基于GIS的城市电磁环境仿真平台实现

曾国奇，李思吟，韦志棉

（北京航空航天大学 无人驾驶飞行器设计研究所，北京100191）

随着高频电磁波技术及其应用的迅猛发展，城市环境下的电波传播特性研究已经成为一个重要课题。由于城市电磁污染的不断加重，导致对人体及通信环境都产生了不利的影响，因此对电磁污染的防护和治理研究具有现实而长远的意义[1]。电磁环境的监测是电磁污染防护、治理的关键，目前的监测方法主要以人工携带设备定点监测，这种方式只能监测到城市环境中的某个区域，而不能对整个城市的电磁环境进行监测，而且监测区域的选择也存在一定的盲目性，对于城市电磁环境的防护治理不利。随着计算机技术的发展，尤其是GIS技术的逐步成熟，开发基于 GIS的城市电磁环境可视化信息系统成为可能。GIS可以对数字化地图等空间数据和电磁信息属性数据进行统一管理，同时GIS强大的图形处理和输出能力更为仿真平台提供了直观的数据支持[2]。

本文旨在了解城市的电磁环境状况，从宏观角度控制整个城市的电磁辐射。设计了基于GIS控件SuperMap Objects和Visual C++6.0的城市电磁环境仿真平台，通过设置辐射源参数并选择适用的仿真模型，对城市环境电磁辐射场进行仿真，得到电磁辐射强度可视化显示，进而了解电磁环境安全状况。

1 平台整体设计方案

电磁环境仿真平台实现的6个功能：

(1)电波传播距离预测。基于典型地形和各系统电磁特性数据，分析电波在各种地形下的传输距离。

(2)电磁特性数据库的建立。电磁特性数据库用于存储各系统的辐射特性数据。数据库严格加密措施，采用访问权限分级管理。

(3)电磁特性数据编辑。电磁特性数据编辑模块用于增加、修改和删除电磁特性数据库中的数据。数据编辑通过下拉式菜单和弹出式对话框来实现。

(4)传播衰减计算。根据用户选择的地形模式和建筑物的覆盖密度来计算电磁波的传播衰减。在电磁波的传输距离范围内，利用电磁波发射设备的强度与传播衰减的差值得到某点的电磁场强度。

(5)三维数字地图管理。对城市的三维数字地图进行管理。

(6)电磁辐射强度显示。根据传播衰减的输出结果显示电磁波的辐射强度，主要基于“三维数字地图管理”的显示功能函数来实现。

根据本城市电磁环境仿真系统的原理和功能要求，设计了如图1所示的工作原理框架。系统首先记录各个辐射源的电磁特性，结合本地地图的高层DEM数据或者用户输入的地形特征参数进行传播衰减的计算，根据衰减得到城市的电波辐射强度分析，并将其显示在仿真界面上。

本系统将采用多文档的设计模式，在每个子窗体内采用多视图的显示方式，在不同的视图内显示不同的内容。系统采用模块化的设计，将各功能模块进行组合及封装。根据电磁环境仿真平台的实现功能，大体分为参数设置、场强计算及图形显示3个主要模块，如图2所示。

参数设置模块：用于仿真平台所需参数的设置，采用对话框的交互形式输入。包括地形参数设置模块、天线参数设置模块、发射机参数设置模块、接收机参数设置模块、设备级参数设置模块、台站级参数设置模块及系统级参数设置模块。

计算模块：主要完成城市环境下电磁场强度分布的计算。此模块主要在后台运行，根据参数设置模块获取参数以及用户选择的算法或模型，结合地图的高层数据计算出各分辨单元的场强，进而得到所监测区域内的场强数据，并送入数据库记录。计算模块实现的关键是计算方法或计算模型的选择，即根据输入参数选择合适的计算方法，以获得较好的计算准确度和计算速度。

地图显示模块：主要完成调出数据库内电波辐射强度，并根据强度不同在地图上以覆盖形式显示。根据显示的地图比例尺和计算的距离精度将地图和计算结果对应起来，同时本模块需要读入所监测地域的地图并识别用户在地图上的操作，完成相应的人机交互。仿真平台中计算模块和显示模块是本系统实现的重点和难点。

3个主要模块下还有各个子模块，彼此功能相互独立，数据部分采用数据库进行数据共享，大部分计算功能采用单独的模块处理。由于大部分模块都需要使用数据库的功能，而且数据比较多，因此与数据库联系的部分由各模块完成。图3显示了系统元素（各层模块、子程序）的划分，并说明了每个系统元素的标识符和功能，分层次地给出各元素之间的控制与被控制关系。

本系统需要输入典型地形特征、各系统电磁特性等数据进行传播距离及电波强度的计算。在地图区选择电波传播模型的界面。选择了适用的传播模型之后，进入参数选择对话框，输入门限值和地形参数，包括市区、郊区、开阔地、林区和乡村等相关参数。在市区模型下必须输入建筑物覆盖比例。此时系统将连接系统电磁特性数据库，得到地图上设置的发射设备的特性参数，包括发射的中心频率、增益以及发射设备所在的经纬度等。电波强度计算模块接收到典型地形特征参数后，直接用于调用传播衰减计算模块，进行电波强度的计算。首先根据发射功率以及敏感门限计算自由空间下的衰减距离，然后在自由空间衰减距离的范围内，找到需要对DEM高层数据搜索的矩形的边长，将范围内的栅格进行等分之后进行逐点扫描，并计算该栅格的电波强度，若高于设置的门限值即进行颜色变化显示，同时将计算得到的辐射强度存储在文本中。最后将整个地图的颜色、透明度及需要高亮显示的部分进行设置,即可根据电波辐射强度的变化显示在地图区域。通过计算自由空间下的衰减距离(对此距离外的部分不做计算)，可以大大缩小逐点扫描计算的范围，提高运算速率。仿真系统的流程如图4所示。

2 电波强度计算模型

在计算电磁场辐射时，通常采用数值计算方法和高频近似方法，数值计算方法适合电大尺寸结构的计算，而电中小尺寸的结构则适合用高频近似方法进行分析计算。由于城市电磁环境中的主要辐射源是各类大型通信设备，如移动通信的基站、广播电台和电视台的发射塔等，因此可用由统计方法归纳得到的电波传播模型预测这类大型通信设备的辐射场[3]。通过输入发射天线的参数代入模型计算得到设备周围的辐射强度，此方案整体来说可行性较强。由于电波环境的复杂性，很难用精确的方法描述整个传输环境，通常采用统计方法加以描述，所以根据实测数据归纳得出的统计模型受到传播环境的约束较大,存在一定局限性，因此不同的地形环境需要选择与之相适合的计算模型。

对于大型通信设备辐射源，有几种常用的传播预测模型。其中Okumura-Hata模型比较适合我国准平坦地形的城市地面的计算[4]。此模型中，某一点的场强E是一组变量的函数，变量包括发射功率 Pt、频率 f、距离 d、天线和目标位置的高度 hb和 hm以及方向图增益 Gb(φ)等，表示为 E[d,Pt,α,f,hb,hm,Gb(φ)]。 考虑到城市建筑物引起传输路径场强的附加损耗，需要对Okumura-Hata模型进行改进。对于改进的模型，电波覆盖区内某一点的中值场强可表示为:

其中，E50,50[d,Pt,α,f,hb,hm,Gb(φ)]为中值场强 ，f为中心频率；Pt为基站天线发射功率；Gb(φ)为方向图增益；φ为角度；Lb(d)为基本传输损耗。不同环境下Lb(d)的计算方法如下：

根据式(2)得到Lb(d)的值，代入场强的计算公式就可以得到场强。另外，对30 MHz以下信号的模拟预测，Longley-Rice模型有更好的准确性[5],因为该模型考虑了自由空间中由地形的非规则性造成的中值传输衰落，因此，Longley-Rice模型计算电波强度时需要结合该城市地图的高层DEM数据进行计算。在Longley-Rice的改进模型中进一步考虑了由于接收机天线的高度很低造成的电波传输路径的复杂化，采用等效的散射体来描述接收机附近的电波传播情况。本文采用Okumura-Hata模型和Longley-Rice模型，用户根据实际参数和精度要求选择适用模型进行仿真。

除了得到该城市的电波辐射强度，仿真平台还可以根据用户输入安全防护门限值判断是否安全并显示危险区域。其判断条件为：

发射功率+发射天线增益+接收天线增益-路径衰减＞门限值

判断条件成立表示该测量点的电波辐射强度大于防护标准值，对人体和电子设备有危害，否则即为安全。

3 系统应用实例

城市电磁环境仿真平台界面如图5所示。

导入宜都市地图，在经度111.752°、纬度30.176 8°设置系统级辐射源，高度为72 m，选择适宜的仿真模型，本实例中选用Okumura-Hata模型。模型选择操作界面如图6所示。

选用Okumura-Hata模型之后，需要输入安全门限值，本实例中选择门限为-120 dB，并选择环境为市区，预计该处的建筑物覆盖面积为30%，仿真结果如图7所示，同时电波强度将被保存至文本。

城市电磁环境仿真平台可以根据城市电磁辐射源的分布及其相关参数，结合地形等特征计算出电磁辐射强度的分布，并直观显示在城市地图上。本平台的计算结果具有较高的准确度和可信度，较大程度上真实地反映了城市电磁场强度的分布，可以实现对城市电磁环境的监测并为实地测量提供支持，最终为城市电磁污染的防护及治理提供指导和依据。

[1]孟超.城市电磁辐射污染的产生与危害[J].安全，2005(5):29-33.

[2]王东，罗启秀.一种三维电磁环境管理地理信息系统的研究[J].中国辐射卫生，2011,20(4):396-398.

[3]王淑娟.移动通信基站电磁辐射在环境中的分布研究[D].武汉：华中农业大学，2010(6):15-19.

[4]张业荣，竺南直，程勇.蜂窝移动通信网络规划与优化[M].北京：电子工业出版社，2003.

[5]徐文杰,周新力,吴龙刚.Longley-Rice等效散射模型的建立[J].电磁场和微波，2011，41(4):42-44.