智慧城市時空基礎設施建設思考

● 文 | .中國測繪科學研究院 .中國測繪科學研究院地圖學與地理信息系統研究所 李成名 劉曉麗

智慧城市是運用物聯網、云計算、大數據、地理信息集成等新一代信息技術，促進城市規劃、建設、管理和服務智慧化的新理念和新模式。建設智慧城市，已經成為破解城市發展難題、提升城市治理能力現代化、轉變經濟社會發展方式和城市科學發展的方向選擇[1]。2015年，習近平總書記在中央城市工作會議上提出，要“著力打造智慧城市，推動城鎮常住人口基本公共服務均等化，加強城市管理?！?016年，《中共中央國務院關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》中要求，要“推進城市智慧管理。到2020年，建成一批特色鮮明的智慧城市?！秉h的十九大報告中明確提出，要建設“數字中國、智慧社會”。

智慧城市建設是一項復雜的系統工程，其涉及到城市建設的方方面面，涵蓋了社會和生活幾乎所有的范疇[2-5]。在這其中，時空信息作為承載和整合城市其他各類信息的基礎信息資源，是智慧城市整體框架中一項基礎性、根本性、不可缺少的基礎設施，稱其為時空基礎設施，在智慧城市建設中發揮著舉足輕重的作用。

一、概念與定位

時空基礎設施是指具有時間和空間特征的基礎地理信息、公共管理與公共服務涉及的專題信息，及其采集、感知、存儲、處理、共享、集成、挖掘分析、泛在服務所涉及的政策、標準、技術、機制等支撐環境和運行環境的總稱。其中，時空基礎設施的構成包括時空基準、時空大數據、時空信息云平臺和支撐環境，核心內容是時空大數據和時空信息云平臺。

時空基礎設施作為智慧城市的重要組成，既是智慧城市不可或缺的、基礎性的信息資源，又是其他信息交換共享與協同應用的載體，為其他信息在三維空間和時間交織構成的四維環境中提供時空基礎，實現基于統一時空基礎下的規劃、布局、分析和決策。

時空基礎設施內容在智慧城市總體架構中的位置分別是：時空大數據蘊含在公共數據庫層，是政務數據、民務數據、運營數據和感知數據時空化的基礎；時空信息云平臺是公共信息平臺層的重要組成，是支撐其他專題平臺的基礎性平臺；支撐環境中的云計算環境是計算存儲設施層的核心，政策機制、標準規范等軟環境包含在制度安全保障體系和政策標準保障體系中，如圖1所示。

圖1 時空基礎設施在智慧城市通用結構中的位置

二、建設內容

1.時空基準

時空基準是指時間和地理空間維度上的基本參考依據和度量的起算數據。時空基準是經濟建設、國防建設和社會發展的重要基礎設施，是時空大數據在時間和空間維度上的基本依據。時間基準中日期應采用公歷紀元，時間應采用北京時間。大地基準統一到2000國家大地坐標系，高程基準統一到1985國家高程基準。

2.時空大數據

城市大數據可分為政務大數據、民務大數據、運營大數據、感知大數據和時空大數據五類，其中，時空大數據是按照統一時空基準序化后的相關數據，其他四類大數據進行時空化的基礎。

時空大數據包括時序化的基礎地理信息數據、公共專題數據、智能感知數據和空間規劃數據，和這四類數據的數據引擎及管理分析系統等六部分構成，從而構成智慧城市建設所需的地上下、室內外、虛實一體化的時空數據資源。其中，基礎地理信息數據包括傳統基礎測繪數據，以及實景影像、傾斜影像和激光點云等新型測繪產品數據；公共專題數據包括人口、法人、宏觀經濟、興趣點、地理國情普查與監測等數據；智能感知數據包括各種公共設施及各類專業傳感器感知的具有時間標識的即時數據；空間規劃數據包括空間資源保護與利用的發展藍圖等反映未來空間性發展規劃的數據。在建設時空大數據時，一是需要在原來靜態地理信息數據基礎上添加時間標簽，形成不同版本的歷史數據；二是要體現實時性、動態性，及時獲取物聯網、傳感器等智能感知設備的位置數據和即時信息；同時，還要豐富地上地下、室內室外信息資源，甚至遠景規劃地理信息，通過這些時空信息的演變、發展和預測，對城市發展的歷史長河做出詳細的記載和繁衍。在應用時空大數據時，不僅要為測繪地理信息部門提供服務，還要通過對其深層的清洗、挖掘和分析，與其他部門數據和社會數據進行關聯分析，實現城市的精準化、科學化管理，如規劃選址、地下管網監測、交通出行、防災減災、公共安全、應急搶險、土地保護、不動產登記、多規合一等，運用時空大數據推動經濟發展、完善社會治理、提升政府服務和監管能力。

3.時空信息云平臺

時空信息云平臺是以時空大數據為基礎、云計算環境為支撐，依托泛在網絡，分布式聚合信息資源，并按需智能提供計算存儲、數據、接口、功能和知識等服務的基礎性開放式信息系統，通常由服務引擎、地名地址匹配引擎、業務流引擎、知識引擎和云服務系統構成。其中，服務引擎可以幫助用戶在線調用現成服務和知識，實現將其他資源上傳、注冊與發布等功能；地名地址匹配引擎可以幫助用戶完成專題數據在線空間化，是空間信息與其他信息之間的橋梁，能夠實現大數據在全空間信息模型上的精確定位；業務流引擎幫助用戶完成業務定制可視化，其將業務流程中的工作，按照邏輯和規則以恰當的模型進行表示并對其實施計算，實現工作業務的自動化處理；知識引擎幫助用戶完成在線大數據分析，其通過提供不同層次能力的大數據分析工具，完成對數據的深度挖掘，進而獲取有價值的知識；云服務系統則是將各類服務資源以及引擎，通過可視化、模塊化、服務化的形式進行各項功能的實現，面向用戶以友好的交互界面提供表達和服務，面向管理者以智能化的手段提供管理和監控。

時空信息云平臺是城市公共管理平臺的核心構成。其通過時空信息作為統一的時空基礎，實現城市各類數據資源的匯聚和共享，并通過服務資源池實現數據的服務化、池化，通過地名地址匹配引擎、業務流引擎、知識化引擎和服務引擎等，實現時空大數據的匹配上圖、業務流程定制、知識挖掘和服務調用與發布，最終實現城市信息資源的開放、共享和應用。

4.支撐環境

支撐環境包括了智慧城市時空基礎設施的網絡、計算存儲設施、安全措施等硬環境，以及政策機制和標準規范等軟環境。

硬環境的建設可以分為兩種模式：一是采用全市統一云環境建設的集約模式，即政府牽頭采用多元化投融資模式，整合現有云計算資源，建立全市統一的云計算中心，面向全市各部門提供統一的云服務。全市所有新建應用系統及非涉密時空基礎設施，都應部署于統一云計算中心，各部門不宜再新建機房、購置硬件設備。對于原有系統要進行遷移，主要為應用遷移和數據遷移。應用遷移的內容包括現有正運行的相關業務應用，其中對暫時無法遷移的應用，應及時進行改造并遷移；數據遷移為現有本部門服務器中存儲的數據，對異構數據應按照統一要求進行數據結構的改造并遷移；二是采用全市虛擬云環境建設的過渡模式，即以現有的數字城市地理信息公共平臺支撐環境為基礎，進行升級改造，將新建的基礎平臺和數據庫都部署于此環境中，各部門負責本部門的業務系統建設，通過政務網分布式調用時空信息云平臺的服務。在時空信息云平臺已經具有的功能和服務，業務系統不得重復建設?，F有支撐環境的升級，包括網絡的升級和計算存儲能力的升級。網絡升級要實現全網接入，而不僅僅是政務網接入；計算與存儲能力升級要根據本地實際情況因地制宜。無論是哪一種模式開展的硬環境建設，其管理智能化水平，以及虛擬化能力、存儲能力和計算能力，應適應本地信息化條件和應用規模，并充分考慮未來發展，原則上應不低于原專題應用部門的能力。

硬環境的安全保障措施應覆蓋數據內容的安全和支撐環境的安全。其中，時空大數據應按照國家對地理信息內容分級分類的相關規定，對數據資源進行分版，基礎地理信息應運行在涉密的局域網中，與政務網、國際互聯網嚴格物理隔離，政務地理信息應運行在政務網，與國際互聯網絡邏輯隔離，公眾地理信息運行在國際互聯網。各類信息運行支撐環境建立完備的安全管理措施，具備漏洞掃描、入侵檢測、數據包過濾、防病毒、病毒查殺、身份認證、數據加密和主機監控等能力。應按時檢查和監督安全措施的落實執行情況。服務器設備能夠支持海量信息存儲，預留擴展空間，運行穩健、安全可靠。存儲備份設備具有空間數據的安全高效存儲備份能力，并預留擴展空間，有條件可建立異地容災存貯備份機制。鼓勵采用自主國產化軟件開展建設。

政策機制和標準規范的建設，原則上應根據城市自身情況，結合實際需求開展探索和研制。在政策機制方面，主要應該建立組織領導機制，協調城市領導、城市各部門和建設主管部門，實現相互配合、共同推動；建立共建共享機制，實現時空大數據和時空信息云平臺建設過程中的數據、資源和平臺共建共享；建立推廣應用機制，通過多方渠道，開展建設成果的宣傳推廣，實現建設效應的倍增和深化，讓社會各界都能夠通過建設取得效用；建立投入保障機制，智慧城市時空基礎設施建設是服務城市、服務大眾的一項工程，建設前期的基礎投入較大，因此應建立相應機制，建立專項資金，保障建設的基礎投入和更新維護；建立投融資運行機制，應根據城市和建設的實際情況，采用多種投融資模式，在建設過程中逐步將政府投入運營過渡為政府前期投入，市場后期運營的良性發展模式，保障建設的長效持續穩定服務；建立產學研創新機制，隨著新技術的不斷涌現，智慧城市時空基礎設施實際已經發展成為多學科交叉融合的綜合研究建設項目，因此為了保證建設的實用和創新并存，需要建立產學研綜合創新機制，從而將實驗室中的新技術，能夠快速融入到建設和應用的實際工作當中。在標準規范方面，除了直接吸納已經出臺的國家標準、行業標準外，作為建設主體，城市應積極探索研究適用于本市的大數據協同共享、平臺應用建設等方面的標準規范，成熟的城市標準也鼓勵其上升為國家標準或者行業標準，供其他城市參考借鑒。

5.智慧應用

智慧應用是基于時空基礎設施所提供的各類服務，結合城市自身的特點和需求，本著急用先建的原則，面向政府部門、企事業單位和社會公眾所開發定制的服務系統。

在數字城市階段，相關部門已經基于地理空間框架，建立了相關的應用系統，如網格化城管、國土一張圖工程、公安地理信息系統等，這些系統使用地理信息公共平臺提供的統一空間基底，將部門業務信息疊加其上，提高了部門業務管理的精細化和精準化水平。但由于當時數據類型和技術水平有限，這些應用系統大多重在查詢、統計和簡單分析等功能的實現，在智能和智慧上是不夠的。一方面，原有數據大多是靜態數據，缺乏歷史數據和實時感知信息；另一方面，信息來源單一，致使難以得到有價值、令人信服的推論，支撐科學決策和智慧的水平偏低，此外應用的手段和服務模式也多為PC客戶端開發服務，支持移動辦公和便捷服務的能力還不夠。

因此，在智慧城市階段，借助時空大數據和云平臺，在實現多部門信息共享融合的基礎上，智慧應用應從數字化走向智能化、實時化、便捷化，突出實時數據接入、時空大數據分析、智能化處置和移動化服務等能力，與本領域專題信息能夠實現無縫銜接、與其他相關領域實時協同。因此，對比數字城市，智慧城市階段基于時空基礎設施搭建的應用系統，應著重解決以下三點問題：

1）在知識上，應深入挖掘潛藏數據背后的知識與規律，提升面向時空大數據的時空分布、關聯分析、深度挖掘等大數據挖掘能力，幫助用戶完成挖掘分析并進行分析結果的空間可視化，將其變成直接可用的知識，輔助科學決策。

2）在服務上，應加大基于移動客戶端的應用系統開發力度，特別是在面向公眾提供服務的行業領域，如旅游、教育、醫療、社區、公共服務保障等，應優先研發移動應用系統，增加服務的便捷性和普惠性。

3）在性能上，應實現透徹感知、廣泛互聯、按需服務，整合實時感知數據，連同歷史與現勢地理信息服務，運行在泛在環境，根據用戶的需求，實現數據和功能的自動處理和服務的主動推送，真正實現按需服務。

應用系統的實施過程應在城市人民政府統籌領導下，以應用部門為主，測繪地理信息部門做好數據與技術支撐。同時，鼓勵采用多元化的投融資模式，開展深入應用。

三、從地理空間框架到時空基礎設施的變化

1.建設內容的變化

智慧城市時空基礎設施概念，源自數字城市的地理空間框架，與之相比較，時空基礎設施的提升之處有四點，即空間基準提升為時空基準，基礎地理信息數據庫提升為時空大數據，地理信息公共平臺提升為時空信息云平臺，支撐環境由單一服務器提升為云環境。時空基礎設施與地理空間框架的構成與歷史聯系如圖2所示。

圖2 時空基礎設施與地理空間框架的構成與歷史聯系

其中，時空大數據的數據類型，由原來僅包括現勢的基礎地理信息數據，擴展為包括了歷史與現狀基礎地理信息數據、歷史與現狀公共專題數據、智能感知的實時數據和空間規劃數據等在內的四大類數據，實現數據的由靜態到動態、由基礎到公共、由現勢到全周期、由二三維到全空間，形成地上下、室內外、虛實結合的全時空信息內容。時空信息云平臺則通過增加服務資源池，將數據、功能、接口、計算存儲和知識進行服務化、池化，面向各類用戶提供更加便捷的服務，同時，增加四類引擎，使用戶能夠進行在線的服務獲取、數據空間化、業務流定制和知識挖掘時更加方便。支撐環境則由原來分散的服務器集群，升級到集約、彈性的云環境，時空大數據和時空信息云平臺也可部署在同一云環境中。

2.建設技術的變化

從數字城市地理空間框架到智慧城市時空基礎設施，不僅是名稱和內容的變化，建設的難點和關鍵技術也在悄然發生著改變。

第一個變化，來源于時空大數據共享融合的需求。數據類型從原來單一的結構化數據，擴展至現在的結構化、半結構化、非結構化并存，數據時效則從原來的靜態數據擴展至靜態實時相結合。當前智慧城市每天都會產生數以億計的海量數據，其中有傳統結構化的數據，如人口、法人單位、宏觀經濟基礎數據以及自然資源和空間信息等四大國家基礎信息數據庫數據，但更多的是海量的半結構化或非結構化的數據，如傳感器的實時感知信息、網絡日志、音樂、視頻、圖片等[6-7]。在這些數據中就有大量的數據屬于時空大數據，要實現這些數據基于空間的共享和服務，首先需要對數據進行序化，建立其相互之間的關聯關系。然而，這些數據中，基礎地理信息數據是有空間坐標的，大量的專題數據是沒坐標，但有地名地址的，另外實時感知等非結構化、半結構化的數據既沒有坐標，也沒有地名地址，要對時空大數據進行序化，實現其空間匹配，進而建立其之間的空間關聯。

第二個變化，來源于時空大數據高效管理需求。時空大數據不僅來源復雜多樣，其數據體量相較之前單一數據庫建設階段也呈現爆炸性的增長，從原來的10TB，擴展至現在的100TB甚至PB級，且不斷在持續動態累加。原來管理普通體量的結構化數據時，關系數據庫的表現十分優秀。然而當數據量增長到一定規模后，由于關系數據庫需要滿足事務的一致性且邏輯相對復雜，會經常出現死鎖等并發性問題，嚴重影響系統的并發讀寫性能，無法支撐大數據量的存儲。此外受范式限制，關系數據庫模型難于擴展、靈活性差，對于較為復雜的查詢涉及大量連接操作，也導致效率急劇下降。

第三個變化，來源于基于時空數據挖掘分析需求。挖掘是凸現大數據價值、盤活大數據資產和有效利用大數據的技術，這對于時空大數據同樣適用。雖然高達80%的數據與空間位置有關，但人們并不知道其空間關聯性有多強，或是通過空間位置能發現一些新的信息，這就需要將時空關聯的其他各類專業化數據，在統一時空環境下進行知識的挖掘，是一個由時空關聯度較低數據到時空關聯度較高的信息、再到基于時空的知識循序漸進、逐漸升華的過程。時空數據的挖掘分析就是使時空大數據逐步歸納升華為時空知識，再利用這些新知識重新認識和利用數據，實現數據的實時處理、智能判斷和快速決策[8-9]。現有的數據挖掘工具雖然能夠方便用戶進行分析挖掘，但并不能夠直接用于大數據的知識挖掘，而時空大數據的數據類型更為復雜，因此更無法直接適用這些現有的挖掘工具。

第四個變化，來源于基于時空信息云平臺統一服務需求。數字城市公共平臺大多是基于SOA架構搭建的單體式應用，將地理信息系統（GIS）從原來的數據提供升級到了服務提供。單體式架構的服務接口是在一個大的架構下實現，服務只進行了模塊的區分，沒有成為獨立服務，模塊共同訪問使用一個后臺數據庫或數據中心，這種架構模式在建設的初期容易研發和部署，但當不同的模塊之間發生資源沖突需要進行變更修改時，往往需要將整個系統重新進行部署，擴展將會非常困難，而且當并發訪問量較高時，還容易形成性能瓶頸，影響平臺效率。此外，由于單體架構下模塊的開發語言和數據庫必須一致，因此會導致每一種數據就要開發一個對應的平臺或系統，很難將其在統一的平臺下實現所有數據和服務的認證、管理和服務。隨著云計算理念和技術的不斷完善，城市的時空云平臺需要具備彈性可擴展、靈活使用大數據中心且便捷部署和高效服務。

第五個變化，來源于時空應用系統的智慧化需求。數字城市地理空間框架建設過程中，依托地理信息公共平臺提供的統一空間基準，城市各部門紛紛研發專業GIS應用系統，實現了部門業務信息的數字化和空間化，使部門業務工作更加的高效、精準，并從一定程度上提高了部門的經濟效益。此外，部分面向公眾服務的部門，通過建立互聯網GIS應用系統，將老百姓關心的信息在網上進行公開，而且將一些空間相關信息，如房地產、教育資源、醫療資源，以及一些規劃的內容落在地圖上，百姓可以更加直觀看到感興趣的內容，提升了政府滿意度，也提高了部門的社會效益。但是，這些部門應用的功能，大多都是普通的瀏覽、查詢和統計，只是將數據直接落在了圖上，如教育資源僅進行了標注，但可能老百姓已經知道身邊最近的小學、中學在那里，但不知道這些小學、中學周邊到底有多少學生生源，這些信息在數字化應用系統中無法提供，而應利用大數據挖掘分析才能夠得知。因此，在智慧城市時空基礎設施的應用示范上，應該基于物聯網、大數據等信息技術，將原來僅提供簡單的瀏覽、查詢能力的數字化應用，提升為能夠分析、感知的智能化、智慧化應用。

四、結語

時空基礎設施是智慧城市建設的重要基礎支撐，在國家發展和改革委員會發布的《新型智慧城市評價指標（2016年）》中，其與寬帶網絡設施并列為新型智慧城市建設的智能設施，其重要性可見一斑。通過對智慧城市時空基礎設施的建設背景、概念內涵和建設內容的介紹，一則了解智慧城市時空基礎設施與智慧城市之間的關聯關系，二則明確其建設內容和發展趨勢，為后續相關建設提供參考。