Соединение местоположений с помощью наиболее оптимального пути можно сделать, используя инструменты Оптимальное соединение регионов, Оптимальный путь как линия и Оптимальный путь как растр. Но, возможно, вам нужен результат, который не ограничен тонкой линей, или путем толщиной в одну ячейку. Вам может потребоваться более широкая двумерная область, где итоговая стоимость перемещения между местоположениями ниже, чем некоторый порог. Такая область называется коридором.
Можно создать область, построив буфер вокруг оптимального пути на фиксированном расстоянии. Но такой подход не всегда может корректным образом учесть то, что важно путешественнику. Например, простой буфер вокруг оптимального пути может включать промышленную зону, которая может войти в планируемый коридор для передвижения диких животных. Ширина коридора, который соединяет местоположения, должна иметь возможность варьироваться в соответствии со скоростью изменения фактических накопленных затрат на перемещение от ячейки к ячейке между местоположениями. Поскольку у коридора для диких животных в промышленной зоне стоимость будет высокая, эта область в коридор включаться не будет.
Коридор находит все возможные стоимостные пути, которые меньше, чем указанная накопленная стоимость. Для определения коридора инструмент Коридор наименьшей стоимости суммирует поячеечно растры накопления стоимости между источниками и выбирает ячейки со стоимостью меньше указанного порогового значения.
Примеры использования коридора
Коридоры можно использовать для решения анализа по различным сценариям, таким как:
- В плане сохранения местообитаний оленей нужно соединить два участка среды обитания оптимальным коридором.
- Нужно определить возможный маршрут предлагаемого подземного трубопровода.
- Нужно определить возможную зону, в пределах которой должна проходить планируемая велосипедная дорожка при соединении двух парков.
Анализ коридоров
Анализ расстояния можно разделить на следующие функциональные разделы:
- Вычисление расстояния по прямой и, дополнительно, корректировка вычислений с барьером или растром поверхности.
- Дополнительно можно определить цену, затрачиваемую на прохождение расстояния с учетом поверхности стоимости, характеристик источника, вертикального фактора и горизонтального фактора. Создание растра накопления расстояния
- Соедините регионы на полученной поверхности с накопленным расстоянием через оптимальную сеть, заданные пути или коридор.
В третьей рабочей области местоположения соединены с помощью коридоров, как это показано в примерах ниже.
Есть популяция медведей в недавно созданном парке (светло-зеленый полигон) и вторая популяция в окрестностях одного из четырех лесничеств (желтая точка). Коридор позволит медведям перемещаться между этими двумя областями.
Были построены два растра расстояния накопленной стоимости и два растра обратного направления было создано инструментом Накопление расстояния с использованием поверхности стоимости, потоков в качестве барьеров (линии голубого цвета) и растра поверхности. Для инструмента Коридор наименьшей стоимости указаны четыре растра, а для определения ширины коридора задано пороговое значение.
Создание коридора
Основной процесс определения коридора между двумя источниками выглядит следующим образом:
- Вычислить накопленное расстояние и обратное направление от первого исходного местоположения до каждой ячейки в изучаемой области.
- Вычислить накопленное расстояние и обратное направление от второго исходного местоположения до каждой ячейки в изучаемой области.
- Вычислить сумму накопленных расстояний между двумя источниками для каждой ячейки.
- Определить ячейки, в которых накопленное расстояние между двумя источниками попадает в пределы заданного порогового значения.
Чтобы создать итоговый коридор, выполните следующие шаги:
Вычисление накопленного расстояния и обратного направления для первого источника.
- Откройте инструмент Накопление расстояния.
- Задайте первое местоположение, которое нужно соединить как источник (Источник 1) в параметре Входные растровые или векторные данные источников.
- Присвойте имя выходному растру расстояния для Источника 1.
- Укажите растр стоимости в параметре Входной растр стоимости.
Направление перемещения в коридоре не учитывается. Соответственно, не указывайте вертикальный фактор, горизонтальный фактор или значение Направление перемещения в параметре характеристик источника.
- Присвойте имя выходному растру обратного направления.
- Щелкните Запустить.
- Откройте инструмент Накопление расстояния.
- Задайте второе местоположение, которое нужно соединить как источник (Источник 2) в параметре Входные растровые или векторные данные источников.
- Присвойте имя выходному растру расстояния для Источника 2.
- Укажите такие же параметры, как в шаге 4.
- Присвойте имя выходному растру обратного направления.
- Щелкните Запустить.
- Откройте инструмент Коридор наименьшей стоимости.
- Идентифицируйте выходной растр накопления расстояния для первого местоположения (Источник 1), который был создан в шаге 6, в качестве значения параметра Входного растра накопленной стоимости 1.
- Идентифицируйте выходной растр обратного направления для первого местоположения (Источник 1), который был создан в шаге 6 в качестве значения параметра Входной растр обратного направления 1.
- Идентифицируйте выходной растр накопления расстояния для второго местоположения (Источник 2), который был создан в шаге 6, в качестве значения параметра Входного растра накопленной стоимости 2.
- Идентифицируйте выходной растр обратного направления для второго местоположения (Источник 2), который был создан в шаге 6 в качестве значения параметра Входной растр обратного направления 2.
- Задайте имя для выходного растра коридора.
- Укажите Метод порогового значения. Выберите или Нет порогового значения, или Процент наименьшей стоимости, или Накопленная стоимость.
- Если Процент наименьшей стоимости или Накопленная стоимость выбраны в качестве Метода порогового значения, укажите пороговое значение для процента накопленной стоимости, которое будет использовано для определения ширины коридора.
- Щелкните Запустить.
Соединение местоположений с помощью коридоров с наименьшей стоимостью
Коридор определяет географическую область с наименьшей стоимостью, которая соединяет два исходных местоположения. Он содержит все ненаправленные стоимостные пути между источниками, которые меньше указанной накопленной стоимости. Коридор и пути в рамках него не имеют направлений, поскольку не имеет значения, в каком направлении вы будете перемещаться между источниками.
Процесс создания коридора
Чтобы создать растр коридора, вам понадобятся четыре набора данных: два, которые определяют характеристики расстояния до первого местоположения источника, и другие два, определяющие характеристики расстояния до второго местоположения. Вы будете использовать инструмент Накопление расстояния, чтобы создать растр накопленной стоимости и растр обратного направления для первого набора источников. Затем вы используете тот же инструмент, чтобы создать растр накопления стоимости и растр обратного направления для второго набора местоположений. Используйте эти два результата в качестве входных данных для инструмента Коридор наименьшей стоимости, который создает сумму накопленной стоимости между двумя источниками, и , дополнительно, использует пороговое значение. Только те ячейки, которые попадают в пределы этого порогового значения, будут выбраны для создания результирующего растра коридора.
Задание порогового значения
Есть три метода установки порогового значения - Нет порогового значения, Процент наименьшей стоимости, или Накопленная стоимость.
Если указана опция Нет порогового значения, результирующий коридор будет охватывать полный экстент двух входных растров накопленной стоимости.
Если указан Процент наименьшей стоимости коридор будет создан с применением указанного процента к минимальному значению в поверхности коридора. Если указанный процент равен нулю, или близко к нулю, отдельные ячейки могут быть отсоединены от коридора. Эти ячейки соединяются с коридором через входные растры обратного направления. Дополнительную информацию см в разделе Отсоединенные ячейки в пределах коридора ниже.
Если выбрана Накопленная стоимость и указано пороговое значение, все ячейки, значения накопленной стоимости которых меньше или равны указанному пороговому значению, будут выбраны для построения коридора. Указанное пороговое значение должно быть выше или равно минимальному значению в поверхности коридора. Если выбранные ячейки не образуют непрерывный коридор между двумя входными источниками, они будут соединяться на основании входного растра обратного направления. Дополнительную информацию см в разделе Отсоединенные ячейки в пределах коридора ниже.
Оценка коридора
На рисунке ниже показан пример коридора, который был создан для проекта проектируемой линии электросети. Единственным критерием оценки стоимости коридора является стоимость приобретения земли. Итоговый коридор (показан розовым цветом) содержит все пути, которые максимум на 10% дороже, чем путь с наименьшей стоимостью, полученный на основе минимального значения в поверхности коридора (показан линией темно-красного цвета). Ширина коридора меняется на его протяжении, и местами коридор заметно расширяется. Результат отличается от того, который можно было бы построить на основе буфера фиксированной ширины вокруг пути с наименьшей стоимостью.
Если вы выберете все ячейки с общей накопленной стоимостью, которая не более чем на 10 процентов превышает путь с наименьшей стоимостью, результат можно рассматривать как коридор стоимости в 10 процентов.
Ширина коридора
Узкие участки коридора обычно определяют области, где коридор наиболее чувствителен к стоимостям и где существенно меньше вариантов маршрутов между этими участками. В случае с линиями электропередачи более узкие участки коридора могут быть теми местами, которые следует освоить в первую очередь, потому что в этой части коридора меньше диапазон для размещения линий электропередач. Эти области являются наиболее критическими участками в коридоре.
При размещении коридоров для диких животных узкие участки коридора могут оказаться там, где животные подвергаются наибольшему риску при перемещении по ландшафту. Эти узкие участки могут оказаться наиболее важными для сохранения, потому что у диких животных будет меньше вариантов при перемещении по ним.
Чтобы визуализировать значимость ширины коридора можно также представить его в виде реки, текущей по долине. Там, где долина широкая и плоская, у реки есть множество вариантов для прокладки русла (с учетом наименьшего сопротивления). При наводнении река может выйти из берегов и разлиться широко, вплоть до того, что проложить себе новое русло. Однако если долина сужается до каньона, где по обеим сторонам идут высокие отвесные скалы, у реки остается гораздо меньше возможностей изменить свой путь. Стоимость участков, окружающих узкие части каньона, окажется гораздо выше. Иллюстрации к этой концепции см. в разделе ниже Дополнительная информация. На рисунке путь с наименьшей стоимостью - это река, а разные стоимостные пороги - это изолинии.
Подходящий порог
Порог зависит от единиц измерения стоимостной поверхности. Стоимость в долларах - это один из самых простых способов определить единицы. Однако для коридора дикой природы, если предпочтительны единицы стоимости, определить пороговое значение может оказаться сложно. Труднее будет обосновать привязку биологического порога к единицам субъективной оценки стоимости.
В таком случае пытаются анализировать несколько порогов, пока не будет получена подходящая ширина. Идеально, если заданный порог будет учитывать объективные измерения.
Острова в коридоре
В зависимости от заданного порогового значения, в результирующем коридоре могут появиться острова в областях, где коридор расширяется и не является непрерывным, как, например, в случае с электросетями, описанном выше. У ячеек островов накопленные стоимости выше, и коридор будет проходить вокруг них.
Направленность коридора
В коридорах не определены направления, и перемещение из одного источника в другой будет иметь тут же стоимость, что и перемещение в обратную сторону. Однако важно использовать те же настройки для обоих запусков инструмента Накопление расстояния.
Вы можете использовать стоимостную поверхность и растр поверхности, чтобы повысить уровень сложности в моделировании расстояния. Однако вы не можете использовать характеристики источника вертикальный фактор, горизонтальный фактор или направление перемещения, поскольку эти параметры зависят от направления передвижения.
Несколько местоположений источников
Количество уникальных источников, которые будут использоваться для создания входных растров накопленной стоимости, может быть больше одного. У инструмента Накопление расстояния может быть несколько входных наборов данных. В зависимости от значений совокупной стоимости между источниками и заданного порогового значения, между источниками может быть создано несколько коридоров вместо одного коридора.
Вычисление коридоров по отдельным ячейкам
На рисунках ниже показано, как создается коридор для местоположения из одной ячейки. Этот процесс выполняется для каждой ячейки во входных растрах, но в целях демонстрации показана только одна ячейка.
Для создания коридора растр накопленной стоимости и растр обратного направления должны быть созданы для источника 1, и такие же растры должны быть созданы для источника 2 с помощью инструмента Накопление расстояния.
Затем инструмент Коридор наименьшей стоимости соединяет две поверхности растра накопления вместе.
Суммарный результат не определяет единый путь с наименьшей стоимостью между двумя источниками; он определяет диапазон накопленных стоимостей между источниками. То есть наименьшая накопленная стоимость для достижения источника 1 плюс наименьшая накопленная стоимость для достижения источника 2 равна общей накопленной стоимости пути, проходящего через ячейку. Это будет наименьшая накопленная стоимость, если путь проходит через ячейку между источником 1 и источником 2.
Затем задается пороговое значение, чтобы определить ширину коридора.
Все ячейки, значения накопленной стоимости которых меньше указанного порога, будут выбраны в растре для построения коридора. Как только будет применен порог, итоговый результат можно считать коридором ячеек с наименьшей стоимостью, а не путем с наименьшей стоимостью (отдельная линия).
Два растра обратного направления используются для проверки отсутствия отсоединенных ячеек в коридоре. Дополнительную информацию см в разделе Отсоединенные ячейки в пределах коридора ниже.
Интерпретация коридоров
Ширина коридора может существенно меняться вдоль его длины. Это не фиксированное буферное расстояние вдоль пути с наименьшей стоимостью. Вы можете определить минимально необходимую ширину и указать, должен ли набор путей с наименьшей стоимостью формировать допустимый коридор.
Можно также сказать, что коридор показывает неопределенность в выборе пути с наименьшими затратами. 10-процентный коридор вокруг заданного пути с наименьшей стоимостью представляет собой хорошее визуальное обобщение всех путей, которые не более чем на 10 процентов дороже, чем путь с наименьшими затратами.
Коридор может показать, где путь с наименьшей стоимостью чувствителен к изменениям на пути его прохождения. В приведенном выше примере с линией электропередачи более широкая область в верхней части коридора находится на менее дорогой земле, поэтому есть больше возможностей для изменения местоположения пути в этой области без значительного влияния на его стоимость. В отличие от этого, в узкой средней части коридора альтернативные пути с наименьшими затратами пространственно ограничены лишь несколькими вариантами.
Дополнительная информация
В следующих разделах приведены дополнительные сведения о соединении местоположений с помощью коридоров.
Накопление стоимостного расстояния - не Евклидово расстояние
Есть два основных типа растров накопления расстояния, создаваемых инструментом Накопление расстояния: Евклидово или стоимостное. Вариант Евклидова расстояния для растра накопления расстояния, создается если в качестве входных данных используются только источники. Вариант стоимостного расстояния для растра накопления расстояния, как правило, создается если в качестве входных данных используются источники и поверхность стоимости.
Если растр накопления расстояния, рассчитанный по Евклидову расстоянию используется как входной в инструменте Коридор наименьшей стоимости, и задано пороговое значение, результат будет соответствовать буферу вокруг кратчайшего пусти между источниками. Инструмент Коридор наименьшей стоимости более эффективен, если рассчитывается на основе варианта растра накопления по стоимостному расстоянию. Ширина коридора в таком случае - не просто буфер, но определяется стоимостью. Стоимостное расстояние - это оценка стоимости, рассчитываемая для каждой ячейки. Ширина коридора, таким образом, зависит от того, что учитывается при отклонении от пути с наименьшей стоимости.
Отсоединенные ячейки в пределах коридора
Создание коридора состоит из двух шагов.
Сначала инструмент Накопления расстояния вычисляет расстояние с наименьшей стоимостью до каждого центра ячейки в выходном растре накопления стоимости. Для определения расстояния с наименьшей стоимостью до каждой ячейки, путь с наименьшей стоимостью создается от самого дешевого источника до центра ячейки. Вычисление пути в инструменте Накопление расстояния осуществляется путем математических вычислений и не зависит от структуры растра. При анализе коридора ключевым результатом является идеальный путь с наименьшей стоимостью между источниками 1 и 2. Так как при анализе коридора отсутствует направленность, идеальный путь от источника 1 к 2, и от источника 2 к 1 будет одним и тем же.
Инструмент Накопление расстояния сопоставляет идеальный путь между двумя источниками со структурой ячеек, определяемой поверхностью стоимости или установками в Параметрах среды анализа (для всех путей с наименьшей стоимостью). В процессе растеризации могут быть небольшие погрешности.
Инструмент Коридор наименьшей стоимости берет сумму двух входных растров накопленной стоимости и перестраивает идеальный путь с наименьшей стоимостью между источниками 1 и 2 от минимального значения растра коридора. Полученный идеальный путь с наименьшей стоимостью - основа, на которой формируется коридор. Пороговое значение определяет ширину коридора, которая связана с полученным путем с наименьшей стоимостью.
Любая ячейка, центр которой попадает в пределы, определенные пороговым значением, будет включена в коридор.
Примечание:
Полученный идеальный путь с наименьшей стоимостью, определяемый инструментом Коридор с наименьшей стоимостью не всегда будет совпадать с путем с наименьшей стоимостью , полученным с помощью инструмента Оптимальный путь как линия; причины обсуждаются ниже.
Для коридора есть два требования:
- Он должен быть связан с двумя входными источниками.
- Все ячейки в пределах коридора должны быть смежными.
Но есть три фактора, которые могут влиять на эти требования:
- Размер ячейки.
- Незначительная вариабельность в вычислениях. Чем ближе к источникам, тем сильнее выражены искажения. Эти незначительные искажения увеличивает накопленную стоимость в этих участках, и такие искажения усиливаются, когда два входных растра объединяются вместе.
- Вариабельность поверхности стоимости, в частности, в областях с высокой стоимостью.
В результате влияния этих факторов есть два сценария, в которых может выявиться наличие отсоединенных ячеек в коридоре. Инструмент Коридор с наименьшей стоимостью гарантирует, что отсоединенные ячейки должны быть соединены в пределах коридора.
Сценарий 1
В этом сценарии отсоединенные ячейки появляются далеко от источников, где меньше искажений из-за вариабельности в вычислениях, и в областях ячеек с высокой стоимостью.
Ниже приведен пример отсоединенных ячеек в коридоре, рассчитанном для гималайских медведей в условиях дикой природы. Коридор (голубого цвета) соединяет два ареала (фиолетовые и желтые участки) Отсоединенные ячейки в середине коридора (указаны стрелкой) - области ячеек высокой стоимости. Эти отсоединенные ячейки будут автоматически соединены инструментом Коридор с наименьшей стоимостью, с использованием растров обратного направления.
Причина отсоединения ячеек проиллюстрирована на смоделированном примере на рисунке ниже. Область черного цвета - это желаемый коридор, определяемый указанным пороговым значением относительно полученного идеального пути с наименьшей стоимостью независимо от центров ячеек на карте коридора — суммы двух слоев накопленной стоимости.
Как указывалось ранее, накопление расстояния вычисляется для центров каждой ячейки. В областях высокой стоимости, при построении идеального пути с наименьшей стоимостью между источниками 1 и 2, перемещение ограничивается с помощью ячеек с высокой стоимости. Тем не менее часто бывает необходимо пройти через часть такой ячейки, например через угол, избегая прохода к центру ячейки, затратив полную стоимость.
Желаемый коридор, определяемый пороговым значением, преобразуется (растеризуется) обратно в ячейки растра коридора. Несмотря на то, что коридор проходит через часть ячейки с высокой стоимостью, он не включает в себя центр ячейки. Эта ячейка не входит в коридор. Соответственно, определенные ячейки становятся отсоединенными от коридора.
Но входные растры обратного направления помогают найти путь через такие ячейки с высокой стоимостью. Инструмент Коридор с наименьшей стоимостью использует эти растры, чтобы соединить отсоединенные ячейки с коридором. Накопленная стоимость ячеек, которые используются для соединения отсоединенных ячеек будут немного выше, чем пороговое значение.
Для снижения искажений используются ячейки меньшего размера при построении растров накопления расстояния инструментом Накопление расстояния. Ячейки меньшего размера могут отражать более низкую накопленную стоимость, чем те, которые были объединены в более крупную ячейку, или более крупная ячейка разбивается на более мелкие единицы. Путь с наименьшей стоимостью может проходить через ячейки с наименьшей стоимостью, чтобы избегать затраты полной стоимости для достижения центра ячейки.
Сценарий 2
В этом сценарии отсоединенные ячейки созданы при использовании метода Накопления стоимости и установка порогового значения близко к минимальному значению поверхности коридора (сумма растров накопленной стоимости 1 и 2). Или можно использовать Процент наименьшей стоимости для установки процента на 0.
В этом сценарии инструмент Коридор с наименьшей стоимостью рассчитывает идеальный путь с наименьшей стоимостью между двумя источниками, с использованием минимального значения суммы двух растров накопления.
Полученный идеальный путь с наименьшей стоимостью проходит через ячейку или ячейки с наименьшей суммарной накопленной стоимостью, возможно проходя через центры ячеек. Если путь с наименьшей стоимостью захватывает области с высокой стоимостью, суммарная накопленная стоимость для ячеек будет выше, чем минимальное значение по причинам, описанным выше. Отсоединенные ячейки могут быть результатом. Используя растры обратного направления, инструмент Коридор с наименьшей стоимостью гарантирует, что два источника соединяются коридором, как минимум, шириной в одну ячейку. Все ячейки, используемые для соединения отсоединенных ячеек будут иметь несколько большую накопленную стоимость, чем пороговое значение (минимальное значение растра коридора).
Генерализованная версия этого сценария иллюстрирована на рисунке ниже. Поверхность стоимости - имитированный набор данных содержащий все значения 1. Полученный путь с наименьшей стоимостью соединяющий два источника (розовые квадраты) - показан линией. Ячейки, которые будут выбраны для включения в коридор, используют пороговое значение 0%, показанное черным цветом. Так как поверхность стоимости состоит из ячеек со значением 1, полученный путь с наименьшей стоимостью будет представлен прямой линией.
В коридоре есть пустоты (наборы ячеек черного цвета), так как растеризация достаточно грубая. Соединенные последовательность ячеек изначально не выбраны. Инструмент Коридор с наименьшей стоимостью использует растр обратного направления, чтобы соединить эти ячейки и получить непрерывный коридор.
Понимание коридоров
Чтобы понять, почему добавление двух растров накопления расстояний и установка порога создает коридор, начнем с простейшего геометрического случая. Прямая линия - это путь с наименьшей стоимости между двумя точками на плоскости. Если точка C находится на этой линии, то AC + CB = AB. В терминологии коридоров сумма накопленных стоимостей от С до А и от С до В является постоянной и также минимальной (длина линии АВ). В результате прямая линия - это 0% коридор между А и В. Также есть другой способ создания путей с наименьшей стоимостью, при котором вам не нужен растр обратного направления.
Если убрать точку С с линии (в сторону от пути с наименьшей стоимостью), то АС будет новым путем с наименьшей стоимостью от С до А, а СВ будет путем с наименьшей стоимостью от С до В. В результате, AC + CB > AB. Все точки с одинаковой суммированной стоимостью образуют эллипс вокруг исходного пути с наименьшей стоимостью. Все пути с наименьшей стоимостью, соединяющие С с А и В находятся в этом коридоре. В терминологии коридоров эллипс - это коридор х % вокруг пути с наименьшей стоимостью. Как и в случае с примером линии электропередачи, в начале коридора Коридор наименьшей стоимости вокруг пути с наименьшей стоимостью отличается от буфера фиксированной ширины вокруг этого пути.
Эти факты также верны при работе с более общими путями с наименьшей стоимостью. Коридор 0 процентов идентичен пути с наименьшей стоимостью, а коридоры с более высоким порогом образуют контурные петли, которые содержат все ячейки и все пути в этом коридоре.
Если направление движения не важно в вашем анализе пути с наименьшей стоимостью, вы можете использовать коридоры для визуализации неопределенности пути с наименьшей стоимостью или всех мест, где могут быть расположены альтернативные ненаправленные пути, которые находятся в пределах допустимого порогового значения затрат вокруг пути с наименьшей стоимостью.
Визуализация коридоров
Вы можете получить новые знания и перспективы при просмотре коридоров в 3D. Путь с наименьшей стоимостью становится относительно ровным дном каньона, построенным из входных поверхностей с суммарной накопленной стоимостью, а различные коридоры x процентов образуют изолинии на стенах каньона. Из любой точки стены каньона вы должны спускаться вниз, чтобы добраться до источника, а это значит, что вам нужно оставаться ниже изолинии, указывающей, что вы находитесь в коридоре этого процента.
Более широкие секции коридора в примере с электросетями находятся в более широкой и плоской чаше на рисунке выше. Если вы планируете потратить дополнительную стоимость накопления, вы можете повысить порог. Широкие чаши будут там, где вы получаете больше опций для определения маршрута пути, поскольку ширина коридора существенно повышается. Стены каньона показывают, где инвестиции будут наименее успешными.