基于ArcGIS對矢量數(shù)據(jù)模型的最短路徑分析

高晟

(山西農(nóng)業(yè)大學，山西 太谷 030801)

人們每天都會提出如下一些問題：應(yīng)該在道路的何處開挖，才能迅速找到煤氣總管？將冰箱送到客戶家里，如何走最好？這個城市賣掉的土地和財產(chǎn)總值多少？要回答上述問題需要訪問具有多維 (x、y、z坐標和時間)、大容量和高處理費用特征的地理信息；同時，即使回答明顯簡單的地理學問題，也要求按統(tǒng)一的標準集成多種數(shù)據(jù)源。

1 矢量數(shù)據(jù)模型的概念與特點

以計算機能夠接受和處理的數(shù)據(jù)形式，為了反映空間實體的某些結(jié)構(gòu)特性和行為功能，按一定的方案建立起來的數(shù)據(jù)邏輯組織方式，是對現(xiàn)實世界的抽象表達。空間數(shù)據(jù)模型是地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它不僅決定了系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理的有效性，而且是系統(tǒng)靈活性的關(guān)鍵?？臻g數(shù)據(jù)模型是在實體概念的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它包含兩個基本內(nèi)容，即實體組和它們之間的相關(guān)關(guān)系。實體和相關(guān)關(guān)系可以通過性質(zhì)和屬性來說明。空間數(shù)據(jù)模型可以被定義為一組由相關(guān)關(guān)系聯(lián)系在一起的實體集(D.J.Peuqoet)[1]。

結(jié)合空間數(shù)據(jù)的具體特點進行空間數(shù)據(jù)模型的設(shè)計是地理信息系統(tǒng)的關(guān)鍵。由于空間數(shù)據(jù)模型的設(shè)計與計算機硬件、系統(tǒng)軟件和工具軟件的發(fā)展現(xiàn)狀密切相關(guān)，所以，就目前的發(fā)展現(xiàn)狀而言，很難用一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型來表達復雜多變的地理空間實體。例如，某些空間數(shù)據(jù)模型可能很適合于繪圖，但它們對于空間分析來說效率卻十分低；有些數(shù)據(jù)模型有利于空間分析，但對圖形的處理則不理想[2]。

地理信息系統(tǒng)中一種常見的圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為矢量結(jié)構(gòu)，即通過記錄坐標的方向盡可能精確地表示點、線、多邊形等地理實體，坐標空間設(shè)為連續(xù)，允許任意位置、長度和面積的精確定義。

2 最短路徑問題的分析與應(yīng)用

2.1 背景

在現(xiàn)實中，最短路徑的求取問題是可以拓展為許多方面的最高效率問題，最短路徑不僅是指一般意義上的距離最短，還可以是時間最短、費用最少、線路利用率最高等標準。

2.2 技術(shù)路線圖

利用GIS軟件進行最短路徑分析的技術(shù)路線圖如圖1所示。

2.3 網(wǎng)絡(luò)中的基本組成部分和屬性

(1)鏈：網(wǎng)絡(luò)中流動的管線，如街道、河流、水管等。其狀態(tài)屬性包括阻力和需求。

(2)障礙：禁止網(wǎng)絡(luò)中鏈上流動的點。

(3)拐角點：出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中所有的分割點上狀態(tài)屬性的阻力，如拐彎時間和限制。

圖1 實現(xiàn)技術(shù)路線

(4)中心：是接受或分配資源的位置，如水庫、商業(yè)中心、電站等。其狀態(tài)屬性包括資源容量和阻力限額。

(5)站點：在路徑選擇中資源增減的站點，如庫房、汽車站等。其狀態(tài)屬性有要被運輸?shù)馁Y源需求，如產(chǎn)品數(shù)。

網(wǎng)絡(luò)中的狀態(tài)屬性有阻力和需求兩項。實際的狀態(tài)屬性可通過空間屬性和狀態(tài)屬性的轉(zhuǎn)換，根據(jù)實際情況賦到網(wǎng)絡(luò)屬性表中。

2.4 網(wǎng)絡(luò)分析的基本方法

網(wǎng)絡(luò)分析的基本方法包括路徑分析、地址匹配和資源分配。

(1)路徑分析

①靜態(tài)求最佳路徑：由用戶確定權(quán)值關(guān)系后，即給定每條弧段的屬性，當需求最佳路徑時，可讀出路徑的相關(guān)屬性，從而求得最佳路徑。

②動態(tài)分段技術(shù)：給定一條路徑由多段聯(lián)系組成，要求標注出這條路上的公里點或定位某一公路上的某一點，標注出某條路上從某一公里數(shù)到另一公里數(shù)的路段。

③最短路徑：確定起點、終點和所要經(jīng)過的中間點、中間連線，求最短路徑。

(2)資源分配

資源分配網(wǎng)絡(luò)模型由中心店及其狀態(tài)屬性和網(wǎng)絡(luò)組成。分配有兩種方式，一種是由分配中心向四周輸出，另一種是由四周向中心集中。這種分配功能可以解決資源的有效流動和合理分配，其在地理網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用與區(qū)位論中的中心理論類似[3，4]。

3 矢量數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析實現(xiàn)過程

3.1 網(wǎng)絡(luò)分析的預(yù)處理

在進行網(wǎng)絡(luò)分析之前，首先要對已建好的網(wǎng)絡(luò)進行初始化參數(shù)設(shè)置，主要內(nèi)容如下。

3.1.1 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的加載

進行網(wǎng)絡(luò)分析的前提是幾何網(wǎng)絡(luò)的調(diào)用。一般來說，根據(jù)需求，選擇調(diào)用的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)?；镜木W(wǎng)絡(luò)分析必須加載至少一種包含網(wǎng)絡(luò)屬性的要素類型。而對于全部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的制圖輸出，則需加載包含網(wǎng)絡(luò)屬性的整個要素 數(shù) 據(jù) 庫[5，6]。

在ArcGIS中加載單個網(wǎng)絡(luò)要素的步驟如下：(1)點擊加載數(shù)據(jù)按鈕，打開添加數(shù)據(jù)的對話框。(2)選擇包含網(wǎng)絡(luò)屬性要素的數(shù)據(jù)庫(mdb文件)。(3)雙擊要素數(shù)據(jù)庫后，顯示出該數(shù)據(jù)庫所包含的要素類型和幾何網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，選擇要素network，并將其加載到ArcMap窗口中。

在ArcGIS中加載網(wǎng)絡(luò)要素數(shù)據(jù)集步驟如下：(1)點擊加載數(shù)據(jù)按鈕，打開添加數(shù)據(jù)的對話框。(2)雙擊包含網(wǎng)絡(luò)屬性要素的數(shù)據(jù)庫。(3)選擇要素數(shù)據(jù)集city，數(shù)據(jù)集中的所有要素加載到ArcMap中。數(shù)據(jù)集中不僅包含了線狀要素、點狀要素，還包含了拓撲關(guān)系、空間屬性和狀態(tài)屬性等內(nèi)容，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析功能[7，8]。

3.1.2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的符號化

網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀要素存在著可運行和不可運行情況，稱之為可運行性。可運行性的要素允許資源流動通過，不可運行的要素則不允許。這項信息被存儲在該要素屬性表的Enable字段中，值為1代表可運行，值為0代表不可運行。使用屬性符號化功能可以顯示出哪些圖征是可運行的，哪些是不可運行的。具體在AcrGIS中的操作如下：(1)在需要進行符號化的集合網(wǎng)絡(luò)線狀圖層上點擊右鍵，打開數(shù)據(jù)層操作快捷菜單，單擊Properties命令，打開Layer Properties對話框，進入Symbology選項卡。(2)在左側(cè)Show窗口內(nèi)單擊Categories，選擇下拉菜單中Unique Values。(3)在Value Field文本框中選擇屬性字段：Enable。(4)單擊 Add All Values按鈕，列出 Enable字段的屬性值，改變各值的符號和顏色，單擊確定按鈕，ArcMap窗口中顯示網(wǎng)絡(luò)要素的可運行性。除了可運行性之外，也可使用其他屬性進行符號化顯示。例如對于點狀要素，可通過符號化告訴使用者哪些是起點、哪些是終點。該屬性存儲于點要素的AncillaryRole字段中。

3.2 網(wǎng)絡(luò)分析的實現(xiàn)過程

首先啟動程序 ArcMap，打開 D：Chp7Ex2city.mdb，雙擊city數(shù)據(jù)集，加載數(shù)據(jù)。對點狀要素place符號化：以HOME字段，1值為家代表符號為實心圓，0值為商業(yè)中心代表符號為星星。

3.2.1 無權(quán)重最佳路徑的生成

(1)在網(wǎng)絡(luò)分析工具條上，選擇旗標工具，將旗標放在“家”和想要去的“商業(yè)中心”點上。

(2)依次選擇 Analysis、Option命令，打開 Analysis Option對話框，確認 Weights和 Weight Filter標簽項全部是None，這種情況下進行的最短路徑分析是完全按照這個網(wǎng)絡(luò)自身的長短來確定。

(3)在Track Task文本框中選擇Find path。單擊solve按鈕，顯示最短路徑，這條路徑的總成本顯示在狀態(tài)欄中。如圖2所示。

在以上圖中很明顯地看到從起始地到目的地的路徑，其中狀態(tài)欄中的15指的是從起點到目的地總共經(jīng)過了14個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，如果把兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點當作一個街區(qū)的話，也就是指中間經(jīng)過了15個街區(qū)。

3.2.2 加權(quán)最佳路徑生成

(1)在設(shè)施網(wǎng)絡(luò)分析工具條上，點選旗標工具，將旗標分別放在“家”和想要去的某個商業(yè)中心的位置上。

圖2 無權(quán)重最佳路徑生成

(2)依次選擇 Analysis、Option命令，打開 Analysis Option對話框，進入Weight標簽頁，在邊的權(quán)重(Edge weights)上，全部選擇長度(length)權(quán)重屬性。

(3)在Track Task文本框中選擇Find path，單擊Solve按鈕，則以長度為比重的最短路徑將顯示出來，這條路徑的總成本顯示在狀態(tài)欄中。如圖3所示。

圖3 加權(quán)最佳路徑的生成

以上是通過距離遠近的選擇而得到的最佳路徑。實際中不同類型的道路由于道路車流量的問題，有時候要選擇通行時間最短的路徑，同樣可利用網(wǎng)絡(luò)分析來獲得最佳路徑，這里的時間屬性是在建網(wǎng)之前，通過各個道路的類型(主干道、次要道等)得到速度屬性，然后通過距離和速度的商值確定的。本文所討論的實例中并沒有考慮到紅燈問題以及其他因素，是一種較理想的情況，如需完善可以通過實地勘測然后逐漸加入其他要素來完成。

3.2.3 阻強問題

首先需要說明的是文中所討論的阻強是指網(wǎng)絡(luò)中的點狀要素或線狀要素。因為某些突發(fā)事件(如交通事故)而不可運行時，原來獲得的最短路徑就需要進行修正，其具體實現(xiàn)過程如下文所述。

例如修路時，即某個路段不可運行?？稍诰W(wǎng)絡(luò)中設(shè)置阻強，對其進行表達。方法有兩種：一種是永久性的，可直接將網(wǎng)絡(luò)邊要素的屬性修改成不可運行，即選擇此邊要素，將其Enable字段中的屬性改成False即可；另一種是暫時性的，可設(shè)置邊要素障礙，即利用邊要素障礙添加工具進行設(shè)置。同樣取上述實例中的某一“商業(yè)中心”為目標地，假設(shè)其中一條路段正在修路，則產(chǎn)生新的最佳路徑如圖4所示，圖中標注 “×”的即為阻強設(shè)置邊)?？梢钥闯雎范蔚木S修狀況使得最佳路徑產(chǎn)生了改變，同時最近距離也隨之發(fā)生改變。

圖4 有邊阻強的距離加權(quán)最佳路徑

本文通過對一個城市區(qū)域網(wǎng)絡(luò)最短路徑分析的三種不同方法來得出在不同情況下對最佳路徑選擇的影響。但是其實例僅僅考慮了很少的干擾因素，而在現(xiàn)實生活當中會有許許多多的因素影響對最佳路徑的選擇。隨著實際因子的增加，一定會使得網(wǎng)絡(luò)分析的模型更趨于實際，在指導現(xiàn)實生活方面發(fā)揮越來越大的作用。

[1]湯國安.地理信息系統(tǒng)[M].北京：科學出版社，2000：1-10.

[2]黃杏元，馬勁松.地理信息系統(tǒng)概論[M].北京：高等教育出版社，2001：12-25.

[3]吳信才，等.地理信息系統(tǒng)原理與方法[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002：98-106.

[4]崔洪波，丁明柱.幾種基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫建庫方式的比較[J].東北測繪，2002(2)：32-36.

[5]GIS技術(shù)的發(fā)展趨勢研究 [J].咸寧學院學報，2003(6)：26-28.

[6]羅智勇，劉湘南.基于Geodatabase模型的空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法[J].地球信息科學，2004(4)：52-56.

[7]韓敏，戴步成，鄭丹晨，等，ArcGIS Server電子地圖研究與應(yīng)用[J].測繪科學，2009(3)：102-105.

[8]李龍，陳龍乾，趙建林，等.數(shù)量地理學及其在地理信息時代的發(fā)展[J].和田師范?？茖W校學報，2010(6)：80-92.