基于GIS技术的信号场强射线跟踪模型

黄小雪，文建辉，宋韶华，许　睿，万　航

(1.灌阳县人民政府，广西 桂林　541600； 2.桂林市环境保护局，广西 桂林　541002；3.桂林电子科技大学 生命与环境科学学院，广西 桂林　541004)



基于GIS技术的信号场强射线跟踪模型

黄小雪1，文建辉2，宋韶华2，许睿3，万航3

(1.灌阳县人民政府，广西 桂林541600； 2.桂林市环境保护局，广西 桂林541002；3.桂林电子科技大学 生命与环境科学学院，广西 桂林541004)

为了准确模拟小区域基站电磁波辐射场强，设计了一种基于GIS技术的三维空间信号场强模型。通过ARCGIS构建三维建筑群，以Python脚本和ARCGIS模型构建器实现了射线跟踪模型。以桂林电子科技大学金鸡岭校区为例，模拟结果比较准确地反映区域电磁波辐射情况。

遥感；GIS；信号场强

随着移动通信需求的增大，大密度基站造成民众对电磁波辐射的安全疑问，同时增大了网络用户的成本[1]。为了合理规划基站及评估环境辐射，需要模拟小尺度区域电磁波信号场强。20世纪60年代，国外开始小尺度电磁波信号场强模拟，但国内研究起步较晚，以引入国外电磁波传播模型为主[2-4]。常用的预测模型包括Okumura模型、Hata模型、Durkin模型、CCIR模型和射线跟踪模型[5-6]。Okumura模型、Hata模型、Durkin模型适用于丘陵、山地等大区域空间实体对象的场强分析；CCIR模型和射线跟踪模型适用于城市微蜂窝通信网络场强的模拟；射线跟踪模型以数学计算为基础，弥补了传统模型纯经验分析的缺陷。

基于GIS技术构建小尺度区域三维空间电磁波场强模型，选取目标建筑群和地形数字高程模型(DEM)，采用DEM数据和Landsat影像数据，以ARCGIS空间分析和三维渲染技术，实现小尺度区域地形和建筑群三维构建。根据目标空间建筑群特征，建立空间属性数据库，以ARCGIS模型构建器和Python脚本，实现射线跟踪模型，模拟研究区三维空间的信号场强，以实测数据校准参数，验证准确性。

1　研究区三维重构

以桂林电子科技大学金鸡岭校区为研究对象，其三维重构由外部DEM地形重构和建筑群重构组成。

1.1空间实体区高程模型构建

在基于三维空间的电磁波场强模拟的构建过程中，为实现空间数据处理、分析与展示，结合图像技术，将空间实体对象数字信息进行可视化建模[7-8]。

基于ARCScene(ARCGIS三维分析模块的组成部分)，表面对象三维建模可视化以空间实体区的高程信息为基础，通过对高程信息的分析和转化实现。具体步骤为：

1)对研究区进行数据预处理，匹配Landsat波段，还原卫星图实地状况。

2)添加研究区的DEM数据、真彩色遥感影像数据以及边界数据。矢量数据和遥感影像数据的显示优先级均为1，需修改矢量数据的显示优先级。

3)设置影像数据的高程和高程分辨率，实现影像数据的三维显示。

4)定义边界线和底面的三维属性，与影像数据的设置类似，定义其基准高程与夸张因子。

以桂林电子科技大学金鸡岭校区展示区域高程变化，外部DEM的表面三维重构如图1所示。图1左下角和中间的平坦区域为校区，为增强显示效果，周边山体受夸张因子作用比实际山体高5倍。

1.2建筑物三维空间模型构建

要素对象与表面对象的不同之处在于，要素对象

图1　外部DEM的表面三维重构Fig.1　3D reconstruction of surface object of outside DEM

是离散的点、线、面和体的集合，具有数学和属性特征。将桂林电子科技大学金鸡岭校区的建筑物分布要素抽象为几何和属性2个基类，分别派生点、线、三角形、颜色等子类。其中，点构成线，线构成面，面构成体，由此构建其空间层次关系。建筑物分布要素的三维模型可转化为关系数据库模型，因此在要素对象的空间建模时，直接构建各要素的关系数据表。具体步骤为：

1)选择研究区的遥感影像图，提取建筑物的平面矢量图，同时定义矢量图的属性和特征信息，如图2所示。其中：图2(a)斜线框为建筑物俯视图；图2(b)为数字信息，height字段表示建筑物高度，name字段表示建筑物名称。

图2　建筑物平面矢量图构建Fig.2　The construction of buildings plane vector

2)在ARCScene中加载建筑物的平面矢量图，根据建筑物属性信息，实现拉伸展示。

3)使用3D工具，以多立面形式存储拉伸模型。其结果在外观上与拉伸模型一致，数据存储由内存图层转为数据库数据。

4)多立面数据转为COLLADA格式数据，在Sketchup中实现表面、纹理的建模，为电磁波射线跟踪模型提供基础数据。

根据以上步骤，完成建筑群外部DEM处理和三维构建，形成三维空间数据库，为射线跟踪模型分析提供数据支撑。采用三维可视化技术直观地展现空间地形、地貌以及建筑物的属性特征，空间实体对象在三维场景中的展现更加直观与真实。与二维数据相比，三维数据精确地展现了空间实体对象的峰、谷、脊和建筑物形状信息。

2　模型构建及验证

2.1射线跟踪模型

在射线跟踪模型中，信号在空间中的传播简化为直射、反射和绕射3种。根据空间区域建筑物的属性特征，实现传播路径的追踪。首先定义信号发射源点，然后分析传播信号与建筑物的表面交点，并以此交点作为下一层结构的二次源点，以此类推，分析电磁波的三次源点。其建立步骤为：

1)建立坐标系，定义建筑物与信号接收点坐标。

2)定义信号发射点。

3)计算发射点到建筑物距离，对距离大小进行排序。

4)找出发射点可视建筑物，记录可视面及边缘，作为下一层信号源点，同时记录发射源有效张角范围。

5)以步骤4)记录的可视建筑物为算法的二次源点进行反射计算，找出二次源点可视建筑物，计算距离并排序。重复步骤4)，根据建筑物边缘特征实现绕射分析。

6)递归分析后续建筑物的反射与绕射传播，直到完成寻找研究区的建筑物。

通过模型构建器及Python脚本建立电磁波射线跟踪模型，并代入研究区数据，分析空间点位置信号质量与信号强度，ARCGIS模型构建器的射线跟踪模型表达形式如图3所示，图中椭圆表示数据输入项，方形为公式计算项，主要包括高程、点距离、场强计算和建筑物数字信息。

图3　ARCGIS模型构建器的射线跟踪模型表达形式Fig.3　Ray tracing model expressions of ARCGIS model builder

2.2结果及验证

根据简化的建筑物属性数据，以GIS模型构建器和Python脚本实现了射线跟踪模型，模拟了电磁波在建筑群间的传播路径，如图4所示。图中白色方块为建筑物，线条为电磁波传播路径。

图4　建筑群间的电磁波传播路径Fig.4　Electromagnetic wave propagation path between the buildings

根据传播路径计算每条射线的衰减，对研究区进行网格化，以网格内射线数及强度计算网格电磁波辐射强度。场强网格划分及场强模拟如图5所示。为了验证模型效果，采用自制信号场强采集仪[9-10]检测

图5　场强网格划分及场强模拟Fig.5　Field strength mesh and simulation

多个点位场强数据，进行插值与模型结果比较，模拟数值相对误差小于20%，模型具有较高可信度。

3　结束语

基于电磁波传播理论建立的射线跟踪模型适合小尺度区域模拟信号场强，结合小尺度区域三维空间与外部遥感空间重构方法细致地展示了地形、地物状况，实现了空间地物数据库，并与电磁波场强模拟，具有较好的兼容性。在此基础上，以ARCGIS模型构建器及Python语言实现了射线跟踪模型。以研究区空间数据库为对象进行模拟渲染和验证，其结果直观可靠，与场强采集仪数据相比，相对误差小于20%。

[1]王利东.三维城市环境下电磁波场强预测加速模型研究[D].湘潭:湖南科技大学, 2012:1-2.

[2]钱钊.基于GIS的信号场强预测算法研究[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,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]徐东生.基于GIS技术的广播电视覆盖与管理系统[J].电视技术,2002(8):35-36.

[5]孙红云,王亮,王涛,等.GIS技术在无线电磁波场强分析中的应用研究[J].测绘科学,2007,32(6):104-106.

[6]朱思峰,刘芳,柴争义.基于免疫计算的TD-SCDMA网络基站选址优化[J].通信学报,2011,32(1):106-120.

[7]罗英伟,丛升日,汪小林,等.分布式地理信息系统基础研究[J].计算机工程与应用,2000,36(11):1-4.

[8]李文鹏,梁晶.插件式三维地理信息系统的设计与实现[J].测绘与空间地理信息,2012,35(11):98-99.

[9]范秋明,何兆成.基于手机基站定位数据的地图匹配研究[J].交通信息与安全,2011,29(4):52-57.

[10]万航,许睿,黄小雪,等.基于GIS和Android便携式无线信号场强采集仪设计[J].电视技术,2014,38(3):150-152.

编辑：曹寿平

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

国家自然科学基金(41501342)；广西自然科学基金(2014GXNSFAA118324)；广西信息科学实验中心基金(20130324)；广西教育厅科研项目(201204LX139)

许睿(1977-)，男，四川成都人，副教授，博士，研究方向为环境遥感模拟。E-mail：535976@qq.com

P208；X87

A

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

引文格式： 黄小雪，文建辉，宋韶华，等.基于GIS技术的信号场强射线跟踪模型[J].桂林电子科技大学学报，2016,36(3):244-247.