ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ GRASS nástroj pro definování nákladů za odbočení při síťových analýzách PIN2 Projekt Informatika 2 2013 Dokumentace Lukáš Bocan Štěpán Turek Viera Bejdová Eliška Kyzlíková
GRASS NÁSTROJ PRO DEFINOVÁNÍ NÁKLADŮ ZA ODBOČENÍ PŘI SÍŤOVÝCH ANALÝZÁCH Dokumentace k tomuto projektu není pouze tento soubor. Bude k ní také patřit několik webových stránek (z technických důvodů je jejich obsah prozatím v přiloženém dokumentu Manuály) a samotné GRASS manuály k nově vytvořeným i upraveným modulům. Tato kompozice byla zvolena s ohledem na praktické využití naší práce, která se takto dostane k cílovým uživatelům pro ně jistě intuitivnější i rychlejší cestou. Jazyk v těchto dalších částech je anglický. Zadání Cílem projektu je implementace možnosti definování nákladů za odbočení při síťových analýzách (viz Turns in the network dataset) v GUI programu GRASS GIS. Implementace bude spočívat ve vytvoření tzv. line graph nad analyzovanou vektorovou vrstvou (např. síť silničních komunikací). Takto rozšířené síťové analýzy bude možné provádět intuitivně v grafickém uživatelském rozhraní tzv. wxgui. Tento projekt má potenciál praktického využití například v simulacích pravidel silničního provozu při síťových analýzách v GRASS GIS.
Úvod V prostředí GRASS GIS lze využívat poměrně značného množství modulů pro síťové analýzy (hledání nejkratší cesty, problém obchodního cestujícího, atd.). Je možné definovat náklady za průjezdy hranami i uzly, ale dosud nebylo možné definovat ceny za odbočování (ať už v závislosti na úhlu odbočení nebo jakýmkoliv jiným způsobem). Grafické uživatelské rozhraní podporuje jen malé množství z modulů síťových analýz, ve většině případů a k časté nelibosti uživatelů je nutné používat pouze příkazovou řádku. Cílem tohoto projektu je implementace možnosti definování cen za odbočování a současně úprava některých modulů, které již mají podporu GUI (a u nichž to má význam), takovým způsobem, aby je bylo možné aplikovat na vektorové vrstvy s definovanými cenami za odbočování. Definování nákladů za odbočování je umožněno aplikací nově vyvinutého modulu v.net.turntable na vektorovou vrstvu, která má následně vstoupit do síťové analýzy. Typy síťových analýz, které byly modifikovány pro podporu takto upravených vrstev jsou tyto: v.net.alloc, v.net.iso, v.net.path, v.net.salesman a v.net.steiner.
Modul v.net.turntable: Tento modul patří mezi moduly vektorových síťových analýz. Vytváří tabulku s náklady (cenami) za všechna možná odbočení na všech uzlech (křižovatkách) v dané vrstvě. Jsou zohledněny i zpětné otočky. Je možné předdefinovat ceny za odbočení v různých úhlových intervalech (implicitně viz obrázek, možnost přidávání, odebírání a úpravy intervalů) pomocí dialogu pro globální nastavení. Po vytvoření tabulky lze také dodefinovat konkrétní odbočky na požadovaných uzlech prostřednictvím dialogu pro lokální nastavení. Modul v.net.alloc Alokace zdrojů - Alokuje podsítě pro nejbližší centra (uzly). Modul v.net.iso Dělení sítě izoliniemi - Rozdělí síť na pásma mezi cenovými izoliniemi (ve směru od centra). Modul v.net.path Hledání nejkratší cesty - Hledá nejkratší cestu v grafu z počátečního uzlu do koncového. Modul v.net.salesman Problém obchodního cestujícího - Vytváří nejlevnější možný okruh spojující dané uzly (např. města). Modul v.net.steiner Problém minimálního Steinerova stromu - Vytváří Steinerův strom pro síť a dané koncové uzly. - Steinerův strom je nejlevnější vektorová síť spojující dané koncové uzly.
Závěr V rámci tohoto projektu byl rozšířen datový model síťových analýz umožňující definování nákladů za odbočení. Nad tímto modelem je po našich úpravách schopno pracovat pět modulů, které představují nejčastěji využívané typy síťových analýz. Velký důraz byl kladen na uživatelskou přívětivost, což uživatelé GRASS GIS často postrádají. Proto byl rozšířen GUI nástroj pro síťové analýzy(wxgui Vector Network Analysis Tool), jenž je díky tomuto projektu schopen pracovat s tímto datovým modelem. To zahrnuje možnost definování nákladů za odbočení globálním i lokálním způsobem. Tento nástroj je rovněž schopen provádět analýzy I s upravenými moduly zvláště pro tento účel. Přínosem projektu je zvýšení konkurenceschopnosti vůči proprietárním softwarům (moudří vědí), což je známka praktické využitelnosti naší práce. Lze tedy tvrdit, že cíle projektu byly naplněny.
This text is going to be uploaded to various pages at grasswiki.osgeo.org and therefore it shouldn t be considered a complete and compact manual. Turntable module The turntable module (v.net.turntable) is one of vector network analysis modules. It creates a turntable with the costs for every possible turn on every possible node (intersection, crossroad) in given layer. U-turns are taken in account too. Picture of linegraph above former vector arc layer For better handling, a linegraph is created. In this linegraph, every line is represented by two nodes. These nodes have positive and negative values respectively, with their absolute values identical. Every node corresponds to opposite line direction. The positive node matches the direction of line. The negative node matches the opposite direction. For better understanding, let's have a travelling subject standing on a line (road) before an intersection wanting to cross it. This line's direction is TOWARDS the intersection. Travelling from this line through the intersection means that the subject is currently standing on the POSITIVE node representation of the line. After crossing to this line from any permitted direction, the subject gets to the NEGATIVE point representation of the line.
These two nodes (corresponding to the same line) are connected with two U-turns (for both directions). Every U-turn direction belongs to another intersection. U-turn from the POSITIVE node to the NEGATIVE one belongs to the intersection we are going to cross. The other U-turn belongs to the intersection at the opposite end of this line. Turntable description (the table itself) Columns description: cat category in tlayer (layer with turntable), which coresponds to both lines before and after the intersection ln_from unique category in tucats layer assigned to the line ln_to unique category in tucats layer assigned to the line cost cost for turn in forward direction from ln_from to ln_to (integer or double) isec point category in tucats layer, which represents the intersection, where the forward turn with intersections belongs into angle angle between the lines before and after the intersection (radians)
Every possible turn on any possible intersection is represented by unique record (line). In the picture above you can see the turntable and part of vector layer with highlighted turn from the line with unique category 289 through the node (intersection) 561 to the line with unique category 234. In other words the given subject travels from intersection 564 through intersection 561 to intersection 527. Arrows show orientation of each line. Note that in case of the line 289 the subject travels in BACKWARDS direction and therefore the In_from value is NEGATIVE (-289) while in case of the line 234 the travelling is in FORWARD direction, so the In_from value is POSITIVE (234). The category of this turn can be seen in the cat column and the value is 1817 (this kind of category is stored in tlayer). This category value belongs only to the lines with unique category values 234 and 289 (stored in tuclayer). In the angle column for this record the value is -1.373597 radians which is roughly -80. This perfectly makes sense since left turns have negative values and right turns have positive. The angle is measured as deviance from straight direction (which is 0 ).
Vector network analysis modules Below are described all mandatory and the most common parameters used in vector network analysis modules: input This is the name of input vector map or data source for direct OGR access. output This is the name for output vector map. type This parameter defines arc type, which can be line or boundary. alayer This parameter is a number and defines the arc layer. Vector features can have category values in different layers. This number determines which layer to use. When used with direct OGR access this is the layer name. nlayer This parameter is a number and defines the node layer. Vector features can have category values in different layers. This number determines which layer to use. When used with direct OGR access this is the layer name. afcolumn This is the number of the cost column for moving in forward direction or forward and backward directions together. abcolumn This is the number of the cost column for moving in backward direction. ncolumn This is the number of the cost column for moving through nodes.
v.net.turntable specific parameters alayer Name or number of the arc layer that will be expanded by turntable. nlayer Name or number of the node (points) layer, which will be copied into output layer. By default all points are copied. tlayer Name or number of the layer to which the turntable will be attached. tuclayer Name or number of the layer with unique categories for every line and point. The points are placed on every node.
WxGUI Vector Network Analysis Tool In GUI for v.net modules there is the checkbox option to use turns. If checked, it is required to fill these additional parameters: tlayer (layer with turntable), tuclayer (layer with unique categories for turntable). The dialog is shown below. It is possible to predefine costs for default or custom angle intervals in the Global settings dialog as shown in picture below.
The angle, however, is only the simple one between two straight lines (from previous intersection to current node and from current intersection to the next one ignoring any original shorter polyline segments). After the turntable is created, it is possible to customize costs explicitly for any specific turn on any given intersection (node) via the Local settings dialog.