摘  要： 利用ArcGIS中網(wǎng)絡(luò)分析模塊對(duì)最短路徑問(wèn)題分情況進(jìn)行了探討,，分別給出了在不同情況下如何找到不同最短路徑。
關(guān)鍵詞： 矢量數(shù)據(jù),；網(wǎng)絡(luò)分析,；ArcGIS；最短路徑

　人們每天都會(huì)提出如下一些問(wèn)題：應(yīng)該在道路的何處開(kāi)挖,，才能迅速找到煤氣總管,？將冰箱送到客戶家里，如何走最好,？這個(gè)城市賣掉的土地和財(cái)產(chǎn)總值多少,？要回答上述問(wèn)題需要訪問(wèn)具有多維(x、y、z坐標(biāo)和時(shí)間),、大容量和高處理費(fèi)用特征的地理信息,；同時(shí),，即使回答明顯簡(jiǎn)單的地理學(xué)問(wèn)題,，也要求按統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)集成多種數(shù)據(jù)源。
1 矢量數(shù)據(jù)模型的概念與特點(diǎn)
　以計(jì)算機(jī)能夠接受和處理的數(shù)據(jù)形式,，為了反映空間實(shí)體的某些結(jié)構(gòu)特性和行為功能,，按一定的方案建立起來(lái)的數(shù)據(jù)邏輯組織方式，是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的抽象表達(dá),?？臻g數(shù)據(jù)模型是地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它不僅決定了系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理的有效性,，而且是系統(tǒng)靈活性的關(guān)鍵,。空間數(shù)據(jù)模型是在實(shí)體概念的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,，它包含兩個(gè)基本內(nèi)容,，即實(shí)體組和它們之間的相關(guān)關(guān)系。實(shí)體和相關(guān)關(guān)系可以通過(guò)性質(zhì)和屬性來(lái)說(shuō)明,?？臻g數(shù)據(jù)模型可以被定義為一組由相關(guān)關(guān)系聯(lián)系在一起的實(shí)體集(D.J.Peuqoet)[1]。
　結(jié)合空間數(shù)據(jù)的具體特點(diǎn)進(jìn)行空間數(shù)據(jù)模型的設(shè)計(jì)是地理信息系統(tǒng)的關(guān)鍵,。由于空間數(shù)據(jù)模型的設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)硬件,、系統(tǒng)軟件和工具軟件的發(fā)展現(xiàn)狀密切相關(guān)，所以,，就目前的發(fā)展現(xiàn)狀而言,，很難用一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型來(lái)表達(dá)復(fù)雜多變的地理空間實(shí)體。例如,，某些空間數(shù)據(jù)模型可能很適合于繪圖,，但它們對(duì)于空間分析來(lái)說(shuō)效率卻十分低；有些數(shù)據(jù)模型有利于空間分析,，但對(duì)圖形的處理則不理想[2],。
　地理信息系統(tǒng)中一種常見(jiàn)的圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為矢量結(jié)構(gòu)，即通過(guò)記錄坐標(biāo)的方向盡可能精確地表示點(diǎn),、線,、多邊形等地理實(shí)體，坐標(biāo)空間設(shè)為連續(xù),，允許任意位置,、長(zhǎng)度和面積的精確定義。
2 最短路徑問(wèn)題的分析與應(yīng)用
2.1 背景
　在現(xiàn)實(shí)中，最短路徑的求取問(wèn)題是可以拓展為許多方面的最高效率問(wèn)題,，最短路徑不僅是指一般意義上的距離最短,，還可以是時(shí)間最短、費(fèi)用最少,、線路利用率最高等標(biāo)準(zhǔn),。
2.2 技術(shù)路線圖
　利用GIS軟件進(jìn)行最短路徑分析的技術(shù)路線圖如圖1所示。

2.3 網(wǎng)絡(luò)中的基本組成部分和屬性
　(1)鏈：網(wǎng)絡(luò)中流動(dòng)的管線,，如街道,、河流、水管等,。其狀態(tài)屬性包括阻力和需求,。
　(2)障礙：禁止網(wǎng)絡(luò)中鏈上流動(dòng)的點(diǎn)。
　(3)拐角點(diǎn)：出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中所有的分割點(diǎn)上狀態(tài)屬性的阻力,，如拐彎時(shí)間和限制,。
　(4)中心：是接受或分配資源的位置，如水庫(kù),、商業(yè)中心,、電站等。其狀態(tài)屬性包括資源容量和阻力限額,。
　(5)站點(diǎn)：在路徑選擇中資源增減的站點(diǎn),，如庫(kù)房、汽車站等,。其狀態(tài)屬性有要被運(yùn)輸?shù)馁Y源需求,，如產(chǎn)品數(shù)。
　網(wǎng)絡(luò)中的狀態(tài)屬性有阻力和需求兩項(xiàng),。實(shí)際的狀態(tài)屬性可通過(guò)空間屬性和狀態(tài)屬性的轉(zhuǎn)換,，根據(jù)實(shí)際情況賦到網(wǎng)絡(luò)屬性表中。
2.4 網(wǎng)絡(luò)分析的基本方法
　網(wǎng)絡(luò)分析的基本方法包括路徑分析,、地址匹配和資源分配,。
　(1)路徑分析
　①靜態(tài)求最佳路徑：由用戶確定權(quán)值關(guān)系后,，即給定每條弧段的屬性,，當(dāng)需求最佳路徑時(shí)，可讀出路徑的相關(guān)屬性,，從而求得最佳路徑,。
　②動(dòng)態(tài)分段技術(shù)：給定一條路徑由多段聯(lián)系組成,，要求標(biāo)注出這條路上的公里點(diǎn)或定位某一公路上的某一點(diǎn),，標(biāo)注出某條路上從某一公里數(shù)到另一公里數(shù)的路段。
　③最短路徑：確定起點(diǎn),、終點(diǎn)和所要經(jīng)過(guò)的中間點(diǎn),、中間連線，求最短路徑,。
　(2)資源分配
　資源分配網(wǎng)絡(luò)模型由中心店及其狀態(tài)屬性和網(wǎng)絡(luò)組成,。分配有兩種方式，一種是由分配中心向四周輸出,，另一種是由四周向中心集中,。這種分配功能可以解決資源的有效流動(dòng)和合理分配,，其在地理網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用與區(qū)位論中的中心理論類似[3,，4]。
3 矢量數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析實(shí)現(xiàn)過(guò)程
3.1 網(wǎng)絡(luò)分析的預(yù)處理
　在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析之前,，首先要對(duì)已建好的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化參數(shù)設(shè)置,，主要內(nèi)容如下。
3.1.1 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的加載
　進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析的前提是幾何網(wǎng)絡(luò)的調(diào)用,。一般來(lái)說(shuō),，根據(jù)需求，選擇調(diào)用的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),?；镜木W(wǎng)絡(luò)分析必須加載至少一種包含網(wǎng)絡(luò)屬性的要素類型。而對(duì)于全部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的制圖輸出,，則需加載包含網(wǎng)絡(luò)屬性的整個(gè)要素?cái)?shù)據(jù)庫(kù)[5,，6]。
　在ArcGIS中加載單個(gè)網(wǎng)絡(luò)要素的步驟如下：(1)點(diǎn)擊加載數(shù)據(jù)按鈕,，打開(kāi)添加數(shù)據(jù)的對(duì)話框,。(2)選擇包含網(wǎng)絡(luò)屬性要素的數(shù)據(jù)庫(kù)(mdb文件)。(3)雙擊要素?cái)?shù)據(jù)庫(kù)后,，顯示出該數(shù)據(jù)庫(kù)所包含的要素類型和幾何網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),，選擇要素network，并將其加載到ArcMap窗口中,。
　在ArcGIS中加載網(wǎng)絡(luò)要素?cái)?shù)據(jù)集步驟如下：(1)點(diǎn)擊加載數(shù)據(jù)按鈕,，打開(kāi)添加數(shù)據(jù)的對(duì)話框。(2)雙擊包含網(wǎng)絡(luò)屬性要素的數(shù)據(jù)庫(kù),。(3)選擇要素?cái)?shù)據(jù)集city,，數(shù)據(jù)集中的所有要素加載到ArcMap中。數(shù)據(jù)集中不僅包含了線狀要素,、點(diǎn)狀要素,，還包含了拓?fù)潢P(guān)系、空間屬性和狀態(tài)屬性等內(nèi)容，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析功能[7,，8],。
3.1.2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的符號(hào)化
　網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀要素存在著可運(yùn)行和不可運(yùn)行情況，稱之為可運(yùn)行性,?？蛇\(yùn)行性的要素允許資源流動(dòng)通過(guò)，不可運(yùn)行的要素則不允許,。這項(xiàng)信息被存儲(chǔ)在該要素屬性表的Enable字段中,，值為1代表可運(yùn)行，值為0代表不可運(yùn)行,。使用屬性符號(hào)化功能可以顯示出哪些圖征是可運(yùn)行的,，哪些是不可運(yùn)行的。具體在AcrGIS中的操作如下：(1)在需要進(jìn)行符號(hào)化的集合網(wǎng)絡(luò)線狀圖層上點(diǎn)擊右鍵,，打開(kāi)數(shù)據(jù)層操作快捷菜單,，單擊Properties命令，打開(kāi)Layer Properties對(duì)話框,，進(jìn)入Symbology選項(xiàng)卡,。(2)在左側(cè)Show窗口內(nèi)單擊Categories，選擇下拉菜單中Unique Values,。(3)在Value Field文本框中選擇屬性字段：Enable,。(4)單擊Add All Values按鈕，列出Enable字段的屬性值,，改變各值的符號(hào)和顏色,，單擊確定按鈕，ArcMap窗口中顯示網(wǎng)絡(luò)要素的可運(yùn)行性,。除了可運(yùn)行性之外,，也可使用其他屬性進(jìn)行符號(hào)化顯示。例如對(duì)于點(diǎn)狀要素,，可通過(guò)符號(hào)化告訴使用者哪些是起點(diǎn),、哪些是終點(diǎn)。該屬性存儲(chǔ)于點(diǎn)要素的AncillaryRole字段中,。
3.2 網(wǎng)絡(luò)分析的實(shí)現(xiàn)過(guò)程
　首先啟動(dòng)程序ArcMap,，打開(kāi)D：\Chp7\Ex2\city.mdb，雙擊city數(shù)據(jù)集,，加載數(shù)據(jù),。對(duì)點(diǎn)狀要素place符號(hào)化：以HOME字段，1值為家代表符號(hào)為實(shí)心圓,，0值為商業(yè)中心代表符號(hào)為星星,。
3.2.1 無(wú)權(quán)重最佳路徑的生成
　(1)在網(wǎng)絡(luò)分析工具條上,，選擇旗標(biāo)工具，將旗標(biāo)放在“家”和想要去的“商業(yè)中心”點(diǎn)上,。
　(2)依次選擇Analysis,、Option命令，打開(kāi)Analysis Option對(duì)話框,，確認(rèn)Weights和Weight Filter標(biāo)簽項(xiàng)全部是None,，這種情況下進(jìn)行的最短路徑分析是完全按照這個(gè)網(wǎng)絡(luò)自身的長(zhǎng)短來(lái)確定。
　(3)在Track Task文本框中選擇Find path,。單擊solve按鈕,，顯示最短路徑，這條路徑的總成本顯示在狀態(tài)欄中,。如圖2所示,。

　在以上圖中很明顯地看到從起始地到目的地的路徑，其中狀態(tài)欄中的15指的是從起點(diǎn)到目的地總共經(jīng)過(guò)了14個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),，如果把兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)當(dāng)作一個(gè)街區(qū)的話,，也就是指中間經(jīng)過(guò)了15個(gè)街區(qū)。
3.2.2 加權(quán)最佳路徑生成
　(1)在設(shè)施網(wǎng)絡(luò)分析工具條上,，點(diǎn)選旗標(biāo)工具，將旗標(biāo)分別放在“家”和想要去的某個(gè)商業(yè)中心的位置上,。
　(2)依次選擇Analysis,、Option命令，打開(kāi)Analysis Option對(duì)話框,，進(jìn)入Weight標(biāo)簽頁(yè),，在邊的權(quán)重(Edge weights)上，全部選擇長(zhǎng)度(length)權(quán)重屬性,。
　(3)在Track Task文本框中選擇Find path,，單擊Solve按鈕，則以長(zhǎng)度為比重的最短路徑將顯示出來(lái),，這條路徑的總成本顯示在狀態(tài)欄中,。如圖3所示。

　以上是通過(guò)距離遠(yuǎn)近的選擇而得到的最佳路徑,。實(shí)際中不同類型的道路由于道路車流量的問(wèn)題,，有時(shí)候要選擇通行時(shí)間最短的路徑，同樣可利用網(wǎng)絡(luò)分析來(lái)獲得最佳路徑,，這里的時(shí)間屬性是在建網(wǎng)之前,，通過(guò)各個(gè)道路的類型(主干道、次要道等)得到速度屬性,，然后通過(guò)距離和速度的商值確定的,。本文所討論的實(shí)例中并沒(méi)有考慮到紅燈問(wèn)題以及其他因素,，是一種較理想的情況，如需完善可以通過(guò)實(shí)地勘測(cè)然后逐漸加入其他要素來(lái)完成,。
3.2.3 阻強(qiáng)問(wèn)題
　首先需要說(shuō)明的是文中所討論的阻強(qiáng)是指網(wǎng)絡(luò)中的點(diǎn)狀要素或線狀要素,。因?yàn)槟承┩话l(fā)事件(如交通事故)而不可運(yùn)行時(shí)，原來(lái)獲得的最短路徑就需要進(jìn)行修正,，其具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下文所述,。
　例如修路時(shí)，即某個(gè)路段不可運(yùn)行,?？稍诰W(wǎng)絡(luò)中設(shè)置阻強(qiáng)，對(duì)其進(jìn)行表達(dá),。方法有兩種：一種是永久性的,，可直接將網(wǎng)絡(luò)邊要素的屬性修改成不可運(yùn)行，即選擇此邊要素,，將其Enable字段中的屬性改成False即可,；另一種是暫時(shí)性的，可設(shè)置邊要素障礙,，即利用邊要素障礙添加工具進(jìn)行設(shè)置,。同樣取上述實(shí)例中的某一“商業(yè)中心”為目標(biāo)地，假設(shè)其中一條路段正在修路,，則產(chǎn)生新的最佳路徑如圖4所示,，圖中標(biāo)注“×”的即為阻強(qiáng)設(shè)置邊)?？梢钥闯雎范蔚木S修狀況使得最佳路徑產(chǎn)生了改變,，同時(shí)最近距離也隨之發(fā)生改變。

　本文通過(guò)對(duì)一個(gè)城市區(qū)域網(wǎng)絡(luò)最短路徑分析的三種不同方法來(lái)得出在不同情況下對(duì)最佳路徑選擇的影響,。但是其實(shí)例僅僅考慮了很少的干擾因素,，而在現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中會(huì)有許許多多的因素影響對(duì)最佳路徑的選擇。隨著實(shí)際因子的增加,，一定會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)分析的模型更趨于實(shí)際,，在指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)生活方面發(fā)揮越來(lái)越大的作用。
參考文獻(xiàn)
[1] 湯國(guó)安.地理信息系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社,，2000：1-10.
[2] 黃杏元,，馬勁松.地理信息系統(tǒng)概論[M].北京：高等教育出版社，2001：12-25.
[3] 吳信才,，等.地理信息系統(tǒng)原理與方法[M].北京：電子工業(yè)出版社,，2002：98-106.
[4] 崔洪波，丁明柱.幾種基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)建庫(kù)方式的比較[J].東北測(cè)繪,，2002(2)：32-36.
[5] GIS技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)研究[J].咸寧學(xué)院學(xué)報(bào),，2003(6)：26-28.
[6] 羅智勇,，劉湘南.基于Geodatabase模型的空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方法[J].地球信息科學(xué)，2004(4)：52-56.
[7] 韓敏,，戴步成,，鄭丹晨，等,，ArcGIS Server 電子地圖研究與應(yīng)用[J].測(cè)繪科學(xué),，2009(3)：102-105.
[8] 李龍，陳龍乾,，趙建林,，等.數(shù)量地理學(xué)及其在地理信息時(shí)代的發(fā)展[J].和田師范專科學(xué)校學(xué)報(bào),，2010(6)：80-92.