基于GIS的青海广电资源管理系统的设计及优化

孟小前，陈宜金，张 健

（1.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京 100083；2.哈尔滨工业大学深圳研究院 计算机科学与技术学院，广东 深圳 518055）

随着我国广播电视行业的发展，需要修建大量的广播电视发射台，伴随的是记录数据的增长，交互功能带来的数据传输增多以及不同设备带来的数据标准繁杂[1-2]。地理信息技术（GIS）相对于传统IT技术对广播电视信息建设具有更大的促进[3]，体现在两方面，第一它为每个本体赋予位置属性，便于监控；第二广播电视信号的覆盖是与地形相关，利用地理信息的空间分析建模不但可以精确分析信号的地理覆盖，还可以在地理空间上分析收视率等相关指标，GIS将为广播电视行业的信息管理和市场开发提供新的分析工具[4]。此前，徐东升、付强、韩建等人在开发广播资源管理系统时，并没有考虑对信号覆盖模块的改进[5-7]。范荣双等人对信号覆盖模型的研究并不适合青海多山的地形[8-10]。目前，青海的广播电视系统也存在多系统并存，数据、接口不规范，人机交互困难，无法与GPS系统集成等问题。针对上述问题，本文设计了一套基于GIS的广播电视资源管理系统，并针对该系统中信号覆盖模块存在的问题，利用DEM和实时信号数据对传统的场强模型进行改进，从而更好地监控广电信号覆盖情况。

1 基于GIS的青海广电资源管理系统的设计

广播电视资源管理系统的开发通过以下步骤来实现。首先，基于Web Service技术，实现对不同设备和位置来源的数据进行统一的编码。其次，利用GIS实现广播电视资源的管理和实际地理空间无缝连接，即广播电视资源管理系统的数据显示、查询和在青海省地图上展现，传统的以计算机图形学为基础的信号覆盖监测没有空间概念，新系统很好地解决了这个问题。最后，通过GPS技术和广播电视基站的监控维护、辅助设备和人员的实际管理进行融合。整个系统的研发将推动青海省广播电视系统的管理水平和运营效率。

1.1 基础地理数据的获取

青海省广播电视资源管理系统的建设，需要两方面的数据。第一是青海省的基础地理数据；第二是广播电视相关设备和资源的数据。其中青海省基础地理数据包括：青海省1∶25万矢量边界图，主要用于利用GIS进行空间分析时，定义边界，输出专题地图；青海省1∶25万数字高程图，来源于美国航天飞机测图计划提供的DEM影像；全省的人口、道路、城镇分布图，来源于青海省1∶100万地形图的数字化，作为信息管理系统显示的基础底图。专题数据主要包括调频、中波、短波发射机的相关参数和地理位置。

1.2 基于GIS的资源管理系统架构设计

基于GIS对青海省的广播电视资源进行管理和监控，可以实现发射站台及其他资源数据存储、相关资源的查询显示以及信号覆盖强度的查询与显示。主体架构如图1所示。

图1 基于GIS的青海省广播电视资源管理系统架构

基于GIS的青海省广播电视资源管理系统是以数据驱动的信息管理系统，数据库中的数据分为空间数据与属性数据，空间数据包括上一节搜集的基础地理数据，属性数据主要是广播电视系统设备的分布及性能参数，辅助数据包括维护设备的参数和人员属性数据。利用组件GIS进行二次开发，实现青海省广播电视资源管理系统的用户界面和主体功能，包括基于DEM和场强模型的信号覆盖模型，广播电视资源在地图上的显示和空间分析，发射站点信息查询和省市县三级行政机构的归属地查询。

1.3 基于GIS的资源管理系统交互功能实现

在.NET环境中利用ESRI的ArcEngine实现上述功能，首先在.NET环境中引用ArcEngine的资源，获得MapControl，TOCControl和ToolbarConlrol控件，利用这3个控件实现对数据的操作和显示。

1）地图显示和操作

基础地图和专题地图的显示和操作在MapControl中实现，ToolbarConlrol会生成对地图的基本操作（点击、放大、漫游），并利用图层管理交通、城市、人口分布等基础地理数据和发射站位置、设备位置、人员位置等广播电视系统专业数据。该功能模块可以实现对地物（如发射台、设备、人员）的位置和属性信息的查询、显示。模块的实现如图2所示。

图2 基于GIS的青海省广播电视资源管理系统的实现（截图）

2）输入功能的实现

数据的管理依靠数据库系统，数据的显示依靠基于ArcEngine的功能模块实现。数据的输入包含两类数据，对于空间数据，在Arcgis中对数据源进行分类和数字化，成果图制作成SHAPEFILE文件，利用SDE导入到数据库里；对于属性数据，通过ADO.NET和数据库进行连接，前端是WINDOWS风格的输入界面，图3所示为发射站台信息输入界面。

图3 发射站点信息输入界面（截图）

3）信息查询功能的实现

查询功能的实现由以下3步实现。首先在查询界面输入查询信息，空间分析模块接收到查询信息后在空间数据库里返回符合要求的结果（属性信息和空间信息关联），最后在地图显示模块中显示查询结果。查询功能如图4所示。

图4 广播电视资源管理系统信息查询（截图）

2 资源管理系统中信号覆盖模块的优化

已有的广电资源管理系统的信号覆盖模块是基于传统的场强模型实现的，对广播信号的监测不能反映信号的实际分布，尤其无法体现地形对信号覆盖的影响，本节利用DEM和实测信号强度数据获取整个区域的信号改正曲面，对传统GIS系统中场强模型的模拟结果进行校正。

2.1 基于传统场强模型的信号覆盖分析

在我国广播电视的相关标准中，ITU-RP.370，ITURP.1546，ITU-RP.526三种电磁波传输模型被确定为我国广播电视覆盖规划的标准预测模型。其中370适合地形起伏较小的开阔地和丘陵地带；1546是国际电联提出的通用电磁信号覆盖模型，在我国应用较少；526是一个电磁波信号覆盖的理论计算模型，单独应用的预测结果和实际情况出入比较大[9-11]。场强覆盖计算的公式为

式中：Pe=P+G-L；Pe是有效辐射功率；E1是归一化场强；A是与地形相关的衰减系数；ΔE是与天线所在地高度有关的改正系数；G是天线增益；L是馈线损耗。基于上述场强模型，根据西宁市及其周边县市的发射设备的分布和理论场强模型的计算方法，可以得到该区域的场强覆盖范围，如图5所示。

2.2 利用DEM改进理论场强模型

实际的信号传输和理论模型模拟有很大出入。受到地形遮挡，信号传输会在某些区域完全消失，因此理论场强模型并不能反映电视广播信号覆盖的真实情况。利用基于DEM获取的地形数据将极大改善上述理论模型的计算结果。路线图如图6所示。

图5 青海省广播电视信号场强覆盖图（截图）

图6 基于DEM数据对场强模型的改进示意图

根据DEM数据提取区域内山脊线，将山脊线看成信号传输的分界线，同时信号的传输也受到其他因素的干扰，因此期望建立一个物理学模型去描述信号覆盖的实际情况是不现实的。利用采集到的已知点的信号覆盖强度，以山脊线等为限制性条件，基于克里金插值获取西宁市及其周边广播电视塔的实际信号覆盖情况。克里金插值是一种广泛用于地学属性数据插值的算法，它考虑了属性数据在空间位置上的变异分布，可以得到该点的最优线性无偏估计，该模块利用ArcEngine中的带障碍物插值算法实现，如果该插值算法得到的场强为E′，根据上述场强覆盖模型可以得到每一个位置的E，那么，各个位置信号误差则是得到的插值结果和理论计算结果的插值，用Δe表示为

根据上述公式，可以计算得到各位置的场强改正数，如上述分析，广播电视信号的分布和地理位置有关，基于三次曲面拟合可以得到研究区域里所有的场强覆盖误差改正，即

式中：（x,y,z）是地理空间位置。根据方程式（3）得到当前区域的场强误差改正曲面，利用该改正平面对场强模型进行改进，可以得到更准确的信号覆盖范围，尤其在青海周边多山地区，能够比较好地识别复杂地形下电视广播信号的实际覆盖情况。

2.3 基于DEM-场强模型和传统场强模型的信号覆盖预测对比

分别基于传统的场强模型和改进后的DEM—场强模型进行信号覆盖模拟。研究区选择青海省会西宁及其周边地区，面积100 km2，地形是两条河流的交汇之地，四周遍布山地。信号选择用于数字电视广播的联通3G信号，在车辆上安装车载GPS和信号测量仪，在研究区域内获取150个点位的位置和信号强度，其中100个点作为数据源计算DEM-场强模型的改正曲面，50个点作为已知点检验两个模型的预测精度。图7a是150个实地测点在地图上的分布，图7b是传统基于GIS场强模型模拟的西宁市及周边地区3G信号强度分布分级显示，图7c是经过DEM改正的西宁市及周边地区3G信号强度分布分级显示。

图7 传统基于GIS场强模型信号分布模拟和DEM-场强模型信号分布模拟对比（截图）

表1是以50个验证点的实际信号数据对两个模型的模拟结果进行验证的结果，传统的场强模型正确的点为39个，精度为78%，模拟结果的均方根差为3.735 8。经过DEM校正后的模型的正确点数达到了45个，精度为90%,均方根误差为2.963 1。结果表明经过DEM和实际数据校正后的信号覆盖模型比传统的场强模型具有更好的模拟效果。

表1 两种模型模拟结果精度对比

3 结论

本文为广播电视资源管理提供了一套完整的基于GIS的系统解决方案。针对系统中的信号覆盖模块，利用DEM数据和实测信号获得广播电视信号覆盖的改正曲面，对场强模型的模拟结果进行修正，结果表明新模型在模拟精度上优于传统的场强模型。展望未来，该研究成果将为青海省广播电视的高效管理和规划提供重要的技术支持。

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