基于GIS技術的信號場強射線跟蹤模型

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.桂林市環境保護局，廣西 桂林　541002；3.桂林電子科技大學 生命與環境科學學院，廣西 桂林　541004)

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基于GIS技術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.桂林市環境保護局，廣西 桂林541002；3.桂林電子科技大學 生命與環境科學學院，廣西 桂林541004)

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

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，同時增大了網絡用戶的成本[1]。為了合理規劃基站及評估環境輻射，需要模擬小尺度區域電磁波信號場強。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絡場強的模擬；射線跟蹤模型以數學計算為基礎，彌補了傳統模型純經驗分析的缺陷。

基于GIS技術構建小尺度區域三維空間電磁波場強模型，選取目標建筑群和地形數字高程模型(DEM)，采用DEM數據和Landsat影像數據，以ARCGIS空間分析和三維渲染技術，實現小尺度區域地形和建筑群三維構建。根據目標空間建筑群特征，建立空間屬性數據庫，以ARCGIS模型構建器和Python腳本，實現射線跟蹤模型，模擬研究區三維空間的信號場強，以實測數據校準參數，驗證準確性。

1　研究區三維重構

以桂林電子科技大學金雞嶺校區為研究對象，其三維重構由外部DEM地形重構和建筑群重構組成。

1.1空間實體區高程模型構建

在基于三維空間的電磁波場強模擬的構建過程中，為實現空間數據處理、分析與展示，結合圖像技術，將空間實體對象數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)，表面對象三維建模可視化以空間實體區的高程信息為基礎，通過對高程信息的分析和轉化實現。具體步驟為：

1)對研究區進行數據預處理，匹配Landsat波段，還原衛星圖實地狀況。

2)添加研究區的DEM數據、真彩色遙感影像數據以及邊界數據。矢量數據和遙感影像數據的顯示優先級均為1，需修改矢量數據的顯示優先級。

3)設置影像數據的高程和高程分辨率，實現影像數據的三維顯示。

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

以桂林電子科技大學金雞嶺校區展示區域高程變化，外部DEM的表面三維重構如圖1所示。圖1左下角和中間的平坦區域為校區，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，具有數學和屬性特征。將桂林電子科技大學金雞嶺校區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，點構成線，線構成面，面構成體，由此構建其空間層次關系。建筑物分布要素的三維模型可轉化為關系數據庫模型，因此在要素對象的空間建模時，直接構建各要素的關系數據表。具體步驟為：

1)選擇研究區的遙感影像圖，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，根據建筑物屬性信息，實現拉伸展示。

3)使用3D工具，以多立面形式存儲拉伸模型。其結果在外觀上與拉伸模型一致，數據存儲由內存圖層轉為數據庫數據。

4)多立面數據轉為COLLADA格式數據，在Sketchup中實現表面、紋理的建模，為電磁波射線跟蹤模型提供基礎數據。

根據以上步驟，完成建筑群外部DEM處理和三維構建，形成三維空間數據庫，為射線跟蹤模型分析提供數據支撐。采用三維可視化技術直觀地展現空間地形、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更加直觀與真實。與二維數據相比，三維數據精確地展現了空間實體對象的峰、谷、脊和建筑物形狀信息。

2　模型構建及驗證

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。根據空間區域建筑物的屬性特征，實現傳播路徑的追蹤。首先定義信號發射源點，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構的二次源點，以此類推，分析電磁波的三次源點。其建立步驟為：

1)建立坐標系，定義建筑物與信號接收點坐標。

2)定義信號發射點。

3)計算發射點到建筑物距離，對距離大小進行排序。

4)找出發射點可視建筑物，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。重復步驟4)，根據建筑物邊緣特征實現繞射分析。

6)遞歸分析后續建筑物的反射與繞射傳播，直到完成尋找研究區的建筑物。

通過模型構建器及Python腳本建立電磁波射線跟蹤模型，并代入研究區數據，分析空間點位置信號質量與信號強度，ARCGIS模型構建器的射線跟蹤模型表達形式如圖3所示，圖中橢圓表示數據輸入項，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字信息。

圖3　ARCGIS模型構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結果及驗證

根據簡化的建筑物屬性數據，以GIS模型構建器和Python腳本實現了射線跟蹤模型，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

根據傳播路徑計算每條射線的衰減，對研究區進行網格化，以網格內射線數及強度計算網格電磁波輻射強度。場強網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　場強網格劃分及場強模擬Fig.5　Field strength mesh and simulation

多個點位場強數據，進行插值與模型結果比較，模擬數值相對誤差小于20%，模型具有較高可信度。

3　結束語

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

[1]王利東.三維城市環境下電磁波場強預測加速模型研究[D].湘潭:湖南科技大學, 2012:1-2.

[2]錢釗.基于GIS的信號場強預測算法研究[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學,2007:2-4.

[3]BUVANESWARI A, RAVISHANKAR B, GRAYBEAL J M,et al. New optimization and management services for 3G wireless networks using CELNET Xplorer[J].Bell Labs Technical Journal,2005,9(4):101-115.

[4]徐東生.基于GIS技術的廣播電視覆蓋與管理系統[J].電視技術,2002(8):35-36.

[5]孫紅云,王亮,王濤,等.GIS技術在無線電磁波場強分析中的應用研究[J].測繪科學,2007,32(6):104-106.

[6]朱思峰,劉芳,柴爭義.基于免疫計算的TD-SCDMA網絡基站選址優化[J].通信學報,2011,32(1):106-120.

[7]羅英偉,叢升日,汪小林,等.分布式地理信息系統基礎研究[J].計算機工程與應用,2000,36(11):1-4.

[8]李文鵬,梁晶.插件式三維地理信息系統的設計與實現[J].測繪與空間地理信息,2012,35(11):98-99.

[9]范秋明,何兆成.基于手機基站定位數據的地圖匹配研究[J].交通信息與安全,2011,29(4):52-57.

[10]萬航,許睿,黃小雪,等.基于GIS和Android便攜式無線信號場強采集儀設計[J].電視技術,2014,38(3):150-152.

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

國家自然科學基金(41501342)；廣西自然科學基金(2014GXNSFAA118324)；廣西信息科學實驗中心基金(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技術的信號場強射線跟蹤模型[J].桂林電子科技大學學報，2016,36(3):244-247.