CN114565731A - 一种基于复杂地形的电磁环境可视化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于复杂地形的电磁环境可视化方法，具体包括以下步骤：S1复杂三维地形建模：通过地理数据进行处理构建高程模型，实现复杂地形的三维建模与渲染；S2基于复杂地形模型的场强计算：利用地理位置信息及与用户交互得到的参数进行场强综合计算，实现电磁环境的分布与态势的预测；S3基于三维色带渲染法可视化电磁环境：通过改进的一维颜色带渲染方式设计基于可见光三个波段控制的三维色带渲染法；对于电磁能量信息的三维可视化采用体绘制方法，实现电磁环境三维可视化。该基于复杂地形的电磁环境可视化方法能够使计算出的电磁态势分布更精准，且实现电磁环境的自动可视化渲染，且渲染结果逼真，色彩柔和，更富表现力。
Description
技术领域
本发明涉及电磁环境技术领域，尤其涉及一种基于复杂地形中电磁环境可视化方法以及系统。
背景技术
随着移动无线通信技术及应用的快速发展，电磁环境变得越来越复杂。在复杂地形条件下，电磁波的传播受地形、植被、气候等各种因素的影响，产生信号的时延扩散和多径衰落效应，将严重降低移动通信系统的通信质量。在复杂地形下开展复杂电磁环境的研究，对机动通信网络尤为重要，关系到网络建设成本的高低与网络通信质量的好坏。对电磁环境进行三维可视化处理，进而辅助网络规划和网络优化。因此，研究复杂地形下电磁环境及其可视化具有重要的应用价值。
现有仿真系统中提出的基于复杂地形的电磁环境可视化方法，存在的问题：(1)只是结合复杂地形进行电磁场强数据的显示，并未在预测生成电磁场强数据中考虑复杂地形的影响因素。例如，贝磊等人提出的“融合地理环境的空间电磁场强度可视化方法及系统(CN104331930)”，通过将电磁场强度剖面与地理环境三维虚拟模型融合实现电磁场强数据的三维显示。但是，空间剖面的电磁场强度数据的生成过程并未考虑到复杂地形的因素，只是在复杂地形进行电磁场强度数据可视化显示。再如，蔡劲等人提出的“电磁可视化方法和装置(CN112528508)”，也只是将地形地貌图和电磁辐射分布图与地理信息数据库进行连接，以实现各星座系统中显示每个电磁辐射源的电磁分布；(2)在电磁仿真平台中，对电磁环境的仿真计算只能通过手动输入各项参数，来模拟复杂地形对电磁传播的影响，无法针对具体的地形地貌特征，动态地自动进行参数提取以及电磁传播损耗的计算。
现有仿真系统中提出的一些基于三维空间的电磁环境可视化技术，存在的问题：不能实现自动的可视化渲染；例如，吴玲达等人提出的“电磁环境体数据三维可视化方法(CN102254347)”，其将电磁环境体数据剖分成四面体结构，通过构造电磁环境多等值面实现可视化。该方法需要依据用户经验来设定等值面阈值，以判断生成等值面顶点，以及进一步将同一阈值的等值面顶点连接成等值面。也即，电磁环境体数据三维可视化效果的好坏，依赖用于用户并经验设置的阈值是否精确。
复杂地形下电磁环境研究的主要技术难点在于：复杂地形本身的三维建模以及合适电磁传播模型的选择。对于大范围复杂地形下的电磁环境仿真，首先，要对复杂地形地貌等地理信息进行提取，准确地进行三维地形建模，并利用计算机图形学的相关技术进行可视化。由于需要处理的地形数据通常都是海量级别，对算法的速度与计算环境有着相当高的要求。其次，选择合适的电磁传播模型，对电磁波传播的损耗进行预测，得到区域内接收机处的电磁能量。最后，由于电磁计算的结果有些时候并不能直接提供给专业人员，需要将科学计算的结果更直观地展现给非专业人员。
发明内容
本发明主要解决的问题是提供一种基于复杂地形的电磁环境可视化方法，通过复杂三维地形建模、基于复杂地形模型的场强计算、基于三维色带渲染法的电磁环境可视化，构建复杂地形电磁环境的仿真平台；能够使计算出的电磁态势分布更精准，且实现电磁环境的自动可视化渲染，且渲染结果逼真，色彩柔和，更富表现力。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：该基于复杂地形的电磁环境可视化方法，具体包括以下步骤：
S1复杂三维地形建模：通过地理数据进行处理构建高程模型，实现复杂地形的三维建模与渲染；
S2基于复杂地形模型的场强计算：利用地理位置信息及与用户交互得到的参数进行场强综合计算，实现电磁环境的分布与态势的预测；
S3基于三维色带渲染法可视化电磁环境：通过改进的一维颜色带渲染方式设计基于可见光三个波段控制的三维色带渲染法；对于电磁能量信息的三维可视化采用体绘制方法，实现电磁环境三维可视化。
因传统的基于三维空间的电磁环境可视化技术，存在不能实现自动可视化渲染的问题；本发明的技术方案，通过对传统的一维颜色带渲染方法进行改进，提出了对可见光的三个波段分别控制的三维色带渲染法，可以实现电磁环境的自动可视化渲染，且渲染结果逼真，色彩柔和，更富表现力。
作为本发明的优选技术方案，所述步骤S1具体步骤包括：
S11：提取地图数据，并将地图数据转换成栅格数据；
S12：将栅格数据的坐标进行仿射变换转化到地理坐标；
S13：将地理坐标映射为投影坐标；
S14：构建高程模型，通过该模型获取所有格点处的经纬度和高程值。
作为本发明的优选技术方案，所述步骤S12中进行仿射变换的公式为：
XGeo＝GT(0)+Xpixel*GT(1)+Yline*GT(2)；
YGeo＝GT(3)+Xpixel*GT(4)+Yline*GT(5)；
其中，XGeo，YGeo代表转化后的地理坐标，GT(0)～GT(5)这六个系数即是仿射变换参数；Xpixel，Yline代表栅格格点坐标；根据公式求出栅格地图文件中的每个“格点”在大地上的实际经纬度坐标。
作为本发明的优选技术方案，所述步骤S13中使用开源的空间数据基础库GDAL提供的数据转换接口，将存储地理坐标的栅格地图文件投影变换为不规则三角网模型的TIN文件，并基于该模型进行三维地形的渲染。
作为本发明的优选技术方案，所述步骤S2具体步骤包括：
S21收发天线的位置设置：点击确定发射天线和接收天线的经纬度位置，并通过对其所在位置的小方格的四个顶点处的高程值，插值得到发射天线和接收天线所在位置的高程值；
S22收发天线的属性设置：通过界面交互设置发射机天线高度、极化方式、信号频率、天线增益、发射功率、载频、天线方向、起始终止角度的参数；
S23电磁环境参数设置：依据用户设定收发射天线位置的空间区域范围，设定电波传播电磁环境的系列参数；
S24复杂地形参数计算：依据发射机和接收机所处的位置，从数字地图中提取高程信息，计算发射机和接收机之间链路路径的复杂地形参数CF，其计算公式为：
CF＝max[hdem1，hdem2，…，hdemn]-min[hdem1，hdem2，…，hdemn]；
其中，hdem1，hdem2，…，hdemn表示发射机和接收机之间链路路径包含的n个栅格地表高度，max[hdem1，hdem2，…，hdemn]是其最大值，min[hdem1，hdem2，…，hdemn]是其最小值；
S25电磁传播模型计算：依据收发天线之间链路路径信息，计算视距传播和绕射传播区域的分界以及绕射传播和散射传播区域的分界；再判断电磁波的传播距离属于哪个区间，选择对应的子模型(也即，视距传播，绕射传播以及散射传播)对电磁传播衰减进行预测。
作为本发明的优选技术方案，所述步骤S25的具体步骤为：
S251：计算视距传播和绕射传播区域的分界点dLS，其计算公式为：
其中，
且hej＝hgj+hdemj，he1表示发射机的架设高度，hg1表示发射机的机身高度，hdem1表示发射机的地表高度，he2表示接收机的架设高度，hg2表示接收机的机身高度，hdem2表示接收机的地表高度；且
其中，N1＝179.3N-units，γa＝157N-units/km表示地球表面折射率；
S252：计算绕射传播和散射传播区域的分界点dx，其计算公式为：
其中，参数dLS表示视距传播和绕射传播区域的分界点；
参数dL＝dL1+dL2，其中
Δh是发射机和接收机之间链路路径的复杂地形参数，he1表示发射机的架设高度，he2表示接收机的架设高度；
参数Xae＝(kγe 2)-1/3，其中k＝f/47.77，f表示发射电磁波的频率，
参数lg(f)表示发射电磁波的频率f的对数函数；
参数A5＝Ascat(d5)，Ascat是距离相关的散射函数，d5＝dL+200；
参数Aed＝A3-mdd3是绕射传播损耗值，其中A3＝Adiff(d3)，Adiff是距离相关的绕射函数，d3＝max(dLS，dL+1.3787Xae)；
参数ms＝(A6-A5)/200是散射损耗系数，其中，A5＝Ascat(d5)，A6＝Ascat(d6)，Ascat是距离相关的散射函数，进一步，d5＝dL+200；d6＝dL+400；
参数md＝(A4-A3)/(d4-d3)是绕射损耗系数，其中，A4＝Adiff(d4)，A3＝Aaiff(d3)，Adiff是距离相关的绕射函数，d3＝max(dLS，dL+1.3787Xae)，d4＝d3+2.76Xae：
S253：判断电磁播的传播距离d与视距传播和绕射传播区域的分界点dLS的大小，若d＞dLS，则判断传播距离d与绕射传播和散射传播区域的分界点dx的大小，若d＞dx，则确认电磁传播为散射传播；反之，则确认电磁传播为绕射传播；若d＜dLS，则确认电磁传播为视距传播；
S254：选择对应的子模型，对电磁传播衰减进行预测。
作为本发明的优选技术方案，所述步骤S3的具体步骤为：
S31：通过改进的一维颜色带渲染方式，即在单一颜色带的生成方法的基础上，通过减少固定的颜色分量，增加变化的颜色分量，从而增加可表现颜色的种类，获得基于可见光三个波段控制的三维色带渲染法；
S32：对于电磁能量信息的三维可视化采用体绘制方法，即直接应用视觉原理，通过对体数据重新采样来合成产生三维图像。
作为本发明的优选技术方案，所述步骤S31中在单一颜色带的生成方法的基础上，通过减少固定的颜色分量，增加变化的颜色分量，从而增加可表现颜色的种类具体步骤为：
S311：将RGB色带的范围[MIN，MAX]数据空间分为4个部分，分别为[MIN，q1]、[q1，q2]、[q2，q3]、[q3，MAX]四段；其中，数据值MAX对应R＝255，G＝0，B＝0。而MIN对应R＝0，G＝0，B＝255；
S312：在数据空间的上半部分即[q2，MAX]，固定蓝色分量为0，而在数据空间的下半部分[MIN，q2]，固定红色分量为0；
S313：在每上半区内，再将数据空间分为两部分；在[q3，MAX]部分，固定红色分量为255，随着数据值的增加，绿色分量成反比例变化；在[q2，q3]部分，固定绿色分量1，红色分量随着数据值的增加成正比例增大；
S314：在每下半区内，再将数据空间分为两部分；在[q1，q2]部分，绿色部分为1，而随着数据值的增加，蓝色分量成反比例变化；在[MIN，q1]部分，蓝色分量为1，绿色分量随着数据值的增加成正比例增加。
作为本发明的优选技术方案，所述步骤S32的具体步骤为：
S321：对数据进行分类，并依据数据种类的不同对数据设定不同的色彩和透明度；
S322：以光学模型为依据，通过对数据点进行投影变换、插值计算、着色的一系列操作后，实现绘制三维视图。
作为本发明的优选技术方案，还包括步骤S4复杂地形电磁环境仿真平台的模块化开发：通过用户交互界面模块、电磁计算模块、以及分析结果可视化模块实现多种场景下的电磁仿真地形的可视化；该复杂地形电磁环境仿真平台系统包括有用户交互界面模块、电磁计算模块和可视化渲染模块；所述用户交互界面模块包括地形环境导入、收发设备属性参数设置的功能；所述电磁计算模块包括地形建模、点到点电磁损耗计算、场强计算的功能；所述可视化渲染模块包括三维能量分布场强渲染，即单个发射机与单个接收机、单个发射机与多个接收机、多个发射机与多个接收机在全向天线发射与定向天线发射的多种场景下的电磁仿真。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
1)计算出的电磁态势分布更精准；
地形参数在复杂地形下的电磁环境计算中，起到至关重要的作用；传统的复杂地形参数只能由用户粗略估计；本发明优化复杂地形参数的求取算法，结合收发天线所处位置的特定地理环境自动计算地形参数，可以极大地改进复杂电磁环境仿真的准确性，使得计算出的电磁态势分布更符合实际情；
2)基于三维色带渲染实现电磁环境自动可视化；
传统的基于三维空间的电磁环境可视化技术，存在不能实现自动可视化渲染的问题；本发明通过对传统的一维颜色带渲染方法进行改进，提出了对可见光的三个波段分别控制的三维色带渲染法，可以实现电磁环境的自动可视化渲染，且渲染结果逼真，色彩柔和，更富表现力。
附图说明
图1是本发明基于复杂地形的电磁环境可视化方法中的基于地形参数与分界点的电磁传播计算流程图；
图2是本发明基于复杂地形的电磁环境可视化方法中基于可见光三个波段控制的三维色带渲染效果图；
图3是本发明基于复杂地形的电磁环境可视化方法的复杂地形电磁环境仿真平台系统功能结构图；
图4是本发明基于复杂地形的电磁环境可视化方法的复杂地形电磁环境仿真平台系统操作流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例图中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
实施例：如图1所示，该基于复杂地形的电磁环境可视化方法，具体包括以下步骤：
S1复杂三维地形建模：通过地理数据进行处理构建高程模型，实现复杂地形的三维建模与渲染；复杂地形三维建模是电磁环境仿真与可视化的前提，是实现对复杂地形中的地理位置与高程值的精确提取、计算电磁传播模型计算所需的参数，并进一步执行三维可视化的基础；
所述步骤S1复杂三维地形建模具体步骤包括：
S11：提取地图数据，并将地图数据转换成栅格数据；复杂地形通常采用地图数据的数字高程模型(DEM)进行表达；主要的地形精度包括30米精度的SRTM1和50米精度的SRTM3；但SRTM数据源据是一个二进制数据，现有的地理信息系统软件无法直接使用，需要将其转换为常用的栅格(raster)数据(例如，geotiff)；本发明使用开源的空间数据基础库GDAL提供的数据转换接口，将SRTM3数据转换成GeoTiff(tiff)栅格数据；
S12：将栅格数据的坐标进行仿射变换转化到地理坐标；GeoTiff(tiff)栅格数据存储利用水平经纬方向上等间隔排列的地形点的高程来表示地形，形成一个规则矩形网格的高程模型；通过该模型可以获取所有格点处的经纬度和高程值，但GeoTiff(tiff)栅格数据是二维的；若想得到完整的三维地形模型，需要将求得的地形的高程信息显式地表现出来，也即需要通过栅格地图生成不规则三角网；因此，首先需要进行仿射变换参数以将栅格坐标转化到地理坐标；所述步骤S12中进行仿射变换的公式为：
XGeo＝GT(0)+Xpixel*GT(1)+Yline*GT(2)；
YGeo＝GT(3)+Xpixel*GT(4)+Yline*GT(5)；
其中，XGeo，YGeo代表转化后的地理坐标，GT(0)～GT(5)这六个系数即是仿射变换参数；Xpixel，Yline代表栅格格点坐标；根据公式求出栅格地图文件中的每个“格点”在大地上的实际经纬度坐标；
S13：将地理坐标映射为投影坐标；地理坐标包含由椭球体和反扁率定义的大地基准而、本初子午线、以及度量角度的单位等；而投影坐标则以地理坐标系为基准，定义线性单位和角度单位之间转换关系；所述步骤S13中使用开源的空间数据基础库GDAL提供的数据转换接口，将存储地理坐标的栅格地图文件投影变换为不规则三角网模型的TIN文件，并基于该模型进行三维地形的渲染；
S14：构建高程模型，通过该模型获取所有格点处的经纬度和高程值；
S2基于复杂地形模型的场强计算：利用地理位置信息及与用户交互得到的参数进行场强综合计算，实现电磁环境的分布与态势的预测；
所述步骤S2具体步骤包括：
S21收发天线的位置设置：点击确定发射天线和接收天线的经纬度位置，并通过对其所在位置的小方格的四个顶点(也即格点)处的高程值，插值得到发射天线和接收天线所在位置的高程值；
S22收发天线的属性设置：通过界面交互输入发射机天线高度、极化方式、信号频率、天线增益、发射功率、载频、天线方向、起始终止角度的参数；
S23电磁环境参数设置：依据用户设定收发射天线位置的空间区域范围，设定电波传播电磁环境的系列参数；具体包括：电导率、相对介电常数、地形地貌类型、表面折射率等；
S24复杂地形参数计算：针对传统的依据典型地貌特征估算选取地形参数(如表1所示)，存在误差很大，只能表现大致的衰减结果，无法描绘出地势起伏引起的电磁态势的变化细节的问题；依据发射机和接收机所处的位置，得到所有收发天线之间链路路径的地形信息，基于表示发射机和接收机之间链路路径包含的n个栅格地表高度计算，从数字地图中提取高程信息，计算发射机和接收机之间链路路径的复杂地形参数CF，其计算公式为：
CF＝max[hdem1，hdem2，…，hdemn]-min[hdem1，hdem2，…，hdemn]；
其中，hdem1，hdem2，…，hdemn表示发射机和接收机之间链路路径包含的n个栅格地表高度，max[hdem1，hdem2，…，hdemn]是其最大值，min[hdem1，hdem2，…，hdemn]是其最小值；这种基于链路路径覆盖区域自动计算地形参数的方法，可以极大地提高基于地形模型计算电磁传播损耗的精确度；
表1典型地貌的地形参数参考值
| 地形地貌分类 | 复杂地形参数 |
| 平坦的陆地和水域 | 0 |
| 广袤的平原地区 | 30 |
| 丘陵地区 | 90 |
| 山丘山脉地区 | 200 |
| 崎岖的山岭地区 | 500 |
S25电磁传播模型计算：因电磁波在复杂地形环境传播时，会产生视距直射、反射、山峰绕射、对流层散射等各种传播路径；依据收发天线之间链路路径信息，计算视距传播和绕射传播区域的分界以及绕射传播和散射传播区域的分界；再判断电磁波的传播距离属于哪个区间，选择对应的子模型(也即，视距传播模型，绕射传播模型以及散射传播模型)对电磁传播衰减进行预测；对于同一接收天线位置有多条传播路径重叠，其电磁场强为多个辐射强度的累积；基于地形参数与分界点的电磁传播计算流程如图1所示；所述步骤S25的具体步骤为：
S251：计算视距传播和绕射传播区域的分界点dLS，其计算公式为：
其中，
且hej＝hgj+hdemj，he1表示发射机的架设高度，hg1表示发射机的机身高度，hdem1表示发射机的地表高度，he2表示接收机的架设高度，hg2表示接收机的机身高度，hdem2表示接收机的地表高度；且
其中，N1＝179.3N-units，γa＝157N-units/km表示地球表面折射率；
S252：计算绕射传播和散射传播区域的分界点dx，其计算公式为：
其中，参数dLS表示视距传播和绕射传播区域的分界点；
参数dL＝dL1+dL2，其中
Δh是发射机和接收机之间链路路径的复杂地形参数，he1表示发射机的架设高度，he2表示接收机的架设高度；
参数Xae＝(kγe 2)-1/3，其中k＝f/47.77，f表示发射电磁波的频率，
参数lg(f)表示发射电磁波的频率f的对数函数；
参数A5＝Ascat(d5)，Ascat是距离相关的散射函数，d5＝dL+200；
参数Aed＝A3-mdd3是绕射传播损耗值，其中A3＝Adiff(d3)，Adiff是距离相关的绕射函数，d3＝max(dLS，dL+1.3787Xae)；
参数ms＝(A6-A5)/200是散射损耗系数，其中，A5＝Ascat(d5)，A6＝Ascat(d6)，Ascat是距离相关的散射函数，进一步，d5＝dL+200；d6＝dL+400；
参数md＝(A4-A3)/(d4-d3)是绕射损耗系数，其中，A4＝Adiff(d4)，A3＝Adiff(d3)，Adiff是距离相关的绕射函数，d3＝max(dLS，dL+1.3787Xae)，d4＝d3+2.76Xae：
S253：判断电磁播的传播距离d与视距传播和绕射传播区域的分界点dLS的大小，若d＞dLs，则判断传播距离d与绕射传播和散射传播区域的分界点dx的大小，若d＞dx，则确认电磁传播为散射传播；反之，则确认电磁传播为绕射传播；若d＜dLs，则确认电磁传播为视距传播；
S254：选择对应的子模型，对电磁传播衰减进行预测；
S3基于三维色带渲染法可视化电磁环境：通过改进的一维颜色带渲染方式设计基于可见光三个波段控制的三维色带渲染法；对于电磁能量信息的三维可视化采用体绘制方法，实现电磁环境三维可视化；
所述步骤S3的具体步骤为：
S31：通过改进的一维颜色带渲染方式，即在单一颜色带的生成方法的基础上，通过减少固定的颜色分量，增加变化的颜色分量，从而增加可表现颜色的种类，获得基于可见光三个波段控制的三维色带渲染法；
所述步骤S31中在单一颜色带的生成方法的基础上，通过减少固定的颜色分量，增加变化的颜色分量，从而增加可表现颜色的种类具体步骤为：
S311：将RGB色带的范围[MIN，MAX]数据空间分为4个部分，分别为[MIN，q1]、[q1，q2]、[q2，q3]、[q3，MAX]四段；其中，数据值MAX对应R＝255，G＝0，B＝0；而MIN对应R＝0，G＝0，B＝255；
S312：在数据空间的上半部分即[q2，MAX]，固定蓝色分量为0，而在数据空间的下半部分[MIN，q2]，固定红色分量为0；
S313：在每上半区内，再将数据空间分为两部分；在[q3，MAX]部分，固定红色分量为255，随着数据值的增加，绿色分量成反比例变化；在[q2，q3]部分，固定绿色分量1，红色分量随着数据值的增加成正比例增大；
S314：在每下半区内，再将数据空间分为两部分；在[q1，q2]部分，绿色部分为1，而随着数据值的增加，蓝色分量成反比例变化；在[MIN，q1]部分，蓝色分量为1，绿色分量随着数据值的增加成正比例增加；这样对于数据空间中的任意一个数据值，在可见光的三个波段上分别控制其颜色分量的强度，进而对颜色的分布实现了精确控制；采用改进后的颜色带生成方法进行电场强度的清染效果图如图2所示；
S32：对于电磁能量信息的三维可视化采用体绘制方法，即直接应用视觉原理，通过对体数据重新采样来合成产生三维图像；
所述步骤S32的具体步骤为：
S321：对数据进行分类，并依据数据种类的不同对数据设定不同的色彩和透明度；
S322：以光学模型为依据，通过对数据点进行投影变换、插值计算、着色的一系列操作后，实现绘制三维视图。
S4复杂地形电磁环境仿真平台的模块化开发：通过用户交互界面模块、电磁计算模块、以及分析结果可视化模块实现多种场景下的电磁仿真地形的可视化；该复杂地形电磁环境仿真平台系统包括有用户交互界面模块、电磁计算模块和可视化渲染模块；所述用户交互界面模块包括地形环境导入、收发设备属性参数设置的功能；所述电磁计算模块包括地形建模、点到点电磁损耗计算、场强计算的功能；所述可视化渲染模块包括三维能量分布场强渲染，即单个发射机与单个接收机、单个发射机与多个接收机、多个发射机与多个接收机在全向天线发射与定向天线发射的多种场景下的电磁仿真。平台系统的功能结构如图3所示。
该复杂地形电磁环境仿真平台具体的实现流程包括：
(1)系统启动，导入电子地图文件，用户输入项目参数，包括辐射源坐标、功率、载频、天线角度、极化方式、接收机范围及间距、表面折射率、电导率等电磁环境参数；
(2)软件读取地图并提取地理信息之后，进行复杂三维地形的建模，之后用户便可在图形用户界面上浏览三维地形地貌；
(3)然后用户可通过鼠标点击确定发射天线和接收天线的位置，并设置收发天线的属性及环境介质的属性；
(4)之后软件便可根据复杂地形模型进行电磁环境的计算仿真，计算的结果会通过图形用户界面在三维界面中予以呈现；平台系统的操作流程如图4所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于复杂地形的电磁环境可视化方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1复杂三维地形建模：通过地理数据进行处理构建高程模型，实现复杂地形的三维建模与渲染；
S2基于复杂地形模型的场强计算：利用地理位置信息及与用户交互得到的参数进行场强综合计算，实现电磁环境的分布与态势的预测；
S3基于三维色带渲染法可视化电磁环境：通过改进的一维颜色带渲染方式设计基于可见光三个波段控制的三维色带渲染法；对于电磁能量信息的三维可视化采用体绘制方法，实现电磁环境三维可视化。
2.根据权利要求1所述的基于复杂地形的电磁环境可视化方法，其特征在于，所述步骤S1具体步骤包括：
S11：提取地图数据，并将地图数据转换成栅格数据；
S12：将栅格数据的坐标进行仿射变换转化到地理坐标；
S13：将地理坐标映射为投影坐标；
S14：构建高程模型，通过该模型获取所有格点处的经纬度和高程值。
3.根据权利要求2所述的基于复杂地形的电磁环境可视化方法，其特征在于，所述步骤S12中进行仿射变换的公式为：
YGeo＝GT(0)+Xpixel*GT(1)+Yline*GT(2)；
YGeo＝GT(3)+Xpixel*GT(4)+Yline*GT(5)；
其中，XGeo，YGeo代表转化后的地理坐标，GT(0)～GT(5)这六个系数即是仿射变换参数；Xpixel，Yline代表栅格格点坐标；根据公式求出栅格地图文件中的每个“格点”在大地上的实际经纬度坐标。
4.根据权利要求2所述的基于复杂地形的电磁环境可视化方法，其特征在于，所述步骤S13中使用开源的空间数据基础库GDAL提供的数据转换接口，将存储地理坐标的栅格地图文件投影变换为不规则三角网模型的TIN文件，并基于该模型进行三维地形的渲染。
5.根据权利要求2所述的基于复杂地形的电磁环境可视化方法，其特征在于，所述步骤S2具体步骤包括：
S21收发天线的位置设置：点击确定发射天线和接收天线的经纬度位置，并通过对其所在位置的小方格的四个顶点处的高程值，插值得到发射天线和接收天线所在位置的高程值；
S22收发天线的属性设置：通过界面交互设置发射机天线高度、极化方式、信号频率、天线增益、发射功率、载频、天线方向、起始终止角度的参数；
S23电磁环境参数设置：依据用户设定收发射天线位置的空间区域范围，设定电波传播电磁环境的系列参数；
S24复杂地形参数计算：依据发射机和接收机所处的位置，从数字地图中提取高程信息，计算发射机和接收机之间链路路径的复杂地形参数CF，其计算公式为：
CF＝max[hdem1，hdem2，…，hdemn]-min[hdem1，hdem2，…，hdemn]；
其中，hdem1，hdem2，…，hdemn表示发射机和接收机之间链路路径包含的n个栅格地表高度，max[hdem1，hdem2，…，hdemn]是其最大值，min[hdem1，hdem2，…，hdemn]是其最小值；
S25电磁传播模型计算：依据收发天线之间链路路径信息，计算视距传播和绕射传播区域的分界以及绕射传播和散射传播区域的分界；再判断电磁波的传播距离属于哪个区间，选择对应的子模型对电磁传播衰减进行预测。
6.根据权利要求5所述的基于复杂地形的电磁环境可视化方法，其特征在于，所述步骤S25的具体步骤为：
S251：计算视距传播和绕射传播区域的分界点dLS，其计算公式为：
其中，
且hej＝hgj+hdemj，he1表示发射机的架设高度，hg1表示发射机的机身高度，hdem1表示发射机的地表高度，he2表示接收机的架设高度，hg2表示接收机的机身高度，hdem2表示接收机的地表高度；且
其中，N1＝179.3N-untis，γa＝157N-units/km表示地球表面折射率；
S252：计算绕射传播和散射传播区域的分界点dx，其计算公式为：
dx＝max[dLS，dL+Xaelg(f)，(A5-Aed-msd5)/(md-ms)]；
其中，参数dLS表示视距传播和绕射传播区域的分界点；
参数dL＝dL1+dL2，
Δh是发射机和接收机之间链路路径的复杂地形参数，he1表示发射机的架设高度，he2表示接收机的架设高度；
参数Xae＝(kγe2)-1/3，其中k＝f/47.77，f表示发射电磁波的频率，
参数lg(f)表示发射电磁波的频率f的对数函数；
参数A5＝Ascat(d5)，Ascat是距离相关的散射函数，d5＝dL+200；
参数Aed＝A3-mdd3是绕射传播损耗值，其中A3＝Adiff(d3)，Adiff是距离相关的绕射函数，d3＝max(dLS，dL+1.3787Xae)；
参数ms＝(A6-A5)/200是散射损耗系数，其中，A5＝Ascat(d5)，A6＝Ascat(d6)，Ascat是距离相关的散射函数；d5＝dL+200；d6＝dL+400；
参数md＝(A4-A3)/(d4-d3)是绕射损耗系数，其中，A4＝Adiff(d4)，A3＝Adiff(d3)，Adiff是距离相关的绕射函数，
d3＝max(dLS，dL+1.3787Xae)，d4＝d3+2.76Xae；
S253：判断电磁播的传播距离d与视距传播和绕射传播区域的分界点dLS的大小，若d＞dLS，则判断传播距离d与绕射传播和散射传播区域的分界点dx的大小，若d＞dx，则确认电磁传播为散射传播；反之，则确认电磁传播为绕射传播；若d＜dLS，则确认电磁传播为视距传播；
S254：选择对应的子模型，对电磁传播衰减进行预测。
7.根据权利要求5所述的基于复杂地形的电磁环境可视化方法，其特征在于，所述步骤S3的具体步骤为：
S31：通过改进的一维颜色带渲染方式，即在单一颜色带的生成方法的基础上，通过减少固定的颜色分量，增加变化的颜色分量，从而增加可表现颜色的种类，获得基于可见光三个波段控制的三维色带渲染法；
S32：对于电磁能量信息的三维可视化采用体绘制方法，即直接应用视觉原理，通过对体数据重新采样来合成产生三维图像。
8.根据权利要求7所述的基于复杂地形的电磁环境可视化方法，其特征在于，所述步骤S31中在单一颜色带的生成方法的基础上，通过减少固定的颜色分量，增加变化的颜色分量，从而增加可表现颜色的种类具体步骤为：
S311：将RGB色带的范围[MIN，MAX]数据空间分为4个部分，分别为[MIN，q1]、[q1，q2]、[q2，q3]、[q3，MAX]四段；其中，数据值MAX对应R＝255，G＝0，B＝0；而MIN对应R＝0，G＝0，B＝255；
S312：在数据空间的上半部分即[q2，MAX]，固定蓝色分量为0，而在数据空间的下半部分[MIN，q2]，固定红色分量为0；
S313：在每上半区内，再将数据空间分为两部分：在[q3，MAX]部分，固定红色分量为255，随着数据值的增加，绿色分量成反比例变化；在[q2，q3]部分，固定绿色分量1，红色分量随着数据值的增加成正比例增大；
S314：在每下半区内，再将数据空间分为两部分：在[q1，q2]部分，绿色部分为1，而随着数据值的增加，蓝色分量成反比例变化；在[MIN，q1]部分，蓝色分量为1，绿色分量随着数据值的增加成正比例增加。
9.根据权利要求7所述的基于复杂地形的电磁环境可视化方法，其特征在于，所述步骤S32的具体步骤为：
S321：对数据进行分类，并依据数据种类的不同对数据设定不同的色彩和透明度；
S322：以光学模型为依据，通过对数据点进行投影变换、插值计算、着色的一系列操作后，实现绘制三维视图。
10.根据权利要求7所述的基于复杂地形的电磁环境可视化方法，其特征在于，还包括步骤S4复杂地形电磁环境仿真平台的模块化开发：通过用户交互界面模块、电磁计算模块、以及分析结果可视化模块实现多种场景下的电磁仿真地形的可视化；该复杂地形电磁环境仿真平台系统包括有用户交互界面模块、电磁计算模块和可视化渲染模块；所述用户交互界面模块包括地形环境导入、收发设备属性参数设置的功能；所述电磁计算模块包括地形建模、点到点电磁损耗计算、场强计算的功能；所述可视化渲染模块包括三维能量分布场强渲染，即单个发射机与单个接收机、单个发射机与多个接收机、多个发射机与多个接收机在全向天线发射与定向天线发射的多种场景下的电磁仿真。
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| CN202210201291.5A CN114565731B (zh) | 2022-03-03 | 2022-03-03 | 一种基于复杂地形的电磁环境可视化方法 |
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