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电磁环境监测可视化系统的研究与开发 控制理论与控制工程专业 研究生钟猛指导教师龚晓峰 随着社会的进步和无线电通讯事业的飞速发展，人们周围的电磁环境变得 越来越复杂。为了避免电磁信号之间的相互干扰，保证通信的质量；为了对移 动通信基站或无线电监测站的建设，做到合理的规划和布局；为了减少电磁辐 射对周围环境和人体的危害，研究并开发电磁环境监测可视化系统就显得很有 必要，具有十分重要的意义。 本论文的总体设计思想是利用可视化技术，结合三维数字化地图，采用组 件g i s 技术，研究将电磁环境监测中的场强数据在三维数字化地图上进行显示 的可视化系统。该系统除了传统的空间信息的显示、查询、分析等功能外，更 为重要的是，它能在真实的地图上显示各种系统数据，便于使用者直观地发现 问题，为电磁环境监测的工作人员提供了一个高效、直观的管理。这样既可以 节省人力、财力和时间，同时也可以为移动通信基站或无线电监测站的建设提 供决策上的依据和帮助，并由此做出最佳的布局规划，提高无线电资源的利用 率。 本论文内容涉及到可视化技术、计算机图形学、人机交互、系统设计和地 理信息系统等多种学科知识。首先系统地调研了电磁环境监测的意义和国内外 的研究概况，为电磁环境监测可视化系统的研究与开发提供前提条件：其次介 绍了可视化技术的概念、产生背景、作用，系统的开发平台m a p x 组件、总体 设计框架和电磁环境监测中等场强线的绘制，重点分析了等场强线的绘制原理 及其在m a p x 组件上的绘制实现过程；最后给出了电磁环境监测可视化系统的 具体实例，并对全文进行了技术总结，指出今后有待进一步开展的工作。 关键词：电磁环境监测等场强线可视化g i sm a p x t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fv i s u a l i z a t i o n s y s t e mo fe l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n tm o n i t o r m a i o r ：c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g g r a d u a t e ：z h o n gm e n ga d v i s o r ：g o n gx i a o f e n g w i t hs o c i a lp r o g r e s sa n dq u i c kd e v e l o p m e n to f r a d i oc o m m u n i c a t i o ne n t e r p r i s e ， e l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t o fp e o p l e s u r r o u n d i n gb e c o m e sm o r ea n dm o r e c o m p l e x t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fv i s u a l i z a t i o ns y s t e mo fe l e c t r o m a g n e t i c e n v i r o n m e n tm o n i t o ri sv e r yn e c e s s a r y , a n di ti sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e i tc a n a s s u r et h eq u a l i t yo fc o m m u n i c a t i o nf o ra v o i d i n gt h ei n t e r f a c eo fe l e c t r o m a g n e t i c s i g n a l ，l i v eu pt or e a s o n a b l el a y o u ta n dd i s t r i b u t i o nf o rt h ec o n s t r u c to fm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns t a t i o na n dr a d i om o n i t o r s t a t i o n ，r e d u c et h ee n d a n g e r m e n t e l e c t r o m a g n e t i cr a d i c a l i z a t i o nf o rs u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n ta n db o d yo f p e o p l e v i s u a l i z a t i o n t e c h n o l o g y , t h r e e d i m e n s i o n a ld i g i t a lm a pa n dc o m g i s t e c h n o l o g y , a n dr e s e a r c hv i s u a l i z a t i o ns y s t e mo nt h ed i s p l a y i n go ff i e l di n t e n s i t y d a t ao fe l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n ti nt h r e e d i m e n s i o n a l d i g i t a lm a ph a sb e e n i n t e g r a t e di n t ot h ew h o l et h i n k i n go ft h i sp a p e r b e s i d e sd i s p l a y i n g ，q u e r y i n ga n d a n a l y z i n gt h es p a t i a li n f o r m a t i o n ，t h i ss y s t e mh a sam o r ei m p o r t a n tf u n c t i o n ；i tc a n d i s p l a yo nt h er e a lm a p t h es y s t e md a t a ，a n db ec o n v e n i e n tf o rf i n d i n gp r o b l e m t h e s y s t e mp r o v i d e sa ne f f i c i e n ta n di n t u i t i o n i s t i cm a n a g e m e n tf o rt h eu s e r i tc a ns a v e m a n p o w e r , f i n a n c ea n dt i m e w h a ti sm o r e ，i tc a no f f e rd e c i s i o n - m a k i n gf o u n d a t i o n a n dh e l pf o rt h ec o n s t r u c to f m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns t a t i o no rr a d i om o n i t o rs t a t i o n ， t h e r e o u tm a k eo p t i m a ld i s t r i b u t i o na n dl a y o u t ，a n de n h a n c et h ee f f i c i e n c yo fr a d i o r e s o u r c eu s i n g t h i s p a p e r r e l a t e st o k n o w l e d g ei n s o m ek i n d so f s u b j e c t s ，s u c h a s o r i e n t e d o b j e c tt e c h n o l o g y ，c o m p u t e rg r a p h i c s ，m a n - m a c h i n e c o n v e r s a t i o n t e c h n o l o g y ，s y s t e md e s i g na n dg i se t c f i r s t l y ，t h es y s t e ms t u d i e st h es i g n i f i c a n c e a n dt h ed o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a r c h f u lg e n e r a ls i t u a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i c e n v i r o n m e n tm o n i t o r ，a n dp r o v i d e sp r e c o n d i t i o nt ot h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f v i s u a l i z a t i o ns y s t e mo fe l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n tm o n i t o r ；s e c o n d l y , t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h eb a s a lc o n c e p t ，a r i s e nb a c k g r o u n da n df u n c t i o no f v i s u a l i z a t i o ns y s t e m ， t h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mm a p x ，t h ef r a m eo ft h em a c r od e s i g na n dt h ed r a w i n go f t h ei s o l i n ew i t l le q u a lf i e l di n t e n s i t y t h ep a p e rp a y sm o r ea t t e n t i o nt ot h ed r a w i n g l a wo ft h ei s o l i n ew i t he q u a lf i e l di n t e n s i t ya n di t si m p l e m e n ti nm a p x f i n a l l y , i t p r o v i d e s ac o n c r e t e e x a m p l e f o rv i s u a l i z a t i o n s y s t e m o f e l e c t r o m a g n e t i c e n v i r o n m e n tm o n i t o r , a n ds u m m a r i z e st h et e c h n i q u ea n dp o i n t so u tt h a tt h es y s t e m n e e d sm o r ef u r t h e rd e v e l o p m e n t a lw o r kf o rt h ef u t u r e k e yw o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n tm o n i t o r ；t h ei s o l i n ew i t he q u a lf i e l d i n t e r l s i t y ；v i s u a l i z a t i o n ；g i s ；m a p x 四川大学硕士学位论文 引言 随着社会的进步，无线电电信业务的飞速发展，无线电技术在军事和民 用通讯领域的应用越来越广泛，如微波接力通信、卫星通信、对流层散射通 信、地面移动通信、短波自适应通信、雷达探测以及电子对抗等。同时，我 们周围的天空中每时每刻都传播着大量的电磁信号，这使得电磁环境问题变 得非常复杂。为了避免电磁信号之间相互干扰，保证通信质量；为了对移动 通信基站或无线电监测站的建设，做到合理的规划和布局；为了减少电磁辐 射对周围环境和人体的危害，掌握某地区的电磁环境情况是至关重要的。因 此，研究并开发电磁环境监测可视化系统就显得很有必要，具有十分重要的 意义。 1 绪论 1 1 电磁环境监测的研究意义 电磁环境( e l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t ，简称e m e ) 是由存在给定场所 所有电磁现象的总和，它包括自然的和人为的，有源的( 直射波) 和无源的 ( 反射波) ，静态和动态，它是由不同频率( f ) 的电场( e ) 和磁场( h ) 组 成。变化的电磁与磁场交替在空间传播，当频率大于l o o k h z 时，电磁波离开 导体通过空间传播，这种在空间中传播的电磁能量即为电磁辐射【1 1 。随着科 学技术的发展和社会进步，人们在生产和生活中使用的电器及电子设备的数 量越来越多，致使我们面临的电磁环境越来越恶劣，对人们的生产和生活造 成严重的危害，主要有下列四个方面： ( 1 ) 对无线电信号和通讯系统的干扰。大功率无线电发射机或者汽车、 电气化铁道的电力机车产生的电磁干扰，可使附近的通信、雷达、导航、广 播、电视接受机的信噪比大大下降甚至根本无法工作。设备的开关动作产生 的电磁辐射能使接受机工作失常。另外，雷电电磁脉冲每年都要酿成火灾、 电气设备损毁、通信线路中断等严重的后果。 ( 2 ) 对武器装备的危害。现代的无线电发射机和雷达能产生很强的电磁 辐射场。这种辐射场能引起武器装备系统中的灵敏电子引爆装置提早启动； 1 四川大学硕士学位论文 对制导导弹会偏离飞行弹道。国内外都发生过由于机载电子设备的干扰而引 起飞机偏航、损毁或意外投弹的事故。 ( 3 ) 泄露国家机密。在当今的信息时代，计算机的应用范围越来越广， 使计算机系统成为信息系统的重要存贮库。同样，有关国家安全、国家军工、 国民经济建设重要数据信息也集中于计算机系统。但由于计算机在运行中会 产生微弱的电磁辐射，而这很小的泄露就能够被高灵敏度的接收系统接收， 这就很有可能造成机密的泄露。 ( 4 ) 对人体的危害。强电磁辐射照射人体，可使人昏迷；电磁辐射对人 体产生的致热及非致热效应可使人发生头痛、神经衰弱、生殖器官受损等各 种病理反应；电磁辐射在金属体上产生的感应电压可灼伤接触金属体的人体 部位。 上述( 1 ) 、( 2 ) 方面是典型的电磁干扰问题，第( 3 ) 方面是电磁辐射问 题，而第( 4 ) 方面的问题通常又称为电磁污染。所谓电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ，简称e m i ) 是指电器或电磁设备的运行总是伴随着电磁能量的 传递和转换，因为不可避免地会有部分电磁能量通过各种途径耦合到邻近的 其他部分或系统，并对本系统和邻近的敏感设备或系统的工作产生影响。而 电磁污染是指电磁辐射强度超过国家允许标准的一种现象。为了造就一个良 好的电磁环境，减少各种相互干扰和电磁污染，对电磁环境监测的研究就显 得非常重要拉删。 1 2 国内外电磁环境监测的研究概况臼1 早在2 0 世纪3 0 年代，有关的国际组织为了保护音频广播即决定成立国 际无线电干扰特别委员会( c i s p r ) ，并于1 9 3 4 年召开首届全体会议。1 9 4 5 年，美国陆军和海军颁布了用于控制机载电子设备的电磁干扰的规范： j a n i 一2 2 5 。j a n i 2 2 5 是世界上最早的军用电磁干扰规范之一。2 0 世纪5 0 年代，由于大功率无线电装置及导弹等含电爆装置的武器装备越来越多的投 入使用，电磁辐射对武器、燃油、人员的危害日益显露出来，电磁环境问题 进一步得到重视。进入2 0 世纪6 0 年代以后，美国等科技先进国家深入开展 了电磁环境兼容性及其测试仪表、测试技术等的研制工作，并制定了一系列 军用及民用标准、规范。2 0 世纪7 0 年代以后，先进国家对标准、规范进行了 2 四川大学硕士学位论文 不断的修改、补充和完善。到2 0 世纪8 0 年代以来，电磁环境方面的研究已 成为十分活跃的学科领域，美国、德国、法国和日本等许多国家在电磁环境 兼容性标准与规范、分析预测、设计、测量及管理等方面的研究均达到了很 高水平，并取得了一系列成果。例如，已研制成了可进行各种系统间电磁兼 容性实验的高精度电磁干扰( e m i ) 及电磁敏感度( e m s ) 自动测量系统： 研制了系统内及系统间各种电磁兼容计算分析程序，并形成了一套较完整的 电磁兼容设计体系。在电磁干扰的抑制技术方面，已经采取了许多新材料、 新工艺及规范的设计方法。而对电磁环境监测方面的研究较少，虽然已经研 制出了测量场强的仪器，如美国研制的h 卜3 0 0 0 系列的场强仪，但是电磁环 境监测可视化方面的配套软件却没有跟上。 我国对电磁环境方面的理论和技术研究起步较晚。过去，由于我国的工 业基础薄弱，电磁环境的危害尚未充分暴露，对电磁环境方面的研究认识不 足，使研究工作与国际间的差距较大。2 0 世纪8 0 年代以来，我国逐步开始组 织系统的研究并制订了国家级和行业级电磁环境监测方面的标准和规范，到 目前已制定了3 0 多个国家标准和国家军用标准。进入2 0 世纪9 0 年代以来， 随着国民经济和高科技产业的迅速发展，对电磁环境监测方面的要求越来越 高，我国更加重视电磁环境监测方面的技术，投入大量人力物力建立了一批 电磁环境实验测试中心。但是，目前我国的电磁环境方面的研究多停留在某 一实际干扰问题的防护研究水平上，还没有成熟的电磁环境分析、预测软件， 与国外差距较大。北京交通大学电磁抗干扰中心、北京邮电大学环境电磁学 科研所、电力科学研究院、武汉大学、清华大学等单位的研究具有一定的水 平。国家电力公司拟在武汉高压研究所和南京电力自动化研究院建立两个专 门的实验室，在华北电力大学进行部分基础理论研究。 迄今为止，许多电磁环境方面的问题仍在困扰、制约着人们的生产和生 活。随着无线电技术的迅猛发展，电磁环境将越来越恶劣，越来越复杂，电 磁环境监测技术的重要性越来越得到人们的重视。而电磁环境监测技术是与 数学、电磁场理论、天线技术、电波传播和通讯理论紧密结合在一样的，很 多的理论技术都可以直接应用到电磁环境监测中，同时，电磁环境监测技术 的发展又促进了这些相关理论和技术的发展。 四川大学硕士学位论文 1 3 本文研究的目的 随着各类无线电通讯事业的飞速发展，人们周围的电磁环境遭到了严重 的破坏，各个频段的背景噪声有不同程度的提高。因此，要定期地对各地的 电磁环境背景噪声的分布进行全面系统地监测。可根据不同频段、不同业务、 不同区域进行测试，测量的方法可按照有关电磁环境噪声测试方法，对测试 结果进行数据处理和分析，存入数据库或文件中【1 。本文研究的主要目的是 从数据库或文件中取得电磁环境监测中的场强数据在电子地图上以等值线的 形式显示出来，这样可以为电磁环境监测的工作人员提供一个高效、直观的 管理，为移动通信基站或无线电监测站的合理规划、建设、选址及优化提供 辅助性决策。 1 4 本文研究的主要内容 本论文是对电磁环境监测可视化系统所做的研究与开发，其主要内容包 括以下几个部分： 1 可视化技术的概述。对可视化技术的基本概念、产生背景和作用做了 简要的陈述。 2 可视化系统开发平台的选取。本文采用美国m a p l n f o 公司提供的具有 强大地图分析功能的a c t i v e x 组件产品m a p x 。它是一种基于w i n d o w s 操作 系统的标准组件，能支持绝大多数标准的可视化开发环境，如v i s u a lb a s i c 、 v i s u a lc + + 、d e l r h i 等，可以很方便地集成到使用标准可视化编程工具开发的 商业应用中。它的优势是开发周期短、成本低，可以脱离大型商业g i s 软件 平台独立运行。而且c o m g i s 的理论基础是组件对象模型，只需要通过接口 就可以调用控件中所封装的函数，实现其强大的功能，并有利于功能的扩充。 在组件版本更新升级后，不需要修改代码而直接升级。 3 可视化系统的总体设计思想。本文旨在利用c o m g i s 技术，建立电 磁环境监测可视化系统。它可以与g i s 系统无缝集成，实现g i s 的强大功能， 并且能够基于电子地图进行各种功能操作。 4 可视化系统的实现。即将电磁环境监测中的场强数据用等值线图形的 方式进行表示。在本文中采用矩形网格法绘制等场强线( 即等值线) 图形， 4 型：型奎兰堡_ 上兰堡垒苎 并重点介绍了等值线的绘制原理及其绘制实现过程。所谓的等值线的绘制就 是对大量离散的、又具有一定规律的几何量值或物理量值，用数学的方法插 值并将相同量值的点变换成图的过程。其绘制一般过程为：离散数据网格化、 网格点数值化、等值点的计算、等值线的追踪、等值线的标注和光滑着色等。 在本文中的具体实现过程是：采用面向对象的开发工具d e p h i 为编程环境， 加入m a p x 组件为图形开发平台，在其上绘制显示等场强线。根据绘制出来的 等场强线图，可以分析和评价移动通信基站或无线电监测站覆盖区内的不同 地点的场强值和覆盖区内的信号强弱，进而可以确切地了解覆盖区内电磁场 的分布情况和信号的质量。 四川大学硕士学位论文 2 可视化技术概述“1 1 2 1 可视化技术的基本概念 可视化( v i s u l i z a t i o n ) 是科学计算可视化( v i s u l i z a t i o ni ns c i e n t i f i c c o m p u t i n g ，简称v i s c ) 的简称。科学计算可视化是对计算及数据进行探索， 以获得对数据的理解与洞察。也就是说，科学计算可视化实现把计算中所涉 及的和所产生的数字信息转变为直观的、以图像或图形信息表示的、随时间 和空间变化的物理现象或物理量呈现在研究者面前，使他们能够观察到模拟 和计算，即看到传统意义上不可见的事物或现象，同时还提供与模型模拟和 计算的视觉交互手段。其实现可分为三个层次，对应于三种处理方式，即事 后处理( p o s t p r o c e s s i n g ) 、跟踪处理( t r a c k i n g ) 和驾驭处理( s t e e r i n g ) 。事 后处理是把计算与计算结果的可视化分成两个阶段进行，二者之间不能发生 交互作用。跟踪处理要求实时地显示计算中产生的结果，以便使研究人员能 了解当前的计算情况，在发现错误后认为已没有必要继续计算时，可停止当 前计算并开始下一个计算过程。驾驭处理则不仅能使研究人员实时地观察到 当前计算的状态，而且要能对计算进行实时干预，如增加后减少网络点，修 改某些网格中的参数等，并使计算继续下去。由此可见，科学计算可视化的 目的是依靠人类强大的视觉能力，促进对所考察数据的更深一层理解，培养 出对新的潜在过程的洞察力。正如r i c h a r dh a m m i n g 早期所指出的：“t h e p u r p o s eo f c o m p u t i n gi si n s i g h t , n o tn u m b e r s ( 科学计算的目的是洞察，而不仅 是获得数值) ”。 2 2 可视化技术的产生背景 科学计算可视化是当前计算机学科的一个重要研究方向。自2 0 世纪8 0 年代以来，来自超级计算机、地球卫星、宇宙飞船、物理测量仪以及医学扫 描仪等数据源的信息量及其数据密度都在成倍增长。比如地球资源卫星已比 几年前提高了1 0 1 0 0 倍的分辨率。科学家们需要对这些具有科学价值的数据 进行分析、研究和运用。然而，他们面临的是“数据太多，无法处理”的困 境。浩瀚如海的数据流使科学家们能够做的只是收集与存储，而仅仅采用数 6 四川大学硕士学位论文 值形式，人脑根本无法每天解释大批量( 如十亿字节) 的数据，大量的信息 实际上都在浪费。另外，科学家们不仅需要分析超级计算机所产生的数据， 而且要在进行超级计算期间解释数据、近实时地驾驭计算、修改计算参数并 看到效果。但是，随着计算机性能的提高，求解问题的规模不断加大、复杂 度不断提高，需要处理的和计算产生的数据量都在成倍增长，计算的过程越 来越难以驾驭、计算结果的分析和解释越来越困难，严重影响了科学计算的 效率和质量，阻碍了超级计算的进一步发展。 基于以上形式，1 9 8 6 年1 0 月，美国国家科学基金会( n s f ) 的高级科学 计算部门召开了一个关于“图形、图像处理和工作站”的小型讨论会，讨论 会的成员一致认为：把图形图像技术应用科学计算是一个需要做出努力的全 新领域，并正式称之为“科学计算可视化”。1 9 8 7 年2 月，n s f 正式组织召 开了“科学计算的需求以及正在形成的技术。讨论会的报告在1 9 8 7 年年底发 表，标志着科学计算可视化作为一门新兴学科和技术领域宣告诞生 。 2 3 可视化技术的作用 科学计算可视化首先是为了高效地处理科学数据和解释科学数据而提出 并形成的，是把计算机图形学与图像处理技术应用于计算科学的学科，是当 代科学技术飞速发展的结果。它的作用主要包括： ( 1 ) 为各大应用领域提供分析工具与手段，使各领域的用户使用现有的 可视化工具和技术，分析和显示大体积的、随时问变化的多维数据，并可快 速而轻易地提取有意义的特征和结果，从而协同计算工具取得更好的效果。 ( 2 ) 为模拟计算和数据分析提供视觉交互手段，使研究人员能够跟踪和 交互地驾驭他们的模拟和计算，大大提高计算的效率和质量。 ( 3 ) 将图形和计算紧密结合，强有力地支持了那些把视觉洞察力作为问 题求解能力的应用领域。 ( 4 ) 为超级计算机所产生的大量信息提供生成和表现方法，使科学家们 通过检索计算结果的图像，能够有效地进一步研究更为复杂而详细的数学模 型和模拟方法，将过去那种模拟与设计独立进行的处理方法结合起来处理， 使之更加接近现实，从而为科学家们增加了获得新知识和新理解的可能性。 堕型查堂堡主兰篁笙茎 为达到上述目的，科学计算可视化正综合利用计算机图形学、人机交互、 系统设计等领域的各种知识，并把这些被认为是相互独立的领域，通过可视 化工具与技术把它们结合起来进行统一研究和分析。这种统一的研究和分析 反过来又推动着当前科学可视化的新发展，使科学可视化工具和技术向着对 用户更加友好，对各应用领域更加适应的方向发展，从而增强它的潜力和可 用往。 四川大学硕士学位论文 3 可视化系统开发平台的选择 3 1 系统开发平台的选取 g i s 技术是进行电磁环境监测可视化工作的前提基础。常规的途径是选 择一个通用g i s 平台( 如：m a p i n f o ，a r c i n f o 等) ，在该平台上作二次开 发，使业务数据作为新的图层叠加到原有的地理图层之上，从而达到数据可 视化和对数据进行地理化分析的目的。这种方法的优点是开发速度快，可一 举获得大部分通用性质的数字地图漫游和地理查询功能，地理数据格式的兼 容性也得到保证。在本文中采用组件式g i s 平台m a p x ，利用m a p x 组件强 大的空间关系数据库引擎，建立图形数据库，将各种地理信息要素以图层形 式，叠加于电子地图上，并且与关系数据库中属性数据相关联，将数据、文 本、分析图形整合集成于统一的平台上，进行空间定位与属性一体化管理， 使信息可视化。在集成信息的基础上，结合空问分析和电磁波的传播特性， 为移动通信基站或无线电监测站的规划建设提供决策上的依据和帮助，使移 动通信基站或无线电监测站的建设决策更加科学化。 3 2 组件式地理信息系统。帕乜5 1 组件式软件技术已经成为当今软件技术的潮流之一，为了适应这种技术 潮流，g i s 软件象其他软件样，已经或正在发生着革命性的变化，即由过去 厂家提供了全部系统或者具有二次开发功能的软件，过渡到提供组件由用户 自己再开发的方向上来。无疑，组件式g i s 技术将给整个g i s 技术体系和应 用模式带来巨大影响。 g i s 技术的发展，在软件模式上经历了功能模块、包式软件、核心式软件， 从而发展到组件式g i s 和w e b g i s 的过程。传统g i s 虽然在功能上已经比较成 熟，但是由于这些系统多是基于十多年前的软件技术开发的，属于独立封闭 的系统。同时，g i s 软件变得日益庞大，用户难以掌握，费用昂贵，阻碍了 g i s 的普及和应用。组件式g i s 的出现为传统g i s 面临的多种问题提供了全新 的解决思路。 组件式g i s 的基本思想是把g 1 s 的各大功能模块划分为几个控件，每个 控件完成不同的功能。各个g i s 控件之间，以及g i s 控件与其它非g i s 控件 9 四川大学硕士学位论文 之间，可以方便地通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的g i s 应 用。控件如同一堆各式各样的积木，他们分别实现不同的功能( 包括g i s 和非 g i s 功能) ，根据需要把实现各种功能的“积木”搭建起来，就构成应用系统。 3 2 1 组件式g i s 系统的特点 如果把g i s 的功能适当抽象，以组件形式供开发者使用，将会带来许多 传统g i s 工具无法比拟的优点。 1 小巧灵活、价格便宜 由于传统g i s 结构的封闭性，往往使得软件本身变得越来越庞大，不同系 统的交互性差，系统的开发难度大。在组件模型下，各组件都集中地实现与 自己最紧密相关的系统功能，用户可以根据实际需要选择所需控件，最大限 度地降低了用户的经济负担。稿l 件化的g i s 平台集中提供空间数据管理能力， 并且能以灵活的方式与数据库系统连接。在保证功能的前提下，系统表现得 小巧灵活，而其价格仅是传统g i s 开发工具的十分之一，甚至更少。这样， 用户便能以较好的性能价格比获得或开发6 1 s 应用系统。 2 无须专门g i s 开发语言，直接嵌入m i s 开发工具 传统g i s 往往具有独立的二次开发语言，对用户和应用开发者而言存在学 习上的负担。而且使用系统所提供的二次开发语言，开发往往受到限制，难 以处理复杂问题。而组件式g i s 建立在严格的标准之上，不需要额外的g i s 二次开发语言，只需实现g i s 的基本功能函数，按照m i c r o s o f t 的a c t i v e x 控件标准开发接口。这有利于减轻g i s 软件开发者的负担，而且增强了g i s 软件的可扩展性。g i s 应用开发者，不必掌握额外的g i s 开发语言，只需熟悉 基于w i n d o w s 平台的通用集成开发环境，以及g i s 各个控件的属性、方法和 事件，就可以完成应用系统的开发和集成。目前，可供选择的开发环境很多， 女v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、v i s u a lf o x p r o 、b o r l a n dc + + 、d e l p h i 、c + + b u i l d e r 以及p o w e rb u i l d e r 等都可直接成为g i s 或g m i s 的优秀开发工具， 它们各自的优点都能够得到充分发挥。这与传统g i s 专门性开发环境相比， 是种质的飞跃。 3 强大的g i s 功能 o 四川大学硕士学位论文 新的g i s 组件都是基于3 2 位系统平台的，采用i n p r o c 直接调用形式，所 以无论是管理大数据的能力还是处理速度方面均不比传统g i s 软件逊色。小 小的g i s 组件完全能提供拼接、裁剪、叠合、缓冲区等空间处理能力和丰富 的空间查询与分析能力。 4 开发简捷 由于g i s 组件可以直接嵌入m i s 开发工具中，对于广大开发人员来讲，就 可以自由选用他们熟悉的开发工具。而且，g i s 组件提供的a p i 形式非常接近 m i s 工具的模式，开发人员可以像管理数据库表一样熟练地管理地图等空间数 据，无须对开发人员进行特殊的培训。在g i s 或g m i s 的开发过程中，开发人 员的素质与熟练程度是十分重要的因素。这将使大量的m i s 开发人员能够较 快地过渡到g i s 或g m i s 的开发工作中，从而大大加速g i s 的发展。 5 更加大众化 组件式技术已经成为业界标准，用户可以象使用其他a c t i v e x 控件一样使 用g i s 控件，使非专业的普通用户也能够开发和集成g i s 应用系统，推动了 g i s 大众化进程。组件式g i s 的出现使g i s 不仅是专家们的专业分析工具， 同时也成为普通用户对地理相关数据进行管理的可视化工具。 3 2 2 组件式g i s 开发平台的结构 组件式g i s 开发平台通常可设计为三级结构： ( 1 ) 基础组件 面向空间数据管理，提供基本的交互过程，并能以灵活的方式与数据库 系统连接； ( 2 ) 高级通用组件 由基础组件构造而成，面向通用功能，简化用户开发过程，如显示工具 组件、选择工具组件、编辑工具组件、属性浏览器组件等等。它们之间的协 同控制消息都被封装起来。这级组件经过封装后，使二次开发更为简单。如 一个编辑查询系统，若用基础平台开发，需要编写大量的代码，而利用高级 通用组件，面向通用功能，只需几句程序就够了。 ( 3 ) 行业性组件 心川大学坝士学位论卫 抽象出行业应用的特定算法，固化到组件中，进一步加速开发过程。以 g p s 监控为例。对于g p s 应用，除了需要地图显示、信息查询等一般的g i g 功能外，还需要特定的应用功能，如动态目标显示、目标锁定、轨迹显示等。 这些g p s 行业性应用功能组件被封装起来后，开发者的工作就可简化为设置 显示目标的图例、轨迹显示的颜色、锁定的目标，以及调用、接受数据的方 法等。 3 3m a p x 组件技术及主要功能。4 h 2 7 1 m a p x 是m a p l n f o 公司向用户提供的具有强大地图分析功能的a c t i v e x 控 件产品。由于它是一种基于w i n d o w s 操作系统的标准控件，因而能支持绝大 多数标准的可视化开发环境如v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、d e l p h i 、 p o w e r b u i l d e r 等。编程人员在开发过程中可以选用自己最熟悉的开发语言， 轻松地将地图功能嵌入到应用中，并且可以脱离m a p l n f o 的软件平台运行。 利用m a p x ，能够简单快速地在企业应用中嵌入地图化功能，增强企业应用的 空间分析能力，实现企业应用的增值。m a p x 采用基于m a p l n f op r o f e s s i o n a l 的相同的地图化技术，可以实现m a p l n f op r o f e s s i o n a l 具有的绝大部分地图 编辑和空间分析功能。而且，m a p x 提供了各种工具、属性和方法，实现这些 功能是非常容易的。 综合地图 空间宴体 图层z 二三三三二二二严对应的空间数据表 图层2 对应的空间数据表 图3 1m a p x 的空间数据结构 1 2 四j i i 大学硕士学位论文 3 3 1 m a p x 的空间数据结构 空间数据结构，是g i s 的基石，g i s 就是通过这种地理空间拓扑结构建立 地理图形的空间数据模型并定义各空间数据之间的关系，从而实现地理图形 和数据库的结合。m a p x 的空间数据结构如图3 1 所示。 从横向分析，m a p x 采取的空间数据结构是基于空间实体和空间索引相结 合的一种结构。空间实体是地理图形的抽象模型，主要包括点、线、面三种 类型。任何点、线、面实体都可以用直角坐标点x 、y 来表示。点可以表示成 一组坐标( x ，y ) ，对于线和面，则均被表示成多组坐标( x l ，y l ；x 2 ，y 2 ； x r l ，y n ) 。空间索引是查询空间实体的一种机制，通过空间索引，就能够以尽 量快的速度查询到给定坐标范围内的空间实体及其所对应的数据。 从纵向分析，m a p x 的空间数据结构是一种分层存放的结构。用户可以通 过图形分层技术，根据自己的需求或一定的标准对各种空间实体进行分层组 合，将一张地图分成不同图层。采用这种分层存放的结构，可以提高图形的 搜索速度，便于各种不同数据的灵活调用、更新和管理。m a p x 的模型结构如 图3 2 所示。 图3 2m a p x 的模型结构 1 3 四川大学硕士学位论文 33 2m a p x 组件的模型结构 m a p x 组件的基本组成单元是o b j e c t ( 单个对象) 和c o l l e c t i o n ( 集合) 。 其中集合包括对象，它是多个对象的组合。每种对象和集合负责处理地图某 一方面的功能。 由图3 2 可以看出，位于顶层的是m a p 对象本身，其它均由m a p 对象继 承。l a y e r s 、d a t a s e t s 、a n n o t a t i o n s 是m a p 对象下面的三个重要的分支。其中 l a y e r 主要用于操作地图的图层，d a t a s e t 用于访问空间数据表，a n n o t a t i o n 用于在地图上增加文本或者符号。 四川火学硕士学位论文 4 可视化系统的总体设计框架 4 1 可视化系统的设计目标 目前，我国的无线电通信技术已经进入了一个高速发展的时期，如何提 高移动通信网络和无线电监测网络的运行质量已经成为十分重要的问题，它 涉及到无线电频率资源的有效利用、服务质量、服务区域和系统开销等诲多 问题。本文运用c o m g i s 技术，研究并开发电磁环境监测可视化系统，将为 移动通信或无线电监测提供一种新的辅助决策支持方式，可满足其对于信息 可视化的智能业务系统的需求。 图4 1 系统总体设计框架 本文所研究并开发的电磁环境监测可视化系统的基本目标是开发一个集 j 5 四川大学硕一学位论文 可视化技术与g i s 技术于一体的可视化系统，使从电磁环境监测中得到的场 强数据能够在电子地图上以图形的方式显示其大小及其地理分布，这样可以 为移动通信基站或无线电监测站的合理规划、建设、选址及优化提供辅助性 决策，使它们的规划、布局、建设更加科学化。 4 2 可视化系统的设计框架 电磁环境监测可视化系统主要包括两部分功能：g i s 操作和电磁环境监 测中场强数据的可视化。其总体设计功能结构如4 1 图所示。 根据电磁环境中场强数据分布的特点，所研究的系统不仅能够对g i s 图 形数据进行查询与维护，还应该能够对指定区域的场强大小进行分析，利用 直观的空间概念能达到方便、快捷的分析管理目的。下面简要说明所研究和 开发的电磁环境监测可视化系统应具备的功能： ( 1 ) 地图输出。该功能是将分析或查询后显示的地图进行输出，它可以 将地图保存在计算机的内存中，以便在其他的应用程序中使用。 ( 2 ) 视图管理。系统应提供多视图结构，可以同时打开多个视图子窗体， 并以不同的视野显示和操作。系统还应提供了全景、放大、缩小、漫游等基 本地图操作。 ( 3 ) 图层管理。图层管理主要完成对组成地图的各地理要素的管理，包 括图层的新建、添加、保存以及隐藏和显示图层等功能。 ( 4 ) 特征查询。系统应提供从属性到地图对象及从地图对象到双向查询 功能，并且还应提供各种选择工具对地图对象进行屏幕上的直接选择。 ( 5 ) 特征编辑。特征编辑功能应可以在地图上添加地图特征、删除地图 特征、编辑地图特征等。 ( 6 ) 电磁环境监测中场强数据的可视化。电磁环境监测中场强数据的可 视化应是本系统的专业应用内容，在该系统中对电磁环境监测中得到的场强 数据，结合等值线图形的绘制算法，在电子地图上绘制显示的等场强线，从 等场强线图上可以直观地看到场强数据的大小及其地理分布。 1 6 四川大学硕士学位论文 5 可视化系统的实现 为了将存放在数据库或文件中的场强数据在电子地图上进行显示，本文 利用m a p x 中的图层分层存放的特性，在m a p x 平台上绘制显示电磁环境监 测中得到的场强数据的等值线图形。下面先介绍等值线的绘制原理，然后再 具体介绍在m a p x 图形平台上绘制显示场强数据的等值线。 5 1 等值线的绘制原理 在地学中，等值线图是最常用的图件之一，用来表示那些具有连续分布 特征的自然现象。在图形学上，等值线是指j j ，坐标平面上f ( x ，y ) = c 的轨 迹分布线。这里的c 为某一常数值，该值所表示的物理意义可以是地形高程 数据，温度场中的温度数据，气象上的气压数据，电磁场中的场强数据等。 5 1 1 等值线绘制流程图 等值线图通常采取规则矩形格网( r e c t a n g u l a rg r i d s ) 和不规则三角网 ( t r i a n g u l a t e di r r e g u l a rn e t w o r k ) 对原始数据进行插值。本论文主要应 用规则矩形格网d t m 自动绘制等值线的原理，其主要包括以下两个步骤： 利用d t m 的矩形格网点的高程内插出格网边上的等值点，并将这些等值点按 顺序排列( 即等值线的追踪) ；利用这些顺序排列的等值线点的平面坐标x ， y 进行插补，即进一步加密等值点并绘制成光滑曲线( 即等值线的光滑) 。以 下就是规则矩形格网法绘制等值线过程的框图，如图5 1 所示。 1 7 四川大学硕士学位论文 图5 1 格网法绘制等值线过程框图 1 8 四川大学硕士学位论文 5 1 2 数字高程模型( d e m ) 的建立 5 1 2 1d t m 与d e m 概念 数字地形模型( d t m ，