Biblioteca de analiză a rețelelor¶

Informații generale¶

Pe scurt, un caz tipic de utilizare poate fi descris astfel:

1. crearea grafului din geodate (de obicei un strat vectorial de tip polilinie)

2. rularea analizei grafului

3. folosirea rezultatelor analizei (de exemplu, vizualizarea lor)

Construirea unui graf¶

Primul lucru pe care trebuie să-l faceți — este de a pregăti datele de intrare, ceea ce înseamnă conversia stratului vectorial într-un graf. Toate acțiunile viitoare vor folosi acest graf, și nu stratul.

Ca și sursă putem folosi orice strat vectorial de tip polilinie. Nodurile poliliniilor devin noduri ale grafului, segmentele poliliniilor reprezentând marginile grafului. În cazul în care mai multe noduri au aceleași coordonate, atunci ele sunt în același nod al grafului. Astfel, două linii care au un nod comun devin conectate între ele.

În plus, în timpul creării grafului este posibilă “fixarea” (‘legarea”) de stratul vectorial de intrare a oricărui număr de puncte suplimentare. Pentru fiecare punct suplimentar va fi găsită o potrivire — cel mai apropiat nod sau cea mai apropiată muchie a grafului. În ultimul caz muchia va fi divizată iar noul nod va fi adăugat.

Atributele stratului vectorial și lungimea unei muchii pot fi folosite ca proprietăți ale marginii.

Converting from a vector layer to the graph is done using the Builder programming pattern. A graph is constructed using a so-called Director. There is only one Director for now: QgsLineVectorLayerDirector. The director sets the basic settings that will be used to construct a graph from a line vector layer, used by the builder to create the graph. Currently, as in the case with the director, only one builder exists: QgsGraphBuilder, that creates QgsGraph objects. You may want to implement your own builders that will build a graphs compatible with such libraries as BGL or NetworkX.

To calculate edge properties the programming pattern strategy is used. For now only QgsDistanceArcProperter strategy is available, that takes into account the length of the route. You can implement your own strategy that will use all necessary parameters. For example, RoadGraph plugin uses a strategy that computes travel time using edge length and speed value from attributes.

Este timpul de a aprofunda acest proces.

Înainte de toate, pentru a utiliza această bibliotecă ar trebui să importăm modulul networkanalysis

from qgis.networkanalysis import *

Apoi, câteva exemple pentru crearea unui director

# don't use information about road direction from layer attributes,
# all roads are treated as two-way
director = QgsLineVectorLayerDirector(vLayer, -1, '', '', '', 3)

# use field with index 5 as source of information about road direction.
# one-way roads with direct direction have attribute value "yes",
# one-way roads with reverse direction have the value "1", and accordingly
# bidirectional roads have "no". By default roads are treated as two-way.
# This scheme can be used with OpenStreetMap data
director = QgsLineVectorLayerDirector(vLayer, 5, 'yes', '1', 'no', 3)

Pentru a construi un director ar trebui să transmitem stratul vectorial, care va fi folosit ca sursă pentru structura grafului și informațiile despre mișcările permise pe fiecare segment de drum (circulație unilaterală sau bilaterală, sens direct sau invers). Acest apel arată în felul următor

director = QgsLineVectorLayerDirector(vl, directionFieldId,
                                      directDirectionValue,
                                      reverseDirectionValue,
                                      bothDirectionValue,
                                      defaultDirection)

Iată lista completă a ceea ce înseamnă acești parametri:

• vl — stratul vectorial utilizat pentru a construi graf

• directionFieldId — indexul câmpului din tabelul de atribute, în care sunt stocate informații despre direcțiile drumurilor. Dacă este -1, atunci aceste informații nu se folosesc deloc. Număr întreg.

• directDirectionValue — valoarea câmpului pentru drumurile cu sens direct (trecere de la primul punct de linie la ultimul). Șir de caractere.

• reverseDirectionValue — valoarea câmpului pentru drumurile cu sens invers (în mișcare de la ultimul punct al liniei până la primul). Șir de caractere.

• bothDirectionValue — valoarea câmpului pentru drumurile bilaterale (pentru astfel de drumuri putem trece de la primul la ultimul punct și de la ultimul la primul). Șir de caractere.

• defaultDirection — direcția implicită a drumului. Această valoare va fi folosită pentru acele drumuri în care câmpul directionFieldId nu este setat sau are o valoare diferită de oricare din cele trei valori specificate mai sus. Număr întreg. 1 indică sensul direct, 2 indică sensul inversă, iar 3 indică ambele sensuri.

Este necesară, apoi, crearea unei strategii pentru calcularea proprietăților marginii

properter = QgsDistanceArcProperter()

Apoi spuneți directorului despre această strategie

director.addProperter(properter)

Acum putem crea constructorul, care va crea graful. Constructorul clasei QgsGraphBuilder ia mai multe argumente:

• crs — sistemul de coordonate de referință de utilizat. Argument obligatoriu.

• otfEnabled — utilizați sau nu reproiectarea “din zbor”. În mod implicit const:True (folosiți OTF).

• topologyTolerance — toleranța topologică. Valoarea implicită este 0.

• ellipsoidID — elipsoidul de utilizat. În mod implicit “WGS84”.

# only CRS is set, all other values are defaults
builder = QgsGraphBuilder(myCRS)

De asemenea, putem defini mai multe puncte, care vor fi utilizate în analiză. De exemplu

startPoint = QgsPoint(82.7112, 55.1672)
endPoint = QgsPoint(83.1879, 54.7079)

Acum că totul este la locul lui, putem să construim graful și să “legăm” aceste puncte la el

tiedPoints = director.makeGraph(builder, [startPoint, endPoint])

Construirea unui graf poate dura ceva timp (depinzând de numărul de entități dintr-un strat și de dimensiunea stratului). tiedPoints reprezintă o listă cu coordonatele punctelor “asociate”. Când s-a terminat operațiunea de construire putem obține graful și să-l utilizăm pentru analiză

graph = builder.graph()

Cu următorul cod putem obține indecșii punctelor noastre

startId = graph.findVertex(tiedPoints[0])
endId = graph.findVertex(tiedPoints[1])

Analiza grafului¶

Analiza de rețea este utilizată pentru a găsi răspunsuri la două întrebări: care noduri sunt conectate și identificarea celei mai scurte căi. Pentru a rezolva această problemă, biblioteca de analiză de rețea oferă algoritmul lui Dijkstra.

Algoritmul lui Dijkstra găsește cea mai bună cale între unul dintre vârfurile grafului și toate celelalte, precum și valorile parametrilor de optimizare. Rezultatele pot fi reprezentate ca cel mai scurt arbore.

Arborele drumurilor cele mai scurte reprezintă un graf (sau mai precis — arbore) orientat, ponderat, cu următoarele proprietăți:

• doar un singur nod nu are muchii de intrare — rădăcina arborelui

• toate celelalte noduri au numai o margine de intrare

• dacă nodul B este accesibil din nodul A, apoi calea de la A la B este singura disponibilă și este optimă (cea mai scurtă) în acest graf

To get the shortest path tree use the methods shortestTree() and dijkstra() of QgsGraphAnalyzer class. It is recommended to use method dijkstra() because it works faster and uses memory more efficiently.

Metoda shortestTree() este utilă atunci când doriți să vă plimbați de-a lungul celei mai scurte căi. Aceasta creează mereu un nou obiect de tip graf (QgsGraph) care acceptă trei variabile:

• source — graf de intrare

• startVertexIdx — Indexul punctului de pe arbore (rădăcina arborelui)

• criterionNum — numărul de proprietății marginii de folosit (începând de la 0).

tree = QgsGraphAnalyzer.shortestTree(graph, startId, 0)

Metoda dijkstra() are aceleași argumente, dar întoarce două matrici. În prima matrice, elementul i conține indicele marginii de intrare, sau -1 în cazul în care nu există margini de intrare. În a doua matrice, elementul i conține distanța de la rădăcina arborelui la nodul i, sau DOUBLE_MAX dacă vertexul nu poate fi accesat pornind de la rădăcină.

(tree, cost) = QgsGraphAnalyzer.dijkstra(graph, startId, 0)

Here is some very simple code to display the shortest path tree using the graph created with the shortestTree() method (select linestring layer in TOC and replace coordinates with your own). Warning: use this code only as an example, it creates a lots of QgsRubberBand objects and may be slow on large data-sets.

from PyQt4.QtCore import *
from PyQt4.QtGui import *

from qgis.core import *
from qgis.gui import *
from qgis.networkanalysis import *

vl = qgis.utils.iface.mapCanvas().currentLayer()
director = QgsLineVectorLayerDirector(vl, -1, '', '', '', 3)
properter = QgsDistanceArcProperter()
director.addProperter(properter)
crs = qgis.utils.iface.mapCanvas().mapRenderer().destinationCrs()
builder = QgsGraphBuilder(crs)

pStart = QgsPoint(-0.743804, 0.22954)
tiedPoint = director.makeGraph(builder, [pStart])
pStart = tiedPoint[0]

graph = builder.graph()

idStart = graph.findVertex(pStart)

tree = QgsGraphAnalyzer.shortestTree(graph, idStart, 0)

i = 0;
while (i < tree.arcCount()):
  rb = QgsRubberBand(qgis.utils.iface.mapCanvas())
  rb.setColor (Qt.red)
  rb.addPoint (tree.vertex(tree.arc(i).inVertex()).point())
  rb.addPoint (tree.vertex(tree.arc(i).outVertex()).point())
  i = i + 1

Același lucru, dar cu ajutorul metodei dijkstra()

from PyQt4.QtCore import *
from PyQt4.QtGui import *

from qgis.core import *
from qgis.gui import *
from qgis.networkanalysis import *

vl = qgis.utils.iface.mapCanvas().currentLayer()
director = QgsLineVectorLayerDirector(vl, -1, '', '', '', 3)
properter = QgsDistanceArcProperter()
director.addProperter(properter)
crs = qgis.utils.iface.mapCanvas().mapRenderer().destinationCrs()
builder = QgsGraphBuilder(crs)

pStart = QgsPoint(-1.37144, 0.543836)
tiedPoint = director.makeGraph(builder, [pStart])
pStart = tiedPoint[0]

graph = builder.graph()

idStart = graph.findVertex(pStart)

(tree, costs) = QgsGraphAnalyzer.dijkstra(graph, idStart, 0)

for edgeId in tree:
  if edgeId == -1:
    continue
  rb = QgsRubberBand(qgis.utils.iface.mapCanvas())
  rb.setColor (Qt.red)
  rb.addPoint (graph.vertex(graph.arc(edgeId).inVertex()).point())
  rb.addPoint (graph.vertex(graph.arc(edgeId).outVertex()).point())

assign Т = B
while Т != A
    add point Т to path
    get incoming edge for point Т
    look for point ТТ, that is start point of this edge
    assign Т = ТТ
add point А to path

from PyQt4.QtCore import *
from PyQt4.QtGui import *

from qgis.core import *
from qgis.gui import *
from qgis.networkanalysis import *

vl = qgis.utils.iface.mapCanvas().currentLayer()
director = QgsLineVectorLayerDirector(vl, -1, '', '', '', 3)
properter = QgsDistanceArcProperter()
director.addProperter(properter)
crs = qgis.utils.iface.mapCanvas().mapRenderer().destinationCrs()
builder = QgsGraphBuilder(crs)

pStart = QgsPoint(-0.835953, 0.15679)
pStop = QgsPoint(-1.1027, 0.699986)

tiedPoints = director.makeGraph(builder, [pStart, pStop])
graph = builder.graph()

tStart = tiedPoints[0]
tStop = tiedPoints[1]

idStart = graph.findVertex(tStart)
tree = QgsGraphAnalyzer.shortestTree(graph, idStart, 0)

idStart = tree.findVertex(tStart)
idStop = tree.findVertex(tStop)

if idStop == -1:
  print "Path not found"
else:
  p = []
  while (idStart != idStop):
    l = tree.vertex(idStop).inArc()
    if len(l) == 0:
      break
    e = tree.arc(l[0])
    p.insert(0, tree.vertex(e.inVertex()).point())
    idStop = e.outVertex()

  p.insert(0, tStart)
  rb = QgsRubberBand(qgis.utils.iface.mapCanvas())
  rb.setColor(Qt.red)

  for pnt in p:
    rb.addPoint(pnt)

from PyQt4.QtCore import *
from PyQt4.QtGui import *

from qgis.core import *
from qgis.gui import *
from qgis.networkanalysis import *

vl = qgis.utils.iface.mapCanvas().currentLayer()
director = QgsLineVectorLayerDirector(vl, -1, '', '', '', 3)
properter = QgsDistanceArcProperter()
director.addProperter(properter)
crs = qgis.utils.iface.mapCanvas().mapRenderer().destinationCrs()
builder = QgsGraphBuilder(crs)

pStart = QgsPoint(-0.835953, 0.15679)
pStop = QgsPoint(-1.1027, 0.699986)

tiedPoints = director.makeGraph(builder, [pStart, pStop])
graph = builder.graph()

tStart = tiedPoints[0]
tStop = tiedPoints[1]

idStart = graph.findVertex(tStart)
idStop = graph.findVertex(tStop)

(tree, cost) = QgsGraphAnalyzer.dijkstra(graph, idStart, 0)

if tree[idStop] == -1:
  print "Path not found"
else:
  p = []
  curPos = idStop
  while curPos != idStart:
    p.append(graph.vertex(graph.arc(tree[curPos]).inVertex()).point())
    curPos = graph.arc(tree[curPos]).outVertex();

  p.append(tStart)

  rb = QgsRubberBand(qgis.utils.iface.mapCanvas())
  rb.setColor(Qt.red)

  for pnt in p:
    rb.addPoint(pnt)

from PyQt4.QtCore import *
from PyQt4.QtGui import *

from qgis.core import *
from qgis.gui import *
from qgis.networkanalysis import *

vl = qgis.utils.iface.mapCanvas().currentLayer()
director = QgsLineVectorLayerDirector(vl, -1, '', '', '', 3)
properter = QgsDistanceArcProperter()
director.addProperter(properter)
crs = qgis.utils.iface.mapCanvas().mapRenderer().destinationCrs()
builder = QgsGraphBuilder(crs)

pStart = QgsPoint(65.5462, 57.1509)
delta = qgis.utils.iface.mapCanvas().getCoordinateTransform().mapUnitsPerPixel() * 1

rb = QgsRubberBand(qgis.utils.iface.mapCanvas(), True)
rb.setColor(Qt.green)
rb.addPoint(QgsPoint(pStart.x() - delta, pStart.y() - delta))
rb.addPoint(QgsPoint(pStart.x() + delta, pStart.y() - delta))
rb.addPoint(QgsPoint(pStart.x() + delta, pStart.y() + delta))
rb.addPoint(QgsPoint(pStart.x() - delta, pStart.y() + delta))

tiedPoints = director.makeGraph(builder, [pStart])
graph = builder.graph()
tStart = tiedPoints[0]

idStart = graph.findVertex(tStart)

(tree, cost) = QgsGraphAnalyzer.dijkstra(graph, idStart, 0)

upperBound = []
r = 2000.0
i = 0
while i < len(cost):
  if cost[i] > r and tree[i] != -1:
    outVertexId = graph.arc(tree [i]).outVertex()
    if cost[outVertexId] < r:
      upperBound.append(i)
  i = i + 1

for i in upperBound:
  centerPoint = graph.vertex(i).point()
  rb = QgsRubberBand(qgis.utils.iface.mapCanvas(), True)
  rb.setColor(Qt.red)
  rb.addPoint(QgsPoint(centerPoint.x() - delta, centerPoint.y() - delta))
  rb.addPoint(QgsPoint(centerPoint.x() + delta, centerPoint.y() - delta))
  rb.addPoint(QgsPoint(centerPoint.x() + delta, centerPoint.y() + delta))
  rb.addPoint(QgsPoint(centerPoint.x() - delta, centerPoint.y() + delta))