最佳路径分析.doc

学 号： 0121108670232GIS应用技能训练题 目基于多因素与层次模型的校园火灾救援最佳路径分析学 院资源与环境工程学院专 业地理信息系统班 级1102班姓 名江瑶指导教师黎华、胡杏花2013年7月12日目录摘要.11 背景以及分析的意义.12 训练要求.13 设计分析.2 3.1整体思路.2 3.2最佳路径的道路层次模型.2 3.2.1建立层次模型.2 3.2.2确定权系数.3 3.2.3实际调查.4 4 软件应用.5 4.1本次实验的道路数据获取.5 4.2对校园内外部矢量化并制图.7 4.3给校园各道路命名并且赋权值.9 4.4对校园内外道路进行拓扑构网.9 4.5对拓扑网进行最短和最佳路径分析.115 结果分析及评价.11 5.1校外最短路径结果及分析.11 5.2校内最短路径结果及分析.116 心得体会.12致谢.13参考文献.13附录1 权值计算代码.15附录2 所有道路权值.15武汉理工大学GIS应用技能训练说明书基于多因素与层次模型的校园火灾救援最佳路径分析摘要：最佳路径的求取实则是一个多目标综合决策问题。以往一些研究没有能全面分析问题，只注重与某个因素下的最佳路径，这使得分析结果不尽如人意，不能得到最佳结果。有些则综合了多种影响因素，然而在确定评价指标的权重时常采用专家评估的方法，这具有很大的随意性和主观性，有时会偏离客观实际，易于造成评价失准，致使结论缺乏真实性。本文所提模型是综合了多目标决策与层次分析法的基于多因素影响与综合评判的最佳路径分析模型。模型在全面问题分析基础上先给出了影响最佳路径分析的几个重要影响因子，并利用层次分析法的思想构建了道路层次模型，确定了各影响因素的权系数。在综合评判时应用多目标决策模型与所提因素评分模型确定了各影响因素对路段的评分矩阵，并综合所求各因素的权系数得到最终路段的综合权值。最后以路段综合权值为路段属性进行Dijkstra 算法求解，得到最佳路径。文中采用层次分析法来确定权值，将定性与定量分析相结合，利用严密的数学理论，去除随意性与主观性，表达了符合客观实际的因素影响权值，并且依据判断矩阵的一致性来检验权值的合理性，从而使得分析结论更准确、可靠。此次分析是当武汉理工大学某处发生火灾，分析消防车怎样最快到达火灾处。在学校外进行消防车到达校门口进行最短路径分析，对校内进行最佳路径分析。 关键词：多因素 层次分析 最佳路径 校园1 背景以及分析的意义 在当今大学校园中蕴藏着很多不确定因素有可能引发的灾害会危机师生生命财产安全，而为了防范并尽量减少这些灾害造成的影响，我们小组选定大学校园火灾快速救灾最佳路线决策作为此次超图软件实习主题，随之我们小组经详细讨论和合理分析最终确定使用“基于多因素决策与层次分析法的最佳路径模型”来计算火灾发生地周边各路径权值并利用SuperMap软件最佳路径自动分析来为消防车火灾扑救路线选择及火灾发生区域人员疏散路线选择做最佳路径决策分析。2 训练要求 应用所学的地理信息系统原理与应用、地图学以及数字测图原理与方法中所学到的基本理论知识，本着 “重实践、强技能”的原则，培养综合利用所学知识分析和解决实际问题的能力，提高我们的综合应用和实践能力，以及严谨的学习态度，强化技能训练、强化我们的专业能力，为后续的学科基础课程打下良好的技术基础。通过该训练使我们了解地理信息系统数据的集成、SuperMap GIS软件的基本操作和空间分析的基本原理和方法，实现对空间数据进行分析和挖掘，解决实际工作和生活中的业务需求。3 设计分析3.1整体思路 “基于多因素决策与层次分析法的最佳路径模型”是综合了多目标与层次分析法的基于多因素影响与综合评判的最佳路径分析模型。模型在全面问题分析基础上先给出了影响最佳路径分析的几个重要因子，并利用层次分析法的思想构建了道路层次模型，确定了各影响因素的权系数。在综合评判时应用多目标决策模型与所提因素评分模型确定了各影响因素对路段的评分矩阵，并综合所求各因素的权系数得到最终路段的综合权值。最终在矢量化的武汉交通网拓扑成网后为各路段新建“权值”字段，并依次将按模型确定的各路段综合权值输入该字段，直接使用超图最佳路径分析选择“权值”字段作为比较字段进行分析便实现最终目标！3.2最佳路径的道路层次模型 最佳路径是指从起始位置到目标位置的最理想路径。最理想可以定义为路程较短且耗时少、路宽足够宽、路上行车方便无堵塞、路面路况好方便行车等。因而最佳路径的选择需要考虑诸多因素，且各因素的重要性一般是不同的。 层次分析法是一种基于问题的多因素考虑，将定性与定量分析相结合的战略决策方法，是一种行之有效的确定权系数的方法。它把复杂问题中的各个因素通过划分成相互联系的有序层次使之条理化。根据对一定客观现实的判断就每一层的相对重要性程度给与定量表示，确定每一层次中的元素相对重要性次序的权值，通过排序结果，分析和解决问题，从而为战略决策服务。3.2.1建立层次模型根据层次分析法的思想，问题的层次结构可以分为3 层。最上层为目标层，是问题分析的目标; 中间层是准则层，即实际目标的各种指标; 最底层是方案层，是实现目标的可行选择。在本文问题中，我们所建立的层次模型只有目标层和准则层: 目标层为最佳路径，准则层为路径的2个影响因素和各因素的共5 项指标。问题的层次结构模型如图1 所示： 最佳路径 最段简捷性 路段通行力路面质量车道宽度路上行人路上车辆 图 1最佳路径选择的层次分析模型3.2.2确定权系数对校准层的各因素按1-5标度思想分别赋值，1-5标度的含义见表1。根据主观判断与需求，本问题所构造的比较判断矩阵如下： 1 4 6 6 9 1/4 1 3/2 3/2 3 1/6 2/3 1 1 2 1/6 2/3 1 1 2 1/9 1/3 1/2 1/2 1表1 标度1-5的含义 标度 含义 1 表示两个元素相比，具有相同的重要性 2 表示两个元素相比，前者比后者稍重要 3 表示两个元素相比，前者比后者明显重要 4 表示两个元素相比，前者比后者强烈重要 5 表示两个元素相比，前者比后者极端重要 倒数 若元素i与元素j的重要性之比为aij，那么元素j 和元素i的重要性之比为1/aij 3.2.3实际调查首先我们针对大学校园火灾快速救灾最佳路径影响因素进行综合分析比较，选定“路长”、“路宽”、“路面行人”、“路面车辆”、“路面质量”等五个因素作为影响因素，并采用调查问卷的形式统计分析得到各因素在实际情况下的需求比重，调查结果如下表2： 表2 综合评价权值因素【因素比】（权系数）路长A路宽B路上行人C路上车辆D路面质量E路长A【4.19】（0.571）14669路宽B【1.275】（0.174）1/413/23/23路上行人C【0.740】（0.101）1/62/3112路上车辆D【0.740】（0.101）1/62/3112路面质量E【0.392】（0.053）1/91/31/21/214 软件应用4.1本次实验的道路数据获取 本次实验，我们使用的是超图公司的supermap 软件，在做实验之前也给了我们一些数据，只有湖南湖北的一些大概的信息，比如说一些比较明显的标志物的点数据，只要道路数据，次要道路数据，等等；而且我们这次使用的数据只是其中的一小部分，所以我们必须在supermap 里对源数据进行截取，获取我们想要的那一小部分数据，也就是武汉理工大学的道路信息，还有武汉理工到最近的消防站的道路数据下图，下图为超图公司提供给我们的原始数据：图2 原始武汉数据 由于我们只需要使用道路部分数据，并且只是武汉理工大学内部道路数据，还有外部武汉理工大学到最近消防站的数据，所以我们把所给的数据进行截取，在supermap 里面操作就是首先新建一个数据集，接下来在原来给的湖北数据集里面，只打开道路的图层，用框选选出想要的数据，右击选择复制数据集，把目的数据源选择为我们新建的数据源，操作过程和操作结果如下：图3 数据集的复制图4 截取后的街道数据4.2对校园内外部矢量化并制图 对校园进行最佳路径分析，要想得到较好的效果，并且能进行完整的分析，我们就必须获得完整的学校的道路，并且得到道路周围的建筑物的信息，这样能准确的知道火灾的发生地点，并进行最佳路径的分析，对校园内部的数据进行矢量化的时候，必须需要一张武汉理工大学一级周边的的信息的遥感图，我们小组所取的数据是在百度的遥感图中截取的，并且在supermap 中把遥感图进行配准，得到与我们所截取的道路数据的坐标相同，在软件中，将遥感图和道路的数据叠加在一起的效果如下图所示：图5 遥感图的道路叠加在一起 把遥感图配准并且叠加后，加下来就是对它进行矢量化的工作了，在supermap软件里面，我们可以很方便的对校园内外行矢量化工作，软件的工具也很多，充分满足了我们作图和矢量化和作图的需要，我们在里面进行矢量化时，对于不同地物，都会建立新的数据文件，比如说道路线文件，房屋面文件，标注文本文件，等等；这样方便了我们以后制作地图时的统一风格的修改，和道路的网络分析，帮助我们创建出更好的地图，对校园内外部矢量化并且修改风格后的整体的效果如下图所示，这幅图中校园的道路和其他外部的道路是分开的，这样做的目的是我们可以把校园的道路拿出来，单独建立网络模型，然后进行最短路径分析，更好地满足我们所要的其他各种操作，不如说改变校园道路风格，等等。图6 校园的矢量化地图4.3 给校园各道路命名并且赋权值 对校园的道路进行最佳路径分析，就不能使用道路长度作为权值了，我们要综合许多因素算出一个权值然后赋给每条道路，为了区分每一条道路，我们还给每条道路认为加上名字，方便到时后告诉使用者，最佳路径应选择那几条道路，这样更加直观，清楚；由于在建立道路图层，创建每条道路会自己默认的创建几个字段，我们必须新建两个字段，一个用来存储道路的名称，另一个用来存储道路所占的权值。4.4 对校园内外道路进行拓扑构网 我们之所以把校外和校内的道路分开，是由于我们无法获取校外的详细道路信息，只能获取校外道路的长度信息，只能以长度为权值，做一个最短路径分析，但是校内却可以获得很多因素的信息，比如说道路的宽度，道路的上的行人数量，道路上的车辆数，路面状况等等，这样我们可以用来做校园内的最短路径分析，校外校内的拓扑构网，如下图所示：图7 校外构网图 8 校内构网4.5 对拓扑网进行最短和最佳路径分析 在supermap中对已经建好的拓扑网进行最佳路径和最短路径分析，我们在软件中先在新地图中导入已经建好的拓扑网，每次只能分析一个拓扑网，我们先对校园的拓扑网进行分析，再对校内的拓扑网进行分析，校外我们就选消防站到学校的最短路径，校内我们起点选取校门口，假设起火点为校园的宿舍楼，即终点为宿舍楼，进行校内的最佳路径的分析。5 .结果分析及评价5.1校外最短路径结果及分析 我们在supermap里对校外进行了网络分析的中的最佳路径分析，权值为道路的长度，这时候求出的即是两点之间最短路径，在软件中用自带的功能分析之后结果如下图所示：图9 校外路径分析结果 这次分析的结果还算满意，因为基本是用原来的原有数据进行分析，进一步分析得到的结果。并且从图上看来确实像是最短路径。5.2 校内最佳路径分析结果图10 校内路径分析结果 从校门口到宿舍楼的最短路径，分析出来是先走梅林路，过将军桥，再走广场西路，最后从体育场右侧绕回宿舍，我觉得这样选非常符合实际，因为首先梅林哪条路人很少，比新一前面的人少，所以选择走梅林，之所以不走食堂北路，是因为那里去吃饭的人多，加上食堂门口的车子常年停靠，占了较多的路宽，所以走博学广场右边的路合理，再者，为何不选择走体育场北路到宿舍楼呢，原因也是因为体育场北路那里的马路上停靠的车子更多，不容易过去，过去花的时间远远大于绕行所花的时间，加上绕行的道路人很少，车子很少，很适合消防车过去，故选择绕行较好，这样一条完整的最佳路径分析出来了，分析出来的结果还算合情合理，是我们小组想要的结果。6 心得体会 此次GIS应用技能训练，我们主要采用supermap 软件，通过小组讨论，我们决定做我们学校发生火灾，消防车来的最快进行分析，我们拟的题目为基于多因素与层次模型的校园火灾救援最佳路径分析。 开始我们讨论的内容是第九届武汉运动会发生火灾人群疏散方案，由于运动场还没建好，我们对里面的结构、出入口的多少都毫不了解，所以无从下手，后来我们又想做武汉市各地区的降水量分析，又觉得分析了没什么意义，就又放弃了，在组长的坚持下，我们还是选择了跟第一个议题差不多的一个问题，只是我们换了一点方向，分析消防车到我们学校起火处的最佳路径，最终确定了这个本次课程设计内容。于是我们便开始了本次课程设计，我们先通过实地测量数据和所给的参考数据，首先建立矢量化道路图，接下来根据所建好的矢量化道路图，进行权值计算并赋予每条道路，然后进行拓扑构网，最后进行最佳及最短路径分析。通过这次的实习，我学到了很多，开始我们都对supermap软件都不是很了解，而现在我们对supermap里面的一些功能有了一定的了解，怎样进行地图配准，怎样进行矢量化，怎么进行拓扑构网，怎么进行空间网络分析，怎样进行最佳路径分析，对权值的概念也有了一定认识，怎样综合各因素计算各道路权植。矢量化的时候，我们小组进行了分工，每个人负责矢量化一块区域，每矢量一种地物就要新建一个相应名称的数据集，这样便于识别与修改，我做了一下午，最后不知道怎么的啥也没了，没办法只得重做一遍，这告诉我一个道理：要一边做一边保存，要不然一不小心，啥也没了，做了长时间的工作就白费了。然后我们对矢量化的道路进行拓扑构网，再考虑道路的行人多少、车辆数目、路面质量、路宽等因素，综合在一起，按照一定的数学模型，算出每条道路的权值，最终进行最佳路径分析。 总的来说，通过本次实习，让我对另一种新的软件supermap有了了解，知道怎么使用它，通过这次实习，提高了我们的动手能力，锻炼了我们的分析能力，怎样通过分析更好地解决实际问题，如物流配送、房产的选择、区位分析。此次课程设计是我人生中的一段宝贵的经验，让我学到了很多，了解了很多，更加丰富了我的知识，让我对专业应用有了一些认识。致谢 感谢黎华老师和胡杏花老师的指导与教诲，让我们可以学到这么多课本上学不到的东西，提高了动手能力和分析能力，还感谢我们全组人的共同合作，共同努力完成本次的GIS应用技能训练，谢谢你们！参考文献：1 赵春燕，王国华，周军 支持城市多种交通方式的最佳路径分析J 测绘信息与工程， 2009， 34( 4) : 8 102 武航，王家耀，熊伟，等 基于公路普查数据面向最短时间的最优路径分析研究J 河南理工大学学报，2006，25( 3) : 218 2213 段莉琼，刘立国 基于车辆导航的路径分析与应用J技术应用，2005( 4) : 44 474 吴海兵，王乔 基于多目标模糊决策的炮兵机动最佳路径选择J 理论与探索， 2007( 5) : 26 305 王莲芬，许树柏 层次分析法引论M 北京: 中国人民大学出版社，19896 熊锐，蒋晓亚 层次分析法在多目标决策中的应用J南京航空航大学学报， 1994， 26( 2) : 283 2887 张超，杨秉 计量地理学基础M 北京: 高等教育出版社， 20048 常志雁，萨殊利，范鹏飞 层次分析法在GIS 事故救援系统中的应J 武汉理工大学学报( 交通科学与工程版) ， 2004， 28( 2) : 255 2579 张海荣 地理信息系统原理与应用M 徐州: 中国矿业大学出版社， 200810 高露雄 基于多目标决策与层次分析法的最佳路径模型 中国矿业大学 2011.附录1：权值计算的C#代码 double A1,B1,C1,D1,E1; double A, B, C, D, E,linshi; A1 = 70.3165; B1 = 12.00; C1 = 5.00; D1 = 5.00; E1 = 2; A = Convert.ToDouble(textBox1.Text); B = Convert.ToDouble(textBox2.Text); C = Convert.ToDouble(textBox3.Text); D = Convert.ToDouble(textBox4