基于移動(dòng)通信大數(shù)據(jù)的地震災(zāi)區(qū)人口快速處理系統(tǒng)研究

鐘德燕，郭 欣，王小龍，李 佳，吳 磊，耿 波

(重慶市地震局，四川 重慶 401147)

0 引言

地震災(zāi)害具有突發(fā)性和不可預(yù)測(cè)性，與洪水、臺(tái)風(fēng)等氣象災(zāi)害相比，防御難度更大，除直接造成的損害外，往往還產(chǎn)生廣泛的次生災(zāi)害[1]。為減輕地震造成的損失、減弱社會(huì)影響，迅速及時(shí)的救援工作尤為重要。作為地震應(yīng)急救援的前提，如何才能提取到有效的地震災(zāi)情信息是個(gè)關(guān)鍵性的議題[2-5]。災(zāi)情獲取的手段目前有遙感影像、12322地震專線災(zāi)情收集、地震信息員報(bào)告渠道、無(wú)人機(jī)獲取[6]，但都無(wú)法實(shí)現(xiàn)大批量預(yù)知災(zāi)區(qū)人口的分布情況。大量震例統(tǒng)計(jì)資料表明，被埋壓人員在震后1 h內(nèi)救出的成活率可達(dá)91%，1～24 h內(nèi)為81%，24～48 h內(nèi)有36.7%。當(dāng)破壞性地震發(fā)生后，迅速了解地震災(zāi)區(qū)人口分布情況是進(jìn)行抗震救災(zāi)應(yīng)急指揮和決策的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的人口數(shù)據(jù)一般是以行政單元或者公里格網(wǎng)為基礎(chǔ)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，屬于某個(gè)時(shí)期的靜態(tài)數(shù)據(jù)，無(wú)法客觀反映災(zāi)區(qū)人口空間分布特征。近年來(lái)，隨著移動(dòng)通信大數(shù)據(jù)應(yīng)用的興起，某些領(lǐng)域開始利用手機(jī)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行人口分布研究[7-8]。該研究根據(jù)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的用戶手機(jī)定位數(shù)據(jù)來(lái)推算災(zāi)區(qū)人口分布情況，具有時(shí)效性和客觀性，彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法獲取人口數(shù)據(jù)在應(yīng)急救援中的不足，將人口數(shù)據(jù)由靜態(tài)變成動(dòng)態(tài)，有利于應(yīng)急救援者迅速掌握災(zāi)區(qū)人口分布情況，制定科學(xué)合理的救援對(duì)策及路線。

1 移動(dòng)通信定位技術(shù)

移動(dòng)通信定位是指通過(guò)特定的定位技術(shù)來(lái)獲取移動(dòng)手機(jī)或終端用戶的位置信息(經(jīng)緯度坐標(biāo))，在電子地圖上標(biāo)出被定位對(duì)象位置的技術(shù)或服務(wù)[9]。定位技術(shù)通常包括Cell-ID定位法、TDOA/AOA定位法、A-GPS定位法3類。Cell-ID定位精度最低，技術(shù)復(fù)雜度最低，支持室內(nèi)定位，只需普通通信終端即可使用，無(wú)需額外設(shè)備改造，成本較低；TDOA/AOA定位精度高，需要對(duì)現(xiàn)有無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)和通信終端進(jìn)行改造升級(jí)；A-GPS定位精度高，技術(shù)難度大，在終端需要增加額外設(shè)備[10-12]。3種定位技術(shù)的對(duì)比如表1所示。經(jīng)過(guò)綜合研究比較，該研究采用Cell-ID定位法獲取手機(jī)定位數(shù)據(jù)。

表1 移動(dòng)通信定位技術(shù)比較Table 1 Comparison of mobile communication positioning technology

Cell-ID定位法是根據(jù)移動(dòng)終端所連接的蜂窩(Cell)位置來(lái)表示用戶的位置，定位精度取決于蜂窩信號(hào)的半徑大小。在郊區(qū)或農(nóng)村地區(qū)，單個(gè)蜂窩信號(hào)覆蓋范圍很大，定位精度較低；城市蜂窩信號(hào)覆蓋范圍通常在300 m左右，部分話務(wù)量大的地區(qū)可以小于100 m，定位精度相應(yīng)更高。Cell-ID定位法定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，只需移動(dòng)終端能夠連接到無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，就可以實(shí)現(xiàn)用戶位置定位，無(wú)需對(duì)現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改動(dòng)，也無(wú)需在通信終端安裝額外設(shè)備。該法獲取數(shù)據(jù)的方式可以分成兩類，主動(dòng)定位法和被動(dòng)定位法。該研究采用被動(dòng)定位法，不需要在移動(dòng)終端安裝任何基站采集軟件，只要移動(dòng)終端在發(fā)生主被叫、收發(fā)短信、開關(guān)機(jī)、周期性位置更新(長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有上報(bào)位置信息時(shí)觸發(fā))、正常位置更新(在待機(jī)狀態(tài)下跨越位置區(qū)時(shí)觸發(fā))時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生位置信息。

2 手機(jī)定位數(shù)據(jù)收集與處理

數(shù)據(jù)隱私問(wèn)題一直是阻礙移動(dòng)通信定位數(shù)據(jù)大規(guī)模應(yīng)用的重要原因。隨著手機(jī)用戶實(shí)名制的普及，用戶信息的安全性成為廣大手機(jī)持有者和移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商所關(guān)心的重要問(wèn)題?？紤]到手機(jī)定位數(shù)據(jù)涉及用戶隱私，必須對(duì)獲取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的加密處理，對(duì)于能夠識(shí)別出用戶信息的內(nèi)容嚴(yán)格加密，防止用戶信息外漏(見(jiàn)表2)。

表2 手機(jī)定位數(shù)據(jù)格式Table 2 Mobile location data format

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

目前的GIS軟件，功能強(qiáng)大，模塊眾多。對(duì)于GISer來(lái)說(shuō)，操作1個(gè)熟悉的GIS軟件會(huì)得心應(yīng)手，但是對(duì)于一般用戶來(lái)說(shuō)，1個(gè)大型的GIS軟件會(huì)顯得過(guò)于龐大，軟件系統(tǒng)里的專題功能模塊分布相對(duì)比較零散，無(wú)統(tǒng)一的專題來(lái)構(gòu)建這些系統(tǒng)功能，從而顯得比較凌亂，沒(méi)有層次性。用戶在使用這些軟件時(shí)，不太了解，操作緩慢。特別是在地震突發(fā)事件發(fā)生后，急需一款操作簡(jiǎn)單，具有針對(duì)性的軟件系統(tǒng)用于地震應(yīng)急。

該系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)是基于ArcEngine以一種簡(jiǎn)單易行的方法，開發(fā)出一款實(shí)用性較強(qiáng)的地震災(zāi)區(qū)人口快速處理系統(tǒng)，在地震發(fā)生后，能快速為決策人員提供人口分布信息，為應(yīng)急救援爭(zhēng)取時(shí)間。該系統(tǒng)由菜單欄、工具欄、圖層控制區(qū)、地圖顯示區(qū)、鷹眼視圖區(qū)、狀態(tài)欄6部分組成(見(jiàn)圖1)，集圖形、數(shù)字信息于一體來(lái)表示地震災(zāi)區(qū)與人口相關(guān)的空間和屬性要素，為用戶提供相關(guān)信息的查詢、檢索和必要的空間分析、查詢統(tǒng)計(jì)以及相應(yīng)的專題地圖輸出服務(wù)[13-14]。

圖1 系統(tǒng)主界面Fig.1 The main interface of the system

3.2 系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn)

3.2.1 手機(jī)定位數(shù)據(jù)可視化功能

原始的手機(jī)定位數(shù)據(jù)是excel或者csv格式，不能從空間上直觀反映災(zāi)區(qū)人口分布情況。該系統(tǒng)在文件菜單下設(shè)立添加X(jué)Y數(shù)據(jù)模塊，可根據(jù)原始數(shù)據(jù)中的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)生成具有空間位置信息的矢量圖層，直觀展現(xiàn)災(zāi)區(qū)人口分布情況。

3.2.2 數(shù)據(jù)查詢功能

系統(tǒng)可以通過(guò)屬性查詢和空間查詢兩種方式對(duì)震區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。屬性查詢是通過(guò)對(duì)該圖層感興趣的字段進(jìn)行選擇，輸入想要查詢的內(nèi)容后，地圖顯示區(qū)會(huì)居中高亮顯示查詢到的要素；空間查詢是對(duì)選擇的圖層，按實(shí)際需求選擇點(diǎn)、線、圓、矩形4種方式中的一種，在地圖上進(jìn)行框選，選擇結(jié)果會(huì)高亮顯示，被選要素的屬性信息會(huì)同步顯示在屬性面板中，方便用戶查看。

3.2.3 空間分析功能

緩沖區(qū)分析可識(shí)別某一地理實(shí)體或空間物體對(duì)其周圍地物影響度而在其周圍建立具有一定寬度的區(qū)域，確定哪些實(shí)體落在了被影響的區(qū)域范圍內(nèi)。地震發(fā)生后，救援力量有限，如何分配救援力量成為救援的關(guān)鍵。在水庫(kù)、潛在地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)上進(jìn)行一定距離的緩沖區(qū)分析，可以幫助救援人員判斷人口聚集區(qū)的危險(xiǎn)程度指數(shù)，集中優(yōu)勢(shì)力量率先救出急需救援的人員。

3.2.4 專題地圖渲染整飾功能

專題圖渲染作為GIS領(lǐng)域的重要組成部分，直接影響制圖的效果。該課題為實(shí)現(xiàn)地震災(zāi)區(qū)不同專題要素的可視化對(duì)比顯示，采用簡(jiǎn)單著色、唯一值著色、依比例符號(hào)著色、質(zhì)量圖著色、點(diǎn)密度著色5種方法，依據(jù)要素的一個(gè)或者多個(gè)屬性值設(shè)置不同類型的符號(hào)對(duì)專題要素進(jìn)行渲染。地圖的整飾在很大程度上影響最終成圖的效果。良好的地圖整飾可以向應(yīng)急救援者提供必要的信息，提高專題地圖的可讀性。該系統(tǒng)的地圖整飾包括標(biāo)題、文本、圖例、指北針、比例尺、格網(wǎng)。

4 結(jié)語(yǔ)

地震發(fā)生后，掌握地震現(xiàn)場(chǎng)情況是開展抗震救災(zāi)工作的關(guān)鍵[15]，救災(zāi)工作的核心是救人，快速了解被困人員的分布情況是一個(gè)核心環(huán)節(jié)。該研究為如何獲取地震災(zāi)區(qū)人口分布情況進(jìn)行探索，為破壞性地震發(fā)生后，迅速獲取災(zāi)情提供方便快捷的方法。該系統(tǒng)基于ArcGIS Engine和Visual Studio.NET框架相結(jié)合，借助GIS技術(shù)的空間分析及可視化展示技術(shù)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)定位數(shù)據(jù)可視化，與地震災(zāi)區(qū)專題信息相疊加，直觀展示災(zāi)區(qū)人口分布情況及救援難易程度，為地震應(yīng)急救援爭(zhēng)取時(shí)間、提供科學(xué)決策。

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