[GIS原理] 8.1 空间分析-网络分析

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1 网络分析(Network Analysis)

【背景】现实世界中,若干线状要素相互连接成网状结构,资源沿着这个线性网流动,这样就构成了一个网络

【网络】就是指现实世界中,由链和结点组成的、带有环路,并伴随着一系列支配网络中流动之约束条件的线网图形,它的基础数据是点与线组成的网络数据

【网络分析】

  1. 网络分析的基础是:图论和运筹学
  2. 通过研究网络的状态以及模拟和分析资源在网络上的流动和分配情况,对网络结构及其资源等的优化问题进行研究
  3. 在GIS中,网络分析就是依据网络拓扑关系( 结点与弧段拓扑、弧段的连通性),通过考察网络元素的空间与属性数据,以数学理论模型为基础,对网络的性能特征进行多方面的分析计算技术。

1.1 矢量数据的网络分析

【面临的问题】矢量数据的网络分析受其图论基础的影响,面临数据组织和输入难度大、结构复杂、计算效率低的问题。

1.1.1 网络组成和属性

【网络层次】

  1. 精细尺度网络,如街道网络
  2. 中尺度网络,如交通规划
  3. 粗尺度网络,如高速公路网

【网络数据结构】

  1. 具有图的结构
    1. 结点/结点集:图中任意两条线段交点
    2. 边/边集:图中的任意一条边(弧段)
    3. 图:有限结点和有限边的集合,分基础图和有向图
    4. 网络:赋权有向图
    5. 流:网络中任意一条弧的物流量
  2. 具有一般地理数据的内容
    1. 拓扑关系
    2. 空间数据
    3. 属性数据

【网络基本要素】

  1. 链(Link):网络中流动的管线,如街道、河流、水管等,其状态属性包括阻力和需求。
  2. 结点(Node):网络中链的结点,如港口、车站、电站等,其状态属性包括阻力和需求等。

【网络特殊要素】

名称 说明 例子
站点 网络中物流的装、卸位置,但不一定在网络结点上 如公交路线的汽车站、邮政网络的邮筒等
中心 网络中具有集中或分散资源的结点 如公交系统的汽车总站、水系中的水库、街道网络中的学校、小区等
障碍点 网络中限制资源流通的点 如河流的闸门
拐点 网络中物流方向发生改变的点有方向控制
弧或弧的一部分,有起点和终点,可通过段的长度和其所在弧段的长度的百分比来度量
路径 具有属性的有序弧段的集合,表示一线型特征 如公交系统中,亚东新城区到丹凤街路段
路径系统 路径和段的集合,常用来管理具有相同属性的多个线形特征 如城市公交系统中的行车路线;路径系统要使用统一的度量标准
阻强 资源在网络中运动的阻力大小,用时间、成本等衡量;与链的长度、方向、属性、结点类型有关;不同类型的阻抗要具有统一的量纲;适用对象 链(弧段、段)和 结点(拐点)
资源需求量 网络链或结点能收集的或可提供给某一中心的资源量弧段、结点 如水网中水管的供水量、沿街道学生分布
资源容量 中心为满足各弧段要求而能提供的资源总量,或从一中心流向(接收)另一中心的资源总量 如水库容量、学校最大学生数等
中心点:最大容量、服务范围等;站点:资源需求量(上、下)
事件 路径系统中某一路径的分段属性;属性由用户定义,用路径的度量表示 【类型】1. 点事件:与一个位置对应,一个度量
2. 线事件:区段,两个度量
3. 连续事件:一个度量表示一个区段的开始和下一个区段的开始

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1.1.2 几何网络的建立

【网络分析的基础】一个完整的网络必须首先加入多层点文件和线文件,由这些文件建立一个空的空间图形网络

【相关设置】对点和线文件建立起拓扑关系,加入其各个网络属性特征值,如根据网络实际的需要,设置不同阻强值,网络中链的连通性,中心点的资源容量,资源需求量等

1.1.3 几何网络应用和分析

【面临的问题】矢量数据的网络分析受其图论基础的影响,面临数据组织和输入难度大、结构复杂、计算效率低的问题。

路径分析

【路径分析】在一个网络上,给定了两点的位置,在计算两点间的距离时,必须同时考虑与之相关的路径

  1. 静态最佳路径:用户确定权值关系,每条弧的属性
  2. 动态分段技术:给定一条路径由多段联系组成,要求标注出这条路上的千米或要求定位某一条公路上的某一点,标注出某条路上从某千米数到另一千米的路段
  3. N条最佳路径分析:确定起点、终点、求代价较小的几条了路径,因为在实践中往往仅求最佳路径并不能满足要求,可能因为某种因素不走最佳路径,而走近似最佳路径
  4. 最短路径
  5. 动态最佳路径分析:权值变化、临时障碍点出现

定位与资源分配

  1. 通过网络模拟资源的供需分配问题
  2. 规划重要的公共设施
    • 普通设施
    • 医院、教育、养老院等
    • 应急设施
    • 消防队、急救站等
  3. 表述为: 设一定数量的需求点(消费点),求一定数量的供给点(公共设施)以及供给点的需求分配,用来完成某个规划目的

【资源分配】优化配置网络资源的问题

对若干服务中心,进行优化划定每个中心的服务范围,把所有连通链都分配到某一中心,并把中心的资源分配给这些链以满足其需求,也即要满足覆盖范围和服务对象数量,筛选出最佳布局和布局中心位置

最佳选址

【最佳选址】在一定约束条件下,在某一指定区域内选择设施的最佳位置
【本质】资源分配分析的延伸
在网络分析中的选址问题一般限定设施必须位于某个结点或某条链上,或者限定在若干候选地址中选择位置

地址匹配

【实质】对地理位置的查询,涉及地理的编码
【作用】地理匹配与其他网络分析功能结合起来,可以满足实际工作中非常复杂的分析要求
【所需输入的数据】包括地址表和含地址范围的接到网络及待查询地址的属性值

爆管分析

1.2 栅格数据的网络分析

栅格数据由于其“属性明显,位置隐含”的特点,并引入地图代数方法,充分发挥了其平面点位蕴含了全部拓扑数据和几何数据的特点,弥补了矢量数据在维护和更新等方面的缺陷,自动并自适应的组织和输入图论的各种方法所需要的数据。

在网络分析中,地图代数的栅格方法是将网络视为具有距离刻度的连通管系统

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THE END
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