GIS 在傳染病方面的實時預警溯源系統(tǒng)

楊昭輝，李亞娟，張金芳，鄭世彪，任順垚，馬戴兵

（河北水利電力學院，河北 滄州 061016）

0 引言

GIS技術是分析地理相關問題的有用工具。它是在計算機軟件的支持下運用系統(tǒng)工程的理論方法來自動采集、貯存、修改、分析、模擬和展示空間分布資料。這個系統(tǒng)能通過從數據庫中提取數據加以分析并矯正數據，最終把有效空間數據整合到地圖上并顯示出來[1]。對于已經獲取的數據，結合GIS技術以數據可視化的形式呈現在大眾眼前。GIS技術真正走進大眾視野是在2020年的新冠肺炎疫情暴發(fā)階段，使用數據可視化的形式能夠更加直觀地了解疫情的發(fā)展趨勢。目前，GIS技術主要應用于傳染病防控中的疫情監(jiān)測預警、疫情分析、突發(fā)公共衛(wèi)生事件應對、管理決策研究等領域。為應對當前新冠肺炎疫情的爆發(fā)，在我國的疫情防控中移動GIS技術已經有了具體的應用[2]，例如寧波市疾控中心公共衛(wèi)生大數據所與寧波市規(guī)劃與地理信息中心兩個部門開發(fā)建設了寧波市新冠肺炎疫情管理系統(tǒng)[3]。

1 國內外研究現狀

19世紀，GIS的前身地圖分析技術已應用于傳染病領域，通過數據管理分析，可獲取大量的數據和信息。例如，英國1854年發(fā)生霍亂大流行，當時醫(yī)學水平還不發(fā)達，科學技術尚存不足，由于經驗主義，當時大部分人的觀點認為霍亂是由于空氣傳播而發(fā)生的，因此一直沒有找到真正的原因。而當時的英國醫(yī)生約翰·斯諾（John Snow，1813-1858年）卻得出新的結論，即霍亂很可能是通過飲用水傳播。他首先通過不同渠道取得因霍亂而死亡者的地址，記錄這些地點，在地圖上標明霍亂死亡的人群位置，通過持續(xù)記錄點的位置進行分析以及對當地人群和感染者的采訪、數據采集、統(tǒng)計學計算，斯諾進一步印證了自己之前的猜想：飲用水泵中的水，正是導致霍亂爆發(fā)的根源，霍亂是水傳播疾病。由此科學家們開始知道了如何探尋源頭，干預流行病的大規(guī)模爆發(fā)。斯諾霍亂地圖的產生和應用效果為全球的傳染病的防治和科學研究指明了新的方向[4]。

在國內GIS技術最早應用在疫情方面是2003年SARS爆發(fā)的時候，中國科學院遙感應用研究所（現中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院）、北京師范大學等單位的GIS、RS領域科研工作者，開展了SARS疫情態(tài)勢分析、疫情傳播/擴散模型構建、疫情預測預報，并自主研發(fā)了SARS網絡地理信息系統(tǒng)，將時空信息技術應用到了SARS疫情實時傳輸、處理、分析模型中，在SARS疫情信息采集與分析、防治與監(jiān)控以及發(fā)布等方面發(fā)揮了十分重要的作用[5]。

現階段，各個地區(qū)利用GIS技術已經建立了基于時空信息的疾病防治預警與監(jiān)控、疫情報告、社區(qū)防控等方面的信息系統(tǒng)。而就目前的新冠肺炎疫情來說，感染者的平均潛伏期一般在10天，在此期間感染者可能會到一些人群密集的區(qū)域，但其行蹤往往難以記錄。所以說，對于目前較為嚴重的新冠肺炎疫情中存在的主要問題是難以追蹤零號病人（傳染源）以及密切接觸者的行為蹤跡，而該系統(tǒng)通過動態(tài)GIS技術、數據分析技術，能夠實時將疫情信息、風險高低通知用戶，避免了因時效問題導致的疫情進一步擴散，為疫情防控提供有效技術支撐。

2 存在的主要問題

截至2021年8月23日，在世衛(wèi)組織和歐洲疾病預防與控制中心聯(lián)合發(fā)布一份疫情報告中顯示，德爾塔毒株將在未來幾個月成為全球最主要的新冠病毒變異株，僅用14秒即可感染。前期的廣東省爆發(fā)的德爾塔病毒引起的新冠肺炎疫情，以及近期通報的福建莆田、泉州的新陽性感染者初步判定也為德爾塔病毒。德爾塔變異株的潛伏期短，傳播速度快，中位潛伏期只有4.7天，因此追蹤密切接觸者的行程路線變得更加困難。針對上述情況，GIS對于新冠肺炎疫情的防控將會起到主要作用。

目前，國外有已有類似結合GIS技術進行疫情追蹤的成果，如阿聯(lián)酋等國政府推出了一款名為“TraceCovid”的手機APP[6]。但只能找到密切接觸者，尚未實現對次密接觸者的追蹤。

國內主要采用健康碼或行程卡的方式進行風險等級的判定，存在較大的滯后性，只能通過媒體公告的行程路線確定風險地區(qū)，特殊情況下甚至無法找到感染者，同時空間上亦無法對個人進行準確定位。這導致在國內尋找德爾塔病毒的密切接觸者過程中出現了很大的困難。目前，亟須一種信息完整可靠、時效性強、即時反饋的疫情預警溯源系統(tǒng)。

3 GIS實現預警溯源

目前，國內新冠肺炎疫情呈現小面積聚集性爆發(fā)狀態(tài)，無癥狀感染者多，傳染性強，導致疫情控制需大量溯源工作，現有溯源機制以媒體公告為主，信息完整性、真實性、時效性較低，不利于疫情防控。因此目前我們需要利用動態(tài)GIS技術，在移動端構建適用于時滯性傳染病流行過程防控的實時預警溯源系統(tǒng)。

3.1 主要內容

本系統(tǒng)根據已確診新冠肺炎病例的行動軌跡，構建時空數據序列，并在已有矢量地圖中構建具有時間屬性的“確診行動軌跡”與“傳染關鍵點”圖元，并依照相關法律法規(guī)公布確診病例的脫敏信息；同時，通過對比數據庫中多條時空數據序列，預測該確診病例的疑似感染源、感染地、感染時間。

本系統(tǒng)在使用之前先獲取用戶權限：

（1）系統(tǒng)在用戶授權后，結合健康碼與行程碼，實時構建用戶行動軌跡，形成用戶實時GIS時空數據序列，實時向用戶反饋當下軌跡情況，并根據軌跡進行預警。

（2）為用戶推薦相對安全的路線、醫(yī)院、藥店等特定POI地點及路徑規(guī)劃。新冠肺炎疫情為時滯性傳染病，GIS時空數據序列需參與“確診行動軌跡”“傳染關鍵點”比對，用以實現路徑溯源，并根據溯源結果預警特定用戶及時就醫(yī)、上報、隔離等。

（3）系統(tǒng)將根據相關法律法規(guī)與政府政策，在特定要求成立的情況下，向相關部門提交該用戶的相關信息。

（4）為用戶提供實時更新的各地區(qū)疫情熱力圖、身邊的確診病例等查詢功能，系統(tǒng)安全性亦為本項目研究重點內容，本項目組將從制度、技術等方面重點研究系統(tǒng)安全性，保證數據安全。

3.2 研究方法

3.2.1 整體結構

本系統(tǒng)用戶端采用微信小程序形式，管理端采用B/S結構進行管理，為確保數據安全性，管理端僅限于內部網絡訪問。

3.2.2 數據獲取

本系統(tǒng)綜合多種數據獲取方式：①與現有移動GIS應用合作，如健康碼、行程碼等系統(tǒng)，獲取已有數據信息；②通過流行病學調查獲取確診病例行程路徑，手動錄入本系統(tǒng)數據庫；③使用本系統(tǒng)移動端通過GPS等技術獲取位置，直接錄入本系統(tǒng)數據庫。

3.2.3 實時GIS 時空數據存儲

建立適應于疫情路徑數據的實時GIS時空數據模型：①數據接入系統(tǒng)，將獲取的路徑數據寫入數據管理系統(tǒng)中；②數據管理系統(tǒng)，按照實時GIS時空數據模型存儲和管理時空序列數據及其相互關系；③可視化系統(tǒng)通過查詢檢索，將實時數據展示在客戶端上[7]。

3.2.4 實時GIS 時空數據比對

系統(tǒng)主要數據比對功能為：①通過比對所有確診病例GIS時空數據信息，分析其相關性，建立關聯(lián)GIS數據集，為追溯確診病例感染源頭提供依據；②比對當前用戶實時GIS數據信息與數據庫中的確診病例GIS數據圖元的時間、空間、坐標等屬性，發(fā)現路徑重疊或靠近立刻向該用戶發(fā)出警告；③針對確診病例，一旦行程路徑構建成功，立刻比對所有已存非確診用戶的路徑信息，根據傳染病學相關標準確定高風險人群，進行溯源預警；④系統(tǒng)實時為用戶提供附近特定POI點路徑索引、疫情熱力圖、3D疫情圖等多種疫情可視化展示。

3.2.5 數據庫的安全性

系統(tǒng)數據中含有大量的個人信息、病例數據和地圖數據，為了保證數據的安全，采用物理隔絕策略，系統(tǒng)網絡環(huán)境基于專網搭建。普通用戶數據病例數據和地圖數據分離，進一步保證了數據的安全性。

3.3 技術路線

該系統(tǒng)采用B/S架構，以微信小程序為載體，使用GIS技術，將該系統(tǒng)以數據可視化的形式展示給用戶，對前端頁面與后臺管理進行了不同的設計。

前端頁面共分為四個模塊，如圖1所示。

圖1 前端界面

（1）地圖數據展示頁中包含疫情人數數據、密切接觸者行動軌跡、全國中高風險地區(qū)。這些數據以可視化的形式展示給用戶并實時動態(tài)更新，使用戶在第一時間接觸到有關疫情的第一手資料，對普通用戶起到防患于未然的作用。

（2）查詢功能，向用戶提供相關點位的必要地理信息。用戶可以在該界面查詢醫(yī)院、核酸監(jiān)測點以及本地中高風險地區(qū)。

（3）知識科普，主要通過推送疫情時事新聞、疫情知識，組織環(huán)保知識競賽三種方式向用戶普及環(huán)保相關知識、該模塊致力于加強使用戶掌握疫情防控知識，提高自我防護意識和能力。通過對疫情的了解，減少感染病毒的風險，避免出現恐慌情緒。

（4）個人信息頁，用戶可以修改個人的基本信息、進行體溫登記。當用戶所在地區(qū)的疫情嚴重或出現新狀況時顯示在個人信息頁，進行預警系統(tǒng)提示，提高用戶警惕性。

建立基于微信客戶端的微信小程序，創(chuàng)建可用的后臺管理，僅供管理員操作和使用，其結構如圖2所示。

圖2 后臺管理

（1）使用GIS技術對數據庫中存儲的數據進行處理，構建實時GIS序列，對全球地理環(huán)境數據進行處理分析，生成處理結果圖像；分析用戶出行數據，對用戶進行實時追蹤，并通過前端頁面進行可視化展示。

（2）數據庫用于存儲用戶信息的基本數據、知識競賽數據、疫情知識數據、GIS處理結果等信息。

（3）在用戶數據處理方面，在經過用戶授權的前提下服務器對數據庫中的用戶數據進行分析處理，向用戶提供所在地的疫情相關新聞、公告信息等。

4 總結與展望

4.1 總結

本系統(tǒng)使用GIS技術自動收集、分析和傳播信息并且通過記錄密切行動者、次密行動者軌跡進行公布以防止疫情進一步擴大。在傳染病監(jiān)控中該系統(tǒng)能自動地從不同來源收集數據、確定可信性、查閱知識庫、確定流行和提醒監(jiān)控部門傳染病的爆發(fā)。通過對感染者和疑似感染者的實時追蹤解決了普通疫情防控中存在的滯后性和延遲性問題，可以準確地記錄用戶出行路線與地點。具有現實意義的是GIS和不同技術結合對傳染病的監(jiān)控更有效，GIS、GPS和RS的結合智能機構和網絡的結合將大大加強我們對世界上出現的各種傳染病的應對能力。

雖然GIS在城市規(guī)劃中的應用日益廣泛和深入，但是在當前環(huán)境下GIS還有一定不足。它不是萬能的，不能解決所有問題，而阻礙GIS技術在國內規(guī)劃行業(yè)中應用的主要原因有：

4.1.1 數據獲取方面

本系統(tǒng)GIS技術的應用阻礙是數據的大量獲取，同時數據也恰恰限制了規(guī)劃分析的深度和內容，因此規(guī)劃前期的數據獲取極為重要[8]。

4.1.2 實際操作層面

關于GIS的操作，要有一定的編程能力與測繪能力，對地理有一定程度的認知，學習使用GIS相關的制圖軟件如Supermap，軟件功能較多，網上類似的GIS討論度相對較少碰到操作技術難度，不容易解決。軟件中所提供的數據都是練習數據，沒有太大的實際意義，這對于日后的使用是一個巨大的障礙[9]。

4.2 展望

現在的防控疫情已經常態(tài)化[10]，短時間內全球難以徹底遏制，國家正在實施的疫情防控戰(zhàn)略中，也是在一定程度上限制人群流動，防止人群聚集。本系統(tǒng)在疫情防控常態(tài)化、持久化過程中可以持續(xù)其發(fā)揮作用，借助GIS技術的獨特優(yōu)勢為疫情防御能力的建立提供了新的方向。本系統(tǒng)實現密切接觸者的快速尋找和疫情發(fā)展趨勢的可視化呈現，有期望成為疫情預警防控中的中堅力量。