网络分析

随着人类文明的发展，公共基础设施（电力设施、电信与有线电视网络、道路交通与GPS监控、水网、热力管网等）有了长足的发展。公共设施的维护、管理与规划单凭人力已经不能满足要求，这就要求我们用计算机来辅助工作。在GIS中，这些基础设施可以被抽象理解为“网络系统”。“网络系统”是指由许多相互连接的线段构成的网状系统，网络模型就是对现实世界中网络系统的抽象表达，例如城市交通网中，道路等线状物被抽象为线段，在网络中称为网络弧段；十字路口、车站等点状物被抽象为点，在网络中称为网络结点等。在网络模型中，资源和信息能够从一个结点到达另一个结点。

网络分析就是在网络模型上通过分析解决实际问题的过程，如路径分析、服务区分析、最近设施查找等。目前，网络分析已经广泛地应用于电子导航、交通旅游、城市规划管理、物流运输以及电力、通讯、等各种管线管网的布局设计和查询分析中。

网络模型

在GIS中，主要有两种网络模型：交通网络模型和公共设施网络模型。

交通网络模型

交通网络是没有方向的网络，这意味着虽然可以给网络边线指定方向，但流通介质（行人或传输的资源）可以自行决定方向、速度和目的地。例如，行人在街道上开车行驶，他可以选择转弯的方向，停车的时间，以及行驶的方向等。当然，也会有一定的限制，例如，单行线、不允许调头等，这与公共设施网络完全不同。

公共设施网络

公共设施网络是具有方向的网络。即介质（水流、电流等）会根据网络本身的规则在网络中流动。例如水流的路径是预先设定好的，它也可以改变，但这种改变不是由水流本身决定，而是由工程师开关阀门来改变网络的流向，即改变网络的流通规则。

网络数据模型（Network）

网络数据模型（Network）：用于存储具有网络拓扑关系的数据模型。网络数据模型包含了网络线数据集和网络结点数据集，还包含了两种对象之间的空间拓扑关系。在网络数据集中，线数据集为主数据集，点数据集为子数据集。

图：网络数据集
图：线数据集
图：点数据集

基于网络数据模型，可以进行路径分析、服务区分析、最近设施查找、选址分区以及邻接点、通达点分析等多种网络分析中，多用于政府和商业决策。

基本概念

网络模型不仅具有一般网络的弧段与结点间的抽象拓扑关系，还具有GIS空间数据的几何定位特征和地理属性特征（拓扑关系是地理对象在空间位置上的相互关系，如节点与线、线与面之间的连接关系）。

图：网络示意图
  • 结点（Node）

    • 结点是网络中弧段相连接的地方，如上图所示。结点在可以表示现实中的道路交叉口、河流交汇点等要素。结点和弧段各自对应一个属性表，它们的邻接关系通过属性表的字段来关联。

  • 弧段（Egde）

    • 弧段就是网络中的一条边，弧段通过结点和其它的弧段相连接，如上图所示。弧段可用于表示现实世界运输网络中的的高速路、铁路，电网中的传输线和水文网络中的河流等。弧段之间的相互联系是具有拓扑结构的。

  • 网络（Network）

    • 网络是由一组互相关联的弧段、结点和它们的属性所组成的模型，如上图所示。网络用于表达现实世界中的道路、管线等事物。若要模拟现实中的供给、需求、中心点等事物还需定义一些要素，如下所示：

    • 网络阻力（Impendency）

      • 现实生活中，从起点出发，经过一系列的道路和路口抵达目的地，必然需要一定的花费。这个花费可以用距离、时间、货币等来度量，在网络模型上，把通过结点或弧段的花费抽象成网络阻力；属性表中存储阻力值的字段称为阻力字段。

    • 中心点（Center）

      • 中心点是指网络中具有接收或提供资源能力，且位于结点处的离散设施。设施是指在GIS中需要的物质、资源、信息、管理和文化环境等。例如学校里有教育资源，学生必须到校学习；零售仓储点，贮存了零售点所需要的货物，每天需要向各零售点配送发货。

    • 障碍点和障碍边（Barrier Nodes and Barrier Edges）

      • 城市中的交通堵塞问题随处可见，交通堵塞是没有规律可循、随机且动态变化的过程。为了实时地反映交通网络的现状，需要让交通堵塞的弧段具有暂时禁行的特性，同时在交通恢复正常后，弧段属性也能实时恢复正常。障碍边、障碍点的概念的提出可以解决上述问题。障碍边、障碍点引进的好处是它们在设置前后与现有的网络环境参数无关，具有相对独立的特性。

    • 转向表（Turn Table）

      • 在交通网络分析中，使用转向表来存储结点处完成转弯所需的花费。转向是指从一个弧段经过中间结点抵达另外一个邻接弧段的过程。转弯耗费是完成转弯所需要的花费。

      转向表是一个纯属性表数据集，一般有起始弧段字段（FromEdgeID）、终止弧段字段（ToEdgeID）、结点标识字段（NodeID）和转弯耗费字段（TurnCost）四个字段，这些字段与弧段、结点中的字段相关联，表中的每条记录表示一种通过路口的方式所需要的弧段耗费。转弯耗费通常是有方向性的，转弯的负耗费值一般为禁止转弯。

      例如，在对道路进行网络分析的时候，我们经常会遇到十字路口、三岔口等情况，如所图3‑2示，左面为一个十字路口的示意图，左面的表格即为该十字路口所对应的转向表，转向表中记录了该十字口处车辆的转向和转弯所需的耗费等信息。

图：转向表结构

功能概括

SuperMap GIS提供了强大的网络分析功能，来处理现实问题，通常用来处理的问题有：

  • B地发生缺水现象，想从A地调水过来，就会检查A、B两地的水管是否连通，如果连通直接开阀放水，这就需要用到连通性分析。
  • 本地发生水污染事件，想追查污染源，怎么办？可以利用SuperMap GIS的追踪分析功能，从污染点逆流而上追踪寻找污染源。
  • 快递公司每天送大量的包裹到各个目的地，派送员想知道选择那条路线能把包裹全部送出而且走的距离最短，这需要用到旅行商分析（路径分析的一种）。消防车需要了解从消防站到事发地点走哪条路用时间最短，这需要用到最佳路径分析。
  • A市想建立一个邮局，则可以通过SuperMap GIS的服务区分析功能对附近的邮局的服务范围进行分析，从而为确定邮局的最佳位置提供参考。
  • 110接到报案，需要派离事发地点最近的巡逻车前去处理。使用SuperMap GIS的最近设施查询功能。
  • 已知某城区的一家快餐店有M个连锁店，有N个的不同位置的顾客叫了外卖，总调度必须指导各连锁店配送员按照最优次序对各自的外卖进行配送，总调度员可以使用SuperMap GIS的物流配送功能进行分析，得出每个配送员的最佳送餐路线。

SuperMap 组件产品提供的网络分析功能主要包括：最佳路径分析、服务区分析、旅行商分析、最近设施查找分析、选址分区分析、多旅行商分析（也称为物流配送分析），并且还包括设施网络分析的相关分析功能，设施网络分析主要是进行上下游追踪分析、设施网络路径分析以及连通性分析等。

建立网络数据集

网络数据集构建方法

方法一：通过单个线数据集构建网络模型数据集。可以设置保存的非系统字段。

请参见SuperMap iDesktop帮助文档的网络分析相关介绍。

方法二：通过多个线数据集和点数据集构建网络数据集。可以设置保存的非系统字段及打断模式。

请参见SuperMap iDesktop帮助文档的网络分析相关介绍。

方法三：通过单个线数据集和点数据集以及已知的表达拓扑关系的字段构建网络数据集。

请参见SuperMap iDesktop帮助文档的网络分析相关介绍。

网络数据集及其拓扑关系字段

SuperMap的网络数据集（Network）属于矢量数据集（DatasetVector），它由网络弧段和网络结点构成，并记录了二者的拓扑关系。网络数据集包含一个弧段（线类型）数据集和一个结点（点类型）数据集，其中弧段数据集为主数据集，结点数据集为子数据集。在弧段属性表和结点属性表中，存储有表达弧段和结点之间的拓扑关系的字段。下面进行详细说明。

上一小节中介绍的方法一和方法二，在建立网络数据集的同时会进行适当的拓扑处理，如将复杂线对象打散、在线与线相交处打断（由设置的打断模式决定）等，以保证建立的网络数据集的正确性。这两个方法构建的网络数据集，其拓扑关系字段是系统字段，分别为：

弧段 ID 字段：SMEDGEID，记录了作为弧段唯一标识的弧段 ID，位于网络数据集的弧段属性表中；

结点 ID 字段：SMNODEID，记录了作为结点唯一标识的结点 ID，位于网络数据集的结点属性表中；

起始结点 ID 字段：SMFNODE，记录了对应弧段的起始结点的结点 ID，与结点 ID 字段的值具有对应关系，位于网络数据集的弧段属性表中；

终止结点 ID 字段：SMTNODE，记录了对应弧段的终止结点的结点 ID，与结点 ID 字段的值具有对应关系，位于网络数据集的弧段属性表中。

对于方法三，由于完全按照用户指定的描述网络拓扑关系的字段来构建网络数据集，因此，构建的网络数据集的弧段 ID、弧段起始结点 ID、弧段终止结点 ID 和结点 ID 字段即为调用此方法时指定的字段，而不再是 SMEDGEID、SMFNODE、SMTNODE、SMNODEID 等系统字段。