基于移动通信大数据的地震灾区人口快速处理系统研究

钟德燕，郭 欣，王小龙，李 佳，吴 磊，耿 波

(重庆市地震局，四川 重庆 401147)

0 引言

地震灾害具有突发性和不可预测性，与洪水、台风等气象灾害相比，防御难度更大，除直接造成的损害外，往往还产生广泛的次生灾害[1]。为减轻地震造成的损失、减弱社会影响，迅速及时的救援工作尤为重要。作为地震应急救援的前提，如何才能提取到有效的地震灾情信息是个关键性的议题[2-5]。灾情获取的手段目前有遥感影像、12322地震专线灾情收集、地震信息员报告渠道、无人机获取[6]，但都无法实现大批量预知灾区人口的分布情况。大量震例统计资料表明，被埋压人员在震后1 h内救出的成活率可达91%，1～24 h内为81%，24～48 h内有36.7%。当破坏性地震发生后，迅速了解地震灾区人口分布情况是进行抗震救灾应急指挥和决策的关键。传统的人口数据一般是以行政单元或者公里格网为基础的统计数据，属于某个时期的静态数据，无法客观反映灾区人口空间分布特征。近年来，随着移动通信大数据应用的兴起，某些领域开始利用手机定位数据进行人口分布研究[7-8]。该研究根据移动通信网络中的用户手机定位数据来推算灾区人口分布情况，具有时效性和客观性，弥补传统方法获取人口数据在应急救援中的不足，将人口数据由静态变成动态，有利于应急救援者迅速掌握灾区人口分布情况，制定科学合理的救援对策及路线。

1 移动通信定位技术

移动通信定位是指通过特定的定位技术来获取移动手机或终端用户的位置信息(经纬度坐标)，在电子地图上标出被定位对象位置的技术或服务[9]。定位技术通常包括Cell-ID定位法、TDOA/AOA定位法、A-GPS定位法3类。Cell-ID定位精度最低，技术复杂度最低，支持室内定位，只需普通通信终端即可使用，无需额外设备改造，成本较低；TDOA/AOA定位精度高，需要对现有无线通信网络和通信终端进行改造升级；A-GPS定位精度高，技术难度大，在终端需要增加额外设备[10-12]。3种定位技术的对比如表1所示。经过综合研究比较，该研究采用Cell-ID定位法获取手机定位数据。

表1 移动通信定位技术比较Table 1 Comparison of mobile communication positioning technology

Cell-ID定位法是根据移动终端所连接的蜂窝(Cell)位置来表示用户的位置，定位精度取决于蜂窝信号的半径大小。在郊区或农村地区，单个蜂窝信号覆盖范围很大，定位精度较低；城市蜂窝信号覆盖范围通常在300 m左右，部分话务量大的地区可以小于100 m，定位精度相应更高。Cell-ID定位法定位技术实现简单，只需移动终端能够连接到无线通信网络，就可以实现用户位置定位，无需对现有通信网络进行改动，也无需在通信终端安装额外设备。该法获取数据的方式可以分成两类，主动定位法和被动定位法。该研究采用被动定位法，不需要在移动终端安装任何基站采集软件，只要移动终端在发生主被叫、收发短信、开关机、周期性位置更新(长时间没有上报位置信息时触发)、正常位置更新(在待机状态下跨越位置区时触发)时，都会产生位置信息。

2 手机定位数据收集与处理

数据隐私问题一直是阻碍移动通信定位数据大规模应用的重要原因。随着手机用户实名制的普及，用户信息的安全性成为广大手机持有者和移动运营商所关心的重要问题。考虑到手机定位数据涉及用户隐私，必须对获取的原始数据进行必要的加密处理，对于能够识别出用户信息的内容严格加密，防止用户信息外漏(见表2)。

表2 手机定位数据格式Table 2 Mobile location data format

3 系统实现

3.1 系统总体框架设计

目前的GIS软件，功能强大，模块众多。对于GISer来说，操作1个熟悉的GIS软件会得心应手，但是对于一般用户来说，1个大型的GIS软件会显得过于庞大，软件系统里的专题功能模块分布相对比较零散，无统一的专题来构建这些系统功能，从而显得比较凌乱，没有层次性。用户在使用这些软件时，不太了解，操作缓慢。特别是在地震突发事件发生后，急需一款操作简单，具有针对性的软件系统用于地震应急。

该系统的开发目标是基于ArcEngine以一种简单易行的方法，开发出一款实用性较强的地震灾区人口快速处理系统，在地震发生后，能快速为决策人员提供人口分布信息，为应急救援争取时间。该系统由菜单栏、工具栏、图层控制区、地图显示区、鹰眼视图区、状态栏6部分组成(见图1)，集图形、数字信息于一体来表示地震灾区与人口相关的空间和属性要素，为用户提供相关信息的查询、检索和必要的空间分析、查询统计以及相应的专题地图输出服务[13-14]。

图1 系统主界面Fig.1 The main interface of the system

3.2 系统主要功能的实现

3.2.1 手机定位数据可视化功能

原始的手机定位数据是excel或者csv格式，不能从空间上直观反映灾区人口分布情况。该系统在文件菜单下设立添加XY数据模块，可根据原始数据中的经纬度数据生成具有空间位置信息的矢量图层，直观展现灾区人口分布情况。

3.2.2 数据查询功能

系统可以通过属性查询和空间查询两种方式对震区相关数据进行查询。属性查询是通过对该图层感兴趣的字段进行选择，输入想要查询的内容后，地图显示区会居中高亮显示查询到的要素；空间查询是对选择的图层，按实际需求选择点、线、圆、矩形4种方式中的一种，在地图上进行框选，选择结果会高亮显示，被选要素的属性信息会同步显示在属性面板中，方便用户查看。

3.2.3 空间分析功能

缓冲区分析可识别某一地理实体或空间物体对其周围地物影响度而在其周围建立具有一定宽度的区域，确定哪些实体落在了被影响的区域范围内。地震发生后，救援力量有限，如何分配救援力量成为救援的关键。在水库、潜在地质灾害点上进行一定距离的缓冲区分析，可以帮助救援人员判断人口聚集区的危险程度指数，集中优势力量率先救出急需救援的人员。

3.2.4 专题地图渲染整饰功能

专题图渲染作为GIS领域的重要组成部分，直接影响制图的效果。该课题为实现地震灾区不同专题要素的可视化对比显示，采用简单着色、唯一值着色、依比例符号着色、质量图着色、点密度着色5种方法，依据要素的一个或者多个属性值设置不同类型的符号对专题要素进行渲染。地图的整饰在很大程度上影响最终成图的效果。良好的地图整饰可以向应急救援者提供必要的信息，提高专题地图的可读性。该系统的地图整饰包括标题、文本、图例、指北针、比例尺、格网。

4 结语

地震发生后，掌握地震现场情况是开展抗震救灾工作的关键[15]，救灾工作的核心是救人，快速了解被困人员的分布情况是一个核心环节。该研究为如何获取地震灾区人口分布情况进行探索，为破坏性地震发生后，迅速获取灾情提供方便快捷的方法。该系统基于ArcGIS Engine和Visual Studio.NET框架相结合，借助GIS技术的空间分析及可视化展示技术，实现手机定位数据可视化，与地震灾区专题信息相叠加，直观展示灾区人口分布情况及救援难易程度，为地震应急救援争取时间、提供科学决策。

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