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ArcGIS网络分析

17-02-09

ArcGIS网络分析:网络数据集非常适合于构建交通网络。它们由包含了简单要素 (线和点) 和转弯要素的源要素创建而成,而且存储了源要素的连通性。

ArcGIS网络分析:网络数据集非常适合于构建交通网络。它们由包含了简单要素 (线和点) 和转弯要素的源要素创建而成,而且存储了源要素的连通性。使用 ArcGIS Network Analyst 扩展模块执行分析时,该分析始终作用于网络数据集。

下图显示了如何由网络数据集构建街道网络。图形中高亮显示了可以构建的单行道、转弯限制和天桥/隧道。对网络执行的分析(例如从停靠点 1 到停靠点 2 的路径)将遵照这些属性和其他网络数据集属性。

为了理解连通性及其重要性,假设要素相互之间通常不能识别。如,两个线要素相交时,任何一条线都不能识别到另一条线。类似地,线要素末端的点要素也不具有能识别线要素的任何固有信息。而网络数据集则会对重合的源要素进行追踪。而且它还具有连通性策略,可进一步定义哪些重合要素是真正连接在一起的(您可以修改该策略)。这样无需将道路连接到一起,就可以构建天桥和地下通道。因此,执行网络分析时,求解程序就会知道沿该网络的哪些路径是可行的。

多模式网络数据集

诸如多模式交通网络之类的更复杂的连通性情况也是可能的。下面是一个位于巴黎市区的交通网络示例,其中显示了公路、铁路和公交网。

网络数据集还有一个丰富的网络属性模型,它有助于为该网络构建阻抗、约束和等级。

网络元素

网络数据集是由网络元素组成的。网络元素是由创建网络数据集时添加的源要素生成的。源要素的几何有助于连通性的构建。此外,网络元素中包含用于控制网络导航的属性。
网络元素共分为三种类型:
边 - 连接到其他元素(交汇点),同时是代理行驶时经过的链接
交汇点 - 连接边并使边与边之间的导航变得更容易
转弯 - 存储可影响两条或多条边之间的移动的信息
所有网络的基本结构均由边和交汇点组成。网络中的连通性将处理边和交汇点彼此之间的相互连接。转弯是一种可选元素,用于存储与特定转弯移动方式有关的信息;例如,限制从一条特定边左转到另一条边。

网络源

可参与创建网络数据集的网络源有三种类型:
边要素源 - 线要素类可作为边要素源。
交汇点要素源 - 点要素类可作为交汇点要素源。
转弯要素源 - 转弯要素类可作为网络中的转弯要素源。转弯要素源会在导航期间明确建立边元素之间可能存在的过渡子集的模型。
每个以源形式参与到网络中的要素类都会基于自身指定的角色来生成元素。例如,线要素类可用作边元素的源,而点要素类可用于生成交汇点元素。转弯元素可根据转弯要素类来创建。生成的交汇点、边和转弯元素将组成基础图表(即网络)。
由于几何网络要素类被动态连接到几何网络,因此不可作为网络数据集源。要素类若作为网络数据集中的源,则可参与到拓扑中。
以一个简单交通网和参与该交通网创建的源为例。该网络中具有可充当边源的街道要素类、可充当交汇点源的街道交叉点要素类、可充当边(铁路线和公交线路)的附加线要素类以及可充当交汇点(火车站和公共汽车站)的点要素类。

位于要素数据集(包含网络数据集)中的所有要素类均可作为网络源。只有两种源可参与 shapefile 网络数据集,即线 shapefile 和 shapefile 转弯要素类。

系统交汇点

在网络数据集中,边的每个端点处都必须存在交汇点。因此,如果没有在边的端点处创建交汇点源要素,则构建网络数据集时,将自动创建系统交汇点。
系统交汇点作为源要素类中的点存储,在首次构建操作期间自动生成。源要素类命名为 [网络名称]_Junctions,其中 [网络名称] 表示网路数据集名称。

了解连通性

创建网络数据集时,需要选择将根据源要素创建哪些边或交汇点元素。确保正确形成边和交汇点对于获得准确的网络分析结果而言非常重要。
网络数据集中的连通性基于线端点、线折点和点的几何重叠建立,并遵循设置为网络数据集属性的连通性规则。

连通性组

建立 ArcGIS Network Analyst 扩展模块中的连通性要从定义连通性组开始。每个边源只能被分配到一个连通性组中,每个交汇点源可被分配到一个或多个连通性组中。一个连通性组中可以包含任意数量的源。网络元素的连接方式取决于元素所在的连通性组。例如,对于创建自两个不同源要素类的两条边,如果它们处在相同连通性组中,则可以进行连接。如果处在不同连通性组中,除非用同时参与了这两个连通性组的交汇点连接这两条边,否则这两条边不连通。
连通性组可用于构建多模式运输系统模型。您可以为各个连通性组选择要相互连接的网络源。在下面的地铁和街道多模式网络示例中,地铁线和地铁入口全部被分配到了同一连通性组中。请注意,Metro_Entrance 同时还处在街道所处的连通性组中。它构成了两个连通性组间的连接。两组中的所有路径都必须至少经由一个共享地铁入口。例如,路径求解程序可能会为行人确定城市两个位置之间的最佳路径为:从街道步行到地铁入口,然后乘地铁,再在换乘站换乘另一趟地铁,最后走出另一个地铁入口。连通性组既区别了两个网络,又通过共享交汇点(地铁入口)把二者连接在一起。

连接连通性组内部的边

同一连通性组内的边可以以两种不同方式进行连接,具体方式取决于边源上采用的连通性策略。
如果设置的是端点连通规则,则线要素将变成仅在重合端点处进行连接的边。

在此示例中,线要素 l1 变成了边要素 e1,线要素 l2 变成了边要素 e2。遵照此连通性策略,将始终针对一个线要素创建一个边要素。构建具有端点连通性的网络是构建交叉式对象模型(如桥梁)的一种方式。为构建此示例的模型,桥和街道被放置在了同一连通性组 (1) 中。街道源被指定了“任意折点”连通规则,以便街道要素可以与其他街道要素在重合折点处相连接。桥源被指定为端点连通。这意味着桥只可在端点处与其他边要素相连通。因此,从桥下方穿过的任何街道都不与桥相连通。桥将在端点处与其他街道连通。

如果要用于构建天桥(桥)和地下通道(隧道)模型的网络中仅包含一个源,则可以考虑在平面数据上使用高程字段。有关详细信息,请参阅下文的“高程字段”部分。
如果设置了“任意折点”连通规则,则线要素将在重合折点处被分成多条边。如果构建街道数据的目的是要让街道在折点处与其他街道相交,则设置这一策略非常重要。

在此示例中,两条在共享折点位置相交的折线被分成了四条边,并在该共享折点处形成了交汇点。边 e1 和 e3 用线要素 l1 的源要素类和对象 ID 进行标识。边 e2 和 e4 用线要素 l2 的源要素类和对象 ID 进行标识。交汇点 j3 将是新建系统交汇点。交汇点 j1、j2、j4 和 j5 要么会是系统交汇点,要么会是源要素类重合点的交汇点。
警告:
并非所有交叉线要素都可以生成连接的边。如果它们不共享任何重合端点或折点,则通过任何连通性策略也无法在交点处创建交汇点。因此必须事先对网络数据集的街道数据进行清理,以确保无论折点还是端点都显示在所有所需交汇点处。

如果需要改进街道数据,可以使用地理处理工具(如整合),分割交叉线,或在这些要素类上建立拓扑并应用在编辑街道要素时强制要素在交叉点处进行分割的拓扑规则。

通过各连通性组间的交汇点连接边

处于不同连通性组中的边仅可通过两个连通性组共享的交汇点进行连接。
在组合了公交网和街道网的多模式系统示例中,公交站是从点源中添加的,并且同时处于两个连通性组中。然后,公交站的点位置在空间上必须与相连的公交线和街道线重合。添加公交站的点位置后,该点是否可以成为交汇点将取决于交汇点连通性策略。对于边,交汇点与边要么在端点处要么在折点处相连通,具体取决于目标边源的连通性策略。然而,在某些情况下您可能希望覆盖此行为。

构建高程模型

网络元素的连通性不仅可取决于它们在 x 和 y 空间中是否重合,还可取决于它们是否共享相同的高程。构建高程模型的可选方式有两种:使用高程字段和使用几何的 z 坐标值。
高程字段
在网络数据集中,高程字段用于优化线端点处的连通性。他们包含从参与网络的要素类的字段中获取的高程信息。这一点与基于 z 坐标值建立连通性有所不同,后者的物理高程信息存储在要素的各个折点中。高程字段适用于边和交汇点源。使用高程字段的边要素源用两个字段来描述高程(线要素的每个端点对应一个字段)。
在下面的示例中,EF1、EF2、EF3 和 EF4 四个线要素属于同一连通性组,并遵守端点连通性规则。EF3 和 EF4 的高程值为 0;EF1 和 EF2 的高程值为 1。因此,在交点处,EF3 只连接 EF4(而不连接 EF1 或 EF2)。同样,EF1 只连接 EF2,而不连接 EF3 或 EF4。值得注意的是,高程字段用于优化连通性;它们不会覆盖连通性。两个边元素即便具有相同高程字段且相互重合,但如果处在两个不同的连通性组中,它们仍不会相互连接。

许多数据供应商都提供用于构建连通性模型的高程字段数据。ArcGIS 网络数据集连通性模型可以使用此高程字段数据来增强连通性。而且,在构建桥梁和隧道等特殊方案时,高程字段与连通性模型之间的交互同样是至关重要的一个方面。
几何的 Z 坐标值
如果源要素的几何中存储了 z 值,则可以创建三维网络。
室内人行道的模型通常就用 3D 网络构建。想一想,多层建筑中的很多走廊在 2D (x,y) 空间中都是无法区分的,但在 3D 空间中,却可以根据它们的 z 坐标值对其加以区分。同样,电梯是靠垂直移动来连接各楼层的。在 x,y 空间中电梯是点,但在 3D 空间中却完全可以将其作为线进行建模。
Z 坐标值使得以三维形式构建点和线要素的连通性模型成为可能。在 3D 网络数据集中,要想建立连通性,源要素(具体而言是点、线端点和线折点)必须共享全部三个坐标值:x、y 和 z 值。

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