最短路径在Arcgis空间分析中的实现_刘桂萍

第25卷第3期新疆大学学报(自然科学版) Vo.l 25, No. 3
2008年8月Journal ofXinjiang University(NaturalScience Edition) Aug., 2008
最短路径在Arcgis空间分析中的实现*
刘桂萍,张晓帆,陈　川,孙宝生
(新疆大学地质与勘查工程学院,新疆乌鲁木齐830046)
摘　要:针对公路修建规划过程中如何选址的问题,提出了一种结合地理信息系统技术的选址模型,该模型是
利用Arcgis中的SpatialAnalyst模块,数据基础是研究区的DEM数据,通过对河流、坡度、起伏度这三种地形影
响因子进行综合处理后,实现了最短路径的选择,并结合Arcgis中的三维分析扩展模块3D Analyst实现了最短
路径在三维地形中的可视化,从而为用户提供一个更加直观的可视化环境.
关键词:G IS;空间分析;最短路径;三维可视化
中图分类号: U412. 1 文献标识码: A 文章编号: 1000-2839(2008)03-0353-03
Realization of the ShortestPath Based on Space Analysis in Arcgis
LIU Gui-ping, ZHANG Xiao-fan, CHEN Chuan, SUN Bao-sheng
(College ofGeology and Engineering,XinjiangUniversity,Urumqi,Xinjiang830046,China)
Abstract: According to the problem of site selection during highway constraction and design, the authors
presented a site selection modelwhich combinesw ith geographic information system technology. Themodel is
to use SpatialAnalystmodule inArcgis, and the data is based on the study areaDEM data, achieving the choice
of the shortest path through integrated dealingw ith the three affecting factors of terrain, such as rivers, slope,
undulating, and combining w ith extension model of 3D Analyst in Arcgis to show the shortest path in three-
dimensional terrain. A lso, it shows a better real visualworld for users.
Key words: G IS; spatial analysis; shortest path; three-dimensional visualization
0　引　言
空间分析是一个地学研究领域的人们十分熟悉的概念.随着社会经济的快速发展,地理信息系统得到
广泛的应用,其中尤以它强大的空间分析能力倍受青睐,比如在交通网络系统中,经常要用到网络分析.对
地理网络(如交通网络)、城市基础设施网络(如各种网线、电力线、电话线、供排水管线等)进行地理分析和
模型化[1, 2],是地理信息系统中网络分析功能的主要目的.在所有网络分析中,最短路径问题是核心,所谓
“最短路径”也即最佳路径,它包括很多含义,不仅指一般地理意义上的距离最短,还可以是时间最短、费用
最少、线路利用率最高等标准或者是其他某种含义.它是资源分配、路线设计及分析等优化问题的基础.很
多与网络相关问题,如次短路径、花费最小路径、最大容量路径、最优路径和各种路径分配问题均可纳入最
短路径问题的范畴之中,通过最短路径算法的探讨可以对诸如资源分配、中心选址、最大流量、最小费用算

法提供解决思路上的最优[3].此外,在交通建设方面,公路的重要性日益提高.一些边远的交通欠发达地
区,公路建设迫在眉睫,如何根据实际地形情况设计出比较合理的修建公路计划,是一个值得研究的问题.
所以在公路的设计中,就要着重考虑最短路径的选择.
为了使观察者具有逼真,直观的感受,协助个人或政府进行三维空间分析与辅助决策,最短路径在真
实三维地形上的显示变得更加具有现实意义[4]. 3D Analyst扩展模块的核心是ArcScene应用,它可以更
加高效的管理三维GIS数据、进行三维分析、创建三维要素以及建立具有三维场景属性的图层.本文在这
次研究主要解决两个问题: (1)最短路径的实现; (2)最短路径在三维地形中的可视化.
　*收稿日期: 2008-03-24
基金项目:“十一五”国家科技支撑重点项目(2006BAB07B08-02);国家重点基础研究发展规划项目(2001CB409809)
作者简介:刘桂萍(1982-),女,硕士研究生,主要从事地球探测与信息技术的研究.1　空间物体间的距离
在空间分析中,使用最多的是欧式距离.实际情况下,距离具有更加广泛的概念.它不再只是单一的代
表两点间的直线长度,而是赋予了更加丰富的内容[5].比如说,从山的一边到另一边走直线是最近的,但翻
山要比绕路难得多.假如以时间为成本,翻山需要2 h,绕路需要1. 5 h,此时绕路成本距离小于翻山成本距
离,这种情况下,我们应选择绕路走.实际上,现实复杂性更高,影响成本的因素相应就更多,所谓成本就是
指到达目标或目的地的花费,包括自然障碍地物(山地,河流,湖泊等)和人文障碍地物(建筑物,铁路、高速
公路等)的阻隔、时间、金钱、人们的喜好、安全性等等[6].Arcgis的空间分析就很好的解决这些问题,在其
空间分析模块下的距离制图工具提供了许多分析工具和函数,不仅可以量测直线距离(欧氏距离),还可以
计算多种函数距离.函数距离是描述两点间距离的一种函数关系,如时间、摩擦、消耗等[7].
2　在Arcgis空间分析中实现最佳路径的选择
2.1　数据准备-DEM的制作
首先把研究区地形图扫描到计算机中,如图1所示,包括河流数据(蓝色线)、路径源点数据(粉红色圆
点)、路径终点数据(蓝色小三角);其次对矢量图层进行规划,设置每个图层的坐标系、图层类型、包括字段
及其类型,然后在ArcGIS中创建图层,设置图层坐标系,进行分层矢量化,建立不规则三角网,将正确的不
规则三角网转化为栅格图像,这就生成了该研究区DEM,如图2所示.
2.2　数据处理
由于山地,坡度和河流的分布对修路建桥的影响较大,所以首先要创建成本数据集.
2.2.1　因子提取
坡度、坡向属一阶地形因子,可以在Arcgis中直接提取.在Arcmap中的SpatialA

nalyst下拉表框选择
SurfaceAnalysis并单击slope,对高程数据进行坡度提取与处理,生成坡度图.
2.2.2　重新分类
在Arcmap中的SpatialAnalyst下拉表框的Reclassify河区图进行分类,按4级等间距分类;对坡度图
进行重分类,重分类基本原则是采用等间距分为15级,坡度越高分级值越大,分类方法如上.
2.2.3　邻域统计
在SpatialAnalyst下拉表框选择Neighborhood Statistics,对高程图进行起邻域分析,然后对邻域图
进行重分类,按15级等间距分类,分类方法如上,起伏度越大级数值越高.
2.2.4　距离制图
在SpatialAnalyst下拉表框选择RasterCalculator对生成的重分类坡度图,重分类起伏图和重分类河
区图进行合并,生成最终成本数据集.
成本数据图= (重分类坡度数据* 0. 5+重分类起伏数据* 0. 3)+重分类河区数据,这里的0. 5和0. 3
是权重值.
354新疆大学学报(自然科学版) 2008年 在SpatialAnalyst下拉表框选择Distance
中的CostW eighted对最终成本数据集图进行
成本距离和成本方向的处理.
2.2.5　最短路径的实现
在SpatialAnalyst下拉表框选择Distance
中的Shortest Path,求取最短路径.如图3所
示,图中红色路径为我们要求的最短路径.
2.2.6　最短路径的三维可视化
启动ArcScene,加载最短路径图(图3),选
择3D Analyst下拉菜单下三维分析命令对其
进行三维可是化处理,处理结果如图4所示.图3　最短路径图
图4　最短路径可视化图
3　结论与讨论
图3、图4的红色路径表示起点到终点的最短距离,可以看出最短路径并不是一条直线,而是一条曲
线,这是因为在Arcgis下处理最短路径时,不仅要考虑到距离影响,还要考虑到山地的坡度、起伏度以及
河流的影响,所以在对这些成本因素综合处理后就得到上面的最短路径图.在本研究区中,主要涉及到的
是坡度、起伏度以及河流这三类成本因素,然而,不同的研究区,地形的起伏和坡度不同,影响结果的因素
也不一样,所以在处理过程涉及到的影响因子也就不同.本文的数据基础是DEM数据,利用ArcGIS可以
方便的构建DEM,这种方法不需要投入大量设备,成本低,速度快,并且容易更新,最后用Arcgis可以高效
快捷的实现不同规划区最短路径,如公路选址问题.实际上无论是何种支持都有其倾向的着眼点,无法兼
顾到问题的所有方面,基于GIS的方法也是这样,并且每一个具体的任务都有其特定的要求,所以本文给
出的方法也仅是通常理论基础下的解决方案,仅是给这一问题的解决提供一个参考.
参考文献:
[1]刘仁义,刘南. ArcG IS开发宝典—从入门到精通[M ].北京:科学出版社, 2006: 4-5.
[2]郭金来,胡鹏.网络最短路径的地图代数栅格算法[J].测绘科学, 2007, 32 (1): 109-111.
[3]王秀斌. G IS网络分析中最短

路径的实现[J].测绘科学, 2007, 32(5): 61-62.
[4]林开辉,唐丽玉,陈崇成. G IS中最短路径的求取及三维可视化[J].计算机工程与应用, 2006, 1(3): 188-190.
[5] JillM cCoy, Kevin Johnston, e. i. Using ArcG IS SpatialAnalyst[M ].Publisher: G IS By ESRI, 1997.
[6]王劲峰.空间分析技术[J].地理研究, 2005, 24(3): 164-472.
[7]汤国安,杨昕. Arcgis地理信息系统空间分析实验教程[M ].北京:科学出版社, 2006: 212-283.
责任编辑:陈　勇
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