基于PgRouting的GIS網(wǎng)絡分析--數(shù)據(jù)準備

一 前言

PgRouting是基于開源空間數(shù)據(jù)庫PostGIS用于網(wǎng)絡分析的擴展模塊，最初它被稱作pgDijkstra，因為它只是利用Dijkstra算法實現(xiàn)最短路徑搜索，之后慢慢添加了其他的路徑分析算法，如A算法，雙向A算法，Dijkstra算法，雙向Dijkstra算法，tsp貨郎擔算法等，然后被更名為pgRouting[1]。該擴展庫依托PostGIS自身的gist索引，豐富的坐標系與圖形類型，強大的幾何處理能力，如空間查詢，空間處理，線性參考等優(yōu)勢，能保障在較大數(shù)據(jù)級別下的網(wǎng)絡分析效果更快更好。
　　
　　PostGIS早已奠定了最優(yōu)秀的開源空間數(shù)據(jù)庫地位，在新時代GIS中的應用將會越來越普遍。其實，網(wǎng)絡分析算法很多服務端語言如java，C#等雖能實現(xiàn)，但基于真實城市道路數(shù)據(jù)量較大且查詢分析操作步驟復雜與數(shù)據(jù)庫交互頻繁，以這類服務端頻繁訪問數(shù)據(jù)庫導致數(shù)據(jù)庫開銷壓力較大，分析較慢，故選擇PgRouting在數(shù)據(jù)庫內部實現(xiàn)算法，提升分析效率。最后，路徑分析不僅僅是最短路徑，在實際應用中還有最短耗時，最近距離，道路對車輛類型限制，道路對速度限制等因素，交通事故、市政事故導致的交通障礙點等問題，所有的問題本質其實是對路徑分析權重（Weight）的設置問題。

二 PgRounting安裝

windows安裝過程比較簡單，安裝PostgreSQL，PostGIS一直Next即可，安裝完自帶PgRouting擴展，這里主要以Centos7介紹安裝過程：

  1. 安裝PostgreSQL，參考 《Centos7安裝PostgreSQL》；
  2. 安裝PostGIS，PgRouting，具體安裝步驟參考《CentOS 7源碼安裝PostGIS(包含SFCGAL,PgRouting)》；

三 搭建網(wǎng)絡分析庫

3.1 創(chuàng)建測試數(shù)據(jù)庫

[root@localhost opt]# su - postgres
[postgres@localhost ~]$ psql
psql (9.6.1)
Type "help" for help.
postgres=# create database network;
CREATE DATABASE
postgres=# \c network
You are now connected to database "network" as user "postgres".
network=# create extension postgis;
CREATE EXTENSION
network=# create extension pgrouting;
CREATE EXTENSION

3.2 導入測試路網(wǎng)數(shù)據(jù)

PgRouting需要使用道路線型數(shù)據(jù)，建立道路連通性topo關系。由于路網(wǎng)分析的特殊性，只支持LineString類型，不支持MultiLineString類型。測試數(shù)據(jù)從OSM下載得來。

數(shù)據(jù)下載.png

　　一般下載shp，使用PostGIS自帶的shp2pgsql導入即可。其他格式可以使用osm2pgrouting工具，本文不做詳述。筆者下載后，將路網(wǎng)數(shù)據(jù)使用ArcMap只截取了南京市范圍內路網(wǎng)后，從epsg:4326轉換成了epsg:3857坐標系，然后導入數(shù)據(jù)庫，做測試數(shù)據(jù)。

[postgres@localhost ~]$ shp2pgsql -c -g geom -D -s 3857 -S -i -I /opt/roads.shp road | psql -d network
Shapefile type: Arc
Postgis type: LINESTRING[2]
SET
SET
BEGIN
CREATE TABLE
ALTER TABLE
                addgeometrycolumn                  
----------------------------------------------------
public.road.geom SRID:3857 TYPE:LINESTRING DIMS:2 
(1 row)

COPY 9731
CREATE INDEX
COMMIT
ANALYZE

關于shp2pgsql參數(shù)問題，參考http://www.lxweimin.com/p/1251fdc603ac。
　　注意：使用shp2pgsql工具，shp路徑不要太深，不要有中文。對于含有中文亂碼的，可使用-W gbk等轉碼。

3.3 創(chuàng)建網(wǎng)絡分析topo

PgRouting提供pgr_createTopology方法，對道路數(shù)據(jù)創(chuàng)建拓撲關系，比如單一線要素，建立與其連通的source,tartget連通點。詳細步驟如下：

#在network數(shù)據(jù)庫中對導入的road表建立source,target字段
network=# alter table road add column source int;
ALTER TABLE
network=# alter table road add column target int;
ALTER TABLE
#創(chuàng)建連通性topo
#road是表名稱，geom是該表的圖形字段名稱，gid是改變的主鍵id。
#一般我們使用shp2pgsql工具會自動創(chuàng)建gid為主鍵，geom為圖形。
#如果是自己其他形式建立的表，注意參數(shù)寫自己對應的字段
network=# SELECT pgr_createTopology('road', 0.00001, 'geom', 'gid');

正常情況下順利完成以上步驟。
　　由于在網(wǎng)絡分析中頻繁讀取source,target字段的topo關系值，為了提升查詢效率，需要對這兩個字段添加索引：

network=# create index road_source_idx on road("source");
network=# create index road_target_idx on road("target");

3.4 路網(wǎng)元數(shù)據(jù)說明

到此為止，全部數(shù)據(jù)準備工作已經完成了，查看本文用于測試路徑分析的數(shù)據(jù)描述如下：

network=# \d road
                                    Table "public.road"
  Column   |           Type            |                     Modifiers                      
-----------+---------------------------+----------------------------------------------------
 gid       | integer                   | not null default nextval('road_gid_seq'::regclass)
 direction | character varying(1)      | 
 roadname  | character varying(40)     | 
 oneway    | character varying(50)     | 
 geom      | geometry(LineString,3857) | 
 source    | integer                   | 
 target    | integer                   | 
Indexes:
    "road_pkey" PRIMARY KEY, btree (gid)
    "road_geom_idx" gist (geom)
    "road_source_idx" btree (source)
    "road_target_idx" btree (target)

由此看出，road表擁有主鍵索引，geom的gist索引，source，target節(jié)點處索引，還有一般性的道路名稱字段，比較重要的是direction和oneway字段（有一個即可），這兩個字段都是說明道路真實方向的。

direction oneway 含義
0,1 空值 道路雙向通行
2 FT 道路真實方向與數(shù)字化方向一致
3 TF 道路真實方向與數(shù)字化方向相反
4 N 道路禁止通行

3.5 通行成本權重設置

在算法中分為有向圖，無向圖，圖的path長度一般設置為權重，網(wǎng)絡分析中，具體到比如交通領域，也分為雙向通行道路，單向通行道路，交通事故導致的臨時交通阻塞無法通行（障礙點），不同等級道路對車輛類型限制，比如高架，高速只允許機動車，鄉(xiāng)間道路允許非機動車（條件限制因素），本節(jié)只是舉個例子說明下不同的條件下如何設置通行成本權重：

  • 雙向通行：
update road set length=st_length(geom),rev_length=st_length(geom) where oneway is null;
--采用真實地理距離是這樣：
update road set lenght=st_length(st_transform(geom),4326),true),rev_length=st_length((st_transform(geom),4326),true) where oneway is null;
  • 單向通行
#FT是道路方向與數(shù)字化方向一致，那么正向通行成本為道路長度，反向成本為正無窮（以極大值代替）
update road set length=st_length(geom),rev_length=99999999999 where oneway='FT';
update road set length=99999999999,rev_length=st_length(geom) where oneway='TF';
  • 障礙點
#假設gid=20的道路因事故，修路暫時不能通行
update road set lenght=99999999999,rev_length=99999999999 where gid=20;
  • 限制通行
    假設當前是一輛大貨車，通過有限高限重的道路，在為他做規(guī)劃時，先獲取車輛類型，再查詢road表中是否有對其限制的因素（以下純邏輯描述sql）
#假設道路表有字段restrict，該字段是array，記錄了不可通行的車輛類型
update road set lenght=99999999999,rev_length=99999999999 where 'lorry'=any(restrict);

四 路徑分析

言歸正傳，本文從入門角度只闡述最簡單的單向，雙向通行道路的例子，其他概不設置限制。

4.1 創(chuàng)建cost

alter table road add column length numeric;
alter table road add column rev_length numeric;
update road set length=ST_Length(ST_TransForm(geom,4326),true),rev_length=ST_Length(ST_TransForm(geom,4326),true) where oneway is null;
update road set length=st_length(ST_TransForm(geom,4326),true),rev_length=99999999999 where oneway='FT';
update road set length=99999999999,rev_length=st_length(ST_TransForm(geom,4326),true) where oneway='TF';

4.2 創(chuàng)建路徑分析方法

  • 單點到單點
    建立好網(wǎng)絡topo的數(shù)據(jù)一定會有source,target字段，這是表達線的走向和連通性的關系，一條線的target，是與它尾部相連的其他線的source。
--忽視道路方向，每條路正反都可以通行
SELECT * FROM pgr_dijkstra(
    'SELECT gid AS id,
         source,
         target,
         cost
        FROM roads',
    1060, 1661,
    directed := false);
--遵循道路真實方向，有的道路是單行道，如高速的一側，有的路是正反都可以通行，他們由cost,revcost決定的
SELECT * FROM pgr_dijkstra(
    'SELECT gid AS id,
         source,
         target,
         cost,rev_cost as reverse_cost 
        FROM roads',
    1060, 1661,
    directed := true);

所有的方法都有單-單，單-多，多-單，多- 多，詳細參考官方api

pgr_dijkstra(edges_sql, start_vid,  end_vid)
pgr_dijkstra(edges_sql, start_vid,  end_vid  [, directed])
pgr_dijkstra(edges_sql, start_vid,  end_vids [, directed])
pgr_dijkstra(edges_sql, start_vids, end_vid  [, directed])
pgr_dijkstra(edges_sql, start_vids, end_vids [, directed])

本例子上述使用的是：

--單-單，無方向
pgr_dijkstra(edges_sql, start_vid,  end_vid)
----單-單，有方向
pgr_dijkstra(edges_sql, start_vid,  end_vid, true)

更多其他使用，請具體參考官方api，本文的方向，障礙點，限制車輛類型，限制車輛速度等等僅提供輔助參考作用，本質上都僅僅是設置roads的cost和rev_cost參數(shù)而已。

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