Упражнение 4: Поиск маршрута дополнительной подъездной дороги

Уровень сложности: Начальный Требования к данным: ArcGIS Tutorial Data for Desktop

В этом упражнении вы будете искать наилучший путь для новой дороги от оптимального местоположения школьного участка до ближайшего перекрестка с существующей магистралью. Чтобы найти этот путь, вы должны выполнить шаги, описанные ниже.

• Создайте, если нужно, исходный набор данных. Исходным будет участок школы (класс объектов final_site), который вы создали в упражнении 3.
• Создайте набор данных стоимости, выбрав необходимые наборы данных, переклассифицировав их к общей шкале измерений, взвесив и затем скомбинировав.
• Выполните анализ стоимости расстояния, используя в качестве входных наборов данных исходный набор данных и набор данных стоимости. Набор данных расстояния, созданный этим инструментом, является растром, в котором значение каждой ячейки представляет собой стоимость проезда от ячейки до источника.

  Чтобы найти путь, требующий наименьших затрат, вам понадобится набор данных направления, который может быть создан в виде дополнительного набора данных с помощью инструмента Стоимостное расстояние (Cost Distance). Вы получите растр направления пути с наименьшими затратами от каждой ячейки обратно к источнику (в данном упражнении – участку школы).

• Cоздайте, если нужно, набор данных пункта назначения. В данном упражнении набором данных пункта назначения является перекресток имеющихся дорог.
• Выполните анализ стоимости пути, используя наборы данных расстояния и направления, созданных с помощью инструмента Стоимостное расстояние (Cost Distance).

На это упражнение вам может потребоваться около 30 минут. Начните это упражнение с открытия вашего документа карты Site Analysis, созданного в предыдущем упражнении.

Создание новой модели

Вы создадите новую модель, Поиск Наилучшего Маршрута (Find Best Route), в наборе инструментов Site Analysis. Эта модель будет вычислять наилучший маршрут с учетом рельефа от источника (участка школы) к точке назначения, принимая во внимание уклон поверхности и тип землепользования участков, через которые будет проходить маршрут.

Настройка модели

Шаги:

1. Щелкните правой кнопкой мыши набор инструментов Инструменты анализа участка (Site Analysis Tools) и выберите Создать (New) > Модель (Model).

Переименование модели

Шаги:

1. В главном меню щелкните Модель > Свойства модели.
   Примечание:

   Свойства модели и параметры среды устанавливаются такими же, как в предыдущем упражнении.

2. Щелкните закладку Общие (General) и введите FindRoute в текстовом окне Имя (Name).
3. Введите Поиск наилучшего маршрута (Find Best Route) в текстовом окне Надпись (Label).
4. Установите отметку Хранить относительные пути (вместо абсолютных путей).

Определение параметров среды

Шаги:

1. Выберите закладку Параметры среды (Environments).
2. Раскройте Экстент обработки (Processing Extent) и установите отметку Экстент (Extent).
3. Раскройте Анализ растра (Raster Analysis) и установите отметку Размер ячейки (Cell Size).
4. Щелкните Значение (Values).
5. Раскройте Экстент обработки (Processing Extent). Установите Экстент (Extent) щелкнув стрелку ниспадающего списка и выбрав Как у слоя elevation.
6. Раскройте Анализ растра (Raster Analysis). Установите Размер ячейки (Cell Size), щелкнув стрелку ниспадающего списка и выбрав Как у слоя elevation.
7. Нажмите кнопку ОК в окне Параметры среды (Environment Settings).
8. Нажмите кнопку ОК в окне Свойства модели (Model Properties).
9. На панели инструментов нажмите кнопку Сохранить (Save) .

Создание стоимостного набора данных

В предыдущем упражнении вы создали исходный набор данных final_site, и набор данных уклона Slope Output. Теперь вы создадите стоимостной набор данных, который будет определять стоимость перемещения с учетом рельефа из любой точки до школы, основываясь на том, что больших затрат требует пересечение крутых склонов и строительство дорог на участках с определенным типом землепользования.

Этот раздел вашей модели будет выглядеть следующим образом:

Настройка модели

Шаги:

1. Добавить Slope Output в модель.
2. Найдите инструмент Переклассификация (Reclassify) и добавьте его в панель ModelBuilder, совместив с Выходным уклоном (Slope Output).
3. Щелкните инструмент Добавить подключение (Add Connection) . Используйте этот инструмент для присоединения Выходной уклон (Slope Output) к инструменту Переклассификация (Reclassify).
4. Нажмите на инструмент Выбрать (Select) на панели инструментов модели.

Переклассификация уклона

Желательно, чтобы новая дорога пересекала наименее крутые склоны. Вы переклассифицируете слой уклона, разделив значения на равные интервалы. Вы присвоите значение 10 склонам с наибольшей стоимостью (имеющим наибольший уклон), и 1 – самым пологим склонам (имеющим наименьший уклон), а затем ранжируете попавшие в этот промежуток значения линейно.

Шаги:

1. Откройте инструмент Переклассификация (Reclassify).
2. Примите значение по умолчанию для параметра Поле переклассификации (Reclass field), чтобы использовать поле Значение (Value).
3. Щелкните Классифицировать (Classify).
4. Щелкните стрелку ниспадающего списка Метод (Method) и выберите Равный интервал (Equal Interval).
5. Щелкните стрелку ниспадающего списка Классы (Classes) и выберите 10.

   При строительстве дороги вы желаете избежать крутых склонов, поэтому крутым склонам должны быть присвоены более высокие значения в стоимостном наборе данных. Поскольку по умолчанию более высокие значения назначаются более крутым склонам, вам не нужно менять Новые значения (New values) по умолчанию.

6. Нажмите ОК.
7. Примите значение по умолчанию для параметра Выходной растр (Output raster).
8. Нажмите ОК.
9. Переименуйте выходную переменную инструмента Переклассификация (Reclassify) в Переклассифицированный уклон (Reclassed slope).
10. Щелкните правой кнопкой мыши инструмент Переклассификация (Reclassify) и выберите Запустить (Run).

Взвешивание и комбинирование наборов данных

Сейчас вы скомбинируете переклассифицированный уклон и наборы данных землепользования, чтобы создать набор данных стоимости строительства дороги, в зависимости от уклона рельефа и типа землепользования. В данной модели, все наборы данных имеют одинаковый вес.

Шаги:

1. Найдите инструмент Взвешенное наложение (Weighted Overlay) и добавьте его в окно ModelBuilder, совместив с элементом Переклассифицированный уклон (Reclassed slope).
2. Откройте инструмент Взвешенное наложение (Weighted Overlay).

   По умолчанию установлена шкала от 1 до 9 с шагом 1. Как и в упражнении 3, при переклассификации набора данных уклона, будет использоваться шкала от 1 до 10, поэтому перед добавлением входных растров в инструмент, вам надо установить шкалу от 1 до 10 с шагом 1. Это позволит вам избежать необходимости обновления значений шкалы после добавления вашего входного набора данных уклона.

3. Введите 1, 10 и 1 в текстовые окна От, До и Шаг.
4. Нажмите кнопку Применить (Apply).
5. Нажмите кнопку Добавить строку растра (Add raster row). . Во Входном растре (Input raster), выберите из ниспадающего списка переменную Переклассифицированный уклон (Reclassed slope) и оставьте Входное поле (Input field) как Значение (Value). Нажмите ОК.
6. Нажмите кнопку Добавить строку растра (Add raster row). . Теперь добавьте слой landuse. Введите во Входное поле (Input field) Landuse и нажмите кнопку OK.

   Вы измените значения шкалы слоя landuse (землепользование), чтобы их можно было сопоставить с вашим вычисленным набором данных Переклассифицированный уклон. Более высокие значения показывают большую стоимость строительства дороги через участок с определенным типом землепользования.

7. Введите следующие Значения шкалы (Scale Values):
   • Кустарник/Смешанный тип – 5
   • Водоемы (Water) – 10
   • Бедная почва (Barren land) – 2
   • Постройки (Built up) – 9
   • Сельскохозяйственные угодья (Agriculture) – 4
   • Леса (Forest) – 8
   • Заболоченные территории (Wetlands) – 10
   Внимание:

   Будьте осторожны, используя значение Запрещено (Restricted) для значений шкалы при создании стоимостной поверхности. При использовании Запрещено (Restricted) ячейке присваивается минимальное значение шкалы оценки (evaluation scale) минус 1 (в этом упражнении – ноль), так что запрещенным областям будет назначена самая низкая стоимость, когда они фактически должны быть исключены из анализа. Во избежание путаницы содержащие это значение ячейки должны представляться иным приемлемым способом. Вместо этого можно было бы присвоить высокую стоимость или задать значение шкалы NoData для областей, которые вы хотите исключить из анализа. Если используется значение NoData, убедитесь, что во входных растрах нет областей NoData. Если таковые имеются, будет сложно указать, какая область с NoData возникла потому, что она должна быть исключена из анализа, а в какой отсутствовала оригинальная информация о какой-либо местности.

8. Вы назначите каждому растру равный процент влияния, поскольку в данном анализе они оба одинаково важны. Щелкните Установить равное влияние (Set Equal Influence), чтобы назначить одинаковый процент влияния (по 50%) для каждого входного растра.
9. Оставьте значение по умолчанию для Выходного растра (Output Raster).
10. Нажмите ОК.

Выполнение Взвешенного наложения

Шаги:

1. Нажмите кнопку Автокомпоновка (Auto Layout) , затем нажмите кнопку Полный вид (Full View) .
2. Переименуйте выходную переменную из инструмента Взвешенное наложение (Weighted Overlay) в Стоимостная поверхность (Cost surface) и нажмите кнопку OK.
3. Щелкните правой кнопкой мыши переменную Стоимостная поверхность (Cost surface) и нажмите Добавить в отображение (Add To Display).
4. Запустите инструмент Взвешенное наложение (Weighted Overlay).
5. На панели инструментов нажмите кнопку Сохранить (Save) .

Просмотрите слой, добавленный к изображению в ArcMap. Местоположения с низкими значениями показывают области, через которые можно проложить дорогу с наименьшими затратами.

Карта стоимости поверхности

Поиск пути минимальной стоимости

Чтобы найти путь с наименьшей стоимостью от площадки для строительства новой школы, определенной в упражнении 3, до пункта назначения, будут использованы инструменты Стоимостное расстояние (Cost Distance) и Оптимальный путь (Cost Path). Результатом выполнения инструмента Стоимостное расстояние (Cost Distance) являются два набора выходных данных. Выходной растр расстояния (Output distance raster) показывает совокупную стоимость перемещения из какой-либо точки (или ячейки) в исходную точку (площадка для школы). Он не содержит информации, по какому пути перемещаться из определенной ячейки к источнику, а только стоимость перемещения по пути с наименьшими затратами. Выходной растр направления (Output backlink raster) показывает, какой путь из любой ячейки к источнику потребует наименьших затрат. Подавая эти выходные данные на вход инструмента Оптимальный путь (Cost Path) вместе с набором данных пункта назначения, вы вычислите путь с наименьшей стоимостью между площадкой для новой школы и пунктом назначения.

Настройка модели

Шаги:

1. Добавьте слой final_site и слой destination в ModelBuilder.
2. Добавьте инструменты Стоимостное расстояние и Оптимальный путь на панель ModelBuilder.

   Оба инструмента Стоимостное расстояние (Cost Distance) и Оптимальный путь (Cost Path) расположены в группе инструментов Расстояние в наборе инструментов Spatial Analyst Tools.
3. Воспользуйтесь инструментом Добавить подключение (Add Connection) для подключения final_site и Стоимостной поверхности (Cost surface) к инструменту Стоимостное расстояние (Cost Distance).
4. Переименуйте переменную Выходной растр расстояния (Output distance raster) в Выходной растр стоимости расстояния (Output cost distance) и переименуйте переменную Выходной растр направления (Output backlink raster) в Выходной растр стоимостного направления (Output cost backlink).
5. Воспользуйтесь инструментом Добавить подключение (Add Connection) для подключения назначения, Выходного стоимостного расстояния (Output cost distance) и Выходного растра стоимостного направления (Output cost backlink) к инструменту Оптимальный путь (Cost Path).
6. Переименуйте Выходной растр (Output raster) в Выходной оптимальный путь (Output cost path).
7. Щелкните инструмент Выбрать (Select) на панели инструментов модели. , кнопку Автокомпоновка (Auto Layout) , затем нажмите кнопку Полный вид (Full View) .

Настройка параметров Стоимостного расстояния

Теперь вы запустите инструмент Стоимостное расстояние (Cost Distance), используя только что созданный набор данных стоимости (который определяет стоимость пути через каждую ячейку) и слой final_site (источник), который вы создали в упражнении 3. Результатом работы этого инструмента будет набор данных расстояния, в котором каждая ячейка содержит значение, представляющее совокупную минимальную стоимость пути из этой ячейки до источника, а также набор данных стоимостного направления, задающий направление наименее затратного пути от каждой ячейки обратно к источнику.

Шаги:

1. Откройте инструмент Стоимостное расстояние (Cost Distance).
2. Подтвердите, что Входными растровыми или векторными данными источника (Input raster or feature source data) является слой final_site, а Входным растром стоимости (Input cost raster) является переменная Стоимостная поверхность (Cost surface).
3. Примите установки по умолчанию для параметра Выходной растр расстояния (Output distance raster) и Максимальное расстояние (Maximum distance).
4. Введите cost_bklink в качестве имени Выходного растра направления (Output backlink raster).

   По умолчанию путь к временной рабочей области (C:\Spatial Analyst\Scratch.gdb) автоматически присоединяется к имени набора данных, которое вы вводите для Выходного растра направления (Output backlink raster).

5. Нажмите ОК.

Установка параметров Стоимостного расстояния

Инструмент Стоимостное расстояние (Cost Distance) выдает на выходе растр расстояний и растр направлений, каждый их которых используется в инструменте Оптимальный путь (Cost Path). Слой destination уже есть, и в нем один точечный объект – начальная точка для новой дороги к участку, на котором будет построена школа.

Шаги:

1. Наведите указатель мыши на инструмент Оптимальный путь (Cost Path) для проверки правильности входных наборов данных для параметров.
   • Для параметра Входные растровые или векторные данные пункта назначения (Input raster or feature destination data) установлен слой destination.
   • Для параметра Входной растр стоимостного расстояния установлена переменная Выходной растр стоимостного расстояния (Output cost distance).
   • Для параметра Входной растр стоимостного направления (Input cost backlink raster) установлена переменная Выходной растр стоимостного направления (Output cost backlink).
2. Примите значение по умолчанию для параметров Выходной растр (Output raster), Тип пути (Path), и Поле пункта назначения (Destination field).

   При обработке входных векторных данных пункта назначения они временно преобразуются в растр, что является частью процесса обработки. В нашем случае растр содержит одну ячейку, поскольку мы имеем только один пункт назначения. Значение параметра Тип пути можно оставить как EACH_CELL. Будет создан только один путь, так как ячейка только одна.

Анализ стоимостного расстояния

Шаги:

1. Щелкните правой кнопкой мыши переменные Выходное стоимостное расстояние (Output cost distance), Выходное стоимостное направление (Output cost backlink), и Выходной оптимальный путь (Output cost path), затем выберите Добавить в отображение (Add To Display).
2. Запустите модель Поиск наилучшего пути.

Просмотрите слой, добавленный в ArcMap. Слой Выходной стоимостной путь представляет путь с наименьшими затратами от школьного участка к точке назначения. Он обходит крутые склоны и определенные типы землепользования, строительство дороги на которых считается наиболее дорогим.

Растр в полилинию

Установка параметров для инструмента Растра в полилинию (Raster to Polyline)

И последним шагом в вашей модели будет преобразование пути из растра в линейный объект для отображения.

Шаги:

1. Удалите созданные слои Выходной уклон (Slope output), Переклассифицированный уклон (Reclassed slope), Стоимостная поверхность (Cost surface), Выходной растр стоимости расстояния (Output cost distance), и Выходной растр стоимостного направления (Output cost backlink), чтобы увидеть путь, отображаемый поверх слоев landuse и hillshd.
2. Добавьте инструмент Растр в полилинию (Raster To Polyline) в ModelBuilder.

   Инструмент Растр в полилинию находится в наборе инструментов Конвертация, в группе Из растра.

3. Откройте инструмент Растр в полилинию (Raster To Polyline).
4. Щелкните стрелку ниспадающего списка Входной растр (Input raster) и выберите переменную Выходной оптимальный путь (Output cost path).
5. Оставьте для параметра Поле (Field) значение VALUE.
6. Нажмите кнопку Обзор рядом с параметром Выходные полилинейные объекты (Output polyline features) и перейдите к файловой базе геоданных Stowe C:\Spatial Analyst\Stowe.gdb.
7. Введите new_route в качестве имени (Name) класса объектов и нажмите кнопку Сохранить(Save).
8. Примите установленные по умолчанию значения для всех остальных параметров и нажмите кнопку OK.

Запуск инструмента в полилинию (Run Raster to Polyline)

Шаги:

1. Нажмите кнопку Автокомпоновка (Auto Layout) , затем нажмите кнопку Полный вид (Full View) .
2. Переименуйте выходную переменную new_route в Выходной маршрут (Output route).
3. Щелкните правой кнопкой мыши переменную Выходной маршрут (Output route) и выберите Добавить в отображение (Add To Display).
4. Запустите инструмент Растр в полилинию (Raster To Polyline).

Просмотрите слой new_route, добавленный к изображению ArcMap. Растровый путь был преобразован в линейный объект.

Карта с линией, представляющей новый путь.

Вы можете легко изменять значения параметров, чтобы поэкспериментировать с различными результатами, и запускать модель повторно. Стоит перезапускать только те процессы в модели, которые могут повлиять на результат. Например, понижение весового коэффициента, применяемого к значениям ячеек с типом землепользования Застройка с 9 до 1, существенно изменит потенциальный маршрут новой дороги – он будет стремиться к уже имеющимся дорогам, что может оказаться менее затратным вариантом.

Сохранение документа карты

Вы установили относительные пути для обеих моделей, создаваемых в данном руководстве, таким образом, если набор инструментов, в котором находятся эти модели и данные, будет перемещен в новое место на диске (при сохранении структуры между ними), то пути к источникам данных будут установлены относительно местоположения набора инструментов. По умолчанию ваш документ карты настроен сохранять относительные имена путей к источникам данных.

Шаги:

1. На панели инструментов нажмите кнопку Сохранить (Save) .
2. Щелкните Файл (File) > Выход (Exit).

Краткие итоги

Вы закончили работу с руководством. Вы получили представление о некоторых инструментах, входящих в дополнительный модуль Дополнительный модуль ArcGIS Spatial Analyst, о работе с ними через панель инструментов Spatial Analyst и через набор инструментов Spatial Analyst. Вы узнали, как строить модели, которые можно использовать много раз и передавать другим пользователям. В частности, вы изучили, как создать карту пригодности, а также как вычислить путь, требующий наименьших затрат, с учетом рельефа земной поверхности. Рассмотренные последовательности шагов могут применяться во множестве разнообразных приложений.