移动通信系统仿真专题三维数字地图分析

移动通信系统仿真专三维数字地图分析 移动通信网络仿真专题三维数字地图分析 毛定军 (四川通信科研规划设计有限责任公司 无线咨询设计分院 成都 610041) 【摘要】三维数字地图是移动通信网络仿真的基础，但在实际的工作中，却经常出现 由于地图供应商对仿真专题三维数字地图的理解不深刻和仿真人员缺乏相应的地图知识， 导致地图无法使用或错误使用的现象。因此，本文在介绍三维数字地图关键概念的基础上， 结合VOLCANO高精度确定性传播模型对地图格式要求，以业界广泛采用的ASSET三维 数字地图格式为例详细阐述了移动通信系统仿真专题三维地图格式，旨在帮助从事移动通 信网络仿真的人员能正确理解、采购和使用地图。 关键词 移动通信系统 仿真 专题三维数字地图 ASSET VOLCANO 1 引言 随着国内移动通信用户的迅猛增长及移动网络规模的不断扩大，特别是近年来国 内3G网络建设如火如荼的开展，移动通信网络仿真技术作为网络建设过程中不可或 缺的评估手段，得到了越来越多的重视和应用。移动通信网络仿真基于三维GIS系统之上，因此符合的三维数字地图对仿真结果的准确性至关重要。 但是，在工作中，却经常出现由于地图供应商对仿真专题三维数字地图的理解不 深刻及仿真人员缺乏相应的地图知识，导致地图无法使用或错误使用，严重影响到仿 真结果的现象。 为此，本文在介绍三维数字地图关键概念的基础上，结合VOLCANO高精度确定性传播模型对地图格式要求，以业界广泛采用的ASSET三维数字地图格式为例详细 阐述了移动通信系统仿真专题三维地图格式，希望能帮助移动通信设计人员更加深入 的理解移动仿真专题三维数字地图的要求，正确采购和使用地图。 2 三维数字地图的几个关键概念 在进行网络仿真时，首先需设置三维数字地图的坐标系。因此，我们首先介绍设 置坐标系必须掌握的几个关键概念。 2.1 椭球体（Ellipsoids） 地球是表面不规则的近似椭球体，重力也不均匀。这导致测量数据的处理和成图 极其困难，甚至无法实现。为此，测绘学科专门建立了地球椭球体：以接近大地体的 旋转椭球体来代替大地体的旋转椭球。用a表示椭球体的长半轴，b表示短半轴， 以f表示地球椭球的扁率。 图1 椭球体 椭球体分为总地球椭球体和参考椭球体两种： 总地球椭球体：与大地体最接近的地球椭球，典型的如WGS84椭球体。 参考椭球体：局部与大地体密合最好的地球椭球。如我国西安80大地坐标系所采用的椭球体就是1978年我国根据自己实测的天文大地资料推算出的适合我国的椭球 体。 2.2 大地基准面（Geodetic Datum 大地基准面（Geodetic datum）的测绘学定义为：设计用为最密合部份或全部大地 水准面的数学模式。它由椭球体本身及椭球体和地表上一点视为原点间之关系来定义。 此关系可以由6个量来定义，通常（但非必然）是大地纬度、大地经度、原点高度、 原点垂线偏差之两分量及原点至某点的大地方位角。 上面的定义相当晦涩难懂，下面我们来打个比喻来进行说明。我们可以把地球比 做是“马铃薯”，表面凸凹不平，而地球椭球体就好比一个“鸭蛋”，那么基准面就定义了怎样拿这个“鸭蛋”去逼近“马铃薯”某一个区域的表面。 因此，每个国家或地区均有各自的基准面，我们通常所说的北京54坐标系、西安80坐标系实际上指的就是我国的两个大地基准面。1953年我国参照前苏联克拉索夫斯基(Krassovsky)椭球体建立了我国的北京54坐标系；1978年采用国际大地测量协会推荐的1975地球椭球体（IAG75）建立了我国的西安80坐标系，其大地原点设于陕西省泾阳县永乐镇。WGS1984基准面采用WGS84椭球体，它是一地心坐标系，即以地 心作为椭球体中心，目前GPS卫星星历均采用WGS-84坐标系。 需要特别说明的是，椭球体与基准面之间的关系是一对多的关系，也就是基准面 是在椭球体基础上建立的，但椭球体不能代表基准面，同样的椭球体能定义不同的基 准面。 2.3 地图投影 我们通常使用的地图都是二维平面地图，因此需要将三维椭球体转变成二维平面 地图，这称为地图投影。将有经度、纬度、高程的物体投影成二维平面，就会变形， 相互距离、方位、面积就会有误差，不同投影，误差不同（如：等角、等距投影等）， 而且在同一张地图中，不同位置上的物体变形程度不一样。 在中国1：1万-1：50万地图，统一采用高斯-克吕格投影(Gauss-Kruger)，其中3?分带用于大于1?2.5万比例尺地图，6?分带用于1?2.5万～1?50万图。在英美国家常用横轴墨卡托投影（UTM）。 图2 高斯-克吕格投影的分带方法（6?分带和3?分带） 高斯-克吕格(Gauss-Kruger)投影与UTM投影（Universal Transverse Mercator，通用横轴墨卡托投影）都是横轴墨卡托投影的变种。 从投影几何方式看，高斯-克吕格投影是“等角横切圆柱投影”，投影后中央经线 保持长度不变，即比例系数为1；UTM投影是“等角横轴割圆柱投影”，圆柱割地球 于南纬80度、北纬84度两条等高圈，投影后两条割线上没有变形，中央经线上长度 比0.9996。从计算结果看，两者主要差别在比例因子上，高斯-克吕格投影中央经线上的比例系数为1，UTM投影为0.9996。 从分带方式看，两者的分带起点不同，高斯-克吕格投影自0度子午线起每隔经差6度自西向东分带，第1带的中央经度为3?；UTM投影自西经180?起每隔经差6度自西向东分带，第1带的中央经度为-177?，因此高斯-克吕格投影的第1带是UTM的第31带。此外，两投影的东伪偏移都是500公里，高斯-克吕格投影北伪偏移为零， UTM北半球投影北伪偏移为零，南半球则为10000公里。 2.4 小结 不同的大地基准面定义了不同的坐标系。在不同的坐标系下，同一地理位置的经 纬度会出现不同程度的差异，因此在使用三维数字地图时，首先必须根据地图信息正 确设置大地基准面、地图投影等参数。对于ASSET格式而言，可以参考DTM目录下projection.txt文件中的信息进行设置，但需要注意的是如果投影是Gauss-Kruger，则比例因子为1，如果投影是UTM，比例因子为0.9996。 目前GPS卫星星历均采用WGS-84坐标系，因此，为便于使用，减少坐标系转换 带来的不必要麻烦和误差，建议在采购国内地图时直接采用WGS84坐标系，并根据分辨率要求选择3?或6?分带高斯-克吕格投影。 此外，还应注意到，在非WGS-84坐标系的地图中使用GPS终端测试经纬度时，必须进行相应的转换，才能确保位置的正确性。 图3 DTM中的projection.txt文件 3 ASSET三维数字地图格式 3.1 三维数字地图规格 根据移动通信建设的不同阶段和不同地区的需要，移动通信网络仿真专题地 图一般分为5米精度、20米精度、50米精度三种规格。5米精度的地图主要用于密集 城区等特殊区域的网络建设，此类数据精度高，要求更新周期短，制作及维护成本高； 20米精度的地图主要用于一般城市区域，是目前应用较广泛的数据类型；50米精度的地图主要用于郊区及农村区域，也是目前应用较广泛的数据类型。各类规格地图包含 的典型数据类型见下表1： 表1 各类规格典型地理数据类型 5 20 50 DTM ? ? ? DOM ? ? ? DHM ? 3DVector ? LDM ? ? ? Text ? ? ? 5 20 50 Backdrop ? ? ? （注：“?”表明包括此类数据） 3.2 数字高程模型DTM 数据高程模型DTM是按给定地图精度采样间隔等间距表示的地面高程数据，采 用栅格数据结构，如20米精度地图，一个栅格表示20m x 20m面积大小的正方形区域。 图1 DTM数字高程模型 通常来说，DTM目录中包含ASCII格式的index.txt、projection.txt及对应的二进制高程文件。 index.txt用于描述高程文件的相关位置信息，每一行定义一个高程文件，最后一 行由回车键键结束。每行包含由空格分开的如下信息： [Filename] [Eastmin] [Eastmax] [Northmin] [Northmax] [Square Size] 表2 DTM index.txt数据格式 Field Description Filename Filename of DTM Height file Eastmin Minimum Easting value(metres) Eastmax Maximum Easting value(metres) Northmin Minimum Northing value(metres) Northmax Maximum Northing value(metres) Square Size Size of each element of height data(metres) 需要注意的是，在index文件中的坐标取值、Eastings和Northings之间的差值必须是地图精度的整数倍，否则地图将在地图视窗中前后移动，影响地图的准确性，这 一点是国内地图生产厂家常犯的错误之一。 Projection.txt文件定义了地图所用的坐标系、投影系及相关参数信息。 二进制高程文件中每个栅格信息由2字节存储，采用Big-Endian格式。对于地图未定义的区域，栅格取值应该为-9999，而非取值为0。 根据AIRCOM仿真软件的建议，DTM高程误差应小于以下值： 表3 不同地图精度下DTM高程误差表 5 20 50 1m 5m 10m 3.3 地貌模型DOM 地貌模型DOM，也叫DLU（digital land use）是按给定地图精度采样间隔等间距 表示的地面覆盖物类型，采用栅格数据结构。 通常来说，DOM目录中包含ASCII格式的index.txt、menu.txt及对应的二进制地貌文件。 index.txt用于描述地貌文件的相关位置信息,格式与DTM的index.txt相同。 menu.txt中包含二进制地貌文件中存储的不同类型地貌的编码值及对地貌类型 的命名。该文件每行定义一种地貌类型，最后一行由回车键结束。每行包含由空格分 开的如下信息： [Clutter Code] [Clutter Name] 对于地图未定义的区域，地貌编码值应该取值为-9999，而非取值为0，为防止错误，建议在menu.txt文件中明确设定未定义区域地貌名称为“undef”，编码值为-9999。 图2 Menu.txt示例 Menu.txt必须和index.txt在同一个目录中。 根据对地貌定义的精度不同，DOM分为低分辨率和高分辨两种。低分辨率的DOM 对地貌进行统计描述，不能提供地貌的确定性信息（如对于20米精度地图，一般只有 大于5个象元的地物或当建筑物和周围物体的高差大于30米时，DOM才予以独立表 示）。低精度DOM的典型地貌分类如下表所示。 表4 低精度DOM的典型地貌分类 水域覆盖区域，包括河流、水库、湖泊、河口等区域 海水覆盖区域，包括海洋、港湾等区域 潜水面与植被混杂覆盖的区域：池塘、沼泽、水田、滩涂、岩滩、 沙砾滩等 包括高速公路、国道、道路、铁路，以及植被覆盖稀少或荒芜的区 域，如荒山、荒地、荒滩与露天矿等 街区图中注明为公园的区域 主要街道、次要街道、 面状开阔地（如运动场、街心花园） 低矮、混杂植被覆盖的区域 林木覆盖率大于60%的面状区域 郊区范围内的集镇 乡村区域内农民居住较为集中的区域 市、郊内建筑物高度大于40米的单幢建筑物 市、郊内建筑物高度为20—40米的单幢建筑物 市、郊内平行排列、街道规则且高度低于20米的建筑群 市、郊内建筑物高度低于20米但面积较大的单幢建筑物 从其他低矮建筑类型中分出的较密集的建筑 市、郊内形成片状的高度大于40米的建筑物群 市、郊内形成片状高度为20—40米的建筑物群 市、郊内形成片状平行排列、街道规则且高度低于20米的建筑群 从其他低矮建筑类型中分出的较密集形成片状的建筑 市区内不能划分为以上建筑的建筑 注：不同区域可能部分地貌类型不存在。 高分辨率DOM对地貌进行确定性的描述，如按建筑物的轮廓来表示地貌，主要应 用于密集城区，其典型的地貌分类如下表所示： 表5 高分辨率DOM典型地貌分类 水域覆盖区域，含水库、河流、湖泊与海洋；渔塘、人工湖、大型 蓄水池、公园水体等应视为此类 海水覆盖区域，包括海洋、港湾等区域 主要街道、次要街道、 面状开阔地（如运动场、街心花园） 低矮、混杂植被覆盖的区域，含运动场草地、公园草地、大学校园 草地、机场草地、以及一切绿化区域、农田等 林木覆盖率大于60%的面状区域，含各种林木覆盖区域；果林、幼 树林、成树林、苗圃等应视为此类。 陆地桥，高架桥和河流桥 钢筋混泥土结构且高度大于40米的建筑物，如大型大商业区办公 室和商业建筑物 钢筋混泥土结构且高度为20—40米的建筑物，如中等大小的办公 楼建筑、工厂以及小的公寓建筑 砖混结构且高度为20—40米的建筑物 钢筋混泥土结构且高度低于20米的建筑物，如一层或二层住宅建 筑，小型商业和办公建筑物 砖混结构且高度低于20米的建筑物，如一层或二层住宅建筑，小 型商业和办公建筑物 钢筋混泥土结构且高度低于20米但面积较大的单幢建筑物 ，如大 型厂房、博物馆等。 砖混结构且高度低于20米但面积较大的单幢建筑物 ，如大型厂房、 博物馆等。 注：不同区域可能部分地貌类型不存在。 二进制地貌文件格式同DTM的二进制文件格式。 另外，为支持Volcano传播模型基于栅格数据的多精度地图混合仿真功能，需要 对不同精度的DOM数据进行数据合并，具体合并如下图所示。 图3 不同精度DOM数据合并 （城区采用5米的高精度DOM，郊区农村采用25米的低精度DOM） 图4 不同精度DOM数据合并方式下的Menu.txt文件。 注意：高低分辨率地貌类型的编码和名称应该是不同的。 3.4 地貌高度模型DHM 除了值表示地貌高度外，地貌高度模型DHM与DTM的格式是完全一致的。 DHM中至少应定义建筑物的高度信息，对于未定义高度的地貌类型，其高度取值 应设置为0，对于地图未定义的区域，栅格取值为-9999，而非取值为0。 图5 DHM 示例 3.5 三维地貌矢量3D Vector 三维地貌矢量用于详细描述地貌的轮廓和高度信息，它至少应该包含建筑物的矢 量信息，建议包含所有地貌类型的信息。通常三维地貌矢量目录中包含ASCII格式的index.txt，menu.txt 及若干用于表示地貌轮廓的Vector_File和属性的Vector_Attribute_File文件。 index.txt用来描述地貌轮廓和属性文件的相关位置信息，每行包含由空格分开 的如下信息： [Vector_File] [Vector_Attribute_File] [Eastmin] [Eastmax] [Northmin] [Northmax] [Vector_Type] 最后一行由回车键结束。 图6 3D vector index.txt 文件格式示例 menu.txt文件的每行对一种地貌矢量类型进行定义，每行包含由空格分开的如下 信息： [Id] [Vector_Type] [#BUILDING] 其中“#BUILDING” 是可选的，用于标识建筑物类型。文件的最后一行由回车键 结束。另外，该文件必须和index文件在同一个目录中。 图7 3D vector menu.txt 文件定义示例 对地貌轮廓通常采用闭合的多边形来定义，而Vector_File文件则用于存储这些多 边形的具体信息。对每个多边形的存储格式为： [Vector_Id] [Vector_Type] [Number of points describing the polygon] [Easting] [Northing] [Easting] [Northing] 其中，每个多边形第一行的具体格式为： 表6 Vector_File中每个多边形第一行存储格式 Vector_Id 1 1-5 Blanks 2 6-15 Vector_Type 3 16-47 Blanks 4 48-50 Number of points describing the polygon 5 51-55 Vector_File文件的最后一行由回车键结束。 另外，对于Vector_File还需要注意： (1) Vector_Id最大值为99999，如果某种地貌类型需要的多边形个数超过最大 值，可以为该地貌类型设置多个vector_file + vector_attribute_file (2) 对于每个多边形而言，需满足 a) 开始和结束点必须相同 b) 每个多边形至少包含3个顶点 c) 一个顶点正好属于2面墙， d) 不允许多边形交叉 e) 建筑物角的位置精度应该在1米以内。 注：以上对多边形的限制和约定，可以在AIRCOM技术支持网站上下载wavemap.exe工具进行快速检查。 Vector_Attribute_File文件采用浮点值存储每个多边形的高度信息，其高度参考可 以是地面或海平面。所有的多边形的高度必须高于地面高度。 Vector_Attribute_File的每一行存储一个多边形的高度信息，最后一行由回车键结 束。其每行的格式为： [Vector_Id] ["Vector-Type"] [Vector_Height] 表7 Vector_Attribute_File每行具体格式 1 1-5 Vector_Id Delimiter 2 6 Vector_Type 3 7-19 Delimiter 4 20 Vector_Height 5 21-26 图8 Vector_Attribute_File 示例 另外，为支持Volcano传播模型基于3D Vector和栅格数据的多精度地图混合仿真 功能，需要特别定义一个虚拟地貌类型“undef”及其相关多边形，用来表示三维矢量 地图矩形边界内的无效区域。对于ASSET格式，该地貌类型的编码须设置为-9999（对 于Planet格式则为255）。 图9 定义虚拟地貌类型“undef”示例 图10 虚拟地貌类型“undef”对应的多边形（红色）示例 3.6 线状地物模型LDM 线状地物模型LDM描述各种线状地物类型，采用矢量数据结构。一般来说，它应 包括以下13种线状地物： 表8 LDM的典型类型 为道路宽度超过40米的高等路 为国家命名的干线公路 城镇以外各方向上有两个以上的通路 城镇以外的一般通路 城镇内，各方向上有两个以上的通路 城镇内，道路宽度超过3米的通路 城市高架路和轻轨等离地交通道路 城市地铁及其它地下通道 河流、湖泊、水库及其岸线 海岸界线 机场跑道轮廓线 城市分区以上的行政界线。所有的 LDM采用MapInfo *.tab文件格式，可以通过AIRCOM自带的Vector Manager工具进行调用。 3.7 重要地物文字标注Text Text数据主要记录主要线状、面状及点状地物的名称，采用矢量数据格式。Text数据一般应包括以下几种地物标注: 1．高速公路 2．国道线 3．主要道路 4．一般道路 5．主要街道 6．一般街道 7．铁路 8．河流、湖泊、水库 9．桥梁、火车站、民航机场、码头 10．主要建筑物、及该城市的标志建筑物 11.主要风景区 12.乡镇政府以上驻地 13．行政村 Text目录中包含ASCII格式的index.txt、menu.txt和若干个.txt文件。针对每一种地物类型，都应该用至少1个.txt文件来分开存储。 index.txt用来描述.txt文件的相关位置信息，每行包含由空格分开的如下信息： [Filename] [Eastmin] [Eastmax] [Northmin] [Northmax] [Textual description of text data file] 最后一行由回车键结束。 图11 Text标注的index.txt文件示例 Menu.txt用于对文字

标准

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物进行编码和命名，示例如下： 图12 Text标准的menu.txt示例 .txt用于存储具体的文字标注信息，每一行描述一个标注信息，最后一行由回车 键符结束。每行包含由空格分开的如下信息： [Easting] [Northing] [Text to be displayed] 图13 .txt 示例 4 结束语 三维数字地图的正确制作和选用是确保移动通信网络仿真结果的基础。本文通过 对仿真所需地图基础知识及ASSET三维数字地图格式的详细分析，希望能有助于地 图供应商和仿真人员加深对移动通信网络专题三维数字地图的理解，提高仿真的有效 性。 参考文献 [1] ENTERPRISE Technical Reference Guide, Software Version 6.0, December 2007. [2] Volcano_2.8_reference_guide_int, Version 2.8,June 2008 [3] volcano_map_data_requirements_for_Enterprise，Version 2.8, December 2008 [4] WS_UserManual_Aircom_1.4，www.wavecall.com，May 2001 2004 3G2004-2009WIMAX