Método para composição de dataset para Network Analyst - Arcmap Renato C. Ferreira de Souza a Veneza B. de Oliveirab Doralice B. Pereirac Heloisa S. De Moura Costad Waleska Teixeira Caiaffae (a: Universidade Federal de Minas Gerais, Escola de Arquitetura, Departamento de Projetos, Núcleo de Pós-Graduação em Arquitetura e Urbanismo. Belo Horizonte, MG/Brasil.
[email protected])
(b: Universidade Federal de Minas Gerais, Escola de Medicina, Programa de Pós-Graduação em Saúde Pública. Belo Horizonte, MG/Brasil.
[email protected])
(c: Universidade Federal de Minas Gerais, Departamento de Geografia, Programa de Pós-Graduação em Geografia. Belo Horizonte, MG/Brasil.
[email protected])
(d: Universidade Federal de Minas Gerais, Departamento de Geografia, Programa de Pós-Graduação em Geografia. Belo Horizonte, MG/Brasil.
[email protected])
(e: Universidade Federal de Minas Gerais, Escola de Medicina, Programa de Pós-Graduação em Saúde Pública. Belo Horizonte, MG/Brasil.
[email protected]) Palavras-chave Análise Espacial, Espaço urbano, Network analyst Resumo Explica em detalhe o método para criação de um dataset para network analyst em Arcmap (ESRI, 2016) Método Através da rede viária da cidade foram calculadas as rotas mais econômicas na delimitação das áreas de abrangência de cada UBS. Para sumarizar esse processo, detalham-se as 1
etapas a seguir, com a indicação dos comandos para o aplicativo ArcGIS Pro , extensão
Network Analyst. Tais comandos têm correspondentes bem similares em outros aplicativos, tais como o QGis e o MapInfo, e o detalhamento desse artigo sumariza o método e permite sua adaptação para outras plataformas de GIS.
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"ArcGIS Platform - Esri." 2005. 26 Dec. 2015
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Mapa das vias públicas
O mapa com a linha central (Centerline map) representando a rede viária do município de 2
BH foi obtido através do site OpenStreetMap (OSM), site do projeto colaborativo para a criação de um mapeamento gratuito e editável de todos os espaços urbanos. A vantagem do material oferecido por esse site gratuito é que, como se verá, os dados são atualizados a cada colaboração dos mapeadores, com qualidade compatível com o Network Analyst. É necessário fazer o download do mapeamento das vias de todo o Brasil com a extensão .shp e separar a área de interesse com o comando geoprocessing > clip utilizando um shape sobre a área. ●
Composição de banco de dados para a análise da rede de vias públicas
A seguir, esse mapa recebeu algumas informações adicionais para compor uma base de dados para o Network Analyst, indicando o tipo de cada segmento (ruas, rodovias, becos, etc.), a velocidade máxima permitida para os automóveis, e a declividade do segmento viário. Para que o módulo do Network Analyst funcionasse corretamente a rede foi dividida em
segmentos (polylines) conectadas por vértices, que representam as esquinas e demais junções (figura 4). Para tal divisão, utilizou-se o c enterline map como input para a sequência arctoolbox > data management tools > features > feature to line. O output foi uma layer com todas os segmentos divididos em suas interseções. Essa layer preservou todos os dados da tabela da l ayer centerline map.
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"OpenStreetMap Foundation Wiki." 2015. 4 Jan. 2016
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Figura 1:Todos os segmentos viários do Brasil, Figura 4: Split dos segmentos de vias Fonte: os autores. Dados OSM 2014
O cálculo da declividade média de cada segmento das vias usou o modelo de cálculo mostrado na figura 5. O mapa da centerline já ajustado teve cada um dos 49.885 segmentos de via dividido em 3 pontos (Start, Middle e End). A partir daí, ele foi o input para a seguinte sequência arctoolbox > data management tools > features > features vertices to points que gerou três camadas (layers), cada qual com os pontos do início, do meio e do fim dos segmentos. A seguir, utilizando o mapa com as feições das curvas de nível do município, foi criada uma
Figura 2:Model Builder ArcGis para determinação da declividade média das vias. Fonte: os autores.
rede irregular triangulada (TIN surface) e a partir dela, um raster representando a altimetria, numa superfície contínua. A seguir, o raster do mapa clinográfico foi produzido com a sequência arctoolbox > 3D analyst Tools > raster surface > slope. O valor da declividade de cada um dos 3 pontos de cada segmento foi calculado na sequência arctoolbox > spatial analyst tools > extraction > extract values to points utilizando-se as camadas (layers) dos pontos e o raster clinográfico como inputs. Por fim, os valores das tabelas foram juntados (join) e produziu-se como output um mapa das vias de
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todo município de Belo Horizonte contendo o valor da declividade para os 3 pontos de cada segmento. A figura 6 indica o processo descrito em três diferentes momentos.
Figura 3: a regularização dos a) segmentos, b) criação dos 3 pontos, c) sobreposição ao mapa de declividade. Fonte: os autores.
Uma vez incluída a informação dos 3 pontos na tabela da layer com a rede de segmentos de rua, mais uma coluna foi implementada, com o cálculo da média dos 3 pontos para cada um dos segmentos viários. ●
Implementação dos dados de impedância
A análise de redes viárias pode considerar pedestres e veículos. Para o primeiro caso, leva em conta a velocidade média da caminhada das pessoas, e diferentes velocidades conforme a declividade das vias, o sentido da caminhada (se subida ou descida) e a idade do pedestre. Para o segundo, caso leva em consideração as informações sobre a hierarquia das vias, o volume e o sentido do tráfego, o sentido das conversões e as velocidades máximas permitidas. O movimento peatonal foi considerado prioritário, considerando as características da avaliação do acesso às UBS pelos moradores. Igualmente, considerando a necessidade de facilitação do movimento de elementos da logística e, atendendo ao princípio de compartilhamento de recursos tecnológicos e de serviços especializados, os valores para o cálculo do tráfego motorizado também foram considerados. A seguir, explicam-se os elementos para o cálculo desses dois tipos de movimentos. A resistência oferecida aos pedestres e carros em seu trajeto é denominada “Impedância”. Conforme se mencionou, devem ser considerados valores médios para a velocidade das caminhadas sob influências diversas, desde a declividade e a idade dos pedestres, até a temperatura e densidade de pessoas nos passeios. Existem hoje muitas pesquisas relacionadas ao assunto (DAAMEN; HOOGENDOORN; BOVY, 2005; HOOGENDOORN; BOVY, 2002; HOOGENDOORN; BOVY; DAAMEN, 2002), sendo aqui foi adotada a Tabela 1, Gráfico 1, que relaciona declividade (x) e velocidade da caminhada (y). Os valores
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negativos referem-se à declividade em sentido descendente, e positivos, ascendente (BOVY, 1973).
Gráfico 1: Velocidade e declividade no movimento de pedestres. Fonte: BOVY, 1973
A tabela a seguir corresponde ao gráfico e relaciona a declividade em percentual e a velocidade em metros por minuto.
Declividade (%) -40 -30 -20 -10 0 10 20
Velocidade (m/min) 62 63 65 63 60 60 50
30
40
40
28
50
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Tabela 1: Declividade e Velocidade determinados empiricamente por Bovy.
Para os automóveis, a tabela dos segmentos viários recebeu dados que armazenam a informação acerca do sentido dos veículos. O ArcGIS 10.2 considera o sentido do processo de desenho dos segmentos viários, ou seja, importa se eles são desenhados com o mesmo sentido ou não das mãos das vias reais. Considerando os dois desenhos digitalizados das vias da figura 7, onde as setas em vermelho indicam como as vias foram desenhadas e, as
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setas em verde indicam o sentido das vias reais,
em ambas as digitalizações há a
necessidade de criação de uma variável (denominada OneWay) para armazenar o sentido das vias na tabela da respectiva camada (layer). Na figura 7a, o sentido de desenho de uma das vias não corresponde ao sentido do tráfego real. Quando isso acontece, ou seja, quando a digitalização não foi feita com a preocupação de registrar o sentido do tráfego, recorre-se à atribuição dos sinais FT (From-To), TF (To-From) e B (Both) para a variável OneWay, A via não correspondente ao real será assinalada como OneWay=TF, que indica o sentido da seta verde, sentido real. Na figura 7a, portanto, a via de mão dupla é anotada com OneWay=B. Já na figura 7b, as vias foram digitalizadas nos sentidos do tráfego real, marcados pelas setas verdes. Dessa maneira, a variável OneWay pode ser anotada com valores 0 e 1, indicando mão dupla ou sentido único, respectivamente. Um script em Visual Basic é necessário, em ambos os casos, para parametrizar o estudo de movimentos através da variável OneWay. A vantagem da adoção 3
do mapa de vias a partir do OSM é que nele a variável OneWay já se encontra desenhada como na figura 7b e é sempre atualizada com o sentido real das vias, simplificando o script, como se verá.
a)
b) Figura 7 a e b: variável OneWay em notações diferentes.
As informações sobre o sentido das vias foram suficientes para finalizar o conjunto de dados do mapa de segmentos de vias, e foi possível avançar com a análise de rede através do aplicativo ArcGIS. Aquele software utiliza algoritmos matemáticos disponíveis no módulo de 4
geoprocessamento Network Analyst , os quais são baseados no algoritmo clássico de Dijkstra (SKIENA, 1990) permitindo o cálculo da rota de menor impedância (custo) entre um ponto e outro, no interior de uma rede.
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"OpenStreetMap." 2010. 6 Jan. 2016 "ArcGIS Platform - Esri." 2005. 26 Dec. 2015
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Regras para cálculo de rotas
O algoritmo de Dijkstra foi utilizado em um grande número de problemas a partir de 1956, quando foi concebido pelo cientista da computação Edsger Dijkstra e revelou-se uma formulação lógica e inovadora em diversos campos. No Desenho Urbano, tornou possível várias análises sobre a acessibilidade, sendo incorporado em aplicativos contemporâneos (STEINITZ, 2012), como o Arcgis. Por essa razão, e na intenção de elucidar o método e operações aqui adotados, importa revisar o seu raciocínio para compreender conceitos fundamentais. Descreve-se, a seguir, a partir da figura 8, uma sequência lógica onde são apresentados 7 vértices (A, B, C, D, E, F, e G) conectados por segmentos que possuem a impedância especificada, a saber, AB=4, AC=3, AE=7 e assim por diante. O vértice A foi marcado de vermelho e significa que é a origem.
Figura 8: Estado inicial: pretende-se calcular o trajeto de A até F, com o menor custo
Cada vértice apresenta sobre ele um sumário do custo do trajeto realizado desde a origem, sendo zero para A e infinito para os demais vértices ainda não visitados. O vértice F representa o destino a que se pretende chegar, com o menor custo possível. Inicialmente testa-se o movimento de saída do vértice A a todos os vértices vizinhos (B, C e E), somando-se o custo do vértice A, que é zero, às impedâncias dos segmentos para B, C e E. Os valores calculados são 4, 3 e 7, que são menores que infinito e devidamente armazenados nos respectivos vértices de chegada. A seguir, inicia-se o teste de distância a partir do vértice de menor valor armazenado, no caso, o vértice C (Figura 9). 7
Figura 9: teste do vértice C
O resultado do cálculo da impedância de C para B foi 9, e como é maior que o resultado armazenado, será desconsiderado. Essa regra é adotada na sequência seguinte, ou seja, toda a vez que a impedância for maior que o valor armazenado no vértice de chegada, então o menor valor será armazenado O teste inicia-se pelo vértice vizinho de menor custo. Dessa forma, o resultado de C para D, que armazenou 14, na figura anterior é substituído pelo valor do custo de B para D, que é 9 (figura 10). Portanto, o caminho passando por C é desconsiderado.
Figura 10: teste do vértice B
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Inicia-se, então, o teste a partir do vértice vizinho de menor custo, ou seja, o vértice E.
Figura 11: teste do vértice E
Figura 12: teste do vértice D
O vértice D corresponde ao menor custo, e é o próximo a ser testado. De D para F atingimos o destino F com o valor 11 e de D para G o valor foi 19, maior que 12, portanto, desconsiderado. Resta o teste de G para F, que resulta em 15, preservando-se o valor anterior e confirmando-se o trajeto por A, B, D e F cujo valor final 11 reflete o somatório dos segmentos AB+BD+DF=4+5+2.
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Figura 13: caminho com menor custo: A, B, D e F com o custo de 11
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Raciocínio para a criação da rede para automóveis
A etapa final consistiu na criação de duas redes, a partir da camada (layer) das vias implementadas com as informações anteriores, uma para análise dos movimentos de automóveis e outra para pedestres. Como se explicou anteriormente, foi também necessário um script para reconhecer a sinalização de sentido das ruas da cidade, no caso da análise da rede para automóveis. Igualmente a rede para análise do movimento de pedestres necessitou de um script relacionando os dados de velocidade e a declividade dos passeios, como se mencionou anteriormente. A inserção desse script foi feita na criação do DataSetNetwork, conforme a figura 14.
Figura 14: Atributos para avaliação das regras do modelo matemático construído para os automóveis.
Os seguintes scripts foram adotados para o atributo O neway: Na direção From-To: 1 restricted=false
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2 If [type]="footway" or [type] ="construction" or [type] ="cycleway" or [type] ="living_street" or [type] = "motorway" or [type] = "motorway_link" or [type] = "path" or [type] = "pedestrian" or [type] = "planned" or [type] = "proposed" or [type] = "raceway" or [type] = "service" or [type] = "steps" then 3 restricted=true 4 end if Value=restriced
Adotando-se o mapa de vias do OpenStreetMap, não é necessário restringir o movimento no sentido da digitação dos segmentos, ou seja, o sentido From-To será sempre sem restrição. O mesmo ocorre para a condição de mão dupla anotada na variável OneWay como zero. A condição If-Then na linha 2 restringe o teste em vias que não sejam pistas para automóveis. Na direção To-From, o script foi: 1 restricted=false 2 If [oneway]=1 then 3 restricted=true 4 end if 5 If [type]="footway" or [type] ="construction" or [type] ="cycleway" or [type] ="living_street" or [type] = "motorway" or [type] = "motorway_link" or [type] = "path" or [type] = "pedestrian" or [type] = "planned" or [type] = "proposed" or [type] = "raceway" or [type] = "service" or [type] = "steps" then 6 restricted=true 7 end if Value=restriced
Utilizando a variável OneWay obtida do OpenStreetMap, ela restringirá o acesso pelo segmento quando assumir o valor 1.
Figura 15: Variável OneWay sobre as centerlines vermelhas indicando com setas vermelhas o sentido da digitalização. Setas pretas indicam o sentido real das vias.
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Raciocínio para a criação da rede para pedestres
Nesse caso, os scripts adotados foram, From-To: If [Inicio]01020=30=40=01020=30=
