基于移動通信大數據的地震災區人口快速處理系統研究

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

地震災害具有突發性和不可預測性，與洪水、臺風等氣象災害相比，防御難度更大，除直接造成的損害外，往往還產生廣泛的次生災害[1]。為減輕地震造成的損失、減弱社會影響，迅速及時的救援工作尤為重要。作為地震應急救援的前提，如何才能提取到有效的地震災情信息是個關鍵性的議題[2-5]。災情獲取的手段目前有遙感影像、12322地震專線災情收集、地震信息員報告渠道、無人機獲取[6]，但都無法實現大批量預知災區人口的分布情況。大量震例統計資料表明，被埋壓人員在震后1 h內救出的成活率可達91%，1～24 h內為81%，24～48 h內有36.7%。當破壞性地震發生后，迅速了解地震災區人口分布情況是進行抗震救災應急指揮和決策的關鍵。傳統的人口數據一般是以行政單元或者公里格網為基礎的統計數據，屬于某個時期的靜態數據，無法客觀反映災區人口空間分布特征。近年來，隨著移動通信大數據應用的興起，某些領域開始利用手機定位數據進行人口分布研究[7-8]。該研究根據移動通信網絡中的用戶手機定位數據來推算災區人口分布情況，具有時效性和客觀性，彌補傳統方法獲取人口數據在應急救援中的不足，將人口數據由靜態變成動態，有利于應急救援者迅速掌握災區人口分布情況，制定科學合理的救援對策及路線。

1 移動通信定位技術

移動通信定位是指通過特定的定位技術來獲取移動手機或終端用戶的位置信息(經緯度坐標)，在電子地圖上標出被定位對象位置的技術或服務[9]。定位技術通常包括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，技術復雜度最低，支持室內定位，只需普通通信終端即可使用，無需額外設備改造，成本較低；TDOA/AOA定位精度高，需要對現有無線通信網絡和通信終端進行改造升級；A-GPS定位精度高，技術難度大，在終端需要增加額外設備[10-12]。3種定位技術的對比如表1所示。經過綜合研究比較，該研究采用Cell-ID定位法獲取手機定位數據。

表1 移動通信定位技術比較Table 1 Comparison of mobile communication positioning technology

Cell-ID定位法是根據移動終端所連接的蜂窩(Cell)位置來表示用戶的位置，定位精度取決于蜂窩信號的半徑大小。在郊區或農村地區，單個蜂窩信號覆蓋范圍很大，定位精度較低；城市蜂窩信號覆蓋范圍通常在300 m左右，部分話務量大的地區可以小于100 m，定位精度相應更高。Cell-ID定位法定位技術實現簡單，只需移動終端能夠連接到無線通信網絡，就可以實現用戶位置定位，無需對現有通信網絡進行改動，也無需在通信終端安裝額外設備。該法獲取數據的方式可以分成兩類，主動定位法和被動定位法。該研究采用被動定位法，不需要在移動終端安裝任何基站采集軟件，只要移動終端在發生主被叫、收發短信、開關機、周期性位置更新(長時間沒有上報位置信息時觸發)、正常位置更新(在待機狀態下跨越位置區時觸發)時，都會產生位置信息。

2 手機定位數據收集與處理

數據隱私問題一直是阻礙移動通信定位數據大規模應用的重要原因。隨著手機用戶實名制的普及，用戶信息的安全性成為廣大手機持有者和移動運營商所關心的重要問題?？紤]到手機定位數據涉及用戶隱私，必須對獲取的原始數據進行必要的加密處理，對于能夠識別出用戶信息的內容嚴格加密，防止用戶信息外漏(見表2)。

表2 手機定位數據格式Table 2 Mobile location data format

3 系統實現

3.1 系統總體框架設計

目前的GIS軟件，功能強大，模塊眾多。對于GISer來說，操作1個熟悉的GIS軟件會得心應手，但是對于一般用戶來說，1個大型的GIS軟件會顯得過于龐大，軟件系統里的專題功能模塊分布相對比較零散，無統一的專題來構建這些系統功能，從而顯得比較凌亂，沒有層次性。用戶在使用這些軟件時，不太了解，操作緩慢。特別是在地震突發事件發生后，急需一款操作簡單，具有針對性的軟件系統用于地震應急。

該系統的開發目標是基于ArcEngine以一種簡單易行的方法，開發出一款實用性較強的地震災區人口快速處理系統，在地震發生后，能快速為決策人員提供人口分布信息，為應急救援爭取時間。該系統由菜單欄、工具欄、圖層控制區、地圖顯示區、鷹眼視圖區、狀態欄6部分組成(見圖1)，集圖形、數字信息于一體來表示地震災區與人口相關的空間和屬性要素，為用戶提供相關信息的查詢、檢索和必要的空間分析、查詢統計以及相應的專題地圖輸出服務[13-14]。

圖1 系統主界面Fig.1 The main interface of the system

3.2 系統主要功能的實現

3.2.1 手機定位數據可視化功能

原始的手機定位數據是excel或者csv格式，不能從空間上直觀反映災區人口分布情況。該系統在文件菜單下設立添加XY數據模塊，可根據原始數據中的經緯度數據生成具有空間位置信息的矢量圖層，直觀展現災區人口分布情況。

3.2.2 數據查詢功能

系統可以通過屬性查詢和空間查詢兩種方式對震區相關數據進行查詢。屬性查詢是通過對該圖層感興趣的字段進行選擇，輸入想要查詢的內容后，地圖顯示區會居中高亮顯示查詢到的要素；空間查詢是對選擇的圖層，按實際需求選擇點、線、圓、矩形4種方式中的一種，在地圖上進行框選，選擇結果會高亮顯示，被選要素的屬性信息會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

緩沖區分析可識別某一地理實體或空間物體對其周圍地物影響度而在其周圍建立具有一定寬度的區域，確定哪些實體落在了被影響的區域范圍內。地震發生后，救援力量有限，如何分配救援力量成為救援的關鍵。在水庫、潛在地質災害點上進行一定距離的緩沖區分析，可以幫助救援人員判斷人口聚集區的危險程度指數，集中優勢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領域的重要組成部分，直接影響制圖的效果。該課題為實現地震災區不同專題要素的可視化對比顯示，采用簡單著色、唯一值著色、依比例符號著色、質量圖著色、點密度著色5種方法，依據要素的一個或者多個屬性值設置不同類型的符號對專題要素進行渲染。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急救援者提供必要的信息，提高專題地圖的可讀性。該系統的地圖整飾包括標題、文本、圖例、指北針、比例尺、格網。

4 結語

地震發生后，掌握地震現場情況是開展抗震救災工作的關鍵[15]，救災工作的核心是救人，快速了解被困人員的分布情況是一個核心環節。該研究為如何獲取地震災區人口分布情況進行探索，為破壞性地震發生后，迅速獲取災情提供方便快捷的方法。該系統基于ArcGIS Engine和Visual Studio.NET框架相結合，借助GIS技術的空間分析及可視化展示技術，實現手機定位數據可視化，與地震災區專題信息相疊加，直觀展示災區人口分布情況及救援難易程度，為地震應急救援爭取時間、提供科學決策。

[1] 褚俊秀，徐敬海.地震災情位置微博抓取與展示[J].地理空間信息,2016,14(5):38-40.

[2] 帥向華,姜立新,成小平.利用WebGIS實現地震災害信息數據的管理[J].自然災害學報,2013,12(4):111-114.

[3] 聶高眾,安基文,鄧硯.地震應急災情服務進展[J].地震地質,2012,34(4):783-789.

[4] 徐敬海,聶高眾.城市地震應急處置方案技術研究[J].地震地質,2014,36(1):197-202.

[5] 趙曉麗,李家存,屈新原,等.地震及其次生災害災情專題圖制圖模板研究[J].地理空間信息,2011,9(3):153-155.

[6] 楊建思.靠什么評估和快速獲取地震災情？[J].中國科技財富,2016(6):95.

[7] 周天綺,嚴奧霞.基于移動通信大數據的流動人口統計中Hadoop的應用研究[J].軟件導刊,2015,14(3):36-38.

[8] 羅勇,王晏民,張健欽.基于手機位置數據的居民出行信息挖掘和分析方法研究[J].北京建筑工程學院學報，2012,28(1):40-44.

[9] 翟明明.移動定位服務的現狀和發展趨勢[J].信息通信技術，2009(2):27-32.

[10] 吳顏文.移動通信技術及應用(第2版)[M].北京：清華大學出版社,2013.

[11] 啜鋼,孫卓.移動通信原理[M].北京：電子工業出版社,2011.

[12] 李旭,艾渤，鐘章隊.移動通信原理與系統[M].北京：科學出版社,2011.

[13] 柳林,李萬武,毛坤德.地理信息系統二次開發及案例分析[M].武漢：武漢大學出版社,2015.

[14] 邱洪鋼,張青蓮,熊友誼.ArcGIS Engine地理信息系統開發從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[15] 帥向華,鄭向,劉欽.基于SMS/GPS/GIS地震災情獲取處理技術研究與實現[J].震災防御技術,2011,6(2):164-171.