地球信息科學(xué)及其在新冠疫情防控中的應(yīng)用

徐嘉藝，賴正軒，張佳默，賴日文★

（1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002；2.福建農(nóng)林大學(xué)農(nóng)學(xué)院，福建 福州 350002）

隨著地球信息科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，其已在越來越多的領(lǐng)域得到不斷應(yīng)用。在與新冠肺炎疫情的斗爭中，地球信息科學(xué)技術(shù)在許多方面發(fā)揮了重要作用，包括多源大數(shù)據(jù)的快速整合、流行病信息的快速可視化、確診病例的空間跟蹤、區(qū)域傳播的預(yù)測、物質(zhì)資源供求的平衡和管理以及社會情緒指導(dǎo)等，為新冠肺炎疫情預(yù)防和控制的決策、措施制定和有效性評估提供了堅實的空間信息支持[1]。在此次突如其來的新冠肺炎疫情中，地球信息科學(xué)技術(shù)利用其獨特優(yōu)勢，從時間和空間上跟蹤、監(jiān)測疫情蔓延、傳播，精準描繪與分析新冠肺炎疫情的發(fā)生、發(fā)展、演變、態(tài)勢，引導(dǎo)人員管控、物流運輸、資源調(diào)配等，在疫情研究監(jiān)測、地區(qū)衛(wèi)生情況、醫(yī)療資源分配等方面都提供了極大幫助，為疫情防控提供了及時有效的信息，為打贏疫情防控的攻堅戰(zhàn)做出了極大貢獻。

1 地球信息科學(xué)技術(shù)概述

地球信息科學(xué)技術(shù)是集3S技術(shù)、大數(shù)據(jù)平臺、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)于一體，利用各種技術(shù)和集成各種方法對地球及其上的實體目標和人類活動進行時空數(shù)據(jù)采集、信息提取、網(wǎng)絡(luò)管理、知識發(fā)現(xiàn)、空間感知認知和智能位置服務(wù)的一門多學(xué)科交叉的科學(xué)和技術(shù)[2]。其中，3S技術(shù)是地球信息科學(xué)技術(shù)的核心，在互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和云計算等新興技術(shù)的推動下，現(xiàn)今地球空間信息服務(wù)呈現(xiàn)出智能化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化與實時化的特點[2]。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)計算技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)集成、各類數(shù)據(jù)處理方法、分析模型、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等與3S技術(shù)相結(jié)合，不斷豐富和完善地球信息科學(xué)技術(shù)，將其發(fā)展成為一個影響社會發(fā)展、經(jīng)濟建設(shè)、國家安全、科學(xué)研究和民眾生活等各個方面的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域[3]。

1.1 3S技術(shù)

早期3S技術(shù)是全球定位系統(tǒng)GPS(Global Position System)、遙感 RS(Remote Sensing)、和地理信息系統(tǒng)GIS(Geographic Information System)的簡稱，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，如今的3S技術(shù)包含更廣，為 GIS、RS、GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）三大系統(tǒng)，其中GNSS泛指所有衛(wèi)星定位系統(tǒng)，包括GPS。3S技術(shù)是集空間技術(shù)、傳感器技術(shù)、衛(wèi)星定位與導(dǎo)航技術(shù)、計算機技術(shù)以及通信技術(shù)于一體，多學(xué)科融合的現(xiàn)代信息技術(shù)，對空間信息進行收集、處理、分析、表達、傳播和應(yīng)用的現(xiàn)代信息技術(shù)的總稱[4]。

1.1.1 遙感

遙感是一種不接觸物體本身，用遙感平臺上搭載的傳感器收集目標物的電磁波信息，經(jīng)處理、分析后識別目標物，揭示其幾何與物理性質(zhì)、相互關(guān)系及其變化規(guī)律的科學(xué)技術(shù)[5]。遙感能夠快速、大范圍獲取空間數(shù)據(jù)，在具體的應(yīng)用中，遙感可獲取目標地區(qū)的信息，其覆蓋區(qū)域范圍廣，能夠采用多波段成像技術(shù)來定位、定性、定量地對地理環(huán)境中的各項指標進行勘測[6]。在疫情監(jiān)測中可利用衛(wèi)星遙感實時拍攝目標區(qū)域，用圖像直觀地呈現(xiàn)出疫區(qū)情況。可以通過影像分析處理得到目標地物的實時狀態(tài)，并與往期圖像作對比，獲得一段時間內(nèi)區(qū)域的變化情況，在疫情發(fā)展下的環(huán)境監(jiān)測、建筑施工、區(qū)域規(guī)劃等方面都有重要應(yīng)用。

1.1.2 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)

GNSS是所有衛(wèi)星定位系統(tǒng)的總稱，GPS是其中一種，由美國建立，在全球范圍內(nèi)進行導(dǎo)航與定位的系統(tǒng)。現(xiàn)在有許多國家也相繼開發(fā)出了自己的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，如中國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)BDNS、俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GLONASS以及歐盟的伽利略系統(tǒng)GNS等。利用GNSS，在地理空間參考系中，根據(jù)衛(wèi)星的已知瞬時位置與衛(wèi)星至目標的測量距離，即可計算確定被測目標的空間位置[5]，即可以對目標實現(xiàn)精確的定位。在疫情防控中能夠獲得人口的流動軌跡，對各個地區(qū)控制人員進出，了解病患活動軌跡等方面都提供了基本的信息支持，具有實時性、動態(tài)性和多維性。

1.1.3 地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)是一種基于計算機的工具，是用來獲取、儲存、管理、分析和顯示空間數(shù)據(jù)及空間實體的屬性數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)。它將地圖這種獨特的視覺化效果和地理分析功能與一般數(shù)據(jù)庫操作（例如查詢和統(tǒng)計分析等）集成在一起，可以對空間信息進行分析和處理，簡而言之，是對地球上存在的現(xiàn)象和發(fā)生的事件進行成圖和分析[7]。GIS還可以與大數(shù)據(jù)相結(jié)合，廣泛采集并處理與疫情有關(guān)的各類數(shù)據(jù)，為疫情防控提供精準的數(shù)據(jù)支撐。通過GIS技術(shù)建立疾病防治預(yù)警系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、疫情信息報告系統(tǒng)和社區(qū)防控系統(tǒng)，對突發(fā)信息進行有效的采集、處理，并提供應(yīng)急預(yù)案，及時掌握重點傳染病的流行規(guī)律，有助于提高醫(yī)療系統(tǒng)應(yīng)急處理及反應(yīng)能力。

1.2 其他技術(shù)

1.2.1 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

互聯(lián)網(wǎng)(Internet)是指全球最大的、開放的、由許多網(wǎng)絡(luò)相互連接成的計算機網(wǎng)絡(luò)，可以連接全球各地區(qū)，各城市、各部門與各行業(yè)、各個機構(gòu)的計算機網(wǎng)絡(luò)與計算機組成的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，具有開放性、自由性、普及性和集成性的名副其實的共享性、信息通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[3]。互聯(lián)網(wǎng)通過處處存在的傳感網(wǎng)將網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)實世界聯(lián)系起來，形成虛實一體化的空間。在新冠肺炎疫情蔓延至全國的發(fā)展初期，因互聯(lián)網(wǎng)所具有的互聯(lián)互通的技術(shù)特征，跨地域、非接觸的服務(wù)方式，“互聯(lián)網(wǎng)+”成為我國醫(yī)療服務(wù)體系應(yīng)對疫情的技術(shù)突破口[8]。

1.2.2 大數(shù)據(jù)處理

目前，大數(shù)據(jù)技術(shù)也已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、制造業(yè)、能源、交通、環(huán)境等許多領(lǐng)域，為統(tǒng)一指揮和部門協(xié)同運作提供了技術(shù)基礎(chǔ)。在公共衛(wèi)生方面，一些地方利用大數(shù)據(jù)分析，進行疫情監(jiān)測。除了預(yù)測疾病爆發(fā)之外，醫(yī)療數(shù)據(jù)的準確分析也有助于早期疾病檢測、患者護理、社區(qū)服務(wù)和其他工作，醫(yī)療部門的大數(shù)據(jù)分析可以幫助醫(yī)生做出正確的決策和預(yù)測疾病的發(fā)生[9]。由于疫情變化迅速，通過互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)能夠及時有效捕捉各主體在疫情防控各階段的關(guān)注情況。若能透徹分析這些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量龐大的數(shù)據(jù)[10]，以云端運算整合分析，便能快速地將之轉(zhuǎn)化成有價值的信息，從中探索和挖掘疫情變化規(guī)律、人們的行為和輿論趨向[11]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析方法

技術(shù)集成、數(shù)據(jù)融合和建模（包括模型與模式）是地球空間信息技術(shù)的三大數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，將使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔a(chǎn)品進而使轉(zhuǎn)變?yōu)闆Q策知識的進程更快、更精確、更有效[3]。例如Anuradha Tomar等人[12]利用數(shù)據(jù)驅(qū)動的估計方法，如長短期記憶(lstm)和曲線擬合來預(yù)測30天前印度covid-19病例的數(shù)量，以及社會隔離和封鎖等預(yù)防措施對covid-19傳播的影響，并預(yù)測未來病例的數(shù)量。這些數(shù)據(jù)處理與分析方法在對收集到的各類信息進行整合、分析、歸納等方面都發(fā)揮著重要作用，通過各類模型的建立才可更好地對疫情走向趨勢等做出研究和預(yù)測。

2 地球信息科學(xué)技術(shù)在疫情防控方面的應(yīng)用

2.1 醫(yī)院建設(shè)進程的監(jiān)控

由于感染人數(shù)的持續(xù)增加，武漢急需建設(shè)獨立的醫(yī)院去隔離收治患者，因此武漢市決定建設(shè)火神山醫(yī)院和雷神山醫(yī)院作為新冠肺炎患者的定點收治醫(yī)院。而醫(yī)院的建設(shè)需在十天之內(nèi)完成，對于這種高速度、高強度的施工模式，地基基礎(chǔ)的穩(wěn)固與否、周圍的環(huán)境是否會受到污染、能否如期保質(zhì)完成等問題都需重視，這就可利用航天遙感動態(tài)監(jiān)測體系對醫(yī)院建筑群的施工情況進行監(jiān)測，根據(jù)衛(wèi)星采集到的工地及周圍環(huán)境的影像進行分析，觀測施工進度。

圖1(a)是吉林一號高分03星于2020年1月28日對火神山醫(yī)院拍攝到的全色多光譜影像，從圖中我們可以看出火神山醫(yī)院北區(qū)板房基礎(chǔ)建筑工作已基本完成，其他區(qū)域板房建筑工作也已全面展開；圖1(b)是吉林一號于2020年1月31日再次對建設(shè)中的火神山醫(yī)院進行拍攝的圖像，可以看出火神山醫(yī)院板房區(qū)域場地平整，地基建設(shè)已全部完成，集裝箱板房也批量進場，基礎(chǔ)建設(shè)工作已基本完成[13]。

2.2 疫情狀況實時地圖的制作

圖1(a) 吉林一號高分03星影像（2020年1月28日）火神山醫(yī)院建設(shè)情況

圖1(b) 吉林一號火神山局部區(qū)域影像（成像時間2020年01月31日）

通過廣泛收集政府和醫(yī)療部門發(fā)布的確診和疑似病例等數(shù)據(jù)，利用地球信息科學(xué)技術(shù)，通過數(shù)據(jù)處理和空間分析等方法，繪制出實時動態(tài)的疫情分布地圖，向公眾展示疫情空間傳播的過程和規(guī)律。從疫情地圖能很直觀地表現(xiàn)出疫情嚴重地區(qū)的分布情況。這對于各部門和公眾正確分析疫情發(fā)展形勢具有直觀、實時的優(yōu)勢。同時還能為大眾提供直觀的可視化數(shù)據(jù)。這種結(jié)合患者數(shù)據(jù)與地理信息的疫情地圖，對實現(xiàn)公共信息透明、指導(dǎo)醫(yī)療資源運營、緩解大眾內(nèi)心焦慮具有重要意義。

自疫情在世界范圍內(nèi)爆發(fā)以來，各國政府也相繼在網(wǎng)站上公布每日covid-19病例的全國計數(shù)，并進行實時更新。制作者們便可廣泛收集各國疫情信息，繪制疫情地圖。利用動態(tài)地圖，可以很好地展現(xiàn)數(shù)據(jù)的變化與時間的關(guān)系，讓觀者不僅了解疫情在地理上的傳播規(guī)律，也能對疫情在某個區(qū)域的變化更加一目了然。

2.3 疫情時空擴散軌跡的分析

通常來說，人口流動容易引發(fā)疫情擴散，當(dāng)人員從疫情嚴重的地區(qū)流入較為安全的地區(qū)，該地區(qū)健康人口遭受感染的概率會顯著增加，醫(yī)療系統(tǒng)的負擔(dān)也會隨之加重，這就需要及時獲取實時的人員流動數(shù)據(jù)，并對各地區(qū)的人員進出進行管控。因此可利用地理信息系統(tǒng)強大的空間分析功能，對確診病人和疑似病人及其密切接觸者按照不同指標和空間位置進行分類匯總和統(tǒng)計分析，并結(jié)合GPS定位系統(tǒng)，對流動人員的移動軌跡進行分析，得出人員流向比較大的城市以及途徑城市，這可以為醫(yī)療部門和防疫部門及時提供疫情傳播信息，輔助有關(guān)部門制定相應(yīng)的預(yù)防策略，提醒相關(guān)區(qū)域群眾和群眾組織做好不同級別的預(yù)防措施[14]。

例如，我國創(chuàng)新性地推出了使用“健康碼”來對出入人員進行管理。利用GPS定位系統(tǒng)來對有關(guān)人員進行定位追蹤，分析其在這段時間的活動軌跡，只有獲得綠碼的人員才能通行，獲得黃碼和紅碼的人員需要在指定地點隔離一段時間進行觀察后才能轉(zhuǎn)為綠碼。再者，印度政府開發(fā)出了一款用于跟蹤covid-19的手機應(yīng)用軟件[15]，利用智能手機的GPS和藍牙功能追蹤冠狀病毒感染者。此應(yīng)用程序使用藍牙技術(shù)，通過掃描印度各地已知病例的數(shù)據(jù)庫，并利用位置信息，根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)確定一個人所在的位置是否屬于受感染地區(qū)，從而確定他是否靠近covid-19感染者。

2.4 區(qū)域差異化防控系統(tǒng)的構(gòu)建

不同地區(qū)不同級別的疫情防控需求差異較大，在自然條件、社會經(jīng)濟、交通條件、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)能力和物資供應(yīng)等條件方面有所不同，因此疫情防控應(yīng)基于對不同區(qū)域在上述條件下的綜合評判，并結(jié)合疫情發(fā)展態(tài)勢，考慮差別化的隔離對策、物資供應(yīng)和援助力度，避免“一刀切”的情況發(fā)生，應(yīng)在保證疫情防控的同時，兼顧區(qū)域的日常生活、生產(chǎn)需要和自給能力[16]。可利用地理信息系統(tǒng)采集和處理各類疫情相關(guān)數(shù)據(jù)，分析疾病的空間分布規(guī)律，形成各區(qū)域差異化的疫情分析圖，根據(jù)各地區(qū)的疫情嚴重程度制定不同級別的防控機制，實行分區(qū)分級響應(yīng)。根據(jù)不同地區(qū)的疫情發(fā)展情況，對復(fù)工復(fù)產(chǎn)、學(xué)生開學(xué)、城市公共交通系統(tǒng)進行合理統(tǒng)籌規(guī)劃安排，逐步恢復(fù)人民群眾的正常工作和生活，確保人民群眾的生產(chǎn)和生活安全[17]，有利于各地政府和防控部門對疫情進行統(tǒng)籌管理、精準把控，能夠更加有針對性地開展防控工作。

2.5 疫情對環(huán)境影響的分析

為了防止疫情的繼續(xù)擴散，國家發(fā)布居家令，要求所有人隔離在家，減少出行。這使得原本車水馬龍的街道變得空曠冷清，許多商店、工廠紛紛停工。在人們居家隔離，工廠停工的情況下，環(huán)境也在悄悄發(fā)生變化。圖3是NASA發(fā)布的一張衛(wèi)星監(jiān)測圖，表明中國上空對流層二氧化氮含量明顯減少的現(xiàn)象。

二氧化氮除自然來源外，主要來自于工業(yè)生產(chǎn)排放、城市汽車尾氣等，是一種大氣污染物。下圖顯示了2019年1月至2月期間的三個時間段與2020年月1月至2月三個相同時間段（隔離期間）對流層中二氧化氮的濃度對比。這些數(shù)據(jù)是由美國宇航局的Aura衛(wèi)星上的臭氧監(jiān)測儀器以及歐空局哨兵-5號衛(wèi)星上的對流層監(jiān)測等儀器收集的[18]。上方圖片顯示的是2019年1月至2月期間的三個時間段內(nèi)武漢附近地區(qū)上空的二氧化氮濃度水平，此時顏色較深，表示二氧化氮的含量很高。但在今年的這個時間段我國采取封城和隔離措施，于是情況則轉(zhuǎn)為下方的圖片，這是2020年月1月至2月三個相同時間段同一地區(qū)的圖像，此圖中幾乎沒有明顯的顏色顯示，表明這期間對流層中的二氧化氮的濃度已下降至較低水平。兩幅不同時間同一地區(qū)的衛(wèi)星圖像對比很好地反映了疫情期間封城和隔離措施帶給周邊環(huán)境的影響，給大眾提供另一個角度來看待疫情，同時也是對環(huán)境保護的一個反思。

圖2 2019年1月至2月期間的三個時間段與2020年月1月至2月三個相同時間段武漢地區(qū)對流層中二氧化氮濃度情況

3 結(jié)論與展望

在此次的疫情防控工作中，可以明顯看到地球信息科學(xué)技術(shù)正在發(fā)揮積極作用，為各項疫情防控工作的有序開展提供基礎(chǔ)性的服務(wù)保障和技術(shù)支撐。地球信息科學(xué)技術(shù)能夠為醫(yī)院建設(shè)情況提供影像分析，為疫情地圖的制作提供技術(shù)支撐，能夠通過衛(wèi)星監(jiān)測來分析疫情之下的環(huán)境變化；并利用大數(shù)據(jù)和GPS定位系統(tǒng)分析人員的流動軌跡，以及通過路線規(guī)劃等確保物流物資的準時送達。在決策管理方面根據(jù)大數(shù)據(jù)和疫情地圖的觀測來制定區(qū)域差異化的防控方案，形成不同級別的疫情防控體系。得益于地球信息科學(xué)技術(shù)對疫情防控工作的信息和技術(shù)支撐，能夠?qū)σ咔榈陌l(fā)生和發(fā)展快速作出反應(yīng)和分析，并及時了解疫情的發(fā)展規(guī)律，讓各部門各單位的防控工作得到比以往更迅速更準確的開展，也讓公眾能夠更直觀更清晰地認識到疫情的發(fā)展情況，這不僅可以提高防控工作的實施效率，更是在控制疫情蔓延方面起到重要的作用。

隨著地球信息科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，將3S技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)+、人工智能和大數(shù)據(jù)等緊密結(jié)合起來的地球信息科學(xué)一體化技術(shù)已顯示出更為廣闊的應(yīng)用前景。在軍事領(lǐng)域，地球信息科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展導(dǎo)致了新的軍事地理情報系統(tǒng)的廣泛使用，開發(fā)這些系統(tǒng)是為了通過數(shù)據(jù)收集、處理、分析和分配來支持軍事戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略行動[19]。在城市建設(shè)方面，數(shù)字城市的建設(shè)通過空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的標準化、各類城市信息的數(shù)字化整合多方資源，從技術(shù)和體制兩方面為實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和互操作提供了基礎(chǔ)，實現(xiàn)了城市3S技術(shù)的一體化集成和各行業(yè)、各領(lǐng)域信息化的深入應(yīng)用[20]。在海洋建設(shè)方面，對各涉海部門的信息進行整合，建立海洋地理空間信息系統(tǒng)，開展數(shù)字海洋地理空間框架建設(shè)，構(gòu)建海上交通治理框架，通過衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)、計算、知識等的交互，完成海洋環(huán)境的模擬、預(yù)測、預(yù)報，使海洋變得可視化、數(shù)據(jù)化，使大海轉(zhuǎn)變?yōu)槿祟愰_發(fā)和保護海洋最有效的虛擬視覺模型[21]。總的來說，地球信息科學(xué)技術(shù)在現(xiàn)代化建設(shè)的進程中的各個領(lǐng)域上都發(fā)揮出越來越重要的作用。

雖然地球信息科學(xué)技術(shù)在提供公共疫情防控服務(wù)方面已成為必然趨勢，但仍然存在許多不足之處，有待完善和提高。例如各部門之間數(shù)據(jù)共享不足、觀測收集到的數(shù)據(jù)精度不高、信息不全等問題，基于此，基于地球信息科學(xué)技術(shù)的公共衛(wèi)生服務(wù)系統(tǒng)應(yīng)不斷發(fā)展完善，建立起更加成熟和面向公眾的疫情防控體系。