随着科学技术的发展，电磁设备的广泛应用，在给人类创造了巨大的利益的同时也把人类带进一个充满人工电磁辐射的环境。人居环境中电磁场曝露水平显著增加，每个人都处在各种频率的复合电磁场曝露中^[1]，电磁辐射污染已成为最广泛的环境影响因素之一。电磁辐射污染的危害主要是健康危害和电磁干扰两大方面，不仅会对人体健康造成严重危害，引发各种疾病和损坏身体机能，而且会对生态环境造成破坏、干扰其他电磁设备的正常运行。在我国一些大城市，高压电力线和变电站进入城市中心区，大量移动通信基站建设在敏感区，令城市的电磁环境变得极为复杂，城市电磁辐射环境有进一步恶化的趋势，由此产生的电磁辐射环境问题也越来越严重，政府部门的压力逐渐增大。

电磁辐射是一种从源向空间进行能量传递的现象，电磁场强度随发射源距离增大而快速下降。城市中电磁辐射污染具有明显的以源为中心或端点的立体空间区域分布现象。当前电磁环境管理技术和手段，已不能满足城市复杂电磁环境管理工作需要。而地理信息系统在环境保护领域有着广泛的应用，可对城市环境信息进行统一管理、分析，实现空间信息与属性信息的集成，进行定量化的综合管理。根据电磁辐射污染的特点，以及当前信息技术和测量技术的发展趋势，电磁环境三维空间管理等技术手段将成为电磁辐射污染防治数字化、信息化的发展趋势。

1 三维GIS在环保领域的应用

地理信息系统(Geographical Information System，GIS)是建立在地球科学和信息科学基础上的边缘科学，是地理学、地图学、计算机科学、遥感等涉及空间数据采集、处理和分析的多种学科与技术共同发展的结果^[2]。GIS把这些技术与学科有机地融合在一起，并与不同数据的空间与非空间数据相结合，通过空间操作和模型分析，提供对规划、管理和决策有用的信息产品^[3]。三维GIS以立体造型技术给用户展现地理空间现象，能够表达空间对象间的平面关系，实现地理信息与虚拟现实领域从底层引擎到专业应用的全面结合。

三维GIS在环保领域将有广泛的应用空间，如水、汽、声，辐射污染扩散三维仿真，受污染区域展示、污染状况分析，环境事故应急演习等。本文将三维GIS应用于城市电磁环境管理，实现电磁辐射环境的三维数字化管理，将为这个复杂的多学科交叉领域的研究和发展带来新的契机和效益: ①使电磁辐射环境管理问题具体化，可视化。系统提供了在三维环境中解决问题的场所，革新了技术手段，改变了传统的工作模式。利用GIS的空间信息属性可使原本不具有空间信息属性的电磁辐射统计数据展示出其空间分布的地理规律。②优化工作手段，提高工作效率和管理水平。利用专题地图和仿真功能，可以迅速将辖区电磁辐射区域强度分布，电磁辐射设备(设施)周围环境电磁辐射水平，污染区域/潜在污染区域/安全区域等相关信息以图表等多种形式显示在地图上，全面快速了解电磁辐射状况，提高决策的科学性。③拓展了工作范围，并集成化的解决问题。

2 系统目标与需求

该系统是一个以地理信息系统和数据库为开发平台，结合无线电频谱管理技术，面向管理和决策层的可视化动态电磁辐射信息综合管理系统。系统采用二维与三维GIS无缝融合技术，构建交互式三维地理信息环境，实现空间地理数据与电磁辐射环境保护业务数据的集成与综合管理，为电磁辐射环境保护工作提供科学的辅助决策支持。系统集电磁环境三维管理、电磁辐射设备(设施)分类管理、电磁辐射环境监督管理、电磁辐射项目验收审批、区域场强预测、安全区域分析等多功能于一体。通过建立区域基础地理三维信息数据库和区域电磁辐射设备(设施)分布数据库、特殊区域综合场强预测等，逐步实现对电磁辐射环境监督管理和电磁辐射环境质量管理的空间化、规范化和信息化转变，最终实现城市电磁辐射环境的三维数字化管理。

3 系统功能与应用 3.1 系统架构设计

本系统由功能模块、数据库和用户图形界面三个部分组成。功能模块主要包含地图基本操作、电磁辐射设备(设施)管理、区域场强预测、特定区域电磁环境分析、网络分析等。数据库采用ORACLE 11g第2版实现，包括无线电传播模型数据、图形数据、属性数据、监测数据、台站数据、频率数据、天线数据等，且通过ADO(Active Data Object)数据库接口进行连接通讯。用户图形操作界面采用NI公司的Labview 8.5编程实现。见图 1。

3.2 系统功能

电磁辐射设备(设施)管理:电磁辐射设备(设施)空间分布、频谱分析、监督检查、验收审批、申报登记、注销等功能。其中，电磁辐射设备(设施)空间分布是在地图上，以直观的方式显示某类型或全部电磁辐射设备(设施)在空间上的分布情况，并按一定的颜色级差定义电磁辐射设备(设施)分布密度情况，直观表达某地区电磁辐射总体分布状况; 监督检查、验收审批、申报登记、注销等行政监督管理功能与具体的电磁辐射设备(设施)关联，并能实现属性信息(包含电磁辐射设备(设施)审批信息、设备功率/频率/型号/天线下倾角/载波/架设高度，归属企业，使用期限等综合信息)和地理信息的关联更新。

定量地得到城市广播电视电磁设备、通信、雷达及导航发射设备、工科医电磁设备、交通系统电磁设备，输电线路系统设备五大类型的电磁辐射设备(设施)密度分布图。见图 2。

区域电磁环境分析:特定区域内的综合场强预测、特定位置场强计算、安全区域分析、轮廓线计算、特定位置频谱分析和电磁辐射链路分析，并可以实现交互式的测算选定距离和面积。见图 3 ~ 图 5。

覆盖轮廓计算可以快速了解覆盖的大概情况。轮廓线的点理论上不受限制。轮廓线上点的场强值为一指定定值(场强门限)。网络分析:特定类型或特定部分电磁辐射设备(设施)的电磁辐射覆盖预测，频谱分析和强度预测(最大/最小场强、总/最大功率，最大/最小服务6种模式)。30MHz ~ 3GHz无线电传播计算时采用ITU 1546模型并结合Epstein Peterson model、Deygout model、Deygout model with pre-processing，Vogler model衍射模型。见图 6、图 7。

安全区域分析:安全区域计算可计算发射机周围的安全区域或安全矢量。场强门限通过列表(法规标准规定值或者公式)获取或者手动输入，由各国或各地具体的电磁辐射防护安全技术标准确定。通过计算得到辖区范围内所以或者特定电磁辐射设备(设施)周围电磁辐射安全区域和轮廓线，并在地图上进行标绘(具体包括超标区域、潜在超标区域、安全区域)，给出具体报表。

污染状况分析:根据需要分阶段对辖区内特定类型污染状况进行总结的需求，结合专业的环保数据资料，可按照时间的分类，依据年度、季度、月份来生成不同周期、不同类别的扩散专题图。

办公自动化:公文处理、报告编写、工作计划/安排、图书档案管理等。

3.3 系统应用

在处理环境问题时，预防原则必须是黄金规则^[4]。首先，环境污染和破坏一旦发生，往往难以消除和恢复，而且许多损害具有不可逆转性。其次，环境污染或破坏以后再进行治理，从经济上讲成本太高。据计算，预防污染的费用与事后治理的费用比例为1: 200^[5]。

在对城市电磁辐射设施建设和规划决策中要遵循自然和生态规律，从城市电磁环境容量和资源保证能力出发，充分考虑区域合理布局和产业结构合理等因素，特别是在环境敏感区域进行电磁辐射项目的规划应建立在更加全面、科学的基础上。

三维电磁环境管理GIS系统的应用，可为城市电力、通信等的建设规划提供科学依据，有利于进一步改善和扩大城市环境容量，健全城市功能，控制城市结构性污染，提高城市电磁环境质量。

4 结论

三维电磁环境管理地理信息系统提供了一个虚拟的三维数字空间，比传统的二维平面框架更加形象、直观，更加有利于分析模拟，从而提供了在三维地理环境中解决问题的场所，革新了技术手段，改变了传统的工作模式，有广阔的应用前景。目前，电磁环境保护已开始由单纯强调保护环境为目标的点源治理为主的方法，转向以改善和提高环境质量为目标的区域综合治理方法; 从以单一的污染物排放控制政策向以总量控制为基础的环境综合整治转变，从单纯的污染控制转向污染防治和生态环境保护并重。在这一新形式下，将传统手段与现代空间信息技术、数据库技术、网络技术、通信技术等先进技术结合，构建电磁环境物联网，建设三维电磁环境管理GIS系统，可有效地提高政府的科学决策和宏观调控水平，可以更加有效地保护环境，保障公众健康，更好地实现既促进伴有电磁辐射正当实践的快速发展，又最大限度保障公众的健康，同时对外树立环保系统科学性、先进性的良好形象，具有显著的社会效益、环境效益和经济效益。

志谢: 感谢特瑞数创科技(北京)有限公司在论文撰写过程中提供的具体指导和帮助。