Digitálny model cestnej a železničnej siete Slovenska

Ako vznikol digitálny model cestnej a železničnej siete Slovenska

Katedra dopravných sietí sa od svojho vzniku venuje optimalizácii dopravných procesov. Každý dopravný proces prebieha na dopravnej sieti. Pokrok vo vývoji výpočtovej techniky v poslednom desaťročí minulého storočia umožnil riešiť aj rozsiahle optimalizačné problémy, ktoré zahrnovali obrovské množstvo vstupných údajov. Úsilie, ktoré sa venovalo vývoju efektívnych algoritmov, bolo brzdené skutočnosťou, že neexistovali údaje o reálnej dopravnej sieti v digitálnej podobe. Pri overovaní algoritmov sa vstupné údaje obvykle generovali náhodne, alebo sa algoritmy testovali na menších sieťach. V roku 1997 Vojenský kartografický ústav v Harmanci, najvýznamnejší vydavateľ máp na Slovensku, ešte len uvažoval o tvorbe digitálnej cestnej siete. Slovenská správa ciest, ktorá cestnú sieť v digitálnej podobe mala, nám ju nebola ochotná poskytnúť. Napokon sa nám podarilo zakúpiť digitálnu cestnú sieť od firmy Aurex s.r.o., ktorej kvalita asi zodpovedala cene, ale nie našim požiadavkám. Najzávažnejším nedostatkom týchto dát bolo, že v cestnej sieti neboli vyznačené uzly (obce a križovatky), a preto sa z nej nedalo vyčítať, odkiaľ kam daný úsek cesty vedie. Naviac pri úsekoch nebola evidovaná ich dĺžka. Preto sme v roku 1997 pristúpili k tvorbe digitálneho modelu cestnej a železničnej siete vlastnými silami. Našim cieľom pritom nebola ani tak geografická vernosť siete, ako presné určenie topologických súvislostí, ktoré nám chýbali v sieti od Aurexu.

Podkladom pre zhotovenie modelu bol autoatlas Slovenskej republiky v mierke 1:200 000 [1]. Autoatlas bol zoskenovaný po jednotlivých listoch s rozlíšením 300 dpi. Ďalším krokom bola vektorizácia cestnej a železničnej siete. Pri vektorizácii sa množina bodov tvoriacich obraz nejakého objektu (v našom prípade obce, križovatky, cesty alebo železničnej trate) nahradí jedným bodom, úsečkou alebo lomenou čiarou. Pri bode si zapamätáme jeho rovinné súradnice, pri úsečke evidujeme súradnice jej koncových bodov, pri lomenej čiare súradnice jej koncových bodov a bodov zlomu. Súčasťou procesu vektorizácie je zapísanie atribútov pre daný objekt, ktoré možno vyčítať z mapy, napr. názvov obcí, dĺžok úsekov cestnej siete a pod. Nástroj na vektorizáciu poskytuje každý geografický informačný systém (GIS). Na našej fakulte sa na výskum a výučbu GIS používa systém IDRISI, ktorý od roku 1987 vyvíja Graduate School of Geography na Clarkovej univerzite v USA. Hoci je IDRISI nekomerčným produktom, predstavuje profesionálny nástroj pre geografický výskum a spracovanie obrazu. Je zameraný na spracovanie údajov v rastrovom formáte. Hoci obsahuje modul pre vektorizáciu, jeho ovládanie je ťažkopádne. Preto sme vyvinuli vlastný softvér s názvom EVA. EVA produkuje vektorové súbory v rovnakom formáte, ako využíva IDRISI. Tento formát popíšem v kapitole Štruktúra súborov.

Výsledkom vektorizácie bolo toľko súborov vektorových a atribútových dát, koľko bolo listov v autoatlase. Spojením dát do jedného celku sme získali cestnú a železničnú sieť pre celé Slovensko.

Prvá verzia digitálneho modelu cestnej siete bola hotová v roku 1998, železničná sieť sa dokončila o rok neskôr. Cestná sieť sa hneď začala používať vo výučbe operačnej analýzy a v predmetoch Komunikačné systémy a Programovanie metód operačnej analýzy. V semestrálnych prácach sa dnes nemusia študenti trápiť so zbieraním vstupných údajov o dopravnej sieti, ale môžu sa sústrediť na riešenie optimalizačného problému. V oblasti výskumu sme cestnú sieť použili v štúdii, ktorá sa zaoberala návrhom nového územnosprávneho členenia Slovenska, ktoré by bolo optimálne z hľadiska dopravnej dostupnosti správnych centier [2, 5, 6, 7]. Cestnú sieť Žilinského kraja sme využili pri riešení výskumnej úlohy číslo C519/2 „Model komunikačnej obsluhy územnosprávneho celku – kraja“ [3, 4].

Digitálny model železničnej siete je súčasťou programového systému pre podporu rozhodovania v nákladnej železničnej doprave. Programový systém sme vyvinuli na našej katedre v roku 2001 pre GR ŽSR v rámci projektu „Programové riešenie pre optimalizáciu riadenia prepravnej práce“.

Údaje o sieti

Údaje o cestnej a železničnej sieti sú uložené v samostatných súboroch. Každá sieť pozostáva z dvoch vrstiev – uzlov a úsekov.

Uzlami cestnej siete sú obce a križovatky ciest. Atribúty majú len obce. Atribútmi sú:

· názov obce,

· počet obyvateľov,

· pošta,

· poštové smerové číslo.

Úseky cestnej siete sú reprezentované lomenými čiarami. Ich atribútmi sú:

· dĺžka,

· trieda cesty.

Dĺžku, rovnako ako triedu cesty sme vyčítali z autoatlasu. Dĺžka je zadaná v kilometroch s presnosťou na 0,5 km.

Uzlami železničnej siete sú železničné stanice a križovatky tratí. Atribútmi sú:

· kilometrická poloha na trati,

· názov železničnej stanice podľa predpisu SR-70, ak je uzlom železničná stanica,

· číslo stanice podľa predpisu SR-70, ak je uzlom železničná stanica.

Kilometrickú polohu na trati sme vyčítali z mapy východnej dráhy. Je udaná v kilometroch s presnosťou na 0,1 km. Pre niektoré križovatky ich poloha nebola uvedená, v tomto prípade uzol nemá žiadny atribút.

Úseky železničnej siete sú tiež uložené ako lomené čiary. Ich atribútmi sú:

· dĺžka,

· číslo vlakového úseku, ku ktorému daný úsek železničnej siete patrí,

· priemerná rýchlosť priebežných nákladných vlakov na tomto úseku.

Dĺžku úseku sme vypočítali ako rozdiel kilometrickej polohy jeho koncových uzlov. Je udaná v kilometroch s presnosťou na 0,1 km. V prípade, že kilometrická poloha nebola známa, dĺžku úseku sme odhadli. Čísla vlakových úsekov sme zadávali podľa databázy, ktorá nám bola poskytnutá Generálnym riaditeľstvom ŽSR. Z GR ŽSR nám poskytli aj Plán radenia nákladných vlakov platný od 10. júna 2001, z ktorého sme určili priemernú rýchlosť priebežných nákladných vlakov na danom úseku. Priemerná rýchlosť je udaná v kilometroch za hodinu s presnosťou 0,01 km/h.

Štruktúra súborov

Štruktúra vektorových súborov

Vektorové údaje o cestnej sieti sú uložené v súboroch SR_uzly.vec a SR_cesty.vec, údaje o železničnej sieti sú v súboroch ZSR_stanice.vec a ZSR_trate.vec. Sú to textové súbory, ktorých obsah možno prezerať a v prípade potreby aj ručne upravovať v ľubovoľnom textovom editore, ktorý text neformátuje. Na obr. 1 vidíme príklad vektorového súboru, ktorý obsahuje údaje o uzloch siete, na obr. 2 je potom príklad súboru obsahujúceho vektorové údaje o úsekoch siete. V poznámkach pod čiarou je vysvetlený význam údajov.

Obr. 1. Súbor obsahujúci vektorové údaje o uzloch siete

Obr. 2. Súbor obsahujúci vektorové údaje o úsekoch siete

Pre správne zobrazenie vektorových vrstiev v programe IDRISI musí pre každý vektorový súbor existovať popisný súbor s rovnakým menom a príponou .dvc. Je to krátky textový súbor, ktorý popisuje vektorovú vrstvu. Udáva napríklad súradnicovú sústavu, typ objektov vektorovej vrstvy (point, line, polyline alebo polygon), najmenšiu a najväčšiu hodnotu súradníc. Príklad popisného súboru pre uzly siete vidíme na obr. 3.

Obr. 3. Popisný súbor k vektorovému súboru obsahujúcemu údaje o uzloch siete

Na obr. 4 a 5 je znázornená cestná a železničná sieť Slovenska nakreslená v programe IDRISI.

Obr. 4. Cestná sieť Slovenska

Obr. 5. Železničná sieť Slovenska

Štruktúra atribútových súborov

Atribúty sú uložené v excelovských súboroch SR_uzly.xls, SR_cesty.xls, ZSR_stanice.xls a ZSR_trate.xls. Z týchto tabuliek možno ľahko vyexportovať ľubovoľné atribúty do atribútových súborov pre program EVA. Atribútové súbory, sú textové súbory, ktoré obsahujú atribúty objektov vektorovej vrstvy. Majú rovnaké meno ako príslušný vektorový súbor a príponu .atr. Každý objekt vektorovej vrstvy má v atribútovom súbore samostatný riadok. Riadok obsahuje identifikačné číslo objektu a jeho atribúty. Kvôli prehľadnosti je vhodné zobrazovať naraz len jeden atribút, napr. pri úsekoch siete len ich dĺžku. Príklad atribútového súboru je na obr. 6. Atribúty možno tiež načítať do databázového prostredia vo vnútri programu IDRISI. V databázovom prostredí možno na základe atribútov vyhľadávať objekty podľa zvoleného kritéria, zobrazovať vybrané objekty a vykonávať ďalšie operácie bežné pre databázy.

Obr. 6. Atribútový súbor obsahujúci dĺžky úsekov cestnej siete

Literatúra

[1] Autoatlas Slovenská republika. Vydal VKÚ š.p., Harmanec, 1995. ISBN 80-85510-56-1.

[2] Cenek, P., Janáček, J., Jánošíková, Ľ.: Optimalizace státní správy a územněsprávního členění. Sborník prací a studií Pardubické university, 1999. str. 49-54. ISBN 80-7194-232-4.

[3] Cenek, P., Janáček, J., Jánošíková, Ľ.: Location of transportation districts at modelling of transportation processes in a region. In: Komunikácie, č. 2002. vyd. ŽU v Žiline, 2002. str.. ISSN 1335-4205.

[4] Cenek, P., Jánošíková, Ľ.: Model dopravnej obsluhy regiónu. In: Horizonty dopravy 1/2000. vyd. VÚD Žilina, 2000. str. 10–12. ISSN 1210-0978.

[5] Janáček, J.: Tvorba dopravně optimálních regionů. In: Zborník medzinárodnej vedeckej konferencie Riadenie a informatika v novom tisícročí, Fakulta riadenia a informatiky, Žilinská univerzita v Žiline. vyd. ŽU v Žiline, 2000. str. 301-307.

[6] Janáček, J.: Tvorba regionů a výběr regionálních center. In: Sborník příspěvků z mezinárodní konference Public Administration 2000, Univerzita Pardubice, Fakulta ekonomicko-správní. Vyd. niverzita Pardubice, 2000. str. 81-85.

[7] Janáček, J., Jánošíková, Ľ.: Higher territorial units and transportation accessibility of their centres. In: Komunikácie, č. 2002. vyd. ŽU v Žiline, 2002. str. ISSN 1335-4205.

[8] The Global Land One-kilometer Base Elevation (GLOBE) Digital Elevation Model, Version 1.0. National Oceanic and Atmospheric Administration, National Geophysical Data Center, 325 Broadway, Boulder, Colorado 80303, U.S.A. Digital data base on the World Wide Web (URL: http://www.ngdc.noaa.gov/seg/topo/globe.shtml)

[9] Víglaský, P.: Automatická vektorizácia a modelovanie terénu. Diplomová práca. Žilinská univerzita, Fakulta riadenia a informatiky, reg. č. 15/2000-R.