基于手机位置信息的震后人口流动轨迹

李林侗，于 浩，侯作亮

（辽宁省地震局,沈阳 110034）

0 引言

随着大数据分析技术、地理信息技术、全球定位系统等科学技术应用于手机行业的发展，通过三大通信运营商的无线电通讯、网络社交软件定位、地图导航定位等大规模持续采样的移动设备终端获取定位数据的精确度也越来越高。已由原来的静态数据转变为获取动态数据，基本解决了动态空间位置变化的可视化问题。对这种高精度的人口空间位置信息的行动轨迹进行有效的大数据处理，获得震后人口流动方向的结果，为震后应急处置提供灾情决策的技术支持。

在数据种类越来越多、数据量越来越大的今天，能够在震后0～10 小时内快速处理灾情数据与信息，增加震后人口数据速判和信息获取准确性，为决策者提供灾情判断，提高在黑箱期和灰箱期内被获救人员数量就显得尤其重要[1]。目前，国内现有地震应急数据库中人口数据以普查数据和登记在册的户籍数据为主，或者是以行政单元或者公里格网为基础统计出的人口数据，其精度与实际灾害调查结果差距较大，只能反映某时期的静态数据，而无法客观反映灾区人口的实时空间分布特征[2]。用此数据做出的人口密度分布图也仅限于静态数据下分析图表，这也成为震后人口流动快速动态监测亟待解决的问题之一。在国外GPS 和卫星导航系统定位服务在手机终端应用中成为主流配置，智能手机普及、位置分享服务、基于位置服务、大规模分布式数据存储与计算机框架等的出现与发展，使得用实时获取精准的海量手机位置信息，利用手机移动定位估算实时人口已经成为一种相对精确的方法，这些方法基本用于分析人的消费行为和人员移动轨迹的记录[3]。掌握震后最新的人口分布数据及人口流动规律等相对精确的人口数据并能应用到地震应急中，对震后应急决策具有推进作用。

1 数据处理

地震发生后当人员位置信息发生移动时，每隔一段时间就会将其所处的位置信息通过手机上传到基站服务器中，这样在基站服务器中就会存储该人员的手机位置信息数据。根据震后烈度圈提取的拐点坐标为电子围栏坐标，在该区域内进行手机位置数据提取。提取的手机位置信息数据在空间上是无序的，对数据进行脱敏处理，只保留SMID、时间、经度、纬度等字段，并对SMID 进行加密或ID 替换处理，导入地理信息系统中能够非常直观地呈现一些原本不易理解或表达的点数据，即手机位置数据空间点位化。同时需要把人口位置的点数据集按不同地区、不同时间段分类后才能使用。

本研究以2016年5月22日辽宁省朝阳市朝阳县4.6 级地震烈度圈及周边为研究区域，该地震震中位于41.62°N、120.10°E，朝阳县山区。震中距离朝阳市30 km、距离朝阳县26 km、距离建平县45 km、距离凌源市72 km、距离朝阳市喀喇沁左翼蒙古族自治县63 km。此次地震最大烈度为Ⅴ度，位于朱录科-刀尔登断裂带附近(距离小于18 km)。Ⅴ度区内总面积为8.17 km2，有NE 向北票-朝阳断裂、锦州-阜新断裂及近EW 向赤峰-开原断裂带。本研究以朝阳4.6 级地震的烈度圈范围提取拐点坐标，确定电子围栏范围提取了57 980 条手机位置记录、近400 个空间格网位置数据（图1）。采集范围涵盖整个Ⅴ度区及周边区域的震前和震后24 个时段内数据近4 万条。以1 小时为间隔，每小时提取1 次，这样会比较全面并清晰地反映出震前和震后人口数量的变化情况（图2）。

图1 烈度圈拐点坐标提取

图2 电子围栏范围内手机位置信息提取

对朝阳县受灾地区内的大东山村、柴周营子村、华杖子村、二道河子村的人口手机位置数据进行震前和震后各24 小时的提取。经对比分析发震前24 小时震区内的常规活动数量变化和震后人口数量变化发现，震前常驻人口24 小时内变化呈现昼出夜伏的人口移动规律；地震受灾区域内人员疏散或者躲避到安全地区等原因使当地震发生后3 小时内人口急剧下降，至震后5 小时震感不强烈才出现人口数量恢复的现象（图3～4）。

图3 震前人口数据变化

图4 震后人口数据变化

提取对象为上述震区内4 个自然乡村。因为非破坏性地震发生，所以基站回传手机位置信息的数据量误差是很小的，精确度是很高的，基本为准确的手机位置信息数量，所以人口数据是直观并且有说服力的。以下是针对上述4 个村震前、震后人口不同时段的变化对比，可以更直观地显示人数变化情况（图5～8）。

图5 大东山村震前震后人口变化图

图6 柴周营子村震前震后人口变化图

图7 华杖子村震前震后人口变化图

图8 周台子村震前震后人口变化图

此次研究不仅从不同地区同时段比对人口数据，也针对同地区不同时段进行了人口数据的对比。结果显示：大东山村和柴周营子村震后明显比震前离村人口增多，震后2 小时才开始有人员回流现象出现，早晨流出人口数量也比震前提前发生。因为当地属于农业为主的自然行政村，虽然有地震发生，但是晚上20 时至次日7 时也保持了村内人口的最高值，故认为本次地震对当地人口流动性影响并不大。

华杖子村和周台子村震后明显比震前人口数量差很多，而且震后2～4 小时只有少量人口回流现象。实地调查发现，因为华杖子村有1 个矿业公司而周台子村则有5 个矿业公司，所以会出现震后人口反向流动现象。本研究有注意到这2 个村以矿业开采收入为主，地下开采矿山的主体分为采场和运输巷道两部分，都分布在地下岩层里。运输巷道断面直径比较小，一般为3 m 以内，周围为稳固或者锚固后的岩层，这样实际形成了小跨度厚墙体的相当稳固建筑，一般来说很难被地震破坏。对于采场而言，本身就需要崩落进行开采，一般崩落都需要炸药进行准备，地震可能会对一些节理发育的层位起到破坏作用，造成计划外崩落，但一般不会造成破坏性影响。现代矿山一般设计有避难硐室，位置更稳固，内设空气、水和食物等维持设施，基本可以保证生命安全。虽然如此，也确实有矿山因为地震灾害停产，地震波到达地表后破坏大，所以对于露采矿山影响可能更大。但不论是露采还是地采，震后都有评估机制，对设施进行工程地质评估、维护和稳固后才能复产。

2 技术路线

地震发生后，当人员位置信息发生移动时，每隔一段时间会将其所处位置信息通过手机上传到基站服务器中，这样在基站服务器中就会存储该人员的手机位置信息数据。该数据为离散点类型数据集，将点数据进行空间矢量化、落图进行可视化后形成空间位置点。确定点数据后，可以将该点数据按照不同用户以及时间先后顺序，连接成连续的线数据，构造出每个人在该时间段内的线数据集。通过大量线数据可以更直观地看出人员的移动轨迹，大量被记录的个人轨迹形成线数据集。对数据集进行清洗，通过坐标系转换统一成CGCS2000 坐标系。同时对应急基础数据库数据图层，包括交通、居民点、行政区划、烈度圈等数据图层进行叠加，并按照《GB∕T38226—2019 地震烈度图制图规范》标准规范，对图层进行风格样式设置，最终形成人口流动图，更好地了解震后灾区内人群流动方向，为震后人员流动方向提供更为准确的定位；另外对错误数据进行纠正和类型转换后，将线数据集叠加交通道路图层，判定此路是否畅通，生成应急疏散路线图，用最少的时间展示应急疏散路线畅通情况（图9）。为震后黑箱期和灰箱期内提供可用技术支持，并为震后应急疏散提供有力数据支撑。

图9 绘制人口流动图和应急疏散路线图的技术路线

3 绘制过程

人口流动图的绘制需要3 类数据图层。第一是基于获取到的手机位置信息数据，该数据刚刚获取时为离散点类型数据集，将点数据进行空间矢量化，落图进行可视化，形成空间位置点；将该点数据按照不同用户以及时间先后顺序，连接成连续的线数据，进行人员的轨迹重建；同时对数据进行清洗，通过坐标系转换统一坐标系为CGCS2000 坐标系。第二是应急基础数据库数据图层，包括交通、居民点、行政区划等数据图层。第三是地震数据，主要有烈度圈图层构成。将3 类图层进行图层的叠加，最终形成人口流动图。

1）地图中添加数据集

将配图所能用到的数据集都添加到地图中，将数据脱敏后格式转换为xlsx 的人员动态位置点（手机位置信息数据）表格进行导入，选择经、纬度对应列，将表格中点位数据导入为空间位置点位，并对导入的手机点位设置GCS2000 地理坐标系（图10）。

图10 数据转换及导入

2）确定点数据后可以使用轨迹重建的方法来构造出每个人在该时间段内的线数据，通过大量线数据可以更直观地看出人员的轨迹移动路线；大量被记录的个人轨迹形成线数据集，通过数据选项卡、类型转换对点数据构建出一段时间内的轨迹线数据。

3）纠正错误数据

错误数据的判断原则为：对于人员流动轨迹，因为位置数据是不间断获取的，所以将获取的点位在地图中呈现进行可视化后，是按顺序有序排列的点位。如某一点的位置与其余点位出现明显偏差，则认为是异常点（错误数据）予以去除。方法是以每一点为圆心、一定距离为半径阈值，超过阈值的点则视为错误数据点位剔除。以一定的阈值、路线距离相近的则合并为一条轨迹线（图11）。

图11 点转线和纠正错误数据

4）配置地图样式

双击人员流动图层，选择右侧线性符号，按图表配置添加需要做标注的图层制作成图；之后将新生成的点与线添加到地图中（此图的点为手动沿着公路添加），配以不同的点和线的风格；同时与震中、烈度圈、乡镇点位、县道等图层进行叠加。相对时间段内，同一条路上的点或一条线代表一个人的路线，所以不太密集时则说明路不拥堵。乡村道路狭窄容易造成拥堵，可以选择县道等公路进行疏散。较人口流动图，添加的图例新增了轨迹线。拆分布局元素时，可将轨迹线的图例和名称置顶，产出应急疏散路线图（图12）。

图12 按规范配置地图

通过对大量记录着个人轨迹的点位数据进行关联，形成带有方向的个人轨迹线数据，在软件中对方向线进行配图，得到人口流动图。同样的，将该地图加载到布局窗口中进行布局要素的设置，添加制图要素，最终形成地震区域人口流动图（图13～14）。

图13 朝阳地震人口流动图

4 结论

图14 朝阳地震震后应急疏散路线图

利用手机位置信息研究震后人员流动轨迹，并清楚阐述了手机位置数据转化为人员流动轨迹的技术过程。对震后灾区人口数据的获取、救助灾民、制定疏散路线，以及为政府应急决策提供数据支持等方面都具有实际意义。

1）对辽宁省朝阳县4.6 级地震V 度圈内提取手机位置数据在人口流动轨迹上的研究表明，在非破坏性地震中获取手机位置信息数据的准确度高、定位性误差小，震后几乎没有基站退服现象来干扰手机位置信息的精准性，本次数据总量更接近实际人口情况。

2）提取震前24 小时内常规人口数量，可以作为震区发震时刻的人口数据；提取震后24 小时人口数量，可以为震后人口信息获取提供更确切的依据。根据人口数量的剧增或剧减变化，帮助政府推测出适合该地的震后灾民应急措施。

3）基于震后烈度圈内手机位置信息人员的移动轨迹展示，在朝阳县应急疏散路线图内可以很直观地显示出有人口流动方向的路线为县道本鸡线路，并清晰地看到朱馒线公路上有大量的人员涌出现象，一些乡村公路如龙华路、龙兴路等则出现拥堵现象。这样直观地显示震区内的人员流动方向则更为精准，且可以用流动轨迹判断交通拥堵情况，人口流动轨迹的可视化可为震后应急提供辅助决策。

4）手机位置信息研究在地震灾情获取方面有更多的应用价值。比如在地震没有发生时，几乎没有基站退服或服务器掉线情况下获取震前人口数据，可以绘制震区人口分布图，更准确地了解震时人口数据；或者在震后每5 分钟提取一次数据，判定出该震区的手机信号归属地或人员的常规活动区域，方便应急救援等更多应急措施制定。