基于GIS的城市電磁環境仿真平臺實現

曾國奇，李思吟，韋志棉

（北京航空航天大學 無人駕駛飛行器設計研究所，北京100191）

隨著高頻電磁波技術及其應用的迅猛發展，城市環境下的電波傳播特性研究已經成為一個重要課題。由于城市電磁污染的不斷加重，導致對人體及通信環境都產生了不利的影響，因此對電磁污染的防護和治理研究具有現實而長遠的意義[1]。電磁環境的監測是電磁污染防護、治理的關鍵，目前的監測方法主要以人工攜帶設備定點監測，這種方式只能監測到城市環境中的某個區域，而不能對整個城市的電磁環境進行監測，而且監測區域的選擇也存在一定的盲目性，對于城市電磁環境的防護治理不利。隨著計算機技術的發展，尤其是GIS技術的逐步成熟，開發基于 GIS的城市電磁環境可視化信息系統成為可能。GIS可以對數字化地圖等空間數據和電磁信息屬性數據進行統一管理，同時GIS強大的圖形處理和輸出能力更為仿真平臺提供了直觀的數據支持[2]。

本文旨在了解城市的電磁環境狀況，從宏觀角度控制整個城市的電磁輻射。設計了基于GIS控件SuperMap Objects和Visual C++6.0的城市電磁環境仿真平臺，通過設置輻射源參數并選擇適用的仿真模型，對城市環境電磁輻射場進行仿真，得到電磁輻射強度可視化顯示，進而了解電磁環境安全狀況。

1 平臺整體設計方案

電磁環境仿真平臺實現的6個功能：

(1)電波傳播距離預測。基于典型地形和各系統電磁特性數據，分析電波在各種地形下的傳輸距離。

(2)電磁特性數據庫的建立。電磁特性數據庫用于存儲各系統的輻射特性數據。數據庫嚴格加密措施，采用訪問權限分級管理。

(3)電磁特性數據編輯。電磁特性數據編輯模塊用于增加、修改和刪除電磁特性數據庫中的數據。數據編輯通過下拉式菜單和彈出式對話框來實現。

(4)傳播衰減計算。根據用戶選擇的地形模式和建筑物的覆蓋密度來計算電磁波的傳播衰減。在電磁波的傳輸距離范圍內，利用電磁波發射設備的強度與傳播衰減的差值得到某點的電磁場強度。

(5)三維數字地圖管理。對城市的三維數字地圖進行管理。

(6)電磁輻射強度顯示。根據傳播衰減的輸出結果顯示電磁波的輻射強度，主要基于“三維數字地圖管理”的顯示功能函數來實現。

根據本城市電磁環境仿真系統的原理和功能要求，設計了如圖1所示的工作原理框架。系統首先記錄各個輻射源的電磁特性，結合本地地圖的高層DEM數據或者用戶輸入的地形特征參數進行傳播衰減的計算，根據衰減得到城市的電波輻射強度分析，并將其顯示在仿真界面上。

本系統將采用多文檔的設計模式，在每個子窗體內采用多視圖的顯示方式，在不同的視圖內顯示不同的內容。系統采用模塊化的設計，將各功能模塊進行組合及封裝。根據電磁環境仿真平臺的實現功能，大體分為參數設置、場強計算及圖形顯示3個主要模塊，如圖2所示。

參數設置模塊：用于仿真平臺所需參數的設置，采用對話框的交互形式輸入。包括地形參數設置模塊、天線參數設置模塊、發射機參數設置模塊、接收機參數設置模塊、設備級參數設置模塊、臺站級參數設置模塊及系統級參數設置模塊。

計算模塊：主要完成城市環境下電磁場強度分布的計算。此模塊主要在后臺運行，根據參數設置模塊獲取參數以及用戶選擇的算法或模型，結合地圖的高層數據計算出各分辨單元的場強，進而得到所監測區域內的場強數據，并送入數據庫記錄。計算模塊實現的關鍵是計算方法或計算模型的選擇，即根據輸入參數選擇合適的計算方法，以獲得較好的計算準確度和計算速度。

地圖顯示模塊：主要完成調出數據庫內電波輻射強度，并根據強度不同在地圖上以覆蓋形式顯示。根據顯示的地圖比例尺和計算的距離精度將地圖和計算結果對應起來，同時本模塊需要讀入所監測地域的地圖并識別用戶在地圖上的操作，完成相應的人機交互。仿真平臺中計算模塊和顯示模塊是本系統實現的重點和難點。

3個主要模塊下還有各個子模塊，彼此功能相互獨立，數據部分采用數據庫進行數據共享，大部分計算功能采用單獨的模塊處理。由于大部分模塊都需要使用數據庫的功能，而且數據比較多，因此與數據庫聯系的部分由各模塊完成。圖3顯示了系統元素（各層模塊、子程序）的劃分，并說明了每個系統元素的標識符和功能，分層次地給出各元素之間的控制與被控制關系。

本系統需要輸入典型地形特征、各系統電磁特性等數據進行傳播距離及電波強度的計算。在地圖區選擇電波傳播模型的界面。選擇了適用的傳播模型之后，進入參數選擇對話框，輸入門限值和地形參數，包括市區、郊區、開闊地、林區和鄉村等相關參數。在市區模型下必須輸入建筑物覆蓋比例。此時系統將連接系統電磁特性數據庫，得到地圖上設置的發射設備的特性參數，包括發射的中心頻率、增益以及發射設備所在的經緯度等。電波強度計算模塊接收到典型地形特征參數后，直接用于調用傳播衰減計算模塊，進行電波強度的計算。首先根據發射功率以及敏感門限計算自由空間下的衰減距離，然后在自由空間衰減距離的范圍內，找到需要對DEM高層數據搜索的矩形的邊長，將范圍內的柵格進行等分之后進行逐點掃描，并計算該柵格的電波強度，若高于設置的門限值即進行顏色變化顯示，同時將計算得到的輻射強度存儲在文本中。最后將整個地圖的顏色、透明度及需要高亮顯示的部分進行設置,即可根據電波輻射強度的變化顯示在地圖區域。通過計算自由空間下的衰減距離(對此距離外的部分不做計算)，可以大大縮小逐點掃描計算的范圍，提高運算速率。仿真系統的流程如圖4所示。

2 電波強度計算模型

在計算電磁場輻射時，通常采用數值計算方法和高頻近似方法，數值計算方法適合電大尺寸結構的計算，而電中小尺寸的結構則適合用高頻近似方法進行分析計算。由于城市電磁環境中的主要輻射源是各類大型通信設備，如移動通信的基站、廣播電臺和電視臺的發射塔等，因此可用由統計方法歸納得到的電波傳播模型預測這類大型通信設備的輻射場[3]。通過輸入發射天線的參數代入模型計算得到設備周圍的輻射強度，此方案整體來說可行性較強。由于電波環境的復雜性，很難用精確的方法描述整個傳輸環境，通常采用統計方法加以描述，所以根據實測數據歸納得出的統計模型受到傳播環境的約束較大,存在一定局限性，因此不同的地形環境需要選擇與之相適合的計算模型。

對于大型通信設備輻射源，有幾種常用的傳播預測模型。其中Okumura-Hata模型比較適合我國準平坦地形的城市地面的計算[4]。此模型中，某一點的場強E是一組變量的函數，變量包括發射功率 Pt、頻率 f、距離 d、天線和目標位置的高度 hb和 hm以及方向圖增益 Gb(φ)等，表示為 E[d,Pt,α,f,hb,hm,Gb(φ)]。 考慮到城市建筑物引起傳輸路徑場強的附加損耗，需要對Okumura-Hata模型進行改進。對于改進的模型，電波覆蓋區內某一點的中值場強可表示為:

其中，E50,50[d,Pt,α,f,hb,hm,Gb(φ)]為中值場強 ，f為中心頻率；Pt為基站天線發射功率；Gb(φ)為方向圖增益；φ為角度；Lb(d)為基本傳輸損耗。不同環境下Lb(d)的計算方法如下：

根據式(2)得到Lb(d)的值，代入場強的計算公式就可以得到場強。另外，對30 MHz以下信號的模擬預測，Longley-Rice模型有更好的準確性[5],因為該模型考慮了自由空間中由地形的非規則性造成的中值傳輸衰落，因此，Longley-Rice模型計算電波強度時需要結合該城市地圖的高層DEM數據進行計算。在Longley-Rice的改進模型中進一步考慮了由于接收機天線的高度很低造成的電波傳輸路徑的復雜化，采用等效的散射體來描述接收機附近的電波傳播情況。本文采用Okumura-Hata模型和Longley-Rice模型，用戶根據實際參數和精度要求選擇適用模型進行仿真。

除了得到該城市的電波輻射強度，仿真平臺還可以根據用戶輸入安全防護門限值判斷是否安全并顯示危險區域。其判斷條件為：

發射功率+發射天線增益+接收天線增益-路徑衰減＞門限值

判斷條件成立表示該測量點的電波輻射強度大于防護標準值，對人體和電子設備有危害，否則即為安全。

3 系統應用實例

城市電磁環境仿真平臺界面如圖5所示。

導入宜都市地圖，在經度111.752°、緯度30.176 8°設置系統級輻射源，高度為72 m，選擇適宜的仿真模型，本實例中選用Okumura-Hata模型。模型選擇操作界面如圖6所示。

選用Okumura-Hata模型之后，需要輸入安全門限值，本實例中選擇門限為-120 dB，并選擇環境為市區，預計該處的建筑物覆蓋面積為30%，仿真結果如圖7所示，同時電波強度將被保存至文本。

城市電磁環境仿真平臺可以根據城市電磁輻射源的分布及其相關參數，結合地形等特征計算出電磁輻射強度的分布，并直觀顯示在城市地圖上。本平臺的計算結果具有較高的準確度和可信度，較大程度上真實地反映了城市電磁場強度的分布，可以實現對城市電磁環境的監測并為實地測量提供支持，最終為城市電磁污染的防護及治理提供指導和依據。

[1]孟超.城市電磁輻射污染的產生與危害[J].安全，2005(5):29-33.

[2]王東，羅啟秀.一種三維電磁環境管理地理信息系統的研究[J].中國輻射衛生，2011,20(4):396-398.

[3]王淑娟.移動通信基站電磁輻射在環境中的分布研究[D].武漢：華中農業大學，2010(6):15-19.

[4]張業榮，竺南直，程勇.蜂窩移動通信網絡規劃與優化[M].北京：電子工業出版社，2003.

[5]徐文杰,周新力,吳龍剛.Longley-Rice等效散射模型的建立[J].電磁場和微波，2011，41(4):42-44.