基于手機位置信息的震后人口流動軌跡

李林侗，于 浩，侯作亮

（遼寧省地震局,沈陽 110034）

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、地理信息技術(shù)、全球定位系統(tǒng)等科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于手機行業(yè)的發(fā)展，通過三大通信運營商的無線電通訊、網(wǎng)絡(luò)社交軟件定位、地圖導(dǎo)航定位等大規(guī)模持續(xù)采樣的移動設(shè)備終端獲取定位數(shù)據(jù)的精確度也越來越高。已由原來的靜態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)楂@取動態(tài)數(shù)據(jù)，基本解決了動態(tài)空間位置變化的可視化問題。對這種高精度的人口空間位置信息的行動軌跡進行有效的大數(shù)據(jù)處理，獲得震后人口流動方向的結(jié)果，為震后應(yīng)急處置提供災(zāi)情決策的技術(shù)支持。

在數(shù)據(jù)種類越來越多、數(shù)據(jù)量越來越大的今天，能夠在震后0～10 小時內(nèi)快速處理災(zāi)情數(shù)據(jù)與信息，增加震后人口數(shù)據(jù)速判和信息獲取準確性，為決策者提供災(zāi)情判斷，提高在黑箱期和灰箱期內(nèi)被獲救人員數(shù)量就顯得尤其重要[1]。目前，國內(nèi)現(xiàn)有地震應(yīng)急數(shù)據(jù)庫中人口數(shù)據(jù)以普查數(shù)據(jù)和登記在冊的戶籍?dāng)?shù)據(jù)為主，或者是以行政單元或者公里格網(wǎng)為基礎(chǔ)統(tǒng)計出的人口數(shù)據(jù)，其精度與實際災(zāi)害調(diào)查結(jié)果差距較大，只能反映某時期的靜態(tài)數(shù)據(jù)，而無法客觀反映災(zāi)區(qū)人口的實時空間分布特征[2]。用此數(shù)據(jù)做出的人口密度分布圖也僅限于靜態(tài)數(shù)據(jù)下分析圖表，這也成為震后人口流動快速動態(tài)監(jiān)測亟待解決的問題之一。在國外GPS 和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位服務(wù)在手機終端應(yīng)用中成為主流配置，智能手機普及、位置分享服務(wù)、基于位置服務(wù)、大規(guī)模分布式數(shù)據(jù)存儲與計算機框架等的出現(xiàn)與發(fā)展，使得用實時獲取精準的海量手機位置信息，利用手機移動定位估算實時人口已經(jīng)成為一種相對精確的方法，這些方法基本用于分析人的消費行為和人員移動軌跡的記錄[3]。掌握震后最新的人口分布數(shù)據(jù)及人口流動規(guī)律等相對精確的人口數(shù)據(jù)并能應(yīng)用到地震應(yīng)急中，對震后應(yīng)急決策具有推進作用。

1 數(shù)據(jù)處理

地震發(fā)生后當(dāng)人員位置信息發(fā)生移動時，每隔一段時間就會將其所處的位置信息通過手機上傳到基站服務(wù)器中，這樣在基站服務(wù)器中就會存儲該人員的手機位置信息數(shù)據(jù)。根據(jù)震后烈度圈提取的拐點坐標為電子圍欄坐標，在該區(qū)域內(nèi)進行手機位置數(shù)據(jù)提取。提取的手機位置信息數(shù)據(jù)在空間上是無序的，對數(shù)據(jù)進行脫敏處理，只保留SMID、時間、經(jīng)度、緯度等字段，并對SMID 進行加密或ID 替換處理，導(dǎo)入地理信息系統(tǒng)中能夠非常直觀地呈現(xiàn)一些原本不易理解或表達的點數(shù)據(jù)，即手機位置數(shù)據(jù)空間點位化。同時需要把人口位置的點數(shù)據(jù)集按不同地區(qū)、不同時間段分類后才能使用。

本研究以2016年5月22日遼寧省朝陽市朝陽縣4.6 級地震烈度圈及周邊為研究區(qū)域，該地震震中位于41.62°N、120.10°E，朝陽縣山區(qū)。震中距離朝陽市30 km、距離朝陽縣26 km、距離建平縣45 km、距離凌源市72 km、距離朝陽市喀喇沁左翼蒙古族自治縣63 km。此次地震最大烈度為Ⅴ度，位于朱錄科-刀爾登斷裂帶附近(距離小于18 km)。Ⅴ度區(qū)內(nèi)總面積為8.17 km2，有NE 向北票-朝陽斷裂、錦州-阜新斷裂及近EW 向赤峰-開原斷裂帶。本研究以朝陽4.6 級地震的烈度圈范圍提取拐點坐標，確定電子圍欄范圍提取了57 980 條手機位置記錄、近400 個空間格網(wǎng)位置數(shù)據(jù)（圖1）。采集范圍涵蓋整個Ⅴ度區(qū)及周邊區(qū)域的震前和震后24 個時段內(nèi)數(shù)據(jù)近4 萬條。以1 小時為間隔，每小時提取1 次，這樣會比較全面并清晰地反映出震前和震后人口數(shù)量的變化情況（圖2）。

圖1 烈度圈拐點坐標提取

圖2 電子圍欄范圍內(nèi)手機位置信息提取

對朝陽縣受災(zāi)地區(qū)內(nèi)的大東山村、柴周營子村、華杖子村、二道河子村的人口手機位置數(shù)據(jù)進行震前和震后各24 小時的提取。經(jīng)對比分析發(fā)震前24 小時震區(qū)內(nèi)的常規(guī)活動數(shù)量變化和震后人口數(shù)量變化發(fā)現(xiàn)，震前常駐人口24 小時內(nèi)變化呈現(xiàn)晝出夜伏的人口移動規(guī)律；地震受災(zāi)區(qū)域內(nèi)人員疏散或者躲避到安全地區(qū)等原因使當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生后3 小時內(nèi)人口急劇下降，至震后5 小時震感不強烈才出現(xiàn)人口數(shù)量恢復(fù)的現(xiàn)象（圖3～4）。

圖3 震前人口數(shù)據(jù)變化

圖4 震后人口數(shù)據(jù)變化

提取對象為上述震區(qū)內(nèi)4 個自然鄉(xiāng)村。因為非破壞性地震發(fā)生，所以基站回傳手機位置信息的數(shù)據(jù)量誤差是很小的，精確度是很高的，基本為準確的手機位置信息數(shù)量，所以人口數(shù)據(jù)是直觀并且有說服力的。以下是針對上述4 個村震前、震后人口不同時段的變化對比，可以更直觀地顯示人數(shù)變化情況（圖5～8）。

圖5 大東山村震前震后人口變化圖

圖6 柴周營子村震前震后人口變化圖

圖7 華杖子村震前震后人口變化圖

圖8 周臺子村震前震后人口變化圖

此次研究不僅從不同地區(qū)同時段比對人口數(shù)據(jù)，也針對同地區(qū)不同時段進行了人口數(shù)據(jù)的對比。結(jié)果顯示：大東山村和柴周營子村震后明顯比震前離村人口增多，震后2 小時才開始有人員回流現(xiàn)象出現(xiàn)，早晨流出人口數(shù)量也比震前提前發(fā)生。因為當(dāng)?shù)貙儆谵r(nóng)業(yè)為主的自然行政村，雖然有地震發(fā)生，但是晚上20 時至次日7 時也保持了村內(nèi)人口的最高值，故認為本次地震對當(dāng)?shù)厝丝诹鲃有杂绊懖⒉淮蟆?/p>

華杖子村和周臺子村震后明顯比震前人口數(shù)量差很多，而且震后2～4 小時只有少量人口回流現(xiàn)象。實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，因為華杖子村有1 個礦業(yè)公司而周臺子村則有5 個礦業(yè)公司，所以會出現(xiàn)震后人口反向流動現(xiàn)象。本研究有注意到這2 個村以礦業(yè)開采收入為主，地下開采礦山的主體分為采場和運輸巷道兩部分，都分布在地下巖層里。運輸巷道斷面直徑比較小，一般為3 m 以內(nèi)，周圍為穩(wěn)固或者錨固后的巖層，這樣實際形成了小跨度厚墻體的相當(dāng)穩(wěn)固建筑，一般來說很難被地震破壞。對于采場而言，本身就需要崩落進行開采，一般崩落都需要炸藥進行準備，地震可能會對一些節(jié)理發(fā)育的層位起到破壞作用，造成計劃外崩落，但一般不會造成破壞性影響?，F(xiàn)代礦山一般設(shè)計有避難硐室，位置更穩(wěn)固，內(nèi)設(shè)空氣、水和食物等維持設(shè)施，基本可以保證生命安全。雖然如此，也確實有礦山因為地震災(zāi)害停產(chǎn)，地震波到達地表后破壞大，所以對于露采礦山影響可能更大。但不論是露采還是地采，震后都有評估機制，對設(shè)施進行工程地質(zhì)評估、維護和穩(wěn)固后才能復(fù)產(chǎn)。

2 技術(shù)路線

地震發(fā)生后，當(dāng)人員位置信息發(fā)生移動時，每隔一段時間會將其所處位置信息通過手機上傳到基站服務(wù)器中，這樣在基站服務(wù)器中就會存儲該人員的手機位置信息數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)為離散點類型數(shù)據(jù)集，將點數(shù)據(jù)進行空間矢量化、落圖進行可視化后形成空間位置點。確定點數(shù)據(jù)后，可以將該點數(shù)據(jù)按照不同用戶以及時間先后順序，連接成連續(xù)的線數(shù)據(jù)，構(gòu)造出每個人在該時間段內(nèi)的線數(shù)據(jù)集。通過大量線數(shù)據(jù)可以更直觀地看出人員的移動軌跡，大量被記錄的個人軌跡形成線數(shù)據(jù)集。對數(shù)據(jù)集進行清洗，通過坐標系轉(zhuǎn)換統(tǒng)一成CGCS2000 坐標系。同時對應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)圖層，包括交通、居民點、行政區(qū)劃、烈度圈等數(shù)據(jù)圖層進行疊加，并按照《GB∕T38226—2019 地震烈度圖制圖規(guī)范》標準規(guī)范，對圖層進行風(fēng)格樣式設(shè)置，最終形成人口流動圖，更好地了解震后災(zāi)區(qū)內(nèi)人群流動方向，為震后人員流動方向提供更為準確的定位；另外對錯誤數(shù)據(jù)進行糾正和類型轉(zhuǎn)換后，將線數(shù)據(jù)集疊加交通道路圖層，判定此路是否暢通，生成應(yīng)急疏散路線圖，用最少的時間展示應(yīng)急疏散路線暢通情況（圖9）。為震后黑箱期和灰箱期內(nèi)提供可用技術(shù)支持，并為震后應(yīng)急疏散提供有力數(shù)據(jù)支撐。

圖9 繪制人口流動圖和應(yīng)急疏散路線圖的技術(shù)路線

3 繪制過程

人口流動圖的繪制需要3 類數(shù)據(jù)圖層。第一是基于獲取到的手機位置信息數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)剛剛獲取時為離散點類型數(shù)據(jù)集，將點數(shù)據(jù)進行空間矢量化，落圖進行可視化，形成空間位置點；將該點數(shù)據(jù)按照不同用戶以及時間先后順序，連接成連續(xù)的線數(shù)據(jù)，進行人員的軌跡重建；同時對數(shù)據(jù)進行清洗，通過坐標系轉(zhuǎn)換統(tǒng)一坐標系為CGCS2000 坐標系。第二是應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)圖層，包括交通、居民點、行政區(qū)劃等數(shù)據(jù)圖層。第三是地震數(shù)據(jù)，主要有烈度圈圖層構(gòu)成。將3 類圖層進行圖層的疊加，最終形成人口流動圖。

1）地圖中添加數(shù)據(jù)集

將配圖所能用到的數(shù)據(jù)集都添加到地圖中，將數(shù)據(jù)脫敏后格式轉(zhuǎn)換為xlsx 的人員動態(tài)位置點（手機位置信息數(shù)據(jù)）表格進行導(dǎo)入，選擇經(jīng)、緯度對應(yīng)列，將表格中點位數(shù)據(jù)導(dǎo)入為空間位置點位，并對導(dǎo)入的手機點位設(shè)置GCS2000 地理坐標系（圖10）。

圖10 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及導(dǎo)入

2）確定點數(shù)據(jù)后可以使用軌跡重建的方法來構(gòu)造出每個人在該時間段內(nèi)的線數(shù)據(jù)，通過大量線數(shù)據(jù)可以更直觀地看出人員的軌跡移動路線；大量被記錄的個人軌跡形成線數(shù)據(jù)集，通過數(shù)據(jù)選項卡、類型轉(zhuǎn)換對點數(shù)據(jù)構(gòu)建出一段時間內(nèi)的軌跡線數(shù)據(jù)。

3）糾正錯誤數(shù)據(jù)

錯誤數(shù)據(jù)的判斷原則為：對于人員流動軌跡，因為位置數(shù)據(jù)是不間斷獲取的，所以將獲取的點位在地圖中呈現(xiàn)進行可視化后，是按順序有序排列的點位。如某一點的位置與其余點位出現(xiàn)明顯偏差，則認為是異常點（錯誤數(shù)據(jù)）予以去除。方法是以每一點為圓心、一定距離為半徑閾值，超過閾值的點則視為錯誤數(shù)據(jù)點位剔除。以一定的閾值、路線距離相近的則合并為一條軌跡線（圖11）。

圖11 點轉(zhuǎn)線和糾正錯誤數(shù)據(jù)

4）配置地圖樣式

雙擊人員流動圖層，選擇右側(cè)線性符號，按圖表配置添加需要做標注的圖層制作成圖；之后將新生成的點與線添加到地圖中（此圖的點為手動沿著公路添加），配以不同的點和線的風(fēng)格；同時與震中、烈度圈、鄉(xiāng)鎮(zhèn)點位、縣道等圖層進行疊加。相對時間段內(nèi)，同一條路上的點或一條線代表一個人的路線，所以不太密集時則說明路不擁堵。鄉(xiāng)村道路狹窄容易造成擁堵，可以選擇縣道等公路進行疏散。較人口流動圖，添加的圖例新增了軌跡線。拆分布局元素時，可將軌跡線的圖例和名稱置頂，產(chǎn)出應(yīng)急疏散路線圖（圖12）。

圖12 按規(guī)范配置地圖

通過對大量記錄著個人軌跡的點位數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，形成帶有方向的個人軌跡線數(shù)據(jù)，在軟件中對方向線進行配圖，得到人口流動圖。同樣的，將該地圖加載到布局窗口中進行布局要素的設(shè)置，添加制圖要素，最終形成地震區(qū)域人口流動圖（圖13～14）。

圖13 朝陽地震人口流動圖

4 結(jié)論

圖14 朝陽地震震后應(yīng)急疏散路線圖

利用手機位置信息研究震后人員流動軌跡，并清楚闡述了手機位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為人員流動軌跡的技術(shù)過程。對震后災(zāi)區(qū)人口數(shù)據(jù)的獲取、救助災(zāi)民、制定疏散路線，以及為政府應(yīng)急決策提供數(shù)據(jù)支持等方面都具有實際意義。

1）對遼寧省朝陽縣4.6 級地震V 度圈內(nèi)提取手機位置數(shù)據(jù)在人口流動軌跡上的研究表明，在非破壞性地震中獲取手機位置信息數(shù)據(jù)的準確度高、定位性誤差小，震后幾乎沒有基站退服現(xiàn)象來干擾手機位置信息的精準性，本次數(shù)據(jù)總量更接近實際人口情況。

2）提取震前24 小時內(nèi)常規(guī)人口數(shù)量，可以作為震區(qū)發(fā)震時刻的人口數(shù)據(jù)；提取震后24 小時人口數(shù)量，可以為震后人口信息獲取提供更確切的依據(jù)。根據(jù)人口數(shù)量的劇增或劇減變化，幫助政府推測出適合該地的震后災(zāi)民應(yīng)急措施。

3）基于震后烈度圈內(nèi)手機位置信息人員的移動軌跡展示，在朝陽縣應(yīng)急疏散路線圖內(nèi)可以很直觀地顯示出有人口流動方向的路線為縣道本雞線路，并清晰地看到朱饅線公路上有大量的人員涌出現(xiàn)象，一些鄉(xiāng)村公路如龍華路、龍興路等則出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象。這樣直觀地顯示震區(qū)內(nèi)的人員流動方向則更為精準，且可以用流動軌跡判斷交通擁堵情況，人口流動軌跡的可視化可為震后應(yīng)急提供輔助決策。

4）手機位置信息研究在地震災(zāi)情獲取方面有更多的應(yīng)用價值。比如在地震沒有發(fā)生時，幾乎沒有基站退服或服務(wù)器掉線情況下獲取震前人口數(shù)據(jù)，可以繪制震區(qū)人口分布圖，更準確地了解震時人口數(shù)據(jù)；或者在震后每5 分鐘提取一次數(shù)據(jù)，判定出該震區(qū)的手機信號歸屬地或人員的常規(guī)活動區(qū)域，方便應(yīng)急救援等更多應(yīng)急措施制定。