地理信息系統(tǒng)路徑分析與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用省公開(kāi)課金獎(jiǎng)全國(guó)賽課一等獎(jiǎng)微課獲獎(jiǎng)?wù)n件

第8章GIS空間分析1/532/533/534/535/536/53最短路徑分析在最短路徑選擇中，兩點(diǎn)之間距離能夠定義為實(shí)際距離，也可定義為兩點(diǎn)間時(shí)間、運(yùn)費(fèi)、流量等，可定義為使用這條邊所需付出代價(jià)。所以，能夠?qū)Σ灰粯訉?zhuān)題內(nèi)容進(jìn)行最短路徑分析Dijkstra算法基本思想：把圖頂點(diǎn)分為S,T兩類(lèi),若起始點(diǎn)u到某頂點(diǎn)x最短通路己求出,則將x歸入S,其余歸入T,開(kāi)始時(shí)S中只有u,伴隨程序運(yùn)行,T元素逐一轉(zhuǎn)入S,直到目標(biāo)頂點(diǎn)v轉(zhuǎn)入后結(jié)束7/53一個(gè)道路網(wǎng)絡(luò)中城市間鏈路阻抗六個(gè)節(jié)點(diǎn)間阻抗矩陣

13

19

(6)13

13

(5)

13

25

58(4)19

25

3953(3)

39

20(2)

585320

(1)(6)(5)(4)(3)(2)(1)8/53節(jié)點(diǎn)1到其它點(diǎn)最短路徑72p13+p366171p14+p455158p144153p133120p1221最小累計(jì)阻抗最短路徑終節(jié)點(diǎn)始節(jié)點(diǎn)9/530-51000-4300-2100-51000-4300-2-310+50=600-51000-4-530+60=900-4-330+20=500-2-310+50=600-51000-4-530+60=900-4-3-530+20+10=6005432110/538.3路徑分析和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用二者都包括運(yùn)動(dòng)和線(xiàn)要素路徑分析是基于柵格數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用是基于矢量并建立拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)共用相同術(shù)語(yǔ)和概念，不過(guò)數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)分析環(huán)境不一樣11/538.3.1路徑分析需要一個(gè)源柵格、一個(gè)費(fèi)用柵格，花費(fèi)距離量測(cè)、和生成最小累計(jì)花費(fèi)路徑算法12/531.1源柵格定義源柵格單元只有源位置有單元值，其它單元格沒(méi)有數(shù)值源位置單元能夠是起點(diǎn)也能夠作為目標(biāo)路徑分析取得到源柵格單元最小花費(fèi)路徑13/531.2花費(fèi)柵格定義移動(dòng)經(jīng)過(guò)每個(gè)柵格花費(fèi)或阻抗兩大特征:1每個(gè)單元格花費(fèi)為不一樣花費(fèi)總和2花費(fèi)能夠表示真實(shí)或相對(duì)花費(fèi)花費(fèi)柵格生成從列出花費(fèi)變量開(kāi)始然后對(duì)每個(gè)變量確定柵格單元數(shù)據(jù)使用局部運(yùn)算將單獨(dú)花費(fèi)柵格加起來(lái)局部總和是經(jīng)過(guò)每個(gè)柵格單元花費(fèi)14/531.3直線(xiàn)距離和花費(fèi)距離直線(xiàn)距離為測(cè)量每一個(gè)像元到最近源直線(xiàn)距離；多用在經(jīng)過(guò)路線(xiàn)沒(méi)有障礙或等同花費(fèi)情況下比如，在救援飛機(jī)飛往最近醫(yī)院實(shí)例中，直線(xiàn)距離柵格就能夠確定從救援飛機(jī)所在地點(diǎn)到周?chē)麽t(yī)院距離；然而，當(dāng)救援汽車(chē)開(kāi)往最近醫(yī)院實(shí)例中，因?yàn)榈乇碛懈鞣N類(lèi)型障礙物，采取不一樣路線(xiàn)花費(fèi)不盡相同花費(fèi)距離是依據(jù)經(jīng)過(guò)每個(gè)像元某個(gè)或某幾個(gè)屬性因子加權(quán)得到實(shí)際抵達(dá)源所需花費(fèi)值比如，翻越一座山直線(xiàn)旅程花費(fèi)較小，但時(shí)間花費(fèi)比繞行時(shí)間花費(fèi)要多。實(shí)際地表覆蓋類(lèi)型多樣，經(jīng)過(guò)直線(xiàn)距離來(lái)抵達(dá)源是不可能，必須要繞道以避開(kāi)如河流，高山等障礙物花費(fèi)距離是對(duì)直線(xiàn)距離擴(kuò)展和延伸。15/53成本距離計(jì)算原理

accum_cost=a1+((cost_a+cost_b)/2)*Daccum_cost：某一單元b累計(jì)通行成本

a1：上一個(gè)相鄰單元a累計(jì)通行成本

cost_a：?jiǎn)卧猘成本

cost_b：?jiǎn)卧猙成本16/53橫向鏈接成本距離：(1+2)/2=1.5對(duì)角鏈接成本距離：1.4142x[(1+5)/2]=4.217/531.3花費(fèi)距離量測(cè)18/531.3花費(fèi)距離量測(cè)在生成距離柵格同時(shí)，還能夠生成服務(wù)區(qū)柵格和方向柵格。服務(wù)區(qū)柵格：每一個(gè)單元格值表示其被分配到最近地物。方向柵格：每一個(gè)單元格值表示其到最近地物方向。19/531.4生成最小累計(jì)花費(fèi)路徑很輕易去計(jì)算兩個(gè)單元間累計(jì)花費(fèi)連接兩個(gè)單元格每條鏈路成本求和不過(guò)要找到最小累計(jì)花費(fèi)路徑就有點(diǎn)困難路徑要復(fù)雜多。許多不一樣路徑都能夠連接不相鄰兩個(gè)單元找到最小累計(jì)花費(fèi)路徑是一個(gè)迭代過(guò)程20/53Thecostdistanceforeachlink(c)andtheleastaccumulativecostdistancefromeachcell(d)arederivedusingthesourcecells(a)andthecostraster(b).SeeBox18.2forthederivation.21/5322/5323/531.5花費(fèi)距離量測(cè)改進(jìn)現(xiàn)有量測(cè)假定為一個(gè)同向性表面(屬性單一、直線(xiàn)距離），實(shí)際上花費(fèi)表面不一致，因?yàn)榈乇碓谄露取⒏叱獭⑵孪蚨加懈淖儸F(xiàn)實(shí)分析還需考慮由高程?hào)鸥裼?jì)算表面距離（測(cè)量真實(shí)地面距離）垂直和水平因子在計(jì)算距離柵格時(shí)，除了直接計(jì)算直線(xiàn)距離外，還能夠考慮花費(fèi)權(quán)重，比如坡度、土地利用類(lèi)型等，計(jì)算花費(fèi)距離柵格。24/531.6路徑分析應(yīng)用規(guī)劃道路、管線(xiàn)、溝渠、傳輸線(xiàn)路提取線(xiàn)性要素25/538.3.2網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)分析是運(yùn)籌學(xué)模型中一個(gè)基本模型，它根本目標(biāo)是研究、策劃一項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)工程怎樣安排，并使其運(yùn)行效果最好如一定資源最正確分配，從一地到另一地運(yùn)輸費(fèi)用最低等。其基本思想則在于人類(lèi)活動(dòng)總是趨于按一定目標(biāo)選擇到達(dá)最正確效果空間位置。GIS網(wǎng)絡(luò)分析主要目標(biāo)：對(duì)地理網(wǎng)絡(luò)（如交通網(wǎng)絡(luò)）、城市基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)（如各種網(wǎng)線(xiàn)、電力線(xiàn)、電話(huà)線(xiàn)、供排水管線(xiàn)等）進(jìn)行地理分析和模型化。26/53網(wǎng)絡(luò)分析（NetworkAnalysis）矢量數(shù)據(jù)特有空間分析方法。網(wǎng)絡(luò)是由一組相互關(guān)聯(lián)弧段、結(jié)點(diǎn)和它們屬性所組成模型，用于表示現(xiàn)實(shí)世界中道路、管線(xiàn)等事物。除此之外還要定義一些要素以模擬現(xiàn)實(shí)中供給、需求、中心點(diǎn)等事物。網(wǎng)絡(luò)分析基礎(chǔ)：線(xiàn)—點(diǎn)拓?fù)潢P(guān)系。依據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)特征、性能進(jìn)行分析。27/532.1網(wǎng)絡(luò)組成網(wǎng)絡(luò)中基本組成部分和屬性：鏈（Link）：網(wǎng)絡(luò)中流動(dòng)管線(xiàn)，如街道、河流、水管等，其狀態(tài)屬性包含阻力和需求。結(jié)點(diǎn)（Node）：網(wǎng)絡(luò)中鏈結(jié)點(diǎn)，如港口、車(chē)站、電站等，其狀態(tài)屬性包含阻力和需求等。結(jié)點(diǎn)中又有下面幾個(gè)特殊類(lèi)型。障礙（Barrier），禁止網(wǎng)絡(luò)中鏈上流動(dòng)點(diǎn)。拐點(diǎn)（Turn），出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)鏈中分割結(jié)點(diǎn)上，狀態(tài)屬性有阻力，如拐彎時(shí)間和限制(如不允許左拐)。中心（Center），是接收或分配資源位置，如水庫(kù)、商業(yè)中心、電站等。其狀態(tài)屬性包含資源容量，如總資源量；阻力限額，如中心與鏈之間最大距離或時(shí)間限制。站點(diǎn)（Stop），在路徑選擇中資源增減結(jié)點(diǎn)，如庫(kù)房、汽車(chē)站等，其狀態(tài)屬性有要被運(yùn)輸資源需求，如產(chǎn)品數(shù)。28/532.2網(wǎng)絡(luò)要素表示1）鏈弧2)轉(zhuǎn)彎：M條弧相連共有轉(zhuǎn)彎個(gè)數(shù)N：425535鏈弧號(hào)起結(jié)點(diǎn)終止點(diǎn)長(zhǎng)度(km)正方向阻強(qiáng)(km/h)反方向阻強(qiáng)(km/h)資源需求量2024145.33555（-1:表示不通，單行道）…結(jié)點(diǎn)號(hào)從弧段至弧段角度時(shí)間阻強(qiáng)(s)34L2L1906034L1L11803034L2L3-90-1(不允許拐彎）34L1L300(無(wú)阻強(qiáng))34L1L2L3?？奎c(diǎn)29/533）停靠點(diǎn)、中心屬性停靠點(diǎn)：直接在對(duì)應(yīng)結(jié)點(diǎn)上附上需求量屬性，負(fù)為下卸，正值為裝載，中心：資源最大容量、服務(wù)范圍和服務(wù)延遲數(shù)（在其它中心到達(dá)某個(gè)數(shù)量時(shí)才提供服務(wù)）。結(jié)點(diǎn)號(hào)需求量453546-20結(jié)點(diǎn)號(hào)資源最大容量服務(wù)范圍服務(wù)延遲數(shù)2410002000…………30/532.3網(wǎng)絡(luò)分析應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)分析主要用途是：1選擇最正確路徑，包含路徑查找和通達(dá)度測(cè)定；2選擇最正確布局中心位置，包含配置問(wèn)題和城市交通規(guī)劃模型。網(wǎng)絡(luò)分析基本方法：路徑分析最近設(shè)施服務(wù)區(qū)分析資源分配選址分析31/532.3.1最正確路徑分析1、在網(wǎng)絡(luò)中從起點(diǎn)經(jīng)一系列特定結(jié)點(diǎn)至終點(diǎn)資源運(yùn)移最正確路線(xiàn)，即阻力最小路徑。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中尋找累計(jì)阻抗最小路徑。由兩個(gè)節(jié)點(diǎn)連成，也可在兩點(diǎn)間有一些特定站點(diǎn)能夠幫助運(yùn)輸人員建立多個(gè)站點(diǎn)時(shí)間表緊急響應(yīng)-最短時(shí)間抵達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)2、所謂最正確路經(jīng)，是求解網(wǎng)絡(luò)中兩點(diǎn)之間阻抗最小路經(jīng)，必須按照結(jié)點(diǎn)選擇次序訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點(diǎn)。32/53最短路徑分析在最短路徑選擇中，兩點(diǎn)之間距離能夠定義為實(shí)際距離，也可定義為兩點(diǎn)間時(shí)間、運(yùn)費(fèi)、流量等，可定義為使用這條邊所需付出代價(jià)。所以，能夠?qū)Σ灰粯訉?zhuān)題內(nèi)容進(jìn)行最短路徑分析Dijkstra算法基本思想：把圖頂點(diǎn)分為S,T兩類(lèi),若起始點(diǎn)u到某頂點(diǎn)x最短通路己求出,則將x歸入S,其余歸入T,開(kāi)始時(shí)S中只有u,伴隨程序運(yùn)行,T元素逐一轉(zhuǎn)入S,直到目標(biāo)頂點(diǎn)v轉(zhuǎn)入后結(jié)束33/53旅行推銷(xiāo)員問(wèn)題在最短路徑分析中添加兩個(gè)約束推銷(xiāo)員必須僅訪(fǎng)問(wèn)選擇各站點(diǎn)一次推銷(xiāo)員能夠從任一站點(diǎn)出發(fā)，但必須回到出發(fā)點(diǎn)旅行商分析是無(wú)序路徑分析。旅行商能夠自己決定訪(fǎng)問(wèn)結(jié)點(diǎn)次序，目標(biāo)是旅行路線(xiàn)阻抗總和最小（或靠近最?。?4/531-3-2-4-5-…-101-3-10-9-5-6-8-7-4-2-112345678109132456781091324567810935/532.3.2最近設(shè)施分析指在網(wǎng)絡(luò)上給定一個(gè)事件點(diǎn)和一組設(shè)施點(diǎn)，為事件點(diǎn)查找以最小花費(fèi)能抵達(dá)一個(gè)或幾個(gè)設(shè)施點(diǎn)。還能夠設(shè)置查找閾值，即搜索范圍，超出該范圍將不再進(jìn)行查找。首先計(jì)算選定地點(diǎn)到全部候選設(shè)施最短路徑然后從候選設(shè)施中選擇最近設(shè)施能夠應(yīng)用于基于定位服務(wù)，如自動(dòng)柜員機(jī)36/53方形標(biāo)志顯示為從所選地址到最近消防站點(diǎn)最短路徑37/532.3.3服務(wù)區(qū)分析服務(wù)站點(diǎn)即服務(wù)中心點(diǎn)，就是提供某種特定服務(wù)位置，如某一派出所、郵局、小區(qū)醫(yī)院、小區(qū)公園等。服務(wù)區(qū)：是以指定點(diǎn)為中心，在一定阻力范圍內(nèi)，包含全部可通達(dá)邊一個(gè)區(qū)域。如某一小區(qū)派出所按行政區(qū)劃所管轄小區(qū)。服務(wù)區(qū)分析就是指在滿(mǎn)足某種條件前提下，查找網(wǎng)絡(luò)上指定服務(wù)站點(diǎn)能夠提供服務(wù)區(qū)域范圍。也能夠了解為不考慮中心資源供給量和需求量，而只考慮供給方與需求方之間網(wǎng)絡(luò)弧段阻力資源分配?？捎糜谠u(píng)定分析在某一位置郵局、醫(yī)院、超市等公共設(shè)施普通服務(wù)范圍，從而為選擇公共設(shè)施最正確位置提供參考。38/5339/5340/532.3.4（配置）資源分配經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)研究資源空間分布比如學(xué)校、銀行、消防站選址而資源分布決定服務(wù)范圍響應(yīng)時(shí)間資源分配網(wǎng)絡(luò)模型由中心點(diǎn)（分配中心或搜集中心）及其屬性和網(wǎng)絡(luò)組成。分配有兩種形式，一個(gè)是由分配中心向四面分配，另一個(gè)是由四面向搜集中心分配。資源分配應(yīng)用包含消防站點(diǎn)分布和求援區(qū)劃分、學(xué)校選址、垃圾搜集站點(diǎn)分布，停水停電對(duì)區(qū)域社會(huì)、經(jīng)濟(jì)影響預(yù)計(jì)等41/532分鐘響應(yīng)時(shí)間內(nèi)兩所消防站點(diǎn)服務(wù)區(qū)域42/535分鐘響應(yīng)時(shí)間內(nèi)兩所消防站點(diǎn)服務(wù)區(qū)域43/532.3.5定位-配置（選址分析）供給、需求和距離匹配問(wèn)題供給由設(shè)施或點(diǎn)為中心組成需求由點(diǎn)、線(xiàn)或多邊形組成供給和需求之間距離大小常以距離矩陣或距離列表表示定位與分配模型是依據(jù)需求點(diǎn)空間分布，在一些候選點(diǎn)中選擇給定數(shù)量供給點(diǎn)以使預(yù)定目標(biāo)方程到達(dá)最正確結(jié)果。---最正確分配中心，最優(yōu)配置。定位問(wèn)題是指已知需求源分布，確定在哪里布設(shè)供給點(diǎn)最適當(dāng)問(wèn)題；分配問(wèn)題是確定這些需求源分別受哪個(gè)供給點(diǎn)服務(wù)問(wèn)題。44/532.3.5定位-配置（選址分析）選址分區(qū)分析是為了確定一個(gè)或多個(gè)待建設(shè)施最正確或最優(yōu)位置，使得設(shè)施能夠用一個(gè)最經(jīng)濟(jì)有效方式為需求方提供服務(wù)或者商品。如餐館、郵局選址，工廠選址、圖書(shū)館、學(xué)校、醫(yī)院、消防站、工廠、飛機(jī)場(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)等最正確位置確實(shí)定。45/53算法在運(yùn)