GIS 在传染病方面的实时预警溯源系统

杨昭辉，李亚娟，张金芳，郑世彪，任顺垚，马戴兵

（河北水利电力学院，河北 沧州 061016）

0 引言

GIS技术是分析地理相关问题的有用工具。它是在计算机软件的支持下运用系统工程的理论方法来自动采集、贮存、修改、分析、模拟和展示空间分布资料。这个系统能通过从数据库中提取数据加以分析并矫正数据，最终把有效空间数据整合到地图上并显示出来[1]。对于已经获取的数据，结合GIS技术以数据可视化的形式呈现在大众眼前。GIS技术真正走进大众视野是在2020年的新冠肺炎疫情暴发阶段，使用数据可视化的形式能够更加直观地了解疫情的发展趋势。目前，GIS技术主要应用于传染病防控中的疫情监测预警、疫情分析、突发公共卫生事件应对、管理决策研究等领域。为应对当前新冠肺炎疫情的爆发，在我国的疫情防控中移动GIS技术已经有了具体的应用[2]，例如宁波市疾控中心公共卫生大数据所与宁波市规划与地理信息中心两个部门开发建设了宁波市新冠肺炎疫情管理系统[3]。

1 国内外研究现状

19世纪，GIS的前身地图分析技术已应用于传染病领域，通过数据管理分析，可获取大量的数据和信息。例如，英国1854年发生霍乱大流行，当时医学水平还不发达，科学技术尚存不足，由于经验主义，当时大部分人的观点认为霍乱是由于空气传播而发生的，因此一直没有找到真正的原因。而当时的英国医生约翰·斯诺（John Snow，1813-1858年）却得出新的结论，即霍乱很可能是通过饮用水传播。他首先通过不同渠道取得因霍乱而死亡者的地址，记录这些地点，在地图上标明霍乱死亡的人群位置，通过持续记录点的位置进行分析以及对当地人群和感染者的采访、数据采集、统计学计算，斯诺进一步印证了自己之前的猜想：饮用水泵中的水，正是导致霍乱爆发的根源，霍乱是水传播疾病。由此科学家们开始知道了如何探寻源头，干预流行病的大规模爆发。斯诺霍乱地图的产生和应用效果为全球的传染病的防治和科学研究指明了新的方向[4]。

在国内GIS技术最早应用在疫情方面是2003年SARS爆发的时候，中国科学院遥感应用研究所（现中国科学院空天信息创新研究院）、北京师范大学等单位的GIS、RS领域科研工作者，开展了SARS疫情态势分析、疫情传播/扩散模型构建、疫情预测预报，并自主研发了SARS网络地理信息系统，将时空信息技术应用到了SARS疫情实时传输、处理、分析模型中，在SARS疫情信息采集与分析、防治与监控以及发布等方面发挥了十分重要的作用[5]。

现阶段，各个地区利用GIS技术已经建立了基于时空信息的疾病防治预警与监控、疫情报告、社区防控等方面的信息系统。而就目前的新冠肺炎疫情来说，感染者的平均潜伏期一般在10天，在此期间感染者可能会到一些人群密集的区域，但其行踪往往难以记录。所以说，对于目前较为严重的新冠肺炎疫情中存在的主要问题是难以追踪零号病人（传染源）以及密切接触者的行为踪迹，而该系统通过动态GIS技术、数据分析技术，能够实时将疫情信息、风险高低通知用户，避免了因时效问题导致的疫情进一步扩散，为疫情防控提供有效技术支撑。

2 存在的主要问题

截至2021年8月23日，在世卫组织和欧洲疾病预防与控制中心联合发布一份疫情报告中显示，德尔塔毒株将在未来几个月成为全球最主要的新冠病毒变异株，仅用14秒即可感染。前期的广东省爆发的德尔塔病毒引起的新冠肺炎疫情，以及近期通报的福建莆田、泉州的新阳性感染者初步判定也为德尔塔病毒。德尔塔变异株的潜伏期短，传播速度快，中位潜伏期只有4.7天，因此追踪密切接触者的行程路线变得更加困难。针对上述情况，GIS对于新冠肺炎疫情的防控将会起到主要作用。

目前，国外有已有类似结合GIS技术进行疫情追踪的成果，如阿联酋等国政府推出了一款名为“TraceCovid”的手机APP[6]。但只能找到密切接触者，尚未实现对次密接触者的追踪。

国内主要采用健康码或行程卡的方式进行风险等级的判定，存在较大的滞后性，只能通过媒体公告的行程路线确定风险地区，特殊情况下甚至无法找到感染者，同时空间上亦无法对个人进行准确定位。这导致在国内寻找德尔塔病毒的密切接触者过程中出现了很大的困难。目前，亟须一种信息完整可靠、时效性强、即时反馈的疫情预警溯源系统。

3 GIS实现预警溯源

目前，国内新冠肺炎疫情呈现小面积聚集性爆发状态，无症状感染者多，传染性强，导致疫情控制需大量溯源工作，现有溯源机制以媒体公告为主，信息完整性、真实性、时效性较低，不利于疫情防控。因此目前我们需要利用动态GIS技术，在移动端构建适用于时滞性传染病流行过程防控的实时预警溯源系统。

3.1 主要内容

本系统根据已确诊新冠肺炎病例的行动轨迹，构建时空数据序列，并在已有矢量地图中构建具有时间属性的“确诊行动轨迹”与“传染关键点”图元，并依照相关法律法规公布确诊病例的脱敏信息；同时，通过对比数据库中多条时空数据序列，预测该确诊病例的疑似感染源、感染地、感染时间。

本系统在使用之前先获取用户权限：

（1）系统在用户授权后，结合健康码与行程码，实时构建用户行动轨迹，形成用户实时GIS时空数据序列，实时向用户反馈当下轨迹情况，并根据轨迹进行预警。

（2）为用户推荐相对安全的路线、医院、药店等特定POI地点及路径规划。新冠肺炎疫情为时滞性传染病，GIS时空数据序列需参与“确诊行动轨迹”“传染关键点”比对，用以实现路径溯源，并根据溯源结果预警特定用户及时就医、上报、隔离等。

（3）系统将根据相关法律法规与政府政策，在特定要求成立的情况下，向相关部门提交该用户的相关信息。

（4）为用户提供实时更新的各地区疫情热力图、身边的确诊病例等查询功能，系统安全性亦为本项目研究重点内容，本项目组将从制度、技术等方面重点研究系统安全性，保证数据安全。

3.2 研究方法

3.2.1 整体结构

本系统用户端采用微信小程序形式，管理端采用B/S结构进行管理，为确保数据安全性，管理端仅限于内部网络访问。

3.2.2 数据获取

本系统综合多种数据获取方式：①与现有移动GIS应用合作，如健康码、行程码等系统，获取已有数据信息；②通过流行病学调查获取确诊病例行程路径，手动录入本系统数据库；③使用本系统移动端通过GPS等技术获取位置，直接录入本系统数据库。

3.2.3 实时GIS 时空数据存储

建立适应于疫情路径数据的实时GIS时空数据模型：①数据接入系统，将获取的路径数据写入数据管理系统中；②数据管理系统，按照实时GIS时空数据模型存储和管理时空序列数据及其相互关系；③可视化系统通过查询检索，将实时数据展示在客户端上[7]。

3.2.4 实时GIS 时空数据比对

系统主要数据比对功能为：①通过比对所有确诊病例GIS时空数据信息，分析其相关性，建立关联GIS数据集，为追溯确诊病例感染源头提供依据；②比对当前用户实时GIS数据信息与数据库中的确诊病例GIS数据图元的时间、空间、坐标等属性，发现路径重叠或靠近立刻向该用户发出警告；③针对确诊病例，一旦行程路径构建成功，立刻比对所有已存非确诊用户的路径信息，根据传染病学相关标准确定高风险人群，进行溯源预警；④系统实时为用户提供附近特定POI点路径索引、疫情热力图、3D疫情图等多种疫情可视化展示。

3.2.5 数据库的安全性

系统数据中含有大量的个人信息、病例数据和地图数据，为了保证数据的安全，采用物理隔绝策略，系统网络环境基于专网搭建。普通用户数据病例数据和地图数据分离，进一步保证了数据的安全性。

3.3 技术路线

该系统采用B/S架构，以微信小程序为载体，使用GIS技术，将该系统以数据可视化的形式展示给用户，对前端页面与后台管理进行了不同的设计。

前端页面共分为四个模块，如图1所示。

图1 前端界面

（1）地图数据展示页中包含疫情人数数据、密切接触者行动轨迹、全国中高风险地区。这些数据以可视化的形式展示给用户并实时动态更新，使用户在第一时间接触到有关疫情的第一手资料，对普通用户起到防患于未然的作用。

（2）查询功能，向用户提供相关点位的必要地理信息。用户可以在该界面查询医院、核酸监测点以及本地中高风险地区。

（3）知识科普，主要通过推送疫情时事新闻、疫情知识，组织环保知识竞赛三种方式向用户普及环保相关知识、该模块致力于加强使用户掌握疫情防控知识，提高自我防护意识和能力。通过对疫情的了解，减少感染病毒的风险，避免出现恐慌情绪。

（4）个人信息页，用户可以修改个人的基本信息、进行体温登记。当用户所在地区的疫情严重或出现新状况时显示在个人信息页，进行预警系统提示，提高用户警惕性。

建立基于微信客户端的微信小程序，创建可用的后台管理，仅供管理员操作和使用，其结构如图2所示。

图2 后台管理

（1）使用GIS技术对数据库中存储的数据进行处理，构建实时GIS序列，对全球地理环境数据进行处理分析，生成处理结果图像；分析用户出行数据，对用户进行实时追踪，并通过前端页面进行可视化展示。

（2）数据库用于存储用户信息的基本数据、知识竞赛数据、疫情知识数据、GIS处理结果等信息。

（3）在用户数据处理方面，在经过用户授权的前提下服务器对数据库中的用户数据进行分析处理，向用户提供所在地的疫情相关新闻、公告信息等。

4 总结与展望

4.1 总结

本系统使用GIS技术自动收集、分析和传播信息并且通过记录密切行动者、次密行动者轨迹进行公布以防止疫情进一步扩大。在传染病监控中该系统能自动地从不同来源收集数据、确定可信性、查阅知识库、确定流行和提醒监控部门传染病的爆发。通过对感染者和疑似感染者的实时追踪解决了普通疫情防控中存在的滞后性和延迟性问题，可以准确地记录用户出行路线与地点。具有现实意义的是GIS和不同技术结合对传染病的监控更有效，GIS、GPS和RS的结合智能机构和网络的结合将大大加强我们对世界上出现的各种传染病的应对能力。

虽然GIS在城市规划中的应用日益广泛和深入，但是在当前环境下GIS还有一定不足。它不是万能的，不能解决所有问题，而阻碍GIS技术在国内规划行业中应用的主要原因有：

4.1.1 数据获取方面

本系统GIS技术的应用阻碍是数据的大量获取，同时数据也恰恰限制了规划分析的深度和内容，因此规划前期的数据获取极为重要[8]。

4.1.2 实际操作层面

关于GIS的操作，要有一定的编程能力与测绘能力，对地理有一定程度的认知，学习使用GIS相关的制图软件如Supermap，软件功能较多，网上类似的GIS讨论度相对较少碰到操作技术难度，不容易解决。软件中所提供的数据都是练习数据，没有太大的实际意义，这对于日后的使用是一个巨大的障碍[9]。

4.2 展望

现在的防控疫情已经常态化[10]，短时间内全球难以彻底遏制，国家正在实施的疫情防控战略中，也是在一定程度上限制人群流动，防止人群聚集。本系统在疫情防控常态化、持久化过程中可以持续其发挥作用，借助GIS技术的独特优势为疫情防御能力的建立提供了新的方向。本系统实现密切接触者的快速寻找和疫情发展趋势的可视化呈现，有期望成为疫情预警防控中的中坚力量。