智慧城市時空信息云平臺建設研究

李 林，李仕峰，梁 星

（1.重慶市地理信息中心，重慶 401121）

智慧城市時空信息云平臺建設研究

李 林1，李仕峰1，梁 星1

（1.重慶市地理信息中心，重慶 401121）

智慧城市是以信息化創新引領城市發展轉型、提高城市治理能力的重要手段。時空信息云平臺是智慧城市建設中重要的時空基礎設施。從智慧城市時空信息云平臺建設的總體架構、關鍵技術路線等方面探討了平臺建設的思路和方法，對基礎設施、時空數據、軟件平臺等核心內容進行了全面分析與研究，設計了相應的技術路線，形成了一套支撐智慧城市建設的時空信息云平臺建設方案。

智慧城市；時空信息；云平臺；總體架構；技術路線

國家測繪地理信息局自2006年開始推進“數字城市”建設以來，全國共333個地級市、380多個縣級市開展了相關工作，建設成果惠及國土、規劃、房產、公安、消防、環保、衛生等眾多領域，為科學決策、城市信息化建設和社會公眾服務等方面提供了全面的信息服務[1-2]。然而，隨著科技的不斷進步和應用需求的快速變化，特別是云計算、物聯網、大數據和移動互聯網的快速發展，對原來的地理信息服務平臺提出了更高的要求，比如用戶體驗、數據實時性、移動應用等。與此同時，“智慧地球”、“智慧城市”等概念的提出也為地理信息服務平臺的升級提供了契機。2015年政府工作報告中明確提出了“要提升城鎮規劃建設水平，發展智慧城市，保護和傳承歷史、地域文化，堅決治理污染、擁堵等城市病，讓出行更方便、環境更宜居。”2014年，國家發展和改革委員會、工業和信息化部等八部委聯合發布了《關于促進智慧城市健康發展的指導意見》，以促進智慧城市健康發展。在八部委的工作協調分工中明確說明了測繪地理信息行業負責時空信息云平臺建設，作為智慧城市建設的基礎設施，為其他行業部門的建設提供空間信息支撐。

與此同時，隨著應用的不斷深入，數字城市階段的地理信息公共服務平臺體現出一些不足之處，比如數據應用內容單一、共享方式單一、實時數據稀缺、運行維護工作量大等[3-4]，從應用角度也對時空信息云平臺的建設提出明確需求。基于此，本文從智慧城市時空信息云平臺建設的總體架構、實施技術路線等方面探討平臺建設的思路和方法，為下一步全面開展智慧城市建設提供可參考的方案，為智慧城市建設作技術積累。

1 時空信息云平臺架構設計

1.1 建設目標

與數字城市地理空間框架相比，時空信息云平臺建設應實現以下6個轉變：

1）傳統架構到云架構。基礎設施按照云架構方式建立云化計算資源池，以支撐平臺成果的云架構部署和應用，提供按需彈性計算和宿主環境服務。

2）空間數據到時空數據。數據內容不只包含空間數據，還應包含政務管理和社會公眾服務所需的公共信息，比如人口、經濟、法人等數據。在數據形態上對數據成果進行序列化處理，形成時空數據。

3）通用平臺到個性平臺。軟件平臺要從提供通用、共性的服務轉變到提供個性化、按需變化的服務，比如，平臺能根據用戶的行業特征提供特定的數據和功能服務組合，并根據應用情況動態調配服務資源。

4）線下交換到協同共享。共享方式上，改變過去由平臺線上集中分發服務、線下離線數據拷貝的方式，建立面向業務數據的協同共享數據交換體系，實現業務數據與時空數據的整合應用。

5）信息服務到知識服務。服務模式上，改變僅提供空間數據服務的方式，轉為提供基于大數據分析挖掘后的增值知識服務，比如地理分析模型，經濟分析模型等。

6）桌面端到泛在終端。應用方式上，從桌面端應用向泛在終端轉變，從數據形式、服務接口、用戶界面等方面全方位支撐泛在終端應用。

1.2 總體架構

智慧城市時空信息云平臺基于云計算技術搭建，結合物聯網、智能計算、移動互聯網等技術，以服務城市經濟社會發展為目的，為科學推進城市的開發建設及管理工作提供全面的信息化服務支撐。

1.2.1 基礎設施層

基礎設施層包括硬件基礎設施和軟件基礎設施兩大類。硬件部分包括服務器主機、存儲設備、網絡設備等；基礎軟件包括數據庫軟件、操作系統、中間件、GIS平臺軟件等。通過采用硬件虛擬化技術建成一套動態調整的資源池，并結合云GIS管理平臺實現對計算資源的調用、管理、監控，以支撐平臺層的應用。目前主流的產品有超圖iCloudManager，捷泰天域云GIS套件等。

圖1 智慧城市時空信息云平臺總體架構

1.2.2 平臺服務層

平臺服務層構建在基礎設施層之上，直接向用戶提供平臺級的應用服務，主要由以下5個部分組成。

1）數據平臺是時空信息云平臺的數據基礎和源頭，包括基礎地理數據庫、專題空間數據庫、物聯網數據庫、元數據庫等。基礎地理數據庫包括二維矢量數據、三維矢量數據、DEM數據、影像數據等；專題空間數據包括各行業應用系統的專業數據，如國土、規劃、環保、水利等；物聯網數據庫包括各類攝像頭、RFID、地感線圈等傳感設備獲取的動態數據，以及從社交媒體、各權威機構官網等互聯網渠道獲取的空間信息；元數據庫主要包括數據元數據、服務元數據、資源元數據、系統元數據等。

2）資源管理平臺提供數據資源管理和平臺運行管理內容。數據管理包括對空間數據的入庫、質檢、編輯、輸出、元數據管理、數據編目管理，并實現多源空間數據的無縫集成功能；平臺運行管理主要實現云平臺的管理功能，包括用戶管理、安全管理、資源訪問控制管理等。

3）應用開發平臺主要完成底層基礎設施的管理和維護工作，包括GIS平臺、數據庫、消息處理等，并為用戶提供統一的平臺開發接口，使用戶能在平臺上完成與地理信息系統建設相關的各項工作，包括服務發布與應用、身份認證、應用系統搭建、應用部署等工作。

4）業務建模平臺為用戶提供了一個可視化的建模環境，用戶可以通過該平臺搭建行業內專業的業務分析模型，如污染物擴散分析模型、污染物災害評估分析模型等。完整的業務分析模型，還可以通過平臺提供的模型部署服務發布成模型服務，以標準的Web Services提供給其他用戶使用。

5）服務管理平臺是智慧城市時空信息云平臺的核心組成部分，主要提供云端資源服務的管理維護功能，包括資源服務的監控、資源服務的彈性調整、資源服務的度量等功能。通過服務管理平臺實現上層的業務GIS應用、GIS服務、專業模型分析服務，能彈性、均衡的使用云端資源，提高平臺服務效能。

1.2.3 軟件服務層

軟件服務層構建在平臺服務層之上，利用平臺的數據和服務資源，建成可供用戶直接使用的軟件功能，比如門戶系統、共享交換系統、地理編碼系統、時空電子地圖系統以及提供移動離線電子地圖。除此之外，平臺建設還包括安全保障體系和標準規范體系等建設內容。

2 關鍵技術路線

2.1 基于虛擬化技術構建云GIS平臺

與通用的云平臺相比，云GIS平臺可提供具備GIS服務能力的虛擬主機，一方面可以作為宿主環境向用戶提供獨立的服務器設備；另一方面還可以支持時空信息平臺的云計算模式，根據GIS應用的需求實現彈性的GIS資源分配，可以向用戶提供穩定、高效的空間信息服務。如圖2所示，與通用的云GIS平臺類似，通過虛擬化技術對物理資源等底層架構進行抽象，形成虛擬化的計算資源池，在此基礎上搭建云GIS管理平臺[5]，通過與GIS服務的結合實現計算資源的調度。

圖2 云GIS平臺構建技術

2.2 三位一體的時空數據組織

現實生活中80%的信息資源與空間位置有關，城市運行中涉及的人口、法人、經濟、建構筑物等，歸根結底都可以落在一個確定的空間位置上。因此，以地理空間信息為依托，將地表數據、各類規劃、社會經濟、城市運行等時空信息在統一的空間尺度、統一的時間框架下進行組織，實現“時間、空間、屬性”三位一體的時空數據組織形式（見圖3）。

圖3 三位一體的時空數據組織形式

2.3 共享交換技術

企業服務總線是智慧城市時空信息云平臺實現數據共享交換的核心樞紐[6]，包括訪問控制、流量控制、消息路由、消息轉換、協議轉換、日志管理、元數據管理、安全認證等功能。通過服務總線實現文檔資料、服務接口、數據庫、空間文件等多種形式的數據共享渠道，可滿足所有政務部門的信息共享和應用需求。ESB服務總線技術如圖4所示。文檔資料共享格式為：word、excel、pdf、jpg、png等；服務接口共享接口有：OGC標準GIS服務接口、SOAP協議Web Service接口、RestFul服務接口等；數據庫共享為：Oracle、MySQL、SQL Server、DB2等數據庫；空間文件共享為：Shape file、GeoDatabase、SDB等。

圖4 ESB服務總線技術

2.4 高效準確的地理編碼引擎

地理編碼引擎是實現非空間數據向空間數據轉化的橋梁[7-8]，是依托于時空信息云平臺開展智慧城市建設的關鍵入口，建立高效、實用的地理編碼引擎可以快速幫助用戶集成行業內專題數據。地理編碼系統包括3個部分，如圖5所示。

1）地址數據管理系統。提供地址和POI數據的增加、刪除，歷史地址數據管理，標準詞、同義詞管理等功能。

2）地理編碼應用系統。直接向用戶提供地理編碼應用功能，包括正向和逆向兩類編碼應用。支持單條匹配，也支持txt、csv等多種格式的批量匹配。

3）地理編碼后臺管理系統。對用戶的待匹配數據、匹配結果、匹配次數等進行統計分析，為進一步優化系統（包括數據和引擎）積累數據。

圖5 地理編碼系統組成

2.5 知識服務引擎

知識服務引擎是時空信息云平臺實現信息服務向知識服務轉變的關鍵，知識服務引擎建設可以依托于時空信息云平臺的數據資源和服務能力（知識服務引擎組成見圖6）開展專業知識模型的研究，并研發相應的軟件系統，主要包括模型管理、模型分析與評價、分析結果輸出等3大功能模塊。

圖6 知識服務引擎組成

3 結 語

隨著智慧城市建設進程的進一步加快，時空信息云平臺的建設與應用將得到更為廣泛的關注。本文探討了智慧城市時空信息云平臺需要實現的6個轉變，圍繞此目標探討了時空信息云平臺建設的總體架構，包括基礎設施即服務、平臺即服務和軟件即服務等核心內容，并基于此提出了相應的關鍵技術路線，如云GIS技術、時空數據組織、共享交換技術、地理編碼引擎、知識服務引擎、時空電子地圖、離線電子地圖等，這些內容都是成熟的時空信息云平臺建設必不可少的條件，將在智慧城市的建設過程中提供高質量的地理信息服務。除此之外，智慧城市時空信息云平臺的建設內容還非常多，比如物聯網數據的接入、基于時空大數據的分析與挖掘、工作流引擎等，都是下一步需要重點研究的內容和方向。

[1] 李成名．從數字城市走向智慧城市[J]．地理空間信息,2013(S1):8-10

[2] 李維森．數字中國的建設與智慧城市的探索[J]．地理信息世界,2013,20(2):1-5

[3] 李成名,劉曉麗,印潔,等．數字城市到智慧城市的思考與探索[J]．測繪通報,2013(3):1-3

[4] 李德仁,邵振峰,楊小敏．從數字城市到智慧城市的理論與實踐[J]．地理空間信息,2011,9(6):1-5

[5] 喬宇寒．宿主機自動選擇策略研究及在云GIS平臺中的應用[D]．北京:北京交通大學, 2015

[6] 陳真勇,徐州川,李清廣,等．一種新的智慧城市數據共享和融合框架-SCLDF[J]．計算機研究與發展,2014(2):209-301

[7] 于煥菊,李云嶺,齊清文．顧忌實體空間關系的地址編碼方法研究[J]．地理與地理信息科學,2013(9):49-52

[8] 李林,程宇翔．智慧重慶地理編碼系統研究與應用[J]．地理空間信息,2015,13(6):40-42

P208

B

1672-4623（2016）12-0007-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.12.003

李林，碩士，主要研究方向為智慧城市、大數據分析、文本挖掘、空間數據集成與共享等。

2016-09-06。

項目來源：重慶市科委重大應用開發計劃資助項目（cstc2014yykfC0053）。