本发明属于城市规划技术领域，特别涉及一种基于手机信令数据的城市人口分布密度实时动态测量方法。
背景技术：
人口的空间分布是指某时间节点上人口的分布状况，是人口在空间上的表现形式。随着城市化的推进，城市人口密度日趋升高，带来了人流、车流拥堵等城市问题以及踩踏事件、群体冲突等各种各样的城市隐患，同时产生了城市监测城市实时人口密度分布的需求。
随着手机数据的应用逐渐普及，国内外逐渐意识到应用手机数据进行人口分布动态记录的可能性。手机信令数据是一种由用户手机生成的数据，当手机发生开机、关机、主叫、被叫、收发短信、切换基站或移动交换中心、周期性位置更新时，手机识别号、信令成功时间、当时所处的基站小区编号等信息以手机信令数据的形式通过基站反馈给通讯服务商网络。在不触犯用户隐私的前提下，通讯服务商可以向城市管理机构提供匿名手机信令数据，匿名手机信令数据是剔除了用户属性之后的加密手机识别号，不涉及手机用户的个人信息，同时不加区分地覆盖了所有手机用户，提供了丰富、完整的人流活动的信息，因而具有广阔的应用价值。
对于手机信令数据的空间识别是目前使用手机信令数据进行人口密度分布检测固有瓶颈。由于基站根据用户使用强度布置，基站之间的距离变化幅度较大，自200米-2000米总体呈现自城市中心到外围逐渐增加的趋势。因此，每个基站的信息仅能直接对应其所服务的信号小区，面积在数公顷至数平方公里不等，难以将数据进一步细化，尤其是落实到具有城市规划意义的空间单元。目前的研究中，主要有以下若干方法：
(1)基于道路匹配的手机信令用户空间识别
该方法通过将基站以500m作为缓冲半径(城市里一般基站的覆盖范围是500m)，与道路进行叠加分析，把基站拟合到道路上经过基站缓冲与道路叠加分析，得到每条道路上分布不同的基站序列，以此作为道路的基站切换序列，记为Ri＝{n1,n2,……,nk}，其中Ri表示第i条道路，nk表示基站序列中第k个基站；同时，通过用户手机切换信令数据按照时间维度进行排列，可以得到每个用户经过的一系列基站的切换序列Uj＝{n1,n2,……,nm}。然后对每个用户的移动切换序列与道路的基站切换序列进行相似度计算，获得与该用户移动轨迹和道路匹配的信息，从而筛选出在道路上的用户。该方法由于使用道路作为手机用户的统计单元，目前仅限于城市交通规划领域，难以在整个城市人口分布监测中加以应用。
(2)基于平面密度的手机信令用户空间识别
该方法依据基站坐标进行地理空间定位，采用核密度分析法，按每一基站连接用户数依据平面密度计算，得到用户密度空间分布结果以栅格表示。搜索半径考虑了中心城内基站的覆盖范围(半径500-1000m)及基站之间的平均距离。该方法在宏观区域尺度上具有较高的可操作性，但隐含了一个默认前提，即信令用户在基站内的平面范围内是均匀分布的，这一前提在中微观空间尺度上并不成立，在实际测量中1公顷绿地与1公顷容积率商务街区测量得到相同的人口密度，由于容积率不同造成的人口密度差异难以体现。随着监测区域建筑密度的提高，由于街区容积率的不同，使该方法在建筑容积率越高的地区测量误差越大，在中微观尺度上往往难以具体获得一个空间范围内的人口数据。
技术实现要素：
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种能够快速精确的基于手机信令数据的城市人口分布密度实时动态测量方法，能够在宏观层面总体的反映城市人口分布，也能在微观层面精确直观表现人口聚集的动态变化，便于城市管理部门的监测管理。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种城市人口分布密度实时动态测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通过城市标准测绘地形图来建立地理信息系统模块，其中城市标准测绘地形图包含城市用地形态、城市用地功能、建筑面积和建筑功能；
步骤2：通过与手机通信服务商联网获得匿名手机信令数据，其中匿名手机信令数据包括基站编号、基站地理坐标和基站服务手机量；
步骤3：通过从手机通信服务商和地理信息系统模块中获得的数据建立城市空间数据库；
步骤4：通过计算模块计算每块城市用地的手机终端实时空间分布密度；
步骤5：通过计算模块换算每块城市用地的人口实时空间分布密度；
步骤6：将生成的人口空间分布密度通过存储设备进行存储，并通过输出设备将每块城市用地的人口实时空间分布密度进行同步显示。
其中步骤1中依托地理信息系统模块建立城市标准测绘地形图的具体步骤如下：
步骤1.1：在地理信息系统模块中导入用地信息，以2000国家大地坐标系将城市用地形态和城市用地功能在城市标准测绘地形图上进行标注；
步骤1.2：在地理信息系统模块中导入建筑信息，以2000国家大地坐标系将建筑轮廓、建筑层数、建筑面积和建筑功能在城市标准测绘地形图上进行标注，其中计算建筑总面积SI的计算公式为：
SI＝S′I×N
其中S′I为建筑轮廓面积，N为建筑层数；
步骤1.3：通过城市用地形态、城市用地功能、建筑轮廓、建筑层数、建筑面积和建筑功能来绘制城市标准测绘地形图，并将城市标准地形图导入地理信息系统模块中，其中城市标准绘制地形图范围为城市市区，地形图精度为1:1000以上。
其中步骤2中通过与手机通信服务商联网获得匿名手机信令数据的具体步骤如下：
步骤2.1：系统与手机运营商联网，获得实时匿名手机信令数据，匿名手机信令数据更新周期为5-30秒一次，数据内容包括基站编号、基站地理坐标和基站服务手机量；其中匿名手机信令数据使用剔除了用户属性之后的加密手机识别号，不涉及手机用户的个人信息；
步骤2.2：在城市空间数据库中形成信令小区，将基站地理坐标以2000国家大地坐标系导入城市空间数据库，同时依据泰森多边形算法，生成每个基站所服务的信令小区范围；
其中步骤3中城市空间数据库包括从手机通信服务商获取的基站服务手机量，其中基站服务手机终端数量为Dmn,其中m为基站编号,n为时间编号。
其中步骤4中通过计算模块计算每块城市用地的手机终端实时空间分布密度的具体步骤如下：
步骤4.1：对信令小区进行再切分，根据城市用地形态不同，划分信令微区块，在城市空间数据库中将信令小区轮廓与建筑用地轮廓叠合，其中叠合交线分割的范围为信令微区块，每个信令微区块具有相同用地属性和从属同一信令小区的特征；
步骤4.2：使用计算模块生成各个信令微区块内的空间面积，计算模块调用城市空间数据库中的信令微区块轮廓、建筑轮廓和建筑总面积的数据，并统计各个信令微区块内的空间面积，公式如下：
Si＝S′i+SIi-S′Ii
其中，Si为编号为i的微区块的空间面积，S′i为编号为i的微区块的用地面积，SIi为编号为i的微区块的建筑总面积，S′Ii为编号为i的微区块的建筑轮廓面积。即微区块空间面积为区块内所有可供人类活动使用的平面面积，包括所有室内建筑面积SI和所有室外面积(S′-S′I)；
步骤4.3：使用计算模块统计各个信令小区内的空间面积；
根据各个信令微区块内的空间面积，将属于同一信令小区的微区块进行归并，计算每个信令小区内的空间面积；
步骤4.4：使用计算模块统计测算信令小区内每个信令微区块的手机用户数量，基于同一信令小区内手机端分布在空间平面上密度相等的假设，同一信令小区内不同微区块的手机用户数量与其空间面积成正比，然后用计算模块通过空间面积测算信令小区内各个微区块的手机用户数量
其中D为信令小区的手机用户总数，Di为信令小区内编号为i的信令微区块的手机用户数量，S为信令小区的空间面积，Si为信令小区内编号为i的信令微区块的空间面积；
步骤4.5：使用计算模块统计测算各个城市用地内的手机用户数量，使用计算模块统计各个微区块内的手机用户数量，将属于同一城市用地的功能碎片进行归并，计算各个城市用地内的手机用户数量，
其中，D′为某用地的手机用户数量，Dn为用地内编号为n的微区块的手机用户数量。
其中步骤5中通过计算模块换算每块城市用地的人口实时空间分布密度的具体步骤如下：
步骤:5.1：根据手机通讯服务商在该市的市场占有率设定比例系数为K；
步骤5.2：使用计算模块生成目前位于各城市用地的人口总数P，公式为：
其中比例系数K为手机通讯服务商在该市的市场占有率，D′为该用地的手机用户数量；
步骤5.3：使用计算模块生成各用地的空间密度M，公式为
其中，P为该城市用地的人口总数，S为该城市用地的空间面积。
本发明通过利用手机实时信令数据，结合城市空间数据库，以空间人口密度的方法，动态监测城市各个街区的空间人口密度分布，作为城市管理、交通管理、灾害预警的重要依据。本发明的基本思想是：首先利用手机通讯服务商提供的匿名手机信令数据，获得城市内各基站的信令小区范围和基站服务手机终端数量的实时数据；其次通过基于地理信息系统的城市空间数据库，获得基站信令小区内各街区的建筑面积和用地性质；再次，通过信令小区的实时服务手机终端数量和小区内各街区的建筑面积，换算各街区各建筑内的空间人口密度。本发明解决了传统人口密度计算方法中建筑规模因素造成的干扰，提高了城市尤其是中心区等公共建筑密集地区的人口密度分布计算的精确性。同时本发明基于与手机通讯服务商联网获得的实时手机信令数据，可以对中心区、交通干线、大型赛事和节日现场等城市重点地段的人口密度分布进行实时监测，有能力在交通拥堵、人群踩踏、群体冲突等城市灾害进行提前预警，在城市管理、交通管理和城市规划工程领域有广阔应用价值。
有益效果：本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)误差更小。本发明相比传统的基于平面密度的手机信令用户空间识别方法，使用空间面积而非平面面积进行手机数量分配，有效克服了容积率对用户密度监测造成的误差，提高了在城市中心区等建设较为密集的城市重点地段的手机信令用户空间识别的精度，更加适合城市管理部门对城市重点地段人流密度监测的需求。
(2)监测单元更小更精确。本发明以城市用地作为监测单元，在全城监测中精度平均可以达到以100X100米的尺度，而在中心区等城市重点地段可以达到20X20米的尺度。
(3)动态实时显示：由于本发明所利用的手机信令数据基于电脑联网数据自动采集与分析，具有实时更新、更新周期短的特点，因此可以实时对城市人口密度分布进行监测，并通过显示屏幕进行即时显示更新，实现对城市人口密度分布的动态监测。
(4)节省费用：可以充分利用手机通讯基站等既有设备，不需要增添大型设备与器材；仅需要少量工作人员进行维护，不需要投入大量人力进行调查，节省成本。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为具体实施例中上海城市空间数据库；
图3为本发明与传统基于平面密度的人口分布密度测量方法的对比示意图；
图4为具体实施例中上海某通讯服务商基站布点及信令小区划分图；
图5为具体实施例中某时刻上海全市域人口空间密度分布图；
图6为具体实施例中某时刻上海中心城区重点地段空间人口密度分布显示效果图。
具体实施方式
以下将结合上海城市人口密度实时监测为例来详细地说明本发明的技术方案，如图1所示，本发明的具体实施包括以下步骤：
步骤1：通过城市标准测绘地形图来建立地理信息系统模块，其中城市标准测绘地形图包含城市用地形态、城市用地功能、建筑面积和建筑功能。
步骤1.1：在地理信息系统模块中导入用地信息，以2000国家大地坐标系将城市用地形态和城市用地功能在城市标准测绘地形图上进行标注；
步骤1.2：在地理信息系统模块中导入建筑信息，以2000国家大地坐标系将建筑轮廓、建筑层数、建筑面积和建筑功能在城市标准测绘地形图上进行标注，其中计算建筑总面积SI的计算公式为：
SI＝S′I×N
其中S′I为建筑轮廓面积，N为建筑层数；
步骤1.3：通过城市用地形态、城市用地功能、建筑轮廓、建筑层数、建筑面积和建筑功能来绘制上海市域范围城市标准测绘地形图，并将上海市域范围城市标准测绘地形图导入地理信息系统模块中，并最后通过地理信息系统模块输入城市空间数据库如图4所示。地形图范围为城市市区，地形图精度为1:1000，面积为6300万平方公里，地形图标注内容包括：用地轮廓、用地功能(分类依据城市用地分类与规划建设用地标准(GB50137-2011)至中类)、建筑轮廓、建筑层数等信息。
步骤2：通过与手机通信服务商联网获得匿名手机信令数据，获得城市内各基站的信令小区范围和基站服务手机终端数量的实时信息。
步骤2.1：系统与上海市的中国某通讯运营商联网，获得实时手机2G信令匿名数据。手机信令匿名数据更新周期为5-30秒一次，数据内容包括基站编号、基站地理坐标、该时刻各基站服务的手机终端数量。信令数据使用剔除了用户属性之后的加密手机识别号，不涉及手机用户的个人信息。上海市域内9578个基站每一日手机信令数据中记录到了约2000万个不同手机识别号，代表了约2000万个2G手机用户(图2)。
步骤2.2：在城市空间数据库中形成信令小区。将基站地理坐标以2000国家大地坐标系导入城市空间数据库，依据泰森多边形算法，生成每个基站所服务的信令小区范围。
步骤3：通过从手机通信服务商和地理信息系统模块中获得的数据建立城市空间数据库；城市空间数据库包括从手机通信服务商获取的基站服务手机量，其中基站服务手机终端数量为Dmn,其中m为基站编号,n为时间编号。
步骤4：通过计算模块计算每块城市用地的手机终端实时空间分布密度(如图3)。
步骤4.1：对信令小区进行再切分，根据用地不同，划分信令微区块。在城市空间数据库中将信令小区轮廓与用地轮廓叠合，叠合交线分割的范围为信令微区块，每个信令微区块具有相同用地属性和从属同一信令小区的特征。
步骤4.2使用计算模块生成各个信令微区块内的空间面积。
计算模块调用城市空间数据库中的信令微区块轮廓、建筑轮廓、建筑总面积数据，统计各个信令微区块内的空间面积，公式如下：
Si＝S′i+SIi-S′Ii
其中，Si为编号为i的微区块的空间面积，S′i为编号为i的微区块的用地面积，SIi为编号为i的微区块的建筑总面积，S′Ii为编号为i的微区块的建筑轮廓面积。即微区块空间面积为区块内所有可供人类活动使用的平面面积，包括所有室内建筑面积SI和所有室外面积(S′-S′I)；
步骤4.3：使用计算模块统计各个信令小区内的空间面积。
根据各个信令微区块内的空间面积，将属于同一信令小区的微区块进行归并，计算各个信令小区内的空间面积。
步骤4.4：使用计算模块统计测算信令小区内各个信令微区块的手机用户数量。
基于同一信令小区内手机端分布在空间平面上密度相等的假设，同一信令小区内不同微区块的手机用户数量与其空间面积成正比，在计算模块通过空间面积测算信令小区内各个微区块的手机用户数量。
D为信令小区的手机用户总数，Di为信令小区内编号为i的信令微区块的手机用户数量，S为信令小区的空间面积，Si为信令小区内编号为i的信令微区块的空间面积。
步骤4.5：使用计算模块统计测算各个城市用地内的手机用户数量。
使用计算模块统计各个微区块内的手机用户数量，将属于同一城市用地的功能碎片进行归并，计算各个用地内的手机用户数量。
其中，D′为某用地的手机用户数量，Dn为用地内编号为n的微区块的手机用户数量。
步骤5：通过计算模块换算每块城市用地的人口实时空间分布密度如图5所示。
步骤5.1：根据手机通讯服务商在该市的市场占有率设定比例系数K。
步骤5.2：使用计算模块生成目前位于各城市用地的人口总数P，公式为：
其中比例系数K为手机通讯服务商在该市的市场占有率，D′为该用地的手机用户数量。
步骤5.3：使用计算模块生成各用地的空间密度M，公式为
其中，P为该城市用地的人口总数，S为该城市用地的空间面积。
步骤6：将生成的人口实时空间分布密度存储，并通过屏幕将每块城市用地的空间密度同步显示，其中效果图如图6所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。