智慧城市时空信息云平台建设研究

李 林，李仕峰，梁 星

（1.重庆市地理信息中心，重庆 401121）

智慧城市时空信息云平台建设研究

李 林1，李仕峰1，梁 星1

（1.重庆市地理信息中心，重庆 401121）

智慧城市是以信息化创新引领城市发展转型、提高城市治理能力的重要手段。时空信息云平台是智慧城市建设中重要的时空基础设施。从智慧城市时空信息云平台建设的总体架构、关键技术路线等方面探讨了平台建设的思路和方法，对基础设施、时空数据、软件平台等核心内容进行了全面分析与研究，设计了相应的技术路线，形成了一套支撑智慧城市建设的时空信息云平台建设方案。

智慧城市；时空信息；云平台；总体架构；技术路线

国家测绘地理信息局自2006年开始推进“数字城市”建设以来，全国共333个地级市、380多个县级市开展了相关工作，建设成果惠及国土、规划、房产、公安、消防、环保、卫生等众多领域，为科学决策、城市信息化建设和社会公众服务等方面提供了全面的信息服务[1-2]。然而，随着科技的不断进步和应用需求的快速变化，特别是云计算、物联网、大数据和移动互联网的快速发展，对原来的地理信息服务平台提出了更高的要求，比如用户体验、数据实时性、移动应用等。与此同时，“智慧地球”、“智慧城市”等概念的提出也为地理信息服务平台的升级提供了契机。2015年政府工作报告中明确提出了“要提升城镇规划建设水平，发展智慧城市，保护和传承历史、地域文化，坚决治理污染、拥堵等城市病，让出行更方便、环境更宜居。”2014年，国家发展和改革委员会、工业和信息化部等八部委联合发布了《关于促进智慧城市健康发展的指导意见》，以促进智慧城市健康发展。在八部委的工作协调分工中明确说明了测绘地理信息行业负责时空信息云平台建设，作为智慧城市建设的基础设施，为其他行业部门的建设提供空间信息支撑。

与此同时，随着应用的不断深入，数字城市阶段的地理信息公共服务平台体现出一些不足之处，比如数据应用内容单一、共享方式单一、实时数据稀缺、运行维护工作量大等[3-4]，从应用角度也对时空信息云平台的建设提出明确需求。基于此，本文从智慧城市时空信息云平台建设的总体架构、实施技术路线等方面探讨平台建设的思路和方法，为下一步全面开展智慧城市建设提供可参考的方案，为智慧城市建设作技术积累。

1 时空信息云平台架构设计

1.1 建设目标

与数字城市地理空间框架相比，时空信息云平台建设应实现以下6个转变：

1）传统架构到云架构。基础设施按照云架构方式建立云化计算资源池，以支撑平台成果的云架构部署和应用，提供按需弹性计算和宿主环境服务。

2）空间数据到时空数据。数据内容不只包含空间数据，还应包含政务管理和社会公众服务所需的公共信息，比如人口、经济、法人等数据。在数据形态上对数据成果进行序列化处理，形成时空数据。

3）通用平台到个性平台。软件平台要从提供通用、共性的服务转变到提供个性化、按需变化的服务，比如，平台能根据用户的行业特征提供特定的数据和功能服务组合，并根据应用情况动态调配服务资源。

4）线下交换到协同共享。共享方式上，改变过去由平台线上集中分发服务、线下离线数据拷贝的方式，建立面向业务数据的协同共享数据交换体系，实现业务数据与时空数据的整合应用。

5）信息服务到知识服务。服务模式上，改变仅提供空间数据服务的方式，转为提供基于大数据分析挖掘后的增值知识服务，比如地理分析模型，经济分析模型等。

6）桌面端到泛在终端。应用方式上，从桌面端应用向泛在终端转变，从数据形式、服务接口、用户界面等方面全方位支撑泛在终端应用。

1.2 总体架构

智慧城市时空信息云平台基于云计算技术搭建，结合物联网、智能计算、移动互联网等技术，以服务城市经济社会发展为目的，为科学推进城市的开发建设及管理工作提供全面的信息化服务支撑。

1.2.1 基础设施层

基础设施层包括硬件基础设施和软件基础设施两大类。硬件部分包括服务器主机、存储设备、网络设备等；基础软件包括数据库软件、操作系统、中间件、GIS平台软件等。通过采用硬件虚拟化技术建成一套动态调整的资源池，并结合云GIS管理平台实现对计算资源的调用、管理、监控，以支撑平台层的应用。目前主流的产品有超图iCloudManager，捷泰天域云GIS套件等。

图1 智慧城市时空信息云平台总体架构

1.2.2 平台服务层

平台服务层构建在基础设施层之上，直接向用户提供平台级的应用服务，主要由以下5个部分组成。

1）数据平台是时空信息云平台的数据基础和源头，包括基础地理数据库、专题空间数据库、物联网数据库、元数据库等。基础地理数据库包括二维矢量数据、三维矢量数据、DEM数据、影像数据等；专题空间数据包括各行业应用系统的专业数据，如国土、规划、环保、水利等；物联网数据库包括各类摄像头、RFID、地感线圈等传感设备获取的动态数据，以及从社交媒体、各权威机构官网等互联网渠道获取的空间信息；元数据库主要包括数据元数据、服务元数据、资源元数据、系统元数据等。

2）资源管理平台提供数据资源管理和平台运行管理内容。数据管理包括对空间数据的入库、质检、编辑、输出、元数据管理、数据编目管理，并实现多源空间数据的无缝集成功能；平台运行管理主要实现云平台的管理功能，包括用户管理、安全管理、资源访问控制管理等。

3）应用开发平台主要完成底层基础设施的管理和维护工作，包括GIS平台、数据库、消息处理等，并为用户提供统一的平台开发接口，使用户能在平台上完成与地理信息系统建设相关的各项工作，包括服务发布与应用、身份认证、应用系统搭建、应用部署等工作。

4）业务建模平台为用户提供了一个可视化的建模环境，用户可以通过该平台搭建行业内专业的业务分析模型，如污染物扩散分析模型、污染物灾害评估分析模型等。完整的业务分析模型，还可以通过平台提供的模型部署服务发布成模型服务，以标准的Web Services提供给其他用户使用。

5）服务管理平台是智慧城市时空信息云平台的核心组成部分，主要提供云端资源服务的管理维护功能，包括资源服务的监控、资源服务的弹性调整、资源服务的度量等功能。通过服务管理平台实现上层的业务GIS应用、GIS服务、专业模型分析服务，能弹性、均衡的使用云端资源，提高平台服务效能。

1.2.3 软件服务层

软件服务层构建在平台服务层之上，利用平台的数据和服务资源，建成可供用户直接使用的软件功能，比如门户系统、共享交换系统、地理编码系统、时空电子地图系统以及提供移动离线电子地图。除此之外，平台建设还包括安全保障体系和标准规范体系等建设内容。

2 关键技术路线

2.1 基于虚拟化技术构建云GIS平台

与通用的云平台相比，云GIS平台可提供具备GIS服务能力的虚拟主机，一方面可以作为宿主环境向用户提供独立的服务器设备；另一方面还可以支持时空信息平台的云计算模式，根据GIS应用的需求实现弹性的GIS资源分配，可以向用户提供稳定、高效的空间信息服务。如图2所示，与通用的云GIS平台类似，通过虚拟化技术对物理资源等底层架构进行抽象，形成虚拟化的计算资源池，在此基础上搭建云GIS管理平台[5]，通过与GIS服务的结合实现计算资源的调度。

图2 云GIS平台构建技术

2.2 三位一体的时空数据组织

现实生活中80%的信息资源与空间位置有关，城市运行中涉及的人口、法人、经济、建构筑物等，归根结底都可以落在一个确定的空间位置上。因此，以地理空间信息为依托，将地表数据、各类规划、社会经济、城市运行等时空信息在统一的空间尺度、统一的时间框架下进行组织，实现“时间、空间、属性”三位一体的时空数据组织形式（见图3）。

图3 三位一体的时空数据组织形式

2.3 共享交换技术

企业服务总线是智慧城市时空信息云平台实现数据共享交换的核心枢纽[6]，包括访问控制、流量控制、消息路由、消息转换、协议转换、日志管理、元数据管理、安全认证等功能。通过服务总线实现文档资料、服务接口、数据库、空间文件等多种形式的数据共享渠道，可满足所有政务部门的信息共享和应用需求。ESB服务总线技术如图4所示。文档资料共享格式为：word、excel、pdf、jpg、png等；服务接口共享接口有：OGC标准GIS服务接口、SOAP协议Web Service接口、RestFul服务接口等；数据库共享为：Oracle、MySQL、SQL Server、DB2等数据库；空间文件共享为：Shape file、GeoDatabase、SDB等。

图4 ESB服务总线技术

2.4 高效准确的地理编码引擎

地理编码引擎是实现非空间数据向空间数据转化的桥梁[7-8]，是依托于时空信息云平台开展智慧城市建设的关键入口，建立高效、实用的地理编码引擎可以快速帮助用户集成行业内专题数据。地理编码系统包括3个部分，如图5所示。

1）地址数据管理系统。提供地址和POI数据的增加、删除，历史地址数据管理，标准词、同义词管理等功能。

2）地理编码应用系统。直接向用户提供地理编码应用功能，包括正向和逆向两类编码应用。支持单条匹配，也支持txt、csv等多种格式的批量匹配。

3）地理编码后台管理系统。对用户的待匹配数据、匹配结果、匹配次数等进行统计分析，为进一步优化系统（包括数据和引擎）积累数据。

图5 地理编码系统组成

2.5 知识服务引擎

知识服务引擎是时空信息云平台实现信息服务向知识服务转变的关键，知识服务引擎建设可以依托于时空信息云平台的数据资源和服务能力（知识服务引擎组成见图6）开展专业知识模型的研究，并研发相应的软件系统，主要包括模型管理、模型分析与评价、分析结果输出等3大功能模块。

图6 知识服务引擎组成

3 结 语

随着智慧城市建设进程的进一步加快，时空信息云平台的建设与应用将得到更为广泛的关注。本文探讨了智慧城市时空信息云平台需要实现的6个转变，围绕此目标探讨了时空信息云平台建设的总体架构，包括基础设施即服务、平台即服务和软件即服务等核心内容，并基于此提出了相应的关键技术路线，如云GIS技术、时空数据组织、共享交换技术、地理编码引擎、知识服务引擎、时空电子地图、离线电子地图等，这些内容都是成熟的时空信息云平台建设必不可少的条件，将在智慧城市的建设过程中提供高质量的地理信息服务。除此之外，智慧城市时空信息云平台的建设内容还非常多，比如物联网数据的接入、基于时空大数据的分析与挖掘、工作流引擎等，都是下一步需要重点研究的内容和方向。

[1] 李成名．从数字城市走向智慧城市[J]．地理空间信息,2013(S1):8-10

[2] 李维森．数字中国的建设与智慧城市的探索[J]．地理信息世界,2013,20(2):1-5

[3] 李成名,刘晓丽,印洁,等．数字城市到智慧城市的思考与探索[J]．测绘通报,2013(3):1-3

[4] 李德仁,邵振峰,杨小敏．从数字城市到智慧城市的理论与实践[J]．地理空间信息,2011,9(6):1-5

[5] 乔宇寒．宿主机自动选择策略研究及在云GIS平台中的应用[D]．北京:北京交通大学, 2015

[6] 陈真勇,徐州川,李清广,等．一种新的智慧城市数据共享和融合框架-SCLDF[J]．计算机研究与发展,2014(2):209-301

[7] 于焕菊,李云岭,齐清文．顾忌实体空间关系的地址编码方法研究[J]．地理与地理信息科学,2013(9):49-52

[8] 李林,程宇翔．智慧重庆地理编码系统研究与应用[J]．地理空间信息,2015,13(6):40-42

P208

B

1672-4623（2016）12-0007-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.12.003

李林，硕士，主要研究方向为智慧城市、大数据分析、文本挖掘、空间数据集成与共享等。

2016-09-06。

项目来源：重庆市科委重大应用开发计划资助项目（cstc2014yykfC0053）。