現在城市精細化管理技術體系研究

◎ 住房和城鄉建設部信息中心 郭理橋

一、引言

《國家信息化發展戰略（2006—2020年）》指出，“大力推進信息化，是覆蓋我國現代化建設全局的戰略舉措，是貫徹落實科學發展觀、全面建設小康社會、構建社會主義和諧社會和建設創新型國家的迫切需要和必然選擇。”

在我國快速城鎮化發展的經濟社會當前歷史階段，將現代工業化時代的精細化管理理念融入現代城市管理當中，遵守“注重細節、立足專業、科學量化”的原則，結合空間信息承載應用這一技術手段，通過“復雜事情簡單化，簡單事情流程化，流程事情定量化，定量事情信息化”的管理方法，實現現代城市精細化管理模式。本文在對現代城市精細化管理相關理論研究、關系梳理、明確方向的基礎上，開展現代城市精細化管理技術體系框架的研究，希望能符合我國當前城市管理現狀、問題、機遇和挑戰，利用信息化技術支撐中國特色的“城鎮化”道路更快、更好地發展。

二、現代城市精細化管理技術框架

“現代城市精細化管理框架”是按照“一體化平臺”的理念設計，即邏輯上是一個平臺（集中），但物理上是分散的、分布的。“統一”或“一體化”的概念是依靠標準化、規范化，實現可共享、可交換和可協同。

“空間信息承載應用”是以高分對地觀測數據為載體，融合各類矢量、業務、圖像以及視頻等數據的一種綜合應用模式，“空間信息承載應用框架”包括了空間信息承載應用平臺和空間信息承載應用系統這兩個重要組成部分。空間信息承載應用平臺是空間信息承載應用系統的支撐平臺，它提供了支撐應用的數據標準和目錄交換體系、海量數據存儲、各類數據服務和應用服務。空間信息承載應用系統是基于空間信息承載平臺開展的面向行業、城市、國家及公眾的各類應用。我們將“空間信息承載應用框架”結合城市精細化管理的專項應用領域，提出了“現代城市精細化管理框架”這一概念，其中“空間信息承載應用平臺”和“空間信息承載應用系統”仍然是這一體系框架的重要組成部分。

“現代城市精細化管理框架”包括了數據、平臺、應用三個要素。具有如下特點：

圖1 現代城市精細化管理框架

1、基于高分辨率對地觀測的高分數據、基礎地理空間和城市三維模型數據，通過整合各類業務數據，構建大型空間信息數據庫；

2、依托國家電子政務網，建立現代城市精細化管理空間信息承載服務平臺、空間信息目錄和交換平臺、空間信息數據倉庫等支撐軟件；

3、在城市規劃、城市建設、城市管理、決策支持、應急指揮、防災減災、城市經濟、城市人文等各行各業實現精細化管理的應用。

現代城市精細化管理項目的總體框架為數據層、平臺層、應用層三層架構，如圖1所示。數據層主要負責城市精細化管理的多源數據的獲取、處理、

圖2 空間信息目錄和交換體系架構圖

校正、生成、更新、維護、空間化以及規范化。平臺層主要從空間數據組織和管理、資源目錄體系、資源交換體系、承載服務應用等角度展開。平臺層是聯接數據層和應用層的中間關鍵層，既有數據采集、數據組織、數據加工等看不見的工作，又有數據呈現可視要求，而且還需要為各類應用系統提供地圖服務、數據服務、功能服務。應用層是基于“空間信息承載服務平臺”構建的各類面向行業、城市及國家具體業務應用的“空間信息承載應用系統”。

三、城市多源數據流式處理技術

城市多源高分數據流式處理技術主要包括對地觀測數據流式處理、空間矢量數據處理、三維模型數據處理、業務數據地理編碼及空間化處理、時空數據全生命周期管理等五大關鍵技術：

（一）對地觀測數據流式處理技術

以國產自主衛星數據為主、國外商業衛星數據為輔，建立面向建設行業和區域應用的對地觀測數據流式處理生產線，開發專用的核心算法部件，服務于現代城市精細化管理的廣泛需求。

（二）空間矢量數據處理技術

完成對歷史積累空間矢量數據的數字化，應用開發成熟的遙感信息提取識別技術，建立高分辨率對地觀測數據+數字化矢量數據的快速修測生產線，提高系統的綜合效益，滿足現代城市精細化管理的高時效性要求。

（三）三維模型數據處理技術

通過對局部地區的數據進行精細化的處理，構建局部地區的建筑物三維建模，植被三維建模，最終通過計算機圖形構成的三維數字模型，在地理空間框架上重現開放的、逼真的、互動的“虛擬環境”，實現對重點區域、核心工作區域的三維建模。

（四）城市其他數據采集處理

城市管理當中各政府部門的業務數據采集和交換是非常重要的，此類信息的采集處理主要通過現代城市精細化管理空間信息目錄和交換系統實現。

四、空間信息目錄交換協同技術

（一）目錄和交換體系架構

空間信息共享和服務體系結構如圖2所示。

1）目錄注冊系統：提供WFS、WMS或WCS等“功能服務目錄”注冊，對可交換的空間信息進行“交換服務目錄”注冊，對可共享的公共資源進行“公共資源目錄”；

2）目錄管理系統：對注冊的數據服務、交換服務和功能服務進行目錄的管理；

3）目錄發布系統：以UDDI或OGC CSW（元數據目錄服務）方式發布已注冊的目錄；

4）交換服務系統：采用集中式或分布式的方式，提供數據的共享交換服務。

（二）空間信息目錄服務系統

通過基于元數據的目錄服務系統所提供的目錄注冊服務、目錄管理服務和目錄發現服務，把數據和功能的提供者、管理者和使用者聯系起來，讓目錄服務系統成為三者的紐帶和橋梁，能夠充分發揮空間信息的資源，服務于城市精細化管理各項應用，形成基于空間信息提供和功能提供等的產業鏈。

1）空間數據注冊：高分數據以及基礎地理空間數據等注冊到目錄服務系統中，如果這些數據需要作為數據資源為發現者使用的話，還需要預先或者按需通過交換系統將各類數據傳輸到數據中心；

2）業務數據注冊：對空間數據進行提取，生產出批量可應用于業務應用的數據；另一方面政府部門各行業的業務應用系統作為重要的數據來源，提供城市中所需的公共或共享的業務數據；提供公眾服務的同時，也可以獲取到相關政府部門無法產生的數據，這些業務數據都可以注冊到目錄服務系統中。對于公共性的行業數據，可以預先通過交換系統傳送到數據中心，其他按需提供；

3）空間信息注冊：通過對空間數據、提取數據和業務數據等按照空間信息集成模型等方式進行組合，形成一體化的空間信息，屬于經過加工處理的數據資源，同樣可以注冊到目錄服務系統；

4）功能服務注冊：空間信息承載服務平臺中可以提供相關對空間信息的共享和應用的功能服務，各政府行業部門也可結合行業自身特點，提供相關服務并注冊到目錄服務系統中；另外一方面就是產業鏈上的企業，提供基于商業應用功能服務；

5）目錄管理服務：目錄管理者通過目錄管理服務管理提交的目錄注冊申請，審核驗證通過后，對政府專網內或者互聯網（可公開的服務）進行發布；

6）目錄發現服務：服務使用者通過目錄發現服務，利用各種方式獲取所需空間信息或功能服務。可按照數據集序列、數據分類、功能集序列、功能分類、關鍵詞、時間、空間（圖形方式）、組合（模糊）等方式發現所需服務。對于需要將數據進行本地利用的情況，可通過交換系統進行訂閱獲取，對于在線的數據或功能獲取，可以利用提供的地址實現數據和功能的遠程調用。

（三）空間信息交換服務系統

空間信息交換系統是依托國家電子政務網絡和電子政務信息安全基礎設施，為部門內、跨部門、跨地域空間信息資源交換與共享提供服務的系統。可提供多種交換模式，如：請求響應式、訂閱響應式、自動獲取式、集中獲取式、跨部門業務協同式等。

1）前置交換系統：指放在各部門機房的前置交換服務器和前置交換軟件；

2）中心交換系統：指通過交換域的中心交換系統進行信息中轉；

3）交換網絡：指基于電子政務網絡建立的具有安全保證的網絡；

4）共享信息庫：包括基礎庫、業務庫和服務庫等；

5）應用服務器：指完成工作流管理的工作流服務器，以及實現一般數據庫存取的應用服務器；

6）應用終端：指通過應用服務器存取共享信息。

五、空間信息時空數據組織技術

（一）時空數據組織模型

時空數據全生命周期組織和管理模型，是重點針對城市多源異構數據的組織、管理和維護，典型的數據有城市遙感影像數據、城市遙感POI數據、空間矢量數據、各類專題數據、三維模型數據、地理編碼數據、空間化的業務數據以及按照各類標準規劃化之后的數據等。

現代城市精細化管理空間信息承載服務平臺是基于時間和空間組織數據的，基礎空間數據采用基于分層（尺度和時間）組織的時空模型，動態數據采用“時間+屬性+空間”的事件模型。空間信息承載與可視化平臺是基于時間和空間組織數據的。而一般的時空數據組織模型包括：簡單時空數據模型、面向對象的時空數據模型、時間或過程模型等。圖3是建設行業的時空數據組織模型。

圖3 建設行業時空數據組織模型圖

（二）空間數據組織管理

考慮到空間基礎數據在空間上的連續分布的特點，承載平臺通過在以下幾個方面的努力來解決這些問題：

1）采用矢量柵格化解決分布式存儲帶來的矢量數據訪問效率問題；

2）采用“空間換時間”的優化方式，利用“分層、分級、分塊”的組織方式和多級緩存機制解決柵格數據的訪問效率問題；

3）采用統一的數據格式標準和地理編碼方案實現多尺度多源數據的融合，保證數據的完整性，滿足不同層面的應用需求。

（三）業務數據組織管理

人類活動信息的80%以上都與空間相關，它是信息資源中數量最大、最為重要的部分。因此，以統一的空間坐標為參照，實現城市業務信息資源的高度統一與整合就具備了現實可行性。

業務信息空間化處理系統通過城市地理空間編碼地址庫對其它的城市業務信息資源進行地理編碼，以對地觀測數據、空間矢量數據等城市基礎地理數據為基礎，疊加人口、社會經濟、行業應用和政務等專題信息，實現非空間數據空間化，從而使業務信息具備了在空間信息承載服務平臺上顯示、編輯、操作和進行生命周期管理的條件。

（四）實時數據組織管理

在動態數據的組織和管理中，空間信息承載服務平臺采用了如下的解決方案：

1）將“時間，空間、屬性”融合為一個實體對象——“事件”；

2）引入生命周期的概念。

（五）歷史數據組織管理

現狀數據和歷史數據的組織基于現狀數據和歷史數據的變化情況和便于管理的目的，在數據管理中，可以將數據分為兩個部分，除現勢數據外，其他的所有歷史數據都存儲在同一個數據庫中。當現勢數據變更時，更新實體的時間標志，將其存入歷史數據庫中，同時并不刪除舊的歷史數據，實現歷史數據的增量存儲。這樣，現勢數據和歷史數據共同組成了所有時段的空間和業務信息，并且數據是無冗余的。當要查看某一給定時間的歷史數據情況時，可以通過給定時間條件，疊加現狀數據和歷史數據，得到完整的特定時間的地理空間圖。

六、空間信息數據倉庫建設技術

現代城市精細化管理空間信息基礎數據庫、業務數據庫建設完成后，形成具有“面向主題的、集成的、當前或接近當前的、不斷變化的”的特性的數據，其中包括了柵格（高分）、矢量（大比例尺）、模型、數碼（視頻）、文檔、其他屬性數據、專題數據、知識數據等各類型的數據，這些數據量匯聚起來是海量的，而且有一個很重要的時間維度，隨著時間的遷移，空間信息承載服務平臺的數據中心要存儲大量的歷史空間數據、業務屬性數據，這些海量的、歷史的數據需要利用數據倉庫進行有效管理。

數據倉庫是一個“面向主題的、集成的、非易失的，隨時間變化的用來支持管理人員決策的”數據集合，非常適合空間信息時空數據組織模型的實現。

數據倉庫中數據存在著不同細節級：早期細節級（通常是存儲在備用海量存儲器上）、當前細節級、輕度綜合數據級（數據集市級）以及高度綜合數據級。數據是由操作型環境導入數據倉庫。相當數據量的數據轉換通常發生在數據由操作層向數據倉庫層傳輸的過程中。一旦數據過期，就有當前細節級進入早期細節級。綜合后的數據由當前細節級進入輕度綜合數據級，然后由輕度綜合數據級進入高度綜合數據級。

數據倉庫的第一個特點是面向主題（Subject Oriented）的數據集合，而操作型環境的數據庫系統是面向應用進行組織的。

數據倉庫的第二個顯著特點是它是集成(Integrated) 的數據集合。在數據倉庫的所有特性之中，這是最重要的。數據倉庫中的數據是從多個不同的數據源傳送來的。當這些數據進入數據倉庫時，就進行轉換，重新格式化，重新排列以及匯總等操作。得到的結果就是只要是存在于數據倉庫中的數據就具有單一物理映像。

數據倉庫的第三個重要特性是數據倉庫是非易失(Nonvolatile)的數據集合。對操作型數據的訪問和處理，一般按一次一條記錄的方式進行。操作型環境中的數據必然是要更新的，但數據倉庫中的數據呈現出一組非常不同的特性。數據倉庫的數據通常是以批量方式載入與訪問的，但在數據倉庫環境中并不進行一般意義上的數據更新。數據倉

圖4 空間信息應用和數據倉庫系統關系圖

庫中的數據在進行裝載時是以靜態快照的格式進行的。當產生后繼變化時，一個新的快照記錄就會被寫入數據倉庫。這樣在數據倉庫中就保存了數據的歷史狀況。

數據倉庫的最后一個顯著特性是它是隨時間變化(Time Variant) 的數據集合。時變性的意思是說數據倉庫中的每個數據單元都只是在某一時間是準確的。在一些情況下，記錄中加有時戳，而在另外一些情況下記錄則包含一個事務的時間。總之任何情況下記錄都包含某種形式的時間標志用以說明數據在哪一時間是準確的。

總的來說數據倉庫是：集成的數據，從時間的角度，不可更新，只能加載，非聯機訪問，只能批處理，面向主題，不同層次的粒度，可以包含外部數據，非冗余，關于時間的細節數據，有時稱為“原子”數據。利用數據倉庫建庫技術，結合空間信息時空數據組織模型，將現代城市精細化管理的數據進行有效組織，支持后續高層次的服務數據庫建設，如圖4所示。

七、空間信息承載與可視化技術

現代城市精細化管理空間信息承載服務平臺可以分為處于后臺的數據服務和處于前臺的數據可視化兩個部分。后臺數據承載服務的基本任務就是向業務應用系統提供高效、健壯的數據服務；前臺的數據可視化的核心任務則是實現終端用戶對業務應用相關支持數據的有效交互和操控，由此實現整個平臺對承載的應用系統的全面支持。空間信息承載與可視結構如圖5所示。

1、數據承載體系結構

對于數據服務部分，要求平臺便于容納不同類型、不同來源的數據，便于構造不同規模的系統，能夠有效地整合其他分系統提供的數據，能夠有效地解決歷史數據的使用問題，因而采用分布式服務的方式構造平臺后臺數據服務框架，其中的數據服務標準接口對具體數據的格式和訪問方式進行了約束，屏蔽了數據提供者和數據消費者雙方的實現細節，在技術層面上實現了不同部分間的松耦合。

2、數據可視化體系結構

對于數據可視化部分，由于數據的多樣性，關注的不僅僅是不同數據的存取方法和顯示方法，重要的是解決數據在可視化過程中的關聯問題，也就是要實現具有內在邏輯組織的多類型數據的可視化。展示方式的多樣性是應用需求多樣性在這個平臺的一種具體體現。不但要提供基本的2D展示方式、3D展示方式、比對展示方式和動態展示方式等，還要隨業務過程的升級改造提供全新的展示方式。針對數據的交互操作既包含了數據的瀏覽操作，也包含了數據的查詢檢索操作。高可用性的瀏覽和檢索方式要求直接針對具體的應用開發，這就導致了對交互操作方式的多樣性要求和可擴展性要求。

八、空間信息應用服務門戶技術

基于高分對地觀測數據，將現代城市精細化管理相關應用、空間數據、業務數據和服務資源在一個統一的門戶上進行展示和服務。物理分散在各個城市中的數據、服務通過全國城市精細化管理空間信息承載服務平臺匯聚到空間信息應用服務門戶，管理組織好這些數據和服務，協調好這些數據和服務的各類使用，是空間信息應用服務門戶的主要工作，因此，空間信息應用服務門戶的建設工作從以下幾個方面開展：

1、統一授權認證管理：利用現代城市精細化管理信息安全保障建設的相關內容，研究統一授權認證在空間信息應用服務門戶應用的集成，為門戶內信息和服務的使用提供統一、安全的身份認證，并開放相關接口，滿足各類接入服務的身份驗證調用，實現單點登錄。

2、資源訪問權限管理：研究建立空間信息應用服務門戶基于“用戶-角色-資源”的統一權限管理系統，實現控制每個用戶或角色對門戶內每條信息或每項服務的訪問權限。

3、信息安全監控管理：利用現代城市精細化管理信息安全保障建設研究的相關成果，研究空間信息應用服務門戶的安全保障集成，打造一個安全有保障的門戶。

圖5 空間信息承載與可視結構

4、城市數據/服務資源目錄查詢：利用現代城市精細化管理空間信息承載服務平臺研究的相關成果，研究空間信息應用服務門戶的城市數據/服務資源目錄查詢集成，加強門戶的查詢功能。

5、組件式應用集成：利用現代城市精細化管理指標體系及標準規范研究的相關成果，研究空間信息應用服務門戶的組件集成，使現代城市精細化管理的各項應用可以持續不斷地集成到門戶上。

九、結束語

現代城市精細化管理是一項復雜的系統性工程，其實施過程中涉及的技術領域非常廣泛；而且，我們也要清醒的認識到技術是一個發展的過程，隨著精細化管理的不斷深化、完善，會應用到不同的技術。今天的技術，明天可能過時，今天不可能的技術，明天可能得到廣泛的應用；因此，現代城市精細化管理技術體系的研究也是一個不斷發展和完善的過程。