Dostępne z aplikacją ArcGIS Image for ArcGIS Online.
Narzędzie Optymalne połączenia regionów identyfikuje optymalną sieć ścieżek najmniejszego kosztu w celu połączenia serii regionów wejściowych. Nie tworzy oddzielnych ścieżek łączących jedną lokalizację z drugą.
Tego narzędzia można użyć, gdy istnieje kilka regionów i ma zostać utworzona sieć, która wyznacza najlepszy sposób podróżowania między nimi. Regionami mogą być na przykład obszary siedliskowe, parki lub wyręby. Powstałe w ten sposób sieci mogą być korytarzami dla dzikiej zwierzyny łączącymi siedliska, szlakami rowerowymi łączącymi parki lub drogami wyrębowymi łączącymi miejsca wyrębu.
W wynikowej sieci podróżujący może przemieszczać się z jednego regionu do dowolnego innego za pomocą ścieżek, w tym podróżować przez inne regiony, aby dotrzeć do odległego regionu.
Jeśli zostanie podana powierzchnia kosztów, wynikowa sieć będzie siecią ścieżek najmniejszego kosztu. Jeśli zostaną podane tylko wejściowe źródła, wynikowa sieć będzie siecią najkrótszych ścieżek.
W sieci optymalnej kierunek podróży nie ma znaczenia. Akumulowany koszt jest taki sam niezależnie od tego, czy podróżujący przemieszcza się z jednego regionu do drugiego, czy z drugiego regionu z powrotem do pierwszego. Jeśli kierunek podróży jest istotny dla przeprowadzanej analizy, należy użyć narzędzia Ścieżka optymalna jako linia.
Przykłady zastosowań sieci optymalnych
Optymalna sieć ścieżek najmniejszego kosztu pomiędzy lokalizacjami może być wykorzystywana do rozwiązywania różnych scenariuszy, takich jak np.:
- W ramach akcji pomocy po klęsce żywiołowej określono pięć obszarów, w których zostaną rozmieszczone obozy ratowników i personelu medycznego. Konieczne jest wyznaczenie jak najlepszej sieci tras zaopatrzeniowych między obozami.
- W procesie pozyskiwania drewna należy utworzyć najbardziej efektywną kosztowo sieć dróg leśnych, które umożliwią pozyskiwanie tego surowca.
- Podczas akcji gaśniczej trzeba określić najlepszą sieć tras służących do przemieszczania środków gaśniczych między różnymi stanowiskami.
- Na podstawie modelu przydatności zidentyfikowano 10 najlepszych obszarów siedliskowych rysi. Rysie powinny mieć możliwość przemieszczania się między obszarami siedliskowymi przy wykorzystaniu najbardziej efektywnej sieci korytarzy ekologicznych, dzięki czemu zostanie zachowana genetyczna różnorodność metapopulacji.
Analiza sieci optymalnej
Distance analysis can be divided conceptually into the following related functional areas:
- Calculate straight-line distance and optionally adjust the calculations with a barrier or surface raster.
- Optionally determine the rate the distance will be encountered using a cost surface, source characteristics, vertical factor, and horizontal factor. Create the accumulative distance raster.
- Połączenie regionów na wynikowej powierzchni zakumulowanej odległości za pomocą optymalnej sieci, określonych ścieżek lub korytarzy.
Trzeci obszar funkcjonalny, który łączy regiony za pomocą optymalnej sieci ścieżek, został zilustrowany poniżej. Scenariusz obejmuje zbiór czterech regionów, które odpowiadają posterunkom strażników leśnych (fioletowe kropki), i kilku rzek (niebieskie linie).
Regiony są połączone siecią optymalną na powierzchni kosztów przy jednoczesnym zastosowaniu bariery.
Analizując dane wynikowe przydziału odległości, można zobaczyć, dlaczego dwa dolne regiony nie są połączone. Ze względu na barierę rzeczną nie są sąsiadami pod względem kosztu.
Tworzenie sieci optymalnej
Aby utworzyć wynikową sieć optymalną, wykonaj następujące czynności:
- Otwórz narzędzie Optymalne połączenia regionów.
- Podaj regiony do połączenia w parametrze Wejściowe dane rastrowe lub obiektowe regionów.
- Nadaj nazwę wynikowej optymalnej sieci połączeń.
- Opcjonalnie podaj zestaw danych barier.
- W parametrze Wejściowy raster kosztów podaj powierzchnię kosztów, jeśli jest używana.
- Opcjonalnie podaj nazwę w parametrze Wynikowa klasa obiektów sąsiadujących połączeń.
- Opcjonalnie podaj wartości parametrów Metoda ustalania odległości lub Połączenia regionów.
- Kliknij przycisk Uruchom.
Narzędzie Optymalne połączenia regionów
Narzędzie Optymalne połączenia regionów identyfikuje optymalną sieć ścieżek najmniejszego kosztu w celu połączenia serii regionów wejściowych.
Podanie danych wejściowych
Najpierw należy zidentyfikować regiony źródłowe.
Regionem może być punkt, linia, poligon lub grupy komórek rastrowych. Regiony identyfikują lokalizacje, które mają zostać połączone. Lokalizacje w zestawie danych obiektowych są uważane za regiony. Gdy danymi wejściowymi jest raster, region jest grupą przylegających do siebie komórek o tej samej wartości.
Na poniższym obrazie regiony wejściowe (kolorowe poligony) są wyświetlane na warstwie powierzchni kosztów.
Określenie regionu o najmniejszym koszcie
Region o najmniejszym koszcie jest identyfikowany dla każdej komórki nieźródłowej przy użyciu obliczeń wykonanych przez narzędzie Przydział odległości.
Na poniższym obrazie wejściowe regiony są wyświetlane na powiązanej warstwie przydziału odległości. Wartość każdej komórki w rastrze przydziału identyfikuje region, do którego można dotrzeć przy najtańszym (najmniejszym) akumulowanym koszcie.
Tworzenie ścieżek kosztów
Ścieżki kosztów są tworzone między każdym regionem a jego sąsiednimi regionami kosztów.
Na poniższym obrazie wejściowe regiony i ścieżki najmniejszego kosztu z każdego regionu do sąsiednich regionów kosztów (linie w kolorze magenta) są wyświetlane na powiązanej warstwą przydziału kosztów.
Konwersja regionów i ścieżek w graf
Regiony i wynikowe ścieżki są konwertowane w graf. Graf w tym kontekście jest strukturą matematyczną używaną do modelowania relacji między parami za pomocą teorii grafów. Po konwersji regiony stają się wierzchołkami, a ścieżki krawędziami. Akumulowany koszt dla ścieżki jest wagą dla krawędzi.
Koncepcyjnie, konwersja ta jest przedstawiona na poniższej ilustracji. Ponumerowane okręgi to wierzchołki (regiony), a linie łączące wierzchołki to krawędzie (ścieżki najmniejszego kosztu). Wagi krawędzi przedstawiają akumulowany koszt ścieżek. Na ilustracji większe koszty reprezentowane są przez grubsze linie.
Notatka:
Aby w pełni zrozumieć działanie tego narzędzia, zalecana jest podstawowa znajomość teorii grafów. Dostępnych jest wiele źródeł na ten temat, ale można zacząć od wpisu w Wikipedii na stronie https://en.wikipedia.org/wiki/Graph_theory.
Minimalne drzewo rozpinające jest określane przy użyciu teorii grafów w celu połączenia wierzchołków (regionów) w najbardziej efektywny (najmniej kosztowny) sposób. Minimalne drzewo rozpinające niekoniecznie jest unikalne, ponieważ może istnieć więcej niż jeden zestaw krawędzi, które są uważane za najlepsze.
Notatka:
Więcej informacji na temat minimalnych drzew rozpinających można znaleźć w Internecie, na przykład we wpisie w Wikipedii pod adresem https://en.wikipedia.org/wiki/Minimum_spanning_tree.
Odwzorowanie na obiekty liniowe
Przestrzenna reprezentacja regionów i ścieżek z minimalnego drzewa rozpinającego jest odwzorowywana z powrotem na wynikową klasę obiektów.
Na poniższym obrazie wejściowe regiony i sieć ścieżek najmniejszego kosztu z minimalnego drzewa rozpinającego (linie w kolorze magenta) są wyświetlane na powiązanej warstwie powierzchni kosztów.
Wynikowe ścieżki do sąsiednich regionów kosztów
Opcjonalnie można wygenerować klasę obiektów ścieżek do sąsiednich regionów kosztów. Tych danych wynikowych można użyć do utworzenia własnej sieci, dodania ścieżek do minimalnego drzewa rozpinającego lub dalszej analizy w rozszerzeniu analiza sieciowa.
Jeśli nie zostanie podana powierzchnia kosztów, danymi wynikowymi będzie sieć ścieżek, która łączy regiony w najkrótszy możliwy sposób.
Notatka:
Narzędzie Optymalne połączenia regionów uwzględnia bariery. Bariery mogą być określone przez parametr barier lub przez komórki o wartości Brak danych w masce lub w rastrze powierzchni kosztów. Wynikowa sieć identyfikuje najkrótszą lub najmniej kosztowną fizyczną odległość umożliwiającą dotarcie do każdej lokalizacji ze źródła, poruszając się wokół tych barier.
Dodatkowe informacje
Poniższe sekcje zawierają dodatkowe informacje dotyczące łączenia regionów za pomocą sieci optymalnych ścieżek.
Ścieżki przechodzące przez regiony
Każda ścieżka jest oddzielnym obiektem liniowym, a zduplikowane linie będą istnieć tam, gdzie ścieżki prowadzą przez wspólne krawędzie.
W przypadku połączonej sieci ścieżek, jeśli regiony wejściowe są poligonami lub rastrem regionów wielokomórkowych, ścieżki są kontynuowane do punktu w regionie, aby umożliwić podróżującemu wejście jedną ścieżką, poruszanie się w regionie i wyjście inną ścieżką w celu dotarcia do innych regionów. Ponieważ nie wiadomo, w jaki sposób podróżujący będzie przemieszczał się w obrębie regionu, nie są przypisywane żadne koszty do tych wydłużonych krawędzi w obrębie regionu i nie są ponoszone żadne koszty podczas przemieszczania się w obrębie regionu. To samo dzieje się, gdy wprowadzane są regiony liniowe: nie są ponoszone żadne koszty w przypadku poruszania się wzdłuż regionu liniowego w celu dotarcia do innych ścieżek.
Aby zilustrować wynikową połączoną sieć w stosunku do serii niezależnych ścieżek najmniejszego kosztu, na poniższym obrazie pokazano różnicę między tymi dwoma sposobami łączenia regionów. Pierwszy obraz przedstawia wynik użycia danych wynikowych narzędzia Akumulacja odległości jako danych wejściowych narzędzia Ścieżka optymalna jako linia. W tym przypadku ścieżki docierają tylko do krawędzi regionów. Drugi obraz przedstawia wynikową sieć ścieżek łączących regiony utworzonych za pomocą narzędzia Optymalne połączenia regionów. W tym przypadku ścieżki biegną dalej w obrębie regionu, umożliwiając podróżującemu wejście do regionu jedną ścieżką i opuszczenie go inną.
Ponieważ dane wynikowe narzędzia Optymalne połączenia regionów są topologicznie poprawną siecią, można je wykorzystać w rozszerzeniu analiza sieciowa do przeprowadzenia dodatkowej analizy.
Narzędzi Optymalne połączenia regionów można również użyć, aby zapobiec kontynuowaniu ścieżek przez regiony, podając opcję Brak połączeń dla parametru Połączenia w obrębie regionów.
Narzędzia Optymalne połączenia regionów i Ścieżka optymalna jako linia
Narzędzie Optymalne połączenia regionów tworzy optymalną sieć ścieżek między wieloma regionami wejściowymi. Narzędzia Akumulacja odległości i Ścieżka optymalna jako linia działają wspólnie w celu utworzenia ścieżek między zidentyfikowanymi źródłami i miejscami docelowymi. Sekwencja narzędzi Akumulacja odległości i Ścieżka optymalna jako linia może być również używana do tworzenia sieci ścieżek poprzez iteracyjne izolowanie regionu jako źródła i łączenie go z innymi regionami zidentyfikowanymi jako miejsca docelowe. Proces ten jest powtarzany dla każdego regionu, a wynikowe ścieżki najmniejszego kosztu są łączone.
Takie podejście iteracyjne ma następujące ograniczenia:
- Łączenie każdego regionu ze wszystkimi innymi regionami jest procesem kombinatorycznym, który może tworzyć bardzo dużą liczbę ścieżek, zwłaszcza gdy istnieje wiele regionów. Podejście to nie pozwala na dotarcie do odległego regionu za pomocą serii ścieżek łączących sekwencję regionów, które znajdują się pomiędzy użytkownikiem, a odległym regionem.
- Aby zmniejszyć potencjalną dużą liczbę ścieżek, często do identyfikacji źródła i miejsca docelowego używana jest najbliższa odległość w linii prostej między dwoma regionami. Mimo że dwa regiony mogą znajdować się blisko siebie pod względem geograficznym, podróżowanie między nimi może być kosztowne ze względu na przeszkody w postaci obiektów, takich jak góry lub rzeki. Narzędzie Optymalne połączenia regionów określa regiony do połączenia w oparciu o najmniej kosztowną bliskość.
- Wiele razy różne ścieżki z różnych regionów łączą się i podążają tą samą ścieżką najmniejszego kosztu do wspólnego regionu. Trudno jest analizować wspólną część, jeśli są to ścieżki rastrowe, takie jak te utworzone przez narzędzie Ścieżka optymalna jako raster. Podczas przeprowadzania kolejnych analiz lepiej jest, jeśli każda ścieżka jest traktowana jako oddzielny obiekt.
- Ścieżki utworzone za pomocą narzędzia Ścieżka optymalna jako linia sięgają tylko do krawędzi regionu. Nie tworzą one połączonej sieci ścieżek.
Regiony i strefy
Regiony są używane jako dane wejściowe narzędzia Optymalne połączenia regionów. Regiony mogą być udostępniane jako zestaw danych obiektowych lub rastrowych. Jeśli regiony wejściowe są danymi obiektowymi, obiekty są konwertowane na raster. Region to dowolna grupa przylegających do siebie komórek o tej samej wartości komórki. Strefa to wszystkie komórki rastra, które mają taką samą wartość. Strefy mogą składać się z pojedynczego regionu lub wielu rozłącznych regionów. W przypadku narzędzia Optymalne połączenia regionów, jeśli na wejściu znajdują się grupy komórek o takiej samej wartości, które nie są ze sobą połączone, są one traktowane jako jeden region z rozłącznymi komórkami. W rezultacie tylko grupa komórek w regionie, do którego dotarcie jest najmniej kosztowne, zostanie połączona w sieci, więc nie wszystkie komórki w danych wejściowych zostaną połączone.
Dane wejściowe zawierające wiele rozłącznych grup komórek można przekształcić w serię niezależnych regionów za pomocą narzędzia Grupowanie regionów. Użycie danych wynikowych narzędzia Grupowania regionów jako danych wejściowych narzędzia Optymalne połączenia regionów spowoduje połączenie każdego regionu ze wszystkimi innymi regionami, dzięki czemu wszystkie komórki w danych wejściowych będą osiągalne za pośrednictwem wynikowej sieci.
Przykładowe scenariusze wykorzystujące narzędzie Optymalne połączenia regionów
Poniżej przedstawiono typowe scenariusze korzystania z narzędzia Optymalne połączenia regionów.
- Oczekiwanymi danymi wynikowymi jest sieć optymalna (minimalne drzewo rozpinające).
- Dodanie określonych ścieżek do sieci optymalnej za pomocą narzędzia Akumulacja odległości i Ścieżka optymalna jako linia w celu połączenia regionów, które nie zostały uwzględnione w sieci optymalnej. Na przykład podczas walki z wieloma pożarami lasów, można dodać drogi ewakuacyjne dla strażaków, aby mogli z nich korzystać w przypadku zmiany warunków.
- Utworzenie sieci z opcjonalnych danych wynikowych zawierających wszystkie ścieżki do sąsiednich regionów. Do wybrania ścieżek należy użyć narzędzia Wybierz.
- Przekształcenie dowolnego z powyższych scenariuszy w sieć i przeprowadzenie dodatkowej analizy przemieszczania się między regionami.