基于谷歌地球和LiDAR点云的电波传播预测方法研究

摘要

随着信息化社会的迅猛发展，以电磁波为信息传递载体的移动通信技术在各个领域得到了越来越广泛的应用，如航空航天、物联网、遥控遥测、智能交通等领域。在实际的地理环境中，由于起伏不平的地形、多样化的地表覆盖媒质、复杂多变的大气结构等的存在，使得无线电波产生路径损耗、阴影衰落、多径传播等效应，给电波的传播预测造成了一定的困难。研究三维地理环境下的电波传播预测模型，构建真实的电波传播环境，并模拟分析其场景下电磁态势分布情况，能够为基站的选址优化、网络电台的配置等工程应用提供一定的参考依据。 抛物方程（Parabolic Equation，PE）模型是一种源于波动方程的确定性电波传播预测模型，它能够准确模拟由不规则地形和复杂的地表媒质引起的电磁波的反射、绕射、吸收等效应。以往的研究在对地理环境中的电磁信号的传播特性进行预测时，往往从DEM数字地图中提取地形信息，电磁模型粗糙且缺乏对地表覆盖物的综合考虑，预测精度有待进一步提高。因此本文基于抛物方程传播预测模型，研究了如何构建更加贴近真实地理环境的电磁模型。从谷歌地球和机载LiDAR点云中提取地理信息，建立起能同时考虑不规则地形和多种地表覆盖物的电波传播模型，仿真分析地理环境因素对电波传播特性的影响。 首先，研究了 LAS 格式 LiDAR 点云数据，通过编程实现了三维地理高程数据的提取。在此基础上，采用数学形态学算法对格网化后的LiDAR点云数据进行处理，获取了地物、地形信息，为下一步的地理环境的电磁建模做好了准备工作。 其次，研究了基于谷歌地球的电波传播预测方法，从谷歌地球中提取经纬度高程和卫星影像数据，依据不同地物呈现出的颜色特征的不同，采用 k-means 算法对影像进行分割处理，获取了地表覆盖物的类别信息，并对其设定相匹配的电磁参数，结合经纬度高程数据建立了能同时考虑地形起伏信息和地表电磁环境信息的三维地理环境的电波传播模型，最后基于PE模型模拟和分析了地理环境中电波传播特性。 最后，为了将LiDAR点云分类后获得的地形、地物数据引入到抛物方程的计算中，对各种地形赋予了相应的电磁参数，建立了可计算的电磁模型，采用抛物方程综合分析了地形、地物因素引起的电波的绕射、衰减等效应。最后，将点云分类程序和PE传播预测程序进行了封装，形成了基于LiDAR点云的电波传播预测软件。相较于传统的基于数字高程模型的电磁建模方法，该方法能够考虑到了实际的地物对电波传播特性的影响，因此预测结果也将更加准确有效。

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