案事件数据可视化研判平台的构建与应用展望

石 屹，彭斯璐，解鹏达，孟祥 超，李文海，赵前胜，王明直,*

（1.公安部物证鉴定中心，北京 100038；2.武汉大学，武汉430072）

伴随我国社会信息化建设进程的不断深入，现场勘查呈现出获取途径多源化、信息形式多样化和关联途径多元化等特征。在现有证据链条应用模式下，以部分关键证据证明犯罪事实和定罪量刑依据面临着严峻挑战。新刑诉法的出台和社会主义法治中国建设的持续推进，证据裁判、庭审质证、疑罪从无等原则逐步深化，使得可疑证据排除规则和专家证人制度逐步强化，而由之产生的客观证据体系化需求对现有证据链的质量和内容提出了更高的标准。作为刑事科学技术工作的重要内容，（刑事案件）现场勘查内容包括在案件发生的时空场所 对与犯罪相关痕迹和物品等物证进行采集、固定和提取等法律行为[1]。从信息处理范畴上看，现场勘查既需要处理实地勘查和调查走访产生的现场数据，同时也需要纳入现场物证所关联的涉案人员信息和物品来源信息。在以真实世界与虚拟世界广泛交织、人财物快速大跨度流动为显著特征的信息化时代，新型犯罪，尤其是涉网涉暴的重大案件侦办受到高质量证据链要求和复杂的取证现状的双重挑战。现场勘查水平的提升不仅需要引入先进的现场信息采集技术，需要在现场分析重建这一重要环节上有效发掘物证之间、物与人之间的确定关系，同时也需要通过增量方式构建案情视图，对物证及其关系进行全息刻画，从而使得针对案件性质、作案动机、作案方式和作案过程的分析能够有证据支撑。

本文从机理构建、系统设计和关键技术等方面论述研判分析平台核心设计方案，以期为增量构建案事件全息视图提供一种高效的和可供尝试的途径。首先给出案事件要素关联核心机理，然后给出系统的总体框架及其功能设计，在深入分析系统的关联技术和设计方案的基础上给出系统的设计成果展示。

1 相关工作概述

随着地理信息技术和计算机图形学技术的发展，时空可视化受到国内外现场调查应用的广泛关注。供职于美国军队和FBI 40年的Thurman在其论著[2]中以爆炸案件为例给出了检验、分析、比对、跟踪和事件重建在爆炸现场勘验时的核心观测特征。其中图像对象的损坏特征可用于炸源信息仿真，并参照损坏物所在的位置调整炸源假设。有学者在飞机爆炸研判应用中根据Thurman的假设给出了三维动力学数字仿真和可视化结果，并将仿真结果与现场图像进行比对，用以验证给定假设条件下仿真结果和真实结果的匹配度[3]。新近研究中，通过引入三维重建[4]对其他恶性案件，如枪击和燃烧等，进行案情相关核心要素的假设检验[5]，部分关键要素可以在三维重建场景上呈现。犯罪现场图绘制方面，在欧盟第七框架计划（7th Framework Programme）的支持下，德国研究人员持续致力于犯罪现场重建分析模拟系统研发[6]，采用图像和激光技术对现场进行重建。美国的部分高校，如北卡罗莱纳大学在NSF的资助下初步建成了IC-crime系统用于案情分析和模拟[7]。

国内公安机关近年来也对现场重建较为重视，文献[8]对现场重建的技术发展和应用现状进行了综述。有研究[9]通过引入增强现实技术在犯罪现场立体绘图中进行模型绘制，通过Unity3D和EasyAR等工具进行增强现实应用。类似研究表明：关键问题是如何利用虚拟现实和增强现实技术、基于现场勘查的要素信息尽量真实地还原和突出与案件研判密切相关的线索[10]。上述技术的初步尝试为关键物证的实战应用给出了可供借鉴的思路。然而现场勘验信息的应用[11]和指挥[12]并非流水线式的，伴随新要素的发现及其关联关系的研判推进，针对要素和新发现的物证或线索需要基于关联关系进行迭代溯源[13]或补勘。此外，最终的要素勘查结果[14]及其关联关系[15]需要以证据或证据链方式呈现于司法部门面前，以满足司法进程逐步推进过程中证据质量不断提升的需求[16]。在此背景下，现场勘查被赋予了更多职能，也面临着更多的、涵盖场景全要素研判技术及其交互手段[16]的挑战。近年来的研究显示：封闭空间[17]和室外空旷空间[18]可采用不同技术手段[19]对现场进行还原。一些系统级的尝试[20-21]也表明：实战应当考虑效率问题，合理引入技术手段[22-23]构建系统平台[24]，在重建精度和重建时间周期上做较好的折中，以快速有效地实现现场还原和证据研判。

2 关联模型设计

本章以全息视图下全要素关联为目标，基于勘验业务和时空特征对要素之间的关系进行论述。

2.1 现场要素类别

现场勘查涵盖的要素种类众多，勘查业务不仅包含侦查人员为查明犯罪事实，收集犯罪证据，揭露证实犯罪人，依法对与犯罪有关的人和事以及场所、物品、人身、尸体等所进行的现场访问和勘验检查工作，还包含对事主、被害人及其他人员依法所执行的调查和访问过程。一般而言，侦破过程涉及四类核心要素：现场痕迹包含现场提取的手印、脚印、工痕、斑迹和生物物证等信息，可以通过检验与涉案人员及涉案物品关联；涉案物品为现场发现的犯罪过程中留下的犯罪工具及犯罪现场各种造痕体，同时也包含痕迹所附着的承痕体；尸体尸块为命案现场发现的死亡人员尸体或残骸，在勘查过程中随发现位置、姿势、衣着、携带物品和血迹分布等要素一并提取；涉案人可以是涉案嫌疑人或侦办相关的被调查对象，也可以是可能与案情发展相关的个体。

除上述四类与案情发展密切相关的过程性现场实体要素，可将媒介信息（如现场录音或监控视频）和电子物证（如基站、GPS和Wi-Fi）等现场佐证归属于独立类别。案事件可以有多个现场，形成对所有六类涉案要素的两级划分。从所属层级看，尸体尸块、电子物证和现场痕迹从属于其所在现场；其他三类要素可以跨现场，因而属于某个案事件。

2.2 要素数据关联逻辑

勘查活动首先是在统一指挥下完成对现场痕迹物品的收集和提取，然后由刑事技术人员基于痕迹物证所附着的承痕体对痕迹形成方式进行要素级别的研判。痕迹的外表特征、其所承载时间信息、承痕体所处位置，能够支撑痕迹要素形成机理的初步判定；痕迹检验结果及其与现场物品之间的附着关系可支撑涉案人与死者之间的关联关系。图1自内而外、从上到下给出了现场痕迹衍生信息的关联逻辑。应当指出，该过程可以是迭代式的，即伴随基础条件的不断明晰，承痕体、造痕体（及其涉案人）与形成方式的论断彼此支撑。

图1中承痕体和造痕体对应物品信息可以通过溯源或成分检验形成另一条关键关联路径。如图2所示，以涉案物品为中心可直接得到其基本特征并通过调查得到物主信息。在物品与痕迹的附着关系和物品发现的空间位置指引下可以对物品在案件中的关系进行初步推断。随着对物品及其附着物的成分检验和对物品来源的调查深入开展，以物品为中心的关联可以回路形式支撑案件关系判定，也可以通过承/造痕体与痕迹进行迭代证据支撑。

2.3 要素时空一体化关联展示

上述要素数据关联逻辑也给出了诸涉案要素的关联途径，而增量完善关联关系需要考虑不同类型物证在现场中的时空关系。考虑不同层级的现场重建精度需求，可在不同关联层级上引入不同现场重建技术，力求在统一时空尺度下保障时空关联的适应性。

如图3所示，基于时空一体化的现场勘查可视化首先需采用统一坐标系统描述四层可视化对象：采用统一空间坐标系统构建影像瓦片编码，通过球面坐标控制影像栅格展示，以满足街道级精度的现场勘查；对现场重建的模型数据进行参考位置定义，实现OSGB格式的三维现场重建模型与影像底图的空间叠加；对于现场勘查中涉及的物品要素，通过手工制作或激光点云扫描建模形成gltf格式的单体模型，进而在影像底图或重建模型上标定单体模型的位置实现模型的统一空间表达；现场要素以符号形式附着于物品上形成现勘符号，采用碰撞检测技术获取标定点的经纬度和高程信息。基于统一经纬度标定，四个层次的可视化对象以逐层叠加的方式进行统一表达、实现一体化空间展示。

通过定义统一的时间尺度，可以控制对象轨迹、以实现基于轨迹数据驱动的运动过程展示，并通过动力学场渲染实现物理场模型的动态展示。在统一时间基准下，案事件发生的任意阶段可基于时间切片方法提取一定时间范围内的涉案对象及其空间位置，以实现时间切片下的空间位置提取和展示。与此同时，给定案事件或单个场景，也可以获取其所包含的涉案对象的时空信息，完成现场勘查给定层级下的时空信息提取和关联。

3 案事件数据可视化研判平台设计及实现

平台以统一时空表达为基础，以可视化为交互手段，为不同层次的现场要素提供统一的数据模型管理接口和渐进式的研判分析手段。

3.1 总体框架

平台基于《公安机关刑事案件现场勘验检查规则》定义核心要素，采取分层架构、功能复用思想设计，自下而上分别提供数据访问、服务支撑、应用封装和用户视图，如图4所示。

用户层和应用层提供信息要素录入功能和调查检验数据管理功能，并以渐进式目标关联研判和全息视图呈现为目标构建顶层应用系统。应用层提供现勘、检验和调查信息的录入，最终的研判成果由可视化服务进行关联交互，在要素、情景和案件三个层次上实现仿真验证和场景概览。

支撑层首先构建不同类型案件的研判模型，在案件阶段划分和要素关联途径上对不同案件的关键环节进行定义。分析研判过程中，对各类要素及其相关信息数据进行辐射状的关联管理。经过符号化后进入可视化调度模块中，平台支持各类要素的位置标定和单体模型的轨迹或场模型标注。符号化要素及轨迹或场景模型可以在三维渲染平台上统一展示。

数据层负责维护不同类型的数据库，涵盖基础的现场要素与外源数据，以及用于分析研判和可视化的现场数据和模型数据。针对2.2和2.3节中两类关联模式，数据库分别以三元组和时空关系记录要素之间的关联关系，维护了业务关联和时空关联信息。

3.2 方案设计

平台采用并行技术路线，目标分析研判通过服务方式在后台进行逻辑控制，基于数据共享保障分析研判和可视化系统的数据视图一致。

采用类型编码方式实现不同案件中要素关联的阶段划分，定义不同案事件分阶段的关联集。通过在各个阶段内定义步骤，每个案事件的业务关联关系可以大致按照时间序列方式进行研判和呈现。通过“阶段→步骤→关联关系”的形式为关联关系赋予时间含义、形成基于统一时间划分的证据链。

应用中的物证和痕迹要素可在可视化平台上标注得到空间位置；这些现场要素与涉案人的关联关系通过上述阶段研判划分得到时序。系统可在案情研判和要素标定过程中自动生成案件中涉案人的行为时间序列，从而为基于案情的推演和研判提供数据驱动来源。

通过动力学参数驱动的动力学包调度，可以驱动单体模型以轨迹方式或动力学场方式对机理性数据进行动态三维呈现。如图4所示，基于案件知识库，平台在指定案件类型下提取元数据目录，调用相应的动力学模型给可视化调度层，后者基于模型的范围和时态切换信息驱动动力学模型的呈现。

3.3 特色功能模块

平台基于现勘业务流程驱动可视化和分析研判，在研判逻辑、场数据调度和服务方式上给出了较具特色的设计。

3.3.1 重大案事件重建研判逻辑

平台将案事件研判路线划分为七条主线：施害人员、作案原因与动机、作案工具、受害人员、作案地点、作案时间、犯罪行为。其中，作案工具、受害人员、作案地点、作案时间通过现场勘查被用于推导和验证其他三个方面。平台将不同主线的研判流程映射到上文给出的统一时间序列上。每个现场要素与涉案人发生关联时均在研判时被赋予到一个阶段。通过迭代更新关联关系，并在可视化阶段监测关联的完整性可保障研判准确性和完整性。

3.3.2 动态场模型统一调度

场模型可以是爆炸案件中的冲击波、燃烧案件中的烟火，也可以是砍击等行为动态模型。平台通过点云数据的分层栅格化兼容主流仿真软件的输出，并对每个时刻的点云数据场进行分层栅格化、实现动态场模型的统一表达。给定任意时刻，点云场数据被映射到一定数量的层次上，每层点云数据按照栅格方式逐像素得到颜色和通道信息。平台逐时刻、逐层控制每个栅格的可见性和拉伸参数，实现其在一定范围内的动态呈现。

3.3.3 交互式研判呈现方式

基于数据库共享，研判专家可以在研判过程中切换到可视化平台，对焦点要素的相对空间位置关系进行量测和推理。对于可视化分析过程中的结论性信息可以通过可视化平台进行补录，并能够在研判平台中以概览方式看到可视化分析的成果。图4应用层给出了平台在要素、情景和案件三个层面的交互主线。在其中任意层级、任意对象的研判上，专家可以在两个视图上获得阶段性的研判和分析成果，支撑在统一数据视图上的多视角操控。

4 关键技术分析

通过在可视化和时序证据链设计上构建驱动策略，平台力图为勘查专家提供时空一体化视图和渐进式的研判分析支撑。

4.1 时空一体化全息视图呈现

通过统一坐标系统实现现场全要素的空间一体化呈现，并在此基础上实现基于关联关系的空间推演。

4.1.1 现勘要素空间一体化呈现

如图5所示，采用7参数方式[17,19]驱动现场要素的展示。其中三维重建和单体模型的集成重点引入经度、纬度、高程、缩放尺度、水平旋转、径向旋转和垂直旋转7个参数实现空间对准。要素的符号标注以分类方式完成要素呈现，其中每个要素所属类别对应一种符号，基于用户标注的碰撞检测得到符号所在的三维位置，进而实现现场要素与其他地理要素的一体化呈现。

4.1.2 基于关联关系的空间推演

以＜源, 类型, 目标＞方式定义关联关系三元组。给定任意要素作为输入，平台在控制层提取所有与输入相关的三元组源或目标信息。基于三元组的类型字段上的源和目标的来源，平台依次获取不同类型的要素，完成对关联要素的提取。关联关系的空间信息可在源或目标的空间标定库中得到，通过标定信息中包含的符号信息对关联得到的现场要素进行空间呈现。空间视图在焦点对象发生改变时完成切换，完成基于关联关系的空间推演。

4.2 重大案事件渐进式研判

渐进式研判特别针对要素众多、关联关系复杂的恶性案事件。这类案事件周期长、参与人员构成和作案过程复杂，需要迭代式的更新和补全要素。

4.2.1 以嫌疑人为中心的情景研判

平台在勘验信息部分录入后定义情景概念，其嫌疑人可以为虚拟对象个体。伴随物证检验过程的深入，嫌疑人可通过痕迹物证的同一性鉴定结果进行合并或新增。基于此，以嫌疑人为中心的研判和补勘能够参照部分确立的关联关系有序执行。所有物证以嫌疑人为中心有助于指挥人员从案情视图上快速定位重点嫌疑人的重点物证，从而有利于有效指挥侦破。

4.2.2 多证据链时序交叉映射

多个作案人员参与的重大案事件中，各自构建嫌疑人的物证主线将使得物证关系错综复杂、不利于案情分析和成果应用。基于3.2节给出的、针对不同类型案事件的阶段和实施步骤的划分，平台支持基于时间序列的证据链映射。

该方法的基本工作思路在于：通过对不同嫌疑人的不同关联要素进行阶段研判，将不同嫌疑人及其关联要素按照统一的阶段和实施步骤划分映射到一维时间序列上。该方法可以简化证据链的关联关系，同时也基于时间临近的要素所在的空间关系对证据链的关联判定进行检验。更为重要是，在同一阶段划分下，研判专家可以聚焦于阶段或实施步骤内的物证，有助于对不同嫌疑人的涉案情节进行深度分析和研判。

4.2.3 多情景研判分析

对于案事件的多情景研判分析，平台通过关联关系将嫌疑人的所有相关要素置于一条主线上来实现。首先是将案事件按照情景类型分割成多个构成阶段，再通过将多个情景映射在同一时间轴上，进而实现要素研判、情景研判和案件研判。

5 结论与展望

现场勘验数据可视化展示与目标关联分析研判分析平台的研发和初步应用为现场数据的应用开辟了新路径。本文从平台的总体框架、功能模块、关联模式和方案设计等方面介绍了研发阶段性成果。

研发过程中也凸显出一些潜在的问题：现场要素的获取和处理以传统非格式化数据为主，未能发挥格式化数据自动化处理的优势；以目标为主体的案事件重建与场景可视化贴合度较低。实战和迭代优化中，需要梳理系统数据格式，优化系统数据采集流程，深入研究数据多维信息在系统的自动化关联技术，为现场勘验数据的可视化动态展示与智能研判奠定基础。