法庭科学地理信息标记系统研发与应用展望
孙振文1,朱 军1,乔 婷1,张冠男1,马红旺2
(1.公安部物证鉴定中心,北京 100038; 2.易智瑞(中国)信息技术有限公司,北京 100007)
摘 要: 近年来,地理信息系统以其数据高度融合、空间精准定位、交互智能直观等特点广泛应用于社区治安、消防救援、交通指挥、重大灾难管理和响应、突发事件应急处置等方面,为各类重大决策提供了科学有效的辅助支撑,但在物证鉴定和法庭诉讼领域的应用尚属空白。本文在对国内外法庭地质学相关数据库建设现状进行综述的基础上,从总体框架、功能模块设计、数据库构建、方案设计和开发方式等角度介绍了法庭科学地理信息标记系统的研发,最后对法庭科学地理信息标记系统的应用前景进行了展望。
关键词: 地理信息系统;法庭科学;微量物证;公安信息化
近年来,地理信息系统(geographic information system, GIS)以其数据高度融合、空间精准定位、交互智能直观等特点广泛应用于社会生活中的各个领域,三维成像、图像处理、人工智能等计算机技术的飞速发展为GIS提供了先进的工具和手段,也为将GIS应用于公共安全领域奠定了基础。但目前GIS在公共安全领域的应用主要涉及社区治安、消防救援、交通指挥、重大灾难管理和响应等突发事件的应急处置、实时监控和决策辅助方面,在案事件现场物证比对、物证数据库建设以及法庭诉讼方面的应用尚属空白[1]。为将法庭地质学和GIS技术更好地应用于侦查破案,急需建立一个融合案事件现场土壤、矿物、岩石、植物等物证属性信息与地理空间信息于一体的法庭科学地理信息标记系统(geographic information marking system in forensic science,FGIMS),实现泥土等物证与地理空间信息的关联,为法庭科学领域物证溯源和区域环境推断提供支撑。同时,FGIMS可在统一的公共平台上开展物证地理信息标记和应用,避免重复建设,提高信息共享和综合利用水平。
1 国内外法庭地质学数据库建设现状
法庭地质学是通过研究与土壤、矿物、岩石、化石和其他材料有关的证据,来确定检材和样本是否有可能具备共同来源或判断被检测物证来自何处的一门学科[2]。其主要目的是利用土壤学、地质学、统计学等手段深入挖掘和系统解析蕴含地理空间信息的现场物证,从而实现物证溯源。洛卡德物质交换原理是法庭地质学在实际案件中应用的理论基础。法庭地质学最早起源于1893年,汉斯·格罗斯在其著作《检察官手册》中首次提到了法庭地质学。1904年,德国化学家乔治·波普首次将地质学证据成功应用于案件中,真正确立了法庭地质学的地位,随后雷蒙德·默里在1975年出版了《源自地球的证据-法庭地质学与犯罪调查》一书(1986年再版),法庭地质学理论体系初步构建,此后在一些恐怖袭击事件、严重暴力犯罪、跨国案件中逐渐得到推广应用[3]。早期法庭地质学的应用主要以物证比对为主,即通过检验泥土、矿物、植物等物证的特征指标,判断检材和样本的来源是否相同,进而推断现场物证的来源。近年来,随着仪器分析及物证技术的发展,植物、微生物、孢粉等成为法庭地质学新的研究对象。应用实践证明,土壤、矿物、岩石、植物等物证具有较高的差异性和证明价值,通过对此类物证进行检验能将犯罪嫌疑人和犯罪现场紧密联系起来,为侦查提供线索和方向,为法庭诉讼提供证据。此外,针对泥土、植物种子等物证转移规律的研究也逐渐成为法庭科学领域的热门研究方向[4]。但近年来随着犯罪分子反侦查意识的不断提高,常规的法庭地质学分析技术已难以满足犯罪调查的需求,建立数据库和信息系统成为必然趋势。
任何投资都存在风险,购买个人理财产品本身也是一种投资,其本身也存在一定的风险,而我国居民大都对风险的认知程度不够,仅仅看重收益率。2018年6月份以来频频爆出的P2P“暴雷”事件就是一个很好的佐证。实质上,理财产品其本身是存在一定风险,即使是保本型理财产品也要面临着通货膨胀风险,忽视风险可能会导致个人投资者产生一定的财产损失。
国内外法庭地质学数据库的建立以土壤数据库为主,矿物、岩石、植物等数据库的研究报道相对较少。目前世界范围内的土壤数据库包括欧洲土壤数据库(The European Soil Database,ESDB)、中国土壤数据库、澳大利亚土壤资源信息系统(Australian Soil Resources Information System,ASRIS)、 非 洲土壤资源信息系统(Africa Soil Information System,AFSIS)、加拿大土壤信息系统(Canadian Soil Information Service,CSIS)等,但应用于法庭科学领域的土壤数据库不多。澳大利亚、日本、美国在法庭科学泥土物证数据库建设方面处于国际领先水平,澳大利亚的Woods等[5-7]开展了泥土综合检验方法和数据库建设的研究工作;北卡罗来纳州地质调查局、北卡罗来纳州立大学等机构联合开展了基于矿物分析的法庭科学土壤数据库的建设工作,并在实际案件中得到应用[8]。日本学者利用高能同步辐射X射线荧光光谱和同步辐射X射线粉末衍射技术分析了日本3024处水系沉积物中的重金属元素和重质矿物组成,建立了覆盖全国范围的法庭科学土壤沉积物数据库,通过分析重金属元素和重质矿物组成,可推断土壤样品的区域来源[9-10]。Shirota等[9]重点研究了北海道地区土壤样品中的水系沉积物;Bong等[10]比较了日本关东地区甲府和千叶市的土壤样品中的沉积物。牛津大学的Bull等[11]分析了20起刑事案件中738种土壤和沉积物样品中的石英砂颗粒表面纹理,将分析数据输入数据库进行回顾性比较,研究表明不同样品中的石英砂颗粒类型及不同类型石英砂颗粒的比例有明显差异。葡萄牙的Guedes等[12]通过对土壤颜色、粒度、磁化率、孢粉进行综合分析,结合统计学方法建立了用于地域特征识别的土壤“指纹”信息库。
稳定同位素分析也是法庭地质学的一项重要内容,通过锶(Sr)、铅(Pb)等重金属同位素定性和定量分析技术可以确定矿石的来源,该技术已在无名尸源的确定中得到应用[13]。中国地质调查局建立的全国同位素地质测年数据库较全面客观地反映了我国不同阶段同位素地质测年的成果,该数据库以样品信息为基础,以不同地质测年方法为主要内容,涵盖具有空间位置的19种同位素的测试数据,具备数据输入、检查、查询检索、输出、统计等功能,数据管理采用非空间数据与空间数据管理共存模式,极大提高了数据库的应用价值[14]。目前尚未见用于物证鉴定和法庭科学领域同位素数据库的研究报道。
FGIMS的总体框架包括基本设施层、数据层、逻辑层和应用层。基本设施层为系统提供建设基础,包括GIS平台、系统软件、数据库软件、主机设备、存储设备、通讯设备等软硬件设备,并设计专门的数据接口,实现数据调用和交换、格式转换以及与DNA、指纹等物证数据库的对接;数据层包括基础地理信息数据库、地球化学数据库和法庭地质学数据库,主要对全国基础地理信息数据、地球化学数据、法庭地质学数据进行加工和整合,与全国代表性区域(按照行政区域选择采样地点)采集样本的测试数据进行对照,遴选出与地理空间信息对应的土壤、矿物、岩石等物证的物理、化学、生物特征指标;逻辑层主要基于土壤发生学理论、元素地球化学循环理论、地理学第一定律的空间相邻相似性,利用统计分析、模糊逻辑、机器学习等算法对物证溯源特征指标进行统计分析及归类,提取各个特征指标空间分布规律及其与地理要素之间的空间对应关系,建立物证溯源特征指标与基础地理信息、地球化学数据要素的空间对应关系,开发物证溯源与比对检索模型;应用层主要将相关数据库与物证溯源、比对模型进行集成,实现系统的在线运转,通过物证特征指标的检索和查询实现地理空间信息的标记,为案事件现场物证信息与地理信息的融合与关联提供应用管理平台。数据和模型是GIS系统的关键要素,系统通过模型从数据中提取出地理空间信息。
2 FGIMS的总体框架及模块设计
方:国家社会科学基金设立于1991年。自设立以来,受到国家的高度重视,其导向性、权威性和示范性作用越来越明显。您曾主持了国家社科基金项目《低利用率文献合作储存库的机制研究》,并取得了丰硕的成果,能简要介绍一下项目研究的基本情况吗?
2.1 总体架构
基于GIS和物证技术设计的FGIMS需满足扩展性、可靠性、易用性等特点,图1为系统总体框架。
FGIMS是一项“以空间地图为载体、以物证属性信息为基础,以物证溯源为目标”,服务于公安业务的重要信息化基础设施。基于该系统,能够进行案事件现场物证的比对检索和溯源分析。
图1 法庭科学地理信息标记系统的总体框架
Fig.1 General framework of forensic-purposed geographic information marking system
3.2.2 对活性氧的影响 与对照组比较,给药后细胞内 DCF‐DA的荧光强度增加,其中Met、2‐DG+Met组差异显著(P<0.05、0.01),结果见图3。结合“3.2.1”项结果说明,联合用药后可降低细胞内线粒体膜电位,同时增加活性氧的产生。
2.2 功能模块设计
2.2.7 数据维护
2.2.1 数据管理
数据管理主要包括数据录入和调用,该模块以案事件为信息主体。系统内数据一部分来源于已有全国基础地理信息要素数据和全国地球化学数据,数据的二次加工、分析和数据调用是系统建设的核心工作,数据的调用通过服务层封装的标准web接口来实现;另一部分数据来源于全国重点区域采集样本的测试数据,包括泥土、矿物、微生物、植物等物证的特征指标信息及其地理空间坐标。在信息录入过程中,需要先对样本数据进行预处理,包括数据格式转换、坐标转换、指标量化、标准化处理等;预处理结束后,按照系统设计建立的物证溯源指标体系进行信息录入和保存。为提高数据录入效率,系统具备批量数据导入功能。FGIMS以分布式远程服务的方式进行数据调用和系统集成。
2.2.2 检索查询
2.3.1 基础地理信息数据库
2.2.3 统计分析
焊接材料应通过焊接工艺评定确定,焊剂、焊条必须按产品说明书烘干使用,焊剂中的赃物、焊丝上的油锈等必须清除干净。钢板焊接前要预热,预热温度应通过焊接性试验和焊接工艺评定的确定,预热范围一般为焊缝每侧100mm以上,距焊缝30~50mm范围内测温。焊接前必须彻底清除等焊区内的有害物,焊接时严禁在母材的非焊接部位引弧,焊接后应及时清理焊缝表面的熔渣及两侧的飞溅物。定位焊不得有裂纹、夹渣、焊瘤、焊偏、未填满的弧等缺陷,并彻底清理熔渣。定位焊缝长视钢板厚度可为60~100mm,间距400~600mm,焊脚尺寸不得大于设计焊脚尺寸的一半。
2.2.4 物证比对
物证比对是系统的核心业务功能,主要通过集成元素地球化学、土壤学、地质学领域已有研究成果,构建用于物证溯源比对的元素地球化学特征指标集和土壤属性特征指标集,并对两者的溯源比对结果进行交叉印证和综合分析。
2.2.5 地图可视化
FGIMS是一个以地图为基础的应用系统,空间地图可视化是系统的基本特征。系统涉及到的各类基础数据、业务数据、专题数据、溯源结果数据等能够在地图上以二维或三维图形的方式展现并支持空间交互,结果简单、直观,便于系统操作者迅速识别匹配区域。
对于造成的损失无法进行计算的时候,要明确将侵权人的违法所得全部上交给权利人的前提是造成了侵权行为人的损失,但是损失难以计算。如果没有造成实际的损失,是没有权利要求赔偿的。侵权人所得和侵权人违法所得是两个不同的概念,不能混淆。被告的所得包括合法所得和违法所得。被告的合法所得是受到法律保护的,不能算在赔偿的范围内,所以原告在对被告提出赔偿要求前,要明确哪些属于被告的违法所得。[3]
2.2.6 结果输出
又如学习二年级课文《邓小平爷爷植树》。研读第二、三自然段之后,我让学生画出描写邓爷爷植树的句子,并说说读懂了什么?这一问题引出了智慧之花的绽放。
FGIMS的结果输出包括比对结果说明、溯源结果的空间分布表达(省、市、县/区等)、专题地图输出等,根据输出结果可形成检验报告或鉴定意见,作为证据使用。
FGIMS的核心功能模块包括数据管理、检索查询、统计分析、物证比对、地图可视化和结果输出等。
统计分析功能包括对物证检验结果的特异指标分析和汇总统计,用于揭示目标元素或元素组合的空间分布规律,构建物证溯源和土壤属性(如土壤形态、理化性质、矿物类型、光谱、孢粉等)比对特征指标库;并针对符合某项限定参数或同时满足多项限定参数的检索结果进行统计分析,统计分析结果以饼状图或柱状图的形式展现。
系统涉及的数据包括基础的矢量数据、栅格数据、格网数据以及基础高程数据等,同时还包含地球化学、地球土壤等专题数据以及案事件现场物证检验等业务数据,数据的日常管理和更新维护需要单独的模块来支撑,包括对基础数据的更新,专题数据库的同步以及系统数据库的灾备、恢复机制等。
2.3 数据库构建
系统的检索查询功能不仅可以实现基础地理空间要素的快速查询、定位,还提供物证检验结果的快速查询和现场物证指标的查看功能。通过输入单一定性、定量参数或多项参数综合检索的方式实现系统内样品的比对,检索和查询结果根据匹配度高低进行排序。系统还具备库内单一样品和其余样品的比对功能,检索和查询结果可在地图上显示,点击匹配区域后显示地理空间信息。另外,地球化学信息数据库具备快速分类查询和基于不同专题的地图展示功能。
他努力控制着方向,双臂因用力而筋肉暴起,宛如暴雨过后大树裸露出的虬结根须。与山峰的高度相比,山巅到山脚的长度,对于滑翔而言委实太短,他不得不用力向后拉动操纵杆,使自己的身体向前倾探,来将三角翼面的前端压得更低。
基础地理信息数据库的构建首先需要对全国的地理要素基础数据如地形地貌、土壤、地质、土地利用、植被、降水、温度、水系/行政区划等要素进行加工和整合。在对物证溯源与案件侦破需求进行分析的基础上,研究建立地理空间各基础要素的独立检索及多个要素的综合检索方法、地球化学特征组合溯源方法、重点区域多源数据支持下的溯源及比对方法,并进行模拟和实证案例结果检测,为法庭科学领域物证溯源和区域环境推断提供辅助管理和决策。
2.3.2 地球化学数据库
对全国已有地球化学数据进行整理与网格化,开展地球化学数据库设计,完成数据入库;根据应用需求选择至少5个样本区域,开展地球化学样本采集,进行测试分析获取用于比照的数据;将样本数据与地球化学数据库进行比照,结合地质背景数据,确定不同区域环境的地球化学比照特征组合;通过泥土类物证的地球化学参数在数据库中的检索查询实现地理信息标记。
段主任接过化验单便笑了,说:他不是有医保吗?王姐赶紧解释说:我妹夫是有医保,就是没医保,得了病,也不能治。主要不是我妹夫喘得历害吗?寻思能不折腾就尽量不折腾他了吗。段主任便找来护士,抽出几张化验单说:广雨辰这个病人我了解,除了肺功和心电外,其余的化验就不用给他做了。
2.3.3 法庭地质学数据库
建立融合重点区域地理空间信息与土壤理化性质、矿物类型、孢粉显微特征、植物纹理、微生物DNA、植物DNA、稳定同位素等物证属性信息于一体的法庭地质学数据库;通过物证测试数据的统计分析,筛选稳定性高、特异性强的特征指标作为检索参数;通过定性参数、定量参数、图形参数、谱图的检索比对实现物证来源的推断。
2.4 设计方案
针对公安系统自身特点和应用需求,系统将专题地理要素与物证溯源比对依据进行归纳、提炼和集成。系统的设计实现基于ArcGIS Enterprise进行,ArcGIS Enterprise是一个制图和分析GIS平台,可以在基础架构、本地、云中等多种环境下部署,提供强大的二次开发能力和矢量、栅格、表格大数据的存储、管理和分析能力,支持三维场景和时空大数据存储分析。在此基础上,针对系统构建专门的空间信息存储模型,有效地对基础地理要素、地球化学和法庭地质学数据库专题进行数据建模和专题建库,并将数据资源转化为服务资源进行调用和集成。针对实际应用需求和未来发展方向,系统采用B/S架构,遵循松耦合、可扩展、热插拔的设计原则。系统功能模块彼此间相互独立,功能与数据服务相分离,数据服务的调用同时支持本地的数据服务,同时也支持跨部门跨区域的远程服务接口调用和集成,功能模块之间通过web service进行通信交换。在法庭科学基础地理信息和地球化学两个专题库基础上,开发物证比对溯源所需要的各类数据服务和计算模型,通过提供RESTful的web service方式进行共享,包括地图服务、要素服务、空间处理服务等,兼容标准的OGC服务(WMS、WFS、WMTS等),这些服务可以直接被调用或者集成到开发平台中。系统前端提供灵活方便、可配置可选择的交互界面,快速执行模型分析和结果可视化,并提供结果的快速打印和输出。
直到我大三那年夏天,参加一个朋友的生日派对,才又碰面。当时我老远就听见一个自信洪亮的声音在人群中高谈阔论,心想这是哪个老同学,走近一看发现竟然是阿杰,当时我就惊呆了。他整个人的精气神完全不一样了,重点是,他不仅性格变得爽朗了,连外表都“升级换代”了。以前他穿的衣服总是迎面扑来一股子浓烈的老坛酸菜气息,现在,那一身打扮简直堪比时尚杂志经典搭配。
2.5 系统开发方式
系统基于ArcGIS平台和其提供的二次开发接口进行用户前端操作界面的设计,定制封装标准规范的web service接口,并通过空间数据引擎实现空间数据的管理和维护。在设计方面,由于系统功能模块是分布式、松耦合的,因此系统对具体开发语言没有限制,但对数据和功能服务的接口协议和数据共享传输的格式规范有严格要求。系统核心的溯源分析等模型和算法服务采用独立开发、分布式部署、远程调用,最后所有功能共享同一个操作界面。这样可以极大地整合大量分散信息和服务,保障系统的性能和可伸缩性,大大提高系统开发效率,便于协作和维护,系统集成整合更加高效快捷。
3 FGIMS的应用展望
3.1 无名尸源时空信息推断
无名尸源的推断一直是法庭科学领域的热点和难点,特别是在数据库中未比中指纹、DNA等信息的情况下,案件往往陷入僵局[15]。研究表明,通过对牙齿、指甲、骨骼等人体组织中C、H、O、N、S等元素的同位素比值进行稳定同位素分析,可以推断死者生前在不同时间段内的生活地域和饮食情况等信息,为缩小侦查范围奠定基础[16]。利用孢粉具有季节性的特点,通过对抛尸案件现场孢粉物证的分析可为死亡时间推断提供佐证[17]。此外,通过对抛尸案件现场泥土的检验及比对,能够为确定第一现场或关联现场提供依据,如在1987年石景山发生的一起碎尸案中,通过泥土中微量元素的比对,侦查范围缩小到了鲁谷一带[18]。FGIMS的建立将改变此类案件以往仅仅依靠现场泥土等物证与目标场所物证比对的局限,通过物证属性信息在系统内的检索和查询,实现尸源时空信息的推断。
3.2 行为主体活动轨迹刻画
在杀人抛尸或碎尸案件中,经常遇到因嫌疑人拒不交代无法找到尸体的情况,但“触物留痕”,嫌疑人到过现场,必然在现场留下相关痕迹物证,或从现场带走相关物证。通过交通工具或嫌疑人鞋底上粘附的泥土及其中夹杂的植物、矿物、花粉等物证进行检验,将结果输入FGIMS进行区域溯源,可以实现行为主体活动轨迹的刻画,进而建立嫌疑人与抛尸或碎尸现场的直接关联。
3.3 案件串并
作为刑事技术信息化工作的重要组成部分,FGIMS还可与现场勘查系统、物证鉴定信息管理系统、指纹自动识别系统、DNA数据库等系统进行资源整合,通过合成作战平台将不同专业的资源库进行串查、正查和倒查,实现案件串并,提高案件侦查和侦破效率。
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Prospect on Development and Application of Forensic-purposed Geographic Information Marking System
SUN Zhenwen1, ZHU Jun1, QIAO Ting1, ZHANG Guannan1, MA Hongwang2
(1. Institute of Forensic Science, Ministry of Public Security, Beijing 100038, China;
2. Yizhirui (China) Corporation of Information Technology, Ltd., Beijing 100007, China)
ABSTRACT: Geographic information system (GIS), boasting of the advantages of high data fusion, precise geographical location, smart mutual communication and visualization, has therefore been widely applied into community security,fi refighting, traffic commanding, emergency handling, real-time monitoring and major disaster management and response, thus having provided various important decision-making with efficient and scientific assistance. However, the forensic application of GIS and court proceeding is still expected. With overview of the status quo about the forensic geological database home and abroad, the research and development of forensic-purposed geographic information marking system (FGIMS) are here introduced from the perspectives of overall framework, function module design, database construction, scheme planning and development mode. Finally, the prospect is analyzed of FGIMS potential application.
KEY WORDS: geographic information system; forensic science; trace evidence; public security informatization
中图分类号: DF793
文献标识码: A
文章编号: 1008-3650(2019)02-0144-05
DOI: 10.16467/j.1008-3650.2019.02.012
基金项目: “十三五”国家重点研发计划(No. 2017YFC0803807);中国工程科技中长期发展战略研究领域战略研究项目(No. 2017-ZCQ-10)
第一作者简介: 孙振文,男,山东章丘人,博士,副研究员,研究方向为微量物证检验及数据库建设。E-mail:skbuffon@163.com
收稿日期: 2018-06-05;修回日期:2018-11-23
引用 本文格式: 孙振文,朱军,乔婷,等. 法庭科学地理信息标记系统研发与应用展望[J]. 刑事技术,2019,44(2):144-148.
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