Доступно с лицензией Spatial Analyst.
Инструмент Оптимальные соединения регионов идентифицирует оптимальную сеть путей с наименьшей стоимостью для соединения ряда входных регионов. Он не создает отдельных путей, соединяющих одно местоположение с другим.
Используйте этот инструмент, если у вас есть несколько регионов и вы хотите создать сеть, показывающую возможности наилучшего перемещения между ними. Регионами могут быть, например, очаги обитания, парки или участки лесозаготовок. Полученные сети могут быть коридорами миграции диких животных, соединяющими ареалы обитания, велосипедными дорожками, соединяющими парки, или лесными дорогами, соединяющими участки лесозаготовок.
Используя пути в полученной сети можно перемещаться из одного региона в любой другой, в том числе через регионы, чтобы добраться до удаленного региона.
Если вы предоставите входную поверхность стоимости, итоговая сеть будет сетью путей с наименьшей стоимостью. Если вы предоставите только входные источники, итоговая сеть будет сетью кратчайших путей.
В оптимальной сети направление движения не имеет значения. Суммарная стоимость одинакова независимо от того, перемещается ли объект из одного региона в другой или из второго региона обратно в первый. Если направление движения важно для вашего анализа, используйте инструмент Оптимальный путь как линия.
Примеры применения оптимальных сетей
Оптимальная сеть путей с наименьшей стоимостью между местоположениями может использоваться для решения различных задач, например в следующих сценариях:
- Для организации помощи при стихийных бедствиях вы определили пять мест, где будут размещены лагеря спасателей и медицинского персонала. Вы хотите создать наилучшую сеть маршрутов снабжения между лагерями.
- Для целей лесозаготовительных работ вы собираетесь создать наиболее экономически эффективную сеть дорог для вывоза древесины.
- В операции по тушению пожара вы хотите определить наилучшую сеть троп для перемещения средств пожаротушения между различными штабами.
- Составив модель пригодности, вы определили 10 лучших местообитаний для рыси. Вы хотите, чтобы рыси перемещались между участками по оптимальной сети коридоров, предназначенных для диких животных, что позволит поддерживать генетическую изменчивость внутри популяции рыси.
Анализ оптимальной сети
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 по поверхности накопленного расстояния, используя оптимальную сеть, заданные пути или коридоры.
В третьей рабочей области ниже проиллюстрировано соединение регионов с помощью оптимальной сети путей. В сценарии используются четыре региона, соответствующие станциям лесничеств (фиолетовые точки) и нескольким рекам (синие линии).
Регионы соединяются оптимальной сетью по стоимостной поверхности с применением барьера.
Изучив выходные данные распределения расстояний, можно увидеть, почему две нижние области не соединены. Из-за речной преграды они не являются стоимостными соседями.
Создание оптимальной сети
Для создания оптимальной сети выполните следующие шаги:
- Откройте инструмент Оптимальные соединения регионов.
- Укажите регионы для соединения в параметре Входные растровые или векторные данные регионов.
- Назовите выходную сеть оптимальной связности.
- Дополнительно предоставьте набор данных барьеров.
- Если применимо, укажите поверхность стоимости для параметра Входной растр стоимости.
- Дополнительно укажите имя для параметра Выходной класс объектов соседних соединений.
- Дополнительно задайте значения параметров Метод расстояний или Соединения с регионами.
- Щелкните Запустить.
Инструмент Оптимальные соединения регионов
Инструмент Оптимальные соединения регионов идентифицирует оптимальную сеть путей с наименьшей стоимостью для соединения ряда входных регионов.
Предоставьте входные данные
Сначала определите исходные регионы.
Регион может быть точкой, линией, полигоном или группой ячеек растра. Регионы определяют местоположения для соединения. Местоположения в наборе классов объектов считаются регионами. Когда входными данными является растр, регион представляет собой группу смежных ячеек с одинаковым значением.
На изображении ниже входные регионы (цветные полигоны) отображаются поверх слоя стоимостной поверхности.
Определите регион с наименьшей стоимостью
Регион с наименьшей стоимостью определяется для каждой ячейки, не являющейся источником, при помощи вычислений, выполняемых инструментом Распределение по расстоянию.
На изображении ниже входные регионы отображаются поверх связанного слоя распределения по расстоянию. Значение каждой ячейки растра распределения идентифицирует регион с наименьшей накопленной стоимостью.
Создание стоимостных путей
Между каждым регионом и соседними регионами стоимости создаются стоимостные пути.
На изображении ниже входные регионы и пути наименьшей стоимости из каждого региона в соседствующие с ним регионы стоимости (пурпурные линии) отображаются поверх связанного слоя распределения по стоимости.
Конвертирование регионов и путей в граф
Регионы и полученные пути конвертированы в граф. Граф в этом контексте - это математическая структура, используемая для моделирования парных отношений с помощью теории графов. При конвертации регионы - это вершины, а пути - ребра. Накопленная стоимость пути для ребра является весом.
В общем виде эта конвертация может быть представлена в виде следующей иллюстрации. Пронумерованные круги являются вершинами (регионами), а линии, соединяющие вершины – ребрами (пути наименьшей стоимости). Веса ребер являются накопленными стоимостями путей. На рисунке более высокая стоимость представлена более толстыми линиями.
Примечание:
Чтобы полностью понять работу этого инструмента, рекомендуется изучить основы теории графов. Для этого имеется множество ресурсов, но начать можно со статьи в Википедии: https://en.wikipedia.org/wiki/Graph_theory.
Минимальное остовное дерево определяется с помощью теории графов для соединения вершин (регионов) наиболее эффективным (с наименьшей стоимостью) способом. Минимальное остовное дерево не обязательно является уникальным, поскольку может быть несколько наборов ребер, которые считаются лучшими.
Примечание:
Дополнительные сведения о минимальном остовном дереве доступны в Интернете, например, в статье Википедии https://en.wikipedia.org/wiki/Minimum_spanning_tree.
Отобразить линейные объекты
Пространственное представление регионов и путей из минимального остовного дерева картируется обратно в выходной класс объектов.
На изображении ниже входные регионы и сеть путей с наименьшей стоимостью из минимального остовного дерева (пурпурные линии) отображаются поверх слоя связанной стоимостной поверхности.
Выходные пути к соседним регионам стоимости
Дополнительно выходными данными может быть класс объектов путей к соседним регионам стоимости. Эти выходные данные можно использовать для создания собственной сети, добавления путей к минимальному остовному дереву или для дальнейшего анализа в Network Analyst.
Если поверхность стоимости не задана, выходными данными будет сеть путей, соединяющих регионы кратчайшим путем.
Примечание:
Инструмент Оптимальные соединения регионов учитывает барьеры. Барьеры могут быть заданы параметром барьер или ячейками NoData в маске или в стоимостном растре поверхности. Полученная сеть определяет кратчайшее или наименее затратное физическое расстояние для достижения каждого местоположения от источника при обходе этих барьеров.
Дополнительная информация
Следующие разделы содержат дополнительную информацию о соединении регионов с помощью оптимальной сети путей.
Пути, проходящие через регионы
Каждый путь представляет собой отдельный линейный объект; там, где пути имеют общий сегмент, линии будут дублироваться.
Для соединенной сети путей, если входные регионы представляют собой полигоны или растр с регионами, состоящими из множества ячеек, пути продолжаются до точки внутри региона, позволяя перемещающемуся объекту войти по одному пути, переместиться в пределах региона и выйти по другому пути, чтобы попасть в другой регион. Поскольку неизвестно, как объект будет перемещаться внутри региона, этим расширенным сегментам внутри региона не назначается никакой стоимости, и при перемещении по региону стоимость не учитывается. Так же как и в случае, если входные данные являются линейными регионами: перемещение вдоль линейного региона для достижения других путей не привносит стоимости.
Чтобы проиллюстрировать полученную соединенную сеть по сравнению с серией независимых путей с наименьшей стоимостью, на изображении ниже отображено различие между двумя способами соединения регионов. На первом изображении показан результат использования выходных данных инструмента Накопление расстояния в качестве входных данных для инструмента Оптимальный путь как линия. В этом случае пути достигают только ребер регионов. На втором изображении показана сеть путей, соединяющих регионы, созданные с помощью инструмента Оптимальные соединения регионов. В этом случае пути продолжаются внутри регионов, что позволяет входить в регион по одному пути и выходить по другому.
Поскольку выходные данные инструмента Оптимальные соединения регионов представляют собой топологически корректную сеть, их можно использовать в Network Analyst для выполнения дополнительного анализа.
Вы также можете использовать инструмент Оптимальные соединения регионов, чтобы предотвратить прохождение путей через регионы, указав Нет соединений для параметра Соединения внутри регионов.
Инструменты Оптимальные соединения регионов и Оптимальный путь как линия
Инструмент Оптимальные соединения регионов создает оптимальную сеть путей между несколькими входными регионами. Инструменты Накопление расстояния и Оптимальный путь как линия работают вместе для создания путей между идентифицированными источниками и пунктами назначения. Последовательность инструментов Накопление расстояния и Оптимальный путь как линия также можно использовать для создания сети путей путем итеративного изолирования региона как источника и соединения его с другими регионами как с пунктами назначения. Этот процесс повторяется для каждого региона и полученные пути наименьшей стоимости объединяются.
У итеративного подхода имеются следующие ограничения:
- Соединение каждого региона со всеми другими регионами - это комбинаторный процесс, который может создать очень большое количество путей, особенно когда регионов много. Этот подход не позволяет достичь удаленного региона, используя серию путей, соединяющих последовательность регионов, которые находятся между вами и удаленным регионом.
- Чтобы уменьшить вероятность большого количества путей, во многих случаях для идентификации источника и пункта назначения используется ближайшее расстояние по прямой между двумя регионами. Однако, несмотря на то, что два региона могут быть близки друг к другу географически, перемещение между ними может быть дорогостоящим из-за мешающих объектов, таких как гора или река. Инструмент Оптимальные соединения регионов определяет регионы для соединения на основе близости с наименьшей стоимостью.
- Часто различные пути из разных регионов соединяются и следуют по одному и тому же пути наименьшей стоимости в один регион. Трудно анализировать совпадающие участки, если это растровые пути, например, созданные инструментом Оптимальный путь как растр. При выполнении последующего анализа лучше, если каждый путь рассматривается как отдельный объект.
- Пути, созданные инструментом Оптимальный путь как линия, достигают только ребра региона. Они не создают связную сеть путей.
Регионы и зоны
Регионы используются в качестве входных данных для инструмента Оптимальные соединения регионов. Области могут быть либо пространственным объектом, либо набором растровых данных. Если входные регионы являются векторными данными, пространственные объекты конвертируются в растр. Регион представляет собой группу смежных ячеек с одинаковым значением. Зона - это все ячейки растра, имеющие одинаковое значение. Зоны могут состоять из одного региона или из нескольких несоединенных регионов. Для инструмента Оптимальные соединения регионов, если входными данными являются группы ячеек с одинаковым значением, не соединенные друг с другом, они обрабатываются как один регион с несвязанными ячейками. В результате к сети будет подсоединена только та группа ячеек в регионе, доступ к которой является наименее затратным, т.е. не все ячейки входных данных будут соединены.
Входные данные, содержащие несколько несоединенных групп ячеек, можно преобразовать в серию независимых регионов с помощью инструмента Группировка. Использование выходных данных инструмента Группировка в качестве входных данных инструмента Оптимальные соединения регионов соединит каждый регион со всеми другими регионами, так что все ячейки входных данных могут быть доступными в итоговой сети.
Примеры сценариев с использованием инструмента Оптимальные соединения регионов.
Ниже приведены распространенные сценарии использования инструмента Оптимальные соединения регионов.
- Желательными выходными данными является оптимальная сеть (минимальное остовное дерево).
- Добавьте определенные пути к оптимальной сети, используя инструменты Накопление расстояния и Оптимальный путь как линия, чтобы соединить регионы, которые оптимальная сеть не захватила. Например, при тушении нескольких лесных пожаров добавьте пути эвакуации, которые пожарные смогут использовать в случае изменения условий.
- Создайте сеть из дополнительных выходных данных, содержащих все пути в соседние регионы. Используйте инструмент Выбрать, чтобы выбрать пути.
- Превратите любой из этих сценариев в сеть Network Analyst и проведите дополнительный анализ перемещения между регионами.