在 ServBay 中使用 pgRouting 進行地理空間路由分析

pgRouting 是一個強大的 PostgreSQL 與 PostGIS 擴充套件，專為地理空間資料提供豐富的路由與網路分析功能。有了 pgRouting，開發者能夠針對路網資料進行進階查詢，例如尋找兩點間的最短路徑、解決旅行推銷員問題（TSP），或進行服務區分析。這些功能特別適用於地圖應用、物流規劃、交通分析等場景。

本文將詳細說明如何在 ServBay 這個本機 Web 開發環境裡輕鬆啟用 PostgreSQL 的 pgRouting 擴充套件，同時指導您完成基礎設定與路由分析。

概述

ServBay 為 macOS 開發者提供一個便利的一站式本機開發環境，已整合多款 Web 伺服器、資料庫與程式語言。ServBay 所配備的 PostgreSQL 軟體包，預先包含 pgRouting 與 PostGIS 擴充套件。這代表您無需手動下載或編譯這些套件，只要在指定資料庫簡單啟用即可使用。

前置準備

開始使用 pgRouting 前，請確認您已經符合下列條件：

1. 已安裝並執行 ServBay： 若尚未安裝 ServBay，請前往 ServBay 官方網站 下載最新版本並安裝。
2. 在 ServBay 已安裝並啟動 PostgreSQL 套件： 請於 ServBay 介面檢查 PostgreSQL 套件已安裝且處於「執行中」狀態。
3. 具備基本的 SQL 與 PostgreSQL 操作知識： 本文假設您已了解基礎 PostgreSQL 資料庫操作與 SQL 查詢語法。
4. 具備 PostGIS 基礎概念： pgRouting 依賴 PostGIS 處理地理空間資料型態及函式。確保您的資料庫已啟用 PostGIS 擴充套件。ServBay 預設安裝的 PostgreSQL 通常已包含 PostGIS。

安裝與啟用 pgRouting 擴充套件

ServBay 已隨套件附帶好 pgRouting 擴充檔案，您僅需於目標資料庫中啟用即可。

1. 連線至 PostgreSQL 資料庫：

   您可透過多種方式連線 PostgreSQL，如命令列工具 psql、圖形化管理工具 (如 pgAdmin、DBeaver)，或以程式語言連接。

   使用 ServBay 提供的 psql 命令列工具是最直接且常見的方法。您可以於 ServBay 應用裡點選「終端機」按鈕快速啟動預設好環境變數的終端機，或手動將 ServBay 的 bin 目錄加入系統 PATH。

   在終端機中執行下列指令，以連線至您的目標資料庫（例如，名為 servbay_geo_db 的資料庫並使用預設 servbay 用戶）：

   psql -U servbay -d servbay_geo_db

   若您的資料庫名稱、用戶名或密碼有異，請依實際狀況調整指令。

2. 檢查並啟用 PostGIS 擴充套件（若尚未啟用）：

   pgRouting 需依賴 PostGIS。啟用 pgRouting 前，請先確認 PostGIS 是否已啟用。於 psql 提示字元輸入：

   CREATE EXTENSION IF NOT EXISTS postgis;

   此指令會建立（或略過已存在的） PostGIS 擴充套件。

3. 建立 pgRouting 擴充套件：

   於同一資料庫連線中，執行下列 SQL 啟用 pgRouting 擴充：

   CREATE EXTENSION pgrouting;

   若執行成功，您將見到類似 CREATE EXTENSION 訊息。

4. 驗證安裝狀態：

   您可透過下列指令查詢已安裝的擴充套件並確認 pgRouting 已正常啟用：

   \dx

   您應在清單中看到 postgis 與 pgrouting 及其相關資訊。

配置 pgRouting：準備路網資料並建立拓撲

pgRouting 演算法運作基礎在呈現路網結構的表格。通常會用一個存放線段（道路）的表格，每條線段需包含起點、終點及加權（如距離、時間）等欄位。為高效執行路由計算，還需利用這些線段建立一個「拓撲」結構，記錄路段之間的連結（節點）。

建立路網資料表

以下是建立 ways 路網資料表的範例。表格內容包含路段 ID、起點與終點節點 ID、正向與反向的旅行成本（cost, reverse_cost），以及使用 PostGIS GEOMETRY 型態存放的線段幾何。

-- 建立存放路網資料的表格
CREATE TABLE ways (
    id SERIAL PRIMARY KEY, -- 路段唯一識別碼
    source INTEGER,        -- 起始節點 ID
    target INTEGER,        -- 終點節點 ID
    cost DOUBLE PRECISION, -- 正向通過此路段的成本（例如距離或時間）
    reverse_cost DOUBLE PRECISION, -- 反向通行成本
    geom GEOMETRY(LineString, 4326) -- 路段幾何，型態為LineString，SRID 4326（WGS 84 經緯度）
);

說明：

• SERIAL PRIMARY KEY：自動產生唯一路段編號。
• source, target：分別代表拓撲中的路段起點與終點節點 ID，於建立拓撲時自動產生或對應。
• cost, reverse_cost：定義此路段的加權（如距離或通行時間）。若為單行道，可將 reverse_cost 設為 NULL 或極大值。
• geom：以 PostGIS 的 GEOMETRY 型態存放線段地理資訊。LineString 表型態，4326為常用SRID（WGS 84座標系，全球定位標準）。

插入範例資料

可於 ways 表格中插入下列範例線段：

-- 插入範例路段資料
INSERT INTO ways (source, target, cost, reverse_cost, geom) VALUES
(1, 2, 1.0, 1.0, ST_SetSRID(ST_MakeLine(ST_MakePoint(116.4074, 39.9042), ST_MakePoint(116.4084, 39.9052)), 4326)),
(2, 3, 1.0, 1.0, ST_SetSRID(ST_MakeLine(ST_MakePoint(116.4084, 39.9052), ST_MakePoint(116.4094, 39.9062)), 4326)),
(3, 4, 1.0, 1.0, ST_SetSRID(ST_MakeLine(ST_MakePoint(116.4094, 39.9062), ST_MakePoint(116.4104, 39.9072)), 4326));

說明：

• ST_MakePoint(x, y)：以經緯度座標產生 PostGIS 點位。
• ST_MakeLine(point1, point2)：用兩點產生線段資料。
• ST_SetSRID(geometry, srid)：設定幾何物件的空間參考系（SRID）。
• 範例資料為三條串接成的路段，加權成本皆為 1.0。經緯度為北京市區之實例座標。

建立拓撲

當路網表資料備妥，即可使用 pgr_createTopology 函數建立拓撲。此函數會自動掃描路段幾何，識別節點、填入 source 與 target 欄，並新建對應節點表（通常命名為 [your_table_name]_vertices_pgr）。

-- 為路網表格建立拓撲
-- 參數說明：
-- 'ways'：欲建立拓撲的表格名稱
-- 0.00001：容差值 (tolerance），判斷相近距離內點位視為同一節點
-- 'geom'：路段幾何欄位名
-- 'id'：路段 ID 欄位名
SELECT pgr_createTopology('ways', 0.00001, 'geom', 'id');

說明：

• pgr_createTopology：pgRouting 的核心函數，用於建立網路節點-邊結構。
• 容差值（tolerance）極為重要，其決定了多近的兩點會視為同一交會節點。建議根據資料精度與比例適當調整。

執行後，ways 表格的 source 與 target 欄將自動填入節點編號，並在資料庫中產生一份 ways_vertices_pgr 節點表，內含所有偵測到的節點及其座標。

使用 pgRouting 執行路由分析

拓撲建立完畢後，即可運用 pgRouting 眾多演算法進行路由分析。以下為常見演算法範例：

最短路徑分析（Dijkstra）

查詢兩點間最短路徑是最常見需求。pgRouting 內建 Dijkstra 最短路徑演算法。

-- 從節點 1 到節點 4 查詢最短路徑
-- 參數說明：
-- 'SELECT id, source, target, cost FROM ways'：圖形建立查詢，需包含 id, source, target, cost 欄
-- 1：起始節點 ID
-- 4：目標節點 ID
-- directed := true：指定圖為有向圖（即 cost 與 reverse_cost 是否不同）
SELECT seq, id1 AS node, id2 AS edge, cost, geom
FROM pgr_dijkstra(
    'SELECT id, source, target, cost FROM ways',
    1, -- 起始節點ID
    4, -- 目標節點ID
    directed := true -- 若需考慮反向成本，可設為 false 或省略
)
JOIN ways ON edge = ways.id; -- 與原始 ways 表 join 取得幾何資料

說明：

• pgr_dijkstra：執行 Dijkstra 最短路徑演算法。
• 第一個參數為 SQL 查詢，必須回傳網路之邊（路段）資訊，至少有 id, source, target, cost。如需雙向考慮，需加上 reverse_cost 並設 directed 為 false。
• 第二與第三參數分別為起點、終點節點 ID。
• 透過 JOIN ways ON edge = ways.id 取得原始幾何資料便於可視化。

旅行推銷員問題（Traveling Salesperson Problem, TSP）

TSP 用於尋找巡訪多個指定節點的最短或最低成本路徑。

-- 解決節點 1, 2, 3, 4 的 TSP 問題，起點為1號節點
-- 參數說明：
-- 'SELECT id, x::float8 AS x, y::float8 AS y FROM ways_vertices_pgr'：選取指定節點及座標
-- start_id := 1：指定起點 ID
SELECT seq, node, edge, cost
FROM pgr_tsp(
    'SELECT id, ST_X(the_geom)::float8 AS x, ST_Y(the_geom)::float8 AS y FROM ways_vertices_pgr WHERE id IN (1, 2, 3, 4)', -- 要巡訪的節點及其座標
    start_id := 1 -- 起點節點ID
);

說明：

• pgr_tsp：執行 TSP 路徑優化演算法。
• 第一參數 SQL 查詢返回需巡訪的節點資訊，至少須有 id, x, y 座標。
• start_id 設定旅行起點。

服務區分析（Driving Distance / Driving Time）

服務區分析可判斷自某（多）一節點出發，在特定成本（距離或時間）能到達的所有區域或路段。

-- 從節點 1 出發，搜尋成本不超過2的所有可通達路段
-- 參數說明：
-- 'SELECT id, source, target, cost FROM ways'：圖形查詢
-- 1：起點節點 ID
-- 2：最大可達成本值
-- directed := true：指定圖是否為有向圖
SELECT seq, id1 AS node, id2 AS edge, cost, geom
FROM pgr_drivingDistance(
    'SELECT id, source, target, cost FROM ways',
    1, -- 起點節點ID
    2, -- 最大可達成本
    directed := true
)
JOIN ways ON edge = ways.id; -- 結合原始 ways 表取得幾何資訊

說明：

• pgr_drivingDistance：執行服務區分析演算法。
• 第一參數與 pgr_dijkstra 相同，用於圖形建構。
• 第二參數為起點節點 ID。
• 第三參數為可容許最大成本（距離/時間）。
• 亦可 JOIN 幾何資料便於地圖視覺化。

路由結果可視化

將 pgRouting 的分析成果地圖化，對於理解及展示特定路徑極為關鍵。您可選擇桌面 GIS 軟體或於 Web 應用整合地圖 JS 函式庫來呈現。

使用桌面 GIS 工具（如 QGIS）

QGIS 是免費開源桌面 GIS 軟體，可直接連線 PostgreSQL/PostGIS 資料庫，載入並可視化包含 pgRouting 結果的空間資料。

1. 啟動 QGIS。
2. 點選 圖層 (Layer) > 資料來源管理員 (Data Source Manager)。
3. 左側選單選擇 PostGIS。
4. 按 新增 (New) 建立新資料庫連線。
5. 輸入您的 ServBay PostgreSQL 連線資訊（如：主機 (Host)：localhost，連接埠 (Port)：5432，資料庫 (Database)：servbay_geo_db，用戶 (User)：servbay，密碼 (Password)：您的 PostgreSQL 密碼）。可按「測試連線」確認設定正確。
6. 連線成功後，展開資料庫即可見所有表格，包含 ways 及 ways_vertices_pgr。
7. 選擇欲載入的表格或查詢視圖（如最短路徑查詢結果），按 新增 (Add) 以地圖方式展示於 QGIS。

於 Web 應用中可視化（Leaflet 或 OpenLayers）

針對 Web 應用，建議於後端（如 ServBay 上運行 PHP、Node.js、Python 等）執行 pgRouting 查詢，並將結果以 GeoJSON 格式返回前端。前端則可用地圖 JS 函式庫（如 Leaflet 或 OpenLayers）呈現這些空間資料。

以下為 Leaflet 載入靜態折線的 HTML 範例。若要動態顯示查詢結果，您需：

1. 後端執行 pgRouting 查詢。
2. 把返回的路段幾何資料轉換成 GeoJSON。
3. 提供 API 端點讓前端取得 GeoJSON。
4. 於前端 JavaScript 利用 Leaflet 的 L.geoJSON 載入並顯示結果。

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <title>ServBay pgRouting Web 視覺化範例</title>
    <meta charset="utf-8" />
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
    <link rel="stylesheet" href="https://unpkg.com/leaflet/dist/leaflet.css" />
    <script src="https://unpkg.com/leaflet/dist/leaflet.js"></script>
    <style>
        #map { height: 600px; width: 100%; } /* 設定地圖容器尺寸 */
    </style>
</head>
<body>
    <h1>ServBay pgRouting 結果視覺化</h1>
    <div id="map"></div>

    <script>
        // 初始化地圖，設定中心與縮放
        var map = L.map('map').setView([39.906, 116.409], 14); // 置於範例資料中心

        // 加入 OpenStreetMap 圖磚
        L.tileLayer('https://{s}.tile.openstreetmap.org/{z}/{x}/{y}.png', {
            attribution: '&copy; <a href="https://www.openstreetmap.org/copyright">OpenStreetMap</a> contributors'
        }).addTo(map);

        // 範例：加入自 pgRouting 查詢所得的 GeoJSON
        // 實際應用中應由 AJAX 取得 geojsonData
        var geojsonData = {
            "type": "FeatureCollection",
            "features": [
                {
                    "type": "Feature",
                    "properties": {
                        "id": 1,
                        "cost": 1.0
                    },
                    "geometry": {
                        "type": "LineString",
                        "coordinates": [
                            [116.4074, 39.9042],
                            [116.4084, 39.9052]
                        ]
                    }
                },
                {
                    "type": "Feature",
                    "properties": {
                        "id": 2,
                        "cost": 1.0
                    },
                    "geometry": {
                        "type": "LineString",
                        "coordinates": [
                            [116.4084, 39.9052],
                            [116.4094, 39.9062]
                        ]
                    }
                },
                {
                    "type": "Feature",
                    "properties": {
                        "id": 3,
                        "cost": 1.0
                    },
                    "geometry": {
                        "type": "LineString",
                        "coordinates": [
                            [116.4094, 39.9062],
                            [116.4104, 39.9072]
                        ]
                    }
                }
            ]
        };

        // 利用 L.geoJSON 於地圖上顯示 GeoJSON
        L.geoJSON(geojsonData, {
            style: function (feature) {
                return {color: "#ff0000", weight: 4}; // 路徑以紅色粗線呈現
            }
        }).addTo(map);

        // 調整地圖視域以包含所有結果
        if (L.geoJSON(geojsonData).getBounds().isValid()) {
             map.fitBounds(L.geoJSON(geojsonData).getBounds());
        }


    </script>
</body>
</html>

請將此 HTML 檔案存於 ServBay 網站根目錄（如 /Applications/ServBay/www/pgrouting-demo/index.html），並透過 ServBay 直接瀏覽（如 http://pgrouting-demo.servbay.demo），即可見包含範例路徑的地圖。請注意此範例為靜態資料，主要展示 GeoJSON 載入 Leaflet 用法。

注意事項

• 資料品質： pgRouting 計算結果極仰賴輸入路網資料品質。請確保資料正確、完整且拓撲連通。
• 效能考量： 大型路網可能計算時間較長。可考慮使用索引、精簡資料或切分區段優化效能。
• 記憶體需求： 廣域網狀架構會佔用較多記憶體，務必確保資料庫主機資源足夠。

常見問答（FAQ）

Q: 執行 CREATE EXTENSION pgrouting; 出現「擴充套件不存在」錯誤該怎麼辦？ A: 請先檢查 ServBay 的 PostgreSQL 套件是否已安裝並啟動。確認所用資料庫版本支援 pgRouting，且 ServBay 提供之 PostgreSQL 確實包含該套件（通常預裝）。仍有問題時，請查閱 ServBay 或 PostgreSQL 日誌取得詳細錯誤訊息，也請確認您以有足夠權限的用戶（如 servbay）連線資料庫。

Q: pgr_createTopology 函式中的容差值 (tolerance) 如何選擇？ A: 容差需根據您資料的地理精度決定。其定義兩頂點之間視為同一節點的最小距離。若用高精度座標（如 GPS），容差可設極小（如 0.000001）。若資料品質較低或來源多元，請適度增大容差值增加容錯。容差設太大可能導致不相干的線段錯誤連結。

Q: 要如何處理單行道或禁迴轉等交通規則？ A: 對於單行道，請於 ways 表中的 reverse_cost 設為 NULL 或極大值即代表反向不可通行。禁迴轉或其他複雜交通規則則需建立更細緻的路網模型，或於路徑結果後處理；pgRouting 也提供進階功能可處理此類情境。

總結

透過 ServBay，您可於本機開發環境輕鬆部署支援 pgRouting 的 PostgreSQL。只需簡單 SQL 指令即可啟用擴充套件，準備路網資料並建立拓撲後，就能活用 pgRouting 豐富的地理空間路由演算法。結合桌面 GIS 工具或網頁地圖函式庫，您能快速將結果視覺化，為 Web 應用與空間分析/專案提供強大的資料基礎。ServBay 大幅簡化複雜環境設定，助您專注應用開發與功能創新。