省級北斗時空大數據底座的建設及應用成效

文 | 李亞平 魏國 吳凱 趙曉梅 張靜 孟奇

1.中科院空天信息創新研究院 2.內蒙古自治區軍民融合發展研究中心

隨著“數字經濟”時代的到來，數據已經成為第五大生產要素，正在逐漸形成流通和交易制度。隨著北斗導航的大眾化、規?；瘧茫倍酚脩艚K端以及服務于北斗用戶終端的信息系統所產生的海量數據是一種具有特殊意義的數據，也具有重要挖掘價值，已經被政府和行業重點關注。近年來省級北斗時空大數據底座建設被作為推動北斗產業發展和規?；瘧玫闹匾e措，正在加速推進。本文針對省級北斗時空大數據底座建設的背景、現狀、關鍵技術、預期成效以及面臨的挑戰進行了初步探索研究，為未來省級北斗時空大數據底座建設提供參考。

一、省級北斗時空大數據底座建設概念與建設現狀

1. 省級北斗時空大數據底座概念

時空大數據是指基于統一的時空基準（空間參照系統、時間參照系統），存在于空間與時間中，與位置直接（定位）或間接（時空分布）相關聯的大規模海量數據集，由“基礎地理時空數據”和“部門行業專題數據”融合而成[1]。省級北斗時空大數據底座是時空大數據平臺和國家北斗大數據中心省級分中心融合的產物，主要完成以北斗導航為時空基準的省級基礎地理數據和行業應用中動態要素數據的匯聚、處理、管理、共享分發，把省級各種分散的（點數據）和分割的（條數據）時空大數據匯聚到一個特定的自主可控的平臺上,并使之發生持續的聚合效應。因此，省級北斗時空大數據中心底座可以定義為匯聚省級北斗連續運行參考站（CORS）站網數據、北斗用戶終端數據、省級基礎時空數據，利用北斗系統的導航、定位、授時、短報文四大服務，打造具備省級泛在、智能、可信的定位、導航與授時（PNT）服務能力的基礎服務平臺。其核心要素包括地基增強感知網、北斗大數據中心（基礎設施、數據中臺）、災備中心、北斗位置服務云平臺、基礎地圖、標準規范體系、行業示范應用共性插件(業務中臺）。基于該平臺所支撐的示范行業包括但是不限于智慧農業、城市管理、智能交通、政務信息化、地質災害預警、應急指揮等。

2. 省級北斗時空大數據底座建設現狀

國家“十四五”規劃綱要明確指出，要“迎接數字時代，激活數據要素潛能，推進網絡強國建設，加快建設數字經濟、數字社會、數字政府，以數字化轉型整體驅動生產方式、生活方式和治理方式變革”[2]。北斗行業用戶終端、北斗手機等大眾的普及應用，將產生海量的動態時空數據，時空數據的分析挖掘，能夠為城市管理提供重要決策依據。省級北斗時空大數據底座的基礎是國家北斗大數據中心省級分中心，北斗大數據中心的建設為北斗時空底座的構建奠定了基礎。下面針對國家級、省級北斗時空數據中心建設現狀進行總結。

（1）國家級北斗時空大數據中心

2013年，中國衛星導航定位應用管理中心和國家信息中心達成合作協議，共建北斗導航位置服務數據中心[3]，中心統籌利用國家信息基礎設施與數據資源，構建跨層級、跨行業的北斗數據中心，推動北斗導航系統在地方經濟建設中盡快發揮作用。2017年1月，國家北斗時空大數據中心開始掛牌運行。貴州、重慶、安徽等分中心也陸續掛牌。

國家北斗時空大數據中心旨在統籌國家基礎信息和數據資源，向社會提供跨行業、跨層級的北斗數據。中心建設分三級，分別是國家級中心、行業及省級數據分中心、地市及以下級數據子中心。

（2）省級北斗時空大數據中心

近些年來，尤其是“東數西算”“數字經濟”“推進北斗規?；瘧谩钡葒蚁嚓P支持政策的陸續發布，省級北斗分中心的推進力度開始加大。近五年媒體報道[3-5]的省級北斗分中心有6個（表1）。

表1 近五年省級北斗時空大數據中心建設情況

二、省級北斗時空大數據底座的體系架構

省級北斗時空大數據底座主要完成省級北斗時空數據的匯聚、處理、管理和分發，頂層架構設計是系統建設、安全運行的核心關鍵，各省份建設沒有統一的模板，而且隨著區域需求變化、信息技術的發展不斷有新的架構出現，目前，以云安全、云計算、數據中臺等為支撐的技術架構較為普及。

本文給出一種較為通用的技術架構體系，自上而下包括云基礎設施、北斗大數據軟件、應用支撐系統和應用系統，其中基礎設施包括計算資源、存儲資源、網絡資源、機房安全環境、云管平臺、虛擬化系統等；大數據中心的軟件設計采用數據中臺的設計思路，主要模塊組成包括數據匯聚、專業數據處理、數據存儲管理、大數據分析和數據交換分發等；應用支撐系統承上啟下，將多種行業專題應用所需要的共性模型、算法進行抽象建模，封裝成共性模型算法和應用服務組件庫，為上層應用提供支撐；應用系統包括服務于各行業、公眾服務的應用系統，為系統的應用提供支撐，服務的用戶包括政府、行業、公眾以及第三方企業等，如圖1所示。

圖1 省級北斗時空大數據底座體系架構圖

三、建設省級北斗時空大數據底座的關鍵技術

建設一個省級北斗時空大數據底座是一個復雜的系統工程，通用的技術包括底層云計算、虛擬化、云安全等計算機領域技術，還有數據中心所涉及的海量數據匯聚、高效存儲、共享分發等大數據技術，以及空間數據的處理存儲等，涉及的技術很多，列舉與導航/GIS學科強關聯的關鍵技術如下。

1. 省級北斗時空大數據底座的數據體系構建

數據是省級北斗時空大數據底座建設的核心，是決定數據中心軟硬件建設規模的主要因素，數據中心需要匯集的數據包括基準站原始觀測數據、普通終端觀測數據、北斗RDSS服務終端數據、數據采集設施的狀態數據、基礎地理信息數據、高分辨率遙感數據、重點區域的實景三維數據、行業應用的專題數據、引接國家信息中心的宏觀經濟數據、數據中心進行數據融合處理后的高精度服務產品數據，以及在此基礎上進行的數據清理、治理、處理過程數據等，需要構建一個完備、合理的數據體系，以適應海量多源異構數據跨時空、多尺度匯聚與分布式存儲需求。

2.多模態時空大數據的組織和可視化技術

北斗時空大數據中心需要展示北斗終端的位置態勢、北斗行業應用態勢和北斗服務態勢等，需要在海量、高維、動態的多模態時空大數據中挖掘有價值、潛在、復雜的時空語義關聯,綜合感知時空大數據反映的發展態勢,進行科學合理的探索推理預測，為區域北斗產業發展、北斗行業應用等政策規范的制定提供支持。而時空大數據具有多源、多粒度、多模態和時空復雜關聯的特點，時空大數據可視化重點對時間與空間維度以及與之相關的信息對象屬性建立可視化表征[6]，對與時間和空間密切相關的模式及規律進行展示，大數據環境下時空數據的高維性、實時性等特點是時空數據可視化的重點[7]。

3.規模化導航增強網實時處理與信息服務技術

北斗時空大數據中心匯聚的GNSS原始觀測數據，在數據中心完成實時數據處理，形成高精度的服務產品，為本區域內的終端提供高精度的信息服務。省級的CORS網絡分布范圍依據各省區劃面積不同而不同，但需要基本全省覆蓋、行業全覆蓋、重點區域加密建設，一般都在上百個站以上，由于信息匯聚的CORS站網數據量大，服務范圍廣，需要建立高效的處理與分發算法完成實時服務，大規模的GNSS網絡計算成為本項目關鍵技術[8]。

四、省級北斗時空大數據底座的建設成效

1.建設基礎環境，提高區域時空信息服務能力

省級北斗時空大數據底座，匯聚區域內分散建設的CORS基礎數據，構建大數據中心的硬件基礎設施，把各種分散的（點數據）和分割的（條塊）時空大數據匯聚到一個平臺上，形成持久的聚合效應。通過多維度數據融合、關聯分析、數據挖掘，形成時空數據資源的基礎環境、應用環境，提高區域時空信息服務能力。圖2為內蒙古省級北斗時空大數據底座的主界面圖。

圖2 內蒙古省級北斗時空大數據底座的主界面圖

2.引導行業應用，推進北斗產業化發展

省級北斗時空大數據底座的應用標準、應用接口、規范的發布，有利于基礎信息與測繪導航信息融合共享，降低了行業、企業開發利用北斗高精度信息服務的成本，從而可以降低北斗產業的進入門檻，促進區域北斗規模化應用，推進北斗產業化發展。圖3為基于位置云平臺的礦山邊坡、公路安全監測行業示范系統。

圖3 基于位置云平臺的礦山邊坡、公路安全監測行業示范系統

3.賦能數字經濟，拓展時空大數據應用市場

數字經濟時代，數據被列為第五大生產要素，時空數據是數據資源體系的核心，現實生活中80%的數據與時間或空間相關。時空數據具有大數據典型特征，海量多源數據的高效準確處理技術挑戰較大。北斗導航、測繪遙感、地理信息等組成的時空信息服務，可充分發揮時空大數據在推動數字經濟高質量發展中的基礎性、先行性作用。圖4為省級北斗時空大數據底座的數據資產管理系統。

圖4 省級北斗時空大數據底座的數據資產管理系統

五、建設省級北斗時空大數據底座面臨的挑戰

1.數據來源與共享服務的合理管控問題

省級北斗時空大數據底座的建設，需要匯集來自不同行業領域的北斗時空位置數據，同時需要為政府、行業、公眾提供共享分發服務，為第三方企業用戶提供有償服務，隨著北斗導航應用的規?；?、普及化，數據來源日益多樣化，如何利用先進的技術手段、規范體系來保障數據來源的合理性、規范性、持續性，同時能保證數據去向的可追溯性、共享渠道的安全性等，是省級北斗大數據底座建設面臨的重要挑戰。

2.時空信息的安全保障問題

省級北斗時空大數據底座所承載的北斗位置服務數據、行業應用數據以及基礎的北斗CORS網數據，都是信息安全領域重點關注的問題，基于位置的服務已經深度融入公眾生活，時空信息的大數據挖掘也成為個人信息泄露的重要渠道，區別北斗時空底座承載了大量個人、行業、政府的動態位置信息，所以，時空信息的安全保障問題是區域北斗大數據時空底座建設的重要挑戰。

3.大數據平臺的運營維護問題

省級北斗時空大數據底座的建設屬于系統工程，投資規模都在千萬級以上，具備很大的經濟效益和社會效益，但是，后續需要有持續可靠的運營維護方案，保障有償經營類收入能夠抵扣公益服務類以及平臺本身升級改造的成本，實現平臺本身具備自我造血和持續發展的能力，讓平臺持續發揮其整體服務效能，是目前面臨的一大挑戰。

六、小結

面向各種挑戰問題，在省級北斗時空大數據底座的建設過程中，各中心也探索出了不同的措施進行應對，包括依托當地通信運營商的運營網絡渠道保障匯聚數據的來源與合理管控，依托省級政務中心的硬件基礎資源和大數據中心資源保障安全，與大型國企用戶、運營商、行業用戶等共建共營、共同推進保障運營運維。省級北斗時空大數據底座作為推進北斗規模化、大眾化應用的具體措施，將會在推動數字經濟、帶動產業等領域發揮重要作用。