基于GIS的青海廣電資源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

孟小前，陳宜金，張 健

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣東 深圳 518055）

隨著我國廣播電視行業(yè)的發(fā)展，需要修建大量的廣播電視發(fā)射臺(tái)，伴隨的是記錄數(shù)據(jù)的增長，交互功能帶來的數(shù)據(jù)傳輸增多以及不同設(shè)備帶來的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)繁雜[1-2]。地理信息技術(shù)（GIS）相對(duì)于傳統(tǒng)IT技術(shù)對(duì)廣播電視信息建設(shè)具有更大的促進(jìn)[3]，體現(xiàn)在兩方面，第一它為每個(gè)本體賦予位置屬性，便于監(jiān)控；第二廣播電視信號(hào)的覆蓋是與地形相關(guān)，利用地理信息的空間分析建模不但可以精確分析信號(hào)的地理覆蓋，還可以在地理空間上分析收視率等相關(guān)指標(biāo)，GIS將為廣播電視行業(yè)的信息管理和市場(chǎng)開發(fā)提供新的分析工具[4]。此前，徐東升、付強(qiáng)、韓建等人在開發(fā)廣播資源管理系統(tǒng)時(shí)，并沒有考慮對(duì)信號(hào)覆蓋模塊的改進(jìn)[5-7]。范榮雙等人對(duì)信號(hào)覆蓋模型的研究并不適合青海多山的地形[8-10]。目前，青海的廣播電視系統(tǒng)也存在多系統(tǒng)并存，數(shù)據(jù)、接口不規(guī)范，人機(jī)交互困難，無法與GPS系統(tǒng)集成等問題。針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一套基于GIS的廣播電視資源管理系統(tǒng)，并針對(duì)該系統(tǒng)中信號(hào)覆蓋模塊存在的問題，利用DEM和實(shí)時(shí)信號(hào)數(shù)據(jù)對(duì)傳統(tǒng)的場(chǎng)強(qiáng)模型進(jìn)行改進(jìn)，從而更好地監(jiān)控廣電信號(hào)覆蓋情況。

1 基于GIS的青海廣電資源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

廣播電視資源管理系統(tǒng)的開發(fā)通過以下步驟來實(shí)現(xiàn)。首先，基于Web Service技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同設(shè)備和位置來源的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的編碼。其次，利用GIS實(shí)現(xiàn)廣播電視資源的管理和實(shí)際地理空間無縫連接，即廣播電視資源管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示、查詢和在青海省地圖上展現(xiàn)，傳統(tǒng)的以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為基礎(chǔ)的信號(hào)覆蓋監(jiān)測(cè)沒有空間概念，新系統(tǒng)很好地解決了這個(gè)問題。最后，通過GPS技術(shù)和廣播電視基站的監(jiān)控維護(hù)、輔助設(shè)備和人員的實(shí)際管理進(jìn)行融合。整個(gè)系統(tǒng)的研發(fā)將推動(dòng)青海省廣播電視系統(tǒng)的管理水平和運(yùn)營效率。

1.1 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的獲取

青海省廣播電視資源管理系統(tǒng)的建設(shè)，需要兩方面的數(shù)據(jù)。第一是青海省的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)；第二是廣播電視相關(guān)設(shè)備和資源的數(shù)據(jù)。其中青海省基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)包括：青海省1∶25萬矢量邊界圖，主要用于利用GIS進(jìn)行空間分析時(shí)，定義邊界，輸出專題地圖；青海省1∶25萬數(shù)字高程圖，來源于美國航天飛機(jī)測(cè)圖計(jì)劃提供的DEM影像；全省的人口、道路、城鎮(zhèn)分布圖，來源于青海省1∶100萬地形圖的數(shù)字化，作為信息管理系統(tǒng)顯示的基礎(chǔ)底圖。專題數(shù)據(jù)主要包括調(diào)頻、中波、短波發(fā)射機(jī)的相關(guān)參數(shù)和地理位置。

1.2 基于GIS的資源管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于GIS對(duì)青海省的廣播電視資源進(jìn)行管理和監(jiān)控，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射站臺(tái)及其他資源數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、相關(guān)資源的查詢顯示以及信號(hào)覆蓋強(qiáng)度的查詢與顯示。主體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于GIS的青海省廣播電視資源管理系統(tǒng)架構(gòu)

基于GIS的青海省廣播電視資源管理系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的信息管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)分為空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)包括上一節(jié)搜集的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，屬性數(shù)據(jù)主要是廣播電視系統(tǒng)設(shè)備的分布及性能參數(shù)，輔助數(shù)據(jù)包括維護(hù)設(shè)備的參數(shù)和人員屬性數(shù)據(jù)。利用組件GIS進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)青海省廣播電視資源管理系統(tǒng)的用戶界面和主體功能，包括基于DEM和場(chǎng)強(qiáng)模型的信號(hào)覆蓋模型，廣播電視資源在地圖上的顯示和空間分析，發(fā)射站點(diǎn)信息查詢和省市縣三級(jí)行政機(jī)構(gòu)的歸屬地查詢。

1.3 基于GIS的資源管理系統(tǒng)交互功能實(shí)現(xiàn)

在.NET環(huán)境中利用ESRI的ArcEngine實(shí)現(xiàn)上述功能，首先在.NET環(huán)境中引用ArcEngine的資源，獲得MapControl，TOCControl和ToolbarConlrol控件，利用這3個(gè)控件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的操作和顯示。

1）地圖顯示和操作

基礎(chǔ)地圖和專題地圖的顯示和操作在MapControl中實(shí)現(xiàn)，ToolbarConlrol會(huì)生成對(duì)地圖的基本操作（點(diǎn)擊、放大、漫游），并利用圖層管理交通、城市、人口分布等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和發(fā)射站位置、設(shè)備位置、人員位置等廣播電視系統(tǒng)專業(yè)數(shù)據(jù)。該功能模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地物（如發(fā)射臺(tái)、設(shè)備、人員）的位置和屬性信息的查詢、顯示。模塊的實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

圖2 基于GIS的青海省廣播電視資源管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)（截圖）

2）輸入功能的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)的管理依靠數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的顯示依靠基于ArcEngine的功能模塊實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)的輸入包含兩類數(shù)據(jù)，對(duì)于空間數(shù)據(jù)，在Arcgis中對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行分類和數(shù)字化，成果圖制作成SHAPEFILE文件，利用SDE導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫里；對(duì)于屬性數(shù)據(jù)，通過ADO.NET和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接，前端是WINDOWS風(fēng)格的輸入界面，圖3所示為發(fā)射站臺(tái)信息輸入界面。

圖3 發(fā)射站點(diǎn)信息輸入界面（截圖）

3）信息查詢功能的實(shí)現(xiàn)

查詢功能的實(shí)現(xiàn)由以下3步實(shí)現(xiàn)。首先在查詢界面輸入查詢信息，空間分析模塊接收到查詢信息后在空間數(shù)據(jù)庫里返回符合要求的結(jié)果（屬性信息和空間信息關(guān)聯(lián)），最后在地圖顯示模塊中顯示查詢結(jié)果。查詢功能如圖4所示。

圖4 廣播電視資源管理系統(tǒng)信息查詢（截圖）

2 資源管理系統(tǒng)中信號(hào)覆蓋模塊的優(yōu)化

已有的廣電資源管理系統(tǒng)的信號(hào)覆蓋模塊是基于傳統(tǒng)的場(chǎng)強(qiáng)模型實(shí)現(xiàn)的，對(duì)廣播信號(hào)的監(jiān)測(cè)不能反映信號(hào)的實(shí)際分布，尤其無法體現(xiàn)地形對(duì)信號(hào)覆蓋的影響，本節(jié)利用DEM和實(shí)測(cè)信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)獲取整個(gè)區(qū)域的信號(hào)改正曲面，對(duì)傳統(tǒng)GIS系統(tǒng)中場(chǎng)強(qiáng)模型的模擬結(jié)果進(jìn)行校正。

2.1 基于傳統(tǒng)場(chǎng)強(qiáng)模型的信號(hào)覆蓋分析

在我國廣播電視的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，ITU-RP.370，ITURP.1546，ITU-RP.526三種電磁波傳輸模型被確定為我國廣播電視覆蓋規(guī)劃的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)模型。其中370適合地形起伏較小的開闊地和丘陵地帶；1546是國際電聯(lián)提出的通用電磁信號(hào)覆蓋模型，在我國應(yīng)用較少；526是一個(gè)電磁波信號(hào)覆蓋的理論計(jì)算模型，單獨(dú)應(yīng)用的預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際情況出入比較大[9-11]。場(chǎng)強(qiáng)覆蓋計(jì)算的公式為

式中：Pe=P+G-L；Pe是有效輻射功率；E1是歸一化場(chǎng)強(qiáng)；A是與地形相關(guān)的衰減系數(shù)；ΔE是與天線所在地高度有關(guān)的改正系數(shù)；G是天線增益；L是饋線損耗。基于上述場(chǎng)強(qiáng)模型，根據(jù)西寧市及其周邊縣市的發(fā)射設(shè)備的分布和理論場(chǎng)強(qiáng)模型的計(jì)算方法，可以得到該區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋范圍，如圖5所示。

2.2 利用DEM改進(jìn)理論場(chǎng)強(qiáng)模型

實(shí)際的信號(hào)傳輸和理論模型模擬有很大出入。受到地形遮擋，信號(hào)傳輸會(huì)在某些區(qū)域完全消失，因此理論場(chǎng)強(qiáng)模型并不能反映電視廣播信號(hào)覆蓋的真實(shí)情況。利用基于DEM獲取的地形數(shù)據(jù)將極大改善上述理論模型的計(jì)算結(jié)果。路線圖如圖6所示。

圖5 青海省廣播電視信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋圖（截圖）

圖6 基于DEM數(shù)據(jù)對(duì)場(chǎng)強(qiáng)模型的改進(jìn)示意圖

根據(jù)DEM數(shù)據(jù)提取區(qū)域內(nèi)山脊線，將山脊線看成信號(hào)傳輸?shù)姆纸缇€，同時(shí)信號(hào)的傳輸也受到其他因素的干擾，因此期望建立一個(gè)物理學(xué)模型去描述信號(hào)覆蓋的實(shí)際情況是不現(xiàn)實(shí)的。利用采集到的已知點(diǎn)的信號(hào)覆蓋強(qiáng)度，以山脊線等為限制性條件，基于克里金插值獲取西寧市及其周邊廣播電視塔的實(shí)際信號(hào)覆蓋情況。克里金插值是一種廣泛用于地學(xué)屬性數(shù)據(jù)插值的算法，它考慮了屬性數(shù)據(jù)在空間位置上的變異分布，可以得到該點(diǎn)的最優(yōu)線性無偏估計(jì)，該模塊利用ArcEngine中的帶障礙物插值算法實(shí)現(xiàn)，如果該插值算法得到的場(chǎng)強(qiáng)為E′，根據(jù)上述場(chǎng)強(qiáng)覆蓋模型可以得到每一個(gè)位置的E，那么，各個(gè)位置信號(hào)誤差則是得到的插值結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果的插值，用Δe表示為

根據(jù)上述公式，可以計(jì)算得到各位置的場(chǎng)強(qiáng)改正數(shù)，如上述分析，廣播電視信號(hào)的分布和地理位置有關(guān)，基于三次曲面擬合可以得到研究區(qū)域里所有的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋誤差改正，即

式中：（x,y,z）是地理空間位置。根據(jù)方程式（3）得到當(dāng)前區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)誤差改正曲面，利用該改正平面對(duì)場(chǎng)強(qiáng)模型進(jìn)行改進(jìn)，可以得到更準(zhǔn)確的信號(hào)覆蓋范圍，尤其在青海周邊多山地區(qū)，能夠比較好地識(shí)別復(fù)雜地形下電視廣播信號(hào)的實(shí)際覆蓋情況。

2.3 基于DEM-場(chǎng)強(qiáng)模型和傳統(tǒng)場(chǎng)強(qiáng)模型的信號(hào)覆蓋預(yù)測(cè)對(duì)比

分別基于傳統(tǒng)的場(chǎng)強(qiáng)模型和改進(jìn)后的DEM—場(chǎng)強(qiáng)模型進(jìn)行信號(hào)覆蓋模擬。研究區(qū)選擇青海省會(huì)西寧及其周邊地區(qū)，面積100 km2，地形是兩條河流的交匯之地，四周遍布山地。信號(hào)選擇用于數(shù)字電視廣播的聯(lián)通3G信號(hào)，在車輛上安裝車載GPS和信號(hào)測(cè)量儀，在研究區(qū)域內(nèi)獲取150個(gè)點(diǎn)位的位置和信號(hào)強(qiáng)度，其中100個(gè)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)源計(jì)算DEM-場(chǎng)強(qiáng)模型的改正曲面，50個(gè)點(diǎn)作為已知點(diǎn)檢驗(yàn)兩個(gè)模型的預(yù)測(cè)精度。圖7a是150個(gè)實(shí)地測(cè)點(diǎn)在地圖上的分布，圖7b是傳統(tǒng)基于GIS場(chǎng)強(qiáng)模型模擬的西寧市及周邊地區(qū)3G信號(hào)強(qiáng)度分布分級(jí)顯示，圖7c是經(jīng)過DEM改正的西寧市及周邊地區(qū)3G信號(hào)強(qiáng)度分布分級(jí)顯示。

圖7 傳統(tǒng)基于GIS場(chǎng)強(qiáng)模型信號(hào)分布模擬和DEM-場(chǎng)強(qiáng)模型信號(hào)分布模擬對(duì)比（截圖）

表1是以50個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)的實(shí)際信號(hào)數(shù)據(jù)對(duì)兩個(gè)模型的模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證的結(jié)果，傳統(tǒng)的場(chǎng)強(qiáng)模型正確的點(diǎn)為39個(gè)，精度為78%，模擬結(jié)果的均方根差為3.735 8。經(jīng)過DEM校正后的模型的正確點(diǎn)數(shù)達(dá)到了45個(gè)，精度為90%,均方根誤差為2.963 1。結(jié)果表明經(jīng)過DEM和實(shí)際數(shù)據(jù)校正后的信號(hào)覆蓋模型比傳統(tǒng)的場(chǎng)強(qiáng)模型具有更好的模擬效果。

表1 兩種模型模擬結(jié)果精度對(duì)比

3 結(jié)論

本文為廣播電視資源管理提供了一套完整的基于GIS的系統(tǒng)解決方案。針對(duì)系統(tǒng)中的信號(hào)覆蓋模塊，利用DEM數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)信號(hào)獲得廣播電視信號(hào)覆蓋的改正曲面，對(duì)場(chǎng)強(qiáng)模型的模擬結(jié)果進(jìn)行修正，結(jié)果表明新模型在模擬精度上優(yōu)于傳統(tǒng)的場(chǎng)強(qiáng)模型。展望未來，該研究成果將為青海省廣播電視的高效管理和規(guī)劃提供重要的技術(shù)支持。

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