黃小雪，文建輝，宋韶華，許　睿，萬　航

(1.灌陽縣人民政府，廣西 桂林　541600； 2.桂林市環(huán)境保護局，廣西 桂林　541002；3.桂林電子科技大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林　541004)

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基于GIS技術(shù)的信號場強射線跟蹤模型

黃小雪1，文建輝2，宋韶華2，許睿3，萬航3

(1.灌陽縣人民政府，廣西 桂林541600； 2.桂林市環(huán)境保護局，廣西 桂林541002；3.桂林電子科技大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林541004)

為了準確模擬小區(qū)域基站電磁波輻射場強，設(shè)計了一種基于GIS技術(shù)的三維空間信號場強模型。通過ARCGIS構(gòu)建三維建筑群，以Python腳本和ARCGIS模型構(gòu)建器實現(xiàn)了射線跟蹤模型。以桂林電子科技大學(xué)金雞嶺校區(qū)為例，模擬結(jié)果比較準確地反映區(qū)域電磁波輻射情況。

遙感；GIS；信號場強

隨著移動通信需求的增大，大密度基站造成民眾對電磁波輻射的安全疑問，同時增大了網(wǎng)絡(luò)用戶的成本[1]。為了合理規(guī)劃基站及評估環(huán)境輻射，需要模擬小尺度區(qū)域電磁波信號場強。20世紀60年代，國外開始小尺度電磁波信號場強模擬，但國內(nèi)研究起步較晚，以引入國外電磁波傳播模型為主[2-4]。常用的預(yù)測模型包括Okumura模型、Hata模型、Durkin模型、CCIR模型和射線跟蹤模型[5-6]。Okumura模型、Hata模型、Durkin模型適用于丘陵、山地等大區(qū)域空間實體對象的場強分析；CCIR模型和射線跟蹤模型適用于城市微蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)場強的模擬；射線跟蹤模型以數(shù)學(xué)計算為基礎(chǔ)，彌補了傳統(tǒng)模型純經(jīng)驗分析的缺陷。

基于GIS技術(shù)構(gòu)建小尺度區(qū)域三維空間電磁波場強模型，選取目標(biāo)建筑群和地形數(shù)字高程模型(DEM)，采用DEM數(shù)據(jù)和Landsat影像數(shù)據(jù)，以ARCGIS空間分析和三維渲染技術(shù)，實現(xiàn)小尺度區(qū)域地形和建筑群三維構(gòu)建。根據(jù)目標(biāo)空間建筑群特征，建立空間屬性數(shù)據(jù)庫，以ARCGIS模型構(gòu)建器和Python腳本，實現(xiàn)射線跟蹤模型，模擬研究區(qū)三維空間的信號場強，以實測數(shù)據(jù)校準參數(shù)，驗證準確性。

1　研究區(qū)三維重構(gòu)

以桂林電子科技大學(xué)金雞嶺校區(qū)為研究對象，其三維重構(gòu)由外部DEM地形重構(gòu)和建筑群重構(gòu)組成。

1.1空間實體區(qū)高程模型構(gòu)建

在基于三維空間的電磁波場強模擬的構(gòu)建過程中，為實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)處理、分析與展示，結(jié)合圖像技術(shù)，將空間實體對象數(shù)字信息進行可視化建模[7-8]。

基于ARCScene(ARCGIS三維分析模塊的組成部分)，表面對象三維建?？梢暬钥臻g實體區(qū)的高程信息為基礎(chǔ)，通過對高程信息的分析和轉(zhuǎn)化實現(xiàn)。具體步驟為：

1)對研究區(qū)進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，匹配Landsat波段，還原衛(wèi)星圖實地狀況。

2)添加研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)、真彩色遙感影像數(shù)據(jù)以及邊界數(shù)據(jù)。矢量數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)的顯示優(yōu)先級均為1，需修改矢量數(shù)據(jù)的顯示優(yōu)先級。

3)設(shè)置影像數(shù)據(jù)的高程和高程分辨率，實現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的三維顯示。

4)定義邊界線和底面的三維屬性，與影像數(shù)據(jù)的設(shè)置類似，定義其基準高程與夸張因子。

以桂林電子科技大學(xué)金雞嶺校區(qū)展示區(qū)域高程變化，外部DEM的表面三維重構(gòu)如圖1所示。圖1左下角和中間的平坦區(qū)域為校區(qū)，為增強顯示效果，周邊山體受夸張因子作用比實際山體高5倍。

1.2建筑物三維空間模型構(gòu)建

要素對象與表面對象的不同之處在于，要素對象

圖1　外部DEM的表面三維重構(gòu)Fig.1　3D reconstruction of surface object of outside DEM

是離散的點、線、面和體的集合，具有數(shù)學(xué)和屬性特征。將桂林電子科技大學(xué)金雞嶺校區(qū)的建筑物分布要素抽象為幾何和屬性2個基類，分別派生點、線、三角形、顏色等子類。其中，點構(gòu)成線，線構(gòu)成面，面構(gòu)成體，由此構(gòu)建其空間層次關(guān)系。建筑物分布要素的三維模型可轉(zhuǎn)化為關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型，因此在要素對象的空間建模時，直接構(gòu)建各要素的關(guān)系數(shù)據(jù)表。具體步驟為：

1)選擇研究區(qū)的遙感影像圖，提取建筑物的平面矢量圖，同時定義矢量圖的屬性和特征信息，如圖2所示。其中：圖2(a)斜線框為建筑物俯視圖；圖2(b)為數(shù)字信息，height字段表示建筑物高度，name字段表示建筑物名稱。

圖2　建筑物平面矢量圖構(gòu)建Fig.2　The construction of buildings plane vector

2)在ARCScene中加載建筑物的平面矢量圖，根據(jù)建筑物屬性信息，實現(xiàn)拉伸展示。

3)使用3D工具，以多立面形式存儲拉伸模型。其結(jié)果在外觀上與拉伸模型一致，數(shù)據(jù)存儲由內(nèi)存圖層轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。

4)多立面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為COLLADA格式數(shù)據(jù)，在Sketchup中實現(xiàn)表面、紋理的建模，為電磁波射線跟蹤模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

根據(jù)以上步驟，完成建筑群外部DEM處理和三維構(gòu)建，形成三維空間數(shù)據(jù)庫，為射線跟蹤模型分析提供數(shù)據(jù)支撐。采用三維可視化技術(shù)直觀地展現(xiàn)空間地形、地貌以及建筑物的屬性特征，空間實體對象在三維場景中的展現(xiàn)更加直觀與真實。與二維數(shù)據(jù)相比，三維數(shù)據(jù)精確地展現(xiàn)了空間實體對象的峰、谷、脊和建筑物形狀信息。

2　模型構(gòu)建及驗證

2.1射線跟蹤模型

在射線跟蹤模型中，信號在空間中的傳播簡化為直射、反射和繞射3種。根據(jù)空間區(qū)域建筑物的屬性特征，實現(xiàn)傳播路徑的追蹤。首先定義信號發(fā)射源點，然后分析傳播信號與建筑物的表面交點，并以此交點作為下一層結(jié)構(gòu)的二次源點，以此類推，分析電磁波的三次源點。其建立步驟為：

1)建立坐標(biāo)系，定義建筑物與信號接收點坐標(biāo)。

2)定義信號發(fā)射點。

3)計算發(fā)射點到建筑物距離，對距離大小進行排序。

4)找出發(fā)射點可視建筑物，記錄可視面及邊緣，作為下一層信號源點，同時記錄發(fā)射源有效張角范圍。

5)以步驟4)記錄的可視建筑物為算法的二次源點進行反射計算，找出二次源點可視建筑物，計算距離并排序。重復(fù)步驟4)，根據(jù)建筑物邊緣特征實現(xiàn)繞射分析。

6)遞歸分析后續(xù)建筑物的反射與繞射傳播，直到完成尋找研究區(qū)的建筑物。

通過模型構(gòu)建器及Python腳本建立電磁波射線跟蹤模型，并代入研究區(qū)數(shù)據(jù)，分析空間點位置信號質(zhì)量與信號強度，ARCGIS模型構(gòu)建器的射線跟蹤模型表達形式如圖3所示，圖中橢圓表示數(shù)據(jù)輸入項，方形為公式計算項，主要包括高程、點距離、場強計算和建筑物數(shù)字信息。

圖3　ARCGIS模型構(gòu)建器的射線跟蹤模型表達形式Fig.3　Ray tracing model expressions of ARCGIS model builder

2.2結(jié)果及驗證

根據(jù)簡化的建筑物屬性數(shù)據(jù)，以GIS模型構(gòu)建器和Python腳本實現(xiàn)了射線跟蹤模型，模擬了電磁波在建筑群間的傳播路徑，如圖4所示。圖中白色方塊為建筑物，線條為電磁波傳播路徑。

圖4　建筑群間的電磁波傳播路徑Fig.4　Electromagnetic wave propagation path between the buildings

根據(jù)傳播路徑計算每條射線的衰減，對研究區(qū)進行網(wǎng)格化，以網(wǎng)格內(nèi)射線數(shù)及強度計算網(wǎng)格電磁波輻射強度。場強網(wǎng)格劃分及場強模擬如圖5所示。為了驗證模型效果，采用自制信號場強采集儀[9-10]檢測

圖5　場強網(wǎng)格劃分及場強模擬Fig.5　Field strength mesh and simulation

多個點位場強數(shù)據(jù)，進行插值與模型結(jié)果比較，模擬數(shù)值相對誤差小于20%，模型具有較高可信度。

3　結(jié)束語

基于電磁波傳播理論建立的射線跟蹤模型適合小尺度區(qū)域模擬信號場強，結(jié)合小尺度區(qū)域三維空間與外部遙感空間重構(gòu)方法細致地展示了地形、地物狀況，實現(xiàn)了空間地物數(shù)據(jù)庫，并與電磁波場強模擬，具有較好的兼容性。在此基礎(chǔ)上，以ARCGIS模型構(gòu)建器及Python語言實現(xiàn)了射線跟蹤模型。以研究區(qū)空間數(shù)據(jù)庫為對象進行模擬渲染和驗證，其結(jié)果直觀可靠，與場強采集儀數(shù)據(jù)相比，相對誤差小于20%。

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編輯：曹壽平

Radio signal strength ray tracing model based on GIS technology

HUANG Xiaoxue1, WEN Jianhui2, SONG Shaohua2, XU Rui3, WAN Hang3

(1.The People’s Government of Guanyang County, Guilin 541600, China；2.Guilin Environmental Protection Bureau, Guilin 541002, China；3.School of Life and Environmental Sciences, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

In order to accurately simulate base station electromagnetic radiation strength in a small area, a three-dimensional spatial signal strength simulation model is designed based on GIS technology.Three-dimensional model buildings are constructed by ARCGIS, ray tracing model is realized by ARCGIS model builder and Python scripts. Taking the Jinjiling campus of Guilin university of electronic technology as an example, the simulation results can accurately reflect the region of the electromagnetic radiation situation.

remote sensing; GIS; signal strength

2016-03-09

國家自然科學(xué)基金(41501342)；廣西自然科學(xué)基金(2014GXNSFAA118324)；廣西信息科學(xué)實驗中心基金(20130324)；廣西教育廳科研項目(201204LX139)

許睿(1977-)，男，四川成都人，副教授，博士，研究方向為環(huán)境遙感模擬。E-mail：535976@qq.com

P208；X87

A

1673-808X(2016)03-0244-04

引文格式： 黃小雪，文建輝，宋韶華，等.基于GIS技術(shù)的信號場強射線跟蹤模型[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報，2016,36(3):244-247.