基于地形数据的通视区分析软件设计及实现

基于地形数据的通视区分析软件设计及实现

陈笑飞、钱立恩、马国峰

中国电子科技集团公司第三十六研究所，嘉兴 314000

摘要：

无线通信系统的作用距离除了受系统本身的接收灵敏度、天线增益、信号处理能力等因素影响外，主要受信号传播链路的影响，保证通视条件是系统效能发挥的前提基础。若站点选址不合理，会导致站点传感器无法发挥出自身的技术优势，无法实现对信号的有效接收，从而造成极大的资源浪费。本文利用地形数据对站点通视区进行分析，采用规则矩形格网数字地形模型对指定站点和目标进行通视范围计算，为建站选址提供一种辅助决策手段，保证建站收益最大化。

关键词：作用距离、通视条件、地形数据

Design and implementation of visibility analysis software

based on terrain data

Chen Xiaofei, Qian Lien, Ma Guofeng

(The 36th Research Institute of China Electronics Technology Corporation,JiaXing 314000 China)

[Abstract]:

Besides receiving sensitivity, antenna gain and signal processing ability of the system, operating distance of wireless communication system is mainly affected by the signal transmission link. Ensuring intervisibility condition is the premise of system receiving efficiency. If the location is not reasonable, it will lead to the site sensor can not play its own technical advantages, can not achieve the effective reception of the signal, resulting in a great waste of resources. In this paper, the terrain data is used to analyze the visibility area of the station, and the regular rectangular grid digital terrain model is used to calculate the visibility range of the designated station and target, which provides an auxiliary decision-making means for the site selection of the station and ensure the maximum revenue of the station.

Key words: Operating distance、Intervisibility conditions、Terrain data

1. 引言

对一个无线通信系统来说，在不考虑安装误差导致信号收发性能变化的情况下，其接收灵敏度、天线增益、信号处理能力等都是固定的，系统效能的发挥将直接受限于系统站点的通视距离。通信信号发射接收过程一般是自由空间传播的方式，受传播链路影响很大，尤其在地形复杂的山区环境，受到山体遮挡会使路径损耗大大增加，从而影响站点对通信信号的接收。目标和站点之间良好的通视条件是系统效能发挥的基本前提，也是建站选址时需要重点解决的问题。

二、通视的定义

通视性的概念广泛应用于各种仿真系统中，其基本形式就是确定一个仿真对象是否能够“看”到仿真环境中的另外一个对象，为回答这个问题必须首先确定在三维空间中链接这两个对象的线段是否与地形数据库中任何多边形相交，如果这条线段上的任意一点都在地形之上，则这两个对象是可以通视的^[1]。如果这两点之间的连线跟给定的地形相交，则说明这两点之间不可通视^[2]。

由此，可以将复杂的地形通视性分析简化为数字地形模型分析计算，带入区域地形数据后，可根据拟建站点和信号接收目标的海拔高度及位置信息，实现站点通视区分析，通过可视化图形界面直观展现通视范围，为建站选址提供一种辅助决策手段，实现通信站点收发效能的预先评估，以保证建站收益最大化。

三、技术途径

1. 地形数据建模

通视区计算依赖于地形数据，而地形数据的建模直接影响到通视区计算的可信度和仿真程度，本技术通过规则矩形格网（Regular Square Grid,RSG）数字地形模型（Digital Terrian Model,DTM）的高层数据形成二维的高层数据模型，从而实现地形数据到数据建模的转换。

图1 二维的高层数据模型

通过后续的剖面切割，实现两点之间的通视数学模型计算，并最终形成两个地理坐标高度的通视能力计算结果。

2. 基于地形数据剖面切割

根据地形数据数学建模之后，需要将通视计算转化为数学计算。

图2 地势等高图示意

通过地势等高图的两点为直线，进行剖面切割，形成剖面图，将三维问题转化为二维问题。

图3 基于地形数据的剖面切割

基于以上原理，通过规则矩形格网的二维高层数据模型，将原本的物理问题转化为数学问题。通过观察点与目标点之间沿途各点的夹角进行判断是否通视。

图4 通视条件判定

3. 建立计算模型

采用规则矩形格网数字地形模型的概念，以数字的形式，按一定的结构组织在一起，表示实际地形特征的空间分布，也就是地形形状、大小和起伏的数字描述。规则的网格结构便于数据的检索，可以用统一的算法完成检索和插值计算^[3]。数字高程模型（Digital Elevation Model,DEM）是地理信息系统地理数据库中最为重要的空间信息资料和赖以进行地形分析的核心数据，是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表达^[4]。

本文采用数字高程模型（DEM）结合规则矩形网格（RSG）的形式展开实际应用设计。

图8 规则矩形格网数字模型

以900m作为间隔，对通视分析范围进行栅栏分隔，获取一维为经度轴，二维为纬度轴的RSG数据模型。下图为指定通视范围的按900m*900m为最小单位进行切割的一部分高层数据模型。每格表示横、纵各900m距离点的地形高度。将样本点集内的每个样本点，放入地形数据中，通过样本点的经纬度获取样本点的高度，然后计算各样本点到站点A是否通视，如下图所示：

图9 通视计算示例

将A、B两点之间规则矩形格网数字地形模型的高层数据转换为剖面进行计算。

设α_i是观察点A与各等高线的夹角，α是观察点与目标点B之间的夹角，则观察点与各等高线点的斜率为

（2）

（3）

其判断条件：若 ，则视A和B之间通视，否则A和B不通视。

四、应用及仿真结果

1. 确定通视分析范围并获取导入地理数据

根据拟建站点样本选择需求，在地图上确定通视分析范围，通过Gis地理信息系统结合高层数据，得到该区域带高层信息的地理信息地形图。

图6 地形数据图

2. 输入拟建站址信息

将前期预选站点的站址位置信息（经纬度、海拔、方位朝向等）导入，并用图标的形式将站点在地图上进行标绘，如下图所示。

图7 拟建站址样本信息

3. 通视区分析结果

对300公里范围内站点信号接收方向±60°的对地通视区进行标绘，如下图中绿色区域所示。

（A站点） (B站点）

图10 通视示例计算结果对比

将地理位置相近拟建站点A和B的通视区域进行对比，上图中可以看出：A站点对地通视范围广，视野开阔；而B站点明显受到严重的山体遮挡，视距通视范围很小。因此，在该区域站点选择上优选A站点进行设备安装能实现信号接收效能最大化，建站收益更高。

五、结束语

通视区分析对无线通信系统部署站点的前期勘选以及系统效能预评估具有重要的意义，本文利用地形数据对站点通视区进行分析，采用规则矩形格网数字地形模型对指定站点和目标进行通视范围计算，通过直观的图形化显示界面，为建站选址及效能评估提供较好的数据分析和辅助决策手段，成果可直接推广应用。

六、参考文献：

[1]王智杰，地形通视性算法研究与设计[D]，国防科技大学，2003.11；

[2]李文伟、李广云，一种基于GIS的复杂地形通视性算法研究[J]，2008系统仿真技术及其应用学术会议；

[3]王智杰，地形通视性算法研究与设计[D]，国防科技大学，2003.11；

[4]李东岳、李文琦、李明，基于格网DEM的GIS通视分析算法研究[J]，2010通信理论与技术新发展----第十五届全国青年通信学术会议论文集下册；

作者简介：

陈笑飞（1988-），男，工程师，主要从事通信对抗领域系统总体设计；

钱立恩（1985-），男，工程师，主要从事通信对抗领域应用软件设计；

马国峰（1990-），男，工程师，主要从事通信对抗领域应用软件设计；