся ухватить максимально непохожие городские структуры. А в перспективе хотим выйти на расчеты по всем городам России свыше 100 тысяч жителей.

Эдуард Сомов

— Одна из основных задач для нас — не просто получить наборы цифр по каждому городу, а расширить понимание того, как эти цифры связаны с функционированием и развитием и городов в целом, и отдельных городских территорий, причем на разных уровнях пространственной иерархии. Если говорить про локальный уровень, то здесь хотим выйти на взаимосвязи морфометрических показателей с функциональным развитием и сложившимися паттернами мобильности жителей.

Под функциональным развитием мы в первую очередь имеем в виду набор и насыщенность функций (магазины, кафе и т.д.), которые предоставляет определенная территория, например сегмент улицы, квартал или район, а под паттернами мобильности — уровень активности перемещений и то, как они распределены во времени. Таким образом мы планируем выяснить новые закономерности, важные для понимания и прогнозирования этих сложно устроенных городских явлений и процессов.

Но даже без этих закономерностей сам набор показателей и сформированная база данных, которая с высокой детальностью описывает разные стороны и параметры пространственной структуры городской территории, будут значимым результатом проекта. Такая база данных может широко использоваться в самых разных исследованиях на городскую тематику и нести дополнительную ценность с точки зрения как первичных данных, так и данных для интерпретации результата.

— С какими трудностями вы столкнулись или предполагаете столкнуться в ходе реализации вашего проекта?

Александр Шелудков

— Есть сложные методологические проблемы. Любая модель — это упрощение реальности. Нужно отдавать себе отчет в том, что никакая наша модель не сможет уловить все особенности развития городов и их внутренней структуры. В любом случае мы получим лишь какое-то приближение к реальности. Кроме того, с ростом объема данных и переменных уменьшается возможность их содержательной интерпретации. Существуют сотни метрик, которые описывают морфологию городов. Как выбрать необходимые? Как их сочетать? О чем они говорят? При каких условиях могут работать в комплексе? Приходится искать баланс между глубиной и охватом анализа, не теряя при этом понимания самих процессов, возможности описания механизмов городского развития.

Эдуард Сомов

— Одна из трудностей, с которыми нам придется столкнуться, связана с масштабированием. Хоть мы и серьезно подошли к выбору пилотных городов и определили очень разные по набору параметров площадки, они не покрывают всего многообразия возможных вариантов, с которыми мы, безусловно, столкнемся при масштабировании подходов и распространении их на все крупные города. Это значит, что нам придется проводить дополнительные итерации и корректировки не только в технологической (это почти неизбежно при масштабировании), но и в методологической части проекта, что вносит дополнительные риски в сроки реализации и требует от нас еще более тщательного отбора морфологических параметров и метрик.

— Как подбирались участники проекта? Расскажите о ключевых участниках группы.

Александр Шелудков

— Участники проекта — это в первую очередь студенты факультета географии и геоинформационных технологий. Каждый из них развивает собственное направление исследований в рамках курсовых проектов, которые пересекаются с задачами НУГ. Так, Артур Шлеин изучает закономерности мобильности населения в крупных городах. Андрей Мокрушин исследует социальные проблемы. Работа Виты Рыбаковой построена вокруг проблемы оценки доступности объектов инфраструктуры, а Александра Тен анализирует размещение и структуру социальных и коммерческих объектов в контексте разных этапов развития городской территории. Каждая из этих тем тесно связана с морфологическими характеристиками городской среды — плотностью, компактностью, центральностью и проч. Таким образом, мы можем на небольших кейсах исследовать взаимосвязи между городской формой и функцией. Мои личные научные интересы связаны с моделированием мобильности городских жителей, и проект открывает новые возможности в изучении этих процессов.

Вместе со мной проект курирует Эдуард Сомов. У Эдуарда за плечами обширный опыт прикладных исследований городских территорий в части анализа и оптимизации размещения объектов коммерческой и прочей инфраструктуры.

Также с нами в команде Олег Киселев, выпускник факультета городского и регионального развития и приглашенный преподаватель нашего факультета, чья профессиональная деятельность связана с развитием новых видов городского транспорта, в частности с исследованием влияния средств индивидуальной мобильности на жизнь города. Именно Олегу пришла в голову идея повернуть тематику проекта в сторону городской морфологии.

Такой симбиоз компетенций помогает нам рассматривать вопросы морфологии городской застройки в плотной взаимосвязи с особенностями инфраструктурного развития территории и проводить параллели с мобильностью жителей города.

— Каковы перспективы проекта?

Эдуард Сомов

— В конечном итоге мы рассчитываем прийти к созданию универсального инструмента оценки городской среды на основе методов изучения городской морфологии и пространственной статистики. Преимуществом и важной особенностью этого инструмента будет функционирование на основе, с одной стороны, общедоступных, а с другой — очень детализированных и всеохватных данных. Полагаем, что это сделает такой инструмент очень привлекательным с точки зрения оптимального соотношения ресурсов, затрачиваемых на его использование, и результата, который он позволяет получать.

19 мая