電子地圖技術(shù)在全球傳染病疫情網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

巴劍波，連凌，欒潔，徐雄利，盧姍姍

全球傳染病疫情監(jiān)測預(yù)警是我國軍隊成建制走出國門，有效履行維護我國全球權(quán)益、保護我國海外利益、踐行聯(lián)合國維和使命的重要工作，是維護全球部署中國軍隊官兵健康的重要一環(huán)。“全球傳染病疫情網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)”[1](http://27. 115.41.130:8888/OBN/)是本課題組自主建設(shè)、自動運維、實時更新的全球傳染病監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。為更好地收集、整理和呈現(xiàn)全球傳染病疫情數(shù)據(jù)，課題組采用了多種電子地圖技術(shù)，以使該系統(tǒng)能更直觀地呈現(xiàn)傳染病疫情數(shù)據(jù)、系統(tǒng)用戶數(shù)據(jù)等，使得該系統(tǒng)更受到用戶的歡迎。

本文主要介紹“全球傳染病疫情網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)”中用到的3種不同電子地圖的實現(xiàn)方案，并就其技術(shù)應(yīng)用和實現(xiàn)進行討論。

1 系統(tǒng)中電子地圖的實現(xiàn)方案

“全球傳染病疫情網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)”中包括了大量具有地理屬性的數(shù)據(jù)，例如傳染病疫情數(shù)據(jù)、傳染病流行國家和地區(qū)、系統(tǒng)用戶管理數(shù)據(jù)等。采用電子地圖技術(shù)是直觀呈現(xiàn)的理想方式。出于成本和安全性的考慮，本系統(tǒng)沒有采用在地理信息系統(tǒng)(GIS)平臺上構(gòu)建系統(tǒng)的方式，而是利用互聯(lián)網(wǎng)地圖工具，如百度地圖(免費版)、高德地圖(免費版)、矢量地圖(國家自然資源部提供)等，實現(xiàn)了地圖在本系統(tǒng)中的應(yīng)用。

系統(tǒng)采用前后端分離的架構(gòu)。前端采用Html+JavaScript，后端采用Web API提供服務(wù)接口、數(shù)據(jù)庫交互、數(shù)據(jù)運算，前端網(wǎng)頁通過AJAX技術(shù)與后端API接口進行交互。

系統(tǒng)于2019年11月完成試運行并通過驗收，到發(fā)稿時已正式運行1年。

1.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理的百度地圖(免費版)實現(xiàn)方案 本系統(tǒng)中，需要實現(xiàn)某項系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)的區(qū)域數(shù)量分析，開發(fā)團隊利用百度地圖API所提供的“地址解析”和“點聚合”兩個功能進行二次開發(fā)[2]。

當本系統(tǒng)向百度地圖的“地址解析”接口輸入地址信息，例如XX市XX路XX號，百度地圖將根據(jù)地址信息在圖上進行標注。當圖上的2個或2個以上的標注點發(fā)生重疊時，百度地圖會自動將重疊的標注點替換為數(shù)字標注，在百度地圖API中，此項功能稱為“點聚合”。

可見，基于地址信息的數(shù)據(jù)管理和分析采用百度地圖的“地址解析”和“點聚合”功能是一種理想的解決方案。

百度地圖的二次開發(fā)有多種方式，由于本項目是一個基于PC瀏覽器場景的服務(wù)網(wǎng)站，故采用了JavaScript API方式。具體實現(xiàn)方法是在前端頁面中引用百度開放平臺提供的JavaScript腳本文件：http://api.map.baidu.com/api，并在參數(shù)中填寫百度地圖賬戶的密鑰。在網(wǎng)站日訪問量不是很高的情況下，使用百度地圖應(yīng)用程序編程接口(application programming interface，API)不需要額外付費。

引用上述腳本以后，即可以在本地頁面腳本中使用百度地圖的對象BMap實現(xiàn)其所提供的各種功能。

1.2 疫情數(shù)據(jù)熱點分布的高德地圖(免費版)實現(xiàn)方案 以2019年12月爆發(fā)的新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)疫情為例說明疫情數(shù)據(jù)熱點分布的高德地圖(免費版)實現(xiàn)方案。為了及時跟蹤監(jiān)測COVID-19疫情發(fā)展和進程，需要以熱點圖形式開發(fā)實現(xiàn)全球COVID-19疫情流行與分布的地圖模塊。按照系統(tǒng)設(shè)計，希望能夠在電子地圖上以不同半徑的圓點顯示COVID-19疫情在各個國家和地區(qū)確診數(shù)量、規(guī)模和聚集程度。由于熱點圓圈半徑的大小與該地區(qū)COVID-19疫情確診數(shù)量呈階梯函數(shù)關(guān)系，且確診病例并不流動或改變位置，因此，需要能準確并直觀呈現(xiàn)COVID-19疫情的規(guī)模和聚集程度，而避免造成視覺錯誤信息或印象。在本系統(tǒng)中，采用高德地圖API進行二次開發(fā)，利用其提供的“點動態(tài)樣式”功能[3]。

當系統(tǒng)向高德地圖接口輸入經(jīng)緯度和疫情數(shù)值，高德地圖就能夠直觀地呈現(xiàn)與疫情數(shù)據(jù)相匹配的不同等級半徑的熱點圖，使得系統(tǒng)用戶能直觀地了解疫情規(guī)模和聚集程度，有利于用戶對COVID-19疫情的監(jiān)測預(yù)警。在調(diào)用高德地圖“點動態(tài)樣式”接口時，需要預(yù)先設(shè)定輸入數(shù)據(jù)的最小值、最大值，以及圓點半徑的最小值、最大值，高德地圖會自動進行數(shù)據(jù)匹配。由于高德地圖的數(shù)據(jù)匹配是線性的，而實際應(yīng)用中，用戶并不希望點半徑與數(shù)據(jù)值的關(guān)系是線性的，而是類似于拋物線的函數(shù)關(guān)系。因此，系統(tǒng)后臺服務(wù)對數(shù)據(jù)進行了預(yù)處理，將COVID-19疫情確診數(shù)據(jù)進行計算擬合后，再將修正后的數(shù)值輸出給高德地圖，從而實現(xiàn)了設(shè)計要求。

百度地圖也有類似數(shù)據(jù)聚集展現(xiàn)功能，稱為“熱力圖”，比較適合顯示人流密度、車流密度等需要顯示聚集程度的數(shù)據(jù)。

與百度地圖類似，高德地圖的二次開發(fā)也有多種方式，基于上一節(jié)中同樣的理由，本系統(tǒng)選擇了JavaScript API方式。方法是在前端頁面中引用高德地圖提供的JavaScript腳本文件：https://webapi.amap.com/maps，并在參數(shù)中填寫高德地圖賬戶的密鑰。在網(wǎng)站日訪問量不是很高的情況下，使用高德地圖API不需要額外付費。

引用上述腳本以后，即可以在本地頁面腳本中使用高德地圖的對象AMap實現(xiàn)高德地圖提供的各種功能。

可以發(fā)現(xiàn)，百度地圖和高德地圖的開發(fā)調(diào)用方式、接口函數(shù)的定義都是非常近似的。但就所提供的功能而言，兩者各有特色，可根據(jù)實際應(yīng)用場景進行選擇。

1.3 全球疫情數(shù)據(jù)等級分布的國家行政區(qū)劃矢量地圖實現(xiàn)方案 為了能全景式展示流行于各個國家和地區(qū)的百余種傳染病的流行態(tài)勢和流行強度，需要在世界地圖的縮放比例上，以各個國家和地區(qū)行政區(qū)劃圖為基礎(chǔ)，根據(jù)各個國家和地區(qū)傳染病疫情規(guī)模和數(shù)量進行流行分級，并通過不同顏色標注直觀呈現(xiàn)。

無論是百度地圖還是高德地圖，都偏重于國內(nèi)應(yīng)用，對于世界地圖的支持是比較弱的。因此在本系統(tǒng)中，開發(fā)團隊自主編寫了一系列JavaScript腳本，通過地圖數(shù)據(jù)處理和動態(tài)著色、鼠標懸停等功能的開發(fā)，實現(xiàn)了全球疫情數(shù)據(jù)等級分布顯示，見圖1。

注：該電子地圖采用國家自然資源部公開發(fā)行的標準矢量地圖[GS(2016)1664號]。系統(tǒng)中每日監(jiān)測到的傳染病信息和數(shù)據(jù)可實時在該標準矢量地圖上以國家色塊和顏色表示。以各個國家各種傳染病監(jiān)測病例數(shù)之和為依據(jù)，以3、30、300、3 000為等級劃分標準，分別采用嫩綠、草綠、藍綠和墨綠顏色標識。該圖能直觀顯示各國家和地區(qū)傳染病發(fā)生及其發(fā)生強度和態(tài)勢。圖1 全球傳染病數(shù)據(jù)等級分布的矢量圖(2020-05-08系統(tǒng)截圖)

當系統(tǒng)收集整理全球各種傳染病爆發(fā)流行數(shù)據(jù)并生成表單數(shù)據(jù)后，在矢量地圖的不同圖層上將自動匹配國家和地區(qū)，并根據(jù)疫情流行強度的等級劃分賦予不同的顏色標記，使得矢量地圖上能顯示出該疾病流行范圍和流行強度，并能通過時間維度數(shù)據(jù)的改變直觀地研判和預(yù)警傳染病流行態(tài)勢和發(fā)展趨勢。

地圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用的是國家自然資源部官網(wǎng)(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/)提供的標準矢量地圖[GS(2016)1664號]。盡管互聯(lián)網(wǎng)上有很多現(xiàn)成的矢量地圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)或者腳本，但由于編寫者多來自國外，故大多是以大西洋為中心，不符合我國的規(guī)定。更為嚴重的是，地圖數(shù)據(jù)也往往與我國官方承認的國界存在不一致。為避免以上的問題，本系統(tǒng)使用了國家自然資源部公布的地圖數(shù)據(jù)。

該官網(wǎng)提供的地圖數(shù)據(jù)是EPS格式的矢量圖形文件，網(wǎng)頁無法顯示。需要先將EPS轉(zhuǎn)換為SVG格式。Internet Explorer 9，Edge，F(xiàn)irefox，Chrome，Opera和Safari都支持SVG，IE 8和更早期的版本都需要一個插件,如Adobe SVG瀏覽器，這是免費提供的。EPS轉(zhuǎn)SVG的工具有很多，比如Adobe Illustrator。

從官網(wǎng)下載到的文件原圖包含了很多圖層，并且國家邊界、海陸邊界的描繪非常精細。地圖文件的大小達到35 M字節(jié)。直接在網(wǎng)頁上加載如此巨大的數(shù)據(jù)量，是無法達到令人滿意的效果的。由于在本系統(tǒng)中，地圖只是作為國家區(qū)塊設(shè)色之用，不需要太詳細的邊界細節(jié)，因此,筆者對轉(zhuǎn)換生成的SVG數(shù)據(jù)進行了圖層的精簡，和對次要節(jié)點的歸并，大大壓縮了數(shù)據(jù)量，隨后，為每一個SVG繪制路徑(Path)定義ID，與國家名稱數(shù)組匹配。完成這些基礎(chǔ)工作后，開發(fā)團隊編寫了JavaScript腳本，控制SVG的繪制、著色，鼠標懸停事件的掛載等等，即可實現(xiàn)了圖1的效果。

2 電子地圖使用討論和注意事項

在即將進入5G的時代，電子地圖的使用越來越多地受到青睞，其直觀的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)也改善了用戶體驗。電子地圖可以非常方便地對普通地圖的內(nèi)容進行任意形式的要素組合、拼接，形成新的地圖，可以對電子地圖進行任意比例尺、任意范圍的繪圖輸出。“全球傳染病疫情監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)”中的幾乎所有數(shù)據(jù)都具有地理屬性，采用電子地圖是比較理想的系統(tǒng)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式，然而依據(jù)各個功能實現(xiàn)要求的不同，可以有不同電子地圖選擇方案。

通常有3種電子地圖選用方式，其一，是系統(tǒng)建立在地理信息系統(tǒng)(geographic information system, GIS)平臺上，比如約翰霍普金斯大學(xué)在ArcGIS平臺上建立的全球COVID-19病例監(jiān)測系統(tǒng)；其二，是采用外部地圖工具，比如百度地圖BMap、高德地圖AMap、谷歌地圖Google Map等；其三，是采用標準矢量地圖進行繪制，自行編寫實現(xiàn)代碼。每種方式各有其優(yōu)缺點和適用范圍。專業(yè)的GIS系統(tǒng)，比如ArcGIS，具備強大的地理信息系統(tǒng)功能，是最簡單快速的地圖應(yīng)用方式，但是新建系統(tǒng)將需要構(gòu)建在專業(yè)GIS網(wǎng)站上，缺乏數(shù)據(jù)的保護性和系統(tǒng)的獨立性；外部地圖工具可以提供大量的API接口，而且今后還會開發(fā)出更多的數(shù)據(jù)接口，可應(yīng)用范圍將會有極大拓展，但是也存在地圖縮放比例限制、行政區(qū)劃數(shù)據(jù)不全、政治敏感等問題；矢量地圖是比較靈活自主的應(yīng)用方式，卻也存在開發(fā)資源需求多、研發(fā)周期長、穩(wěn)定性不佳等缺點。“全球傳染病疫情網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)”用于傳染病監(jiān)測預(yù)警科研使用，不涉及復(fù)雜和公開的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，由此選擇利用外部地圖工具和矢量地圖的方式進行研發(fā)。

在軟件系統(tǒng)開發(fā)中，電子地圖的選擇應(yīng)慎重，需要符合原國土資源部國家測繪局關(guān)于《互聯(lián)網(wǎng)地圖服務(wù)專業(yè)標準》[4](國測管發(fā)[2010]14號)的要求，主要涉及國家主權(quán)信息準確性、行政區(qū)劃標準規(guī)范性，以及世界地圖必須以中國為中心等規(guī)定。因此，如采用電子地圖開發(fā)軟件系統(tǒng)，應(yīng)優(yōu)先選擇國家自然資源部提供的各種比例尺電子地圖，以及國產(chǎn)電子地圖工具。