中华预防医学杂志    2018年06期 空气污染物暴露相关出行行为调查方法一致性研究     文章点击量:149    
中华预防医学杂志2018年06期
中华医学会主办。
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李娜 刘喆 李韵谱 李宁 王秦 吴亚西 杨一兵 徐春雨 徐东群
LiNa,LiuZhe,LiYunpu,LiNing,WangQin,WuYaxi,YangYibing,XuChunyu,XuDongqun
空气污染物暴露相关出行行为调查方法一致性研究
Assessing the consistency of methods to measure travel behavior related to exposure to air pollution
中华预防医学杂志, 2018,52(6)
http://dx.doi.org/10.3760/cma.j.issn.0253-9624.2018.06.009

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投稿日期: 2018-02-09
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空气污染物暴露相关出行行为调查方法一致性研究
李娜 刘喆 李韵谱 李宁 王秦 吴亚西 杨一兵 徐春雨 徐东群     
李娜 100021 北京,中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所
刘喆 100021 北京,中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所
李韵谱 100021 北京,中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所
李宁 南京市江宁区疾病预防控制中心
王秦 100021 北京,中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所
吴亚西 100021 北京,中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所
杨一兵 100021 北京,中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所
徐春雨 100021 北京,中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所
徐东群 100021 北京,中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所
摘要: 目的  为提高空气污染暴露评估的准确性,开展出行信息调查,比较日志记录与全球定位系统(GPS)法调查人群出行信息的一致性,探讨造成两种方法调查结果不一致的原因。方法  于2015年7—9月及11—12月,以南京市江宁区33名退休人群作为研究对象,同时采用日志法及GPS法进行为期5 d的出行行为调查。使用Google Earth进行GPS数据的提取和展示,计算数据的完整性,并依据时间和位置与日志记录进行匹配分析,计算两种方法一致率;采用χ2检验分析不同行程特征对方法漏报、误报率的影响。结果  两种方法共监测到1 087条出行记录(GPS法912条,日志法909条),其中7.3%(79/1 087)的行程仅被GPS记录,11.8%(128/1 087)的行程仅被日志法记录。而在两种方法同时监测到的行程记录(880/1 087)中,86.7%(763/880)匹配,13.3%(117/880)不匹配;对匹配的行程单独分析发现,日志法记录的行程持续时间大于GPS法(P<0.001),差值中位数(四分位数间距)为2.0(6.0)min,与GPS法相比,日志法高估了25.0%的行程持续时间;日志法和GPS法的行程准确率分别为84.8%(903/1 065)和86.9%(925/1 065),两种方法均倾向于漏报误报持续时间≤5 min的行程,其中日志法对≤5 min的行程漏报误报率(21.7%)远高于>30 min行程(3.2%)的漏报误报率。不同交通方式的出行监测准确率差异存在统计学意义(P<0.05),日志法对机动车出行监测准确率最低(69.3%, 133/192),而GPS法对骑车(91.9%, 136/148)和机动车(89.6%,172/192)出行监测的准确性均较高。造成日志法漏报、误报的主要原因为忘记记录、主观上不愿意报告和没有将采用不同交通方式的行程分别记录;而造成GPS法漏报、误报的主要原因为未携带GPS设备、GPS信号质量不良和因搜索信号造成的时间延迟。结论  日志法及GPS法总体上具有较好的一致性,但均存在一定的漏报和误报等问题,将两种方法结合使用将有助于提高监测结果的准确性。
关键词 :环境暴露;空气污染;时间-活动模式;GPS
Assessing the consistency of methods to measure travel behavior related to exposure to air pollution
LiNa,LiuZhe,LiYunpu,LiNing,WangQin,WuYaxi,YangYibing,XuChunyu,XuDongqun     
National Institute of Environmental Health, Chinese Center for Disease Control and Prevention, Beijing 100021, China
Corresponding author: Xu Chunyu, Email: xucy2046@126.com
Abstract:Objective  To compare diary-reported trips and Global Positioning System (GPS) recording trips and identify the reasons for the discrepancies between two methods.Methods  The survey was conducted in Jiangning district in Nanjing city during July to September and November to December, 2015. Both the diary records and GPS method were used to investigate the travel behavior of 33 retired adults for 5 consecutive days. The GPS traces were display in Google Earth and then split into trips to compare with the diary records according to time and location. χ2 test was used to analyze the influence of trip characteristics on misreporting rates of each method.Results  A total of 1 087 trips in the survey can be compared between the diary (n=909) and the GPS method (n=912). 7.3% (79/1 087) of the trips were only recorded by GPS method, and 11.8% (128/1 087) were only reported in the diary. Of the remaining 880 trips recorded by the both methods, 86.7% (763/880) matched each other, while 13.3% (117/880) did not. For the matched trips, the difference between the trip durations recorded by diary and GPS method was 2.0 (quartile was 6.0) minutes and the diary method overestimated about 25.0% trip durations when compared with the GPS method. The accuracy rates were 84.8%(903/1 065) and 86.9%(925/1 065) for diary and GPS method, respectively. Both methods were more likely to misreport the trip under 5 minutes. The misreporting rates of diary method for trips under 5 minutes were 6.8 times higher than trips over 30 minutes (21.7% vs 3.2%). The reporting accuracy was also significantly different among trips by different travel mode (P<0.05) for both methods, diary method had the lowest accuracy in reporting vehicles recorders (69.3%, 133/192), while GPS method was more accuracy in both biking (91.9%, 136/148) and vehicles recorders(89.6%, 172/192). The main reasons for misreporting by diary method were forgetting or unwilling to record and failing to record trips according to travel mode, while forgetting to carry GPS device, bad GPS signal and failing to locate the position were the main reasons for misreporting by GPS method.Conclusion  The majority of the trips reported in diary and GPS method are well consistent with each other. Both of the methods should be used simultaneously in the survey of time-activity pattern to improve the data quality.
Key words :Environmental exposure;Air pollution;Time-activity pattern;Global positioning systems
全文

近年来,空气污染的健康危害始终是人们关注的热点问题,而对空气污染物暴露水平的准确评价是评价其健康风险的前提和基础。由于空气污染物浓度分布存在明确的时空变异性,当人们处于不同环境时暴露水平通常并不相同,因此当不能进行直接的个体暴露浓度监测时,将研究对象的时间-位置信息应用于暴露评估模型,将有助于提高暴露评估结果的准确性。时间-位置信息包括调查对象在不同场所(位置)的停留的时间以及在场所间转换的方式和持续时间两方面。出行(行程)监测是获得调查对象时间-位置信息的方法,其监测内容涵盖每次出行的起始时间和位置、出行方式以及到达时间和终点位置。在获得调查对象的准确行程信息后,通过计算进入和离开场所的时间差即可得到调查对象每个场所的停留时间,进而得到调查对象在调查期间完整的时间-位置信息。
        目前应用广泛的出行监测方法包括传统的问卷调查法(日志法)及近年新兴的全球定位系统(Global Positioning System,GPS)法,两种方法各有优缺点。问卷调查法通过研究对象记录时间-活动日志收集出行信息,具有成本低、方法简单、可获得主要活动信息等优点,但也存在记忆偏倚、研究对象报告负担大、时空分辨率低等缺点。GPS法是通过调查者佩戴GPS、加速度计等设备实时连续记录时间、位置、速度、运动状态等信息,结合地理信息系统(geographic information system,GIS)等工具进行时间-活动状态的解析,进而获得出行信息[1,2,3,4,5]。GPS法虽然具有可连续记录、高时空分辨率、研究对象报告负担小等优点[6],然而也存在因建筑物遮挡和屏蔽、多路径信号反射以及信号阻塞等造成GPS定位错误等问题,尤其是在建筑密集的城市地区[7]。虽然目前也有研究同时利用两种监测方法,但不同研究中两种方法的一致性以及影响因素并不一致[2, 8,9,10],表明可能存在地区和人群差异。
        老年人群是空气污染健康影响的敏感人群,空气污染物对此类人群的健康影响始终是环境卫生领域研究的热点问题,而获得其时间-位置信息对于准确评估其空气污染物暴露水平及健康影响具有重要意义。鉴于此,本研究以退休老人为研究对象,同时采用日志法和GPS法进行出行信息监测,比较两种方法结果一致性并探讨其影响因素,为暴露评估中选择出行监测方法提供依据。

对象与方法  

1.对象:  招募南京市某城区退休老人33名作为调查对象,考虑到不同季节调查对象选择的交通出行方式以及行程特征不同,选择在采暖季和非采暖季进行调查。最终纳入的33名调查对象中,29名参与了2015年7—9月(非采暖季)及2015年11—12月(采暖季)的调查,有2名因为搬家等原因只参与非采暖季的调查,采暖季有2名补充加入调查。所有调查对象均签署了知情同意书。本研究通过了中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所伦理审查委员会的审查(批号:201312)。

2.调查内容与方法:  (1)问卷调查:询问研究对象年龄、文化程度、家庭成员、家庭年收入、家庭地址等基本情况信息。(2)GPS轨迹监测:在调查期间,研究对象随身携带全球定位系统记录仪GPS(购自美国Qstarz公司,型号BT-Q1000XT)及加速计(购自美国MicroPEMTM公司)进行为期5 d的跟踪调查。GPS每10秒记录一次时间、经纬度、速度等信息,加速计每1分钟记录一次x轴、y轴、z轴及合成加速度值。(3)时间-活动日志记录:研究对象在携带GPS及加速计的同时,按照时间顺序记录每天24 h时间-活动日志,包括每个行程起点及终点的时间、位置、活动、出行方式及采用的交通工具(步行、私家车/出租车、地铁、公交车、电动车、自行车等)等信息,要求只要改变所处位置及出行方式均需进行记录。(4)质量控制:工作人员于调查开始后的第2天进行入户回访,查看仪器工作状态及日志记录情况,若日志记录不符合要求,及时帮助研究对象回忆,并告知合格的记录方式。

3.GPS及日志记录数据整合:  使用Google Earth软件显示GPS轨迹,识别及分离每条出行的轨迹,获得每次行程的起点与终点的时间及经纬度信息。按照时间对GPS及日志记录进行逐条匹配,并将数据进行整合。将数据分为4组:GPS起点、GPS终点、日志起点及日志终点,以便进行时间及位置信息比对。

4.数据完整性分析:  将每个行程的GPS起点位置(GQi)与上一个GPS终点位置(GZi-1)进行比对,同样将每个行程的日志记录的起点位置(RQi)与上一个日志记录终点位置(RZi-1)进行比对。若GQiGZi-1不匹配,则说明GPS在行程i-1至i之间丢失一个或多个行程;若RQiRZi-1不匹配,同样说明日志记录在行程i-1至i之间丢失一个或多个行程。每个研究对象第一个行程的起点与最后一个行程的终点均无法进行比较。

5.不同监测方法的比较:  (1)匹配方式:将两种方法获得的每条行程起点和终点以及出行方式进行匹配分析,按照不同的匹配结果将每条行程记录划归为如下4种状态中一种。匹配:两种方法获得的行程起点、终点以及出行方式都匹配;不匹配:两种方法获得的行程起点和终点仅有一个匹配,或起点、终点都匹配但出行方式不匹配;GPS:该行程仅被GPS记录;日志:该行程仅被日志记录。(2)匹配数据准确性分析:分析GPS和日志记录行程的开始时间、结束时间以及行程持续时间。(3)对行程持续时间的赋值方法:对于仅被GPS法记录的行程以及同时被两种方法记录的行程持续时间以GPS法结果记录为依据,而仅被日志法记录的行程以日志法记录的行程时间为依据。

6.统计学分析:  采用R 3.4.3软件进行数据统计分析。经Shapiro-Wilk正态性检验,GPS法与日志法匹配的行程记录中起始时间、结束时间和持续时间的差值呈偏态分布,为方便与同类结果比较,采用±sM、最小值、最大值、四分位数间距(quartile,QR)的方式进行描述,采用Wilcoxon秩和检验进行两种方法间上述指标比较;采用χ2检验分析监测季节和行程特征对两种监测方法漏报、误报率的影响;以P<0.05为差异有统计学意义。

结果  

1.对象基本情况:  33名调查对象中,男性14名,占42.4%;年龄为(60.6±8.4)岁,有2名调查对象年龄小于50岁,其中1名为化工厂内部退休工人,另1名为专职家庭主妇,其时间-活动模式与一般退休老人相近;教育程度以高中或中专为主;超过50%的家庭(19/33)拥有私家车。调查对象的详细信息见表1

表1调查对象个人基本信息

2.两种监测方法完整性及一致性分析:  两种方法共监测到1 087条出行记录,其中GPS法监测到的行程数为912条,96.4%(879/912)的行程的GPS起点位置与上一个行程的终点位置相匹配;日志法监测到的行程数为909条,其中99.1%的行程记录起点位置与上一个行程的终点位置相匹配。GPS法与日志法记录的行程起点、终点位置比对及行程匹配状态的结果见表2。分析结果表明,7.3%(79/1 087)的行程仅被GPS记录,11.8%(128/1 087)的行程仅被日志记录,81%(880/1 087)的行程GPS及日志均有记录,其中86.7%(763/880)匹配,13.3%(117/880)不匹配。

表2GPS法与日志法调查人群相关出行行为监测数据一致性分析

3.匹配行程的准确性分析:  在所有匹配的行程中,GPS与日志记录的行程起始时间、结束时间及行程持续时间比较结果见表3图1。结果表明,日志记录的行程起始时间总体上早于GPS记录,时间差值的中位数MQR)为-1.0(6.0)min,差异有统计学意义(P<0.001),其中78.4%(598/763)的时间差值位于±10 min之间;但与行程开始时间相反,日志记录的行程结束时间总体上晚于GPS记录的结果(P<0.001),时间差值MQR)为1.0(6.0)min,差值在±10 min以内的行程比例为78.6%。在行程持续时间方面,日志法与GPS法记录的行程持续时间的差值MQR)为2.0(6.0)min(P<0.001),持续时间在±10 min内的比例为81.7%,日志法高估了25.0%(QR=66.7%)的行程持续时间。

表3GPS法与日志法匹配的调查人群出行记录中起始时间、结束时间和持续时间比较
图1日志法与GPS法记录的调查人群出行记录的起始、结束及持续时间差值分布图

4.不匹配及漏报、误报行为原因分析:  造成两种监测方法不匹配及漏报、误报的原因分析结果见表4。(1)造成仅有GPS法记录的行程的原因依次为:研究对象忘记记录(38.0%)、GPS法虚报不存在行程(22.8%)、短距离行程未意识到需要记录(20.2%)、涉及隐私主观上不愿意报告(19.0%)。(2)造成仅有日志法记录的行程的原因依次为:未携带GPS(39.1%)、GPS信号问题造成行程丢失(36.7%)、未能从GPS轨迹数据中识别出行程(16.4%)、GPS没电丢失行程(4.7%)和调查对象记忆错误而虚报行程(3.1%)。(3)造成日志法及GPS法记录不匹配的原因依次为:未在日志法中将不同出行方式的行程分开报告(72.6%)、GPS法未能记录整个行程(12.8%)、由于涉及隐私而报告错误的行程(11.1%)、记忆问题等造成日志信息有误(2.6%)、GPS没电导致行程记录不完整(0.9%)。

表4日志法与GPS法对调查人群出行记录的结果不一致原因分析

5.季节及行程特征对方法准确性影响:  根据上述各条行程识别结果,在两种方法监测记录到的1 087条行程中,18条为GPS法虚报,4条为日志法虚报,实际发生的行程记录为1 065条,其中日志法和GPS法记录准确率分别为84.8%和86.9%,结果见表5。GPS法记录的准确率在采暖季与非采暖季间差异无统计学意义(P=0.164),但日志法在非采暖季的准确率(89.5%)高于采暖季(81.5%,P<0.001)。按照不同行程特征分组,分析行程特征对两种方法准确率的影响。两种方法均最容易误报或漏报持续时间≤5 min的行程,其中日志法对≤5 min的行程误报率(21.7%)是>30 min行程(3.2%)的6.8倍,而行程持续时间对GPS法漏报、误报率影响程度相对较低,漏报、误报率最大值(18.5%)为最小值(8.6%)的2.1倍。此外,两种方法对不同出行方式记录准确率差异有统计学意义(P<0.05),其中日志法对机动车出行记录准确率最低,对地铁出行记录准确率最高,但GPS法对骑车和机动车出行监测准确性均较高,但对地铁出行监测准确性最低。

表5不同条件下GPS法和日志法记录人群行程的漏报误报分析[n(%)]

讨论  在本次研究中,两种方法监测结果相匹配的行程占总行程比例为70.2%(763/1 087),该结果略高于对澳大利亚悉尼人群研究结果(63.9%)[8]。在匹配的行程中,日志与GPS法获得的起点时间、终点时间、行程持续时间差值在±10 min之内的比例分别为78.4%、78.6%、81.7%,该比例高于在法国(50%、56%、68%)和越南(63%、72%、64%)城市地区开展的类似研究[2]。可能原因如下:首先,本次研究要求调查对象随身携带时间-活动日志,实时记录行程状况,降低了回忆偏倚[2];第二,调查员在监测的第2天进行入户回访,对日志记录存在的问题及时纠正,提高了日志记录质量,并在回收日志时,进行初步的逻辑核查,如通过检查行程的连续性降低行程漏报率;第三,研究对象均为退休老人,其依从性相对于工作繁忙的职员更高,且其出行行为通常较为规律,且以步行、15 min内短期行程出行为主,易于记录。有研究显示,日志法倾向于高估行程持续时间[2,11,12,13],例如,Kelly等[12]报道,日志法记录的行程持续时间高出GPS法结果约10%。与上述报道相类似,本次研究中日志记录的行程持续时间高出GPS记录结果约25%。
        日志法和GPS法在出行监测中都存在漏报和误报的问题,且出现该问题的情景并不相同,从而造成两种方法监测结果并不完全一致。在既往不同研究报道中,日志法漏报、误报率具有较大的差别[12,14,15,16],例如,在美国德克萨斯州的研究中,调查对象仅报告了44%的GPS法监测到的行程[16],而在澳大利亚悉尼的另一项研究中日志法的漏报率仅为7.4%[15]。在本次研究中,日志法的漏报、误报率为15.2%。调查对象忘记记录、回忆信息偏倚、没有将不同出行方式的行程分开记录是造成日志法漏报、误报的主要原因。同时,GPS也存在漏报和误报现象(13.1%),但造成该现象的主要原因则主要为调查对象忘记携带GPS设备、GPS信号质量问题、无法从GPS数据中识别提取短期行程[9]。与本研究结果一致,Stopher和Shen[8]研究报道,由于调查对象未携带GPS设备和GPS信号问题占GPS法漏报比例分别为40.2%和20.8%;Nguyen等[2]报道因调查对象将GPS设备遗忘在家中占GPS法漏报比例的44%。
        不同特征行程的漏报、误报率分析结果显示,两种方法对持续时间≤5 min的短期出行的漏报和误报率均高于其他行程,尤其是日志法。这是由于短期出行更容易被调查对象忽视或遗忘而漏报[2, 10]。例如,在法国的研究中,出行距离<2 km两种方法不匹配的比例是>10 km行程的2.2倍,而时间<5 min的行程漏报率是>60 min的12倍,在越南的研究中也得到类似的结果[2]。此外,日志法对机动车出行的漏报和误报要高于其他交通方式,这是由于当乘坐机动车出行时,调查对象通常需要步行一段距离,但部分调查对象没有意识到因交通方式改变,需要作为两段行程分别记录。对于GPS法,倾向于漏报持续时间≤5 min的行程,这是因为当调查对象由室内进入室外时,GPS可能需要耗费一定时间搜索卫星信号进行定位,如果在准确定位前行程就已经结束则会导致不能捕捉到行程,造成漏报;此外,由于地铁中信号通常容易受到遮挡屏蔽,从而造成对行程不能准确记录。然而,鉴于本次调查中以乘坐地铁为出行方式的行程仅20条,因此两种方法对此类行程监测的准确性结果需要在今后研究中扩大样本量加以验证。此外,本次研究还发现日志法在非采暖季监测准确率显著高于采暖季,可能原因如下:首先,采暖季的室外温度低,不利于调查对象实时记录时间活动状况,增加了回忆偏倚;其次,日志法会显著增加受试者负担,因此第二次调查时(采暖季)受试者依从性可能有所降低。
        综上所述,日志法及GPS法总体上具有较好的一致性,但均存在一定的漏报和误报等问题;在今后研究中,针对漏报及误报原因采取针对性的改进措施,并将两种方法结合使用有助于提高出行行为监测结果的准确性,进而获得准确的时间-位置信息,为准确评价调查对象空气污染物暴露水平提供基础。

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