智慧城市時空信息云平臺建設研究

李 林，李仕峰，梁 星

（1.重慶市地理信息中心，重慶 401121）

智慧城市時空信息云平臺建設研究

李 林1，李仕峰1，梁 星1

（1.重慶市地理信息中心，重慶 401121）

智慧城市是以信息化創(chuàng)新引領城市發(fā)展轉型、提高城市治理能力的重要手段。時空信息云平臺是智慧城市建設中重要的時空基礎設施。從智慧城市時空信息云平臺建設的總體架構、關鍵技術路線等方面探討了平臺建設的思路和方法，對基礎設施、時空數(shù)據(jù)、軟件平臺等核心內(nèi)容進行了全面分析與研究，設計了相應的技術路線，形成了一套支撐智慧城市建設的時空信息云平臺建設方案。

智慧城市；時空信息；云平臺；總體架構；技術路線

國家測繪地理信息局自2006年開始推進“數(shù)字城市”建設以來，全國共333個地級市、380多個縣級市開展了相關工作，建設成果惠及國土、規(guī)劃、房產(chǎn)、公安、消防、環(huán)保、衛(wèi)生等眾多領域，為科學決策、城市信息化建設和社會公眾服務等方面提供了全面的信息服務[1-2]。然而，隨著科技的不斷進步和應用需求的快速變化，特別是云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，對原來的地理信息服務平臺提出了更高的要求，比如用戶體驗、數(shù)據(jù)實時性、移動應用等。與此同時，“智慧地球”、“智慧城市”等概念的提出也為地理信息服務平臺的升級提供了契機。2015年政府工作報告中明確提出了“要提升城鎮(zhèn)規(guī)劃建設水平，發(fā)展智慧城市，保護和傳承歷史、地域文化，堅決治理污染、擁堵等城市病，讓出行更方便、環(huán)境更宜居。”2014年，國家發(fā)展和改革委員會、工業(yè)和信息化部等八部委聯(lián)合發(fā)布了《關于促進智慧城市健康發(fā)展的指導意見》，以促進智慧城市健康發(fā)展。在八部委的工作協(xié)調(diào)分工中明確說明了測繪地理信息行業(yè)負責時空信息云平臺建設，作為智慧城市建設的基礎設施，為其他行業(yè)部門的建設提供空間信息支撐。

與此同時，隨著應用的不斷深入，數(shù)字城市階段的地理信息公共服務平臺體現(xiàn)出一些不足之處，比如數(shù)據(jù)應用內(nèi)容單一、共享方式單一、實時數(shù)據(jù)稀缺、運行維護工作量大等[3-4]，從應用角度也對時空信息云平臺的建設提出明確需求?；诖耍疚膹闹腔鄢鞘袝r空信息云平臺建設的總體架構、實施技術路線等方面探討平臺建設的思路和方法，為下一步全面開展智慧城市建設提供可參考的方案，為智慧城市建設作技術積累。

1 時空信息云平臺架構設計

1.1 建設目標

與數(shù)字城市地理空間框架相比，時空信息云平臺建設應實現(xiàn)以下6個轉變：

1）傳統(tǒng)架構到云架構?；A設施按照云架構方式建立云化計算資源池，以支撐平臺成果的云架構部署和應用，提供按需彈性計算和宿主環(huán)境服務。

2）空間數(shù)據(jù)到時空數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)內(nèi)容不只包含空間數(shù)據(jù)，還應包含政務管理和社會公眾服務所需的公共信息，比如人口、經(jīng)濟、法人等數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)形態(tài)上對數(shù)據(jù)成果進行序列化處理，形成時空數(shù)據(jù)。

3）通用平臺到個性平臺。軟件平臺要從提供通用、共性的服務轉變到提供個性化、按需變化的服務，比如，平臺能根據(jù)用戶的行業(yè)特征提供特定的數(shù)據(jù)和功能服務組合，并根據(jù)應用情況動態(tài)調(diào)配服務資源。

4）線下交換到協(xié)同共享。共享方式上，改變過去由平臺線上集中分發(fā)服務、線下離線數(shù)據(jù)拷貝的方式，建立面向業(yè)務數(shù)據(jù)的協(xié)同共享數(shù)據(jù)交換體系，實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)與時空數(shù)據(jù)的整合應用。

5）信息服務到知識服務。服務模式上，改變僅提供空間數(shù)據(jù)服務的方式，轉為提供基于大數(shù)據(jù)分析挖掘后的增值知識服務，比如地理分析模型，經(jīng)濟分析模型等。

6）桌面端到泛在終端。應用方式上，從桌面端應用向泛在終端轉變，從數(shù)據(jù)形式、服務接口、用戶界面等方面全方位支撐泛在終端應用。

1.2 總體架構

智慧城市時空信息云平臺基于云計算技術搭建，結合物聯(lián)網(wǎng)、智能計算、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術，以服務城市經(jīng)濟社會發(fā)展為目的，為科學推進城市的開發(fā)建設及管理工作提供全面的信息化服務支撐。

1.2.1 基礎設施層

基礎設施層包括硬件基礎設施和軟件基礎設施兩大類。硬件部分包括服務器主機、存儲設備、網(wǎng)絡設備等；基礎軟件包括數(shù)據(jù)庫軟件、操作系統(tǒng)、中間件、GIS平臺軟件等。通過采用硬件虛擬化技術建成一套動態(tài)調(diào)整的資源池，并結合云GIS管理平臺實現(xiàn)對計算資源的調(diào)用、管理、監(jiān)控，以支撐平臺層的應用。目前主流的產(chǎn)品有超圖iCloudManager，捷泰天域云GIS套件等。

圖1 智慧城市時空信息云平臺總體架構

1.2.2 平臺服務層

平臺服務層構建在基礎設施層之上，直接向用戶提供平臺級的應用服務，主要由以下5個部分組成。

1）數(shù)據(jù)平臺是時空信息云平臺的數(shù)據(jù)基礎和源頭，包括基礎地理數(shù)據(jù)庫、專題空間數(shù)據(jù)庫、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫、元數(shù)據(jù)庫等。基礎地理數(shù)據(jù)庫包括二維矢量數(shù)據(jù)、三維矢量數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)等；專題空間數(shù)據(jù)包括各行業(yè)應用系統(tǒng)的專業(yè)數(shù)據(jù)，如國土、規(guī)劃、環(huán)保、水利等；物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫包括各類攝像頭、RFID、地感線圈等傳感設備獲取的動態(tài)數(shù)據(jù)，以及從社交媒體、各權威機構官網(wǎng)等互聯(lián)網(wǎng)渠道獲取的空間信息；元數(shù)據(jù)庫主要包括數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)、服務元數(shù)據(jù)、資源元數(shù)據(jù)、系統(tǒng)元數(shù)據(jù)等。

2）資源管理平臺提供數(shù)據(jù)資源管理和平臺運行管理內(nèi)容。數(shù)據(jù)管理包括對空間數(shù)據(jù)的入庫、質檢、編輯、輸出、元數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)編目管理，并實現(xiàn)多源空間數(shù)據(jù)的無縫集成功能；平臺運行管理主要實現(xiàn)云平臺的管理功能，包括用戶管理、安全管理、資源訪問控制管理等。

3）應用開發(fā)平臺主要完成底層基礎設施的管理和維護工作，包括GIS平臺、數(shù)據(jù)庫、消息處理等，并為用戶提供統(tǒng)一的平臺開發(fā)接口，使用戶能在平臺上完成與地理信息系統(tǒng)建設相關的各項工作，包括服務發(fā)布與應用、身份認證、應用系統(tǒng)搭建、應用部署等工作。

4）業(yè)務建模平臺為用戶提供了一個可視化的建模環(huán)境，用戶可以通過該平臺搭建行業(yè)內(nèi)專業(yè)的業(yè)務分析模型，如污染物擴散分析模型、污染物災害評估分析模型等。完整的業(yè)務分析模型，還可以通過平臺提供的模型部署服務發(fā)布成模型服務，以標準的Web Services提供給其他用戶使用。

5）服務管理平臺是智慧城市時空信息云平臺的核心組成部分，主要提供云端資源服務的管理維護功能，包括資源服務的監(jiān)控、資源服務的彈性調(diào)整、資源服務的度量等功能。通過服務管理平臺實現(xiàn)上層的業(yè)務GIS應用、GIS服務、專業(yè)模型分析服務，能彈性、均衡的使用云端資源，提高平臺服務效能。

1.2.3 軟件服務層

軟件服務層構建在平臺服務層之上，利用平臺的數(shù)據(jù)和服務資源，建成可供用戶直接使用的軟件功能，比如門戶系統(tǒng)、共享交換系統(tǒng)、地理編碼系統(tǒng)、時空電子地圖系統(tǒng)以及提供移動離線電子地圖。除此之外，平臺建設還包括安全保障體系和標準規(guī)范體系等建設內(nèi)容。

2 關鍵技術路線

2.1 基于虛擬化技術構建云GIS平臺

與通用的云平臺相比，云GIS平臺可提供具備GIS服務能力的虛擬主機，一方面可以作為宿主環(huán)境向用戶提供獨立的服務器設備；另一方面還可以支持時空信息平臺的云計算模式，根據(jù)GIS應用的需求實現(xiàn)彈性的GIS資源分配，可以向用戶提供穩(wěn)定、高效的空間信息服務。如圖2所示，與通用的云GIS平臺類似，通過虛擬化技術對物理資源等底層架構進行抽象，形成虛擬化的計算資源池，在此基礎上搭建云GIS管理平臺[5]，通過與GIS服務的結合實現(xiàn)計算資源的調(diào)度。

圖2 云GIS平臺構建技術

2.2 三位一體的時空數(shù)據(jù)組織

現(xiàn)實生活中80%的信息資源與空間位置有關，城市運行中涉及的人口、法人、經(jīng)濟、建構筑物等，歸根結底都可以落在一個確定的空間位置上。因此，以地理空間信息為依托，將地表數(shù)據(jù)、各類規(guī)劃、社會經(jīng)濟、城市運行等時空信息在統(tǒng)一的空間尺度、統(tǒng)一的時間框架下進行組織，實現(xiàn)“時間、空間、屬性”三位一體的時空數(shù)據(jù)組織形式（見圖3）。

圖3 三位一體的時空數(shù)據(jù)組織形式

2.3 共享交換技術

企業(yè)服務總線是智慧城市時空信息云平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享交換的核心樞紐[6]，包括訪問控制、流量控制、消息路由、消息轉換、協(xié)議轉換、日志管理、元數(shù)據(jù)管理、安全認證等功能。通過服務總線實現(xiàn)文檔資料、服務接口、數(shù)據(jù)庫、空間文件等多種形式的數(shù)據(jù)共享渠道，可滿足所有政務部門的信息共享和應用需求。ESB服務總線技術如圖4所示。文檔資料共享格式為：word、excel、pdf、jpg、png等；服務接口共享接口有：OGC標準GIS服務接口、SOAP協(xié)議Web Service接口、RestFul服務接口等；數(shù)據(jù)庫共享為：Oracle、MySQL、SQL Server、DB2等數(shù)據(jù)庫；空間文件共享為：Shape file、GeoDatabase、SDB等。

圖4 ESB服務總線技術

2.4 高效準確的地理編碼引擎

地理編碼引擎是實現(xiàn)非空間數(shù)據(jù)向空間數(shù)據(jù)轉化的橋梁[7-8]，是依托于時空信息云平臺開展智慧城市建設的關鍵入口，建立高效、實用的地理編碼引擎可以快速幫助用戶集成行業(yè)內(nèi)專題數(shù)據(jù)。地理編碼系統(tǒng)包括3個部分，如圖5所示。

1）地址數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。提供地址和POI數(shù)據(jù)的增加、刪除，歷史地址數(shù)據(jù)管理，標準詞、同義詞管理等功能。

2）地理編碼應用系統(tǒng)。直接向用戶提供地理編碼應用功能，包括正向和逆向兩類編碼應用。支持單條匹配，也支持txt、csv等多種格式的批量匹配。

3）地理編碼后臺管理系統(tǒng)。對用戶的待匹配數(shù)據(jù)、匹配結果、匹配次數(shù)等進行統(tǒng)計分析，為進一步優(yōu)化系統(tǒng)（包括數(shù)據(jù)和引擎）積累數(shù)據(jù)。

圖5 地理編碼系統(tǒng)組成

2.5 知識服務引擎

知識服務引擎是時空信息云平臺實現(xiàn)信息服務向知識服務轉變的關鍵，知識服務引擎建設可以依托于時空信息云平臺的數(shù)據(jù)資源和服務能力（知識服務引擎組成見圖6）開展專業(yè)知識模型的研究，并研發(fā)相應的軟件系統(tǒng)，主要包括模型管理、模型分析與評價、分析結果輸出等3大功能模塊。

圖6 知識服務引擎組成

3 結 語

隨著智慧城市建設進程的進一步加快，時空信息云平臺的建設與應用將得到更為廣泛的關注。本文探討了智慧城市時空信息云平臺需要實現(xiàn)的6個轉變，圍繞此目標探討了時空信息云平臺建設的總體架構，包括基礎設施即服務、平臺即服務和軟件即服務等核心內(nèi)容，并基于此提出了相應的關鍵技術路線，如云GIS技術、時空數(shù)據(jù)組織、共享交換技術、地理編碼引擎、知識服務引擎、時空電子地圖、離線電子地圖等，這些內(nèi)容都是成熟的時空信息云平臺建設必不可少的條件，將在智慧城市的建設過程中提供高質量的地理信息服務。除此之外，智慧城市時空信息云平臺的建設內(nèi)容還非常多，比如物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的接入、基于時空大數(shù)據(jù)的分析與挖掘、工作流引擎等，都是下一步需要重點研究的內(nèi)容和方向。

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[2] 李維森．數(shù)字中國的建設與智慧城市的探索[J]．地理信息世界,2013,20(2):1-5

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[5] 喬宇寒．宿主機自動選擇策略研究及在云GIS平臺中的應用[D]．北京:北京交通大學, 2015

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P208

B

1672-4623（2016）12-0007-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.12.003

李林，碩士，主要研究方向為智慧城市、大數(shù)據(jù)分析、文本挖掘、空間數(shù)據(jù)集成與共享等。

2016-09-06。

項目來源：重慶市科委重大應用開發(fā)計劃資助項目（cstc2014yykfC0053）。