一种基于通信数据预测新增建筑物区域内人口停留量的方法

技术领域

本发明涉及一种基于通信数据预测新增建筑物区域内人口停留量的方法，属于人流量预测和城市规划领域。

背景技术

LTE网络架构在4G全面覆盖、5G逐渐推广的时代，人们对于无线定位服务需求日益突出，对于手机终端实际所处位置的使用情况无法得知和分析，采用基站测量报告数据可以对上述问题进行分析和优化。使用基站测量报告数据可以计算出用户手机终端的经、纬度，且手机终端数量正比于人口数，所以不同区域下手机终端经、纬度数量正比于本区域下的人口停留量。

各区域内本身的人口停留量是可以用测量报告数据进行计算出的，但如果在区域内新增一个建筑物时，区域内的人口停留量是会发生变化的，因为正常使用的建筑物一定会吸引人口停留量，且不同功能建筑物吸引的人口停留量趋势是不同的；但是目前还没有很好的方法来预测新增建筑物所吸引的人口停留量，并且对新增建筑物附近区域的规划需要长期调研后才能制定规划，耗费人力和物力，降低了城市规划的效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种将城市以自定义栅格进行区域划分，提高城市规划效率的基于通信数据预测新增建筑物区域内人口停留量的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种基于通信数据预测新增建筑物区域内人口停留量的方法，采用如下步骤：

步骤S1.对已知某两天的原始MRO文件数据进行预处理，提取所需数据；计算手机终端的经、纬度；将提取以及计算得到的数据存入文档；所述MRO文件数据包括基站号eNB、时间提前量TA、天线到达角AOA、时间戳T和参考信号接收功率RSRP；

步骤S2.将某城市按照自定义栅格进行区域划分并统计各个栅格白天各时间点的人口停留量数据；

步骤S3.获取已知年份的新增建筑物数据，爬取新增建筑物的经、纬度和新增建筑物的POI，并将其划分到相对应的栅格内；

步骤S4.计算步骤S3的2021年X月X日栅格白天的人口停留量数据与2016年X月X日对应栅格对应时间点的人口停留量数据差，得到本栅格内新增建筑物各时间点所吸引的人口停留量；

步骤S5.对相同功能新增建筑物所吸引的人口停留量进行计算得到不同功能新增建筑物白天吸引的单位面积人口停留量趋势；

步骤S6.对相同功能新增建筑物所吸引的人口停留量进行计算得到不同功能新增建筑物白天吸引的单位面积总人口停留量。

本发明步骤S2中自定义栅格进行区域划分具体为：

找到某城市边界的经、纬度，将某城市按照1000m*1000m的栅格进行区域划分，并得出每个栅格中心的经度和纬度；

统计各个栅格白天各时间点的人口停留量数据具体为：

将以基站号eNB命名的所有文本文档里手机终端的经度和纬度划分到相对应的栅格内，并统计各个栅格每小时内手机终端的经度和纬度的数量，最后截取白天早6点-晚20点的数据，得到白天各时间点的人口停留量数据。

本发明步骤S3中的新增建筑物数据是从全国建筑市场监管公共服务平台中获取某城市已知时间段的数据；建筑物数据包括建筑物竣工时间、建筑物总面积和建筑物名称；从高德地图上爬取新增建筑物的经、纬度和新增建筑物的POI；所述已知时间段是新增建筑物的竣工时间，在2016年X月-2021年X月之间。

本发明步骤S4具体为：根据从步骤S3筛选出有新增建筑物的栅格，从步骤S2分别得到这些栅格内2021年X月X日和2016年X月X日白天的人口停留量数据并作差值，用2021年的人口停留量数据减去2016年对应栅格对应时间点的人口停留量数据；栅格内的数据差表示本栅格内新增建筑物各时间点所吸引的人口停留量，如果数据量足够大，数据的时间连贯性高，可以缩短时间尺度，例如，以年为单位甚至是一季度更新一次对新增建筑物各时间点所吸引人口停留量的预测；人口停留量数据作差值的计算公式如下:

W

公式中，W

本发明步骤S5中：对功能相同的新增建筑物所吸引的人口停留量数据进行计算，得到不同功能新增建筑物白天吸引的单位面积人口停留量趋势；如若在2016年X月至2021年X月内新增建筑物的数量够多、覆盖的区域较全面，可以在空间上对新增建筑物进行细划；单位面积人口停留量趋势计算步骤如下：

S501.将步骤S4得到的各栅格内新增建筑物各时间点所吸引的人口停留量数据除以对应栅格内新增建筑物的总面积，得到新增建筑物各时间点单位面积的人口停留量；

S502.依次将相同功能的新增建筑物各时间点单位面积的人口停留量数据对应时间点求均值，并进行归一化；

本发明步骤S6中的计算步骤如下：

S601.将步骤S4得到的相同功能的新增建筑物各时间点所吸引的人口停留量累加求和SM

S602.将步骤S3得到的相同功能的新增建筑物的总面积进行累加求和SU

S603.最终得到不同功能新增建筑物白天吸引的单位面积总人口停留量U

本发明步骤S1具体为：

所述时间提前量TA可得出手机终端距离其所挂载基站的距离S，距离S＝TA×78.125m；

天线到达角AOA可得出手机终端距离基站以正北为参考方向的方向角，以正北为零度，则手机终端位于基站的偏向角为ANG＝AOA×0.5；

计算手机终端经、纬度公式如下：

公式中：long1、lat1是基站的经度和纬度，long2、lat2是计算出的手机终端的经度和纬度；S、ANG、ARC分别是手机终端距离其所挂载基站的距离、手机终端位于基站的偏向角、地球赤道圆的半径；

所述文档为以基站号命名的文本文档，文本文档内包含：基站号eNB、手机终端的经度和纬度、时间戳T以及参考信号接收功率RSRP；具体的：

第一列为手机终端所挂载的基站号；第二列为手机终端发起请求时的时间；第三列和第四列分别为手机终端的经度和纬度；最后一列为手机终端发起请求时的参考信号接收功率；不同的手机终端经、纬度对应同一个基站，同一基站号的数据按照时间顺序写入以基站号命名的文本文档里；

本发明较全面为新增建筑物的区域覆盖整个城市内的各个区、各个县；细划为按照新增建筑物所在的区域进行划分，一个区一个区的划分、一个县一个县的划分。

本发明步骤S502中，求均值具体为：依次将相同功能的新增建筑物各时间点单位面积的人口停留量数据对应时间点累加求和，求和后的值除以本相同功能新增建筑物的个数。

本发明积极效果如下：本发明通过MRO文件数据和新增建筑物信息数据对城市中有新增建筑物区域内人口停留量的预测，将某城市按照自定义栅格进行区域划分，新增建筑物可以根据其经、纬度划分到相对应的栅格内；通过对原始MRO文件数据的处理和计算得到每个栅格的人口停留量数据，栅格内新增建筑物后与新增建筑物前人口停留量的差值表示为新增建筑物所吸引的人口停留量；对于未来新增建筑物的区域预测其区域内的人口停留量，为新增建筑物附近区域的规划、停车场及道路设施的建造提供可靠性建议，提高城市规划的效率。

附图说明

图1为本发明的流程框图；

图2为MRO文件内原始数据格式的结构示意图；

图3为基站经、纬度的文档结构示意图；

图4为预处理后的数据格式结构示意图；

图5为各个栅格对应的栅格经、纬度和白天早6点-晚20点的人口停留量结构示意图；

图6为从网页上获取石家庄已知时间段新增建筑工程信息的结构示意图；

图7为新增的商务住宅类建筑吸引的单位面积的人口停留量的趋势结构示意图；

图8为新增的公司企业类建筑吸引的单位面积的人口停留量的趋势结构示意图；

图9为新增的科教文化服务类建筑吸引的单位面积的人口停留量的趋势结构示意图；

图10为新增的医疗保健服务类建筑吸引的单位面积的人口停留量的趋势结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述说明。

如图1-10所示，本发明基于通信数据预测新增建筑物区域内人口停留量的方法，采用如下步骤：

步骤S1：对已知某两天的原始MRO文件内的数据进行预处理，提取所需数据；

所述MRO文件包含在MR数据中，MRO文件代表测量报告样本数据文件，MRO文件数据包括基站号eNB、时间提前量TA、天线到达角AOA、时间戳T和参考信号接收功率RSRP；但不包括事件触发的样本数据，通过MRO文件内的数据计算手机终端发起请求时的经、纬度，如图2所示，本实施例选择使用从石家庄基站中得到2021年3月4日和2016年4月21日两天的MRO文件数据；

步骤S2：计算得到手机终端的经、纬度；

如图3所示，分别对步骤S1中提取的两天数据进行如下操作：根据MRO文件内的基站号数据来查询各个基站的经、纬度，其中第一列为基站号eNB，第二列为基站号eNB所对应的基站经、纬度；用基站经、纬度和步骤S1中得到的相对应的时间提前量TA、天线到达角AOA，通过地学公式计算手机终端的经、纬度；

1).时间提前量TA可得出手机终端距离其所挂载基站的距离S；具体的：时间提前量TA为手机终端发起请求时信号到达基站的实际时间和假设该手机终端发起请求时与基站距离为0时发起请求时信号到达基站的时间的差值，其中最基本的时间单元是Ts，1Ts对应的时间提前量TA距离L＝(3×10

2).天线到达角AOA可得出手机终端距离基站以正北参考方向的方向角；

具体的：本实施例天线到达角AOA定义了一个手机终端相对参考方向的估计角度，测量参考方向为正北，逆时针方向，辅助确定用户所处的方位，提供定位服务，精度为0.5度，所以天线到达角AOA的值为精度的个数。本实施例计算不计基站高度，所以相当于基站的天线和用户处于同一水平面，将基站的一圈360度以0.5度为一份划分为720份，以正北为零度，则手机终端位于基站的偏向角为ANG＝AOA×0.5；

3).根据基站经、纬度，手机终端与基站的距离S以及手机终端位于基站的偏向角ANG，通过地学公式来计算得出手机终端的经、纬度，具体公式为；

公式中：long1、lat1是基站的经度和纬度，long2、lat2是计算出的手机终端的经度和纬度；S、ANG、ARC分别是手机终端距离其所挂载基站的距离、手机终端位于基站的偏向角、地球赤道圆的半径；在编程语言中，三角函数的值用的是弧度；

步骤S3：将提取以及计算得到的数据存入文档；

如图4所示，对于2021年3月4日和2016年4月21日两天的原始MRO文件数据，分别通过步骤S1和步骤S2中得到的基站号eNB、手机终端的经、纬度、时间戳T以及参考信号接收功率RSRP值以空格为间隔存入以基站号eNB命名的文本文档中，2021年3月4日的文件夹里有7128个文本文档、2016年4月21日的文件夹里有3962个文本文档(分别对两天的数据均以基站号命名文本文档，每个基站号产生一个文档，每个文档中也只包含相同的基站号，2016年和2021年石家庄的基站个数是不同的，所以两个文件夹里文档个数也是不一样的)；如图4所示，各文档中的第一列是手机终端所挂载的基站号，第二列是手机终端通信时发起请求的时间，第三列和第四列分别是手机终端的经度和纬度，最后一列是手机终端通信时的参考信号接收功率；不同的手机终端经、纬度可能对应同一个基站，因为一个基站同一时刻的承载量可以达到上千；最终将数据以基站号进行区分，同一基站号的按照时间顺序存入以基站号命名的文本文档里，方便后期计算；

步骤S4：将石家庄按照自定义栅格(1000m*1000m)进行区域划分；首先找到石家庄边界的经、纬度，即从得到的手机终端的经、纬度的数据中找到城市的最大最小经纬度围成的长方形，将石家庄进行栅格划分，栅格的长、宽均为1000m，并计算得出栅格中心点的经、纬度，因为2021年和2016年石家庄的基站数量是不同的，因而使用栅格来分析增加结果的准确性；

步骤S5：统计各个栅格白天各时间点的人口停留量数据；

本实施例分别对步骤S3中两个文件夹(2021年提取以及计算得到的数据存入基站号命名的文档内，因为基站是多个就有多个基站号就有多个文档，将文档存入2021年的文件夹里，2016年同理)里的数据进行操作，以2021年的文件夹数据为例，将文件夹里各个文档里的数据根据手机终端的经、纬度划分到相对应的栅格内，对于划分好的每个栅格内的数据以1小时为时间窗口进行累加求和(利用python代码计算每个栅格每小时<0点-1点之间、1点-2点之间>的数据数量)统计，通过统计每个栅格均会得到24小时的时间-人口停留量，一个栅格为一条数据，最后只截取白天(早6点-晚20点)的数据存入以data_time命名的文本文档，如图5所示，第一列是栅格的经度、第二列是栅格的纬度，第三列到最后分别是6点-20点各个时间点的人口停留量；由于晚上手机终端的使用者大都处于休息的状态，基本上不会进行通信，所以通过统计得到晚上的时间-人口停留量数据是有所偏差的，因此本实施例选择使用白天早6点-晚20点的时间-人口停留量数据；

注：对2016年的文件夹的数据也进行同样的操作，最后每个栅格均有两套人口停留量数据，一套是2021年3月4日的数据计算出的人口停留量，一套是2016年4月21日数据计算出的人口停留量。

步骤S6：获取已知年份的新增建筑物数据包括竣工时间、建筑总面积、建筑物名称等；

从全国建筑市场监管公共服务平台获取了石家庄2016年5月至2020年12月期间竣工的房屋建筑工程信息，包括建筑物名称、开工时间、竣工时间、建造总面积等如图6所示，共313条信息(313个建筑物)，将数据存入Excel文件里；

步骤S7：根据新增建筑物的名称爬取其大地经、纬度，并根据经纬度将新增建筑物划分到相对应的栅格内；

根据从步骤S6查询出的新增建筑物信息，依次使用建筑物名称从高德地图上爬取其大地经、纬度和新增建筑物的POI信息；每个新增建筑物均有自己的经、纬度后，根据经、纬度将新增建筑物划分到相应的栅格内，结果发现有79个栅格新增了一所建筑物，为了结果的准确性，以下描述均是以这79个栅格为例，且这79个栅格里新增建筑物的POI有商务住宅、公司企业、科教文化服务和医疗保健服务这四类一级POI；新增建筑物的POI类别是高德地图统一使用的POI分类，而本发明进行的新增建筑物功能划分均是以新增建筑物的一级POI来划分，新增建筑物的POI也就是建筑所拥有的功能，如若新增建筑物的数量足够多、POI类型多样性较高，可以用二级甚至三级POI在功能上对新增建筑物进行细分。

步骤S8：2021年3月4日栅格白天的人口停留量数据减去2016年4月21日对应栅格对应时间点的人口停留量数据，数据差表示本栅格内新增建筑物各时间点所吸引的人口停留量；

从步骤S5中得到每个栅格有两套人口停留量的数据，一套是2021年3月4日的数据计算出的人口停留量，一套是2016年4月21日数据计算出的人口停留量；对步骤S7中选出的79个栅格的人口停留量数据进行计算，每个栅格均用2021年3月4日的人口停留量数据减去2016年4月21日对应栅格对应时间点的人口停留量数据，用这个数据差来表示本栅格新增建筑物所吸引的人口停留量，计算公式如下：

W

W

一所新增建筑物从立项到竣工再到正常“运营”是需要很长时间的，所以MRO文件数据选择已有的数据中时间差较长的两天数据，新增建筑物竣工后需要一定的时间才能正常使用，所以新增建筑物选择竣工时间截止到2020年12月，距离2021年3月有一定时间间隔；且下文步骤S9找到的各功能新增建筑物白天吸引的单位面积人口停留量趋势，是根据已有的数据所观察和计算得到的，可能只适合当时新增建筑物带来的人口停留量变化；如果数据量够大、数据的时间连贯性较高，那么就可以缩短时间尺度，例如，以年甚至季度更新对各功能新增建筑物所吸引人口停留量的预测。

步骤S9：对相同功能新增建筑物所吸引的人口停留量进行计算得到不同功能新增建筑物白天吸引的单位面积人口停留量趋势；

(1)将步骤S8得到的79个栅格内新增建筑物各时间点所吸引的人口停留量数据除以对应栅格内新增建筑物的总面积，每个栅格均会得到新增建筑物各时间点单位面积的人口停留量；

(2)将功能相同(新增建筑物的一级POI相同)的新增建筑物各时间点单位面积的人口停留量数据对应时间点求均值，并进行归一化，因为79个栅格有四类一级POI，所以最终会得到四组归一化数组；

(3)为了更加直观的看出新增的四类一级POI吸引的单位面积的人口停留量的趋势，对归一化后的值用折线图进行表示，如图7-10所示；

图7为商务住宅，也就是居住区，早上6点开始居民起床出门买菜或者吃早点，再出门去上班或者进行其它需求的活动；而商务住宅附近不只是住宅区、居民楼，还会有服务于居民的其它商店，例如超市、饭店、小型商店等，这些店铺也会吸引人口，增加人口停留量，这就是为什么图7折线图的上午人口停留量处于增加的状态；中午这些小店铺吸引的人口停留量会下降，所以在中午会有一个谷值；下午18点的峰值较高，这个时间点刚好是居民区的居民结束一天的活动回到家的时候，到家后大家的手机会连接无线，导致18点之后人口停留量的统计会下降；

图8为公司企业，对于公司企业来说，上班的时间点会吸引人流量，人口停留量会增加，下班的时间点员工下班，人口停留量的统计就会下降；中午吃饭的时间点，员工会离开公司去就近的商场、小饭馆或者回家进行午餐，减少使用手机的次数；所以，上午和下午人口停留量会呈上升的趋势，中午有一个谷值，晚上下班后人口停留量呈下降趋势；

图9为科教文化服务，对于中小学、辅导机构，上午送孩子去上课和下午接孩子放学，都是人口停留量逐渐增多，所以上午和下午都会有一个峰值，中午有一个谷值，但是下午的峰值高于上午，因为下午学生是集中放学、老师集中下班，家长同一时间点接孩子，且一般下午放学时学校周围会有很多小摊铺，所以下午的峰值相对高一点；

图10为医疗保健服务，对于医院、诊所等来说基本上都是上午的人口停留量最多，大家一般都是上午去就医，尤其是周一的早上，医院上午的人员是最多的时候，下午人口停留量反而没那么多了；

对有新增建筑物的79个栅格和对应新增建筑物的数据以及四类一级POI吸引的单位面积的人口停留量的趋势进行分析，发现不同类型POI吸引的单位面积的人口停留量的趋势是有一定差别的，且每一类POI吸引的单位面积的人口停留量的趋势与现实情况相符合，均有合理的解释，证明本发明基于通信数据预测新增建筑物区域内人口停留量的方法是可行的；如若在规定时间尺度内新增建筑物的数量够多、覆盖的区域较全面，可以根据新增建筑物所在区域在空间上进行细划；随着城市的发展，城市内不同区域的发展是不均衡的，例如区级区域和县级区域，区是居民以城镇人口为主，城市化一般处于较高水平，人口密度大，流动人口相对集中，经济相对发达，县的经济没有县级市发达。对石家庄内新增的建筑来说便可以进行区级区域和县级区域的细划，区域更精细的划分，对新增建筑物区域内人口停留量的预测应更加精准。

步骤S10：对相同功能新增建筑物所吸引的人口停留量进行计算得到不同功能新增建筑物白天吸引的单位面积总人口停留量；

(1)将步骤S8得到的相同功能(一级POI相同)的新增建筑物各时间点所吸引的人口停留量累加求和SM

(2)将步骤S6得到的相同功能(一级POI相同)的新增建筑物的总面积进行累加求和SU

(3)最终得到不同功能新增建筑物白天吸引的单位面积总人口停留量U

得到的四类一级POI新增建筑物白天吸引的单位面积总人口停留量分别为：商务住宅为10人/m

本发明方法还适用于对建筑物拆除区域内人口停留量的预测，具体的：

建筑物的拆除带来最直接的影响便是人口的流动，在拆除过程中，建筑物拆除前长期停留在此地的人口、需要满足某种活动而前往此地的人口将不会再停留和前往此地，那么建筑物拆除的区域就会有人口停留量的流失，而建筑物新增区域是吸引人口停留量，可见建筑物的拆除和新增是相似的，不过一个是人口停留量的流失、一个是人口停留量的吸引，因而本发明方法也适用于对建筑物拆除区域内人口停留量的预测，为建筑物拆除区域内的规划、基础设施的调整、是否需要新增某功能建筑物提供可靠性建议；需要注意的是本发明方法中栅格内人口停留量的差值需用建筑物拆除前MRO文件数据计算出的人口停留量减去拆除后MRO文件数据计算出的人口停留量，差值则表示建筑物拆除所流失的人口停留量；

在本实施例中，本发明方法通过对原始MRO文件内的数据和新增建筑物信息进行预处理以及各种计算实现对新增建筑物区域内人口停留量的预测；实验证明，通过本发明方法，使用两天不同年份的MRO文件数据以及在这两天之间已经竣工的新增建筑物信息可以对新增建筑物区域内人口停留量进行预测。

本发明通过MRO文件数据和新增建筑物信息数据对城市中有新增建筑物区域内人口停留量的预测，将某城市按照自定义栅格进行区域划分，新增建筑物可以根据其经、纬度划分到相对应的栅格内；用两天不同年份的对应栅格对应时间点人口停留量数据差来表示本栅格内新增建筑物各时间点吸引的人口停留量，可以对相同功能新增建筑物的人口停留量求单位面积的均值以及归一化，最后可以得到各功能新增建筑物白天早6点-晚20点吸引人口停留量的一个趋势，因此可对城市中新增建筑物区域内人口停留量进行预测，为新增建筑物附近区域的规划、停车场及道路设施的建造提供可靠性建议，提高了城市规划的效率。

本发明方法也适用于对建筑物拆除区域内人口停留量的预测；通过对区域内各时间点人口停留量的预测，可对区域的功能进行规划，例如，新增建筑物附近区域的规划、停车场及道路设施的建造，为建筑物拆除区域的规划、基础设施的调整、是否需要新增某功能建筑物；本发明方法可用于城市建筑物规划区域内人口停留量的分析及规划。