跟牟老师学ArcGIS｜第12章 网络分析
| 第12章 网络分析 |
本章主要内容：
12.1 网络简介
12.2 几何网络分析
12.3 网络数据集的网络分析
12.4 3D网络分析
12.5 实例
12.5.1 天然气管网应急分析
12.5.2 多路径分析
12.1 网络简介
网络是图论和运筹学中的一个数学模型，通常用来研究资源在不同地点之间的流动，由节点和弧组成。节点用于模拟资源需要停靠的地点，弧用于模拟从一个节点到另一个节点的连接，也可以描述在两个节点之间进行传输所花费的成本，如时间、距离等。
现实世界所抽象为的网络如下：
网络描述
12.1.1 ArcGIS中地理网络的分类
根据地理网络中资源流动方向是否确定，ArcGIS中将地理网络模型分为两种：几何网络模型和网络数据集模型。
自来水管网网络
交通网络
几何网络模型与网络数据集模型的区别
12.1.2 网络组成要素
根据网络要素的功能、作用和特性，结合实际应用的需求，将构成地理网络的元素细分为以下几种：网络边、结点、拐角、中心、站点、障碍、资源、权值等。
这些网络元素的基本属性通常包括：网络边的阻碍强度、资源需求量以及约束条件等。
网络的组成要素
12.2几何网络分析
12.2.1 几何网络
1、几何网络的定义
几何网络是地理数据库中的一种特殊的数据类型，由网络要素构成，这些要素被限制在网络内，地理数据库自动对几何网络中网络要素间的拓扑关系进行维护。几何网络的连通性是以几何一致性为基础的，因此叫做几何网络。
2、几何网络分析的基本步骤
1）建立几何网络
2）设置几何网络的连通性
3）编辑几何网络
4）执行几何网络分析任务
12.2.2 几何网络的构建
1、建立网络
如下图所示建立网络
【新建几何网络】对话框
几何网络参与要素类选择
几何网络名称及捕捉容差设置
几何网络构建已启用值选择
几何网络参与要素类的角色设置
几何网络构建总述
几何网络权重设置
网络连通性规则的设置
几何网络中的连通性规则用于保持网络要素的完整性。在任何时候，可有选择地验证数据库中的要素，并形成报告说明网络中的哪些要素违背了某个连通性规则。
连通性规则主要有两种类型：边-交汇点规则和边-边规则。
几何网络连通性规则设置
3、网络数据的符号化
网络数据的符号化可根据不同的字段值进行符号化，从而直观的显示网络要素类中的要素的属性，如通过Enabled字段进行符号化可以明显的区分哪些要素是可运行的，哪些要素是不可运行的。
4、几何网络的编辑
1）几何网络编辑工具条
【几何网络编辑】工具条是对几何网络进行编辑和验证的工具的集合，用于对几何网络进行编辑，如修改几何网络要素的连通性等，编辑完成后可对几何网络进行验证，以方便修改几何网络。
【几何网络编辑】工具条
2）网络要素的添加与删除
几何网络允许先新建空要素类，然后构建几何网络，设置连通性规则后对空要素类进行编辑，这样可以对参与几何网络的要素实施很好的规范，确保几何网络构建的准确性。
3）网络要素连通性的编辑
地理实体的联系往往会发生一定的变化，因此需要对网络要素的连通性进行改变。例如自来水管道的一部分进行维修时，水流不能通行，则需要解除该管道与其它管道之间的联系。解除连通性只是解除它与周围管道之间的连通性，并不会在要素类中将其删除，新建连通性则是将要素与周围要素连接在一起，建立新的空间关联。
4）网络要素属性编辑
5）网络权重编辑
几何网络【添加新权重】对话框
几何网络权重关联字段设置
12.2.3 几何网络分析的类型
几何网络分析是在几何网络模型基础上进行的网络分析，主要用于分析以下任务：
1）流向分析：分析几何网络模型中的资源流向，并给予明确的显示。
2）追踪分析：对几何网络模型中的资源流动进行追踪，用来确定资源从一个站点到另一个站点的流动路径等。
1、流向分析
ArcGIS的流向分析功能明确显示几何网络中资源的流向。例如，自来水管道中水流在某一管道上的流向；输电线网络中，某一条输电线上的电流的输送方向等。这可以很好的模拟现实世界中资源在管网上的流动。
网络边的流向分为三类：
几何网络流向的分类
2、追踪分析
追踪分析是在网络要素连通性的基础上，根据一定的目的，对几何网络中的要素进行选择，从而形成一个追踪结果。追踪结果包括追踪路线上的一些网络要素，这些网络要素彼此相连。网络追踪的类型包括网络连接要素分析、公共祖先追踪分析、网络环路分析、网络上溯追踪和网络下溯追踪等。
3、几何网络分析工具条
几何网络分析工具条包含完成流向分析和追踪分析的工具，如设置流向及其显示的符号，设置追踪任务，禁用某一图层、创建标记位置、设定分析任务等。
12.3网络数据集的网络分析
12.3.1 网络数据集
网络数据集适用于创建交通网络，它由简单要素（边和交汇点）和转弯要素组成。使用ArcGIS网络分析执行分析时，该分析始终在网络数据集中进行。
12.3.2 网络数据集的构建与编辑
1、网络数据集的创建
有两种方式来创建网络数据集：一是利用地理数据库中的要素数据集来创建，这需要将所有参与网络的要素类放在同一个要素数据集中；二是利用Shapefile工作空间来创建，这样创建的网络数据集只能包含Shapefile线要素类和Shapefile转弯要素类，不能支持多个边源，不能构建多方式网络。因此，最好采用第一种方式创建网络数据集。
相关过程如图（具体详见本书）：
设置网络数据集的名称
选择构建网络数据集的要素类
转弯要素类的选择
网络连通性说明
网络连通性设置
高程字段辅助连通性设置
网络数据集属性设置
网络数据集方向设置
网络数据集信息总述
2、网络数据集的构建
创建网络数据集和编辑现有网络数据集后，必须对网络数据集进行构建。构建新网络数据集是创建网络元素、建立连通、设置网络属性和指定值的过程。这个过程会在包含网络数据集的工作空间中创建一个含有所有系统交汇点的点要素类。
网络数据集的后续构建只需根据网络数据集属性对话框中设定的属性更新元素、连通性和属性值即可。
3、网络数据集的编辑
1）添加或删除网络源
2）更改连通性
3）修改网络属性
4、创建转弯要素类
可在地理数据库或者Shapefile工作空间中创建转弯要素类，然后将其添加到网络数据集中。通过ArcCatalog中的快捷菜单、ArcMap目录窗口中的快捷菜单或地理处理工具也可以创建转弯要素类。
创建转弯要素类后，需要添加一定的字段用于存储转弯属性，添加字段的方法同向要素类添加字段，也可以在转弯要素类的创建过程中添加字段。
5、创建和编辑转弯要素
在ArcMap中，可以创建三种不同的转弯要素：
1）普通转弯：按顺序单击组成转弯的每个线要素，可以在一条线要素上单击多次，但至少保证每条线上有一个点，然后双击完成对转弯的编辑。
2）U形转弯：在网络线要素上单击创建第一个折点，然后再线的端点处（U型转弯处）单击创建第二个折点，再在网络线要素单击，双击完成U型转弯的创建。
3）环形转弯：在环形线要素上单击创建第一个折点，在转弯产生影响的那一侧的交汇点单击创建第二个折点，双击与第一条边共享端点的边，双击完成对环形转弯的创建。
构建U形转弯
构建环形转弯
6.设置通用转弯
7、设置指示
【网络方向属性】对话框
12.3.3 网络分析的过程
1、网络分析图层
网络分析图层主要有六种：路径分析图层、最近设施点分析图层、服务区分析图层、OD成本矩阵分析图层、多路径派发（VRP）分析图层、位置分配分析图层等。网络分析的执行将始终针对特定网络数据集，因此网络分析图层必须与网络数据集绑定。
网络分析类和网络分析对象
网络分析图层在内容列表中的显示
2、网络分析对象
网络分析对象是网络分析类中的要素或记录。用作网络分析图层的输入和输出，主要包括网络位置和路径等参与网络分析的对象。
1）网络位置
网络位置是一种与网络紧密相关的网络分析对象，在网络上的位置用作分析的输入。
网络分析图层及点网络位置的种类
2）障碍
障碍是用于限制或改变关联网络数据集的边和交汇点阻抗的要素集合，对网络中连通性或阻抗值可临时更改。障碍可以分为三种几何类型：点障碍、线障碍、面障碍。
限制型点障碍
增加成本型点障碍
限制型面障碍
增加成本型面障碍
3）搜索容差和捕捉环境
点网络位置直接定位在网络上，通过搜索容差和捕捉环境可为点网络位置设置定位的位置。在创建分析图层时，需要对搜索容差和捕捉环境进行设置，以确保网络分析中点网络位置的的正确性。搜索容差是指ArcGIS在查找点位置时，点位置载体要搜索的最大半径。如果点在搜索半径之外，则生成的网络位置为未定位状态，则它在网络中没有位置且不能参加分析任务。
3、网络分析选项
通过更改网络分析选项来控制网络分析图层的部分全局特征。
网络分析选项对话框
4、添加网络位置
在ArcGIS中，通过在【Network Analyst】窗口中选择网络分析类，在网络上单击来添加网络位置，也可以通过【加载位置】菜单来加载网络位置。在ArcToolbox也有工具用于网络位置的添加。
5、网络位置的基本步骤
1）配置网络分析环境
2）向ArcMap添加网络数据集
3）创建网络分析图层
4）添加网络分析对象
5）设置网络分析图层属性
6）执行分析并显示结果
12.3.4 网络分析类型
1、路径分析
路径分析即通过分析任务求出阻抗最小的路径的过程。如果阻抗为时间，则求出耗时最短的路径，如果阻抗为距离，则求出路程最近的路径，以邮递员送信，在多个点之间寻找一条耗时最少的路径为例，对路径分析进行简单介绍。
路径分析的分析设置
【方向（路径）】对话框
路径分析结果
2、查询服务区分析
服务区分析是指查找在设施点一定阻抗范围内的区域。例如，可以查看超市、医院的服务范围等。以查找到医院时间为5分钟、10分钟、15分钟的地区，对服务区分析进行简单介绍。
3、最近设施点分析
最进设施点分析是计算网络中设施点和可预测事件点之间的运行成本，并选取成本最小的行程。在分析任务中，可以设置查找数量，行进方向和限制条件等，求解结果将显示事件点与设施点间的最佳路径，输出它们的行程成本并返回驾车指示。以查找从交通事故发生点10分钟内可以抵达的医院为例，对最近设施点分析进行简单介绍。
4、OD成本矩阵分析
OD成本矩阵分析用于计算网络中多个起始点和目的地点之间的成本，可完成类似多个配货仓库到商店的配货之类的任务。在分析任务中，可以设置一个起始点可以连接的目的地的最大数目，也可以限制起始点与目的地点之间的成本，可以根据配货仓库的规模合理的设置这些参数。
5、多路径配送分析
多路径配送分析是针对有多条配送途径共同完成指定任务的分析，如大型货运公司有一车队完成在市区范围内货物的配送，可使用多路径配送分析来完成对车队中不同车辆的行驶路径的安排。
与路径分析相比，多路径配送分析可以同时完成对多条路径的规划，以达到优化资源分配的目的。同时也有其它的功能以供选择，如将车辆容量与停靠点数量相匹配，为驾驶员提供休息时间，以及停靠点配对等。
6、位置分配分析
位置分配分析是指在提供服务和货物的设施点和消耗服务和货物的需求点已经给定的情况下，合理的确定设施点的位置，从而高效的满足需求点的需求，如在多个零部件制造工厂确定的情况下从多个组装工厂候选点中选取一个最优的位置等。
12.3.5 网络分析工具箱
网络分析工具箱包括分析工具集、网络数据集工具集和转弯要素类工具集
1、分析工具箱
【分析】工具集包含用于通过网络分析拓展模块执行分析的工具，可以单独执行网络分析功能
网络分析工具箱
2、网络数据集工具箱
网络数据集工具集包括用于执行网络数据集维护任务的工具，如构建网络数据集和融合网络数据集等。
3、转弯要素类工具箱
转弯要素类工具集包含用于构建和编辑转弯数据的工具。
12.4 3D网络分析
ArcGIS10新添加的3D网络分析功能可以实现对建筑物内部的网络分析功能，可以快速的确定消防员前进的3D路径。ArcGIS的3D网络分析是通过ArcScene和ArcCatalog来实现的。
3D网络分析实例图（具体见本书）
3D网络分析结果
12.5 实例
12.5.1 天然气管网应急分析
1、背景
在城市天然气管网系统中，会遇到一些突发事件，影响到居民的日常生活，如何快速达到定位到天然气管网中的事发地点，及时对故障进行修理，是天然气公司需要密切关注的问题，因此需要对天然气管网根据故障的实际情况进行快速定位。
2、目的
熟练掌握和运用ArcGIS中的几何网络分析功能，综合利用网络分析工具对城市管道网络进行分析，以解决实际的问题，加深对几何网络分析功能的理解。
3、数据
数据主要包括以下两个要素类。
1）燃气管网网络（gas_network）
2）故障点(guzhangdian)
4、任务
假设多名用户通过电话反馈自家的天然气出现故障不能使用，从而确定可能发生故障的地点，然后确定需要关闭的阀门，以确保维修过程的安全，同时对能够影响到的区域加以通知。
5、操作步骤
1）对数据进行符号化。
2）确定天然气流向。
3）确定爆管位置。
4）确定影响范围。
12.5.2 多路径分析
1、背景
随着网络购物的发展，对物流业的要求也越来越高，如何对一个物流公司的运送路线进行合理的规划，是物流公司应该好好考虑的问题。本次示例是以某物流公司进行货物配送为例，学习多路径分析。
2、目的
熟练掌握和使用ArcGIS中的网络分析拓展模块，对在网络数据集基础上的网络分析功能可以熟练的使用，理解网络分析拓展模块和几何网络分析功能的不同之处。
3、数据
数据主要包括以下两要素类
1）城市地区主要交通道路网络（Road_network_ND）
2）主要商铺位置（Shops）
4、任务
A公司是B市的一家物流公司，主要负责B市部分食品和服装商铺的货物供应。实际条件如下：
1）物流公司给一定位置的店面进行供货，有服装和食品两大类
2）A公司在B市有2处仓库，分别是北站和南站，仓库上班时间为早上5点到晚上10点
3）A公司有3辆车用于配货，一辆用于配送服装，两辆用于配送食品。车辆的最大载货量是1500
4）不同店面上班时间不一致，具体时间和需要配送货物数量参见Shops数据属性
5）公司规定为防止意外，司机开车时间累积2小时，需要休息10分钟，最长工作时间为5个小时
5、操作步骤（详见本书）
6、网络分析结果
网络分析结果
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牟乃夏老师简介
牟乃夏（1973-），男，博士、博士后，现为山东科技大学测绘学院副教授，硕士生导师。在扎实科研的同时，更乐于将所思所学传授给学生，曾经连续六年带领七组学生进入Esri杯中国大学生GIS软件开发大赛的总决赛，成为学生培养的传奇和美谈。从教十年来已培养研究生40余名，都在自己的工作岗位上为GIS的发展应用做出了重要贡献。
为使全国的GIS学子更快更好的掌握GIS基本技能，他组织团队经过两年多的时间精心编写了《ArcGIS10地理信息系统教程：从初学到精通》《ArcGIS Engine地理信息系统开发教程：基于C#.NET》两本教材，深受广大学子喜爱，已成为学习GIS的必备工具书。同时为了推广GIS、传授GIS，他还开设了博客、微博，QQ群等，进行GIS知识的传播和交流，由于他为GIS教学与推广做出的贡献，2015年被CPGIS（全球海外华人地理联合会）授予杰出教育奖。
图书简介
《ArcGIS10地理信息系统教程：从初学到精通》一书2012年9月由测绘出版出版（截至2016年2月已经印刷9次），销量长期位于同类图书的榜首。目前已被全国60余所高校采纳为相关课程的教材或者参考书。该书内容翔实、深入浅出、通俗易懂，层次合理，初学者能够很快入门，对ArcGIS已经熟悉的读者来讲，也是一本必备的案头书。
该书是作者在总结多年GIS教学与科研工作的基础上，充分考虑本科生、研究生的知识结构、操作水平及生产单位的实际需求编写而成的。内容包括：ArcGIS10基础，ArcGIS10快速入门，空间数据库，空间数据的采集、编辑与拓扑处理，空间投影与变换，空间数据可视化，地图制图，矢量与栅格数据的空间分析，网络分析，三维分析，水文分析，地统计分析等。特别的，针对Esri杯中国大学生GIS软件开发大赛而设计了ModelBuilder与空间建模一章，并提供了两个获奖实例，供读者参考。本书配有大量具有实际背景的应用实例及其详细的操作步骤，随书光盘中包含所有实例的数据，供读者练习。
本书强调新颖性、实用性、技巧性、全面性和实战性，注重理论与实践的结合。既可作为高等学校地理信息系统、测绘工程、遥感科学与技术、地理科学、城市规划、土地资源管理、市政工程、交通运输、环境保护、地质工程等相关专业的本科生、研究生的理论课教材和实验指导书，也可作为相关部门的研究人员、管理人员和技术人员的参考用书。
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