基于云架構(gòu)的智慧城市GIS共享平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

彭清濤　孫海永

作者簡(jiǎn)介：彭清濤（1982—），男，本科，高級(jí)工程師，主要從事地理信息數(shù)據(jù)處理和地圖編制與出版研究工作。

基于云架構(gòu)的智慧城市GIS共享平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

彭清濤?? 孫海永

（吉林省航測(cè)遙感院? 吉林長(zhǎng)春? 130000）

本文以GIS技術(shù)助力智慧城市信息共享平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，結(jié)合智慧城市時(shí)空信息云平臺(tái)構(gòu)建為背景，基于云GIS四層地理服務(wù)體系架構(gòu)，論述了智慧長(zhǎng)春時(shí)空信息云平臺(tái)的“四橫三縱”的總體架構(gòu)，橫向上包括基礎(chǔ)支撐環(huán)境、時(shí)空大數(shù)據(jù)、時(shí)空信息云平臺(tái)、智慧應(yīng)用4個(gè)層面，縱向上采用政策制度標(biāo)準(zhǔn)和安全運(yùn)維保障兩大手段，平臺(tái)已應(yīng)用于長(zhǎng)春市地理信息網(wǎng)、自然資源管理服務(wù)平臺(tái)、自然資源監(jiān)測(cè)平臺(tái)、其他智慧應(yīng)用集成，應(yīng)用結(jié)果表明，云GIS平臺(tái)提高了社會(huì)管理效能和質(zhì)量，為城市可持續(xù)發(fā)展的改善和調(diào)控提供有力工具。

智慧城市? GIS? 云平臺(tái)? 構(gòu)建

PENG Qingtao? SUN Haiyong

（Jilin Institute of Aerial Survey and Remote Sensing， Changchun， Jilin Province， 130000 China）

This paper takes the architecture design of smart city information sharing platform assisted by GIS technology as the research object， combined with the construction of smart city spatio-temporal information cloud platform as the background， based on the cloud GIS four layer geographic service system architecture， discusses the "four horizontal and three vertical" overall architecture of smart Changchun spatio-temporal information cloud platform， which horizontally includes the basic support environment， spatio-temporal big data， spatio-temporal information cloud platform. The platform has been applied to the integration of Changchun geographic information network， natural resource management service platform， natural resource monitoring platform and other intelligent applications. The application results show that the cloud GIS platform improves the efficiency and quality of social management， It provides a powerful tool for the improvement and regulation of urban sustainable development.

Smart city; GIS; Common platform; Construction

地理空間數(shù)據(jù)是城市信息資源的重要組成部分，也是集成整合城市其他業(yè)務(wù)信息資源的重要基礎(chǔ)。城市地理空間數(shù)據(jù)的應(yīng)用經(jīng)歷了一開(kāi)始以文件為中心的時(shí)代，走過(guò)了以數(shù)據(jù)庫(kù)為中心的系統(tǒng)建設(shè)時(shí)代，近幾年也走過(guò)了以面向地理服務(wù)為中心的服務(wù)時(shí)代，接下來(lái)將是面向云服務(wù)的智慧城市地理平臺(tái)時(shí)代。隨著云計(jì)算的不斷發(fā)展和深入應(yīng)用，云GIS技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其發(fā)展勢(shì)必會(huì)提升現(xiàn)有的城市地理空間數(shù)據(jù)的服務(wù)方式。云計(jì)算在智慧城市建設(shè)中落地，其資源池化、按需供應(yīng)的特性可以更好地發(fā)揮地理平臺(tái)的資源共享價(jià)值。

云GIS實(shí)質(zhì)是將地理空間數(shù)據(jù)的建模、存儲(chǔ)、處理和GIS的平臺(tái)、軟件等方便、高效地部署到以云計(jì)算為支撐的“云”基礎(chǔ)設(shè)施之上，能夠以彈性的、按需獲取的方式提供最廣泛的基于Web的服務(wù)，從而改變傳統(tǒng)GIS應(yīng)用方法和建設(shè)模式，使用戶(hù)以一種更加友好的方式，高效率、低成本地使用地理信息資源。

1 云GIS架構(gòu)及服務(wù)模式

1.1 數(shù)據(jù)整合在云端

傳統(tǒng)GIS模式下，空間數(shù)據(jù)整合的核心是數(shù)據(jù)“放在哪”，數(shù)據(jù)的提供者需要建設(shè)自有的數(shù)據(jù)中心運(yùn)維數(shù)據(jù)。而在云模式下，為用戶(hù)提供了理論上無(wú)限的存儲(chǔ)運(yùn)維終端——云端的中心。云端中心廣泛整合了各類(lèi)數(shù)據(jù)資源（包括空間數(shù)據(jù)和各類(lèi)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)），并且能應(yīng)用各類(lèi)數(shù)據(jù)資源提供統(tǒng)一的服務(wù)，但同時(shí)又對(duì)各個(gè)用戶(hù)之間的信息資源、計(jì)算資源、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)資源之間保持嚴(yán)格的邏輯安全控制。這樣一個(gè)數(shù)據(jù)資源豐富，運(yùn)維有保障的一站式云門(mén)戶(hù)，也為真正地發(fā)揮數(shù)據(jù)應(yīng)用價(jià)值奠定了基礎(chǔ)，如圖1所示。

1.2 云端資源，隨用隨取

傳統(tǒng)GIS，空間數(shù)據(jù)的更新和維護(hù)對(duì)技術(shù)實(shí)力和財(cái)力都是巨大挑戰(zhàn)。云模式下，用戶(hù)根據(jù)自身情況租用云端的資源，既可以是特定的硬軟件環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)帶寬等，也可以是經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)資源，使用戶(hù)在“一站式云門(mén)戶(hù)”平臺(tái)上方便獲取資源，用戶(hù)只需專(zhuān)注于業(yè)務(wù)的拓展。用戶(hù)根據(jù)度量功能的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，隨需地支付資源的使用費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)資源最佳配置。

1.3 滿(mǎn)足多平臺(tái)、多用戶(hù)協(xié)同工作

云端中心是一個(gè)整合了海量數(shù)據(jù)、功能強(qiáng)大的超級(jí)中心，可以拓展出使用各種平臺(tái)、各種設(shè)備的終端用戶(hù)與其連接，共享交換資源、應(yīng)用服務(wù)，進(jìn)而滿(mǎn)足不同角色、使用不同技術(shù)的用戶(hù)基于統(tǒng)一云平臺(tái)進(jìn)行協(xié)同工作。

2 ArcGIS云平臺(tái)

2.1 新型的Site-GIS Server模型架構(gòu)

新型的Site-GIS Server模型采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P）的方式，即每一個(gè)GIS Server節(jié)點(diǎn)都是平等的，在邏輯上將這n個(gè)GIS Server節(jié)點(diǎn)組織為一個(gè)Site站點(diǎn)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在單獨(dú)的數(shù)據(jù)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)之上，在計(jì)算集群中即使是某一個(gè)GIS Server節(jié)點(diǎn)意外宕機(jī)，也不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)地圖服務(wù)的停止運(yùn)行。當(dāng)需要增加一個(gè)GIS Server節(jié)點(diǎn)時(shí)，以plug-in方式插入一個(gè)節(jié)點(diǎn)為服務(wù)提高負(fù)載能力。這種松散的、熱插拔的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了GIS Server在計(jì)算節(jié)點(diǎn)上的自動(dòng)伸縮。

2.2 出色的私有云解決方案

ArcGIS Server可實(shí)現(xiàn)“云端發(fā)布服務(wù)、本地搭建應(yīng)用”，讓用戶(hù)能夠發(fā)布具有彈性調(diào)整能力的GIS服務(wù)，并可將其應(yīng)用于自己的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)當(dāng)中，同時(shí)允許用戶(hù)將開(kāi)發(fā)的應(yīng)用托管至云端。ArcGIS私有云解決了基礎(chǔ)底圖服務(wù)、GIS站點(diǎn)租用、虛擬數(shù)據(jù)中心、資源托管、智能化底層資源管理等服務(wù)問(wèn)題。

3 基于云架構(gòu)的智慧城市地理空間信息共享平臺(tái)構(gòu)建

3.1 平臺(tái)基本情況

本文以智慧長(zhǎng)春時(shí)空信息云平臺(tái)為例，探討“四橫三縱”的總體架構(gòu)，橫向上包括基礎(chǔ)支撐環(huán)境、時(shí)空大數(shù)據(jù)、時(shí)空信息云平臺(tái)、智慧應(yīng)用4個(gè)層面，縱向上采用政策制度標(biāo)準(zhǔn)和安全運(yùn)維保障兩大手段。

采用ArcGIS和SuperMap來(lái)集成政府各類(lèi)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于地理空間數(shù)據(jù)的社會(huì)管理一體化服務(wù)，其中ArcGIS主要用來(lái)管理二維數(shù)據(jù)、SuperMap 主要用來(lái)管理三維數(shù)據(jù)。

平臺(tái)應(yīng)用含3個(gè)子系統(tǒng)及多項(xiàng)智慧應(yīng)用對(duì)接：地理信息網(wǎng)系統(tǒng)以影像、矢量、三維一體化的數(shù)字城市地理空間框架為基礎(chǔ)，融合疊加醫(yī)療、教育、住房、民政、交通、氣象、旅游、應(yīng)急、公共設(shè)施等9個(gè)部門(mén)的專(zhuān)題數(shù)據(jù)，通過(guò)多種方式的數(shù)據(jù)可視化為政府輔助決策提供依據(jù)。

多項(xiàng)智慧應(yīng)用集成實(shí)現(xiàn)與時(shí)空信息云平臺(tái)的數(shù)據(jù)服務(wù)對(duì)接，主要包含數(shù)字城管、智慧公安、智慧河長(zhǎng)、智慧人居、智慧環(huán)保、智慧黨建、智慧醫(yī)療、智慧文旅等8個(gè)行業(yè)的系統(tǒng)對(duì)接。

3.2 平臺(tái)設(shè)計(jì)及架構(gòu)

時(shí)空信息云平臺(tái)按4層架構(gòu)設(shè)計(jì)，主要業(yè)務(wù)構(gòu)架如圖2所示。平臺(tái)按架構(gòu)層劃分為：支撐云環(huán)境、時(shí)空大數(shù)據(jù)、時(shí)空信息云平臺(tái)、智慧應(yīng)用4個(gè)層面。

（1）支撐云環(huán)境：主要是本項(xiàng)目的運(yùn)行支撐環(huán)境，包括計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)資源等硬件環(huán)境，以及 GIS 軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件等軟件環(huán)境。（2）時(shí)空大數(shù)據(jù)：其數(shù)據(jù)內(nèi)容包括基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)、公共專(zhuān)題數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)在線(xiàn)抓取數(shù)據(jù)四大類(lèi)?；诟咝阅芊植际綌?shù)據(jù)引擎，實(shí)現(xiàn)時(shí)空大數(shù)據(jù)的匯聚、融合和管理，構(gòu)建完善的時(shí)空大數(shù)據(jù)治理體系。（3）時(shí)空信息云平臺(tái)：最核心層，基于時(shí)空大數(shù)據(jù)，構(gòu)建各類(lèi)服務(wù)資源池，為各類(lèi)智慧應(yīng)用提供按需服務(wù)。服務(wù)資源池包括數(shù)據(jù)服務(wù)、功能服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)、知識(shí)服務(wù)和開(kāi)發(fā)服務(wù)等。（4）智慧應(yīng)用層：通過(guò)平臺(tái)提供的各類(lèi)服務(wù)資源，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的智能化。各政府部門(mén)可基于時(shí)空信息云平臺(tái)，開(kāi)展政府決策、城市管理和公眾應(yīng)用等方面的智慧應(yīng)用建設(shè)。本項(xiàng)目智慧應(yīng)用包括長(zhǎng)春市地理信息網(wǎng)、自然資源管理服務(wù)平臺(tái)、自然資源監(jiān)測(cè)平臺(tái)、其他智慧應(yīng)用集成。

4 云平臺(tái)中關(guān)于地理空間信息的關(guān)鍵研究工作

4.1 基于分布式計(jì)算的時(shí)空大數(shù)據(jù)分析挖掘

時(shí)空大數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)體量大、數(shù)據(jù)種類(lèi)多、處理速度要快等特點(diǎn)，這些大數(shù)據(jù)中蘊(yùn)涵著豐富的知識(shí)，為形成“用數(shù)據(jù)說(shuō)話(huà)、用數(shù)據(jù)決策、用數(shù)據(jù)管理、用數(shù)據(jù)創(chuàng)新”的城市管理新模式，需采用分布式時(shí)空大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，基于時(shí)空大數(shù)據(jù)分析的方法模型庫(kù)，實(shí)現(xiàn)時(shí)空大數(shù)據(jù)在線(xiàn)可視化分析挖掘。

4.2 基于動(dòng)態(tài)切片的海量時(shí)空數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)渲染

矢量切片技術(shù)繼承了矢量數(shù)據(jù)和切片地圖的雙重優(yōu)勢(shì)，基于矢量切片的動(dòng)態(tài)渲染技術(shù)，提供不同風(fēng)格的底圖服務(wù)，為用戶(hù)提供多樣化的選擇;同時(shí)提供豐富的二次開(kāi)發(fā)接口，用戶(hù)可以基于ArcGIS API、Openlayers、leaflet 等客戶(hù)端進(jìn)行矢量切片數(shù)據(jù)的調(diào)用。

4.3 基于實(shí)景三維的智慧城市管理與服務(wù)

基于WebGL 技術(shù)的新型三維技術(shù)，突破了三維數(shù)據(jù)的瀏覽和運(yùn)算瓶頸，通過(guò)三維數(shù)據(jù)切片，用戶(hù)可以在免插件的現(xiàn)代瀏覽器上流暢運(yùn)行三維數(shù)據(jù)。同時(shí)，該項(xiàng)技術(shù)支持細(xì)粒度的三維模型，對(duì)于工業(yè)級(jí)別的 BIM 模型也能流暢運(yùn)行。

對(duì)項(xiàng)目范圍內(nèi)的三維數(shù)據(jù)（包括三維建模數(shù)據(jù)、傾斜三維數(shù)據(jù)）進(jìn)行升級(jí)改造和技術(shù)革新，讓用戶(hù)在線(xiàn)暢快體驗(yàn)三維地理信息服務(wù)和價(jià)值。同時(shí)，提供開(kāi)放的三維API開(kāi)發(fā)接口，助力各行業(yè)開(kāi)展基于三維地圖服務(wù)的深入應(yīng)用。

4.4 基于物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)地圖

平臺(tái)支持不同網(wǎng)絡(luò)、適配不同協(xié)議，并與設(shè)備建立長(zhǎng)對(duì)話(huà)的通信機(jī)制，進(jìn)而對(duì)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、解析、存儲(chǔ)與預(yù)警，為時(shí)空大數(shù)據(jù)體系提供及時(shí)鮮活的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)。利用物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)與二、三維地圖進(jìn)行深度融合，為智慧城市、自然資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供全新的視角和手段。

5 結(jié)語(yǔ)

智慧城市發(fā)展階段，城市地理空間數(shù)據(jù)最終是以地理空間信息服務(wù)平臺(tái)的方式展現(xiàn)給用戶(hù)的。云GIS平臺(tái)架構(gòu)技術(shù)結(jié)合云計(jì)算與GIS平臺(tái)架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，以解決傳統(tǒng)GIS平臺(tái)的弊端，是智慧城市運(yùn)行的智能化時(shí)空載體?；谠萍軜?gòu)的智慧城市GIS共享平臺(tái)通過(guò)集成虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市精細(xì)化、網(wǎng)格化管理，創(chuàng)建了智慧城市社會(huì)管理與服務(wù)新模式，提高了社會(huì)管理效能和質(zhì)量，為城市可持續(xù)發(fā)展的改善和調(diào)控提供有力工具。

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