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(xué)院，河北 滄州 061016）

0 引言

GIS技術(shù)是分析地理相關(guān)問(wèn)題的有用工具。它是在計(jì)算機(jī)軟件的支持下運(yùn)用系統(tǒng)工程的理論方法來(lái)自動(dòng)采集、貯存、修改、分析、模擬和展示空間分布資料。這個(gè)系統(tǒng)能通過(guò)從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取數(shù)據(jù)加以分析并矯正數(shù)據(jù)，最終把有效空間數(shù)據(jù)整合到地圖上并顯示出來(lái)[1]。對(duì)于已經(jīng)獲取的數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS技術(shù)以數(shù)據(jù)可視化的形式呈現(xiàn)在大眾眼前。GIS技術(shù)真正走進(jìn)大眾視野是在2020年的新冠肺炎疫情暴發(fā)階段，使用數(shù)據(jù)可視化的形式能夠更加直觀地了解疫情的發(fā)展趨勢(shì)。目前，GIS技術(shù)主要應(yīng)用于傳染病防控中的疫情監(jiān)測(cè)預(yù)警、疫情分析、突發(fā)公共衛(wèi)生事件應(yīng)對(duì)、管理決策研究等領(lǐng)域。為應(yīng)對(duì)當(dāng)前新冠肺炎疫情的爆發(fā)，在我國(guó)的疫情防控中移動(dòng)GIS技術(shù)已經(jīng)有了具體的應(yīng)用[2]，例如寧波市疾控中心公共衛(wèi)生大數(shù)據(jù)所與寧波市規(guī)劃與地理信息中心兩個(gè)部門(mén)開(kāi)發(fā)建設(shè)了寧波市新冠肺炎疫情管理系統(tǒng)[3]。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

19世紀(jì)，GIS的前身地圖分析技術(shù)已應(yīng)用于傳染病領(lǐng)域，通過(guò)數(shù)據(jù)管理分析，可獲取大量的數(shù)據(jù)和信息。例如，英國(guó)1854年發(fā)生霍亂大流行，當(dāng)時(shí)醫(yī)學(xué)水平還不發(fā)達(dá)，科學(xué)技術(shù)尚存不足，由于經(jīng)驗(yàn)主義，當(dāng)時(shí)大部分人的觀點(diǎn)認(rèn)為霍亂是由于空氣傳播而發(fā)生的，因此一直沒(méi)有找到真正的原因。而當(dāng)時(shí)的英國(guó)醫(yī)生約翰·斯諾（John Snow，1813-1858年）卻得出新的結(jié)論，即霍亂很可能是通過(guò)飲用水傳播。他首先通過(guò)不同渠道取得因霍亂而死亡者的地址，記錄這些地點(diǎn)，在地圖上標(biāo)明霍亂死亡的人群位置，通過(guò)持續(xù)記錄點(diǎn)的位置進(jìn)行分析以及對(duì)當(dāng)?shù)厝巳汉透腥菊叩牟稍L、數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)學(xué)計(jì)算，斯諾進(jìn)一步印證了自己之前的猜想：飲用水泵中的水，正是導(dǎo)致霍亂爆發(fā)的根源，霍亂是水傳播疾病。由此科學(xué)家們開(kāi)始知道了如何探尋源頭，干預(yù)流行病的大規(guī)模爆發(fā)。斯諾霍亂地圖的產(chǎn)生和應(yīng)用效果為全球的傳染病的防治和科學(xué)研究指明了新的方向[4]。

在國(guó)內(nèi)GIS技術(shù)最早應(yīng)用在疫情方面是2003年SARS爆發(fā)的時(shí)候，中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所（現(xiàn)中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院）、北京師范大學(xué)等單位的GIS、RS領(lǐng)域科研工作者，開(kāi)展了SARS疫情態(tài)勢(shì)分析、疫情傳播/擴(kuò)散模型構(gòu)建、疫情預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，并自主研發(fā)了SARS網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)，將時(shí)空信息技術(shù)應(yīng)用到了SARS疫情實(shí)時(shí)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(xiàn)階段，各個(gè)地區(qū)利用GIS技術(shù)已經(jīng)建立了基于時(shí)空信息的疾病防治預(yù)警與監(jiān)控、疫情報(bào)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(lái)說(shuō)，感染者的平均潛伏期一般在10天，在此期間感染者可能會(huì)到一些人群密集的區(qū)域，但其行蹤往往難以記錄。所以說(shuō)，對(duì)于目前較為嚴(yán)重的新冠肺炎疫情中存在的主要問(wèn)題是難以追蹤零號(hào)病人（傳染源）以及密切接觸者的行為蹤跡，而該系統(tǒng)通過(guò)動(dòng)態(tài)GIS技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)將疫情信息、風(fēng)險(xiǎn)高低通知用戶，避免了因時(shí)效問(wèn)題導(dǎo)致的疫情進(jìn)一步擴(kuò)散，為疫情防控提供有效技術(shù)支撐。

2 存在的主要問(wèn)題

截至2021年8月23日，在世衛(wèi)組織和歐洲疾病預(yù)防與控制中心聯(lián)合發(fā)布一份疫情報(bào)告中顯示，德?tīng)査局陮⒃谖磥?lái)幾個(gè)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?tīng)査《疽鸬男鹿诜窝滓咔?，以及近期通?bào)的福建莆田、泉州的新陽(yáng)性感染者初步判定也為德?tīng)査《尽５聽(tīng)査儺愔甑臐摲诙?，傳播速度快，中位潛伏期只?.7天，因此追蹤密切接觸者的行程路線變得更加困難。針對(duì)上述情況，GIS對(duì)于新冠肺炎疫情的防控將會(huì)起到主要作用。

目前，國(guó)外有已有類似結(jié)合GIS技術(shù)進(jìn)行疫情追蹤的成果，如阿聯(lián)酋等國(guó)政府推出了一款名為“TraceCovid”的手機(jī)APP[6]。但只能找到密切接觸者，尚未實(shí)現(xiàn)對(duì)次密接觸者的追蹤。

國(guó)內(nèi)主要采用健康碼或行程卡的方式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的判定，存在較大的滯后性，只能通過(guò)媒體公告的行程路線確定風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)，特殊情況下甚至無(wú)法找到感染者，同時(shí)空間上亦無(wú)法對(duì)個(gè)人進(jìn)行準(zhǔn)確定位。這導(dǎo)致在國(guó)內(nèi)尋找德?tīng)査《镜拿芮薪佑|者過(guò)程中出現(xiàn)了很大的困難。目前，亟須一種信息完整可靠、時(shí)效性強(qiáng)、即時(shí)反饋的疫情預(yù)警溯源系統(tǒng)。

3 GIS實(shí)現(xiàn)預(yù)警溯源

目前，國(guó)內(nèi)新冠肺炎疫情呈現(xiàn)小面積聚集性爆發(fā)狀態(tài)，無(wú)癥狀感染者多，傳染性強(qiáng)，導(dǎo)致疫情控制需大量溯源工作，現(xiàn)有溯源機(jī)制以媒體公告為主，信息完整性、真實(shí)性、時(shí)效性較低，不利于疫情防控。因此目前我們需要利用動(dòng)態(tài)GIS技術(shù)，在移動(dòng)端構(gòu)建適用于時(shí)滯性傳染病流行過(guò)程防控的實(shí)時(shí)預(yù)警溯源系統(tǒng)。

3.1 主要內(nèi)容

本系統(tǒng)根據(jù)已確診新冠肺炎病例的行動(dòng)軌跡，構(gòu)建時(shí)空數(shù)據(jù)序列，并在已有矢量地圖中構(gòu)建具有時(shí)間屬性的“確診行動(dòng)軌跡”與“傳染關(guān)鍵點(diǎn)”圖元，并依照相關(guān)法律法規(guī)公布確診病例的脫敏信息；同時(shí)，通過(guò)對(duì)比數(shù)據(jù)庫(kù)中多條時(shí)空數(shù)據(jù)序列，預(yù)測(cè)該確診病例的疑似感染源、感染地、感染時(shí)間。

本系統(tǒng)在使用之前先獲取用戶權(quán)限：

（1）系統(tǒng)在用戶授權(quán)后，結(jié)合健康碼與行程碼，實(shí)時(shí)構(gòu)建用戶行動(dòng)軌跡，形成用戶實(shí)時(shí)GIS時(shí)空數(shù)據(jù)序列，實(shí)時(shí)向用戶反饋當(dāng)下軌跡情況，并根據(jù)軌跡進(jìn)行預(yù)警。

（2）為用戶推薦相對(duì)安全的路線、醫(yī)院、藥店等特定POI地點(diǎn)及路徑規(guī)劃。新冠肺炎疫情為時(shí)滯性傳染病，GIS時(shí)空數(shù)據(jù)序列需參與“確診行動(dòng)軌跡”“傳染關(guān)鍵點(diǎn)”比對(duì)，用以實(shí)現(xiàn)路徑溯源，并根據(jù)溯源結(jié)果預(yù)警特定用戶及時(shí)就醫(yī)、上報(bào)、隔離等。

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

（4）為用戶提供實(shí)時(shí)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(xiàng)目研究重點(diǎn)內(nèi)容，本項(xiàng)目組將從制度、技術(shù)等方面重點(diǎn)研究系統(tǒng)安全性，保證數(shù)據(jù)安全。

3.2 研究方法

3.2.1 整體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)用戶端采用微信小程序形式，管理端采用B/S結(jié)構(gòu)進(jìn)行管理，為確保數(shù)據(jù)安全性，管理端僅限于內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)。

3.2.2 數(shù)據(jù)獲取

本系統(tǒng)綜合多種數(shù)據(jù)獲取方式：①與現(xiàn)有移動(dòng)GIS應(yīng)用合作，如健康碼、行程碼等系統(tǒng)，獲取已有數(shù)據(jù)信息；②通過(guò)流行病學(xué)調(diào)查獲取確診病例行程路徑，手動(dòng)錄入本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)；③使用本系統(tǒng)移動(dòng)端通過(guò)GPS等技術(shù)獲取位置，直接錄入本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2.3 實(shí)時(shí)GIS 時(shí)空數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

建立適應(yīng)于疫情路徑數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型：①數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)，將獲取的路徑數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中；②數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，按照實(shí)時(shí)GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型存儲(chǔ)和管理時(shí)空序列數(shù)據(jù)及其相互關(guān)系；③可視化系統(tǒng)通過(guò)查詢檢索，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示在客戶端上[7]。

3.2.4 實(shí)時(shí)GIS 時(shí)空數(shù)據(jù)比對(duì)

系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)比對(duì)功能為：①通過(guò)比對(duì)所有確診病例GIS時(shí)空數(shù)據(jù)信息，分析其相關(guān)性，建立關(guān)聯(lián)GIS數(shù)據(jù)集，為追溯確診病例感染源頭提供依據(jù)；②比對(duì)當(dāng)前用戶實(shí)時(shí)GIS數(shù)據(jù)信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中的確診病例GIS數(shù)據(jù)圖元的時(shí)間、空間、坐標(biāo)等屬性，發(fā)現(xiàn)路徑重疊或靠近立刻向該用戶發(fā)出警告；③針對(duì)確診病例，一旦行程路徑構(gòu)建成功，立刻比對(duì)所有已存非確診用戶的路徑信息，根據(jù)傳染病學(xué)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定高風(fēng)險(xiǎn)人群，進(jìn)行溯源預(yù)警；④系統(tǒng)實(shí)時(shí)為用戶提供附近特定POI點(diǎn)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(shù)據(jù)庫(kù)的安全性

系統(tǒng)數(shù)據(jù)中含有大量的個(gè)人信息、病例數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)，為了保證數(shù)據(jù)的安全，采用物理隔絕策略，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境基于專網(wǎng)搭建。普通用戶數(shù)據(jù)病例數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)分離，進(jìn)一步保證了數(shù)據(jù)的安全性。

3.3 技術(shù)路線

該系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，以微信小程序?yàn)檩d體，使用GIS技術(shù)，將該系統(tǒng)以數(shù)據(jù)可視化的形式展示給用戶，對(duì)前端頁(yè)面與后臺(tái)管理進(jìn)行了不同的設(shè)計(jì)。

前端頁(yè)面共分為四個(gè)模塊，如圖1所示。

圖1 前端界面

（1）地圖數(shù)據(jù)展示頁(yè)中包含疫情人數(shù)數(shù)據(jù)、密切接觸者行動(dòng)軌跡、全國(guó)中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)。這些數(shù)據(jù)以可視化的形式展示給用戶并實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新，使用戶在第一時(shí)間接觸到有關(guān)疫情的第一手資料，對(duì)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(guān)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)以及本地中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)。

（3）知識(shí)科普，主要通過(guò)推送疫情時(shí)事新聞、疫情知識(shí)，組織環(huán)保知識(shí)競(jìng)賽三種方式向用戶普及環(huán)保相關(guān)知識(shí)、該模塊致力于加強(qiáng)使用戶掌握疫情防控知識(shí)，提高自我防護(hù)意識(shí)和能力。通過(guò)對(duì)疫情的了解，減少感染病毒的風(fēng)險(xiǎn)，避免出現(xiàn)恐慌情緒。

（4）個(gè)人信息頁(yè)，用戶可以修改個(gè)人的基本信息、進(jìn)行體溫登記。當(dāng)用戶所在地區(qū)的疫情嚴(yán)重或出現(xiàn)新?tīng)顩r時(shí)顯示在個(gè)人信息頁(yè)，進(jìn)行預(yù)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(tái)管理，僅供管理員操作和使用，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 后臺(tái)管理

（1）使用GIS技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，構(gòu)建實(shí)時(shí)GIS序列，對(duì)全球地理環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，生成處理結(jié)果圖像；分析用戶出行數(shù)據(jù)，對(duì)用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，并通過(guò)前端頁(yè)面進(jìn)行可視化展示。

（2）數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)用戶信息的基本數(shù)據(jù)、知識(shí)競(jìng)賽數(shù)據(jù)、疫情知識(shí)數(shù)據(jù)、GIS處理結(jié)果等信息。

（3）在用戶數(shù)據(jù)處理方面，在經(jīng)過(guò)用戶授權(quán)的前提下服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，向用戶提供所在地的疫情相關(guān)新聞、公告信息等。

4 總結(jié)與展望

4.1 總結(jié)

本系統(tǒng)使用GIS技術(shù)自動(dòng)收集、分析和傳播信息并且通過(guò)記錄密切行動(dòng)者、次密行動(dòng)者軌跡進(jìn)行公布以防止疫情進(jìn)一步擴(kuò)大。在傳染病監(jiān)控中該系統(tǒng)能自動(dòng)地從不同來(lái)源收集數(shù)據(jù)、確定可信性、查閱知識(shí)庫(kù)、確定流行和提醒監(jiān)控部門(mén)傳染病的爆發(fā)。通過(guò)對(duì)感染者和疑似感染者的實(shí)時(shí)追蹤解決了普通疫情防控中存在的滯后性和延遲性問(wèn)題，可以準(zhǔn)確地記錄用戶出行路線與地點(diǎn)。具有現(xiàn)實(shí)意義的是GIS和不同技術(shù)結(jié)合對(duì)傳染病的監(jiān)控更有效，GIS、GPS和RS的結(jié)合智能機(jī)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合將大大加強(qiáng)我們對(duì)世界上出現(xiàn)的各種傳染病的應(yīng)對(duì)能力。

雖然GIS在城市規(guī)劃中的應(yīng)用日益廣泛和深入，但是在當(dāng)前環(huán)境下GIS還有一定不足。它不是萬(wàn)能的，不能解決所有問(wèn)題，而阻礙GIS技術(shù)在國(guó)內(nèi)規(guī)劃行業(yè)中應(yīng)用的主要原因有：

4.1.1 數(shù)據(jù)獲取方面

本系統(tǒng)GIS技術(shù)的應(yīng)用阻礙是數(shù)據(jù)的大量獲取，同時(shí)數(shù)據(jù)也恰恰限制了規(guī)劃分析的深度和內(nèi)容，因此規(guī)劃前期的數(shù)據(jù)獲取極為重要[8]。

4.1.2 實(shí)際操作層面

關(guān)于GIS的操作，要有一定的編程能力與測(cè)繪能力，對(duì)地理有一定程度的認(rèn)知，學(xué)習(xí)使用GIS相關(guān)的制圖軟件如Supermap，軟件功能較多，網(wǎng)上類似的GIS討論度相對(duì)較少碰到操作技術(shù)難度，不容易解決。軟件中所提供的數(shù)據(jù)都是練習(xí)數(shù)據(jù)，沒(méi)有太大的實(shí)際意義，這對(duì)于日后的使用是一個(gè)巨大的障礙[9]。

4.2 展望

現(xiàn)在的防控疫情已經(jīng)常態(tài)化[10]，短時(shí)間內(nèi)全球難以徹底遏制，國(guó)家正在實(shí)施的疫情防控戰(zhàn)略中，也是在一定程度上限制人群流動(dòng)，防止人群聚集。本系統(tǒng)在疫情防控常態(tài)化、持久化過(guò)程中可以持續(xù)其發(fā)揮作用，借助GIS技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)為疫情防御能力的建立提供了新的方向。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)密切接觸者的快速尋找和疫情發(fā)展趨勢(shì)的可視化呈現(xiàn)，有期望成為疫情預(yù)警防控中的中堅(jiān)力量。