面向新基建的時(shí)空大數(shù)據(jù)深度融合方法及應(yīng)用

王淼 李華 魯欣宇 劉思遠(yuǎn)

（河南省遙感測(cè)繪院，河南 鄭州 450003）

1 引言

搶抓新基建、大數(shù)據(jù)時(shí)代的重大機(jī)遇，積極構(gòu)建以數(shù)據(jù)為核心的大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈，大力推動(dòng)“大數(shù)據(jù)+實(shí)體經(jīng)濟(jì)”深度融合，依托新基建大力發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)，是新時(shí)期產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向。據(jù)中國(guó)信息通信研究院預(yù)計(jì)，到2025 年，5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資累計(jì)將達(dá)到1.2萬(wàn)億元。5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)還將帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游以及各行業(yè)應(yīng)用投資，預(yù)計(jì)到2025 年將累計(jì)帶動(dòng)超過3.5 萬(wàn)億元投資。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心（IDC）也將迎來發(fā)展提速時(shí)代，未來發(fā)展?jié)摿统砷L(zhǎng)空間可期[1]。

新基建的重心是5G+、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、信息化建設(shè)等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，可以將新基建看作寬泛定義下的信息基建，如光纖寬帶、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）、5G、IPv6、北斗等，數(shù)據(jù)信息的相關(guān)服務(wù)，如大數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算中心、信息和網(wǎng)絡(luò)安全保障等。時(shí)空大數(shù)據(jù)是同時(shí)具有時(shí)間和空間維度的數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)量大、多源、更新快的特點(diǎn)?，F(xiàn)實(shí)世界中超過80%的信息與時(shí)空大數(shù)據(jù)有關(guān)，包括時(shí)間、空間、專題屬性三維信息，在政府管理與服務(wù)、水利交通、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、物流運(yùn)輸、維穩(wěn)救災(zāi)等方面起到重要支撐作用，也是新基建的底板數(shù)據(jù)和重要組成部分。如何實(shí)現(xiàn)時(shí)空大數(shù)據(jù)與新基建融合是需要關(guān)注的重點(diǎn)，本文對(duì)時(shí)空大數(shù)據(jù)深度融合的相關(guān)技術(shù)和思路進(jìn)行了探索和研究。

2 時(shí)空大數(shù)據(jù)融合技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

時(shí)空大數(shù)據(jù)的產(chǎn)生是源源不斷的，且來源多樣，數(shù)據(jù)量大，有效數(shù)據(jù)與大量無(wú)序、無(wú)效信息混雜，解決數(shù)據(jù)的真實(shí)性、有效性問題，處理、分析、加工各類信息，建立合理、完備數(shù)據(jù)體系是重中之重。隨著新基建迭代更新，大數(shù)據(jù)管理體系也必須快速更新和發(fā)展，要積極推進(jìn)時(shí)空大數(shù)據(jù)體系建設(shè)和數(shù)據(jù)融合標(biāo)準(zhǔn)設(shè)立，有效解決數(shù)據(jù)重復(fù)建設(shè)、加工效率不高和應(yīng)用深度不夠等問題，降低數(shù)據(jù)運(yùn)維成本，快速推進(jìn)政府?dāng)?shù)據(jù)共享開放和開發(fā)應(yīng)用，提高行政效率和服務(wù)水平，為新基建和產(chǎn)業(yè)升級(jí)賦能。

智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)作為智慧城市大腦的基礎(chǔ)設(shè)施，需要融合多源數(shù)據(jù)，例如，將數(shù)字城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、5G+、智慧合桿、高精度導(dǎo)航地圖、衛(wèi)星遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、氣象、水文、手機(jī)信令和北斗導(dǎo)航信息等充分融合轉(zhuǎn)化，在基礎(chǔ)地理信息、專項(xiàng)專題數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)和物聯(lián)感知數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)上，圍繞重大項(xiàng)目建設(shè)、政府大數(shù)據(jù)治理、民生服務(wù)等領(lǐng)域，提供權(quán)威、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、可感知的活數(shù)據(jù)，經(jīng)城市智慧大腦分析預(yù)判，實(shí)施應(yīng)對(duì)預(yù)案，進(jìn)行快速反應(yīng)和處置，實(shí)現(xiàn)多維信息聚合，提升城市治理效能。

時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)作為城市時(shí)空信息共享流通中心樞紐，能有效將各類數(shù)據(jù)資源融合、時(shí)空化，發(fā)揮新基建的重要作用，并為政府決策管理提供基礎(chǔ)，促進(jìn)政務(wù)空間信息資源共享交換和業(yè)務(wù)協(xié)同，建立起政府、企業(yè)與公眾之間的信息共享和良性互動(dòng)渠道，讓分散于各部門各單位的數(shù)據(jù)“串起來”“活起來”，使數(shù)據(jù)碰撞疊加產(chǎn)生超聚合作用。新基建關(guān)注的方向在云計(jì)算、感知和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等方面，時(shí)空大數(shù)據(jù)作為新基建的“定位器”和“底板數(shù)據(jù)”，不在“大”，而在于“融”。如何使用這些時(shí)空大數(shù)據(jù)是政府整體服務(wù)與管理水平提升的關(guān)鍵。時(shí)空信息云平臺(tái)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 時(shí)空信息云平臺(tái)架構(gòu)

3 多源數(shù)據(jù)融合方法

智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)融合是一項(xiàng)龐大復(fù)雜的工程，不同的城市資源、發(fā)展?fàn)顩r不同，需要制定符合各自特征的總體規(guī)劃，充分考慮各領(lǐng)域間的關(guān)系，全面建設(shè)一個(gè)智慧城市技術(shù)體系。一般來說，多源數(shù)據(jù)融合有三種方法。

（1）基于特征拼接的方法，將傳統(tǒng)的信息特征串聯(lián)加上一些基本地理信息與時(shí)空信息屬性方法，包括多視角、概率學(xué)模型、相似度及遷移學(xué)習(xí)的融合。實(shí)現(xiàn)“人-事-物”的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)融合，首先要確定特征和特征之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系信息，即基于語(yǔ)義信息的方法。跟視頻、圖像、語(yǔ)音不同，時(shí)空數(shù)據(jù)有空間屬性，即空間的距離和空間的層次（多層級(jí)），比如，在自然資源動(dòng)態(tài)監(jiān)管和“兩長(zhǎng)一網(wǎng)”巡查數(shù)據(jù)中，每個(gè)層級(jí)數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)空信息都有特別的語(yǔ)義信息。時(shí)空大數(shù)據(jù)融合可以做到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，針對(duì)不同數(shù)據(jù)源進(jìn)行配準(zhǔn)疊合，并進(jìn)行融合處理與疊合顯示，方便數(shù)據(jù)深度融合，開展信息挖掘，為政府科學(xué)決策、治理能力提升提供依據(jù)。

（2）以時(shí)空數(shù)據(jù)的規(guī)律性構(gòu)建模型進(jìn)行融合。時(shí)空數(shù)據(jù)有周期性規(guī)律，不同時(shí)期的交通流量、人群流量都有周期，這種周期性在視頻、語(yǔ)音和文本里沒有，無(wú)法產(chǎn)生有效知識(shí)信息。比如，每天交通高峰期的交通流量可能跟以往同期類似，但由于低潮期交通流量不同，人流潮汐的變化與時(shí)間關(guān)聯(lián)緊密，引導(dǎo)模型就會(huì)不同，物聯(lián)網(wǎng)和多源數(shù)據(jù)的時(shí)空信息疊加，可以獲得有效時(shí)空大數(shù)據(jù)模型推導(dǎo)和預(yù)測(cè)，從而提高城市管理的決策效能。

（3）以時(shí)空數(shù)據(jù)的趨勢(shì)性構(gòu)建模型進(jìn)行融合。隨著時(shí)空大數(shù)據(jù)的不斷積累和匯聚，潮汐現(xiàn)象也在不斷變化和遷徙。日出時(shí)間和工作時(shí)間的變化，決定了交通高峰期的提前或延后。細(xì)微潮汐的變化與時(shí)空大數(shù)據(jù)的多源融合和變化模型有關(guān)，把所分析管理的區(qū)域分成細(xì)化的網(wǎng)格，充分融合新基建和手機(jī)信令信息等多源數(shù)據(jù)，利用趨勢(shì)模型，在網(wǎng)格中統(tǒng)計(jì)潮汐變化趨勢(shì)，并將其轉(zhuǎn)化成一個(gè)潮汐模型，生成時(shí)空中獨(dú)一無(wú)二的時(shí)空信息點(diǎn)，形成動(dòng)態(tài)潮汐演化，疊加不同時(shí)間的數(shù)據(jù)構(gòu)成可視化熱力圖，融合事件和天氣信息即構(gòu)成基本趨勢(shì)變化所需數(shù)據(jù)源。

4 時(shí)空大數(shù)據(jù)融合成果的應(yīng)用

近年來，上海、深圳、南京、武漢、成都、杭州、寧波、佛山、昆山等地相繼推出了“智慧城市”發(fā)展戰(zhàn)略[2]，不斷探索時(shí)空大數(shù)據(jù)與人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等領(lǐng)域的融合發(fā)展，通過新基建推進(jìn)大數(shù)據(jù)的融合，實(shí)現(xiàn)虛擬經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)實(shí)世界的時(shí)空通道，為時(shí)空大數(shù)據(jù)建設(shè)做出表率，為自然資源管理和產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)提供了新的可能。目前時(shí)空大數(shù)據(jù)融合成果的常見應(yīng)用如下：

4.1 違規(guī)用地變化監(jiān)測(cè)

基于時(shí)空大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)從原始影像數(shù)據(jù)獲取、處理、信息提取、變化監(jiān)測(cè)專題制圖，到報(bào)告、分析一站式全流程處理，進(jìn)而掌握某地區(qū)的土地利用變化情況，與地區(qū)土地年度規(guī)劃相比對(duì)，提取違規(guī)用地變化圖斑，為后續(xù)核查、執(zhí)法提供數(shù)據(jù)支撐。

4.2 支撐違建督查

時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)整合高分辨率和高實(shí)效衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過人機(jī)交互的手段，將自然資源管理工作前移，快速提取和發(fā)現(xiàn)全要素變化，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)變化區(qū)域，按照住宅、公共管理和公共服務(wù)、工業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)、設(shè)施農(nóng)用地等進(jìn)行分類監(jiān)測(cè)，通過動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)快速發(fā)現(xiàn)并預(yù)判。

4.3 捍衛(wèi)生態(tài)紅線

多年來，重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)、生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)和脆弱區(qū)等生態(tài)紅線區(qū)域廣闊、條件復(fù)雜、類型多樣，僅靠常規(guī)技術(shù)手段費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以實(shí)現(xiàn)及時(shí)、有效監(jiān)管。大數(shù)據(jù)技術(shù)所特有的宏觀、快捷、動(dòng)態(tài)、連續(xù)等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)“天空地一體化”監(jiān)管，為生態(tài)保護(hù)紅線監(jiān)管提供最直觀、最客觀、最宏觀、最準(zhǔn)確的技術(shù)支撐。

4.4 生態(tài)環(huán)境修復(fù)

生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理項(xiàng)目往往地處偏僻、地形復(fù)雜、交通不便，人員、車輛難以抵達(dá)，利用傳統(tǒng)外業(yè)勘察，難以涵蓋全部修復(fù)工程范圍，無(wú)法精確確定修復(fù)工程邊界，且工作難度大、監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，給生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理帶來很大困難。時(shí)空大數(shù)據(jù)技術(shù)具有監(jiān)測(cè)范圍大、獲取信息速度快、監(jiān)測(cè)周期短、費(fèi)用低廉、限制少的特點(diǎn)，可以細(xì)分管理修復(fù)前、修復(fù)中、修復(fù)后的數(shù)據(jù)，為生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供強(qiáng)有力支撐。

5 結(jié)論

新基建的加速建設(shè)為開展時(shí)空大數(shù)據(jù)的深度應(yīng)用提供了可能，需要“無(wú)形之手”與“有形之手”結(jié)合起來整體推進(jìn)[3]。作為新基建的重要組成部分，時(shí)空大數(shù)據(jù)的關(guān)鍵在于“用”和“融”，要充分整合大數(shù)據(jù)資源，優(yōu)化大數(shù)據(jù)體系，將物聯(lián)網(wǎng)、5G、北斗導(dǎo)航定位服務(wù)等與時(shí)空大數(shù)據(jù)深度融合，加強(qiáng)時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)的感知能力，擴(kuò)大信息收集范圍，提高大數(shù)據(jù)時(shí)代的智能信息分析水平；建立動(dòng)態(tài)靜態(tài)數(shù)據(jù)融合、三維立體的時(shí)空信息數(shù)據(jù)管理、協(xié)同應(yīng)用、分析決策平臺(tái)，為行政審批、城市治理、生態(tài)文明建設(shè)、智慧物聯(lián)等提供技術(shù)支撐，助力打造“高效政府”+“智慧民生”+“新基建”+“數(shù)字經(jīng)濟(jì)”產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈。