智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)體系研究

范 江

(福州市勘測(cè)院 福建福州 350108)

0 引言

數(shù)字城市地理空間框架的建設(shè)，豐富了城市地理信息，促進(jìn)了信息資源的共享，推動(dòng)了城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的科學(xué)發(fā)展，取得了令人矚目的成績(jī)。福州市在2014年完成了數(shù)字福州地理空間框架的建設(shè)，建立了城市各行各業(yè)信息化建設(shè)的基礎(chǔ)平臺(tái)，在城市建設(shè)管理信息化中發(fā)揮了重要作用。但是，在數(shù)字城市地理空間框架多年的推廣應(yīng)用過程中，也暴露出了一些不足[1-2]，用戶對(duì)地理空間框架提出了實(shí)時(shí)性更強(qiáng)、體驗(yàn)性更好、移動(dòng)性更大和智能化程度更高的新要求[3]。比如，無線射頻、視頻等物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)不能與地理信息有機(jī)結(jié)合，無法便捷地提取其信息；弱GIS應(yīng)用部門專業(yè)人才不足；目前已建成通用的地理信息公共平臺(tái)，盡管反映了各部門的共性需求，但缺乏個(gè)性化的平臺(tái)定制能力及專業(yè)的數(shù)據(jù)挖掘分析的能力。

我國(guó)政府高度重視智慧城市的建設(shè)，中共中央、國(guó)務(wù)院、各級(jí)部委及國(guó)家測(cè)繪地理信息局等發(fā)布了多項(xiàng)政策文件，以促進(jìn)智慧城市的建設(shè)[4-6]?！爸腔鄢鞘小笔恰皵?shù)字城市”的全面升級(jí)，依托云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)城市的智慧管理及服務(wù)?！爸腔鄢鞘袝r(shí)空信息云平臺(tái)”是智慧城市信息建設(shè)的基礎(chǔ)與核心，是數(shù)字城市地理信息公共平臺(tái)的升級(jí)目標(biāo)，其采用云GIS模式，通過分布式存儲(chǔ)、協(xié)同計(jì)算、共享服務(wù)等功能，建立數(shù)據(jù)與用戶之間的智能推送和反饋機(jī)制，實(shí)現(xiàn)信息資源從分散到云集中、從空間查詢統(tǒng)計(jì)到大數(shù)據(jù)分析、從固化服務(wù)到按需服務(wù)等功能的飛躍[7]?！皶r(shí)空大數(shù)據(jù)”是智慧城市的基礎(chǔ)支撐，在數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)尺度、數(shù)據(jù)維度、數(shù)據(jù)態(tài)性等方面，具有更多重特點(diǎn)[8]，因此，有必要統(tǒng)一時(shí)空大數(shù)據(jù)的匯聚、存儲(chǔ)、處理、融合和服務(wù)化方式，形成智慧時(shí)空大數(shù)據(jù)體系研究方案，為數(shù)字城市地理空間框架數(shù)據(jù)向智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)的升級(jí)提供解決方案，為促進(jìn)地理信息公共平臺(tái)向智慧時(shí)空信息云平臺(tái)的提升提供基礎(chǔ)支撐。

1 時(shí)空大數(shù)據(jù)體系構(gòu)成

時(shí)空大數(shù)據(jù)作為智慧城市的公共數(shù)據(jù)庫，在整個(gè)體系設(shè)計(jì)上，必須豐富時(shí)空大數(shù)據(jù)。隨著信息化測(cè)繪體系和新型基礎(chǔ)測(cè)繪體系逐步形成，數(shù)據(jù)獲取手段的豐富與提升，在原來靜態(tài)地理信息數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，不僅要增加不同版本的歷史數(shù)據(jù)，還要及時(shí)提供動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)要擴(kuò)展精細(xì)的物聯(lián)網(wǎng)智能感知設(shè)備位置數(shù)據(jù)及其流式數(shù)據(jù)，甚至遠(yuǎn)景規(guī)劃地理信息。時(shí)空大數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 時(shí)空大數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)

匯聚區(qū)主要完成靜態(tài)地理信息數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)匯聚?？赏ㄟ^在線交換，或通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)接入，通過多層次服務(wù)方式動(dòng)態(tài)追加到大數(shù)據(jù)。

處理區(qū)主要對(duì)匯聚區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一格式、統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)和空間化處理，形成統(tǒng)一格式、統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)、統(tǒng)一空間基準(zhǔn)的時(shí)空數(shù)據(jù)。

管理區(qū)包括時(shí)空大數(shù)據(jù)的管理、數(shù)據(jù)挖掘、統(tǒng)計(jì)分析等管理操作，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)獲取、管理、分析量測(cè)、模擬推演、大數(shù)據(jù)挖掘等模塊。

2 時(shí)空大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與組織

2.1 時(shí)空大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)字城市時(shí)期管理的地理空間數(shù)據(jù)主要為靜態(tài)形式的數(shù)據(jù)，一般采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(如Oracle、SQL Server)結(jié)合空間數(shù)據(jù)引擎(如ArcGIS SDE)進(jìn)行存儲(chǔ)管理，但此類數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案無法滿足非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，特別是智能感知實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理[9]。

ArcGIS DataStore時(shí)空數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件整合了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、NoSQL文檔型數(shù)據(jù)庫以及Hadoop HDFS分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)引擎，可存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)化空間數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)、瓦片地圖數(shù)據(jù)、智能感知實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)、文檔型數(shù)據(jù)等，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的統(tǒng)一高效存儲(chǔ)，可作為時(shí)空大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的一種解決方案。

2.2 時(shí)空大數(shù)據(jù)組織

結(jié)合國(guó)家技術(shù)大綱要求以及福州的實(shí)際情況，本文將時(shí)空大數(shù)據(jù)劃分為基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)、公共專題數(shù)據(jù)、政務(wù)專題時(shí)空數(shù)據(jù)和智能感知數(shù)據(jù)。

(1)基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)

基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)除了矢量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、地理實(shí)體數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)、地址編碼數(shù)據(jù)、高程模型數(shù)據(jù)、新型測(cè)繪產(chǎn)品數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)以及元數(shù)據(jù)信息等。

(2)公共專題時(shí)空數(shù)據(jù)

公共專題時(shí)空數(shù)據(jù)依托基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)，采用全空間信息模型，包括法人數(shù)據(jù)、人口數(shù)據(jù)、網(wǎng)格數(shù)據(jù)、城管部件數(shù)據(jù)、興趣點(diǎn)數(shù)據(jù)、地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)、宏觀經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等。

(3)政務(wù)專題時(shí)空數(shù)據(jù)

政務(wù)專題時(shí)空數(shù)據(jù)包括道路交通類數(shù)據(jù)、社會(huì)發(fā)展類數(shù)據(jù)、公共安全類數(shù)據(jù)、文化休閑類數(shù)據(jù)、衛(wèi)生健康類數(shù)據(jù)、民生服務(wù)類數(shù)據(jù)、機(jī)構(gòu)團(tuán)體類數(shù)據(jù)、教育科技類數(shù)據(jù)、空間規(guī)劃類數(shù)據(jù)、其他政務(wù)專題數(shù)據(jù)等。

(4)智能感知數(shù)據(jù)

智能感知數(shù)據(jù)，是通過物聯(lián)網(wǎng)獲取的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，帶有時(shí)間標(biāo)識(shí)。其包含實(shí)時(shí)位置、視頻、影像以及氣象、交通、環(huán)保、氣象的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)升級(jí)

3.1 地理空間框架基礎(chǔ)數(shù)據(jù)升級(jí)

將矢量、影像、地理實(shí)體、地名地址、三維模型、新型測(cè)繪產(chǎn)品等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)構(gòu)建統(tǒng)一時(shí)間序列，形成有序的時(shí)空數(shù)據(jù)資源，需對(duì)其進(jìn)行時(shí)空標(biāo)識(shí)，即注入時(shí)間、空間和屬性“三域”標(biāo)識(shí)。時(shí)間標(biāo)識(shí)注記該數(shù)據(jù)的時(shí)效性，含歷史數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)；空間標(biāo)識(shí)注記空間特性，屬性標(biāo)識(shí)注記隸屬的領(lǐng)域、行業(yè)、主題等內(nèi)容，以便捷后續(xù)的時(shí)空大數(shù)據(jù)的整理和序化。

各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分要素級(jí)或圖層級(jí)為各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)添加“三域標(biāo)識(shí)”，按表1的粒度要求進(jìn)行序化處理。

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)空標(biāo)識(shí)的粒度

3.2 專題數(shù)據(jù)升級(jí)

選擇園林綠化數(shù)據(jù)作為案例數(shù)據(jù)，研究專題數(shù)據(jù)的升級(jí)方案，為數(shù)據(jù)增添三域標(biāo)識(shí)即時(shí)間、空間和屬性標(biāo)識(shí)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)重組。

(1)數(shù)據(jù)升級(jí)

園林綠化數(shù)據(jù)包括了點(diǎn)要素(如樹木、管理處)、線要素(如道路)、面要素(如綠地、濕地)，要分別對(duì)三類要素進(jìn)行數(shù)據(jù)升級(jí)，添加“三域”標(biāo)識(shí)。

點(diǎn)要素?cái)?shù)據(jù)升級(jí)如表2所示。

表2 具有三域標(biāo)識(shí)的專題數(shù)據(jù)點(diǎn)要素升級(jí)樣例

線要素?cái)?shù)據(jù)升級(jí)如表3所示，面要素?cái)?shù)據(jù)升級(jí)如表4所示。

表3 具有三域標(biāo)識(shí)的專題數(shù)據(jù)線要素升級(jí)樣例

表4 具有三域標(biāo)識(shí)的專題數(shù)據(jù)面要素升級(jí)樣例

(2)數(shù)據(jù)重組

對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行面向信息時(shí)代應(yīng)用要求的數(shù)據(jù)重組工作，實(shí)現(xiàn)城市市域范圍的地理空間信息的對(duì)象化、實(shí)體化組織和一體化無縫拼接，以保證時(shí)空數(shù)據(jù)的可用性和適用性。具體重組工作，主要包括實(shí)體化處理、連通處理、拓?fù)涮幚砗推唇犹幚淼?，通過這些處理后，應(yīng)保證對(duì)于數(shù)據(jù)中所表達(dá)的任一現(xiàn)實(shí)世界客觀存在的地理實(shí)體，均有完整的數(shù)據(jù)對(duì)象與之對(duì)應(yīng)。

其他專題數(shù)據(jù)可參考以上方式，對(duì)進(jìn)行數(shù)據(jù)升級(jí)和數(shù)據(jù)重組處理，實(shí)現(xiàn)專題數(shù)據(jù)升級(jí)。

4 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入與輸出

物聯(lián)網(wǎng)中的實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)往往都與空間位置分布有直接或間接的關(guān)系，且都是非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)或半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式多種多樣如二進(jìn)制流、JSON、文本等，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議十分多樣，如HTTP、TCP/UDP Socket、Web Socket等。此外，一個(gè)城市所有的傳感器設(shè)備數(shù)以萬計(jì)，傳輸頻率高數(shù)據(jù)量大，傳統(tǒng)的技術(shù)手段已經(jīng)無法很好地接收和處理。

ArcGIS GeoEvent Server是ArcGIS平臺(tái)提供的一種高效、實(shí)用的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，可以對(duì)接物聯(lián)網(wǎng)中各種類型的傳感器，并實(shí)現(xiàn)高效處理分析、存儲(chǔ)查詢、可視化及數(shù)據(jù)挖掘能力，可作為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入的一種技術(shù)手段。

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入與輸出流程如圖2所示，包括數(shù)據(jù)輸入環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)和數(shù)據(jù)輸出環(huán)節(jié)，分別對(duì)應(yīng)ArcGIS GeoEvent Server自帶的輸入連接器、處理器和輸出連接器。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入與輸出流程

(1)數(shù)據(jù)接入環(huán)節(jié)

在ArcGIS GeoEvent Server的輸入連接器中，選擇接入的實(shí)時(shí)流式數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)源的接入。常見的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)源包括車載GPS設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備、網(wǎng)站以及社交媒體都能通過ArcGIS GeoEvent Server的輸入連接器實(shí)現(xiàn)接入。ArcGIS GeoEvent Server集成WebSocket、XMPP、TCP、SMTP、HTTP等主流數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，支持TXT、CSV、JOSN、KML等多種常用數(shù)據(jù)格式，共17種。

(2)數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)

數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)可使用ArcGIS GeoEvent Server的過濾器(空間過濾、屬性過濾)和Processors處理器，對(duì)接入的實(shí)時(shí)流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

(3)數(shù)據(jù)輸出環(huán)節(jié)

在ArcGIS GeoEvent Server的輸出連接器中，選擇要輸出的實(shí)時(shí)流式數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)流數(shù)據(jù)的輸出，其內(nèi)置輸出連接器包括17種。同時(shí)結(jié)合地理信息系統(tǒng)可視化技術(shù)，進(jìn)行直觀表現(xiàn)。

例如氣象感知設(shè)備上報(bào)的溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、降水量信息通過對(duì)天氣傳感器的監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)解譯分析。通過儀表盤等方式展示實(shí)時(shí)風(fēng)速、溫度等實(shí)況，如圖3所示。實(shí)時(shí)路況信息可以通過傳感器對(duì)道路上的車流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)信號(hào)解譯分析，按照不同顏色表示當(dāng)前路況的擁堵情況如圖4所示。車輛動(dòng)態(tài)監(jiān)控信息利用車載GPS動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)車輛的當(dāng)前位置狀況，監(jiān)測(cè)車輛的動(dòng)態(tài)軌跡如圖5所示，并結(jié)合車輛上的視頻監(jiān)控，實(shí)時(shí)解譯分析傳感信號(hào)，在地圖上直觀展示如圖6所示。同時(shí)針對(duì)解譯后的感知信息，可以通過熱力圖方式統(tǒng)計(jì)展示如圖7所示。

圖3 天氣實(shí)況監(jiān)測(cè)信息

圖4 實(shí)時(shí)路況感知信息

圖6 車載路徑監(jiān)測(cè)

圖7 新能源汽車OD熱點(diǎn)圖

5 結(jié)語

(1)基于“三層式”時(shí)空大數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)，分別從匯聚區(qū)、處理區(qū)和管理區(qū)闡述時(shí)空大數(shù)據(jù)體系的構(gòu)成；

(2)通過ArcGIS DataStore時(shí)空數(shù)據(jù)存儲(chǔ)手段，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的統(tǒng)一高效存儲(chǔ)；

(3)以基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)、公共專題時(shí)空數(shù)據(jù)、政務(wù)專題時(shí)空數(shù)據(jù)和智能感知數(shù)據(jù)四種數(shù)據(jù)類別來組織時(shí)空大數(shù)據(jù)；

(4)按照要素級(jí)或圖層級(jí)為矢量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)等添加“三域標(biāo)識(shí)”，實(shí)現(xiàn)了地理空間框架基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)的升級(jí)；

(5)通過ArcGIS GeoEvent Server數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的接入、處理分析及實(shí)時(shí)可視化表達(dá)。