時空信息云平臺建設總體架構

侯玉瑩+鄒同元+葛寶玉+鮑珊珊

摘 要：時空信息云平臺是智慧城市建設的重要支撐。文章介紹了一種時空信息云平臺的總體設計方案。本方案將空間基礎數據、物聯網節點數據和公共信息數據相融合，建設了一種時空信息數據庫，為智慧城市整體建設提供數據基礎。同時詳細介紹了時空信息公共平臺的總體架構及系統組成，以及在平臺之上的應用示范系統建設。通過時空信息云平臺建設，達到基礎數據的時間空間一體化、各行業部門資源整合、信息共享等目的。

關鍵詞：智慧哈爾濱;時空信息;GIS;物聯網

中圖分類號：TP208 ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? 文章編號：2095-1302（2015）09-00-05

0 ?引 ?言

我國政府高度重視智慧城市的建設，近十年間，中共中央、國務院、各級部委及國家測繪地理信息局等發布了多項政策以促進智慧城市的建設。智慧城市的建設離不開時空信息框架的支撐，主要包含時空信息數據庫和時空信息公共平臺[1]。以法定的、統一的時空信息框架為基礎，整合人口、法人、經濟、社會、文化等信息內容，建設時空信息云平臺，是城市信息化的必然要求[2]。

時空信息云平臺建設有著非常重大的意義。在政府信息化建設方面，時空信息云平臺建設是哈爾濱政務信息化不可缺少的重要數據資源，能為哈爾濱的發展提供有力的信息保障;在經濟社會發展方面，時空信息數據是提高管理決策水平的重要基礎;在專業信息系統方面，時空信息云平臺是建設各專業信息系統必不可少的支撐環境，可促進信息共享，減少重復建設[3];在社會公眾服務方面，時空信息云平臺將通過現代化的網絡通訊技術提供導航、定位、出行等位置服務，為社會公眾的生活提供便利[4]。

針對目前智慧城市建設的現狀及設計需求，本文介紹了一種時空信息云平臺總體設計方案。本方案將空間基礎數據、物聯網節點數據和公共信息數據相融合，為智慧城市整體建設提供數據基礎[5];同時詳細介紹了時空信息公共平臺的總體架構及系統組成，以及在平臺之上的應用示范系統建設。

1 ?時空信息云平臺設計需求

為保證時空信息云平臺的實用性，在哈爾濱市建委、規劃局領導下，哈爾濱航天恒星數據系統科技有限公司會同哈爾濱勘察測繪研究院采用實地走訪、會議座談、調查問卷、電話咨詢等多種方式，歷時2個月，對哈爾濱市城鄉規劃局、城市管理局等強GIS部門及各區政府、街道辦等弱GIS部門開展了時空信息使用現狀、應用需求的調研，總結出平臺設計中需要滿足的各項功能需求。

1.1政府協同辦公需求

為滿足政府機關各部門之間辦公信息的收集與處理、動靜態數據查看與共享的需求，系統應具備各部門間時空數據交互流轉，政府領導帶圖審批，辦公操作實時記錄，公文處理狀態查看等功能[6]，以達到對時空信息進行精細化管理，進而輔助各級政府進行科學決策的目的。

1.2 ?數據資源共享需求

為滿足智慧城市建設過程中部門之間資源共享的要求，提供精細化管理的數據支撐，系統需要將地理信息數據、管網數據、城市空間信息數據、城市地下空間數據、人口、法人證照數據以及物聯網節點數據進行分類、整合、匯總后[7]，通過非涉密網和專網實現各部門之間的互聯互通、資源整合、資源更新和信息共享。

1.3 ?行業典型應用需求

時空信息云平臺可以支持行業典型應用系統的擴展開發，在時空信息云平臺上搭建行業典型應用系統，以滿足強GIS部門直接通過時空信息云平臺調用時空信息數據、進行基本的地圖操作的需求[8]。在時空信息云平臺的基礎上進行專項功能的開發，輔助一些行業職能部門對關注的時空信息進行業務管理。

1.4 ?數據管理及服務需求

系統需滿足用戶對城市時空數據進行管理以及提供二維、三維信息服務和空間分析的需求[9]。其中，數據管理包括元數據管理和時空數據管理;二三維信息服務包括基本地圖類服務及定位展示服務;分析服務包含三維模型分析及數據分析。

1.5 ?大數據存儲、挖掘需求

時空信息數據類型和數據格式具有多樣性，巨量性（百TB級數據）的特點，系統需要支持多種存儲方式，以適應不同形式的數據存儲需求以及滿足不同效率的訪問需求。同時能夠從大量的數據中挖掘出有用的信息，支持輔助決策。

1.6 ?信息安全功能需求

能夠對外提供全面、穩定、高效、安全、優質的虛擬化服務，具備可靠的安全保密特性，為服務器虛擬化提供較好的支持，為用戶的數據傳輸、存儲提供高強度安全防護[10]。

1.7 ?兼容可擴展需求

時空信息的管理針對政府部門、行業用戶和相關企事業單位，為信息系統的各類用戶提供相應權責范圍內的統一服務接口，實現城市空間信息管理的全管理事項的集成，以滿足政府對時空信息管理的信息化運行的需求。在統一的云平臺上提供標準接口協議與服務接口，與已有系統互聯互通，同時整合在建系統。

1.8 ?系統監控及運維管理需求

為了提升信息管理工作效率，保障系統持續運行，需要實現從整體上對機房環境、網絡、硬件設備、中間件、數據庫等軟硬件環境進行統一監控，當出現異常情況時能實現及時發現、及時定位、及時分析、及時處理、及時記錄。系統運維管理的內容不僅包含軟硬件運行維護、配置資源變更管理、事件追蹤、任務管理、漏洞掃描、入侵監控，還需要支持平臺設置、業務審核、用戶管理、資源宿主、資源發布等功能。

2 ?時空信息云平臺總體架構

時空信息云平臺建設項目的總體架構分為感知層、網絡層、支撐層、服務層、應用層?？傮w架構如圖1所示。

2.1 ?感知層

在哈爾濱市現有信息基礎設施的基礎上，建設和完善以RFID、攝像頭、環境傳感器等為代表的地面信息采集系統，并補充衛星技術為代表的天地信息感知手段，形成縱向天空的立體覆蓋、橫向全面無縫感知的哈爾濱市信息感知網絡[11]。

2.2 ?網絡層

哈爾濱智慧城市天地立體通信網建設，一方面加快地面有線、無線通信網絡的建設和完善，實現哈爾濱市的無縫、有效覆蓋;另一方面，建設以衛星通信為基礎的深空一體化應急通信網絡，作為地面通信網絡的有效備份。

2.3 ?支撐層

時空信息公共平臺是哈爾濱智慧城市的核心，按照集中與分散相結合的原則構建。分散是指將基礎信息資源存儲于資源所在城市的信息中心，將行業數據存儲于相關行業的信息中心;集中是時空信息共享云平臺根據需要調用城市信息中心的數據和行業信息中心的數據為政府決策者、行業職能管理部門、企事業單位、社會大眾提供統一的服務[12]。

（1）建成公共信息數據庫，為上層服務及各類應用提供地名地址、人口、法人等數據支撐;

（2）建成空間信息數據庫，為上層服務及各類應用提供基礎地理信息、地上空間信息、地下管線、地下空間信息等數據支撐;

（3）建成物聯網節點數據庫，為上層服務及各類應用提供位置服務信息、視頻監控信息、傳感器信息、監測站信息等數據支撐;

（4）通過接入網關接入通信網絡上傳的大規模數據，將多元異構數據接入時空信息公共云平臺;

（5）各業務用戶通過數據管理分系統訪問平臺的數據。

2.4 ?服務層

服務層的主要任務有兩部分：

（1）將接入的大規模數據匯集整合、存儲、分析、處理后為政府決策者、行業用戶提供共享服務;

（2）為行業提供數據交換平臺，實現多源異構數據聚合、轉換與發布，并開放數據預處理、數據挖掘接口，供各行業應用開發者調用并方便的搭建自己的業務系統[13]。

2.5 ?應用層

基于時空信息公共平臺構建面向行業的智慧應用，諸如智慧交通、智慧環保、智慧管網、智慧照明及智慧安監等。

3 ?時空信息云平臺系統方案

3.1 ?基礎數據

3.1.1 ?空間信息數據

（1）基礎地理信息數據

基礎地理數據主要包括大地測量數據、數字線劃圖數據、數字正射影像數據（包含無人機正射影像數據）、數據高程模型數據、數字柵格地圖數據等?，F有2012年采用航攝方法制作完成1：1 000數字線劃圖。2014年7月完成覆蓋測區的分辨率為0.2米的數字正射影像獲取，用于修測已有的1：1 000數字線劃圖（DLG）。數字高程模型數據（DEM）、數字正射影像數據（DOM）、數字柵格圖數據（DRG）還需要每年更新。衛星及遙感影像方面，哈爾濱市已掌握的數據包括2004年至2013年的高分辨率影像數據（0.61米），2011年獲得的天繪衛星影像及航空遙感影像等影像數據以及2013年獲得的QuickBird影像數據。建設時空信息云平臺還需進一步豐富大比例尺基礎地理信息數據，包括1：500、1：2 000等大比例尺覆蓋規劃區范圍及1：5 000或1：10 000的覆蓋全市范圍的數據。并對歷史基礎地理信息數據進行規范化處理，統一空間基準與坐標系，以滿足數據共享系統兼容互通的需求。

（2）地上空間信息數據

地上空間信息數據記錄了城市全要素、全周期的空間位置、屬性信息，是智慧城市建設的最基本數據。2014年已經普查入庫主城區3.5米以上市政道路及第一排建筑物范圍內約117平方公里的城市空間信息。計劃2015年完成社區及剩余測區約283平方公里的普查。普查內容包括普查范圍內現存的全要素點狀、線狀、面狀空間信息，共分為6大類，24中類，77小類，271個對象。預計2015年7月完成普查工作。已建成的城市空間信息數據庫能夠實現靜態數據的管理，但還無法做到實時動態數據的監測，需在其基礎上通過數據擴充、添加時間屬性以及數據重組，實現從城市空間信息數據到時空信息數據的升級。

（3）地下管線數據

我市已掌握累計共19 216.67公里管線數據。包括主城區的1.5萬余千米的主干線管網數據;老城區剩余施工道路和開放小區地下管線1 131.8公里的數據;松北區、群力開發區和迎賓區地下管線3 180.6公里的數據;三環和四環之間280公里油氣管線普查數據。已有管網普查文字資料1 021份、綜合管線圖1 747幅、專業管線圖11 490幅。基本形成覆蓋全市的地下管網基礎數據，為哈市管線管理及行業權屬應用提供準確、詳實、可靠的數據資源。在已經掌握的管線數據信息中，還缺少對應的時間屬性和管線監測數據，無法實現管線運行數據的智能分析和管線預警的應急策略支撐。還需要進一步制定監測和更新方案，接入動態傳感數據。

（4）地下空間設施數據

我市對1990年以后建成的地下城市空間信息資料掌握較全面，但1990年之前建成的人防工程資料缺失情況比較嚴重，且現有數據的標準與格式不統一，系統只能在二維地圖上進行數據展示，沒有三維空間分析、推演等功能，無法為城市應急提供輔助決策。為進一步完善數據，我市將于2015年對人防工程設施進行普查， 預計一年內完成，形成覆蓋全市的地下空間基礎數據。同樣，地下空間信息也不包括時間屬性，也需要進一步關聯擴充。

3.1.2 ?物聯網節點數據

物聯網傳感器和移動終端的廣泛應用，產生了海量的實時動態信息，目前這部分信息由相應業務部門分別存儲和管理，缺少統一的數據庫進行集中存儲和管理。在交通領域有電子警察設備150多個、天網攝像頭50個，但是僅個別路口實現了高清視頻監控功能，需要增加攝像頭的數量來實現覆蓋全市主城區道路的監測網絡。在環保領域配備了50余輛地面巡檢車，并設立了12個空氣質量監測站，但缺乏車輛動態定位，監測站點數量也偏少，無法實現全市范圍的覆蓋監控。物聯網數據需要通過專業測量手段，采集室外物聯網節點的空間位置，調查相關屬性內容。依托人工確認或室內定位方法，獲取室內物聯網節點的相對空間位置及其屬性。對于具有精準空間位置的物聯網節點，通過坐標與時空信息進行關聯與匹配;對于僅有相對空間位置的物聯網節點，通過人機協同實現與三維精細模型的關聯，或者實現與二維分層平面圖的關聯。分成靜態與動態子庫，連同時空信息數據一體化組織管理。

3.1.3 ?公共信息數據

公共信息數據主要包括地名地址數據和人口法人數據，目前哈爾濱已有基礎地名地址數據和人口法人數據。但還需擴充自然村以上的行政地名，建立市級、縣級、鄉級和行政村級四級區劃單元;豐富街、巷名，以及制造企業、交通運輸和郵政、信息傳輸和計算機服務、零售和批發、住宿和餐飲、金融和保險、房地產、商務服務、教育科研、衛生社會保障和社會福利、文化體育娛樂、公共管理和社會等興趣點名。

3.2 ?時空信息公共平臺

時空信息公共平臺由時空信息共享云平臺、時空信息服務、業務應用擴展、時空數據管理、地圖在線服務、共享服務管理及平臺運維管理七個分系統組成。

3.2.1 ?時空信息共享云平臺分系統

時空信息共享云平臺分系統是智慧城市的核心，將全市各部門、各行業的海量異構數據進行接入、匯集、整合，并提供大數據存儲、大數據處理、大數據挖掘等功能，為其他分系統提供底層數據支撐;通過虛擬化技術可以使用戶在虛擬化環境中實現其在真實環境中的部分或者全部功能，確保了資源的安全性及完整性。

3.2.2 ?時空數據管理分系統

時空數據管理分系統是時空信息公共平臺的全部空間數據資源的存儲管理與應用支持中心，為整個平臺中其他應用系統提供數據存檔管理與屬性和空間數據庫支持，是應用系統各個子系統間數據共享與服務的技術基礎與運行基礎。建立覆蓋數據入庫、數據更新維護、數據查詢統計全流程管理工具。

3.2.3 ?共享服務管理分系統

共享服務管理分系統主要實現公共服務平臺與用戶之間數據和服務的共享交互。主要側重以下幾方面功能：

（1）將平臺的數據資源以服務的方式提供給用戶，用戶可以方便的獲取相應的服務資源;

（2）用戶可以進行地圖服務及分析服務查詢與瀏覽;

（3）用戶可以注冊已有的服務，方便用戶對服務的定位與查找;

（4）用戶可以對在線數據有限制地編輯、更新數據;

（5）用戶需要進行服務申請，通過審核合格后才可使用相應服務。

3.2.4 ?地圖在線服務分系統

地圖在線服務分系統提供哈爾濱市多源、異構、多尺度、各類空間數據資源的綜合應用與主題服務，主要體現在二三維、動靜態、地上地下一體化可視化展示、多維度服務瀏覽和多角度空間數據狀況的查詢統計，滿足使用者對空間地理數據和專題數據的基本操作需求。

3.2.5 ?時空信息服務分系統

時空信息服務分系統采用門戶網站的方式將時空數據進行展示，通過采用統一登錄門戶，按照權限快捷操作各分系統。門戶同時承擔著平臺的信息發布，網上互動等任務，使瀏覽用戶能夠檢索到門戶網站，了解平臺功能，促進更多部門與用戶加入到時空信息公共平臺中，使其發揮最大功效。

3.2.6 ?業務應用擴展分系統

業務應用擴展分系統提供平臺基礎空間操作全部服務，這些服務注冊在平臺中，通過業務應用擴展子系統展現給開發用戶，使其能夠根據目錄了解服務的功能、開發方式、開發方法以及示例代碼等。業務應用擴展子系統為各委辦局數據對接、基于平臺開發專業系統以及基于平臺完善其自有系統等提供快捷的組裝工具。

3.2.7 ?平臺運維管理分系統

通過建設平臺運維管理分系統，在統一的平臺上實現對平臺內數據和服務運行狀況進行實時監控管理，及時發現故障隱患，方便進行問題排查，并為管理員提供可操作接口，從而保證系統能夠長期穩定、可靠地運行。

3.3 ?應用系統

我市近幾年對智慧城市建設進行深入論證，深入挖掘如交通、照明、人防、環保、社區、城管、水務等方向的行業需求，已基本全面掌握哈爾濱市各行業對地理信息數據的應用需求。通過深入分析，決定以智慧交通、智慧環保、智慧管網、智慧照明及安全應急作為時空信息云平臺的應用示范，以提升行業地理信息應用，便于平臺的推廣。

3.3.1 ?智慧管網

智慧管網信息系統建設內容概括為管線數據及信息共享、管線綜合管理及應用服務和管線設施監測及信息服務三方面的內容，目前已建成管線數據及信息共享分系統和管線綜合管理及應用服務分系統，在智慧哈爾濱時空信息云平臺建設項目中主要完成管線設施監測及信息服務系統的建設，實現對管線進行動態監管。

3.3.2 ?智慧交通

基于哈爾濱市的交通發展現狀、問題分析及智慧交通建設現狀，結合交通的需求分析，以時空信息云平臺提供的空間數據、交通相關的動態數據為基礎，應用大數據、云計算、物聯網等技術搭建涵蓋交通管控系統、交通誘導系統、智慧公交管理系統及交通應急指揮系統于一體的智慧交通信息系統。

3.3.3 ?智慧照明

基于哈爾濱市的照明現狀及用戶需求，針對智慧照明信息系統的建設目標，將建設任務落實為三個分系統，即智能監控分系統、安全生產分系統和信息輔助分系統。

3.3.4 ?智慧環保

智慧環保綜合服務系統包括四大應用分系統，即環境監測分系統、環境監察分系統、環境應急分系統以及公眾服務分系統。各應用分系統以圖層疊加的方式在時空信息公共平臺提供的基礎地理信息圖層之上疊加業務相關數據，形成環保專題圖層，為用戶提供環境監測、環境監察、環境應急、公眾服務等專業的數據服務和應用服務。

4 ?結 ?語

智慧哈爾濱建設是一項具有基礎性、公益性的龐大的系統工程，它的建設是順應國家智慧城市建設的方針政策，同時也符合哈爾濱市的城市規劃、經濟建設和發展目標。本文詳細介紹了一種時空信息云平臺建設方案，該系統以完備的空間信息數據、物聯網節點數據、公共信息數據為基礎，通過時空信息公共平臺及應用示范系統建設，達到數據時間空間一體化、各行業部門資源整合、信息共享等目的。時空信息云平臺將加快哈爾濱智慧城市的建設，為哈爾濱的宏偉藍圖畫上濃墨重彩的一筆。

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