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智慧城市时空信息云平台的建设

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《城市勘测杂志》2016年第4期

摘要:

智慧城市时空信息云平台是智慧城市重要的空间信息基础设施,在其建设过程中有许多需要探索和解决的问题。本文在分析国内建设现状的基础上,对时空信息云平台的概念内涵、功能定位进行深入思考,认为在建设标准、云架构、智能应用开发、智能感知和知识挖掘等方面需要进一步加强。通过研究和突破时空数据管理及可视化、物联网感知信息集成、云GIS一体化共享服务体系等多项关键技术,以常州为实验区域,建设“智慧常州时空信息云平台”。

关键词:

时空信息;云GIS;共享服务;物联网;时空分析

1引言

随着智慧城市阶段科技不断进步和应用需求快速变化,特别是云计算和物联网技术的快速发展,我国提出了“测绘4.0”、“互联网+测绘”的概念[1],对数字城市地理空间框架的空间基础信息提出了“体验性要好、实时性要强、移动性要大、可控性要高和自主性要多”的新要求。在此背景下,数字城市地理空间框架需要提升,并与云计算、物联网等新型技术接轨,形成面向智慧城市的时空信息云平台。时空信息云平台是智慧城市地理空间信息基础设施的重要的、基础性的内容[2]。随着时空信息云平台的首次提出,业界对其内涵、定位和相关技术的探索在逐渐深化,全国各地多个城市也已探索并启动了平台的建设工作,研究并解决了许多技术难题,形成了部分成果。而未来,作为智慧城市的必备基础设施,时空信息云平台必将大范围加以建设。因此,对时空信息云平台的概念内涵、功能定位、建设重点、关键技术等方面的探讨必须深入而明确,形成科学、规范、公认的界定,从而使在此基础上建设的平台成果能真正发挥智慧城市基础设施的作用,支撑整个智慧城市的时空信息智能化运维和共享的需求。

2概念内涵及功能定位

2.1概念内涵

内涵是事物的含义即概念,是事物特有属性的反映。“智慧城市时空信息云平台”是一个复合名词,文章通过对其分词后的单独名词展开探讨,以便明确其内涵。(1)智慧城市智慧城市是时空信息云平台服务的对象和目标。用易于理解的简单公式表达,可以这样认为[3]:智慧城市=数字城市+物联网+云计算。智慧城市通过互联网把无处不在的被植入城市物体的智能传感器连接起来(物联网),实现对现实城市的全面感知,利用云计算技术、大数据分析等技术手段对海量感知信息进行处理分析,对包括政务、民生、环境、公共安全等在内的各种需求做出智能化响应和决策支持[4~6]。(2)时空信息面向智慧城市的空间信息应该是四维的,不仅可以提供准确的三维坐标信息,还可以提供坐标信息及其属性随时间变化的情况。根据文献,时空信息(时空数据)[2]包括如下几类信息:①丰富的历史地理数据;②全覆盖、精细化的现势数据;③依托CORS提供的实时位置信息;④精细三维、全景影像、视角三维、立体街景等多维度可视化地理信息;⑤智能感知设备获取的视频、RFID、ASCII码、二进制等实时信息;⑥基于泛在网络下的众源地理信息;⑦能反映未来的规划成果数据、根据各类模型计算的趋势数据。时空信息大大拓宽了传统测绘地理信息行业所认知的数据范畴,涵盖一切与空间信息相关的数据,其边界根据需要随时可被突破并扩容,如此通过多种途径获取汇集得到的时空数据资源池,形成了时空大数据分析的基础,是实现数据挖掘、智能专题分析与应用的前提。(3)云GIS平台云GIS是利用云计算的理论、方法和技术来扩展并改进传统GIS的结构体系,实现海量时空数据的高性能存取与处理操作,从而提供更为高效的计算能力和数据处理能力,解决各类地理信息计算密集型、地理信息数据密集型问题[7~9]。目前国内提出了在地理信息服务平台基础上构建一种云GIS四层服务体系[10],包括Service服务层、GISServer服务层、基础设施服务层和虚拟数据中心服务层。

2.2定义及定位

(1)定义

通过前述名词拆解和内涵分析,“智慧城市时空信息云平台”具有丰富的内涵,“智慧城市”是其运行背景和支撑对象,“时空信息”是其提供的核心服务内容,“云平台”是其建设架构和运行方式。因此,国家测绘地理信息局将时空信息云平台定义如下[11]:智慧城市时空信息云平台是通过泛在网络、传感设备、智能计算等新型高科技手段,实时汇集城市各种时空信息,而形成的更透彻感知、更广泛互联、更智能决策、更灵性服务和更安全可靠的地理信息服务平台,是智慧城市建设的重要的空间信息基础设施。本文认为,时空信息云平台的重点在于突破传统测绘地理信息的认知体系,建立融合3S技术、物联网感知技术、云计算技术、数据挖掘技术的技术体系,形成汇集城市空间与非空间、历史现状与未来、结构化与非结构化等时空信息资源中心,实现数据提供、信息服务、知识服务的多层次、立体化服务,智能化地服务整个智慧城市的建设与运行。

(2)功能定位

若将智慧城市形象地比喻为人体,也具有感官、神经、大脑、骨架和行为,智慧城市的感官应是传感器,其神经系统是泛在网络,其大脑是计算中心,其行为是智能化运营,则其骨架应为时空信息,由各部分协同支撑智慧城市。因此,时空信息云平台的功能定位应是智慧城市的骨骼和经脉,是感知层与智慧决策层之间信息沟通的桥梁,是汇集智慧城市时空信息资源的矿藏,也是智慧城市各行业领域信息互通的渠道。对于城市勘测单位而言,建设时空信息云平台应立足于城乡规划,服务于整个城市管理的各个环节,同时向各行业领域智能化服务进行拓展延伸。

2.3对城市勘测行业的意义

如今移动互联网市场如火如荼,涌现了大量基于地图位置的、面向不同需求的在线应用、移动APP,也衍生出许多基于空间位置的大数据分析项目,均以各类时空信息为核心,这其中却极少看到出自传统测绘人之手的产品,这一现象值得我们深刻反思。面向智慧城市的、基于地图服务的好产品、好项目,关键在于找准需求着力点及其相匹配的数据链条,在空间信息基础上融合上下游其他专题信息并构建数据模型。测绘地理信息正是由于缺乏专题数据来源、数据链环节缺失,才难以开展基于大数据分析的知识挖掘服务。依托时空信息云平台的建设,大量的时空信息在平台中汇集和交换,测绘行业有机会提升产品发展层次,延长传统测绘产品链,实现从“数据提供—信息服务”到“数据提供—信息服务—知识服务”的转型。

3建设现状与思考

3.1建设现状

随着数字城市向智慧城市发展的号角吹响,全国掀起了一波建设智慧城市时空信息云平台的热浪。我国的山东济宁、浙江宁波、江苏徐州和常州、湖北武汉、河南郑州、山西太原、云南等省市相继启动了智慧城市时空信息云平台建设的序幕。济宁市建立了相应的云服务环境,其数据集成现有的基础地理信息,扩充历史信息、现势信息、实时信息和专题信息,各种功能软件打包成模块,提供二次开发接口方便调用。重庆市两江新区[12]的智慧两江时空信息云平台建设,利用3S技术、虚拟现实等手段,整合两江新区基础空间数据库、专题数据库,并建设完成公益性、基础性的智慧两江时空信息云服务平台,针对城乡规划管理需求建设规划信息服务系统,以提高城乡规划管理的效率。黑龙江省[13]搭建了ArcGIS私有云,部署云端应用实验,设计省、市、县三级总体框架。云南省同样采用了ArcGIS私有云,通过建设“一个中心、两个平台、三层服务、四大能力”,成为全国首个验收的省级时空信息云平台。此外,宁波、徐州、武汉、郑州、太原等时空信息云平台建设试点,基本处于项目评审后的实施阶段,尚未有成果形成应用。

3.2主要问题与思考

(1)建设标准

依据国内各条线领域中的智慧城市公共平台的认知并不一致,从国家工信部、国家住建部到国土资源部(国家测绘地理信息局),对智慧城市的公共平台的名称、建设侧重点、共享范畴等均各有不同,具体如表1所示。为了真正地服务于智慧城市,城市测绘院建设的公共平台仍应立足于国家测绘局的要求,建立智慧城市时空信息云平台,以空间地理信息为核心,在共享范畴、共享能力上必须拓展延伸,形成较强的时空信息跨界服务能力,扩展各类非空间公共信息融合能力,从而打通不同部门公共信息共享流通的脉络,真正承担起智慧城市骨架的作用。

(2)云平台建设

云GIS平台的建设模式与云计算相同,主要有三种建设模式:公有GIS云、私有GIS云和混合GIS云。公有云可便捷实现信息在线共享,但数据保密安全方面较弱;反之私有云则可较好保障信息安全,但其众源信息获取和共享灵活性将受限;而混合云可视为二者的权衡折中。本文认为应采用混合方式建设时空信息云平台,采用公有云实现城市公开信息共享,并在公有云平台上汇集众源信息,职权部门间内部信息共享采用私有云。云GIS平台的建设途径有三种:①采用成熟的商业产品,建设周期短,但灵活性较差,难以满足个性化需求;②基于通用公有云平台搭建,周期较长,费用较高。③自建云平台,周期最长,需投入较多资金,但自主研发性强,可兼顾多种GIS平台。采用何种建设途径取决于各地的建设周期、技术实力、资金财力等多种因素,可根据实际情况综合抉择。

(3)智能应用开发

当下的GIS已跳脱出传统的重型、复杂的大体量项目,向实用、垂直等轻量化方向发展。建设基于时空信息云平台的智能应用,首先需要找准城市运营管理或社会民众生活中的痛点需求,结合大数据与数据分析技术,创新思路、量体裁衣。具体措施是基于平台提供时空信息共享数据资源、地图小工具、共享开发接口、应用开发模板等,建立多样化的交流平台,举办创意有奖征集、创意开发大赛,充分鼓励和调动社会各界对GIS应用开发的探索热情,形成一批智能应用成果,既发挥了平台的社会效益,又有利于推动智慧城市各领域的发展。

(4)智能感知与知识挖掘

智慧城市时空信息云平台汇集了海量物联网实时感知信息,必须与物联网节点定位信息进行集成表达和融合分析。平台基于云计算技术,不仅可高效提供基于地上地下、二维三维、历史现状的时空信息云计算服务,还能与智慧城市数据支撑体系中的其他信息云(经济云、人口云等)协同服务[14],通过协同大数据分析进一步发挥价值。在具体的大数据分析工作中,需要将大数据的概念变成一个个接地气的产品或者项目。在城市管理领域、商业和民众生活领域,均可建立广泛的数据挖掘案例,例如公安局可根据预测的犯罪几率动态调整巡逻频率和人员配备,百货商场可根据需求实时调整商品价格等。

4常州案例

常州同时作为国家工信部和住建部的“智慧城市”试点城市,是江苏省唯一的“智慧城市”双试点城市。基于原有的“数字常州空间信息共享平台”,重点开展了“智慧常州时空信息云平台”建设。

4.1总体方案

智慧常州时空信息云平台项目形成了“一库、一中心、一平台、多应用”的成果体系[15]:建设了一套种类齐全、数量庞大、时间跨度长的智慧城市时空数据库,建设了面向数据集成管理的时空数据运维中心,重点解决了时空数据管理及可视化、物联网感知信息集成、云GIS一体化共享服务体系等技术问题,在此基础上研发了时空信息云平台,并在不同行业领域推广建设了多个示范应用系统。项目总体技术架构如图1所示:

4.2特色创新

(1)时空数据体系建设

国内目前对于智慧城市时空信息云平台的数据体系尚未给出研究成果,项目对此开展了探索,建设了全面的智慧常州时空信息云平台数据体系。项目充分利用智慧规划的现有的各类空间数据及相关部委办的相关专题数据,通过收集、整理、配准常州明清时代古地图、日军侵华所绘制地图、新中国成立后卫星遥感影像、常州不同时期大比例尺地形图的历史的地理空间数据,集成了城市三维、地下管线、全景影像等现代的现势地理数据以及常州规划、建设、管理的各类专题数据,动态接入了实时位置、视频、实时传感器等感知信息,初步搭建了集地上下、室内外、动静态于一体的时空数据体系,形成了国内少有的种类齐全、数量庞大、覆盖面广、时间跨度长的时空数据库。

(2)时空数据管理及可视化

顾及了智慧城市时空信息云平台中的海量时空数据,针对时空信息云平台中各类时空数据的内容、时态特征、时空索引及调度等方面展开研究,其中时空索引机制将时间、空间与专题属性作为同等重要的维度,兼顾了三者的查询效率,基于此数据组织机制提出了时空数据的动态可视化表达方法,实现了时间轴动画、多时态对比、对象状态回溯等多种可视化方式,如图2所示。

(3)物联网感知信息集成

项目将物联网领域三类典型信息(空间定位、物理量感知、视频感知等)作为切入点,突破物联网多源异构信息集成难题,实现了各类信息的地图定位、信息查询和实时刷新(如图3所示),辅助城市事情实时感知、应急抢险决策支撑。

(4)云GIS一体化共享服务体系

基于用户在云环境中托管数据与应用的普遍意图与需求,建设了“数据云”、“服务云”和“应用云”,提出了一套新型的GIS云服务模式,从数据采集、数据存储、数据制图、服务发布、服务管理、应用定制和使用,形成了一套一体化云服务流程。这一基于按需服务、在线提供的云服务模式,采用轻盈的全过程在线交互方式,充分实现不同专业层次用户的易操作性,实现了时空信息共享的“去平台化”、“去专业化”。此外,平台通过“数据云”的云盘,可集成各类非空间数据、非结构化数据、半结构化数据,以支撑其他各类不直接与空间信息相关的政务公共信息,兼顾了智慧城市公共信息平台的功能需求。

5总结

随着智慧城市的深化建设,智慧常州时空信息云平台以及智慧城市时空测绘基准、智慧城市测绘数据智能采集平台、数字城市三维地理空间框架、智能地下综合管网数据全生命周期制作与管理平台等重点项目,将围绕着空间基础信息这一核心,服务于不同行业领域的信息化成果建设,推进测绘地理信息产业与智慧城市建设的深度耦合。

参考文献:

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作者:刘全海 冉慧敏 郭云嫣 单位:常州市测绘院 常州市地理信息智能技术中心

城市勘测杂志责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次
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