dissertação
Multifractal analysis of the street network and population: 15 largest brazilian cities
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Universidade Federal de Lavras
Faculdade, Instituto ou Escola
Departamento
Departamento de Física
Programa de Pós-Graduação
Programa de Pós-graduação em Física
Agência de fomento
Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG)
Tipo de impacto
Áreas Temáticas da Extenção
Objetivos de Desenvolvimento Sustentável
Dados abertos
Resumo
Prevê-se que, em 2050, a população mundial atinja 9,8 mil milhões de pessoas. Isto re-
sultará em desafios significativos relacionados com a habitação, infra-estruturas, serviços
básicos, segurança alimentar, saúde, educação, emprego, segurança e recursos naturais a
todos os níveis urbanos. Diante desse cenário alarmante, é urgente entender o funciona-
mento das cidades. Esse conhecimento pode auxiliar muito os agentes públicos na tomada
de decisões. No entanto, a literatura reconhece amplamente que as cidades são sistemas
complexos com muitos componentes que interagem entre si. Como podemos fazer a ponte
entre a tomada de decisões e a complexidade das cidades? Para abordar essa questão,
examinamos as 15 maiores cidades do Brasil em 2010 usando geometria fractal, leis de
escala urbana e ciência de redes. Buscamos demonstrar que tanto a rede de ruas quanto a
população apresentam padrões multifractais, indicando a existência de dinâmica não lin-
ear governando o comportamento destes padrões, a qual suspeitamos estar intimamente
relacionada com os seus espectros multifractais. Acreditamos que a forma destes espec-
tros está intimamente ligada à geografia e aos elementos naturais que compõem a cidade.
Além disso, este estudo apresenta indicativos de que as leis da escala urbana podem ser
descritas em termos de variáveis endógenas como a população, a área e a dimensão fractal
partindo da maximização da entropia de Shannon, utilizada para obter a probabilidade de
interação entre duas regiões da cidade. Adicionalmente, o espetro multifractal das cidades
pode ser considerado para alargar estas leis, afim de investigar qual ou quais regiões con-
tribuem mais para a predição do produto interno bruto (GDP) e do comprimento total de
ruas. No entanto, é necessária mais investigação. Buscou-se demonstrar que os modelos
que consideram fatores endógenos para explicar a economia e o rendimento de escala po-
dem ser simplificados utilizando apenas quantidades macroscópicas como a população, o
comprimento total das ruas e a área urbana. Essa simplificação foi aplicada ao conjunto
de 5523 cidades brasileiras. Finalmente, os dados indicam que as dimensões fractais dos
nós, ligações e número ciclomático das redes de ruas analisadas são iguais à dimensão
fractal da medida de centralidade de Bonacich. Além disso, a relação entre as grandezas
topológicas desse tipo de rede permanece constante, independentemente do seu tamanho.
Para além disso, deve existir uma relação estreita entre os decisores e o conhecimento ger-
ado. Portanto, para promover a qualidade de vida em ambientes urbanos, é importante
entender como as cidades funcionam. Isto pode ser conseguido através da utilização de
ferramentas computacionais e de uma base teórica derivada de vários tópicos de sistemas
complexos.
Abstract
By 2050, the world’s population is expected to reach 9.8 billion people. This will result
in significant challenges related to housing, infrastructure, basic services, food security,
health, education, employment, safety and natural resources at all urban levels. Faced
with this alarming scenario, there is an urgent need to understand how cities work. This
knowledge can greatly assist public agents in making decisions. However, the literature
widely recognizes that cities are complex systems with many interacting components. How
can we bridge the gap between decision-making and the complexity of cities? To address
this question, we examined Brazil’s 15 largest cities in 2010 using fractal geometry, urban
scaling and network science. We sought to demonstrate that both the street network
and the population show multifractal patterns, indicating the existence of a non-linear
dynamic governing the behavior of these patterns, which we suspect is closely related to
their multifractal spectra. We believe that the shape of these spectra is closely linked
to the geography and natural elements that make up the city. Furthermore, this study
suggests that some urban laws of scale can be described in terms of endogenous variables
such as population, area and fractal dimension by maximizing Shannon entropy, which is
used to obtain the probability of interaction between two regions of the city. In addition,
the generalized dimensions of the city can be considered to extend the scaling laws that
take into account the notion of fractal dimension, in order to investigate which region
or regions contribute most to the prediction of gross domestic product (GDP) and total
street length. In addition, we sought to demonstrate that models which take endogenous
factors into account to explain the economy and returns to scale can be simplified us-
ing only macroscopic quantities such as population, total street length and urban area.
This simplification was applied to the set of 5523 Brazilian cities. Finally, the data indi-
cates that the fractal dimensions of the nodes, links and cyclomatic number of the street
networks analyzed are equal to the fractal dimension of Bonacich’s centrality measure.
Furthermore, the relationship between the topological quantities of this type of network
remains constant, regardless of its size. In addition, there must be a close relationship be-
tween decision-makers and the knowledge generated. Therefore, we believe that in order
to promote quality of life in urban environments, it is important to understand how cities
work. This can be achieved through the use of computational tools and a theoretical basis
derived from various complex systems topics.
Descrição
Área de concentração
Agência de desenvolvimento
Palavra chave
Marca
Objetivo
Procedência
Impacto da pesquisa
Resumen
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DOI
Citação
FAGUNDES, R. L. Multifractal analysis of the street network and population: 15 largest brazilian cities. 2024. 144 p. Dissertação (Mestrado em Física)–Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2024.
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