CostMAP：开发成本表的开源软件包

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英文标题：
《CostMAP: An open-source software package for developing cost surfaces》
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作者：
Brendan Hoover, Richard S. Middleton, and Sean Yaw
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最新提交年份：
2019
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英文摘要：
  Cost Surfaces are a quantitative means of assigning social, environmental, and engineering costs that impact movement across landscapes. Cost surfaces are a crucial aspect of route optimization and least cost path (LCP) calculations and are used in a wide range of disciplines including computer science, landscape ecology, and energy infrastructure modeling. Linear features present a key weakness to traditional routing calculations along costs surfaces because they cannot identify whether moving from a cell to its adjacent neighbors constitutes crossing a linear barrier (increased cost) or following a corridor (reduced cost). Following and avoiding linear features can drastically change predicted routes. In this paper, we introduce an approach to address this \"adjacency\" issue using a search kernel that identifies these critical barriers and corridors. We have built this approach into a new Java-based open-source software package called CostMAP (cost surface multi-layer aggregation program), which calculates cost surfaces and cost networks using the search kernel. CostMAP not only includes the new adjacency capability, it is also a versatile multi-platform package that allows users to input multiple GIS data layers and to set weights and rules for developing a weighted-cost network. We compare CostMAP performance with traditional cost surface approaches and show significant performance gains, both following corridors and avoiding barriers, using examples in a movement ecology framework and pipeline routing for carbon capture, and storage (CCS). We also demonstrate that the new software can straightforwardly calculate cost surfaces on a national scale.
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中文摘要：
成本面是分配社会、环境和工程成本的一种定量方法，这些成本会影响整个景观的移动。成本面是路线优化和最小成本路径（LCP）计算的一个重要方面，广泛应用于计算机科学、景观生态学和能源基础设施建模等学科。线性特征是沿成本曲面进行传统布线计算的一个关键弱点，因为它们无法确定从单元移动到相邻单元是构成跨越线性屏障（成本增加）还是沿着走廊（成本减少）。遵循和避免线性特征可以极大地改变预测的路线。在本文中，我们介绍了一种方法来解决这个“邻接”问题，使用一个搜索内核来识别这些关键障碍和走廊。我们已经将这种方法构建到一个新的基于Java的开源软件包CostMAP（cost surface multi-layer aggregation program）中，该软件包使用搜索内核计算成本曲面和成本网络。CostMAP不仅包括新的邻接功能，它还是一个多功能的多平台软件包，允许用户输入多个GIS数据层，并为开发加权成本网络设置权重和规则。我们将CostMAP性能与传统的成本面方法进行了比较，并通过运动生态学框架和碳捕获与储存（CCS）管道路由中的示例，展示了在遵循走廊和避免障碍方面的显著性能增益。我们还证明，新软件可以在全国范围内直接计算成本面。
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分类信息：

一级分类：Physics        物理学
二级分类：Physics and Society        物理学与社会
分类描述：Structure, dynamics and collective behavior of societies and groups (human or otherwise). Quantitative analysis of social networks and other complex networks. Physics and engineering of infrastructure and systems of broad societal impact (e.g., energy grids, transportation networks).
社会和团体（人类或其他）的结构、动态和集体行为。社会网络和其他复杂网络的定量分析。具有广泛社会影响的基础设施和系统（如能源网、运输网络）的物理和工程。
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一级分类：Economics        经济学
二级分类：General Economics        一般经济学
分类描述：General methodological, applied, and empirical contributions to economics.
对经济学的一般方法、应用和经验贡献。
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一级分类：Quantitative Finance        数量金融学
二级分类：Economics        经济学
分类描述：q-fin.EC is an alias for econ.GN. Economics, including micro and macro economics, international economics, theory of the firm, labor economics, and other economic topics outside finance
q-fin.ec是econ.gn的别名。经济学，包括微观和宏观经济学、国际经济学、企业理论、劳动经济学和其他金融以外的经济专题
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PDF下载：
--> CostMAP:_An_open-source_software_package_for_developing_cost_surfaces.pdf (1.19 MB)

2022-6-24 05:20:03 上传

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关键词：Cost 开源软件 STM Map cos

CostMAP：开发成本表面的开源软件包Brendan Hoover地球与环境科学洛斯阿拉莫斯国家实验室Richard S.Middleton地球与环境科学洛斯阿拉莫斯国家实验室Sean Yaw Gianforte计算学院蒙大拿州立大学2019年3月27日抽象成本表面是分配社会、环境、，以及影响景观移动的工程成本。成本面是路线优化和最小成本路径（LCP）计算的一个重要方面，广泛应用于计算机科学、景观生态学和能源基础设施建模等学科。线性特征是沿成本曲面进行传统布线计算的一个关键弱点，因为它们无法确定从单元移动到相邻单元是构成跨越线性屏障（成本增加）还是沿着走廊（成本减少）。遵循和避免线性特征可以极大地改变预测的路线。在本文中，我们介绍了一种方法来解决这个邻接问题，使用一个搜索内核来识别这些关键障碍和走廊。我们已经将这种方法构建到一个新的基于Java的开源软件包CostMAP（成本表面多层聚合程序）中，该软件包使用搜索内核计算成本表面和成本网络。CostMAP不仅包括新的“邻接”功能，它还是一个多功能的多平台软件包，允许用户输入多个GIS数据层，并为开发加权成本网络设置权重和规则。

我们将CostMAP性能与传统的成本面方法进行了比较，并通过运动生态学框架和碳捕获和储存（CCS）管道路由中的示例，展示了在遵循走廊和避免障碍方面的显著性能增益。我们还证明，新软件可以在全国范围内直接计算成本面。关键词：成本地图、GIS；成本面；运动生态学，碳捕获和储存，贝尔德的Tapir。1简介在本文中，我们提出了一种新的多尺度方法，用于确定包含线要素的相邻光栅单元是否在成本曲面中充当屏障或走廊。我们通过两个具有代表性的案例研究野生动物迁徙生态学和CCS基础设施来展示我们的新方法。首先，我们说明了一个运动生态学框架，因为生物真实的成本曲面对于建模和理解动物运动至关重要（Sawyer、Epps和Brashares，2011）。其次，我们证明，现实的成本网络可以极大地改善商业规模CCS的基础设施决策，包括基础管道路由，以及在何处捕获和储存CO2的决策。作为本研究的一部分，我们还介绍了一种开源软件，称为Cost Surface多层聚合计划（CostMAP），该软件利用我们的多尺度方法直接灵活地权衡多个地理特征，并将线性特征合并为屏障或走廊。CostMAP是一个灵活的、多平台的开源软件包，用于计算加权成本曲面和加权成本网络。成本面是可以在任何地理信息系统（GIS）软件中使用的光栅图像。

成本网络是一个包含每个单元之间移动成本的文件，可以在python或R等脚本语言中使用，并由SimCCS2.0使用，SimCCS2.0是一个经济工程框架，旨在寻找碳捕获和存储（CCS）的最佳网络解决方案（Middleton et al.2018，Middleton and Bielicki 2009）。基于Java的CostMAP在Mac、Linux和Windows操作系统中运行，可以作为独立产品或SimCCS2.0的一部分提供。CostMAP生成的成本面和成本网络可用于多种方式，如选址设施，但最初设计用于最小成本路径（LCP）分析。许多不同的地理特征或属性，如地形、土地覆盖、土地所有权和人口密度，是确定LCP的基本变量（Miller 2004）。通常，GIS程序（如GRASS、QGIS或ArcMap/ArcGIS Pro）将成本计算为地理和社会因素的总和。CostMAP考虑了类似的因素，但使用了累加、二进制选择和比例加权的组合。例如，土地覆盖权重在人口密度的某些阈值下被覆盖。CostMAP还包括一种新的变革性方法，用于整合屏障（如河流和道路）和走廊（如现有路权）。将线性特征作为屏障或走廊进行权衡的能力显著提高了成本准确性，并且比通常使用传统方法能够更真实地预测路线。

CostMAP中道路的改进表示本质上允许用户在单个曲面内表示现有二维矢量网络（现有道路，如管道）以及识别新的低成本路线（如果更便宜，新管道将使用现有行），在确定包含河流、道路或管道等线要素的单元是否构成屏障、走廊或两者兼而有之时，需要解决在任意点（Choi at al）进入和离开2D网络等问题。在成本曲面上应用权重的一个关键未解决挑战。当细胞之间的移动仅限于具有相同分辨率的相邻细胞时，就会出现这种挑战。当一个单元同时包含屏障和道路时，“从单元”和“到单元”连接实际上定义了路线是跨越屏障还是利用道路。例如，在图1中，可以从单元B的质心相邻移动到单元C的质心，而无需穿越河流，但GIS中的传统成本面计算将权衡单元之间的移动，就像河流被穿越两次一样（Fera 2007）。同样，B区和E区之间的相邻运动可能会得到河流走廊的帮助，而a区和B区之间的相邻运动则不会。2背景2.1最低成本路径LCP分析为许多社会和科学问题提供了重要见解。例如，LCP分析可以找到运输、管道、输电线路和信息技术的路线。LCP分析在开发大规模CCS管道和其他基础设施方面也有助于缓解气候变化（Middleton等人，2018年，Middleton和Bielicki，2009年）；这是我们的两个案例研究之一。

生态学家利用LCP了解基因流、生物多样性（Urban和Keitt 2001），以及动物如何利用其景观（Sawyer等人，2011）；这是我们第二个案例研究的基础。为了了解历史贸易路线和城市结构，人类学家经常利用LCP分析（Bicho、Cascalheira和Goncalves图1：两个单元格包含一条河流时邻接问题的说明。河流进入所有六个单元格，但一些单元格仍然相连，如单元格B和E，无需穿过河流。2017年）。LCP分析已被用于寻找减少城市拥堵的解决方案（Wen、Chatay和Eglese，2014年）。甚至旅游业也可以利用LCP来确定风景线或隐藏路线的最佳旅游路线（Stucky 1998）。欧几里德距离定义了同质空间中点对之间的最短路径，但异质空间中的最短路径，如交通网络或环境景观，是由距离以及地理和社会因素定义的。图论是分析点对象成对关系的一个数学分支，已成功用于寻找最短路径，以解释欧几里得距离以外的因素（Evans 2017）。例如，图论已广泛应用于各种与最大化布线和流量效率有关的学科，如计算机科学、城市规划和景观生态学（urban和Keitt 2001）。图论算法通过最小化连接线（称为边）的权重来计算顶点或节点之间的最短路径。已经开发了数百种算法来解决最短路径问题（Deo和Pang 1984），但在GIS应用中使用最广泛的是Dijkstra的最短路径算法（Dijkstra 1959）。

Dijkstra的算法解决了边加权图上的最短路径问题，其中所有边权重都是非负的。Dijkstra的算法利用广度优先搜索来探索图中的所有相邻节点，然后再移动到非相邻节点（Evans 2017）。给定图G=（V，E）和源顶点s，广度优先搜索将探索G中的所有边，以发现从s可到达的所有顶点。最短路径对应于累积边的最小权重（Cormen et al.2009）。在GIScience中，图形中的边权重通常通过基于光栅的累积成本曲面计算，该曲面通过结合社会和环境因素量化跨网格单元移动的成本。除了这些累积的环境和社会因素外，最优的最小成本路径也可以解释节点对之间的最小距离。对于光栅，距离和角度在整个图形中通常是一致的，这使得基于光栅的图形成为一种特例（Hopkins 1973）。光栅成本曲面中每个单元的中心定义为一个节点，两个节点之间的线段定义为边（例如Huber和Church 1985）。一个逐步过程计算边权重，作为通过rook或bishop内核（根据棋子的运动命名）从一个单元格移动到另一个单元格的成本。rook和bishop的运动在计算上都是非密集型的，但会产生称为邻近变形的非自然阶梯路径，因为单元之间的运动仅限于相邻单元（Huber和Church，1985）。皇后核（图2）是rook运动和bishop运动的组合，是计算速度和邻近失真的折衷，是GIScience中最常用的，但仍然受到细胞邻接限制的影响。

当使用皇后核时，如果相邻单元包含道路等线性特征，则标准程序是增加该单元的成本，无论是否已越过障碍。真实世界的插图说明了更准确地称量电池屏障的重要性。例如，当狼因为汽车而穿越公路时，死亡风险会增加（Merrill和Mech 2000），但当狼沿着或靠近其边缘捕猎时，公路也可以帮助狼移动（Whittington et al.2011）。同样，在建设管道基础设施时，道路可以充当屏障和走廊（在包括法定名称的运输基础设施术语中称为地役权或路权（ROW））。在道路下方修建管道穿越障碍物的成本要高得多，但沿道路修建管道的成本要低得多，因为修建道路红线的许多成本（例如获得土地权、平整地形）都是在道路施工期间产生的。ROW的地役权还加强了施工期间和施工后管道的使用权（Lugschitz 2017）。提高屏障和走廊权重计算的准确性将提高累积成本曲面及其支持的结论的准确性。（a） 成本因素（b）分配成本（c）边缘权重图2。

通过皇后核分配边缘成本的图示：（a）显示了建筑、环境和社会因素累积成本的输入值；（b） 这些因素即为分配成本；（c） 根据距离和指定的成本计算边缘权重。2.2 CostMAP为了实现搜索内核，我们开发了一个名为成本面多层聚合程序（CostMAP）的软件程序，该程序通过用户界面的输入构建加权成本面和加权成本网络。CostMAP包括土地覆盖、坡度、坡向、人口密度、受保护土地、河流、公路、铁路和管网的预处理默认数据和权重，但允许用户使用自己的数据并以不同方式对这些因素进行权重。用户可以使用少于默认层数的层，也可以指定完全额外的层。如果用户拥有不公开的数据，如土地价值或输电线路，这将特别有用。此外，CostMAP的开源特性意味着用户甚至可以编辑代码以适应新情况。最终，CostMAP旨在提高屏障和走廊的准确性，同时通过灵活的软件方法加强科学研究。为了准确识别障碍物和道路，搜索内核首先检查单元是否包含线性特征（如河流或道路），然后使用更精细的比例光栅仔细检查实际的交叉口或道路。如果单元的任何部分是屏障或走廊（无论实际是否存在屏障或走廊），现有的方法通常仅限于作为交叉口或屏障的单元，并且不能将单元同时作为屏障和走廊。我们将粗比例尺光栅中的单元称为“主要单元”，将细比例尺光栅中的单元称为“次要单元”。

对于屏障，挑战在于识别哪些主要单元连接在一起，而不必穿过次要单元中存在的线条特征。主要单元格包含基于次要单元格内线性特征配置的交叉。图3显示了六个主要光栅单元和一条穿过每个主要单元的单线要素（河流）。在传统的成本面方法中，所有六个单元都将被确定为交叉点，因为河流出现在每个单元中。此外，在10个可能的内部邻接（以及所有外部链接）之间移动将招致交叉惩罚。然而，图3a显示，在十个内部邻接处（即主要单元A到F之间），可以连接五个相邻单元，而无需穿过河流。这些是在CostMAP中创建和实施的规则，其中包含两个相邻主要单元内的次要单元之间可能发生交叉的所有可能情况（图3a）。因此，与传统方法不同，我们的新方法不会高估壁垒带来的成本。而且，在障碍完全禁止的情况下，CostMAP能够找到其他方法无法识别的可行路线。同样的原则被应用于创建一组规则，以确定哪些主要单元可以连接为潜在的移动走廊（图3b）。现有行可以显著降低成本并提高连接性，因此，在使用成本曲面进行最低成本路由时，识别这些行至关重要。与屏障示例类似，图3b中的所有六个主要单元都包含管道和/或道路行。在传统的成本面方法中，所有十个可能的内部邻接都将被视为一个走廊连接，因此其权重会不切实际地减少。