基于GIS和云計算的智慧政務服務平臺研究

李朝輝

（湖南省第三測繪院 湖南長沙 410007）

城市的發展為城市管理提供了一個新的維度。電子政務可以幫助彌合政府與公民之間的鴻溝，從而減少雙方之間的沖突。GIS 的市政應用展示了GIS 在電子政務中的潛在價值，其在物業管理、交通運輸、城市規劃、廢物管理、城市設計和更新中起著決定性的作用［1］。GIS 可為用戶提供城市服務并確定相關的解決方案，GIS除了有助于不同數據源的數據集成外，還可以使用地圖實現數據可視化，從而增強系統可用性，并協助決策過程。3D GIS 提供可視化呈現，并用作真正的3D 工具——通過使用3D 模型進行查詢和在3D 中可視化地理信息。本文提出了一個政務服務平臺的頂層設計，充分利用GIS和云計算技術，為智慧城市政務提供便利和處理服務。

城市地區都具備必要的基礎設施，因此可以很好地利用電子政務服務。而在農村地區，最大的問題是缺乏必要的基礎設施及公民缺乏計算機意識。云計算在未來可以成為滿足這些需求的有效解決方案，這將是智能的，并且可供所有人訪問［2］。此外，電子政務必須建立在流動的基礎上，并不斷適應協作治理系統，以應對外部協調和內部整合與合作的雙重挑戰。

云計算和物聯網引領城市管理從數字化階段進入智能化階段。作為未來城市的功能核心，云數據中心已在不同區域進行了大規模建設。同時，針對硬件重、軟件輕、應用不足，亟需開發具有自主知識產權的云計算、云存儲、云服務領域的產品，建立專業化的城市云平臺，開展產業化應用。本文打造了一個基于云架構的智慧城市3D 管理服務軟件平臺，聚焦公共交通、市政管網、環保、防災、公共信息等不同領域［3］，旨在為城市規劃、建設和管理服務提供全面、實用、一體化的解決方案。與以往其他云架構相比，其獨特的特點和先進性主要體現在類似于Google Earth 的地球3D空間云政務平臺開發。其特點主要包括：（1）軟件、硬件、應用一體化的優勢；（2）空間數據的多訪問方法；（3）3D 可視化系統；（4）自主開放的空間云應用系統；（5）優秀的數據挖掘和空間分析功能；（6）針對不同行業需求的電子政務功能和前端定制。

1 研究意義

1.1 數字城市是智慧城市的空間支撐

現代城市的發展約80%與地理空間位置有關。支撐智慧城市的核心是數字城市。對于一個城市來說，數字城市是一個地理環境，是高效運行的指揮系統，是基礎設施，是模擬系統。一些城市開始從數字城市向智慧城市過渡，如從電子政務管理向政務物聯網應用管理轉變，應利用物聯網的建設和建設資源，促進政務的推廣應用，提高政府的行政效率［4］。這包括整合現有和即將建設的城市運營管理的傳感器網絡和信息網絡數據，實現政府投資設施和信息系統的自動數據交換和共享，依托電子政務，加強官方城市管理和服務，實現數據共享、協同、開放。從數字城市向智慧城市的轉變也是解決全球可持續發展危機的必然選擇。

1.2 智慧城市是發展的必然

近20年來，城市信息化建設經歷了信息港和數字城市兩個階段，目前，它正朝著智慧城市的階段發展，這些階段是過去和未來之間的紐帶。在信息港階段，城市信息化建設的主要資源用于宏觀信息基礎設施建設，如帶寬擴展、網絡建設等。在數字城市階段，城市信息化建設的主要資源用于數據庫開發和互聯網應用。數字城市旨在通過計算機網絡獲得現實世界中的大量作品。在智慧城市階段，主要資源用于城市信息網絡建設，實現自動監控、信息采集、分析處理和決策響應。智慧城市源于并超越數字城市。

1.3 智慧城市是數字城市和物聯網的結合

以物聯網和云計算為代表的新一輪信息技術革命為信息技術向智能化發展提供了重要的技術基礎。智慧城市是指通過信息通信技術的建設，充分利用信息技術（ICT）基礎設施、認證、安全平臺，加快攻關關鍵技術難題，構建城市發展的智能環境，形成基于海量信息和智能過濾處理的新的生活方式、產業發展和社會管理，建立新的城市形態。數字城市是對城市進行多分辨率、多尺度、多時空、多物種的3D描述。物聯網通過基于約定協議的信息傳感設備將任何物品與互聯網連接起來，實現信息交換和通信，實現智能識別、定位、跟蹤、監控和管理。智慧城市可以通過結合數字城市和物聯網來實現。

2 平臺實現與應用

基于GIS、RS、GPS、數字地形模型（DTM）、虛擬現實、3D建模、大型空間數據庫平臺等關鍵技術，充分利用現有信息基礎設施條件和地理空間數據資源，整合城市自然資源和空間地理信息及相關經濟社會信息，建立及時更新的多尺度、多分辨率空間基礎數據庫，構建空間信息交換共享在線服務體系，這樣一來，就建立了市區范圍內的3D GIS場景［5］。以3D GIS為基礎，開發相關行業應用板塊業務系統，使其成為數字城市空間的基礎信息平臺，整合空間信息資源的核心專業應用系統。

基于該平臺，以高性能空間信息云計算與分析挖掘為手段，開展數字城市和智慧城市相關的基礎應用研究和應用工程建設，為城市安全、環境、交通、健康等民生領域提供空間信息技術支撐，促進新型社會空間信息服務產業的發展。

2.1 3D智慧城市云平臺

作為多源、多時空、多尺度的城市空間數據管理平臺，建立跨行業、跨部門、跨平臺的數據共享新模式，實現多領域間的信息交換和共享。該平臺除可應用于城市管網、消防、稅務外，還可應用于城市設施監管、城市交通監管、社會公共服務等領域，提升城市管理和服務功能。

以往的3D數字城市系統存在數據分散、數據難以有效整合和復用等問題，導致資源浪費嚴重。該平臺依托物聯網、云計算等新技術，與基于3D GIS技術的3D數字城市服務平臺有效融合，有效整合各類城市資源和空間地理基礎信息，建立多源、多時空、多尺度的信息數據庫，開發相關行業的業務應用，建立可靠、高效、共享的3D 智慧城市云服務平臺，有效整合數據資源和功能資源，服務政府、企業、公眾，引導人口、資源、環境、經濟和社會。該平臺在數字城市取得了良好的測試應用效果。

云平臺的底層包括Xen 和PowerVM 虛擬Linux 操作系統映射和Hadoop并行工作負載安排，與之前的分布式平臺不同，它可以通過管理服務器根據需求確保最佳性能。云計算包括云應用的能力，充分利用了能夠跨多臺服務器實時分配資源的軟件。通過基于SOA的Web服務，它可以與現有的IT基礎設施集成，如圖1所示。

圖1 云計算中的城市數據流

3D GIS 提供了一個友好直觀的界面，將虛擬化技術應用于云計算平臺，可以獲得良好的性能，包括：（1）可以將計算平臺動態定位到所需的物理平臺上；（2）多個輕量級虛擬機的計算節點可以合并到同一個物理節點中；（3）通過虛擬機在不同物理節點上的動態遷移，可以取得與應用無關的負載均衡性能；（4）部署更加靈活，即虛擬機可以直接部署到物理計算平臺上。

2.2 城市災害與環境保護

該平臺圍繞城市環境監測、規劃和自然災害預警等需求開展研發與實踐，它基于對大量地理現象和過程的廣泛觀察、分析和抽象，解決了過程數值模擬計算的數學表達和尺度理論。根據不同地學類型，過程數值模擬計算模型構建和“數據—模型—系統—表達”一體化城市資源環境監測與災害預警方法的基本理論。在高性能計算環境的支持下，實現了過程數值模擬計算的解決方案。

2.2.1 資源環境數據同化與整合

多源數據采集設備為環境監測和災害預警提供了豐富的數據，但是，數據提供的信息是冗余的、互補的和協作的。數據集成是一種有效的多源數據采集方法，將同一區域內不同數據源的信息作為多源數據進行互補處理。有效的數據集成技術可以減少數據冗余，提高數據可靠性，對政府數據分析、挖掘和管理具有重要意義。

2.2.2 災害過程并行計算數值預測技術研究

時空過程模型是災害模擬的核心。開發空間、天空和地球觀測數據開發同化方法，引入時空過程模型，研究多源數據的同化，提高地表演化過程中監測模型的準確性。云計算可以有效減少災害模擬預報過程的時間，使災害的及時準確預報成為可能。

2.3 智能交通

3S 技術為智能交通系統（ITS）的空間數據和交通信息的獲取、處理、分析和可視化提供了必要的理論和技術支持。交通運輸地理信息系統（GIS-T）是地理信息系統技術在交通運輸領域的擴展，也是構建智能交通系統的重要基礎。

利用3S技術對基礎地理數據、網絡數據等空間數據的處理和分析優勢，合理組織、管理和發布交通信息，有利于提高交通系統運行效率，降低交通事故發生率。通過對交通信息的分析和交通數據挖掘，可以得到不同時期、不同地區的人們出行規律，這為交通管理部門進行交通規劃、引導和流量預測提供了支持，為緩解交通擁堵提供了理論依據。

2.4 城市資源變化監測與分析

RS 技術用于研究城市擴張和城市化進程的動態監測。RS 和GIS 的綜合應用將有效監控違法建設行為。在典型的架構變化中，使用干涉合成孔徑雷達（InSAR）技術來描述面向對象架構的后向散射和干擾特性。然后建立多日期SAR 城市變化檢測，以高效可靠地提取城市土地利用/覆蓋變化信息。最后根據城市規劃圖和矢量變化分類，利用變化檢測生成的地圖、GIS技術數據處理功能和空間分析能力，以及屬性信息查詢的方法，對變化目標進行分析、識別、消除虛假，從而確定違法建筑。

2.5 城市環境動態監測預警

將自動監測系統采集的地面不同資源環境數據與各種RS監測數據進行整合，形成天地一體化監測手段，這樣就可以對各種資源環境問題進行多尺度、多角度的綜合分析監測，保證監測結果的有效性和準確性［6］。基于分布式計算技術，將有效解決大數據的實時處理，確保及時發現相關環境和資源問題，形成快速有效的解決方案，減少影響和損失。基于GIS 3D的資源環境狀態展示技術更生動地表達了相關資源環境問題，為人員和決策者的相關分析提供了更直觀的交互界面。

2.6 城市地質災害監測預警

在城市地質災害和線狀特征、大面積地表變形監測預警中，計劃利用衛星遙感、衛星定位、光纖傳感網絡技術，實現多尺度、3D（地表和地下）、高地表變形的精確、實時、動態監測、安全評估和預警。在塌陷、滑坡、泥石流等巖土位移和地面沉降、地裂縫等地面變形類地質災害中，開展研究開發不同型號的壓力傳感器和位移傳感器。

3 結語

智慧城市是當今世界的新一輪信息化。傳感器安裝在城市電網、道路、建筑物、管道和其他基礎設施中，以連接到物聯網并與互聯網結合，這樣就可以實現人類社會與城市物理系統的互聯互通。同時，通過建立云計算中心，對人員、機器、設備進行高效管控，對城市生產生活進行精細化、動態化管理，實現智慧狀態，從而提高資源利用率和生產力質量，改善城市環境，促進全球可持續發展。本文提出了一個充分利用GIS及云計算技術的政務服務平臺，為智慧城市的政務提供便利的服務。