智慧徐州時空信息服務模型研究

黃 強，王亞軍，楚 亮，王守東

（1.徐州市國土資源局，江蘇 徐州 221000；2.武大吉奧信息技術有限公司，湖北 武漢430223）

徐州作為全國的老工業基地和江蘇省的農業大市，雖然在“十一五”和“十二五”初期迎來了經濟社會的快速發展，但發展中暴露出的一些問題仍不容忽視。例如，產業結構偏重，轉型升級任務艱巨；信息化水平相對滯后，城鄉發展不均衡；政務協同缺乏支撐，管理服務有待升級；基礎網絡亟需完善，數據資源散落孤立等，在新的歷史時期，這些問題將制約徐州市的跨越發展。信息技術的成熟，特別是智慧城市的建設，為解決這些問題提供了可行的辦法，是解決人口、資源、環境、經濟等問題的良藥[1]。

智慧徐州時空信息基礎設施和時空大數據庫建設是數字徐州地理空間框架的升級和提檔，是智慧徐州建設的重要組成部分和基礎內容。它構建了統一的多尺度、多類型、多時態的全市時空信息融合服務平臺，為全市60多個部門300多個應用系統提供了時空信息服務，促進了區域內各部門信息資源的匯聚以及共享共用，夯實了智慧徐州數據基礎。

1 智慧徐州時空大數據體系

1.1 時空大數據的涵義

互聯網、物聯網技術的發展以及各種傳感器的應用，使得獲取的描述自然和人類活動的數據量與日俱增，呈現海量性、動態性等特點。其中用于表達地理客觀世界，與時空位置有關的各種實體和過程狀態數據稱為時空大數據，包括地理實體對象、過程、事件在空間、時間、語義等方面的關聯關系[2]，具有多維度、動態、多尺度、多源、多類型等特性[3-4]。

1.2 時空大數據庫體系

在北斗時空基準下，借助互聯網、云計算、物聯網等信息技術，實時接入動態感知信息，以位置服務為紐帶，聚合時間和空間要素，形成時空信息。其主要包括矢量、影像、高程、地名地址、電子地圖、實景三維、公交、路網、物聯網節點和專題、圖文以及視頻等數據。時空大數據庫可分為時空信息框架數據庫、政務時空信息數據庫和公眾時空信息數據庫。智慧徐州時空大數據庫體系結構見圖1。

圖1 智慧徐州時空大數據庫體系結構

1）時空信息框架數據庫，是在基礎地理信息數據庫的基礎上，通過對數據的進一步加工整理而建成的面向對象、結構化并適于網絡表達的數據庫。該數據庫全面對接徐州市資源目錄，并按類進行分層。

2）政務時空信息數據庫，是對基礎數據和業務專題數據進行一定的數據抽取、處理和建庫后形成的數據庫。其存儲的數據可分為3大類：①基礎數據，主要包括地理實體、電子地圖、地名POI、三維模型發布數據、可量測實景影像發布數據、公交數據、路網數據、元數據等；②各委辦局存儲的業務專題數據，主要包括空間數據和非空間數據，如人口、法人、宏觀經濟、城鄉規劃和國土資源等；③地理空間數據、物聯網傳感器數據和應用專題數據，這些數據通過數據接入、抽取、清洗、轉換等流程實現對各委辦局業務專題數據（空間和非空間數據）、物聯網傳感器數據（空間數據和非結構化數據）和外部系統各種數據的抽取，融合形成智慧時空信息數據成果，以及整個服務平臺對外共享、交換、發布的服務、數據、應用的元數據。

3）公眾時空信息數據庫，是在政務時空信息數據庫的基礎上，通過綜合、建庫處理形成的，可供行業部門以及社會公眾共享的非涉密數據庫。數據庫中主要包括地理實體、電子地圖、地名POI、可量測實景影像發布數據、公交數據、路網數據、元數據等。

1.3 時空大數據的組織與管理

以地理實體為基本單元，整合人口、法人、空間地理、宏觀經濟、信用和專題政務信息等基礎性信息資源，融合各行業對空間管理對象的表達與分類標準，對現實地理對象進行分類，賦予唯一的地理實體編碼，進行全生命周期的管理。數據組織模式見圖2。

圖2 基于地理實體構建的時空大數據組織模式

在多時態矢量要素數據庫中，為提高數據庫訪問效率，將當前數據與歷史數據分開存放，即分為歷史空間數據庫和當前空間數據庫。歷史空間數據庫記錄現實世界中的對象在有效時間軸上的一系列狀態變化（有效時間是指對象的生命周期）；當前空間數據庫中存儲最新基態數據，在歷史空間數據庫中保存歷史基態數據序列。以基態數據為參照記錄存儲歷史數據，每一個基態數據對應一個歷史數據圖層，存儲該基態與前一基態之間的變化數據對象（基態由基態數據圖層和變化數據圖層兩部分組成）。

當要素的空間或屬性數據發生變化，需要更新數據時，若是局部范圍、部分要素更新，則將新的數據增量更新到當前最新基態數據庫，被更新的矢量要素數據轉存到相應的歷史數據圖層；若是大范圍、全要素的更新，則將新數據完全替代當前基態數據，原來的數據就變為歷史基態數據轉移到歷史數據庫中。

2 智慧徐州時空信息服務模型

2.1 多源異構時空數據的融合與管理

大部分數據都與空間位置相關，通過空間位置關聯能夠建立能源、環保、醫療、物流、交通、城市安全等數據的多層次多元信息融合框架和融合服務模型，實現對異構數據快速、高效的融合和空間挖掘。如圖3所示，首先以空間基礎數據、空間社交網絡、城市網格化社會創新管理、國土資源土地調查與利用、實時交通與環境、以及基于遙感、物聯網獲取的觀測數據等為基礎，形成綜合空間結構、拓撲、層次關系的多源數據時空關聯模型；然后基于空間位置的多源異構信息融合服務接口和網絡實現機制，實現對多源數據快速、高效的融合處理；最后利用可擴展的高效分布式時空數據存儲與管理技術，通過時空數據庫訪問接口和面向應用主題的共享與數據交換模型，實現時空、專題和動態的多維度聯合查詢和時空特征的數據分析。

圖3 基于空間位置的多源異構數據融合與管理

2.2 服務協同理論驅動的多源異構時空信息融合服務模型

目前，國內時空信息云平臺的建設沒有統一的標準規范，各城市使用的軟件也不相同（GeoGlobe、NewMapGIS、ArcGIS和Skyline等），形成了眾多互相隔離的信息孤島，導致時空信息服務的用戶范圍狹窄、接口無法完全兼容、功能難以有效協同，制約了時空信息服務的專業化縱向突破與平民化橫向拓展。

本文在研究多源異構時空數據融合方法的基礎上，提出了服務協同理論驅動的多源異構時空信息融合服務模型，以空間位置關聯為基礎，根據大部分數據都與空間位置相關的共性，建立能源、環保、醫療、物流、交通、城市安全等數據多層次多元信息融合框架和融合服務模型，實現對異構數據快速、高效的融合和空間挖掘。如圖4所示，采用“集中注冊—統一運維—全面監控”的異構服務協同管理機制，突破了服務接口統一、數據模型轉換、空間編碼匹配、服務質量管控、服務檢索和推薦等關鍵技術，實現了不同級別、不同架構時空信息云平臺服務的互聯互通和時空信息資源的統籌利用。

圖4 多源異構時空信息融合服務模型

1）服務的統一化注冊運維。通過異構方式，分析各種服務的接入形式，以資源的方式管理服務信息。

2）服務的統一化代理與控制。代理控制通過反向代理機制，為各種服務提供統一的代理接口，同時在代理接口中分析不同的服務使用方式，針對服務的共性與特性進行服務使用的權限控制。

3）服務的統一化監控與統計。利用代理控制的統一管理入口、插入服務的統計與監控接口，實時記錄服務的請求、響應次數以及流量等信息，以分析服務的健康度和效率。

智慧徐州時空信息云平臺通過平臺門戶統一對外提供服務（圖5）。平臺采用J2EE體系框架，支持對輕量級數據源、關系型數據庫、分布式數據庫（不包含矢量）等多種數據源的訪問，并能通過瀏覽器中的訪問服務管理頁面完成對應用服務器上服務的創建、配置、監控、授權等運維管理功能。一般用戶可直接調用通用平臺，享受在線地圖服務；個性用戶可在線向云平臺提出需求，如關鍵字、核心詞、自然語言描述和語音等，云服務系統實時偵測后進行規范處理，并驅動應用需求知識庫和資源特征庫實施模糊匹配，自動選取符合要求的數據服務、基礎設施服務以及軟件服務，并將功能與服務集成為個性化的專業平臺，寄存在相應邏輯區，在線提供服務；任務用戶可在線自定義流程，享受數據處理服務，如自動制圖、地理編碼等；開發用戶可在線調用服務接口和應用開發接口，甚至智能裝配。

圖5 時空信息數據服務流程圖

3 智慧徐州時空信息云平臺應用模式

智慧徐州時空信息云平臺應用模式可分為在線服務與前置服務系統兩種。服務模式以按需服務為核心，在線服務主要通過互聯網、政務內網將平臺的數據、服務、應用提供給用戶使用，包括軟件即服務、平臺即服務、數據即服務3種模式；當用戶的系統應用環境需保密或網絡不通暢時，則可采取前置服務系統進行服務應用[5-7]。

1）軟件即服務。用戶可通過資源訂閱對資源中心的數據、服務、應用進行使用申請，通過網絡即可獲得軟件服務。

2）平臺即服務。不僅平臺的建設者可在平臺上部署、公開、授權使用數據與服務，平臺中其他委辦局用戶也可租用平臺環境上傳、發布自己的數據，利用平臺的二次開發功能定制需要的服務功能或應用系統。

3）數據即服務。時空數據成果按應用專題進行目錄化組織、公開，并通知給平臺中的所有用戶。用戶無需考慮這些數據的來源，直接按需對數據進行訂閱、使用即可。

4）前置服務系統。通過前置服務系統可快速復制平臺中的數據和服務，以離線的方式向相關行業提供地理信息服務，完善平臺的整套服務體系。

4 結 語

智慧徐州時空大數據庫是智慧徐州的信息資源集散地，融合人口、法人、空間地理、宏觀經濟和信用等基礎信息資源，構建了多源異構時空信息融合服務模型，以智慧時空信息云平臺為信息資源匯聚、共享、交換的橋梁，建立經濟社會、自然資源等信息匯集、管理、服務以及大數據分析的信息資源庫和應用服務平臺，為徐州市的新型智慧城市建設提供核心基礎支撐。

[1] 楊瑛.新標準觀指引下的智慧城市頂層設計[J].電子政務,2016(3):27-34

[2] 李德仁,馬軍,邵振峰.論時空大數據及其應用[J].衛星應用,2015(9):7-11

[3] 李德仁,苗前軍,邵振峰.信息化測繪體系的定位與框架[J].武漢大學學報(信息科學版),2007,32(3):189-192

[4] LI W W, YANG C W, YANG C J. An Active Crawler for Discovering Geospatial Web Services and Their Distribution Pattern:a Case Study of OGC Web Map Service[J].International Journal of Geographical Information Science,2010,24(8):1 127-1 147

[5] 李維森.數字中國的建設與智慧城市的探索[J].地理信息世界,2013(2):1-5

[6] 李成名,劉曉麗,印潔,等.數字城市到智慧城市的思考與探索[J].測繪通報,2013,15(3):1-3

[7] 李成名,李兵.從數字城市走向智慧城市[J].地理空間信息,2013,11(增刊):8-10