成本表面和最小成本路径的R软件包

≥≥ ≥ ≥ ≥≥≥软件X 10（2019）100331原始软件出版物movecost：一个R软件包，用于计算累积的斜率相关的各向异性成本曲面和最小成本路径詹马尔科·阿尔贝蒂马耳他大学犯罪学系，马耳他ar t i cl e i nf o文章历史记录：接收3七月2019收到修订版2019年9月19日接受2019年9月19日保留字：地理信息系统最小成本路径R包a b st ra ct成本表面和最小成本路径分析是广泛使用的工具，用于了解运动与周围空间的关系和参与方式。它们被用于研究领域，如旅行走廊，陆地可达性，地点位置，海上通道，动物海景连接，交通，搜索和救援行动的分析。这项工作描述了一个相对简单的方法，各种累积的斜率相关的成本表面和最低成本的输出从不同的模型的运动跨越地形。文中描述了软件包的动机和意义，并通过一个说明性的例子概述了软件的主要特点©2019作者由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本v0.2此代 码 版 本 使 用 的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX_2019_230法律代码许可证GPL（ （ 二）使用git的代码版本控制系统软件代码语言、工具和服务使用R（3.4.0）1999年，中国科学院（1.2-2）、光栅（2.8-4），rgdal（1.3-6），rgeos（0.4-2），sp（1.3-1）如果可用，链接到开发人员文档/手册https://cran.rproject.org/web/packages/movecost/readme/README.html问题支持电子邮件gianmarco. um.edu.mt1. 动机和意义地理信息系统（GIS）是一种广泛使用的工具，用于分析，建模和解释各种数据[1，2]。地理信息系统提供了获取空间数据、将这些数据纳入一个共同框架以及有意义地组织空间信息并使其相互关联的地理信息系统和空间数据分析证明是至关重要的研究领域，如环境和地球科学[3，4]，生态学[5]，农业[6]，公共卫生[7，8]，社会经济[9]和法医学科[10]，犯罪研究[11，12]，考古学/人类学[1，13 地理信息系统可以帮助探索的一个方面是理解运动与周围空间的联系和参与方式。为此，成本曲面和最小成本路径*通信： 社会福利学院犯罪 学系，332 室，人 文B（ FEMA）， 马耳他大学，Msida，马耳他（欧洲）-MSD 2080，马耳他。电子邮件地址：gianmarco. um.edu.mt。https://doi.org/10.1016/j.softx.2019.100331分析越来越多地用于各种背景和不同的目的，包括（但不限于）史前旅行走廊[15-简而言之，成本表面分析需要为栅格地图中的每个单元分配成本可以用不同的度量来表示，例如燃料消耗[32]，能量，速度或时间[35]。最小成本分析计算累积成本栅格上的哪个相邻单元沿着最小成本路径回到源位置[1，13，36]。“移动成本”包旨在提供在R [ 37 ]中计算累积坡度相关成本表面和与跨景观移动有关的它必须2352-7110/©2019作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx2G. Alberti / SoftwareX 10（2019）100331−首先应承认，这套程序从费用是地形坡度的函数这一具体角度处理了费用-地面和最低费用路径计算问题。虽然这可以被视为一种限制，并承认运动也可以受到符号元素，地形类型，天气条件，服装，所携带的负载，性别，年龄，健身，身体特征，逆风，视野[13，38虽然GRASS [42]和EsriFabio Silva [ 44 ]开发的一个有趣的R软件包然而，与“移动成本”不同，移动成本必须由用户预先定义并作为成本表面输入。有趣的是，不同的坡度相关成本函数的可用性标志着与上述GRASS和ArcMap模块的巨大差异。与后者不同的是，成本面必须单独输入，或者垂直因素表必须由用户预先计算并输入软件[43]，虽然文献中有大量的函数对跨地形的移动成本进行建模[1，45中的概述]，但在“movecost”中实现的函数是根据作者的偏好和文献中频繁使用的考虑而选择的该软件包的未来改进版本将扩大实现函数的主体，并且还将提供在内置函数中应用用户定义成本函数的功能。对这些函数的基本原理以及它们的潜力和局限性的回顾1、13、36]。然而，必须记住，例如，已经发现除了在像R这样的自由和开源环境中实现斜率相关成本曲面和最小成本路径分析之外，除了不同成本函数的可用性之外，开发该软件包的另一个激励因素是易于使用。为了触及将在下一段中进一步详细说明的内容，用户所要做的就是将DTM输入到movecost（）函数中，以及表示开始位置的点。将生成一个与坡度相关的累积分析所基于的成本函数可以用适当的参数来选择，并且其他参数允许用户调整图形输出的方面和/或在用户可能想到的任何其他用途的最后，一揽子计划的构想着眼于高质量的图形结果。为了使这套材料制作的图像布局优雅（当然，这是根据作者的主观审美标准），加上信息丰富的主标题和副标题，可以证明这些图像可以在出版物中使用，而不需要2. 软件描述'movecost'软件包（目前在其0.2版本）可从CRAN（综合R档案网络），install.packages在内部，该包使用来自'gdistance'的函数[47]，该包提供了一个函数，即movecost（），以及两个数据集，用于该命令的帮助文档中，第一个数据集是表示火山MaungaWhau（新西兰奥克兰）上的点的对于成本表面的计算，该软件包最终依赖于在内部，movecost（）首先计算输入DTM的单元之间的海拔差异（使用“gdistance”包中的transition（）函数结果是斜率，表示为上升超过运行。接下来，将成本函数应用于斜率数据集，将计算限制在adjournalcell [52]。例如，Tobler的路径成本函数内部定义为6*exp（3.5*abs（x[adj]+0.05）），其中x[adj]是为相邻单元计算的上升/运行斜率感兴趣的读者可能希望参考该软件包的帮助文档，以了解如何在内部定义所实现的成本函数。最后，再次应用geoCorrection（）函数来计算单元中心之间的距离，因为沿对角线方向移动时所涉及的成本大于沿基数连接移动的成本步行速度相关的成本函数（见下文）按原样使用，而其他实现的函数则重新循环。这样做是因为，正如文献中所强调的因此，如果我们想估计时间，我们必须使用步行速度函数，因为最终的累加值将对应于速度的倒数即步行时间（或步速）。在其他情况下，我们必须使用1/cost来最终得到cost/1 [14]。3. 说明性示例而不是提供所有实现参数的列表（在包的帮助文档中确实详细说明了这些参数），而是通过一个说明性示例来描述包的使用。不过，将简要概述一揽子措施的主要参数。在我们的示例中，我们使用一个DTM（单元大小25米），代表埃特纳火山（意大利西西里岛）以西的一部分土地;它由1660行和2846列组成，总共有4，724，360个单元。DTM是欧洲数字高程模型（EU-DEM，v. 1.1）的较大图块[53]。我们还有一个点（“SpatialPointsDataFrame”类），表示我们希 望 向 外 累 积 移 动 成 本 的 位 置 ， 还 有 八 个 点 表 示 目 的 地 位 置（“SpatialPointsDataFrame”类）。DTM，开始和结束位置已经分别存储在R中的三个对象dtm，start和ends中。在本例中，我们希望生成一个栅格表示从起始位置向外移动的累积成本，以及从起始位置到G. Alberti / SoftwareX 10（2019）1003313=-Fig. 1. 由 movecost（）函数生成的累积成本表面栅格。 黑色实心点表示成本（以步行表示）的起始位置时间，以小时为单位）向外累积。等时线平等的，平等的时间）连接相等旅行时间的位置。成本是基于托布勒的徒步功能的道路上行走（见文字的进一步细节）。图二. 由movecost（）函数生成的最小成本路径。黑色实线表示连接源位置（黑点）和目标位置（红点）的成本最低的路径。标签以旅行时间（小时）表示步行距离。蓝色实线表示到达的最小成本路径从一个目的地位置返回源位置;由于各向异性路径仅部分地与另一个重叠（即，方向相关）的最小成本路径计算。点和线绘制在DTM（25米单元大小）的顶部，代表埃特纳火山（意大利西西里岛）以西的一部分土地结束位置。我们将成本概念化为步行时间。在将成本表示为步行时间的不同斜率相关成本函数中，我们使用众所周知的Tobler后者将步行速度建模为地形坡度的函数，并且当往复运动时（出于上述原因），可以用于计算步行时间。4G. Alberti / SoftwareX 10（2019）100331要完成上述任务，用户只需输入命令：results- movecost（dtm，start，ends，funct参数t指示Tobler的路径上成本函数。将被使用。可以选择软件包的帮助文档中描述的其他成本-t （默认）路径上的Tobler-tofp 偏离路径的Tobler-马尔克斯-佩雷斯等人'的修改的Tobler远足函数[55];-ic-icofp-ug Uriarte Gonzalez-ree 相对能量消耗成本函数[1];-hrz Herzog-wcs 轮式车辆临界坡度成本函数[36];-p Pandolf et al.'的代谢能量消耗成本函数[57];-vl Van Leusen至于函数 第一张地图（图）1）表示从起始位置向外累积的行走默认情况下，步行时间以小时表示，但用户可以使用参数time=''m ''选择分钟黑色等值线（称为等时线）代表不同的步行时区。用户可以使用参数break设置绘制等时线的间隔;如果未提供值，则间隔默认设置为累计成本曲面值范围的1/10就累积成本图而言，用户可以选择可视化的类型这可以通过使用outp=''r ''或outp='' c '来实现前者产生一个光栅与色标和轮廓线代表累计成本表面，如图。1;后一选项仅产生轮廓线（即，等时线）。第二张地图（图）表示绘制在输入DTM顶部的起始位置（黑点）、目标位置（红点）和最小成本路径（黑色实线）。靠近目的地位置的数字标签报告从起点移动到目的地所涉及的成本（在本例中为不用说，在这个例子中，成本是以小时为单位表示的，如上面提到的apposite参数所设置的。可以使用参数destin.lab =禁用标签。在提到的Fig. 2中，为了该说明性示例而添加蓝色实线以示出各向异性（即，方向相关）[1]的最小成本路径计算。从起点移动到目的地的成本最低的路径（黑色实线）与沿相反方向移动的路径（蓝色实线）并不完全重叠[52]。使用参数oneplot=TRUE，可以将上述两个映射一起排列在单个显示中。至于前面引用的输出数据（在本例中存储在结果对象中），函数返回一个列表，其中存储了四个组件：- 表示累积成本（accumulated.cost.raster）的raster- 从累积成本表面（等值线）提取的轮廓线估计的最小成本路径- 添加了新变量每个最小成本路径的长度存储在LCPs组件的变量下;在本示例中，可以使用结果$LCPs$length访问该变量。长度单位取决于在输入DTM中使用的单位上，在我们的示例中为米。如果用户希望将输出数据用于任何GIS软件，则参数export=TRUE将累计成本曲面导出为GeoTiff文件，而等时线和最小成本路径将导出为shapefile;所有文件都将带有与所选成本函数对应的后缀。最后，至于处理时间方面的计算需求，在我们的示例中，在开始位置周围产生累积成本表面需要处理4，724，360个单元，在基于macOS的机器上花费了大约3.7分钟（2.3 GHz Intel Core i5，RAM 16 GB 2133 MHz LPDDR 3）。生成最小成本曲面和最小成本路径总共花费了约4.18分钟。4. 影响和结论从上面的段落中可以看出，相反，其理由和动机在于有机会向地理信息系统用户提供一种免费和开放源码的设施，以便从不同的运动模式中生成各种累积的与坡度有关的成本正如所强调的，这在R中还没有，也没有任何直接可比的东西在广泛使用的GIS软件中，如GRASS或ArcMap。考虑到许多因素会影响穿越景观的移动成本，该包装然而，由于坡度被证明是影响运动的重要因素，并且由于分析运动在成本方面与周围空间的联系和参与方式是许多学科（例如社会学/人类学科学[1，13]）的核心主题，因此该软件包可能会满足多个研究领域的许多用户的青睐。这套程序今后的发展，包括扩大所执行的成本函数的数目和采用用户定义的函数进行成本计算的设施，肯定会扩大该方案的潜力。在任何情况下，作为其当前版本，安装和使用的容易性，透明度源代码的质量，一个相对较大的可用的斜率相关的成本函数的可用性，以及对图形输出的质量和灵活性的关注，一定会确保GIS用户和R爱好者的积极接受竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作资金本出版物的开放获取费用由作者从马耳他大学获得的工作资源支付引用[1]康诺利J，M湖。考古学中的地理信息系统。剑桥：剑桥大学出版社，2006年.[2]O'Sullivan D，Unwin DJ.地理信息分析。第2版，Hoboken：JohnWiley&Sons，Inc.; 2010年。[3]田湾地理信息系统技术在环境与地球科学中的应用。 BocaRaton：CRC Press;2017.[4]福尔摩沙群岛上升的水域：整合国家数据集，以可视化不断缩小的空间实体。Xjenza2015;3：105-17.[5]作者：T.生态学空间点格局分析手册。Boca Raton：CRC Press; 2014.G. 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