智慧徐州時(shí)空信息服務(wù)模型研究

黃 強(qiáng)，王亞軍，楚 亮，王守東

（1.徐州市國土資源局，江蘇 徐州 221000；2.武大吉奧信息技術(shù)有限公司，湖北 武漢430223）

徐州作為全國的老工業(yè)基地和江蘇省的農(nóng)業(yè)大市，雖然在“十一五”和“十二五”初期迎來了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，但發(fā)展中暴露出的一些問題仍不容忽視。例如，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)偏重，轉(zhuǎn)型升級任務(wù)艱巨；信息化水平相對滯后，城鄉(xiāng)發(fā)展不均衡；政務(wù)協(xié)同缺乏支撐，管理服務(wù)有待升級；基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)亟需完善，數(shù)據(jù)資源散落孤立等，在新的歷史時(shí)期，這些問題將制約徐州市的跨越發(fā)展。信息技術(shù)的成熟，特別是智慧城市的建設(shè)，為解決這些問題提供了可行的辦法，是解決人口、資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等問題的良藥[1]。

智慧徐州時(shí)空信息基礎(chǔ)設(shè)施和時(shí)空大數(shù)據(jù)庫建設(shè)是數(shù)字徐州地理空間框架的升級和提檔，是智慧徐州建設(shè)的重要組成部分和基礎(chǔ)內(nèi)容。它構(gòu)建了統(tǒng)一的多尺度、多類型、多時(shí)態(tài)的全市時(shí)空信息融合服務(wù)平臺(tái)，為全市60多個(gè)部門300多個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)提供了時(shí)空信息服務(wù)，促進(jìn)了區(qū)域內(nèi)各部門信息資源的匯聚以及共享共用，夯實(shí)了智慧徐州數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 智慧徐州時(shí)空大數(shù)據(jù)體系

1.1 時(shí)空大數(shù)據(jù)的涵義

互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及各種傳感器的應(yīng)用，使得獲取的描述自然和人類活動(dòng)的數(shù)據(jù)量與日俱增，呈現(xiàn)海量性、動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)。其中用于表達(dá)地理客觀世界，與時(shí)空位置有關(guān)的各種實(shí)體和過程狀態(tài)數(shù)據(jù)稱為時(shí)空大數(shù)據(jù)，包括地理實(shí)體對象、過程、事件在空間、時(shí)間、語義等方面的關(guān)聯(lián)關(guān)系[2]，具有多維度、動(dòng)態(tài)、多尺度、多源、多類型等特性[3-4]。

1.2 時(shí)空大數(shù)據(jù)庫體系

在北斗時(shí)空基準(zhǔn)下，借助互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)，實(shí)時(shí)接入動(dòng)態(tài)感知信息，以位置服務(wù)為紐帶，聚合時(shí)間和空間要素，形成時(shí)空信息。其主要包括矢量、影像、高程、地名地址、電子地圖、實(shí)景三維、公交、路網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和專題、圖文以及視頻等數(shù)據(jù)。時(shí)空大數(shù)據(jù)庫可分為時(shí)空信息框架數(shù)據(jù)庫、政務(wù)時(shí)空信息數(shù)據(jù)庫和公眾時(shí)空信息數(shù)據(jù)庫。智慧徐州時(shí)空大數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 智慧徐州時(shí)空大數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)

1）時(shí)空信息框架數(shù)據(jù)庫，是在基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，通過對數(shù)據(jù)的進(jìn)一步加工整理而建成的面向?qū)ο?、結(jié)構(gòu)化并適于網(wǎng)絡(luò)表達(dá)的數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫全面對接徐州市資源目錄，并按類進(jìn)行分層。

2）政務(wù)時(shí)空信息數(shù)據(jù)庫，是對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)專題數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)抽取、處理和建庫后形成的數(shù)據(jù)庫。其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可分為3大類：①基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要包括地理實(shí)體、電子地圖、地名POI、三維模型發(fā)布數(shù)據(jù)、可量測實(shí)景影像發(fā)布數(shù)據(jù)、公交數(shù)據(jù)、路網(wǎng)數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)等；②各委辦局存儲(chǔ)的業(yè)務(wù)專題數(shù)據(jù)，主要包括空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)，如人口、法人、宏觀經(jīng)濟(jì)、城鄉(xiāng)規(guī)劃和國土資源等；③地理空間數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)和應(yīng)用專題數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接入、抽取、清洗、轉(zhuǎn)換等流程實(shí)現(xiàn)對各委辦局業(yè)務(wù)專題數(shù)據(jù)（空間和非空間數(shù)據(jù)）、物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)（空間數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)）和外部系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)的抽取，融合形成智慧時(shí)空信息數(shù)據(jù)成果，以及整個(gè)服務(wù)平臺(tái)對外共享、交換、發(fā)布的服務(wù)、數(shù)據(jù)、應(yīng)用的元數(shù)據(jù)。

3）公眾時(shí)空信息數(shù)據(jù)庫，是在政務(wù)時(shí)空信息數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，通過綜合、建庫處理形成的，可供行業(yè)部門以及社會(huì)公眾共享的非涉密數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫中主要包括地理實(shí)體、電子地圖、地名POI、可量測實(shí)景影像發(fā)布數(shù)據(jù)、公交數(shù)據(jù)、路網(wǎng)數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)等。

1.3 時(shí)空大數(shù)據(jù)的組織與管理

以地理實(shí)體為基本單元，整合人口、法人、空間地理、宏觀經(jīng)濟(jì)、信用和專題政務(wù)信息等基礎(chǔ)性信息資源，融合各行業(yè)對空間管理對象的表達(dá)與分類標(biāo)準(zhǔn)，對現(xiàn)實(shí)地理對象進(jìn)行分類，賦予唯一的地理實(shí)體編碼，進(jìn)行全生命周期的管理。數(shù)據(jù)組織模式見圖2。

圖2 基于地理實(shí)體構(gòu)建的時(shí)空大數(shù)據(jù)組織模式

在多時(shí)態(tài)矢量要素?cái)?shù)據(jù)庫中，為提高數(shù)據(jù)庫訪問效率，將當(dāng)前數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)分開存放，即分為歷史空間數(shù)據(jù)庫和當(dāng)前空間數(shù)據(jù)庫。歷史空間數(shù)據(jù)庫記錄現(xiàn)實(shí)世界中的對象在有效時(shí)間軸上的一系列狀態(tài)變化（有效時(shí)間是指對象的生命周期）；當(dāng)前空間數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)最新基態(tài)數(shù)據(jù)，在歷史空間數(shù)據(jù)庫中保存歷史基態(tài)數(shù)據(jù)序列。以基態(tài)數(shù)據(jù)為參照記錄存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，每一個(gè)基態(tài)數(shù)據(jù)對應(yīng)一個(gè)歷史數(shù)據(jù)圖層，存儲(chǔ)該基態(tài)與前一基態(tài)之間的變化數(shù)據(jù)對象（基態(tài)由基態(tài)數(shù)據(jù)圖層和變化數(shù)據(jù)圖層兩部分組成）。

當(dāng)要素的空間或?qū)傩詳?shù)據(jù)發(fā)生變化，需要更新數(shù)據(jù)時(shí)，若是局部范圍、部分要素更新，則將新的數(shù)據(jù)增量更新到當(dāng)前最新基態(tài)數(shù)據(jù)庫，被更新的矢量要素?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)圖層；若是大范圍、全要素的更新，則將新數(shù)據(jù)完全替代當(dāng)前基態(tài)數(shù)據(jù)，原來的數(shù)據(jù)就變?yōu)闅v史基態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到歷史數(shù)據(jù)庫中。

2 智慧徐州時(shí)空信息服務(wù)模型

2.1 多源異構(gòu)時(shí)空數(shù)據(jù)的融合與管理

大部分?jǐn)?shù)據(jù)都與空間位置相關(guān)，通過空間位置關(guān)聯(lián)能夠建立能源、環(huán)保、醫(yī)療、物流、交通、城市安全等數(shù)據(jù)的多層次多元信息融合框架和融合服務(wù)模型，實(shí)現(xiàn)對異構(gòu)數(shù)據(jù)快速、高效的融合和空間挖掘。如圖3所示，首先以空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、空間社交網(wǎng)絡(luò)、城市網(wǎng)格化社會(huì)創(chuàng)新管理、國土資源土地調(diào)查與利用、實(shí)時(shí)交通與環(huán)境、以及基于遙感、物聯(lián)網(wǎng)獲取的觀測數(shù)據(jù)等為基礎(chǔ)，形成綜合空間結(jié)構(gòu)、拓?fù)?、層次關(guān)系的多源數(shù)據(jù)時(shí)空關(guān)聯(lián)模型；然后基于空間位置的多源異構(gòu)信息融合服務(wù)接口和網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對多源數(shù)據(jù)快速、高效的融合處理；最后利用可擴(kuò)展的高效分布式時(shí)空數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理技術(shù)，通過時(shí)空數(shù)據(jù)庫訪問接口和面向應(yīng)用主題的共享與數(shù)據(jù)交換模型，實(shí)現(xiàn)時(shí)空、專題和動(dòng)態(tài)的多維度聯(lián)合查詢和時(shí)空特征的數(shù)據(jù)分析。

圖3 基于空間位置的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合與管理

2.2 服務(wù)協(xié)同理論驅(qū)動(dòng)的多源異構(gòu)時(shí)空信息融合服務(wù)模型

目前，國內(nèi)時(shí)空信息云平臺(tái)的建設(shè)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，各城市使用的軟件也不相同（GeoGlobe、NewMapGIS、ArcGIS和Skyline等），形成了眾多互相隔離的信息孤島，導(dǎo)致時(shí)空信息服務(wù)的用戶范圍狹窄、接口無法完全兼容、功能難以有效協(xié)同，制約了時(shí)空信息服務(wù)的專業(yè)化縱向突破與平民化橫向拓展。

本文在研究多源異構(gòu)時(shí)空數(shù)據(jù)融合方法的基礎(chǔ)上，提出了服務(wù)協(xié)同理論驅(qū)動(dòng)的多源異構(gòu)時(shí)空信息融合服務(wù)模型，以空間位置關(guān)聯(lián)為基礎(chǔ)，根據(jù)大部分?jǐn)?shù)據(jù)都與空間位置相關(guān)的共性，建立能源、環(huán)保、醫(yī)療、物流、交通、城市安全等數(shù)據(jù)多層次多元信息融合框架和融合服務(wù)模型，實(shí)現(xiàn)對異構(gòu)數(shù)據(jù)快速、高效的融合和空間挖掘。如圖4所示，采用“集中注冊—統(tǒng)一運(yùn)維—全面監(jiān)控”的異構(gòu)服務(wù)協(xié)同管理機(jī)制，突破了服務(wù)接口統(tǒng)一、數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換、空間編碼匹配、服務(wù)質(zhì)量管控、服務(wù)檢索和推薦等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了不同級別、不同架構(gòu)時(shí)空信息云平臺(tái)服務(wù)的互聯(lián)互通和時(shí)空信息資源的統(tǒng)籌利用。

圖4 多源異構(gòu)時(shí)空信息融合服務(wù)模型

1）服務(wù)的統(tǒng)一化注冊運(yùn)維。通過異構(gòu)方式，分析各種服務(wù)的接入形式，以資源的方式管理服務(wù)信息。

2）服務(wù)的統(tǒng)一化代理與控制。代理控制通過反向代理機(jī)制，為各種服務(wù)提供統(tǒng)一的代理接口，同時(shí)在代理接口中分析不同的服務(wù)使用方式，針對服務(wù)的共性與特性進(jìn)行服務(wù)使用的權(quán)限控制。

3）服務(wù)的統(tǒng)一化監(jiān)控與統(tǒng)計(jì)。利用代理控制的統(tǒng)一管理入口、插入服務(wù)的統(tǒng)計(jì)與監(jiān)控接口，實(shí)時(shí)記錄服務(wù)的請求、響應(yīng)次數(shù)以及流量等信息，以分析服務(wù)的健康度和效率。

智慧徐州時(shí)空信息云平臺(tái)通過平臺(tái)門戶統(tǒng)一對外提供服務(wù)（圖5）。平臺(tái)采用J2EE體系框架，支持對輕量級數(shù)據(jù)源、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、分布式數(shù)據(jù)庫（不包含矢量）等多種數(shù)據(jù)源的訪問，并能通過瀏覽器中的訪問服務(wù)管理頁面完成對應(yīng)用服務(wù)器上服務(wù)的創(chuàng)建、配置、監(jiān)控、授權(quán)等運(yùn)維管理功能。一般用戶可直接調(diào)用通用平臺(tái)，享受在線地圖服務(wù)；個(gè)性用戶可在線向云平臺(tái)提出需求，如關(guān)鍵字、核心詞、自然語言描述和語音等，云服務(wù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)偵測后進(jìn)行規(guī)范處理，并驅(qū)動(dòng)應(yīng)用需求知識庫和資源特征庫實(shí)施模糊匹配，自動(dòng)選取符合要求的數(shù)據(jù)服務(wù)、基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)以及軟件服務(wù)，并將功能與服務(wù)集成為個(gè)性化的專業(yè)平臺(tái)，寄存在相應(yīng)邏輯區(qū)，在線提供服務(wù)；任務(wù)用戶可在線自定義流程，享受數(shù)據(jù)處理服務(wù)，如自動(dòng)制圖、地理編碼等；開發(fā)用戶可在線調(diào)用服務(wù)接口和應(yīng)用開發(fā)接口，甚至智能裝配。

圖5 時(shí)空信息數(shù)據(jù)服務(wù)流程圖

3 智慧徐州時(shí)空信息云平臺(tái)應(yīng)用模式

智慧徐州時(shí)空信息云平臺(tái)應(yīng)用模式可分為在線服務(wù)與前置服務(wù)系統(tǒng)兩種。服務(wù)模式以按需服務(wù)為核心，在線服務(wù)主要通過互聯(lián)網(wǎng)、政務(wù)內(nèi)網(wǎng)將平臺(tái)的數(shù)據(jù)、服務(wù)、應(yīng)用提供給用戶使用，包括軟件即服務(wù)、平臺(tái)即服務(wù)、數(shù)據(jù)即服務(wù)3種模式；當(dāng)用戶的系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境需保密或網(wǎng)絡(luò)不通暢時(shí)，則可采取前置服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行服務(wù)應(yīng)用[5-7]。

1）軟件即服務(wù)。用戶可通過資源訂閱對資源中心的數(shù)據(jù)、服務(wù)、應(yīng)用進(jìn)行使用申請，通過網(wǎng)絡(luò)即可獲得軟件服務(wù)。

2）平臺(tái)即服務(wù)。不僅平臺(tái)的建設(shè)者可在平臺(tái)上部署、公開、授權(quán)使用數(shù)據(jù)與服務(wù)，平臺(tái)中其他委辦局用戶也可租用平臺(tái)環(huán)境上傳、發(fā)布自己的數(shù)據(jù)，利用平臺(tái)的二次開發(fā)功能定制需要的服務(wù)功能或應(yīng)用系統(tǒng)。

3）數(shù)據(jù)即服務(wù)。時(shí)空數(shù)據(jù)成果按應(yīng)用專題進(jìn)行目錄化組織、公開，并通知給平臺(tái)中的所有用戶。用戶無需考慮這些數(shù)據(jù)的來源，直接按需對數(shù)據(jù)進(jìn)行訂閱、使用即可。

4）前置服務(wù)系統(tǒng)。通過前置服務(wù)系統(tǒng)可快速復(fù)制平臺(tái)中的數(shù)據(jù)和服務(wù)，以離線的方式向相關(guān)行業(yè)提供地理信息服務(wù)，完善平臺(tái)的整套服務(wù)體系。

4 結(jié) 語

智慧徐州時(shí)空大數(shù)據(jù)庫是智慧徐州的信息資源集散地，融合人口、法人、空間地理、宏觀經(jīng)濟(jì)和信用等基礎(chǔ)信息資源，構(gòu)建了多源異構(gòu)時(shí)空信息融合服務(wù)模型，以智慧時(shí)空信息云平臺(tái)為信息資源匯聚、共享、交換的橋梁，建立經(jīng)濟(jì)社會(huì)、自然資源等信息匯集、管理、服務(wù)以及大數(shù)據(jù)分析的信息資源庫和應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)，為徐州市的新型智慧城市建設(shè)提供核心基礎(chǔ)支撐。

[1] 楊瑛.新標(biāo)準(zhǔn)觀指引下的智慧城市頂層設(shè)計(jì)[J].電子政務(wù),2016(3):27-34

[2] 李德仁,馬軍,邵振峰.論時(shí)空大數(shù)據(jù)及其應(yīng)用[J].衛(wèi)星應(yīng)用,2015(9):7-11

[3] 李德仁,苗前軍,邵振峰.信息化測繪體系的定位與框架[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2007,32(3):189-192

[4] LI W W, YANG C W, YANG C J. An Active Crawler for Discovering Geospatial Web Services and Their Distribution Pattern:a Case Study of OGC Web Map Service[J].International Journal of Geographical Information Science,2010,24(8):1 127-1 147

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

[6] 李成名,劉曉麗,印潔,等.數(shù)字城市到智慧城市的思考與探索[J].測繪通報(bào),2013,15(3):1-3

[7] 李成名,李兵.從數(shù)字城市走向智慧城市[J].地理空間信息,2013,11(增刊):8-10