對智慧城市時空信息云平臺建設(shè)的思考

劉全海，冉慧敏，郭云嫣

（1.常州市測繪院，江蘇常州 213003； 2.常州市地理信息智能技術(shù)中心，江蘇常州 213003）

對智慧城市時空信息云平臺建設(shè)的思考

劉全海1，2*，冉慧敏1，2，郭云嫣1，2

（1.常州市測繪院，江蘇常州 213003； 2.常州市地理信息智能技術(shù)中心，江蘇常州 213003）

智慧城市時空信息云平臺是智慧城市重要的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施，在其建設(shè)過程中有許多需要探索和解決的問題。本文在分析國內(nèi)建設(shè)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對時空信息云平臺的概念內(nèi)涵、功能定位進(jìn)行深入思考，認(rèn)為在建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、云架構(gòu)、智能應(yīng)用開發(fā)、智能感知和知識挖掘等方面需要進(jìn)一步加強(qiáng)。通過研究和突破時空數(shù)據(jù)管理及可視化、物聯(lián)網(wǎng)感知信息集成、云GIS一體化共享服務(wù)體系等多項關(guān)鍵技術(shù)，以常州為實驗區(qū)域，建設(shè)“智慧常州時空信息云平臺”。

時空信息；云GIS；共享服務(wù)；物聯(lián)網(wǎng)；時空分析

1　引 言

隨著智慧城市階段科技不斷進(jìn)步和應(yīng)用需求快速變化，特別是云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，我國提出了“測繪4.0”、“互聯(lián)網(wǎng)+測繪”的概念［1］，對數(shù)字城市地理空間框架的空間基礎(chǔ)信息提出了“體驗性要好、實時性要強(qiáng)、移動性要大、可控性要高和自主性要多”的新要求。在此背景下，數(shù)字城市地理空間框架需要提升，并與云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新型技術(shù)接軌，形成面向智慧城市的時空信息云平臺。

時空信息云平臺是智慧城市地理空間信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要的、基礎(chǔ)性的內(nèi)容［2］。隨著時空信息云平臺的首次提出，業(yè)界對其內(nèi)涵、定位和相關(guān)技術(shù)的探索在逐漸深化，全國各地多個城市也已探索并啟動了平臺的建設(shè)工作，研究并解決了許多技術(shù)難題，形成了部分成果。而未來，作為智慧城市的必備基礎(chǔ)設(shè)施，時空信息云平臺必將大范圍加以建設(shè)。因此，對時空信息云平臺的概念內(nèi)涵、功能定位、建設(shè)重點、關(guān)鍵技術(shù)等方面的探討必須深入而明確，形成科學(xué)、規(guī)范、公認(rèn)的界定，從而使在此基礎(chǔ)上建設(shè)的平臺成果能真正發(fā)揮智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施的作用，支撐整個智慧城市的時空信息智能化運維和共享的需求。

2　概念內(nèi)涵及功能定位

2.1概念內(nèi)涵

內(nèi)涵是事物的含義即概念，是事物特有屬性的反映?！爸腔鄢鞘袝r空信息云平臺”是一個復(fù)合名詞，文章通過對其分詞后的單獨名詞展開探討，以便明確其內(nèi)涵。

（1）智慧城市

智慧城市是時空信息云平臺服務(wù)的對象和目標(biāo)。用易于理解的簡單公式表達(dá)，可以這樣認(rèn)為［3］:智慧城市=數(shù)字城市+物聯(lián)網(wǎng)+云計算。智慧城市通過互聯(lián)網(wǎng)把無處不在的被植入城市物體的智能傳感器連接起來（物聯(lián)網(wǎng)），實現(xiàn)對現(xiàn)實城市的全面感知，利用云計算技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)手段對海量感知信息進(jìn)行處理分析，對包括政務(wù)、民生、環(huán)境、公共安全等在內(nèi)的各種需求做出智能化響應(yīng)和決策支持［4～6］。

（2）時空信息

面向智慧城市的空間信息應(yīng)該是四維的，不僅可以提供準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)信息，還可以提供坐標(biāo)信息及其屬性隨時間變化的情況。根據(jù)文獻(xiàn)，時空信息（時空數(shù)據(jù)）［2］包括如下幾類信息:①豐富的歷史地理數(shù)據(jù)；②全覆蓋、精細(xì)化的現(xiàn)勢數(shù)據(jù)；③依托CORS提供的實時位置信息；④精細(xì)三維、全景影像、視角三維、立體街景等多維度可視化地理信息；⑤智能感知設(shè)備獲取的視頻、RFID、ASCII碼、二進(jìn)制等實時信息；⑥基于泛在網(wǎng)絡(luò)下的眾源地理信息；⑦能反映未來的規(guī)劃成果數(shù)據(jù)、根據(jù)各類模型計算的趨勢數(shù)據(jù)。

時空信息大大拓寬了傳統(tǒng)測繪地理信息行業(yè)所認(rèn)知的數(shù)據(jù)范疇，涵蓋一切與空間信息相關(guān)的數(shù)據(jù)，其邊界根據(jù)需要隨時可被突破并擴(kuò)容，如此通過多種途徑獲取匯集得到的時空數(shù)據(jù)資源池，形成了時空大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)，是實現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘、智能專題分析與應(yīng)用的前提。

（3）云GIS平臺

云GIS是利用云計算的理論、方法和技術(shù)來擴(kuò)展并改進(jìn)傳統(tǒng)GIS的結(jié)構(gòu)體系，實現(xiàn)海量時空數(shù)據(jù)的高性能存取與處理操作，從而提供更為高效的計算能力和數(shù)據(jù)處理能力，解決各類地理信息計算密集型、地理信息數(shù)據(jù)密集型問題［7～9］。目前國內(nèi)提出了在地理信息服務(wù)平臺基礎(chǔ)上構(gòu)建一種云GIS四層服務(wù)體系［10］，包括Service服務(wù)層、GIS Server服務(wù)層、基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層和虛擬數(shù)據(jù)中心服務(wù)層。

2.2定義及定位

（1）定義

通過前述名詞拆解和內(nèi)涵分析，“智慧城市時空信息云平臺”具有豐富的內(nèi)涵，“智慧城市”是其運行背景和支撐對象，“時空信息”是其提供的核心服務(wù)內(nèi)容，“云平臺”是其建設(shè)架構(gòu)和運行方式。

因此，國家測繪地理信息局將時空信息云平臺定義如下［11］:智慧城市時空信息云平臺是通過泛在網(wǎng)絡(luò)、傳感設(shè)備、智能計算等新型高科技手段，實時匯集城市各種時空信息，而形成的更透徹感知、更廣泛互聯(lián)、更智能決策、更靈性服務(wù)和更安全可靠的地理信息服務(wù)平臺，是智慧城市建設(shè)的重要的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施。

本文認(rèn)為，時空信息云平臺的重點在于突破傳統(tǒng)測繪地理信息的認(rèn)知體系，建立融合3S技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)、云計算技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的技術(shù)體系，形成匯集城市空間與非空間、歷史現(xiàn)狀與未來、結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化等時空信息資源中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)提供、信息服務(wù)、知識服務(wù)的多層次、立體化服務(wù)，智能化地服務(wù)整個智慧城市的建設(shè)與運行。

（2）功能定位

若將智慧城市形象地比喻為人體，也具有感官、神經(jīng)、大腦、骨架和行為，智慧城市的感官應(yīng)是傳感器，其神經(jīng)系統(tǒng)是泛在網(wǎng)絡(luò)，其大腦是計算中心，其行為是智能化運營，則其骨架應(yīng)為時空信息，由各部分協(xié)同支撐智慧城市。

因此，時空信息云平臺的功能定位應(yīng)是智慧城市的骨骼和經(jīng)脈，是感知層與智慧決策層之間信息溝通的橋梁，是匯集智慧城市時空信息資源的礦藏，也是智慧城市各行業(yè)領(lǐng)域信息互通的渠道。對于城市勘測單位而言，建設(shè)時空信息云平臺應(yīng)立足于城鄉(xiāng)規(guī)劃，服務(wù)于整個城市管理的各個環(huán)節(jié)，同時向各行業(yè)領(lǐng)域智能化服務(wù)進(jìn)行拓展延伸。

2.3對城市勘測行業(yè)的意義

如今移動互聯(lián)網(wǎng)市場如火如荼，涌現(xiàn)了大量基于地圖位置的、面向不同需求的在線應(yīng)用、移動APP，也衍生出許多基于空間位置的大數(shù)據(jù)分析項目，均以各類時空信息為核心，這其中卻極少看到出自傳統(tǒng)測繪人之手的產(chǎn)品，這一現(xiàn)象值得我們深刻反思。

面向智慧城市的、基于地圖服務(wù)的好產(chǎn)品、好項目，關(guān)鍵在于找準(zhǔn)需求著力點及其相匹配的數(shù)據(jù)鏈條，在空間信息基礎(chǔ)上融合上下游其他專題信息并構(gòu)建數(shù)據(jù)模型。測繪地理信息正是由于缺乏專題數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)鏈環(huán)節(jié)缺失，才難以開展基于大數(shù)據(jù)分析的知識挖掘服務(wù)。

依托時空信息云平臺的建設(shè)，大量的時空信息在平臺中匯集和交換，測繪行業(yè)有機(jī)會提升產(chǎn)品發(fā)展層次，延長傳統(tǒng)測繪產(chǎn)品鏈，實現(xiàn)從“數(shù)據(jù)提供—信息服務(wù)”到“數(shù)據(jù)提供—信息服務(wù)—知識服務(wù)”的轉(zhuǎn)型。

3　建設(shè)現(xiàn)狀與思考

3.1建設(shè)現(xiàn)狀

隨著數(shù)字城市向智慧城市發(fā)展的號角吹響，全國掀起了一波建設(shè)智慧城市時空信息云平臺的熱浪。我國的山東濟(jì)寧、浙江寧波、江蘇徐州和常州、湖北武漢、河南鄭州、山西太原、云南等省市相繼啟動了智慧城市時空信息云平臺建設(shè)的序幕。

濟(jì)寧市建立了相應(yīng)的云服務(wù)環(huán)境，其數(shù)據(jù)集成現(xiàn)有的基礎(chǔ)地理信息，擴(kuò)充歷史信息、現(xiàn)勢信息、實時信息和專題信息，各種功能軟件打包成模塊，提供二次開發(fā)接口方便調(diào)用。

重慶市兩江新區(qū)［12］的智慧兩江時空信息云平臺建設(shè)，利用3S技術(shù)、虛擬現(xiàn)實等手段，整合兩江新區(qū)基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫、專題數(shù)據(jù)庫，并建設(shè)完成公益性、基礎(chǔ)性的智慧兩江時空信息云服務(wù)平臺，針對城鄉(xiāng)規(guī)劃管理需求建設(shè)規(guī)劃信息服務(wù)系統(tǒng)，以提高城鄉(xiāng)規(guī)劃管理的效率。

黑龍江?。?3］搭建了ArcGIS私有云，部署云端應(yīng)用實驗，設(shè)計省、市、縣三級總體框架。

云南省同樣采用了ArcGIS私有云，通過建設(shè)“一個中心、兩個平臺、三層服務(wù)、四大能力”，成為全國首個驗收的省級時空信息云平臺。

此外，寧波、徐州、武漢、鄭州、太原等時空信息云平臺建設(shè)試點，基本處于項目評審后的實施階段，尚未有成果形成應(yīng)用。

3.2主要問題與思考

（1）建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)

國內(nèi)各條線領(lǐng)域中的智慧城市公共平臺的認(rèn)知并不一致，從國家工信部、國家住建部到國土資源部（國家測繪地理信息局），對智慧城市的公共平臺的名稱、建設(shè)側(cè)重點、共享范疇等均各有不同，具體如表1所示。

智慧城市公共平臺要求比較　表1

為了真正地服務(wù)于智慧城市，城市測繪院建設(shè)的公共平臺仍應(yīng)立足于國家測繪局的要求，建立智慧城市時空信息云平臺，以空間地理信息為核心，在共享范疇、共享能力上必須拓展延伸，形成較強(qiáng)的時空信息跨界服務(wù)能力，擴(kuò)展各類非空間公共信息融合能力，從而打通不同部門公共信息共享流通的脈絡(luò)，真正承擔(dān)起智慧城市骨架的作用。

（2）云平臺建設(shè)

云GIS平臺的建設(shè)模式與云計算相同，主要有三種建設(shè)模式:公有GIS云、私有GIS云和混合GIS云。公有云可便捷實現(xiàn)信息在線共享，但數(shù)據(jù)保密安全方面較弱；反之私有云則可較好保障信息安全，但其眾源信息獲取和共享靈活性將受限；而混合云可視為二者的權(quán)衡折中。本文認(rèn)為應(yīng)采用混合方式建設(shè)時空信息云平臺，采用公有云實現(xiàn)城市公開信息共享，并在公有云平臺上匯集眾源信息，職權(quán)部門間內(nèi)部信息共享采用私有云。

云GIS平臺的建設(shè)途徑有三種:①采用成熟的商業(yè)產(chǎn)品，建設(shè)周期短，但靈活性較差，難以滿足個性化需求；②基于通用公有云平臺搭建，周期較長，費用較高。③自建云平臺，周期最長，需投入較多資金，但自主研發(fā)性強(qiáng)，可兼顧多種GIS平臺。采用何種建設(shè)途徑取決于各地的建設(shè)周期、技術(shù)實力、資金財力等多種因素，可根據(jù)實際情況綜合抉擇。

（3）智能應(yīng)用開發(fā)

當(dāng)下的GIS已跳脫出傳統(tǒng)的重型、復(fù)雜的大體量項目，向?qū)嵱?、垂直等輕量化方向發(fā)展。建設(shè)基于時空信息云平臺的智能應(yīng)用，首先需要找準(zhǔn)城市運營管理或社會民眾生活中的痛點需求，結(jié)合大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)分析技術(shù)，創(chuàng)新思路、量體裁衣。具體措施是基于平臺提供時空信息共享數(shù)據(jù)資源、地圖小工具、共享開發(fā)接口、應(yīng)用開發(fā)模板等，建立多樣化的交流平臺，舉辦創(chuàng)意有獎?wù)骷?chuàng)意開發(fā)大賽，充分鼓勵和調(diào)動社會各界對GIS應(yīng)用開發(fā)的探索熱情，形成一批智能應(yīng)用成果，既發(fā)揮了平臺的社會效益，又有利于推動智慧城市各領(lǐng)域的發(fā)展。

（4）智能感知與知識挖掘

智慧城市時空信息云平臺匯集了海量物聯(lián)網(wǎng)實時感知信息，必須與物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點定位信息進(jìn)行集成表達(dá)和融合分析。平臺基于云計算技術(shù)，不僅可高效提供基于地上地下、二維三維、歷史現(xiàn)狀的時空信息云計算服務(wù)，還能與智慧城市數(shù)據(jù)支撐體系中的其他信息云（經(jīng)濟(jì)云、人口云等）協(xié)同服務(wù)［14］，通過協(xié)同大數(shù)據(jù)分析進(jìn)一步發(fā)揮價值。

在具體的大數(shù)據(jù)分析工作中，需要將大數(shù)據(jù)的概念變成一個個接地氣的產(chǎn)品或者項目。在城市管理領(lǐng)域、商業(yè)和民眾生活領(lǐng)域，均可建立廣泛的數(shù)據(jù)挖掘案例，例如公安局可根據(jù)預(yù)測的犯罪幾率動態(tài)調(diào)整巡邏頻率和人員配備，百貨商場可根據(jù)需求實時調(diào)整商品價格等。

4　常州案例

常州同時作為國家工信部和住建部的“智慧城市”試點城市，是江蘇省唯一的“智慧城市”雙試點城市?；谠械摹皵?shù)字常州空間信息共享平臺”，重點開展了“智慧常州時空信息云平臺”建設(shè)。

4.1總體方案

智慧常州時空信息云平臺項目形成了“一庫、一中心、一平臺、多應(yīng)用”的成果體系［15］:建設(shè)了一套種類齊全、數(shù)量龐大、時間跨度長的智慧城市時空數(shù)據(jù)庫，建設(shè)了面向數(shù)據(jù)集成管理的時空數(shù)據(jù)運維中心，重點解決了時空數(shù)據(jù)管理及可視化、物聯(lián)網(wǎng)感知信息集成、云GIS一體化共享服務(wù)體系等技術(shù)問題，在此基礎(chǔ)上研發(fā)了時空信息云平臺，并在不同行業(yè)領(lǐng)域推廣建設(shè)了多個示范應(yīng)用系統(tǒng)。

項目總體技術(shù)架構(gòu)如圖1所示:

圖1　智慧常州時空信息云平臺總體架構(gòu)

4.2特色創(chuàng)新

（1）時空數(shù)據(jù)體系建設(shè)

國內(nèi)目前對于智慧城市時空信息云平臺的數(shù)據(jù)體系尚未給出研究成果，項目對此開展了探索，建設(shè)了全面的智慧常州時空信息云平臺數(shù)據(jù)體系。

項目充分利用智慧規(guī)劃的現(xiàn)有的各類空間數(shù)據(jù)及相關(guān)部委辦的相關(guān)專題數(shù)據(jù)，通過收集、整理、配準(zhǔn)常州明清時代古地圖、日軍侵華所繪制地圖、新中國成立后衛(wèi)星遙感影像、常州不同時期大比例尺地形圖的歷史的地理空間數(shù)據(jù)，集成了城市三維、地下管線、全景影像等現(xiàn)代的現(xiàn)勢地理數(shù)據(jù)以及常州規(guī)劃、建設(shè)、管理的各類專題數(shù)據(jù)，動態(tài)接入了實時位置、視頻、實時傳感器等感知信息，初步搭建了集地上下、室內(nèi)外、動靜態(tài)于一體的時空數(shù)據(jù)體系，形成了國內(nèi)少有的種類齊全、數(shù)量龐大、覆蓋面廣、時間跨度長的時空數(shù)據(jù)庫。

（2）時空數(shù)據(jù)管理及可視化

顧及了智慧城市時空信息云平臺中的海量時空數(shù)據(jù)，針對時空信息云平臺中各類時空數(shù)據(jù)的內(nèi)容、時態(tài)特征、時空索引及調(diào)度等方面展開研究，其中時空索引機(jī)制將時間、空間與專題屬性作為同等重要的維度，兼顧了三者的查詢效率，基于此數(shù)據(jù)組織機(jī)制提出了時空數(shù)據(jù)的動態(tài)可視化表達(dá)方法，實現(xiàn)了時間軸動畫、多時態(tài)對比、對象狀態(tài)回溯等多種可視化方式，如圖2所示。

圖2　時間軸瀏覽

（3）物聯(lián)網(wǎng)感知信息集成

項目將物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域三類典型信息（空間定位、物理量感知、視頻感知等）作為切入點，突破物聯(lián)網(wǎng)多源異構(gòu)信息集成難題，實現(xiàn)了各類信息的地圖定位、信息查詢和實時刷新（如圖3所示），輔助城市事情實時感知、應(yīng)急搶險決策支撐。

圖3　實時位置感知

（4）云GIS一體化共享服務(wù)體系

基于用戶在云環(huán)境中托管數(shù)據(jù)與應(yīng)用的普遍意圖與需求，建設(shè)了“數(shù)據(jù)云”、“服務(wù)云”和“應(yīng)用云”，提出了一套新型的GIS云服務(wù)模式，從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)制圖、服務(wù)發(fā)布、服務(wù)管理、應(yīng)用定制和使用，形成了一套一體化云服務(wù)流程。這一基于按需服務(wù)、在線提供的云服務(wù)模式，采用輕盈的全過程在線交互方式，充分實現(xiàn)不同專業(yè)層次用戶的易操作性，實現(xiàn)了時空信息共享的“去平臺化”、“去專業(yè)化”。

此外，平臺通過“數(shù)據(jù)云”的云盤，可集成各類非空間數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，以支撐其他各類不直接與空間信息相關(guān)的政務(wù)公共信息，兼顧了智慧城市公共信息平臺的功能需求。

5　總 結(jié)

隨著智慧城市的深化建設(shè)，智慧常州時空信息云平臺以及智慧城市時空測繪基準(zhǔn)、智慧城市測繪數(shù)據(jù)智能采集平臺、數(shù)字城市三維地理空間框架、智能地下綜合管網(wǎng)數(shù)據(jù)全生命周期制作與管理平臺等重點項目，將圍繞著空間基礎(chǔ)信息這一核心，服務(wù)于不同行業(yè)領(lǐng)域的信息化成果建設(shè)，推進(jìn)測繪地理信息產(chǎn)業(yè)與智慧城市建設(shè)的深度耦合。

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Thinking about the Construction of Spatial-temporal Information Cloud Platform of Smart City

Liu Quanhai1，2，Ran Huimin1，2，Guo Yunyan1，2
（1.Changzhou Surveying and Mapping Institute，Changzhou 213003，China；2.Changzhou Geospatial Information Intelligence Technology Center，Changzhou 213003，China）

Spatial-temporal information cloud platform is one of the most important infrastructure of smart city.There are so many problems which need to be studied and solved during the construction of spatial-temporal information cloud platform.Based on the status analysis，the paper discusses the definition and position of spatial-temporal information cloud platform，deeming several aspects should be concerned，such as the construction standard，cloud GIS technology，intelligence application development，smart sensing and knowledge mining.We describe several key technologies such as spatial-temporal data management and visualization，perceptual information integration，sharing and service system of cloud GIS.Eventually，“spatial-temporal information cloud platform of smart Changzhou”has been introduced，which can provide the reference for the other city's surveying and mapping group.

spatio-temporal data；cloud GIS；sharing services；internet of things；spatial-temporal analysis

1672-8262（2016）04-5-06

P208.2

A

2016—04—25

劉全海（1972—），男，研究員級高級工程師，主要從事三維數(shù)字城市、智能測繪、時空信息共享挖掘等研究。

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技示范項目（S5201328）；住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技示范項目（S5201329）；住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部軟科學(xué)研究項目（R22015171）