時空大數據支持的新型城市治理信息平臺研究與實現
——以廣東省佛山市禪城區為例

朱廣堂 管雯君

1 項目研究的目的與意義

信息技術不斷發展進步，3S、大數據、云計算、物聯網、區塊鏈等新技術手段層出不窮。與此同時，各國對城市治理的智能化、科學化和精細化的重視程度逐漸提高。如何運用各種現代化技術手段，探索新的城市管理模式，適應城鎮化進程，是當前城市治理工作面臨的重大課題。目前，利用大數據技術、空間信息技術已經逐漸成為一種新型的提升城市治理能力的方式。大數據技術針對城市每天產生的海量、多樣的數據，支持數據的快速獲取、分布存儲、高效管理和挖掘分析，通過提高對數據的加工能力，實現數據的增值。空間信息技術提供了一種新的思路，通過將現有數據與地理空間進行關聯，使得信息的可視化呈現更加直觀，分析的角度也更加貼合現實。

如何以大數據等先進的技術為依托，構建利用大數據進行城市治理的制度保障、數據整合、平臺支撐、業務應用等一整套的體系，是本項目研究的目的所在。隨著我國城鎮化已經進入新的階段，將有更多的城市面臨類似的社會治理問題。本項目搭建從標準、數據、平臺到應用的一整套成果，能夠非常方便進行推廣應用，適配其他城市大數據治理體系的構建，有著非常重要的意義。

2 總體架構設計

2.1 總體架構

項目總體架構設計采用基于SOA體系設計理念，便于實現跨平臺與互操作，利用Web Services方法實現一種松散耦合的異構式環境的集成，地理信息數據功能封裝成符合OGC標準規范接口，構建面向服務的、融共享服務提供方、使用方和管理方為一體的平臺框架體系結構，實現基于統一注冊的服務組織模式與運行管理機制。平臺總體架構劃分為基礎層、數據層、平臺層、應用層四個層次，以及標準規范體系、運行保障體系兩個體系組成。具體如圖1所示：

2.2 技術架構

為便于用戶的外部訪問，在技術實現上將現有平臺框架分為四個層次，即基礎層、數據層、平臺層和應用層。結合SOA服務設計的思想，將現有或在建的設施、數據、平臺及軟件封裝為服務進行提供，每個邏輯層次通過不同層面的技術來實現其功能和服務，具體如圖2所示：

基礎層充當了一部分傳統基礎層和持久層的作用，主要側重于基礎設施環境方面。包括計算資源、存儲資源、網絡資源和安全資源等。通過虛擬化技術和資源池化技術將各種資源進行合理配置，為不同的服務級別提供池化資源支撐。

數據層主要接入了多源異構的數據，其中關系型數據以Oracle為主，存儲主要的業務數據，并結合ArcSDE軟件，實現空間數據的存放，同時，基于分布式文件存儲的數據庫MongoDB實現文本文件的存儲與管理。

平臺層主要利用Kettle等ETL工具，設計開發為抽取融合方案，并使用Quartz實現計劃任務的靈活調度與配置。使用CAS單點登錄對多個系統進行集成，利用TOMCAT或IIS作為Web站點運行的容器。基于SOA的企業服務總線架構，提供ArcGIS、OGC等多種格式的網絡服務。

應用層后臺使用Java或.NET，前端通過Html5、Javascript、CSS3等技術手段，實現各類數據等分析、挖掘與展示，充分達到數據資源可視化及共建共享共用的建設目標。

3 關鍵技術

3.1 城市運行體征指標構建、更新管理與監測預警技術

從地理信息數據的標準規范和運行機制入手，構建地理信息數據資源的標準體系，制定關于數據共享和更新的管理規定，整合現有各部門的地理信息數據，對多部門、多系統、多數據庫的多源異構地理信息數據進行了梳理，形成禪城“一張圖”的時空大數據中心，構建一套城市運行體征指標體系，提供了海量科學的數據基礎。通過平臺建設，打通數據從抽取匯聚、更新管理、監測預警的數據流轉流程，為城市科學治理新模式提供數據服務，結合各部門的實際需求，進行城市治理典型應用系統的建設。

結合時空大數據中心的各項城市運行體征指標數據建立分析模型，該模型根據多閾值最優臨界監測算法進行研究推導，根據實時數據統計變化動態確定臨界閾值，根據動態實際數據變化以及多閾值分析確定數據監測和預警，處理監測和預警等，最終為基礎設施監測、維護以及高效利用等提供客觀指導。同時，由于算法中集成監測評價模型、資源最優配置模型、設施監測多閾值臨界監測算法以及多任務協同調度算法，算法集中供應，可及時發布更新，無須手動更新或安裝新的軟件，使得各部門能夠更迅速的部署應用程序，并降低管理的復雜度及維護成本，允許佛山市各部門資源的迅速重新分配。

3.2 基于多維主題的數據資源目錄動態管理技術

項目的建設內容中數據體系與數據庫建設是核心，需要通過對信息資源的有序管理，基于主題的數據資源目錄實現數據資源的動態組織，滿足不同用戶對數據的查詢、檢索與應用需求，提高數據的共享、發布及應用能力。項目建設根據城市治理的需要，將數據資源按照資源環境、經濟建設、科學教育、道路交通、社會發展、公共安全、文化休閑、衛生健康、民生服務、機構團體、城市建設、社會資源、社會信用、行政審批主題對數據資源進行分類管理。在實際應用中每一類主題中的數據資源可以按照不同的數據來源、數據類型以及自定義標簽進行分類管理。

在數據資源管理方面可將系統數據資源劃分為兩類，一類是常見關系型和非關系型數據，如：Oracle、達夢、MySQL、SQLServer、Excel、MongoDB等數據源，一類是空間數據如：OracleSpatial、PostGIS、SHP、WKT、GeoJSON、GML等數據源。同時，考慮應用特點在數據資源編目組織上可以按照面向管理和面向主題領域的數據組織進行數據的編目管理。在各類數據組織分類的基礎上，通過規則化的編目動態生成技術提供不同主題的數據集市，即可以建立面向各類主題的數據組織。該方法能夠幫助數據建立關系，在簡單空間關系之外獲得更多的聯系。同時，面向各類專題數據使得對空間問題的可視化與分析時，可以快速地定位并獲取與其相關聯的其他信息。

3.3 基于分布式計算的數據ETL及自動化策略技術

在系統應用中通過利用ETL數據融合方法實現對多源異構數據，進行高效地清洗、轉換、集成、整合、分析，并提供分布式的、自動化的融合模型執行方式，保障在部分服務器宕機的情況下可持續地進行數據融合計算。數據融合的分布式計算引擎，采用基于Kettle6.x以上版本的分布式集群技術實現算子的分布式計算。在實際應用中，通過對分布式的節點進行有效的監控和管理，保障數據融合任務能夠在各個分布式節點的執行正常。

當數據量很大的情況下，在計算模型中可以將某個數據計算量較大的算子的運行方式設置為分布式計算，這樣融合任務在被執行時就會在分布式集群環境中啟用多個計算節點進行并行計算。計算模型是算子的載體，通常要將這類包含分布式計算的算子的計算模型通過新建計劃任務的方式投遞到多個分布式計算節點上運行。每一個分布式計算節點都是在其上運行的融合任務的執行者。當計算節點開始執行融合任務時，數據融合服務器根據任務所執行所關聯的計算模型中算子的計算方式來判斷，是否需要進行分布式計算。

3.4 基于多源空間大數據的數據挖掘分析與大數據可視化

多源時空大數據涉及的數據量大、數據類型多、結構復雜，這對數據的挖掘分析能力提出了很高的要求。系統能夠有效地管理分析模型和算子，通過構建豐富的算子庫如：聚類分析、點高程提取、線性回歸、相關系分析、相交計算、數理統計等，提供高效、智能的模型計算能力，滿足多算子的模型構建方式。

項目建設結合城市經濟、人口、規劃、生態和教育等業務需求，通過定制算子庫和模型庫進行數據挖掘分析，并將融合數據成果進行可視化表達，兼容多種數據格式并支持海量矢量數據，支持高性能傳輸和渲染，提供豐富的圖文可視化表達。技術上基于WebGL的大數據量可視化框架，兼容多種數據格式，將統一結構的海量矢量數據源轉化為著色指令，并高效傳輸顯示器著色模塊進行硬件渲染和GPU硬件加速，實現高性能繪制；同時提供二三十種類型的可視化圖層，創建出城市人口與民生熱點分布圖、生態環保與實時事件監測等豐富酷炫可視化效果，幫助用戶多維度、多層次挖掘數據的價值。

4 城市治理應用成果

在佛山市禪城區“一張圖”的支持下，各部門城市治理類型的應用已經遍地開花，在各部門業務中發揮了重要的作用，得到了高度評價。

4.1 中小學招生一張圖

中小學招生一張圖是由教育局建設，通過對居委會、適齡兒童、學校招生計劃進行關聯分析，系統能夠智能地平衡區域內的學位需求，給出招生地段的劃分建議，輔助業務人員進行不同方案的對比，從而達到教育資源的合理分配。同時，為了解決教育資源短缺的問題，系統還能根據未來適齡兒童的變化趨勢，對學位缺口較大的區域進行預警，提醒政府部門需要新建或擴建學校。禪城區中小學招生一張圖作為大數據應用的典型應用，在2018年第四屆互聯網+博覽會上一經展現，就得到了多家媒體的報道，引起廣泛好評。

4.2 農村集體經濟數字云圖

禪城區農村集體經濟數字云圖是由禪城區委農村工作辦公室建設，旨在掌握村內“三資”狀況，為監管提供幫助，維護村集體利益。通過對農村集體資產的空間的可視化呈現，方便用戶清晰掌握自身家底情況。系統能夠對閑置資產進行提醒，提高資產的利用效率；同時支持對資產收益情況的空間關聯性分析，提醒監管人員探尋資產收益過低的原因，杜絕監管外交易的行為。該系統是大數據在農村基層治理方面的新型應用，能夠在規范農村管理和推動農村發展中重要的支撐作用，得到區領導的高度贊揚。

4.3 大氣重點污染源分布圖

禪城區大氣重點污染源分布圖是由禪城區環保局建設，匯聚了環保部門的109家污染企業、交通部門的42個交通工程和36個交通站場、建設部門的95個工地以及水務部門的12個在建工程數據。通過對這些污染源的精準定位，同時與物聯網傳感器數據相結合，在接收到空氣監測站點污染物超標的警報后，系統就能及時分析出可能是哪些污染源造成的影響，從而針對性地開展突擊行動檢查，大大提高了日常監管的效率，達到了對各類大氣污染源進行精細化管理的目標。

4.4 建設一張圖

禪城區建設一張圖是由禪城區國土城建和水務局建設，實現了對房屋安全、物業小區、建設工地、房屋征收項目的一張圖管理。用戶能夠直觀清晰地掌握禪城區內危房的分布情況，查看危房的全景圖和三維模型；利用工地攝像頭實時查看視頻，足不出戶就能對建設工地進行監管；規范了房屋征收的流程，實現了征收全鏈條的信息化。通過系統的建設，極大提升了局內的工作效率和管理水平。

4.5 房地產一張圖

為了響應習近平總書記提出的“供給側改革”要求，化解房地產庫存，促進房地產行業健康發展，禪城區國土城建和水務局建設了禪城區房地產一張圖。系統將房地產生命周期中的土地出讓、施工許可、預售現售和房屋交易四個階段的數據進行串聯，形成了隱性庫存、中性庫存、顯性庫存三位一體的庫存計算評估體系，能夠輔助管理人員從更加長遠、更加科學的角度制定政策。

4.6 園林市政養護GIS管理平臺

園林綠化是提高城市化建設效果的重要途徑之一，其根本目的是提高居民生活質量，改善生態環境，充分發揮園林對城市化發展的推動作用。張槎街道園林市政養護GIS管理平臺利用3S（GIS、GPS、RS）技術，基于張槎街道綠化、環衛保潔范圍及配套設施數據，建立園林市政養護信息數據庫，實現涵蓋“園林市政養護大數據”瀏覽、查詢、統計、分析的信息化管理，幫助管理者及時、準確掌握城市綠化資源、保潔范圍和環衛設施現狀分布及其變化情況，綜合各類屬性信息進行多種形式動態的統計分析，避免反復的現場巡檢和人力表格式統計更新，實現園林市政養護管理工作的精細化、科學化、高效化。

4.7 河涌及排水設施普查完善及信息化管理

城市排水設施是城市基礎設施的一個重要組成部分，隨著城市化建設進程的加快,城市工業和生活廢水污染問題日益突出, 城市排澇、防洪的壓力也日益增大，如何合理規劃和管理城市排水設施，有效控制水污染，維持生態平衡，防洪減災，已成為城市建設和實施可持續發展的重要內容。通過建設禪城區排水管線及排水設施信息管理系統、三維管理系統、移動端應用系統，實現排水管線及排水專項設施進行一體化管理，包括對管線報廢預警、水位監測預警、清淤提醒等，利用三維技術對浸水淹沒分析、污染源追溯、排水路徑引導等，將地下看不見的管網信息可視化，將錯綜復雜的現狀數據規律化，輔助排水設施規劃決策智能化。

4.8 “區塊鏈+社區矯正”一張圖信息展示系統

禪城區司法局、禪城區檢察院建設的 “區塊鏈+社區矯正”一張圖信息展示系統，不僅能夠對社矯人員在一張圖上進行日常定位和跟蹤，解決社區服刑人員可能出現的漏管脫管問題；還將公、檢、法、司等相關部門相對孤立的“條數據”轉變為“塊數據”，部門間的信息流轉更加實時、安全、有效，便于多方聯動監督，確保全程監督、實時監控、動態監督；與此同時，“社矯鏈”系統引入了區塊鏈技術，杜絕了人為篡改記錄、偽造記錄的可能。在禪城區舉行的最高人民檢察院監外執行（社區矯正）檢察調研交流活動中，得到了上級領導和其他各省市同行的充分肯定。

5 結語

本項目通過一張圖平臺系統的搭建和時空大數據中心的建設，將對現有的數據包括基礎地理數據、各種專題數據進行全面梳理，根據數據的來源、特點及應用價值，建立科學的數據資源體系，實現數據的集中管理和展示，方便數據的快速瀏覽和獲取。

在禪城“一張圖”的基礎上，政府部門開發各自的城市治理典型應用系統，對于需要其他部門資源的，能夠方便地在禪城“一張圖”平臺上進行獲取。同時業務系統中產生的地理信息數據，也會反哺禪城“一張圖”平臺，形成一個良性循環。

我國城鎮化已經進入新的階段，將有更多的與禪城區同等規模的城市面臨類似的社會問題。本項目搭建從標準、數據、平臺到應用的一整套體系，能夠非常方便進行復制遷移，適配其他城市大數據治理體系的構建，應用前景廣泛。