基于射線跟蹤算法數字地圖自動提取與預處理

馮永勝，郭立新，劉忠玉

(西安電子科技大學理學院，陜西 西安 710071)

隨著移動通信業務的發展、個人通信需求的迅猛增長，通信技術應用越來越廣，微蜂窩技術由于采用頻譜復用技術而得到廣泛應用。在這種環境下，基站天線的高度一般低于周圍建筑物的高度［1］。另一方面，隨著無線通信形式和容量的增加，發射源也越來越多，使得城市電磁污染進一步加重，對人體及通信環境都有不利影響。因此有必要對微小區中某輻射源的電波傳播特性進行確定性分析，對于在微小區情形下的電波傳播預測模型的研究也尤為重要。射線跟蹤方法因具有預測精度較高、計算工作量較小、易于程序化等優點而獲得廣泛應用［2－4］。然而，為滿足不同傳播環境下信號預測的實時性，射線跟蹤算法的效率仍有待于提高。尤其是在建筑物密集的城市微小區環境下，射線跟蹤加速算法是一項共同研究的課題。在所有的射線跟蹤技術中，遮擋判斷必須被反復執行。當城市微小區環境包含大量的建筑物時，射線跟蹤算法程序需要大量的計算時間。

數字地圖是整個射線跟蹤算法的基礎，準確高效的數字地圖是射線跟蹤算法結果是否理想的重要保障。在已有地圖的基礎上，如何對地圖進行二次開發，結合射線跟蹤算法的需求，設計出合理高效的環境地物信息數據庫即地圖的存儲格式，是提高算法效率的關鍵技術。

文中用C++結合針對AutoCAD平臺上的二次開發而推出的一個開發軟件包ObjectARX，開發了一段高效的可批量提取AutoCAD畫出格式的數字地圖點坐標的程序，可批量一次性地提取建筑物的點坐標，使其轉化成標準的數字地圖格式，把點坐標寫入數字地圖數據庫文件，攻克了如何能快速的獲取地圖中符合射線跟蹤算法所需要的地圖坐標格式的難題。實現了自動化提取技術，從而能夠建立實用的、快速的、高精度的室外微蜂窩環境電波預測模型。

1 地圖自動提取及預處理

1.1 應用軟件說明

文中采用的開發環境是電子地圖軟件AutoCAD2008，開發軟件ObjectARX2008，Visual Stdio2005作為開發工具。ObjectARX是AutoDesk公司針對AutoCAD平臺上的二次開發而推出的一個開發軟件包，它提供了以C++為基礎的面向對象的開發環境及應用程序接口，能真正快速的訪問AutoCAD圖形數據庫。與以往的AutoCAD二次開發工具 AutoLISP和 ADS不同，ObjectARX應用程序是一個DLL，共享AutoCAD的地址空間，對 AutoCAD進行直接函數調用。所以，使用ARX編程的函數的執行速度得以提高。AutoCAD在批量提取點位坐標時沒有相應功能，需要二次開發才能滿足需要。AutoCAD的開發手段多種，如C++、ObjectARX、Java、VisualBasic、AutoLisp 等，采用C++ 結合針對AutoCAD平臺上的二次開發而推出的一個開發軟件包ObjectARX，開發了一段可一次性批量提取點坐標的技術，且把點坐標寫入文本文件。

1.2 提取數字地圖

AutoCAD文件的圖元對象屬性有多種形式，文中采用的電子地圖有多線段、線段和圓弧3種，需要根據射線跟蹤模型和圖元的不同情況，通過AutoCAD的二次開發功能ObjectARX編程提取所有的圖元信息分別轉化為邊的形式，并存入數據庫。

在AutoCAD定義的圖元中，線段(Line)與邊的模型完全符合。搜索當前地圖內所有的“Line”對象，將其兩個端點坐標和對象屬性提取出來，載入數據庫中文件即可。

為符合射線跟蹤算法地形數據庫模型需要，程序需要對數字地圖中的3種特殊圖形進行處理，即:多線段處理、圓弧處理和子塊劃分的處理。以多線段為例，循環搜索電子地圖圖元信息，載入數據庫表格。

多線段(Polyline)由一些線段首尾連接而成，分成閉合和不閉合兩種。

AutoCAD定義的多線段屬性中沒有圖元的線段數，即程序無法知道Polyline由多少條Line組成。本文處理Polyline時預定義了90次的循環依次搜索多線段的各頂點，當遍歷到最后一個頂點即跳出循環。在循環的過程中，提取當前線段的頂點坐標，載入數據庫。當循環至最后一個頂點時，對多線段的閉合屬性作判斷，如果該多線段是閉合的，則將終點和起點作為一條線段的信息載入數據庫，如果多線段為非閉合的，則忽略起點和終點的連線。

分解方法如圖2所示，圖1中建筑物由封閉多邊形ABCDEFA構成，在AutoCAD地圖信息中構成一個完整的圖元。當程序搜索到這個多邊形后將其分解，如圖2所示變成6條線段，分別以邊的形式存入數據庫。獲取步驟為:(1)打開Autocad地圖。(2)在命令行鍵入appload命令。(3)在彈出的對話框中裝載之前已經寫好的arx應用程序。(4)運行ObjectARX程序，鍵入命令Gp。(5)結果輸出到數據庫，結束。

Autocad中dwg格式的二維數字地圖的提取結果如，圖3為原AutoCAD中富蘭克林部分街道的微小區地圖;圖4是根據數字地圖提取出來的線段的坐標;圖5是經過信息提取后用Matlab畫出的圖形100%吻合原來的數字地圖。

圖5 用Matlab畫出的圖形

1.3 數字地圖預處理

作為一種特定地形的電波預測模型，射線跟蹤算法需要準確的地形環境信息，地形數據的準確性將會影響預測結果的精度。城市微小區的環境幾何描述相當復雜，包含大量的不同物體，如建筑物、路燈桿、電話亭等，另外還有一些移動的物體，如汽車和人群等。它們都會對無線傳播產生影響，在這樣的環境中，若不作一定的簡化，即使利用了近似的電磁技術，也無法得到確定性解。另一方面，小物體的幾何信息通常不可能包括在內，因此不可能得到足夠的和移動障礙物有關的信息。

1.3.1 前期

在數字地圖的自動提取過程中就可以先把嵌套在建筑物里面的建筑物剔除，如圖6存放的是建筑物投影到地面上輪廓的描述，該投影形成的輪廓為多邊形。有不少多邊形套在其他多邊形的內部，其實兩個多邊形本來就是一個建筑物，只是由于一部分高，另一部分低所以把它分成了兩個多邊形處理。其實內部的多邊形在準三維射線跟蹤中是用不到的。假如在讀取的時候就將這些建筑物去掉，會減少一部分存儲量，同時也會降低搜索時間。

圖6 兩個互相嵌套的多邊形關系

1.3.2 后期

相鄰建筑物間的合并。室外微小區傳播場景下，建筑物的分布密集。對于這種密集建筑物群，可以視為一個大的建筑物，從而減少了射線跟蹤算法在遮擋判斷時要處理的墻面數和墻角數。這種合理的做法，其準確性在文獻［5～6］中得到了證明。文中的建筑物合并技術比文獻［6］中的更全面，可用于任何復雜情況。

圖7 可以合并的相鄰建筑物平面圖

2 仿真結果分析

為驗證預處理技術的效果，對曼哈頓市微小區數字地圖中的部分區域進行處理。圖8為沒有進行預處理的微小區地圖，圖中含有315個建筑物，共2956的垂直地面的墻角。該城市地圖中建筑物的高度相對較高，適合2.5D射線跟蹤算法，是一個典型的室外微小區場景。

圖8 預處理前城市微小區地圖

利用上文提到的預處理技術對數字地圖進行自動處理，處理結果表明，建筑物套嵌測試所刪除的建筑物共有21個，這21個建筑物包含的總建筑物面數或墻角數為122個，這些幾何信息的刪除對準三維射線跟蹤算法的預測精度并無影響;對建筑物進行剔除處理操作舍棄了73個墻角，套嵌和墻角剔除處理所刪除的面占所有面的6.6%，依據文獻［7］可知，建筑物幾何信息對射線跟蹤預測結果影響較大的是建筑物的空間方位，而不是墻角的微小偏移。

表1 不同合并間距下的預處理對比

表1給出了不同合并間距下的預處理結果的對比，可以看出隨著合并間距的增大，其合并掉的面在增加。當合并間距為1 m時，建筑物的套嵌、輪廓的修正和建筑物合并的3種操作，使環境中的面數減少了近14%，其對應的處理效果如圖9所示。因此，隨著射線跟蹤算法考慮的反、繞射階數越來越大，其預處理效果越明顯。

圖9 預處理后城市微小區地圖

3 結束語

以C++結合，針對AutoCAD平臺上的二次開發而推出的一個開發軟件包ObjectARX，開發了一段高效的可批量提取AutoCAD畫出格式的數字地圖點坐標的程序，自動提取建筑物的頂點坐標，使其轉化成標準的數字地圖格式。相比較以往射線跟蹤利用手動提取點坐標方面效率大大提高。后文的預處理技術能實現對數字地圖的預處理，改進了射線跟蹤算法的運行效率，并提高了射線跟蹤算法的通用性。

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