论文推荐 | 夏吉喆, 周颖, 李珍, 李帆, 乐阳, 程涛,李清泉:城市时空大数据驱动的新型冠状病毒传播风险评估

原创测绘学报智绘科服 2022-04-25

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城市时空大数据驱动的新型冠状病毒传播风险评估——以粤港澳大湾区为例

关键词：新型冠状病毒粤港澳大湾区时空大数据流行病动力学模型

摘要：2019年末至2020年初新型冠状病毒（COVID-19）的快速传播对中国与世界的公共卫生带来巨大的挑战。如何科学合理地评估新型冠状病毒传播风险并制定相应防疫管控措施，是各国所面临的难题，也是科学防治与精准施策的重要依据之一。作为我国最重要的城市群之一，粤港澳大湾区受本次新型冠状病毒影响较大，且春节假期后大量的复工回流人口进一步带来潜在的传播风险。本文面向粤港澳大湾区新型冠状病毒传播风险评估的紧迫需求，结合大湾区多源城市时空大数据与流行病动力学模型，构建适宜大湾区的改进模型，并对新型冠状病毒在大湾区的传播风险和各类防疫管控措施效果进行评估与模拟。首先，引入动态复工回流人口和聚集热点改进现有动力学模型（SEIR模型），对现有动力学模型在不同空间评估单元的传播参数进行纠偏，加强模型在大湾区评估中的适宜性；利用手机信令等多源城市大数据，构建更精细化的人口、疾病流动矩阵和相应的传染病动力学模型，以满足各级防疫部门精细化（如村（社区）级）风险评估的迫切需求。模拟结果表明，相对经典SEIR模型，改进模型在大湾区的传播风险评估中具有更强的适宜性；大湾区高强度的人口流动为病毒的传播带来较高的风险；防疫部门所采取各类管控措施对病毒在大湾区的传播具有较强的抑制作用。

引文格式：夏吉喆, 周颖, 李珍, 等. 城市时空大数据驱动的新型冠状病毒传播风险评估——以粤港澳大湾区为例. 测绘学报，2020，49(6)：671-680. DOI: 10.11947/j.AGCS.2020.20200080.

阅读全文：http://xb.sinomaps.com/article/2020/1001-1595/2020-6-671.htm

全文概述

本文针对粤港澳大湾区(下文简称大湾区)中9个城市(广州、深圳、珠海、佛山、惠州、东莞、中山、江门、肇庆)科学防疫工作面临的巨大挑战，结合多源城市大数据与流行病动力学模型，构建改进模型，并对大湾区新冠病毒传播风险进行评估。主要通过如下3种手段改进模型:①引入全国各地区向大湾区的回流复工人口，对动力学模型各类人员基数进行动态纠偏；②融合超市、公交站、医院等聚集热点，对不同空间单元下的新冠病毒传染参数进行纠偏；③通过整合手机信令、兴趣点(point of interest, POI)、确诊轨迹等多源城市大数据，运用多尺度自适应模型耦合策略，实现评估空间单元精细化，满足大湾区各级防疫部门精细化(如村(社区)级)风险评估的迫切需求。

1 城市时空大数据驱动的病毒传播风险评估模型

在传统流行病传播物理模型的基础上，融合动态城市多源时空大数据，并引入防疫管控措施与新冠病毒的传播参数，形成针对大湾区多层级病毒风险评估的改进模型。模型共分5个层次(图 1)：

图 1 城市时空大数据驱动的病毒传播风险评估模型

(1) 数据层：对接大湾区多源城市大数据，包括手机信令、人口普查、日更新的回流人口统计、实时新冠病毒疫情统计和防疫期间仍易引起聚集的兴趣点(POI，包括公交地铁站点、超市与医院)等。

(2) 分析处理层：根据多尺度模型耦合策略，对数据层的数据进行多尺度分析与处理，形成防疫管控层和模型层的输入。

(3) 防疫管控层：引入各类重要的防疫管控措施，对疾病物理传播过程模型在不同管控措施下的参数进行量化，对模型层进行控制并最终输出不同管控措施的效果模拟。

(4) 模型层：将新冠病毒传播参数输入经典SEIR模型，并在经典模型基础上加入每日回流及回流潜伏人口、人口密集聚集热点以及防疫管控措施等动态影响因素，构建针对大湾区新冠病毒风险评估的改进模型。

(5) 输出层：输出各类科学防疫所需的各类专题地图与传播模拟。

2 试验与讨论

图 2展示复工期间大湾区9个城市51个行政区之间的日均人口流动OD矩阵(仅显示前50%流动路径)。

图 2 复工期间大湾区9个城市51个行政区之间的日均人口流动矩阵(显示前50%流动路径)

图 3展示了“聚集热点纠偏”改进模型与经典SEIR模型的病毒传播风险评估模拟对比。

图 3 大湾区9城市新冠病毒传播风险评估(改进模型对比经典模型)

图 4(a)展示顾及“回流复工纠偏”改进模型与经典SEIR模型评估对比。

图 4 深圳市村(社区)尺度新冠病毒传播风险评估(改进模型对比经典模型)

各类防疫管控实施效果模拟如图 5所示。

图 5 各类防疫管控措施效果模拟

基于大湾区多源城市时空大数据和改进模型的评估结果，大湾区整体传播风险程度较高，在具有大量外来输入病例潜在威胁的同时，也具有高强度的城市内部和城市间的人口流动，相对容易带来病毒扩散风险。其中，广州、深圳、佛山与珠海的市中心区域有相对较高的风险值。深圳市村(社区)尺度的模拟结果显示，回流人群聚居、聚集热点与交通枢纽区域具有较高风险指数，需要重点关注防控。

然而，防疫管控实施的模拟结果表明，各类防疫措施可有效降低大湾区病毒传播风险。其中人口流动管控模拟结果显示，在我国2020年新冠病毒防疫的第1阶段工作中，对人口流动进行全面控制与阻断是有效且必要的，病毒传播风险得到了全面下降。但全面的人流管控措施对经济发展、中小企业生存与居民日常生活等方面也造成了巨大的影响。随着防疫第2阶段工作的到来，如何在降低病毒传播风险的同时，进行科学合理的复工复产仍是重大的挑战。

复工管控模拟中，推迟全面复工对病毒传播风险有一定的抑制作用，但仍会具有较高的风险指数；陆续分批地进行复工可进一步降低传播风险指数，但同时造成传播周期略微增加。错峰管控在不改变每日的人口流动总数的同时，对病毒传播风险有一定的抑制作用，其中双批错峰带来的风险指数下降最明显。相对各类管控措施，全体居民正确地佩戴口罩是最直接有效的管控措施。本文改进模型是在与本地防疫部门防控需求对接的过程中不断迭代完成的，对新冠病毒评估与预警有重要参考意义，防疫部门与大湾区各大媒体在新闻报道中肯定了本文相关工作在防疫中的积极作用。

截至3月底，新冠病毒在韩国、伊朗、意大利、美国等国家相继爆发，如何平衡经济生产与防疫力度是各国所面临的重要难题。根据本国人口流动特征、病例分布现状以及具体国情等要素，模型仍然可以进一步优化和改进。

本文提出的评估模型仍有若干问题和局限性：①评估模型以经典流行病动力学SEIR模型为基础，将大湾区人口分为4个特征人群，但仍然有人群划分与动力学模拟不够精细的问题(如无法精细区分卫健委提出的“疫情4类人员”)。随着人类对新冠病毒理解的不断加深，许多现阶段难以确定的参数将会有更为系统科学的估算方法，并进一步发展出更为精细的动力学模型，为更好地对接防控决策提供技术支持。②本文基于联通手机信令数据和其在大湾区市场渗透率估算大湾区内人口流动指标，存在采样偏差问题。笔者计划与相关部门对接，并整合移动和电信数据，更全面地分析大湾区人口流动，进而获得更精确的风险评估结果。③本文基于手机数据进行人口流动提取，暂时无法对个体的具体出行方式进行区分。然而不同的出行方式(如私家车、地铁、步行等)暴露在新冠病毒下的风险有显著差别。计划融合更多种类的出行大数据，提高评估精度并针对不同出行方式进行风险制图。④基于现有时空大数据，本文模型评估的最小尺度为“村(社区)”级。然而，科学复工复产迫切需要建筑(企业)尺度的精细风险评估。笔者计划结合建筑信息化模型(BIM)、建筑(企业)人口统计、建筑内监控等大数据，构建建筑(企业)尺度的风险评估模型，进一步支撑防疫决策。

作者简介

第一作者：夏吉喆，男（1987—），男，博士，助理教授，研究方向：时空优化，时空数据建模与索引，Email: xiajizhe@szu.edu.cn

孔雀计划高层次人才（C类）。2015 年获美国乔治梅森大学地球系统与地理信息系统专业博士学位，2016年3月至2017年6月于美国乔治梅森大学担任助理研究教授。主要研究方向为时空优化，时空数据建模与索引，空间云计算。发表国内外专业期刊发表论文（SCI）十余篇，国际会议论文六篇，著作章节十余篇。作为主要研究人员参与了美国NASA，NSF，USGS等研究项目。2017年6月起任深圳大学助理教授，主持国家自然科学基金青年基金、国家重点研发计划子课题等项目。

通信作者：李清泉（1965—），男，博士，教授，研究方向：动态精密工程测量，Email：liqq@szu.edu.cn

工学博士，二级教授，博士生导师，动态精密工程测量专家，国际欧亚科学院院士，深圳大学校长。1998年获得武汉测绘科技大学摄影测量与遥感工学博士学位。自然资源部大湾区地理环境监测重点实验室主任、广东省城市空间信息工程重点实验室主任、深圳市空间信息智能感知与服务重点实验室主任，中国测绘学会副理事长，中国地理信息产业协会副理事长。长期从事精密工程测量的多传感器集成与同步控制、测量新技术、测量数据处理新方法研究，形成了动态精密工程测量技术体系，突破影响基础设施性能和安全的刚度/弯沉、表观变形和线形变化连续高精度测量关键难题；发明研制了激光动态弯沉检测装备、移动道路检测车、隧道检测装备、地铁测量小车、管道检测胶囊等系列高端测量专用装备，服务我国70%以上等级公路、数百城市道路以及机场、隧道、地铁、地下管网等领域的状态测量，推动精密工程测量从“静态到动态”、“离散到连续”的转变，显著提升我国基础设施状态测量技术水平，并实现了国际化推广。主持973计划项目、863计划项目、国家重点研发计划课题、国家自然科学基金中欧国际合作项目、重点项目等科研项目50余项。获授权发明专利31项（第一），出版专著5部，发表论文300余篇（SCI 100余篇），引用超过超过12000次，H-index 49；获国家技术发明二等奖1项（第一），国家科技进步二等奖1项（第二），国家科技进步创新团队奖1项（第五），国家教学成果二等奖1项（第一），何梁何利科技进步奖，省部级科技进步一等奖7项（第一），中国青年科技奖，全国十大测绘科技创新人物、全国创新争先奖等。

第二作者：周颖（1983—），女，博士，深圳大学医学部讲师，研究方向：呼吸道流行病学，Email: zhouying@szu.edu.cn

主要结合临床经验从事呼吸道传染病流行病学研究。主要研究领域在于流感大流行和季节性流感数据的研究分析；设计和实施流感在社区和医院的传播和干预有效性研究。在时间序列分析方法、病例交叉方法、广义加成模型等流行病学方法和统计建模方面进行了深入研究。博士期间获得香港大学为杰出科研研究生特设的Wong Ching Yee Medical postgraduate scholarship。在国际著名期刊 Clinical Infectious Diseases, American Journal of Epidemiology等发表论文多篇。在科研项目申请方面，撰写了三份流感项目基金申请书参与申请香港科研经费，参与四个大型流感项目的现场调研工作。

第三作者：李珍（1994—），女，深圳大学建筑与城市规划学院硕士研究生。研究方向：时空数据挖掘，交通大数据分析，城市空间问题研究。Email：2466122957@qq.com

第四作者：李帆（1994—），男，硕士研究生，研究方向：时空数据挖掘分析，Email: 2170276016@email.szu.edu.cn

第五作者：乐阳（1974—），女，博士，教授，研究方向：面向城市问题的大数据与GIS交叉研究，Email: yueyang@szu.edu.cn

教授、博导，深圳大学优秀学者，现任深圳大学建筑与城市规划学院城市空间信息工程系系主任，曾任武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室副教授，微软亚洲研究院青年铸星学者。研究方向主要为面向城市问题的大数据与GIS交叉研究，主持多项国家级科研项目，以及来自微软、西门子、腾讯等工业界的合作科研项目；发表论文80余篇，第一/通讯作者20余篇，中、英文论文皆有ESI高被引或期刊最高引用量论文，近五年文章总引用量超过1000次（Google Scholar）。担任《思辨与写作》、《城市分析方法与案例》、《大数据与城市分析》等课程的教学工作，核心课程评估排名前10%，指导的硕士毕业生进入腾讯、百度、京东、滴滴，牛津大学等著名企业或高水平大学。

第六作者：程涛，女，博士，教授，研究方向：城市分析（建模、预测、聚类与模拟）在交通、犯罪、公共卫生、商务与自然灾害等场景的应用，Email: tao.cheng@ucl.ac.uk

实验室及团队简介

广东省城市空间信息工程重点实验室以“城市空间信息工程”为主题，面向城市规划、建设、管理与运营等重要问题，依托测绘科学与技术、地理信息科学、计算机科学和信息通讯技术等相关学科，开展城市建成环境智能感知、信息管理、分析决策等课题研究，形成城市空间信息理论、技术与方法，服务城市可持续发展战略。

深圳大学地理空间信息研究团队（GeoSpatial@SZU）以自然资源部大湾区地理环境监测重点实验室、广东省城市空间信息工程重点实验室、深圳市空间信息智能感知与服务重点实验室和深圳大学智慧城市研究院等平台为支撑，主要从事于地理信息系统、测绘与遥感理论、技术和方法及其在智慧城市、设施安全、自然资源管理等应用领域的研究工作。现有研究人员100余人，其中，院士2人、教授8人，副教授及讲师10余人、博士后40余人、研究生80余人。