孟小前，陳宜金，張 健

（1.中國礦業(yè)大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京 100083；2.哈爾濱工業(yè)大學深圳研究院 計算機科學與技術學院，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，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備帶來的數(shù)據(jù)標準繁雜[1-2]。地理信息技術（GIS）相對于傳統(tǒng)IT技術對廣播電視信息建設具有更大的促進[3]，體現(xiàn)在兩方面，第一它為每個本體賦予位置屬性，便于監(jiān)控；第二廣播電視信號的覆蓋是與地形相關，利用地理信息的空間分析建模不但可以精確分析信號的地理覆蓋，還可以在地理空間上分析收視率等相關指標，GIS將為廣播電視行業(yè)的信息管理和市場開發(fā)提供新的分析工具[4]。此前，徐東升、付強、韓建等人在開發(fā)廣播資源管理系統(tǒng)時，并沒有考慮對信號覆蓋模塊的改進[5-7]。范榮雙等人對信號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，人機交互困難，無法與GPS系統(tǒng)集成等問題。針對上述問題，本文設計了一套基于GIS的廣播電視資源管理系統(tǒng)，并針對該系統(tǒng)中信號覆蓋模塊存在的問題，利用DEM和實時信號數(shù)據(jù)對傳統(tǒng)的場強模型進行改進，從而更好地監(jiān)控廣電信號覆蓋情況。

1 基于GIS的青海廣電資源管理系統(tǒng)的設計

廣播電視資源管理系統(tǒng)的開發(fā)通過以下步驟來實現(xiàn)。首先，基于Web Service技術，實現(xiàn)對不同設備和位置來源的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的編碼。其次，利用GIS實現(xiàn)廣播電視資源的管理和實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)的以計算機圖形學為基礎的信號覆蓋監(jiān)測沒有空間概念，新系統(tǒng)很好地解決了這個問題。最后，通過GPS技術和廣播電視基站的監(jiān)控維護、輔助設備和人員的實際管理進行融合。整個系統(tǒng)的研發(fā)將推動青海省廣播電視系統(tǒng)的管理水平和運營效率。

1.1 基礎地理數(shù)據(jù)的獲取

青海省廣播電視資源管理系統(tǒng)的建設，需要兩方面的數(shù)據(jù)。第一是青海省的基礎地理數(shù)據(jù)；第二是廣播電視相關設備和資源的數(shù)據(jù)。其中青海省基礎地理數(shù)據(jù)包括：青海省1∶25萬矢量邊界圖，主要用于利用GIS進行空間分析時，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測圖計劃提供的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)顯示的基礎底圖。專題數(shù)據(jù)主要包括調頻、中波、短波發(fā)射機的相關參數(shù)和地理位置。

1.2 基于GIS的資源管理系統(tǒng)架構設計

基于GIS對青海省的廣播電視資源進行管理和監(jiān)控，可以實現(xiàn)發(fā)射站臺及其他資源數(shù)據(jù)存儲、相關資源的查詢顯示以及信號覆蓋強度的查詢與顯示。主體架構如圖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

基于GIS的青海省廣播電視資源管理系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)驅動的信息管理系統(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)搜集的基礎地理數(shù)據(jù)，屬性數(shù)據(jù)主要是廣播電視系統(tǒng)設備的分布及性能參數(shù)，輔助數(shù)據(jù)包括維護設備的參數(shù)和人員屬性數(shù)據(jù)。利用組件GIS進行二次開發(fā)，實現(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和場強模型的信號覆蓋模型，廣播電視資源在地圖上的顯示和空間分析，發(fā)射站點信息查詢和省市縣三級行政機構的歸屬地查詢。

1.3 基于GIS的資源管理系統(tǒng)交互功能實現(xiàn)

在.NET環(huán)境中利用ESRI的ArcEngine實現(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個控件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的操作和顯示。

1）地圖顯示和操作

基礎地圖和專題地圖的顯示和操作在MapControl中實現(xiàn)，ToolbarConlrol會生成對地圖的基本操作（點擊、放大、漫游），并利用圖層管理交通、城市、人口分布等基礎地理數(shù)據(jù)和發(fā)射站位置、設備位置、人員位置等廣播電視系統(tǒng)專業(yè)數(shù)據(jù)。該功能模塊可以實現(xiàn)對地物（如發(fā)射臺、設備、人員）的位置和屬性信息的查詢、顯示。模塊的實現(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)的實現(xiàn)（截圖）

2）輸入功能的實現(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的功能模塊實現(xiàn)。數(shù)據(jù)的輸入包含兩類數(shù)據(jù)，對于空間數(shù)據(jù)，在Arcgis中對數(shù)據(jù)源進行分類和數(shù)字化，成果圖制作成SHAPEFILE文件，利用SDE導入到數(shù)據(jù)庫里；對于屬性數(shù)據(jù)，通過ADO.NET和數(shù)據(jù)庫進行連接，前端是WINDOWS風格的輸入界面，圖3所示為發(fā)射站臺信息輸入界面。

圖3 發(fā)射站點信息輸入界面（截圖）

3）信息查詢功能的實現(xiàn)

查詢功能的實現(xiàn)由以下3步實現(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果（屬性信息和空間信息關聯(lián)），最后在地圖顯示模塊中顯示查詢結果。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)中信號覆蓋模塊的優(yōu)化

已有的廣電資源管理系統(tǒng)的信號覆蓋模塊是基于傳統(tǒng)的場強模型實現(xiàn)的，對廣播信號的監(jiān)測不能反映信號的實際分布，尤其無法體現(xiàn)地形對信號覆蓋的影響，本節(jié)利用DEM和實測信號強度數(shù)據(jù)獲取整個區(qū)域的信號改正曲面，對傳統(tǒng)GIS系統(tǒng)中場強模型的模擬結果進行校正。

2.1 基于傳統(tǒng)場強模型的信號覆蓋分析

在我國廣播電視的相關標準中，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)劃的標準預測模型。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覆蓋模型，在我國應用較少；526是一個電磁波信號覆蓋的理論計算模型，單獨應用的預測結果和實際情況出入比較大[9-11]。場強覆蓋計算的公式為

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

2.2 利用DEM改進理論場強模型

實際的信號傳輸和理論模型模擬有很大出入。受到地形遮擋，信號傳輸會在某些區(qū)域完全消失，因此理論場強模型并不能反映電視廣播信號覆蓋的真實情況。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算結果。路線圖如圖6所示。

圖5 青海省廣播電視信號場強覆蓋圖（截圖）

圖6 基于DEM數(shù)據(jù)對場強模型的改進示意圖

根據(jù)DEM數(shù)據(jù)提取區(qū)域內(nèi)山脊線，將山脊線看成信號傳輸?shù)姆纸缇€，同時信號的傳輸也受到其他因素的干擾，因此期望建立一個物理學模型去描述信號覆蓋的實際情況是不現(xiàn)實的。利用采集到的已知點的信號覆蓋強度，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際信號覆蓋情況?？死锝鸩逯凳且环N廣泛用于地學屬性數(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，可以得到該點的最優(yōu)線性無偏估計，該模塊利用ArcEngine中的帶障礙物插值算法實現(xiàn)，如果該插值算法得到的場強為E′，根據(jù)上述場強覆蓋模型可以得到每一個位置的E，那么，各個位置信號誤差則是得到的插值結果和理論計算結果的插值，用Δe表示為

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

式中：（x,y,z）是地理空間位置。根據(jù)方程式（3）得到當前區(qū)域的場強誤差改正曲面，利用該改正平面對場強模型進行改進，可以得到更準確的信號覆蓋范圍，尤其在青海周邊多山地區(qū)，能夠比較好地識別復雜地形下電視廣播信號的實際覆蓋情況。

2.3 基于DEM-場強模型和傳統(tǒng)場強模型的信號覆蓋預測對比

分別基于傳統(tǒng)的場強模型和改進后的DEM—場強模型進行信號覆蓋模擬。研究區(qū)選擇青海省會西寧及其周邊地區(qū)，面積100 km2，地形是兩條河流的交匯之地，四周遍布山地。信號選擇用于數(shù)字電視廣播的聯(lián)通3G信號，在車輛上安裝車載GPS和信號測量儀，在研究區(qū)域內(nèi)獲取150個點位的位置和信號強度，其中100個點作為數(shù)據(jù)源計算DEM-場強模型的改正曲面，50個點作為已知點檢驗兩個模型的預測精度。圖7a是150個實地測點在地圖上的分布，圖7b是傳統(tǒng)基于GIS場強模型模擬的西寧市及周邊地區(qū)3G信號強度分布分級顯示，圖7c是經(jīng)過DEM改正的西寧市及周邊地區(qū)3G信號強度分布分級顯示。

圖7 傳統(tǒng)基于GIS場強模型信號分布模擬和DEM-場強模型信號分布模擬對比（截圖）

表1是以50個驗證點的實際信號數(shù)據(jù)對兩個模型的模擬結果進行驗證的結果，傳統(tǒng)的場強模型正確的點為39個，精度為78%，模擬結果的均方根差為3.735 8。經(jīng)過DEM校正后的模型的正確點數(shù)達到了45個，精度為90%,均方根誤差為2.963 1。結果表明經(jīng)過DEM和實際數(shù)據(jù)校正后的信號覆蓋模型比傳統(tǒng)的場強模型具有更好的模擬效果。

表1 兩種模型模擬結果精度對比

3 結論

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。針對系統(tǒng)中的信號覆蓋模塊，利用DEM數(shù)據(jù)和實測信號獲得廣播電視信號覆蓋的改正曲面，對場強模型的模擬結果進行修正，結果表明新模型在模擬精度上優(yōu)于傳統(tǒng)的場強模型。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)劃提供重要的技術支持。

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