Χωρική βελτιστοποίηση για εύρεση όμοιων διαδρομών σε γεωγραφικά δίκτυα: η περίπτωση της εύρεσης διαδρομών μεγάλων αποστάσεων

Abstract

Society has established mechanisms that, with proper exploitation, can provide solutions to a variety of spatial problems. Geography and Geographical Information Systems (GIS), as a “spatial science”, by developing the appropriate tools and the necessary decision-making methods, can address problems and analyze policies in scientific fields such as sports, tourism, and culture, while also promoting local development in all aspects of the economy. The complexity of modern spatial challenges frequently necessitates the fragmentation of the original problem into separate smaller chunks, which, when combined with geoinformatics and spatial analytic tools, can yield realistic conclusions based on the parameters specified. This PhD thesis titleded “Spatial Optimization for Finding Similar Routes in Geographical Networks: The Case of Long-Distance Route Finding”, demonstrates a novel aproach in finding optimal paths in spatial networks using open source GIS and Graph Theory. This spatial algorithm developed in programming language R use geometric and spatial variables as well as proximity relations with points of interest (POI) of the study area, located at the nodes and edges of the spatial network, and transformed into spatial information, which by applying spatial queries in a geographical database (PostGis/PgRouting) give query enabled paths. When the heuristic algorithm returns more than one possible solution, we use a new Spatial Similarity Index (S) to calculate the percentage of similarity between the geographic characteristics of the routes (altitude, length, proximity to points of interest) and the criteria used to draw them. This leads to the conclusion that Spatial Similarity Index (S) in combination with the spatial heuristic algorithm, contribute to local and regional development decision-making by solving spatial network problems in sectors such as transport, energy, environment, sports and tourism. The case study for the application of the algorithm and route finding based on spatial queries is the island of Lesvos. This island combines intense topography and a complex road network with multiple geometric relationships. The area also has cultural, touristic and social points of interest. The final route will be a synthesis of morphological, touristic and cultural elements and will be similar to the characteristics of the sports route of the Classic Marathon.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή με θέμα «Χωρική Βελτιστοποίηση για εύρεση όμοιων διαδρομών σε γεωγραφικά δίκτυα: η περίπτωση της εύρεσης διαδρομών μεγάλων αποστάσεων», ο ευριστικός αλγόριθμος πολυκριτηριακής χωρικής ανάλυση για την χάραξη βέλτιστων διαδρομών καθώς και ο χωρικός δείκτης ομοιότητας (S), συνέβαλαν στη διαμόρφωση μιας νέας αντίληψης για τις δικτυακές οντότητες, η οποία έχει να κάνει όχι μόνο με την γεωμετρική φύση τους αλλά κυρίως με την γεωγραφική. Με άλλα λόγια, δεν εξετάζεται μια διαδρομή μόνο ως προς το σημείο έναρξης και το σημείο προορισμού, αλλά και το πως ο χώρος και οι γεωγραφικές μεταβλητές του επηρεάζουν το χαρακτήρα της. Παράλληλα, τα αποτελέσματα της διατριβής, διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην επιστήμη της Γεωγραφίας, διευρύνοντας το πλαίσιο ως προς την κατανόηση των χωρικών σχέσεων και προτύπων, καθώς και της ερμηνείας εννοιών όπως της χωρικής συνάφειας και βελτιστοποίησης, μέσα από τη μοντελοποίηση, την ανάλυση και την οπτικοποίηση πολύπλοκων γεωγραφικών δομών όπως των δικτυακών. Με την ανάλυση ενός χωρικού δικτύου, όπως είναι το οδικό, και την εισαγωγή χωρικών δεδομένων στους κόμβους και στις ακμές του, επετεύχθη η όσο το δυνατόν λεπτομερέστερη αναπαράστασή του, καθώς και η μέγιστη συνδεσιμότητά του για έγκυρα και αξιόπιστα αποτελέσματα. Από την άλλη πλευρά ο δείκτης χωρικής ομοιότητας (S) λειτουργεί ως εργαλείο χωρικής συνάφειας μεταξύ των διαδρομών και των κριτηρίων εύρεσης, απαντώντας στο ερώτημα του ποια είναι η βέλτιστη διαδρομή, μέσα από ένα σύνολο αποτελεσμάτων, σε σχέση με τις προδιαγραφές χάραξής της. Η επίτευξη των παραπάνω, πραγματοποιήθηκε μέσα από μια πρότυπη ιεραρχικά δομημένη μεθοδολογία, η οποία στηρίχθηκε σε εργαλεία γεωπληροφορικής, όπως η χωρική βάση δεδομένων PostgreSQL (PostGIS/PgRouting) και η γλώσσα προγραμματισμού R. Η καθοριστική συμβολή τους, έγκειται στην δια-λειτουργικότητά τους, καθώς και στην έγκαιρη και έγκυρη υπολογιστική τους ικανότητα σε μεγάλου όγκου δεδομένα (Big Data Analysis). Τέλος, η συγκεκριμένη επιλογή της μελέτης περίπτωσης, δηλαδή η χάραξη μιας διαδρομής που θα έχει χαρακτηριστικά όμοια του Κλασικού Μαραθωνίου, όπως το μήκος και η υψομετρική διαφορά μεταξύ σημείου εκκίνησης και τερματισμού, συνδυάζοντάς τα με σημεία ενδιαφέροντος της περιοχής μελέτης, συνέβαλε σε δύο επίπεδα: (α) στο να υπάρχουν συγκεκριμένα χωρικά κριτήρια ώστε να μπορούν να συμπεριληφθούν τόσο στον αλγόριθμο αναζήτησης όσο και στον δείκτη ομοιότητας, (β) στην ανάδειξη ενός αναπτυξιακού εργαλείου που θα συμβάλλει τόσο στον τομέα του αθλητισμού όσο και της τοπικής ανάπτυξης.