Přeskočit obsah

Síťové analýzy

Ve cvičení se naučíte

  • vytvářet a pracovat s network datasety

  • najít nejrychlejší a optimální trasu

Základní pojmy

Síťová analýza v geografických informačních systémech umožňuje řešit různé otázky spojené s propojením bodů v prostoru pomocí sítě. Narozdíl od vzdálenostních analýz nepracují síťové analýzy s rastrovými, ale vektorovými daty (resp. používáme tzv. network dataset)

 Pozn.

Network datasety se používají k modelování reálných dopravních sítí. Obsahují nejen umístění a atributy ulic a dálnic, ale také informace o jejich vzájemném vztahu. Silnice mohou být propojené, mohou mít povolené nebo zakázané odbočky a mohou poskytovat další podrobnosti, které ovlivňují, jaké cestovní trasy jsou možné a jak dlouho může cesta trvat.

What is a network dataset?

Některé z hlavních otázek, které lze pomocí síťové analýzy v GIS řešit, zahrnují:

Nejkratší cesta

Nejkratší cesta

Jak najít nejkratší nebo optimální trasu mezi dvěma body na síti?


například plánování tras, doručování zásilek, optimalizace přepravy

Optimalizace tras

Optimalizace tras

Jak optimalizovat trasu při navštěvování více bodů s omezeními jako jsou čas, vzdálenost nebo priorita návštěvy?

například kurýrní služby, sběr dat nebo technická údržba

Analýza dosažitelnosti

Analýza dosažitelnosti

Jaké oblasti jsou dosažitelné z daného bodu v určitém časovém nebo vzdálenostním limitu?


například stanovení oblastí pokrytých konkrétním bodem (např. služby, nemocnice)

Nejbližší středisko obsluhy

Nejbližší středisko obsluhy

Hledá cestu mezi místem (Incident) a servisními středisky (Facilities), resp. určuje nejsnáze dosažitelné středisko vzhledem k místu incidentu.

například nejbližší hasičské stanice, které zasahují při požáru

OD matice

OD matice

Analýza matice nákladů mezi výchozími a cílovými místy (Origin-destination cost matrix) vypočítá nejméně nákladné síťové cesty z výchozích míst do cílových míst. Jejím výstupem jsou liniové prvky, které spojují výchozí místa s místy určení. Každý liniový prvek ukládá celkové síťové náklady na cestu jako hodnotu atributu.

Lokační a alokační analýza

Lokační a alokační analýza

Tzv. Location-allocation analýza pomáhá vybrat, která zařízení ze sady vstupních mají být provozována na základě jejich potenciální interakce s místy poptávky.

například kde otevřít novou pobočku podniku pro maximalizovaci podílu na trhu

Network dataset

Network datasety se skládají ze síťových prvků (network elements). Síťové prvky se vytvářejí ze zdrojových prvků použitých k vytvoření network datasetu, např. třídy prvků obsahující údaje o silnicích. Geometrie zdrojových prvků pomáhá vytvořit propojení v datové sadě sítě, aby ji bylo možné použít pro analýzu.

Existují tři hlavní typy síťových prvků:

  1. Hrany (edges) se připojují k ostatním prvkům pomocí křižovatek a jsou spojnicemi, po kterých cestují agenti. Lineární třídy zdrojových prvků se v souboru síťových dat stávají prvky hran. Hrany jsou také směrové, takže může existovat jak hrana Od-do, tak hrana Do-od.

  2. Křižovatky (junctions) spojují hrany a usnadňují navigaci z jedné hrany na druhou. Křižovatky pocházejí z vrcholů nebo bodových prvků, které představují křižovatky ulic v silniční síti.

  3. Odbočky (turns) uchovávají informace, které mohou ovlivnit pohyb mezi dvěma nebo více hranami.

Network elements

Základní prvky netowrk dataetů

Hrany a spoje (křižovatky) tvoří základní strukturu každé sítě. Odbočky jsou nepovinné prvky, které uchovávají informace o pohybu v síti určitým směrem. Například odbočení doprava může být omezeno z jedné konkrétní hrany na jinou.

Síťové prvky mají atributy, které řídí navigaci v síti. Pro analýzu jsou atributy nezbytné a slouží k uchovávání podrobností a vlastností o souboru síťových dat. Existují čtyři druhy atributů:

  1. Náklady (cost) fungují jako překážky (impedance), které penalizují průchod přes prvek v síti. Síťové datové sady musí mít alespoň jeden nákladový atribut. Pokud existuje ve třídě prvků číselné pole reprezentující délku nebo čas, lze pole použít k vytvoření atributu nákladů.

    například doba jízdy, délka úseku, povrch silnice (štěrkové cesty versus zpevněné)

  2. Deskriptory (descriptor) obsahují obecné informace, na které se často odkazuje jeden z ostatních tří typů atributů, a slouží k výpočtu jejich hodnot.

    například počet jízdních pruhů, rychlostní limit

  3. Omezení (restriction) zakazují projíždět určitými okraji (cestami) v určitých směrech. Atribut omezení je buď zapnutý, nebo vypnutý, tj. omezený, nebo průjezdný.

    například jednosměrná ulice, výstavba silnice, uzavírky, omezení jízdy

  4. Hierarchie (hieararchy) rozlišuje mezi typy silnic, což usnadňuje analýzu sítě, a umožňuje přiřadit souboru síťových dat prioritu.

    například prioritní použití širších či rychlejších silnic, dálnice, magistrály, hlavní trasy, vedlejší trasy, vedlejší ulice

Network elements attributes

Atributy síťových prvků.

Cvičení

1. Stáhněte si volně dostupná data z https://links.esri.com/NetworkAnalyst/TutorialData/Pro

2. Extrahujte stažený soubor, založte nový projekt v ArcGIS Pro a připojte v katalogu extrahovanou složku s daty (pomocí Folder Connection). V katalogu pak přidejte třídy prvků Streets a Walking-Paths z cesty Tutorial > CreateNetworkDataset > SanDiego.gdb > Transportation.

3. Prohlédněte si atributové tabulky obou vrstev. Pro budování network datasetu jsou významné zejména následující:

FT_Minutes, TF_Minutes, KPH, Meters udávají náklady na průchod každou hranou; tato pole jsou obvykle typu double nebo float.

F_ZLEV, T_ZLEV určují různé (výškové) úrovně ulic, resp. pomáhají správně vyhodnotit nadjezdy a podjezdy, kde nelze kvůli výškovému rozdílu přímo odbočit z jedné ulice do druhé.

FUNC_CLASS reprezentuje kategorii každé silnice.

PAVED, AR_PEDEST, AR_BUS, AR_AUTO, DIR_TRAVEL, TF_HeightLimit_Meters, FT_HeightLimit_Meters slouží obecně k nastavení omezení, která v určitých situacích brání jízdě po určitých silnicích; často mají hodnoty Y/N nebo např. obsahují údaje o jednosměrnosti (FT/TF) či výškovém limitu vozidla.

Pozn.: písmena F a T vyskytující se v názvech některých atributů zastupují anglické předložky FROM a TO. V některých případech totiž může být nutné rozlišovat pohyb ve směru from-to a to-from po liniovém segmentu.

4. V katalogu pravým klikem nad feature datasetem Transportation (cesta: Tutorial > CreateNetworkDataset > SanDiego.gdb > Transportation) vybereme New > Network Dataset, čímž otevřeme dialogové okno nástroje geoprocessingu Create Network Dataset. Z mapového okna následně odstraňte nově vytvořený network dataset, jinak není možné editovat jeho nastavení.

Create ND

Nástroj na vytvoření Network datasetu.

5. Network dataset byl jeprve vytvořen pouze z třídy prvků Streets. Nyní do datové sady sítě přidáte Walking_Pathways a nastavíte příslušné zásady skupinové a vertikální konektivity pro obě vstupní třídy prvků. Veškeré úpravy budou prováděny přes vlastnosti network datasetu (v katalogu po pravém kliknutí na network dataset vyberte Properties).

6. V první záložce Sources na listu Source settings se aktuálně nachází jeden zdroj hran (edges) a jeden křižovatek (junctions). Zdrojem křižovatek je defaultní třída prvků vytvořená a spravovaná přímo network datasetem. Pomocí Add/Remove sources/ přidejte Walking_Pathways*.

Srcs

Nastavení zdrojů.

7. Na záložce Vertical Connectivity proběhne ošetření různé úrovně ulic. Pro Streets a Walking_Pathways zvolte atribut F_ZLEV (pro případy From Node), resp. T_ZLEV (To Node*).

Vertical

Nastavení vertikálního propojení.

8. V této části budete do network datasetu přidávat atributy nákladů. Nákladový atribut se používá k modelování impedance (náklady jsou poměrně rozděleny podél celé délky hrany). Na listu Travel Attributes v záložce Costs je prozatím obsažen jeden automaticky vytvořený náklad: Length (logicky vycházející z geometrie). Je nutné změnit editovat sekci Evaluators následujícím způsobem:

length

Nastavení nákladů pole *Length*.

Dále vytvoříme nový náklad (časový), který pojmenujte Minutes, zvolte tytéž jednotky a sekci Evaluators vyplňte tímto způsobem:

time

Nastavení nákladů pole *Time*.

Ve spodním řádku Turns změníme hodnoty Type na Turn Category a po rozkliknutí výrazu v kolonce Type změníme hodnoty Left Turn a Reverse na 5 vteřin.

turn

Nastavení nákladů pole *Time*.

Veškeré změny potvrďte a zavřete dialogové okno.

TBA

Úlohy k procvičení

Úlohy

K řešení následujích úloh použijte datovou sadu ArcČR 500 verzi 3.3 dostupnou na disku S ve složče K155\Public\data\GIS\ArcCR500 3.3.

Postup:

  • Vytvoříme feature dataset 'komunikace'
  • Do tohoto datasetu naimportuje třídu prvků (feature class) 'Silnice' z ArcČR500
  • Do atributové tabulky nově vytvořené třídy prvků 'Silnice' přidáme sloupec 'rychlost' a na základě délky segmentů ('Shape_Length') vypočítáme čas v minutách nutný pro průjezd segmentu: !SHAPE_Length! / ((!rychlost! * 1000) / 60)
  • Vytvoříme network dataset

Budeme uvažovat následující průměrné rychlosti pro silnice (viz Wikipedia):

Typ Průměrná rychlost (km/h)
Dálnice 130
Rychlostní silnice 130
Silnice 1.třídy 90
Silnice 2.třídy 80
Silnice 3.třídy 70
Neevidovaná silnice 60

  1. Určete na základě datové sady komunikací nejrychlejší cestu z nejvýchodněji položené obce v ČR (Hrčava) do nejzápadněji položené obce (Krásná). Kolik času tato cesta zabere?

  2. Jak je rozdíl v kilometrech nejkratší a nejrychlejší cesty mezi obcemi Hrčava a Krásná z předchozího příkladu. O kolik minut bude trvat déle nejkratší cesta?

  3. O kolik minut se prodlouží nejrychlejší cesta z obce Hrčava do obce Krásná v případě, že se vyhneme dálnicím a území Hlavního města Prahy?

  4. Jaká je výměra území v km2, kde je dojezdovost z nejbližšího letiště 3, 5 a 10min (uvažujte pouze komunikace 1.třídy a vyšší, letiště vzdálenější než 5km od nejbližší komunikace do výpočtu nezahrnujte)?