鮑世方，王占宏(.上海公安學(xué)院，上海 0037；.上海眾恒信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司，上海 0004)

犯罪時(shí)空掃描統(tǒng)計(jì)分析研究與實(shí)踐

鮑世方1，王占宏2
(1.上海公安學(xué)院，上海 200137；2.上海眾恒信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司，上海 200042)

在時(shí)空分析方法中，時(shí)空掃描統(tǒng)計(jì)廣泛應(yīng)用于流行病的時(shí)空檢測(cè)與預(yù)警，將時(shí)空掃描統(tǒng)計(jì)方法用于城市犯罪案件時(shí)空分析，并根據(jù)犯罪案件的時(shí)空特點(diǎn)，基于GIS編寫(xiě)了犯罪時(shí)空掃描統(tǒng)計(jì)軟件，對(duì)城市犯罪進(jìn)行時(shí)空掃描統(tǒng)計(jì)。研究對(duì)上海2016年街面詐騙犯罪案件數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理和分析，發(fā)現(xiàn)犯罪案件的時(shí)空變化規(guī)律，并對(duì)當(dāng)前的聚集情況進(jìn)行了預(yù)警，為上海警方在時(shí)間和空間上合理部署警力和科學(xué)采取預(yù)防措施提供了科學(xué)依據(jù)。

犯罪時(shí)空分析； 時(shí)空掃描統(tǒng)計(jì)； 地理信息系統(tǒng)

0 引言

任何一種犯罪都是犯罪行為者在特定的時(shí)空中進(jìn)行的[1]，犯罪活動(dòng)無(wú)論是在時(shí)間上還是在空間上都具有一定的特征，對(duì)犯罪的時(shí)空特征已有很多學(xué)者開(kāi)展研究[2-6]。

一個(gè)地區(qū)的季節(jié)性特點(diǎn)，不僅對(duì)人們的生產(chǎn)活動(dòng)、生活方式有著重大的影響，而且對(duì)犯罪行為也會(huì)有重要影響，從而形成季節(jié)性規(guī)律[7]。

除了季節(jié)性規(guī)律，犯罪活動(dòng)在一天中的各個(gè)時(shí)段也有明顯的規(guī)律。“日出而作，日落而息”是常人的生活規(guī)律，而對(duì)犯罪行為者而言，其實(shí)施犯罪行為的時(shí)間選擇往往與人們正常的生活規(guī)律相反。陳鵬等人總結(jié)了搶劫、搶奪和盜竊三類(lèi)街面犯罪在一天各個(gè)時(shí)段的分布，搶劫犯罪在晨7 時(shí)至午后17 時(shí)的犯罪率較低，而在其它時(shí)段的犯罪率較高，在午夜前后達(dá)到最高，表明搶劫犯罪主要發(fā)生在夜間；搶奪犯罪在傍晚18時(shí)至午夜期間的犯罪率要高于其它時(shí)段，最高峰出現(xiàn)在20時(shí)，表明搶奪犯罪主要以前半夜為主要作案時(shí)間。

在空間上，由于城市中人口、財(cái)富、建筑等分布的不均勻性，從而對(duì)罪犯的吸引有所不同，其直接的表現(xiàn)就是城市中某些地區(qū)的犯罪率較低而有些地區(qū)的犯罪率異常偏高。Brantingham[8]指出，城市中的車(chē)站、商場(chǎng)、酒吧、體育場(chǎng)所等由于人群密集，發(fā)生人身傷害和偷竊犯罪的概率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他地區(qū)，而居民區(qū)、偏僻的街道等由于夜間人員稀少，發(fā)生搶劫和入室盜竊的犯罪幾率就會(huì)相對(duì)較高，此外，罪犯在實(shí)施犯罪過(guò)程中往往要考慮到作案后的逃逸問(wèn)題，因此交通發(fā)達(dá)的地區(qū)的犯罪率往往會(huì)高于交通不發(fā)達(dá)地區(qū)。

犯罪時(shí)空熱點(diǎn)研究可以更好地了解不同犯罪行為的時(shí)空分布特征，更好地打擊和預(yù)防犯罪。通過(guò)高發(fā)熱點(diǎn)分析，以利于公安部門(mén)精確投放和部署警力；高危熱點(diǎn)往往是和一定的空間環(huán)境有關(guān)聯(lián)，在發(fā)現(xiàn)犯罪的高危熱點(diǎn)后，可進(jìn)一步考察犯罪發(fā)生和空間環(huán)境的關(guān)系，比如犯罪與土地使用、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人口以及其他空間環(huán)境特征的關(guān)系．以幫助鑒別誘發(fā)犯罪的環(huán)境因素，通過(guò)改變環(huán)境來(lái)預(yù)防和阻止犯罪[9]；對(duì)異常熱點(diǎn)的分析與監(jiān)測(cè)則有助于對(duì)熱點(diǎn)的爆發(fā)進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)警，實(shí)現(xiàn)防患于未然。

1 研究方法

1965年，Joseph Naus[10]發(fā)表了關(guān)于掃描統(tǒng)計(jì)的經(jīng)典論文“The distribution of the size of the maximum cluster of points on the line.”，開(kāi)啟了掃描統(tǒng)計(jì)方法的研究與應(yīng)用。

掃描統(tǒng)計(jì)通過(guò)位置和大小變化的窗口沿著時(shí)間軸、空間軸或時(shí)間和空間軸對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，獲得每個(gè)位置不同大小窗口內(nèi)的事例數(shù)，并計(jì)算統(tǒng)計(jì)量，確定最有可能是集聚的窗口，并對(duì)集聚窗口的非隨機(jī)性假設(shè)進(jìn)行顯著性分析。

掃描統(tǒng)計(jì)包括三個(gè)步驟：1)確定掃描方式，即如何定義掃描窗口的位置和大??；2)計(jì)算統(tǒng)計(jì)量，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的類(lèi)型確定計(jì)算統(tǒng)計(jì)量的似然函數(shù)，計(jì)算每個(gè)窗口的統(tǒng)計(jì)量，確定最有可能是集聚的窗口(一個(gè)或多個(gè))；3)對(duì)集聚窗口的非隨機(jī)性假設(shè)進(jìn)行顯著性分析。

1.1 確定掃描方式

對(duì)單純的時(shí)間掃描，掃描窗口是一個(gè)起始點(diǎn)為t,寬為時(shí)間間隔w的窗口,記為:[t,t+w],其中,t均w可變，即窗口的位置與窗寬處于動(dòng)態(tài)變化之中。在研究時(shí)間范圍[TS,TE]內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)，從而探測(cè)出集聚存在的時(shí)間段。例如，規(guī)定最小掃描步長(zhǎng)是天, 從T2時(shí)刻點(diǎn)開(kāi)始掃描，最大掃描時(shí)間，即掃描窗框的最大寬度為T(mén)E-T2+1時(shí)，第一次掃描w=1天，第二次掃描w=2天，第三次掃描w=3天，以此類(lèi)推，直到t+w=TE為止。

對(duì)單純的空間掃描，掃描窗口通常為圓形窗口。其圓心，即窗位，在(x,y)，半徑r，視為窗寬。整個(gè)窗口記為：[(x,y),r]。(x,y)和r是可變的，代表窗口在研究區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，從而探測(cè)出集聚存在的空間區(qū)域。例如，從以(x,y)為中心的區(qū)域ID開(kāi)始掃描，空間掃描步長(zhǎng)為500米時(shí)，第一次掃描r=500米，第二次掃描r=1 000米，第三次掃描r=1 500米，以此類(lèi)推，直到達(dá)到事先設(shè)置的最大掃描半徑為止。

對(duì)時(shí)空掃描，掃描窗口是一個(gè)圓柱或橢圓柱。首先，需要隨機(jī)地在研究區(qū)域內(nèi)選擇一個(gè)空間點(diǎn)作為圓柱體掃描窗口底面的中心；然后,逐漸增加掃描窗口圓柱體的底面半徑及其高,圓柱體的底面積不斷變化即對(duì)應(yīng)掃描窗口所覆蓋的地理區(qū)域變化,圓柱的高也不斷變化即對(duì)應(yīng)時(shí)間片段的長(zhǎng)度的變化,直到達(dá)到預(yù)先設(shè)定的掃描窗口最大的空間和時(shí)間上限，圓柱體掃描窗口在研究區(qū)范圍內(nèi)的所有位置都重復(fù)相同的掃描過(guò)程。

2.2 計(jì)算統(tǒng)計(jì)量

根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的類(lèi)型確定計(jì)算統(tǒng)計(jì)量的似然函數(shù)，計(jì)算每個(gè)窗口的統(tǒng)計(jì)量。似然函數(shù)值反映該窗口為集聚的可能性，似然函數(shù)值最大的窗口表示最有可能是集聚。

一個(gè)區(qū)域是否是集聚除了和區(qū)域內(nèi)事件數(shù)與期望值的比值有關(guān)，還和其它因素有關(guān)，因此，掃描統(tǒng)計(jì)的關(guān)鍵是確定用于計(jì)算一個(gè)區(qū)域?qū)儆诩鄣母怕屎瘮?shù)(模型)。

針對(duì)不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)及分析內(nèi)容，目前有很多空間掃描統(tǒng)計(jì)的概率模型，其中，最常用的是泊松分布模型(poisson mode1) (即事例發(fā)生的地點(diǎn)和時(shí)間完全是隨機(jī)的)，是針對(duì)離散型的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)，如不同地點(diǎn)的犯罪數(shù)，用對(duì)數(shù)似然比(log likelihood ratio，LLR)表示，計(jì)算為式(1)[11]。

(1)

式中，c為窗口內(nèi)的事例數(shù)，C為研究區(qū)域總的事例數(shù)，C-c為窗口外的事例數(shù)，μ為基于無(wú)效假設(shè)的窗口內(nèi)預(yù)期事例數(shù)。

2.3 集聚區(qū)域的置信度分析

在掃描統(tǒng)計(jì)中，一般要求隨機(jī)數(shù)據(jù)集的個(gè)數(shù)不少于999個(gè)，對(duì)數(shù)據(jù)量較小的數(shù)據(jù)集，推薦9 999個(gè)，這樣能更好地避免產(chǎn)生假的集聚。

在具體實(shí)施過(guò)程，不一定每次都產(chǎn)生所有隨機(jī)數(shù)據(jù)集，可以設(shè)置一個(gè)閾值，如5%，當(dāng)真實(shí)數(shù)據(jù)集的LLR和已產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)據(jù)集的最大LLR相比，已超過(guò)這個(gè)閾值，可以終止程序的運(yùn)行。

另外，還可以通過(guò)Gumbel極值分布來(lái)估計(jì)p值，該方法得到的p值沒(méi)有下限(但大于0)。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)源選擇

本文選擇上海作為研究區(qū)域。由于上海行政區(qū)劃圖形狀上的特殊性以及崇明縣的犯罪案事件比較少，為了在地圖上更清晰地展現(xiàn)犯罪時(shí)空聚集情況，所以本文選取局部區(qū)域作為結(jié)果顯示區(qū)域，如圖1所示。

本研究的案事件數(shù)據(jù)來(lái)自110報(bào)警系統(tǒng)。通過(guò)數(shù)據(jù)抽取、清洗、加載過(guò)程，獲取2016年1月1日—9月16日的街面詐騙670件，這些數(shù)據(jù)都具有精確的空間地理坐標(biāo)和實(shí)際發(fā)案時(shí)間。

3.2 數(shù)據(jù)處理及計(jì)算流程

本文在時(shí)空掃描統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用GIS的空間選擇和空間權(quán)重矩陣，對(duì)原始案件數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理，從而提高了計(jì)算效率，理論值采用指數(shù)權(quán)重移動(dòng)平均的方法代替，空間統(tǒng)計(jì)單元采用邊長(zhǎng)為2 km的正六邊形，詳細(xì)的處理和計(jì)算流程，如圖2所示。

4 犯罪聚集性轉(zhuǎn)移和預(yù)警結(jié)果分析

利用Crime Scan模型對(duì)路面詐騙案事件數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)用ArcGIS地圖展現(xiàn)技術(shù)展現(xiàn)這類(lèi)案事件的時(shí)空聚集性轉(zhuǎn)移規(guī)律以及當(dāng)前的聚集預(yù)警情況。

(一) 犯罪時(shí)空聚集性轉(zhuǎn)移規(guī)律分析

采用回顧性時(shí)空分析，掌握路面詐騙案事件的聚集性轉(zhuǎn)移規(guī)律。如圖3所示。

圖1 研究區(qū)域

圖2 數(shù)據(jù)處理和計(jì)算流程圖

根據(jù)圖1路面詐騙案事件時(shí)空聚集轉(zhuǎn)移圖可以看出，路面詐騙犯罪案事件2月份中旬主要聚集在松江區(qū)的新橋派出所和閔行區(qū)的馬橋派出所交界區(qū)域，3月底4月初高發(fā)于楊浦區(qū)的五角場(chǎng)派出所和滬東高校派出所附近區(qū)域；4月下旬主要聚集在浦東新區(qū)的花木派出所和世紀(jì)廣場(chǎng)派出所管轄交界區(qū)域；4月份5月初主要聚集于閔行區(qū)的莘光派出所管轄區(qū)域；5月底6月初高發(fā)聚集區(qū)域轉(zhuǎn)移到閔行區(qū)的七寶派出所管轄區(qū)域；7月初聚集在普陀區(qū)、閘北區(qū)和虹口區(qū)三區(qū)交界區(qū)域； 8月底主要聚集在徐匯區(qū)的長(zhǎng)橋新村派出所及周?chē)鷧^(qū)域。

(二) 犯罪時(shí)空聚集性預(yù)警分析

通過(guò)CrimeScan模型對(duì)路面詐騙案事件分別進(jìn)行犯罪時(shí)空聚集性預(yù)警分析。預(yù)警分析圖如圖4。

圖3 路面詐騙類(lèi)案事件

圖4 路面詐騙類(lèi)案事件

根據(jù)圖4路面詐騙案事件時(shí)空聚集預(yù)警圖可以看出，預(yù)警區(qū)域主要發(fā)生在徐匯區(qū)的田林新村派出所、康健新村派出所、漕河涇派出所、龍華派出所、長(zhǎng)橋新村派出所和上海南站治安派出所。

5 總結(jié)

本文將時(shí)空掃描統(tǒng)計(jì)方法用于城市犯罪案件時(shí)空分析，并根據(jù)犯罪案件的時(shí)空特點(diǎn)，采用指數(shù)權(quán)重移動(dòng)平均、GIS的一些空間分析功能對(duì)時(shí)空掃描統(tǒng)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，經(jīng)過(guò)對(duì)上海2016年街面詐騙犯罪案件的實(shí)踐，證明其更能適應(yīng)城市犯罪的時(shí)空分析，分析結(jié)果為上海警方在時(shí)間和空間上合理部署警力和科學(xué)采取預(yù)防措施提供了科學(xué)依據(jù)。該方法對(duì)其他具有類(lèi)似特征事件的時(shí)空分析也具有借鑒意義。

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ResearchandPracticeofCrimeSpatial-TemporalScanStatisticsMethodology

Bao Shifang1, Wang Zhanhong2
(1. Shanghai Police College, Shanghai 200137； 2. Shanghai Triman Information & Technology Co.,Ltd, Shanghai 200040)

In the spatial-temporal analysis method, the spatial-temporal scan statistics are widely used For the epidemic detecting and warning. In this paper, spatial-temporal scan statistics is used to analyze city crime, and according to the characteristics of the crime, we develop a crime spatial-temporal scan statistics software based on GIS. It can be used in spatial-temporal analysis of city crime. In this study, Through the processing and analyzing of the data of the Shanghai street crime cases in 2016 process and analyze found the temporal and spatial variation of crimes，and give the current situation of aggregation warning. It provides the Shanghai police with a scientific base for reasonable police deployment in time and space and preventive measures.

Crime spatial-temporal analysis; Spatial-temporal scan statistics; GIS

TG409

A

2017.09.03)

鮑世方(1960-)，男，講師，理學(xué)學(xué)士，研究方向：公安信息系統(tǒng)研發(fā)，公安數(shù)據(jù)分析，公安信息化教學(xué)。

王占宏(1975-)，男，高工，博士，研究方向：公安信息系統(tǒng)研發(fā)與管理，公安數(shù)據(jù)分析，警用GIS等。

1007-757X(2017)10-0063-04