基于GIS的战场电磁环境可视化研究
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第 30 卷 第 1 期 2008 年 2 月
指挥控制与仿真
Command Control & Simulation
Vol.30 No.1 Feb.2008
文章编号：1673-3819(2008)01-0093-05
基于 ＧＩＳ 的战场电磁环境可视化研究
方 程，刘晓静，屈 林
（海军兵种指挥学院，广东 广州 510430）
2）电磁辐射范围显示功能 该功能主要显示重要 电磁辐射源的有效作用距离，如雷达网的探测范围、 受干扰的区域、通信电台的有效通信区。
3）电磁信号传播显示功能 该功能主要显示战场 各种电磁辐射源的工作状态和指挥控制通信网络的信 息流通情况。通信线路的忙闲状态、受干扰状态、通 信是否畅通情况等等。
4）电磁辐射源战术技术参数显示功能 该功能主 要用来显示电磁辐射源的主要技术战术参数。该功能 可以作为电磁图层的辅助显示功能，它通过对显示的 电磁辐射源的查询来实现。
对于连通的带权图 G，其生成树也是带权的。生 成树 T 各边的权值总和称为该树的权，记作：
W (T ) = ∑ w(u, v)
( u ,v )∈TE
其中，TE 表示 T 的边集，w(u,v)表示边(u,v)的权。权 最 小 的 生 成 树 称 为 G 的 最 小 生 成 树 (Minimum Spanning Tree)。最小生成树可简记为 MST。
间数据的输入和组织已经成为目前 GIS 发展的瓶颈， 空间数据的栅格结构和矢量结构是模拟地理信息的两
3）通过 MST 的空间聚类分析模型将电磁目标聚 类，解出电磁目标之间，电磁目标群中的各个电磁目
同时，传统数据挖掘过程往往是“黑箱”作业，用 户不论感兴趣与否都只能被动地接受挖掘结果，而且 这些结果往往是抽象的、不易理解的。在非空间数据 挖掘领域，近年来在数据挖掘、数据可视化技术与 OLAP（在线联机分析）技术集成研究方面有了初步 进展，目前已经形成了数据挖掘与知识发现的一个新 热点——可视化数据挖掘（VDM）。VDM 的基本思 想就是要打破传统数据挖掘算法的这种“封闭性”，充 分利用各式各样的数据可视化技术，以一种完全开放、 互动的方式支持用户结合自身专业背景参与到数据挖 掘的全过程中，最终达到提高数据挖掘的有效性和可 靠性的目标。 2.1.2 基于 MST 的空间分析模型[3]的概念与特征
图 2 战场电磁信息管理示意图
GIS 通过图形的采集和矢量化处理建立起战场区 域的地形地貌图和所要电磁辐射源的分布图，采用数 据库技术建立电磁辐射源基础地理信息数据库，通过 电子地图和数据库的连接，创建和查询战场电磁辐射 源的特征、属性、空间位置、探测能力及通信能力等 信息，为作战指挥辅助决策提供支持；将现有的战场 数据库系统与指挥自动化系统进行集成，从而形成较 为完整的作战指挥训练系统。
2 关键问题及解决方法
以 GIS 为基础的电磁环境可视化信息系统的建立 是一个复杂的系统工程，涉及方方面面的资源，这样 就必须根据实际情况，决定技术路线。在系统设计时，
需要解决几个关键的问题： 1）空间模型的分析问题； 2）空间数据的输入、组织结构即系统技术路线的
问题。 2.1 空间模型的分析问题
没有正确理论指导的实践活动往往是盲目的，所 以我们必须先确定系统采用何种空间分析模型。 2.1.1 可视化空间聚类技术分析
FANG Cheng, LIU Xiao-jing, QU Lin (Naval Arms Command Academy, Guangzhou 510430, China) Abstract: Aiming at the no-viewed character of the electromagnetic environment and the faintness of the commander, use GIS to explore the problem of the visualization electromagnetic environment. The thesis made up special analysis model, set up system design plan, and expatiated upon system data base design, function template design, and logistic frame design. With the applied value, the system offered the effective analysis tool on commanding operation, electromagnetic environment analysis and assistant decision. Key words: GIS; electromagnetic environment; visualization; spatial clustering
基于 MST 的可视化空间聚类分析模型算法最大 特色在于利用 Delaunay 三角网工具和 MST（最小生 成树）将地理实体的邻接度（空间相邻关系）与其他 属性一起作为空间聚类处理对象。具体算法流程图见 图 3。
空间 数据
电磁辐射源 空间属性
三角化/MST
多维聚类
非空间属性
预处理
聚类树
图 3 算法流程图
作者简介：方 程（1980-），男，浙江丽水人，硕士研究
生，研究方向为海军作战环境。
刘晓静（1960-），男，教授，硕士生导师。
屈 林（1978-），男，硕士研究生。
或图纸，可以方便地对空间数据进行输入、编辑、显 示、查询、空间分析和输出打印，也可以利用三维动 态仿真技术，对各种要素进行仿真模拟，构造一个符 合实际的模拟空间，展现各种地物之间复杂的时空关 系。它采用地理模型分析方法，适时提供多种空间地 理信息，辅助相关的地理研究和地理决策。由于 GIS 将地理空间模型化并存储在计算机中，因此它还具有 对研究对象进行描述、模拟和预测的功能。相对于常 规意义上的信息系统，GIS 具有空间分析能力强、数 据来源广泛、工作方式直观形象等特点，在对空间数 据的查询和分析功能要求较高领域得到广泛应用[1]。 1.2 战场电磁环境可视化内容
空间聚类与传统聚类方法的区别之一在于空间聚 类是对空间实体进行分析。作为空间数据挖掘的一个 重要分支，空间聚类是根据某个相似性准则对空间实 体集进行自动分组，达到组内差异最小，组间差异最 大的过程（Han et al.,2000）。对于战场电磁环境可视
第1期
指挥控制与仿真
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化研究，又必须清楚所要研究的战场电磁辐射源这类 空间实体的特征、属性以及空间位置。为此，可以采 用空间聚类分析模型来解决分析处理空间分布上的一 种或几种结构特征，如模式间的远近关系、拓扑关系、 方位关系、疏密关系等等。
5）电磁频率全景显示功能 实时显示战场上电磁 信号的频率分布状况，如电子对抗侦察的电磁频谱全 景显示器。
另外，在战场电磁环境可视化设计中，还可以设 计辐射源数量统计、辐射源组织序列、主要战术应用 等辅助显示功能。 1.3 战场电磁环境信息管理内容
战场电磁环境信息管理系统是对作战区域内电磁 辐射源、电磁信号、电磁辐射传播因素、电磁侦测系 统的利用、管理等方面在系统层次上的定量分析和综 合集成。它通过对预定作战区域内电磁辐射源、电磁 信号的数据搜集、数据分析，通过对涉及空间地理环 境、气象环境、水文环境、物理场环境等对电磁辐射 的影响效应、电磁辐射源的探测变化范围、缺损电磁 探测扇面等的计算，进行机上模拟，在模拟电磁态势 基础上拟定作战方案，并在战前进行有针对性的适应 性训练，一旦战争爆发，就依据作战方案实施有效打 击，见图 2。
摘 要：针对当前战场电磁环境不可见特征，部队指挥员对其认知的模糊性，运用地理信息系统 GIS(Graphic
Information System)探索战场电磁环境可视化问题。提出用空间聚类分析模型解决分析处理电磁辐射源空间分布上
的一种或几种特征问题，并对系统数据库设计、功能模板设计、逻辑结构设计进行详细阐述。得到可视化系统设
1 GIS 技术与战场电磁环境可视化问题
1.1 GIS 技术的优势 GIS 是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬
件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、 分析和显示的计算机系统。从图形学的角度，GIS 实 质上是一种便于计算机处理和网络传输的数字化地图
收稿日期：2007-06-04
修回日期：2007-07-06
计方案，将为指挥员进行电磁态势分析、指挥作战提供有效的辅助决策工具。
关键词：地理信息系统；电磁环境；可视化；空间聚类
中图分类号：TM15；TP391
文献标识码：A
Research on the Visualization Electromagnetic Environment Based on GIS
2.2 空间数据的输入、组织结构问题 众所周之，地理信息实体具有空间属性和非空间
2）在上述电子地图的基础上通过系统的符号标注 功能，标注电磁目标专题信息实体：并在电磁目标专
属性，相应的也就是具有空间数据和非空间数据。这 题信息实体上挂接相应的图表、文字、相片、多媒体、
里主要讨论空间数据的数据结构组织问题。事实上空 影像等属性数据信息。
空间地 理环境
气象 环境
水文 环境
基础环境信息数据库
物理场 环境
实时环境信息输入
数据库管理系统
电磁辐射影响 效应计算
指挥员
情报系统 数据收集
C4ISR 系统 数据融合分析
探测范围 变化计算
拟定作战方案
电磁 辐射 源数 据
电磁 信号 数据
其它信息来源
缺损探测 扇面计算
其它
计算机模拟
实时电磁环 境态势显示
将最小生成树应用于空间聚类，在于 MST 自身 具有的特征——最小跨度特征。MST 的最小跨度性 质，即 MST 任一条边都是某个点到其余节点的最小 跨度，与人的聚类思维相符，因此，基于 MST 的聚 类结果在空间上的分布模式就有别于其他以最小均方 误差标准的聚类方法[3]。 2.1.3 空间聚类模型算法流程图
战场电磁环境是一种无形的环境，看不见、摸不 着并且呈现出动态多样性的特征。人在同外界环境的 信息交互过程中，75％的信息来自于视觉。因此，在 构建战场电磁环境时，将战场电磁环境可视化是一种 很重要的方法。
地理信息系统 GIS(Graphic Information System)具 有高效的空间数据管理和灵活的空间数据综合分析能 力，在军事研究领域得到了广泛应用。随着计算机技 术的发展尤其是 GIS 技术的逐步成熟，开发基于 GIS 的海战场电磁环境可视化信息系统成为可能。作为基 础的地理信息平台，GIS 对数字化地图等空间数据和 电磁信息属性数据进行统一的管理，同时，GIS 强大 的图形处理和输出能力更为系统提供了直观的数据支 持。从应用情况看，GIS 技术在电磁辐射源相关空间 数据的获取、管理、分析、模拟和显示等方面起到了 不可替代的作用，在战场电磁环境可视化和如何进行 电磁环境评估方面也起到了重要的支持作用。
战场电磁环境可视化的表述形式可以多种多样， 可以用图形、表格、资料、文字、语音等基本方法。 战场上的电磁信号极其复杂、仅通过一种方式是不可 能将其表述清楚的，所以不仅要综合采用多种方法和 手段，还应尽量使各种方式有机结合成一个功能完善 且相互补充的整体，以便于充分反映战场电磁环境的 实际[2]。如图 1 所示。
战场电磁环境可视化显示
辐
辐
电
电
辐
电
辐
辐
射
射
磁
磁
射
磁
射
射
源
源
信
辐
源
频
源
源
数
空
号
射
技
谱
战
组
量
间
传
范
战来自百度文库
全
术
织
统
分
播
围
参
景
应
序
计
布
功
显
数
显
用
列
显
显
能
示
显
示
显
显
示
示
示
示
示
图 1 战场电磁环境可视化功能示意图
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方程，等：基于 GIS 的战场电磁环境可视化研究
第 30 卷
1）电磁辐射源空间分布显示功能 该功能主要将 海战场上电磁辐射源的分布状况在数字地图上显示出 来，包括通信电台、通信网络、雷达站、电子对抗装 备、带有指控系统的武器系统，以及民用电子辐射源 的分布状况等等。该功能的实现可采用分层次于综合 态势相结合的方法，分层次方法主要是为了更好地体 现某个领域的电磁环境而专门设置的。综合态势则是 为了体现电磁环境的总体态势显示而设置的。
指挥控制与仿真
Command Control & Simulation
Vol.30 No.1 Feb.2008
文章编号：1673-3819(2008)01-0093-05
基于 ＧＩＳ 的战场电磁环境可视化研究
方 程，刘晓静，屈 林
（海军兵种指挥学院，广东 广州 510430）
2）电磁辐射范围显示功能 该功能主要显示重要 电磁辐射源的有效作用距离，如雷达网的探测范围、 受干扰的区域、通信电台的有效通信区。
3）电磁信号传播显示功能 该功能主要显示战场 各种电磁辐射源的工作状态和指挥控制通信网络的信 息流通情况。通信线路的忙闲状态、受干扰状态、通 信是否畅通情况等等。
4）电磁辐射源战术技术参数显示功能 该功能主 要用来显示电磁辐射源的主要技术战术参数。该功能 可以作为电磁图层的辅助显示功能，它通过对显示的 电磁辐射源的查询来实现。
对于连通的带权图 G，其生成树也是带权的。生 成树 T 各边的权值总和称为该树的权，记作：
W (T ) = ∑ w(u, v)
( u ,v )∈TE
其中，TE 表示 T 的边集，w(u,v)表示边(u,v)的权。权 最 小 的 生 成 树 称 为 G 的 最 小 生 成 树 (Minimum Spanning Tree)。最小生成树可简记为 MST。
间数据的输入和组织已经成为目前 GIS 发展的瓶颈， 空间数据的栅格结构和矢量结构是模拟地理信息的两
3）通过 MST 的空间聚类分析模型将电磁目标聚 类，解出电磁目标之间，电磁目标群中的各个电磁目
同时，传统数据挖掘过程往往是“黑箱”作业，用 户不论感兴趣与否都只能被动地接受挖掘结果，而且 这些结果往往是抽象的、不易理解的。在非空间数据 挖掘领域，近年来在数据挖掘、数据可视化技术与 OLAP（在线联机分析）技术集成研究方面有了初步 进展，目前已经形成了数据挖掘与知识发现的一个新 热点——可视化数据挖掘（VDM）。VDM 的基本思 想就是要打破传统数据挖掘算法的这种“封闭性”，充 分利用各式各样的数据可视化技术，以一种完全开放、 互动的方式支持用户结合自身专业背景参与到数据挖 掘的全过程中，最终达到提高数据挖掘的有效性和可 靠性的目标。 2.1.2 基于 MST 的空间分析模型[3]的概念与特征
图 2 战场电磁信息管理示意图
GIS 通过图形的采集和矢量化处理建立起战场区 域的地形地貌图和所要电磁辐射源的分布图，采用数 据库技术建立电磁辐射源基础地理信息数据库，通过 电子地图和数据库的连接，创建和查询战场电磁辐射 源的特征、属性、空间位置、探测能力及通信能力等 信息，为作战指挥辅助决策提供支持；将现有的战场 数据库系统与指挥自动化系统进行集成，从而形成较 为完整的作战指挥训练系统。
2 关键问题及解决方法
以 GIS 为基础的电磁环境可视化信息系统的建立 是一个复杂的系统工程，涉及方方面面的资源，这样 就必须根据实际情况，决定技术路线。在系统设计时，
需要解决几个关键的问题： 1）空间模型的分析问题； 2）空间数据的输入、组织结构即系统技术路线的
问题。 2.1 空间模型的分析问题
没有正确理论指导的实践活动往往是盲目的，所 以我们必须先确定系统采用何种空间分析模型。 2.1.1 可视化空间聚类技术分析
FANG Cheng, LIU Xiao-jing, QU Lin (Naval Arms Command Academy, Guangzhou 510430, China) Abstract: Aiming at the no-viewed character of the electromagnetic environment and the faintness of the commander, use GIS to explore the problem of the visualization electromagnetic environment. The thesis made up special analysis model, set up system design plan, and expatiated upon system data base design, function template design, and logistic frame design. With the applied value, the system offered the effective analysis tool on commanding operation, electromagnetic environment analysis and assistant decision. Key words: GIS; electromagnetic environment; visualization; spatial clustering
基于 MST 的可视化空间聚类分析模型算法最大 特色在于利用 Delaunay 三角网工具和 MST（最小生 成树）将地理实体的邻接度（空间相邻关系）与其他 属性一起作为空间聚类处理对象。具体算法流程图见 图 3。
空间 数据
电磁辐射源 空间属性
三角化/MST
多维聚类
非空间属性
预处理
聚类树
图 3 算法流程图
作者简介：方 程（1980-），男，浙江丽水人，硕士研究
生，研究方向为海军作战环境。
刘晓静（1960-），男，教授，硕士生导师。
屈 林（1978-），男，硕士研究生。
或图纸，可以方便地对空间数据进行输入、编辑、显 示、查询、空间分析和输出打印，也可以利用三维动 态仿真技术，对各种要素进行仿真模拟，构造一个符 合实际的模拟空间，展现各种地物之间复杂的时空关 系。它采用地理模型分析方法，适时提供多种空间地 理信息，辅助相关的地理研究和地理决策。由于 GIS 将地理空间模型化并存储在计算机中，因此它还具有 对研究对象进行描述、模拟和预测的功能。相对于常 规意义上的信息系统，GIS 具有空间分析能力强、数 据来源广泛、工作方式直观形象等特点，在对空间数 据的查询和分析功能要求较高领域得到广泛应用[1]。 1.2 战场电磁环境可视化内容
空间聚类与传统聚类方法的区别之一在于空间聚 类是对空间实体进行分析。作为空间数据挖掘的一个 重要分支，空间聚类是根据某个相似性准则对空间实 体集进行自动分组，达到组内差异最小，组间差异最 大的过程（Han et al.,2000）。对于战场电磁环境可视
第1期
指挥控制与仿真
95
化研究，又必须清楚所要研究的战场电磁辐射源这类 空间实体的特征、属性以及空间位置。为此，可以采 用空间聚类分析模型来解决分析处理空间分布上的一 种或几种结构特征，如模式间的远近关系、拓扑关系、 方位关系、疏密关系等等。
5）电磁频率全景显示功能 实时显示战场上电磁 信号的频率分布状况，如电子对抗侦察的电磁频谱全 景显示器。
另外，在战场电磁环境可视化设计中，还可以设 计辐射源数量统计、辐射源组织序列、主要战术应用 等辅助显示功能。 1.3 战场电磁环境信息管理内容
战场电磁环境信息管理系统是对作战区域内电磁 辐射源、电磁信号、电磁辐射传播因素、电磁侦测系 统的利用、管理等方面在系统层次上的定量分析和综 合集成。它通过对预定作战区域内电磁辐射源、电磁 信号的数据搜集、数据分析，通过对涉及空间地理环 境、气象环境、水文环境、物理场环境等对电磁辐射 的影响效应、电磁辐射源的探测变化范围、缺损电磁 探测扇面等的计算，进行机上模拟，在模拟电磁态势 基础上拟定作战方案，并在战前进行有针对性的适应 性训练，一旦战争爆发，就依据作战方案实施有效打 击，见图 2。
摘 要：针对当前战场电磁环境不可见特征，部队指挥员对其认知的模糊性，运用地理信息系统 GIS(Graphic
Information System)探索战场电磁环境可视化问题。提出用空间聚类分析模型解决分析处理电磁辐射源空间分布上
的一种或几种特征问题，并对系统数据库设计、功能模板设计、逻辑结构设计进行详细阐述。得到可视化系统设
1 GIS 技术与战场电磁环境可视化问题
1.1 GIS 技术的优势 GIS 是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬
件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、 分析和显示的计算机系统。从图形学的角度，GIS 实 质上是一种便于计算机处理和网络传输的数字化地图
收稿日期：2007-06-04
修回日期：2007-07-06
计方案，将为指挥员进行电磁态势分析、指挥作战提供有效的辅助决策工具。
关键词：地理信息系统；电磁环境；可视化；空间聚类
中图分类号：TM15；TP391
文献标识码：A
Research on the Visualization Electromagnetic Environment Based on GIS
2.2 空间数据的输入、组织结构问题 众所周之，地理信息实体具有空间属性和非空间
2）在上述电子地图的基础上通过系统的符号标注 功能，标注电磁目标专题信息实体：并在电磁目标专
属性，相应的也就是具有空间数据和非空间数据。这 题信息实体上挂接相应的图表、文字、相片、多媒体、
里主要讨论空间数据的数据结构组织问题。事实上空 影像等属性数据信息。
空间地 理环境
气象 环境
水文 环境
基础环境信息数据库
物理场 环境
实时环境信息输入
数据库管理系统
电磁辐射影响 效应计算
指挥员
情报系统 数据收集
C4ISR 系统 数据融合分析
探测范围 变化计算
拟定作战方案
电磁 辐射 源数 据
电磁 信号 数据
其它信息来源
缺损探测 扇面计算
其它
计算机模拟
实时电磁环 境态势显示
将最小生成树应用于空间聚类，在于 MST 自身 具有的特征——最小跨度特征。MST 的最小跨度性 质，即 MST 任一条边都是某个点到其余节点的最小 跨度，与人的聚类思维相符，因此，基于 MST 的聚 类结果在空间上的分布模式就有别于其他以最小均方 误差标准的聚类方法[3]。 2.1.3 空间聚类模型算法流程图
战场电磁环境是一种无形的环境，看不见、摸不 着并且呈现出动态多样性的特征。人在同外界环境的 信息交互过程中，75％的信息来自于视觉。因此，在 构建战场电磁环境时，将战场电磁环境可视化是一种 很重要的方法。
地理信息系统 GIS(Graphic Information System)具 有高效的空间数据管理和灵活的空间数据综合分析能 力，在军事研究领域得到了广泛应用。随着计算机技 术的发展尤其是 GIS 技术的逐步成熟，开发基于 GIS 的海战场电磁环境可视化信息系统成为可能。作为基 础的地理信息平台，GIS 对数字化地图等空间数据和 电磁信息属性数据进行统一的管理，同时，GIS 强大 的图形处理和输出能力更为系统提供了直观的数据支 持。从应用情况看，GIS 技术在电磁辐射源相关空间 数据的获取、管理、分析、模拟和显示等方面起到了 不可替代的作用，在战场电磁环境可视化和如何进行 电磁环境评估方面也起到了重要的支持作用。
战场电磁环境可视化的表述形式可以多种多样， 可以用图形、表格、资料、文字、语音等基本方法。 战场上的电磁信号极其复杂、仅通过一种方式是不可 能将其表述清楚的，所以不仅要综合采用多种方法和 手段，还应尽量使各种方式有机结合成一个功能完善 且相互补充的整体，以便于充分反映战场电磁环境的 实际[2]。如图 1 所示。
战场电磁环境可视化显示
辐
辐
电
电
辐
电
辐
辐
射
射
磁
磁
射
磁
射
射
源
源
信
辐
源
频
源
源
数
空
号
射
技
谱
战
组
量
间
传
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全
术
织
统
分
播
围
参
景
应
序
计
布
功
显
数
显
用
列
显
显
能
示
显
示
显
显
示
示
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示
图 1 战场电磁环境可视化功能示意图
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方程，等：基于 GIS 的战场电磁环境可视化研究
第 30 卷
1）电磁辐射源空间分布显示功能 该功能主要将 海战场上电磁辐射源的分布状况在数字地图上显示出 来，包括通信电台、通信网络、雷达站、电子对抗装 备、带有指控系统的武器系统，以及民用电子辐射源 的分布状况等等。该功能的实现可采用分层次于综合 态势相结合的方法，分层次方法主要是为了更好地体 现某个领域的电磁环境而专门设置的。综合态势则是 为了体现电磁环境的总体态势显示而设置的。