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。

图1

Fig.1

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	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

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。

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。

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

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。

2.2.3 统计分析

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。

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。

2.2.6 结果输出

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。

2.2.7 数据维护

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。

2.3.1 基础地理信息数据库

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。