鐘德燕，郭 欣，王小龍，李 佳，吳 磊，耿 波

(重慶市地震局，四川 重慶 401147)

0 引言

地震災(zāi)害具有突發(fā)性和不可預(yù)測性，與洪水、臺風(fēng)等氣象災(zāi)害相比，防御難度更大，除直接造成的損害外，往往還產(chǎn)生廣泛的次生災(zāi)害[1]。為減輕地震造成的損失、減弱社會影響，迅速及時(shí)的救援工作尤為重要。作為地震應(yīng)急救援的前提，如何才能提取到有效的地震災(zāi)情信息是個(gè)關(guān)鍵性的議題[2-5]。災(zāi)情獲取的手段目前有遙感影像、12322地震專線災(zāi)情收集、地震信息員報(bào)告渠道、無人機(jī)獲取[6]，但都無法實(shí)現(xiàn)大批量預(yù)知災(zāi)區(qū)人口的分布情況。大量震例統(tǒng)計(jì)資料表明，被埋壓人員在震后1 h內(nèi)救出的成活率可達(dá)91%，1～24 h內(nèi)為81%，24～48 h內(nèi)有36.7%。當(dāng)破壞性地震發(fā)生后，迅速了解地震災(zāi)區(qū)人口分布情況是進(jìn)行抗震救災(zāi)應(yīng)急指揮和決策的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的人口數(shù)據(jù)一般是以行政單元或者公里格網(wǎng)為基礎(chǔ)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，屬于某個(gè)時(shí)期的靜態(tài)數(shù)據(jù)，無法客觀反映災(zāi)區(qū)人口空間分布特征。近年來，隨著移動通信大數(shù)據(jù)應(yīng)用的興起，某些領(lǐng)域開始利用手機(jī)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行人口分布研究[7-8]。該研究根據(jù)移動通信網(wǎng)絡(luò)中的用戶手機(jī)定位數(shù)據(jù)來推算災(zāi)區(qū)人口分布情況，具有時(shí)效性和客觀性，彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法獲取人口數(shù)據(jù)在應(yīng)急救援中的不足，將人口數(shù)據(jù)由靜態(tài)變成動態(tài)，有利于應(yīng)急救援者迅速掌握災(zāi)區(qū)人口分布情況，制定科學(xué)合理的救援對策及路線。

1 移動通信定位技術(shù)

移動通信定位是指通過特定的定位技術(shù)來獲取移動手機(jī)或終端用戶的位置信息(經(jīng)緯度坐標(biāo))，在電子地圖上標(biāo)出被定位對象位置的技術(shù)或服務(wù)[9]。定位技術(shù)通常包括Cell-ID定位法、TDOA/AOA定位法、A-GPS定位法3類。Cell-ID定位精度最低，技術(shù)復(fù)雜度最低，支持室內(nèi)定位，只需普通通信終端即可使用，無需額外設(shè)備改造，成本較低；TDOA/AOA定位精度高，需要對現(xiàn)有無線通信網(wǎng)絡(luò)和通信終端進(jìn)行改造升級；A-GPS定位精度高，技術(shù)難度大，在終端需要增加額外設(shè)備[10-12]。3種定位技術(shù)的對比如表1所示。經(jīng)過綜合研究比較，該研究采用Cell-ID定位法獲取手機(jī)定位數(shù)據(jù)。

表1 移動通信定位技術(shù)比較Table 1 Comparison of mobile communication positioning technology

Cell-ID定位法是根據(jù)移動終端所連接的蜂窩(Cell)位置來表示用戶的位置，定位精度取決于蜂窩信號的半徑大小。在郊區(qū)或農(nóng)村地區(qū)，單個(gè)蜂窩信號覆蓋范圍很大，定位精度較低；城市蜂窩信號覆蓋范圍通常在300 m左右，部分話務(wù)量大的地區(qū)可以小于100 m，定位精度相應(yīng)更高。Cell-ID定位法定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡單，只需移動終端能夠連接到無線通信網(wǎng)絡(luò)，就可以實(shí)現(xiàn)用戶位置定位，無需對現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改動，也無需在通信終端安裝額外設(shè)備。該法獲取數(shù)據(jù)的方式可以分成兩類，主動定位法和被動定位法。該研究采用被動定位法，不需要在移動終端安裝任何基站采集軟件，只要移動終端在發(fā)生主被叫、收發(fā)短信、開關(guān)機(jī)、周期性位置更新(長時(shí)間沒有上報(bào)位置信息時(shí)觸發(fā))、正常位置更新(在待機(jī)狀態(tài)下跨越位置區(qū)時(shí)觸發(fā))時(shí)，都會產(chǎn)生位置信息。

2 手機(jī)定位數(shù)據(jù)收集與處理

數(shù)據(jù)隱私問題一直是阻礙移動通信定位數(shù)據(jù)大規(guī)模應(yīng)用的重要原因。隨著手機(jī)用戶實(shí)名制的普及，用戶信息的安全性成為廣大手機(jī)持有者和移動運(yùn)營商所關(guān)心的重要問題?？紤]到手機(jī)定位數(shù)據(jù)涉及用戶隱私，必須對獲取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的加密處理，對于能夠識別出用戶信息的內(nèi)容嚴(yán)格加密，防止用戶信息外漏(見表2)。

表2 手機(jī)定位數(shù)據(jù)格式Table 2 Mobile location data format

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

目前的GIS軟件，功能強(qiáng)大，模塊眾多。對于GISer來說，操作1個(gè)熟悉的GIS軟件會得心應(yīng)手，但是對于一般用戶來說，1個(gè)大型的GIS軟件會顯得過于龐大，軟件系統(tǒng)里的專題功能模塊分布相對比較零散，無統(tǒng)一的專題來構(gòu)建這些系統(tǒng)功能，從而顯得比較凌亂，沒有層次性。用戶在使用這些軟件時(shí)，不太了解，操作緩慢。特別是在地震突發(fā)事件發(fā)生后，急需一款操作簡單，具有針對性的軟件系統(tǒng)用于地震應(yīng)急。

該系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)是基于ArcEngine以一種簡單易行的方法，開發(fā)出一款實(shí)用性較強(qiáng)的地震災(zāi)區(qū)人口快速處理系統(tǒng)，在地震發(fā)生后，能快速為決策人員提供人口分布信息，為應(yīng)急救援爭取時(shí)間。該系統(tǒng)由菜單欄、工具欄、圖層控制區(qū)、地圖顯示區(qū)、鷹眼視圖區(qū)、狀態(tài)欄6部分組成(見圖1)，集圖形、數(shù)字信息于一體來表示地震災(zāi)區(qū)與人口相關(guān)的空間和屬性要素，為用戶提供相關(guān)信息的查詢、檢索和必要的空間分析、查詢統(tǒng)計(jì)以及相應(yīng)的專題地圖輸出服務(wù)[13-14]。

圖1 系統(tǒng)主界面Fig.1 The main interface of the system

3.2 系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn)

3.2.1 手機(jī)定位數(shù)據(jù)可視化功能

原始的手機(jī)定位數(shù)據(jù)是excel或者csv格式，不能從空間上直觀反映災(zāi)區(qū)人口分布情況。該系統(tǒng)在文件菜單下設(shè)立添加XY數(shù)據(jù)模塊，可根據(jù)原始數(shù)據(jù)中的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)生成具有空間位置信息的矢量圖層，直觀展現(xiàn)災(zāi)區(qū)人口分布情況。

3.2.2 數(shù)據(jù)查詢功能

系統(tǒng)可以通過屬性查詢和空間查詢兩種方式對震區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。屬性查詢是通過對該圖層感興趣的字段進(jìn)行選擇，輸入想要查詢的內(nèi)容后，地圖顯示區(qū)會居中高亮顯示查詢到的要素；空間查詢是對選擇的圖層，按實(shí)際需求選擇點(diǎn)、線、圓、矩形4種方式中的一種，在地圖上進(jìn)行框選，選擇結(jié)果會高亮顯示，被選要素的屬性信息會同步顯示在屬性面板中，方便用戶查看。

3.2.3 空間分析功能

緩沖區(qū)分析可識別某一地理實(shí)體或空間物體對其周圍地物影響度而在其周圍建立具有一定寬度的區(qū)域，確定哪些實(shí)體落在了被影響的區(qū)域范圍內(nèi)。地震發(fā)生后，救援力量有限，如何分配救援力量成為救援的關(guān)鍵。在水庫、潛在地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)上進(jìn)行一定距離的緩沖區(qū)分析，可以幫助救援人員判斷人口聚集區(qū)的危險(xiǎn)程度指數(shù)，集中優(yōu)勢力量率先救出急需救援的人員。

3.2.4 專題地圖渲染整飾功能

專題圖渲染作為GIS領(lǐng)域的重要組成部分，直接影響制圖的效果。該課題為實(shí)現(xiàn)地震災(zāi)區(qū)不同專題要素的可視化對比顯示，采用簡單著色、唯一值著色、依比例符號著色、質(zhì)量圖著色、點(diǎn)密度著色5種方法，依據(jù)要素的一個(gè)或者多個(gè)屬性值設(shè)置不同類型的符號對專題要素進(jìn)行渲染。地圖的整飾在很大程度上影響最終成圖的效果。良好的地圖整飾可以向應(yīng)急救援者提供必要的信息，提高專題地圖的可讀性。該系統(tǒng)的地圖整飾包括標(biāo)題、文本、圖例、指北針、比例尺、格網(wǎng)。

4 結(jié)語

地震發(fā)生后，掌握地震現(xiàn)場情況是開展抗震救災(zāi)工作的關(guān)鍵[15]，救災(zāi)工作的核心是救人，快速了解被困人員的分布情況是一個(gè)核心環(huán)節(jié)。該研究為如何獲取地震災(zāi)區(qū)人口分布情況進(jìn)行探索，為破壞性地震發(fā)生后，迅速獲取災(zāi)情提供方便快捷的方法。該系統(tǒng)基于ArcGIS Engine和Visual Studio.NET框架相結(jié)合，借助GIS技術(shù)的空間分析及可視化展示技術(shù)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)定位數(shù)據(jù)可視化，與地震災(zāi)區(qū)專題信息相疊加，直觀展示災(zāi)區(qū)人口分布情況及救援難易程度，為地震應(yīng)急救援爭取時(shí)間、提供科學(xué)決策。

[1] 褚俊秀，徐敬海.地震災(zāi)情位置微博抓取與展示[J].地理空間信息,2016,14(5):38-40.

[2] 帥向華,姜立新,成小平.利用WebGIS實(shí)現(xiàn)地震災(zāi)害信息數(shù)據(jù)的管理[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2013,12(4):111-114.

[3] 聶高眾,安基文,鄧硯.地震應(yīng)急災(zāi)情服務(wù)進(jìn)展[J].地震地質(zhì),2012,34(4):783-789.

[4] 徐敬海,聶高眾.城市地震應(yīng)急處置方案技術(shù)研究[J].地震地質(zhì),2014,36(1):197-202.

[5] 趙曉麗,李家存,屈新原,等.地震及其次生災(zāi)害災(zāi)情專題圖制圖模板研究[J].地理空間信息,2011,9(3):153-155.

[6] 楊建思.靠什么評估和快速獲取地震災(zāi)情？[J].中國科技財(cái)富,2016(6):95.

[7] 周天綺,嚴(yán)奧霞.基于移動通信大數(shù)據(jù)的流動人口統(tǒng)計(jì)中Hadoop的應(yīng)用研究[J].軟件導(dǎo)刊,2015,14(3):36-38.

[8] 羅勇,王晏民,張健欽.基于手機(jī)位置數(shù)據(jù)的居民出行信息挖掘和分析方法研究[J].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2012,28(1):40-44.

[9] 翟明明.移動定位服務(wù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].信息通信技術(shù)，2009(2):27-32.

[10] 吳顏文.移動通信技術(shù)及應(yīng)用(第2版)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2013.

[11] 啜鋼,孫卓.移動通信原理[M].北京：電子工業(yè)出版社,2011.

[12] 李旭,艾渤，鐘章隊(duì).移動通信原理與系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社,2011.

[13] 柳林,李萬武,毛坤德.地理信息系統(tǒng)二次開發(fā)及案例分析[M].武漢：武漢大學(xué)出版社,2015.

[14] 邱洪鋼,張青蓮,熊友誼.ArcGIS Engine地理信息系統(tǒng)開發(fā)從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[15] 帥向華,鄭向,劉欽.基于SMS/GPS/GIS地震災(zāi)情獲取處理技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J].震災(zāi)防御技術(shù),2011,6(2):164-171.