智慧城市綜合信息分析系統的設計與實現

趙 元，彭 玲，池天河，楊麗娜，姚曉婧

(1.中國科學院遙感與數字地球研究所，北京 100101；2.中國科學院北京國家技術轉移中心，北京 100086；3.中國科學院大學，北京 100049)

智慧城市綜合信息分析系統的設計與實現

趙 元1，3，彭 玲1，2，池天河1，楊麗娜1，姚曉婧1

(1.中國科學院遙感與數字地球研究所，北京 100101；2.中國科學院北京國家技術轉移中心，北京 100086；3.中國科學院大學，北京 100049)

基于從數字城市到智慧城市的發(fā)展背景，針對從數據單純共享到數據整合分析的需求轉變，站在數據資源整合和綜合信息分析的角度，對智慧城市綜合信息分析系統的技術特征進行了分析；重點探討了城市級時空綜合數據模型、多源異構數據融合、存儲及動態(tài)更新、城市級空間全要素編碼、多層級城市綜合信息展示與分析等關鍵技術的研究內容和方向；闡述了系統的體系架構、總體技術路線，以及在中新天津生態(tài)城的實際建設與應用情況。

智慧城市；空間地理信息；空間信息平臺；多源異構數據融合；綜合分析

一、引 言

隨著物聯網、云計算、新一代移動寬帶網絡等技術的迅速發(fā)展和深入應用，信息化向更高階段的智慧化發(fā)展，“智慧城市”的概念迅速崛起并快速發(fā)展。建立以基礎地理空間數據為載體，融合業(yè)務專題數據，依托互聯網為社會公眾、政府部門及企事業(yè)單位等提供查詢、分析、輔助決策等服務的智慧城市公共信息平臺是構建智慧城市的基礎和框架[1]。以地理空間框架為基礎的數字城市建設極大地促進了城市數據資源的集成、開發(fā)和利用[2]，然而，如何更全面地融合城市空間內的異構多源信息，在共享的基礎上深入挖掘城市綜合信息中蘊含的發(fā)展模式、變化趨勢等決策價值，是智慧城市建設中面臨的核心挑戰(zhàn)。

針對上述趨勢和挑戰(zhàn)，本文站在數據資源整合和綜合信息分析的角度，對架構在智慧城市公共信息平臺基礎上的智慧城市綜合信息分析系統(以下簡稱“綜合信息分析系統”)的框架進行設計，討論相關關鍵技術的主要研究方向和研究內容，并以中新天津生態(tài)城為例，探討城市級綜合信息分析系統的實際建設問題。

二、系統總體框架設計

系統從邏輯結構上分為6層：感知層、網絡層、數據層、平臺層、應用層、用戶層，如圖1所示。感知層是物聯網的終端層，包括二維碼標簽和識讀器、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS、傳感器網絡等感知終端，主要是識別物體和采集信息的作用[3]；網絡層承擔信息傳輸的工作，包括通信網、移動網、互聯網、物聯網等；數據層融合終端采集的數據及與業(yè)務系統對接的數據，對數據進行清洗、檢查等，并關聯基礎地理空間數據，為應用層進行智能化分析提供數據基礎；平臺層實現對數據的目錄提取與管理，針對服務的審批與發(fā)布進行統一管理，并維護整體系統運行；應用層整合各方面信息進行數據挖掘、智能化分析，并將結果與空間數據可視化結合，為用戶提供有效決策輔助信息。

三、系統建設關鍵技術

數據來源的廣泛性直接決定了數據綜合分析決策支持的有效性[4]，綜合信息分析系統的生命力來源于各種空間數據與業(yè)務信息數據，系統需要對資源進行全面整合與深入分析，才能實現信息共享與挖掘，主要包括城市級時空綜合數據模型，多源異構數據融合、存儲及動態(tài)更新，城市全要素編碼與自動尋址，多層級城市綜合信息分析等關鍵技術。

1.城市級時空綜合數據模型

城市內要素和事件具有明顯的空間特征和時間特征，智慧城市的建設與管理亟須一種能夠融合全面信息，立體表達時間、空間特征，體現事物空間相關性及時間變化特性，符合人類認知的數據模型。本文提出從多尺度、多時態(tài)、多維度、多專題四維角度建立城市級時空綜合數據概念模型，如圖2所示。空間尺度方面，對城市區(qū)域進行不規(guī)則多級劃分，利用多尺度建立地理要素空間上的嵌套關系；時間尺度方面，建立以空間要素為單元，以時間為記錄節(jié)點的變化關系，體現空間要素時序上的變化；綜合信息方面，整合多維度地理空間、多源異構業(yè)務專題數據，進行數據清洗、融合、共享、分析，建立多源信息采集路徑及多專題信息服務提供。

圖1 系統總體框架圖

圖2 城市級時空綜合數據概念模型

2.多源異構數據融合、存儲及動態(tài)更新

在實際建設應用中，為實現城市級時空綜合數據庫，面臨著3個挑戰(zhàn)：①政府各部門獨立建設的數據管理系統，其數據類型、數據組織、存儲方式、平臺構建等都不盡相同[5]，必須對這些混亂的信息源進行清洗、重組融合，獲取所需“純凈”信息[6]并提煉升華為能夠支持決策的“知識”。②城市的全面感知隨著物聯網技術的發(fā)展全面鋪開，同時文本、音頻、圖像、動畫、視頻等新的數據形式也逐漸被重視起來。這些分散異構、大數據量的非結構化數據，對數據管理、存儲、傳輸與共享提出了新的挑戰(zhàn)[7]。③數據是公共信息平臺的“血液”，而數據的現勢性則是平臺的“生命”[7]，是平臺持續(xù)發(fā)揮作用的保障。需要針對不同特點的數據制定長期有效的數據更新機制，包括更新責任歸屬、更新周期、數據更新質量檢查、安全控制、歷史數據管理等機制問題[8]。

系統構建基于數據中心模式的分布式異構數據庫，融合數據中心集中管理、分布式數據庫易于擴展的優(yōu)點，利用多個分中心實現與異構業(yè)務系統數據庫的無縫銜接，進行數據的抽取、審查、清洗、編碼預處理等。系統初始對接時確定每項數據的更新方式、更新頻率等，流程確認后系統定期對數據進行更新維護；利用主中心建立統一多層級數據目錄和管理平臺，統一空間坐標系和數據編碼，實現空間基礎數據與非空間數據關聯集中管理，與分中心進行核心數據的交換并冗余存儲，提高數據服務的性能。系統利用元數據與數據日志記錄數據的屬性、更新參數、審批參數及歷史更新狀態(tài)，全程記錄和監(jiān)控數據全生命周期，保證數據表的一致性和準確性。

3.城市級空間全要素編碼

城市地理空間信息是其他各領域信息存儲、管理、分析的基礎，為實現人口、經濟、交通、規(guī)劃、環(huán)保等專題數據的深層次泛在融合，需要突破常規(guī)的基于規(guī)則格網(如四叉樹)進行空間剖分的方法，采用具有自然語義的不規(guī)則空間格網進行地理空間多層次剖分，增加剖分空間與實體目標間映射對應的適應性[9]，形成可以滿足多尺度應用需求的城市級空間全要素編碼。

本文提出前段分類識別碼、中段空間定位碼和后段順序碼組合的城市級空間全要素編碼模型。前段分類編碼參考《基礎地理信息要素分類與代碼》(GB/T 13923—2006)[10]標準，包括大類、中類、小類、子類碼，用于識別編碼類別(地理實體、業(yè)務實體)；中段空間定位碼結合地理實體的自然屬性與管理屬性，按照“省級行政區(qū)—市級行政區(qū)—區(qū)(縣)級行政區(qū)—街道級行政區(qū)—社區(qū)—管理單元—地塊—建筑”8個尺度，將城市地理空間進行剖分，構造出唯一且統一的空間層級編碼；后段順序碼主要起同類別、同屬空間位置要素的順序標識作用。該模型具有統一性、可推廣性及可擴展性。基于空間全要素編碼，開發(fā)智能化的自動尋址引擎，提出基于全文檢索技術構造地址匹配引擎的思路，實現非空間數據的自動尋址定位關聯、數據空間化、融合的自動化和智能化。

4.多層級城市綜合信息展示與分析

對綜合數據庫中集成的數據進行基于業(yè)務模型、專家知識、地理規(guī)則的分析，成為能夠支持決策的“智慧”是綜合分析系統的最終目的。因此，以地理空間信息為核心，突破城市內部行業(yè)壁壘，將專題信息集中展現，綜合利用各種技術手段進行數據挖掘，分析數據間關系，提取事件發(fā)生的空間模式等是綜合信息分析系統的核心。

對城市綜合信息的分析應具備面向多用戶、多尺度分析、多展示維度、多時態(tài)對比、多相關專題等特征。面向多用戶是指系統面向不同用戶需求提供不同功能，面向領導提供行業(yè)結果性、綜合性數據，輔助管理決策；面向公眾提供居住、交通、購物類的便民信息；面向業(yè)務人員提供跨部門的共用數據，實現信息共享互用。多尺度分析是指在基于地理空間進行業(yè)務信息分析時，智能識別地圖尺度級別并進行統計與分析，實現統計分析的精細定位及粒度控制。多展示維度是指系統支持對地理空間信息的多維度展示，包括二維、2.5維、三維地圖、遙感影像等，多角度全面展示城市地理空間，支撐各類信息的疊加與動態(tài)展現。多時態(tài)對比主要指不同時間的多期遙感衛(wèi)星/航攝影像進行對比分析，直觀清晰地為用戶展示城市建設的變化信息。多相關專題是指系統支持展示跨部門、跨業(yè)務的相關專題信息，并進行綜合分析，體現相關專題之間的相關關系。

四、系統建設與實現

基于以上設計思路，以Oracle與ArcSDE結合作為海量數據的存儲基礎，系統整體采用B/S框架，結合Flex與Java開發(fā)語言在中新生態(tài)城公共信息平臺的基礎上研發(fā)了智慧城市綜合信息分析系統，實現了城市級別數據資源的匯集、共享、整合、展示、分析，為公眾提供便民服務、為業(yè)務人員提供統一查詢、為政府提供管理決策支持。

前臺數據分析與展示功能應用ArcGIS API for JavaScript和ArcGIS API for Flex等前端應用編程接口，通過Java編寫的Web Services實現前臺界面和數據庫的交互。地圖服務應用ArcGIS Server發(fā)布，并供前臺系統調用，對SOM和SOC采用分布式部署方式，將負載分攤到多個服務器上，以確保地理信息服務質量與響應效率。

1.數據建設

基于中新天津生態(tài)城建設局、環(huán)境局、經濟局、城管大隊、投資公司(企業(yè))等單位共享的地理空間數據及業(yè)務數據，進行逐項梳理，結合國家標準，形成適用于生態(tài)城的智慧城市數據體系，構建以基礎地理空間數據庫、專業(yè)共享數據庫、地名地址數據庫、編碼數據庫、元數據庫等為主的城市級全要素數據倉庫，對數據的匯交方式及更新機制進行系統定制化，在系統層面實現數據的自動更新，保證前端系統應用中的數據“鮮活”。

2.系統主要功能

系統主要功能包括：①多維數據展示，支持二維電子地圖、多期遙感衛(wèi)星影像、2.5維地圖數據、三維模型場景數據、實景GIS影像等；②公眾服務，系統為公眾用戶提供基礎地圖瀏覽，餐飲、購物、賓館、教育、醫(yī)療等POI點查詢定位，交通路線查詢等便民功能(如圖3所示)，并將此部分功能同步移植至移動終端(手機/PAD)上，更加便捷；③多指標監(jiān)測，系統將終端傳感器傳回的空氣、水質等監(jiān)測值，以及視頻流等，利用監(jiān)測點位置進行定位，在地圖上對監(jiān)測指標實時顯示，實現業(yè)務化信息實時上圖、圖文互查和聯動，突破原有二維表格死板化的辦公模式，提高辦公效率(如圖4所示)；④多尺度分析，綜合地理實體的自然屬性與管理屬性，將地理區(qū)域不規(guī)則剖分為“生態(tài)城全區(qū)—片區(qū)—街區(qū)—細胞—地塊—建筑”6個尺度，查詢進行時只對選中尺度內的信息進行分析，細化了空間統計分析的粒度和精確度，有效支持領導決策；⑤全庫搜索，系統對各業(yè)務部門提供的文檔、圖片等非空間和非結構化數據進行梳理，分類整理并構建索引，實現基于關鍵詞的綜合數據庫范圍內的全庫搜索，并將搜索記錄與空間位置進行關聯，實現各項業(yè)務數據的屬性與空間信息互聯搜索查詢。

圖3 公眾服務功能主界面

圖4 視頻監(jiān)控界面

五、結束語

在數字城市向智慧城市跨越發(fā)展的背景下，在城市多源數據從簡單共享轉變?yōu)槿诤戏治龅男枨髮蛳拢疚奶岢隽酥腔鄢鞘芯C合信息分析系統建設的體系架構，從數據資源整合與綜合信息分析角度探討了時空數據模型、全要素編碼、多源異構數據融合存儲及動態(tài)更新、多層級綜合信息分析等關鍵技術，為城市綜合信息分析、政府決策支持與公眾服務提供了可行思路。該系統已經在中新天津生態(tài)城實現，為下一步實現智慧城市智能分析、預測決策奠定了良好基礎。

[1] 余真.基于ArcGIS Server的城市空間信息共享平臺框架研究[D].長沙：中南大學，2012.

[2] 郭仁忠，張燕平，杜清運，等.數字地理空間框架的科學內涵和發(fā)展特征[J].地理信息世界，2010，8(5)：29-33.

[3] 貝葉斯咨詢，閆成印.物聯網帶動大數據發(fā)展[J].互聯網天地，2012(11)：29-31.

[4] 張煒，戈權民，施展，等.基于數據資源整合的公路網綜合分析決策系統[J].湖南工程學院學報：自然科學版，2013，23(2)：73-76.

[5] 郭仁忠，劉江濤，彭子鳳，等.開放式空間基礎信息平臺的發(fā)展特征與技術內涵[J].測繪學報，2012，41 (3)：323-326.

[6] 孫鴻飛，武慧娟.信息系統中基于數據倉庫技術的異構數據源的集成策略[J].現代情報，2006，5(5)：43-45.

[7] 陳軍，王春卿.關于科學數據共享機制的思考[J].中國基礎科學，2003(l)：40-43.

[8] 白易，城市地理空間數據更新機制和流程探究[J].地理空間信息，2011，9(1)：63-66.

[9] 劉一，彭子鳳，劉江濤.智慧型空間信息平臺關鍵技術及智慧深圳探索[J].測繪通報，2013(6)：78-81.

[10] 國家測繪局.GB/T 13923—2006基礎地理信息要素分類與代碼[S].北京：中國標準出版社，2006.

Design and Implementation of Smart City Integrated Information Analysis System

ZHAO Yuan，PENG Ling，CHI Tianhe，YANG Lina，YAO Xiaojing

P208

B

0494-0911(2014)11-0116-04

2013-11-04

國家科技部政策引導類項目(2011FU125Z24)；國家自然科學基金青年科學基金(41201397)

趙 元(1990—)，女，黑龍江鶴崗人，碩士生，主要研究領域為智慧城市公共信息共享平臺技術研究與應用。

彭 玲

趙元，彭玲，池天河，等.智慧城市綜合信息分析系統的設計與實現[J].測繪通報，2014(11)：116-119.

10.13474/j.cnki.11-2246. 2014.0378