基于“一網統管”的空間地理數據中臺設計與實踐

李成仁

（1.上海市測繪院，上海 200063；2.自然資源部 超大城市自然資源時空大數據分析應用重點實驗室，上海 200063）

空間地理數據資源是城市信息化不可或缺的、基礎性的、根本性的信息資源，政務服務、城市運行管理中大部分信息均與空間地理信息存在關聯[1]。為建設智慧政務、提高城市管理決策水平，各級政府部門建立了大量的政府地理信息系統應用。城市運行“一網統管”是提高城市治理現代化水平、全面深化改革的重要舉措。堅持城市治理“全生命周期”理念，以“三級平臺、五級應用”為核心，筑牢“王”字型城運架構，建設市、區(qū)、街鎮(zhèn)3級城運中心建設，統籌同級城市運行事項的跨部門協同，通過數據共享流動解決資源碎片化問題，形成處置合力[2-4]?！耙痪W統管”將“城市治理要素一張圖”作為其“六個一”技術支撐體系的基礎內容，以數字孿生城市為目標，將城市治理中的客體、主體和內容全域全量數字化，并加載于GIS中。傳統的空間地理信息服務模式在面對新的“一網統管”需求時，存在諸多亟待解決的問題，如空間數據資源難以統籌共享、共性系統重復建設、專業(yè)GIS地圖二次開發(fā)門檻較高、集成協作成本較高、業(yè)務沉淀與持續(xù)發(fā)展困難等。

數據中臺是近年較為流行的概念[5]，對數據進行采集、匯聚、存儲、融合與服務，統一標準，形成數據資源，并以服務化的形式對外共享、開放，融入公共服務和城市治理全流程，體現數據價值，提升感知、決策、執(zhí)行的智慧化水平。近年來，數據中臺不斷成為數字化行業(yè)的焦點，如孫益[6]、趙偉偉[7]、劉海濤[8]等提出基于中臺設計理念的地理信息中臺，集空間數據、異構GIS平臺服務、通用地理信息業(yè)務和技術于一體，為智慧城市建設提供地理信息底板。

本文圍繞空間數據中臺理念，研究市級統籌的空間數據資源平臺空間服務能力建設，既要滿足多類別時空大數據融合、治理、應用、運營等需求，又要對各類空間地理信息數據資源進行抽象、封裝，形成直接面向前端的可復用數據和功能服務，從而支撐前端業(yè)務快速迭代更新?？臻g地理數據中臺將不斷強化空間地理信息數據的數據抽取、數據治理、共享交換、質量檢測、安全防護等功能，重點優(yōu)化數據的對接、供給、支撐能力，提供空間地理數據“統一集中管理、按需共享”的基礎平臺，賦能“一網統管”建設。

1 空間地理數據資源和服務現狀

一直以來，城市運行管理所需的空間數據資源分布在不同的管理部門，缺乏統一的標準規(guī)范、服務體系、統籌規(guī)劃和數據運營機制。為統籌管理各類空間數據資源，按照“共建、共用、共享、互聯”的原則，由上海市大數據中心牽頭，建設了統一標準的空間地理綜合庫，并協同關聯人口、法人、電子證照、實時感知等公共數據；在有序推進各類空間資源整合的基礎上，聚合各條線管理部門現有的空間數據資源和服務能力，著力推進地名地址、基礎地理、規(guī)劃土地、建筑房屋、網格部件、地下管線、交通資源等多個專題數據庫建設，依托上海市大數據資源平臺對外提供數據共享服務能力。

上海市大數據資源平臺是基于上海市電子政務框架體系的數據資源管理基礎平臺，與各委辦局政務信息資源、區(qū)政務信息資源之間形成歸集、采集、共享、服務全過程管理，向上對接國家數據資源平臺，橫向與長三角互聯，實現資源的共享利用[9]。上海市大數據資源平臺在空間地理服務方面已具備空間數據歸集治理、空間服務注冊代理的基礎能力，初步滿足了空間數據歸集與服務聚合的需求。空間地理數據中臺將充分依托該平臺已有能力進行拓展延伸。

2 空間地理數據中臺總體設計

空間地理數據中臺按照“統籌設計、分步實施，物理分散、邏輯集成”的思路開展建設?！敖y籌設計、分步實施”是指面向空間地理服務統一管理的需要，統籌開展空間地理服務能力設計，統一空間數據服務內容、模型、接口等標準規(guī)范，按照急用先行的原則，邊建設、邊運行、邊優(yōu)化；“物理分散、邏輯集成”則是對于影像柵格、物聯、視頻等存儲資源消耗較大的數據類型，在物理空間上仍暫時分散在各原業(yè)務條線管理單位，在網絡鏈路連通的情況下，主數據庫直接調用分數據庫數據服務實現邏輯集成，隨著后續(xù)建設的不斷深入，分數據庫不斷向主數據庫集中。空間地理數據中臺總體架構如圖1所示。

圖1 空間地理數據中臺總體架構圖

1）基礎設施層。依托市電子政務云進行建設，由政務云提供空間地理數據中臺所需的硬件資源服務和時空大數據存儲框架、處理框架服務，空間數據和非結構化數據存儲于政務云的PostgreSQL和MongoDB數據庫。

2）時空數據層，包括由匯聚、處理和管理三大數據區(qū)構成的時空信息大數據[10]。匯聚區(qū)通過各業(yè)務管理部門前置機或數據接入中間件的方式匯聚和更新空間數據資源，再經過處理區(qū)的標準化、統一數據處理，形成空間地理綜合庫數據資源?？臻g數據資源主要包括空間地理綜合庫數據資源以及部分尚未物理集中的緩存數據，如歷史影像切片數據、三維模型緩存數據等，后續(xù)將逐步接入實時位置數據、物聯網設備位置數據、實時感知的流式數據等。

3）平臺服務層，對基礎設施資源和空間數據資源加以整合，為用戶直接提供各類云服務。云服務主要包括時空數據服務、時空分析服務和時空治理服務3類。此外，空間地理數據中臺還建設了統一的空間數據服務網關、空間數據可視化門戶以及應用開發(fā)中心。

4）應用場景支撐層。根據不同類型、不同服務目標的用戶組成和劃分，為用戶提供不同程度的空間數據服務應用；對于專業(yè)的應用場景建設提供擴展的可視化開發(fā)包和組件。

3 空間地理數據中臺建設內容

在上海市空間地理綜合庫建設成果的基礎上，本文充分依托現有上海市大數據資源平臺云支撐環(huán)境和現有共享服務平臺，實現了大數據資源平臺時空信息服務能力的提升，建成了空間地理數據中臺，更高效地支撐智慧城市“一網通辦”、“一網統管”建設。圍繞空間數據資源和服務能力建設，空間地理數據中臺將實現“兩級匯聚、三級服務”，即匯聚市、區(qū)兩級空間數據資源，服務市、區(qū)、街鎮(zhèn)三級部門，實現數據融合共享。

1）空間數據資源門戶。建設空間數據資源可視化門戶，實現數據資源二三維一體化在線瀏覽使用和各類空間服務入口；提供空間資源目錄查詢和城市運行“一張圖”地圖工具、分析工具的在線應用，滿足地圖瀏覽和常規(guī)空間落圖、空間分析等使用需求；開發(fā)者中心則提供相關地圖、服務二次開發(fā)應用實例，為開發(fā)人員提供地圖應用參考。

2）空間數據服務引擎。建設空間數據引擎，提供可視化操作界面，將平臺匯聚的各類空間數據資源發(fā)布成二三維地圖服務、矢量切片服務、影像服務、要素服務、地理處理服務等多類型服務，并可預覽發(fā)布的服務，驗證服務是否正常運行。以OGC的標準規(guī)范來創(chuàng)建WMS、WFS、WFS-T、WCS、WPS、WMTS等類型服務，同時支持當前主流商業(yè)GIS引擎服務類型。

3）空間服務綜合管理網關。建設統一、開放的空間服務綜合管理網關，按照空間服務統一標準，實現空間服務綜合管理；實現空間服務動態(tài)負載均衡，提升空間服務運行效率和穩(wěn)定性；針對歸集的空間數據和服務，建立空間服務分類目錄，統一空間服務接口和調用規(guī)則；對服務調用對象，實現細粒度權限控制。

4）空間分析決策支撐平臺。以標準化、組件化、平臺化的方式，提供各類自主調用、靈活配置的數據融合、地圖工具、空間分析工具；提供空間數據融合接口，不同色系、樣式地圖底圖，滿足不同應用場景空間底圖需求；提供疊置分析、緩沖區(qū)分析、路徑分析等一系列空間分析工具和服務接口，從而使“城市治理要素一張圖”可在多個場景中提供決策支撐。

5）空間服務監(jiān)控運維系統。構建空間服務監(jiān)控運維系統，針對空間數據特征和管理要求，結合監(jiān)控技術和GIS業(yè)務，實現空間資源的安全管控和動態(tài)分配。通過設定空間邊界，實現二維動態(tài)服務、三維模型等空間服務的區(qū)域控制，如地圖服務按行政區(qū)劃、按重點區(qū)域分發(fā)；通過服務調用量統計，發(fā)現高頻使用的地圖服務，分析服務瓶頸并優(yōu)化服務器資源，提高服務效率，確保系統的安全、穩(wěn)定、高效運行。

4 關鍵問題分析

4.1 平臺協同應用模式

空間地理數據中臺按照統一的標準和方式對外提供資源服務，在多種業(yè)務系統之間協同工作，從空間數據服務調用、專題資源托管等方面面向市、區(qū)兩級提供應用支撐。

1）空間數據服務調用。各應用系統可按照用戶權限、區(qū)域權限等調用平臺服務資源，形成新的業(yè)務應用或嵌入原有業(yè)務系統。在這種模式下，數據應用主要以各空間數據專題庫為主，空間數據服務由專題庫牽頭建設部門發(fā)布，體現業(yè)務管理部門的數據權威性，如基礎底圖服務和各類專題地圖服務等。

2）專題資源托管。部分弱GIS應用部門可依托空間數據資源門戶，實現業(yè)務數據快速上圖，將用戶數據資源托管到平臺，如銀行網點信息、環(huán)境監(jiān)測站數據、公安卡口等專題信息均可借助平臺服務能力實現資源空間化，用戶無需使用專業(yè)GIS平臺，也無需掌握GIS相關專業(yè)知識。

3）市、區(qū)兩級聯動。通過市、區(qū)兩級數據聯動管理，建設“云邊協同”的數據聯通模式，實現數據目錄同步、數據資源上傳下達等功能。由各區(qū)開展數據資源梳理、編目、共享和開放工作，并與空間數據中臺進行對接，建立市、區(qū)兩級聯動模式。

4.2 低代碼應用構建能力

空間地理數據中臺參照主流互聯網地圖API接口應用方式對復雜的GIS地圖接口進行二次封裝，隱藏專業(yè)的GIS對象，形成一套地圖簡單的敏捷開發(fā)接口，實現地圖模塊代碼的開箱即用?？沙浞职l(fā)揮地圖空間可視化優(yōu)勢，在地圖上可視化呈現各類城市管理要素，方便不熟悉GIS業(yè)務的應用開發(fā)團隊便捷地進行應用場景建設。空間地理數據中臺按照基礎地圖庫SmiMap、可視化庫SmiMap.Vis、擴展組件庫SmiMap.Plugin等模塊進行接口分類封裝建設，SmiMap是地圖構建的基礎，集成了數據資源內容、地圖控件、地圖基礎操作和事件監(jiān)聽，是構建地圖應用最基本的依賴；SmiMap.Vis是面向各類業(yè)務數據的空間可視化展示方法集合，SmiMap.Plugin則提供與其他組件的集成交互，包括常用的Three.js、Echarts等第三方插件。常用的定制化功能接口如表1所示。

表1 常用的可視化功能接口列表

4.3 時空大數據分析

時空大數據分析的挑戰(zhàn)在于時空大數據管理和高效的統計以及挖掘計算過程。空間地理數據中臺提供處理數據入庫、ETL、數據備份、數據更新以及數據質量檢查工具等。時空數據分析模塊提供模型定制、模型學習、模型計算、模型分析、模型輸出等功能。時空大數據分析具有明顯的時空特性，但大多數算法都是單純基于空間或時間上的差異分析，不能同時考慮時間和空間的協同差異[11]。因此，在基本算法的基礎上，空間數據中臺實現了時空數據挖掘模型定義、模型學習、模型發(fā)布、模型執(zhí)行、模型分析等功能，可從已有的時空大數據中挖掘時空信息變化趨勢、決策推薦等知識。

5 應用實踐

“一網統管”平臺建設生態(tài)較為開放，通常各應用場景分別由不同的開發(fā)團隊承擔建設。地圖作為“一網統管”平臺的基礎支撐，是每個開發(fā)團隊都要使用的基礎資源。用戶代碼中只需引入SmiMap核心庫即可開發(fā)地圖應用，可通過參數配置的方式，以一套基礎數據和代碼，為市、區(qū)、街鎮(zhèn)三級應用提供統一地圖應用，保證數出同源，避免產生數據煙囪和相互矛盾，從而降低各應用場景的開發(fā)周期和技術風險，有利于應用場景間的數據共享應用。

在數據可視化方面，通過可視化組件庫，提供豐富的空間可視化能力，將各類管理信息在大屏應用中央地圖上予以呈現。各場景開發(fā)單位，只需專注于自身業(yè)務建設，所有涉及地圖的功能需求均由空間地理數據中臺統一服務，可大幅提高工作成效。在數據分析方面，以內澇風險評估為例，可通過空間地理數據中臺，建立城市地形模擬、匯流模型、地表徑流模型、降雨分布和排水模型等分析模型，再結合GIS柵格運算和空間分析，分析得到城市易澇點分布，最后疊加住宅小區(qū)空間分布數據，以熱力圖的形式展示易澇小區(qū)專題圖（圖2）。

圖2 防汛防臺應用場景示意圖

6 結語

本文以“一網統管”中各應用場景的需求為出發(fā)點，推進空間地理數據中臺建設，對空間地理信息數據資源和服務能力進行抽象、封裝、梳理，提供可重用的核心服務，支撐各前臺業(yè)務?？臻g地理數據中臺以“互聯互通、上下聯動”的原則為市、區(qū)、街鎮(zhèn)等各級城市運行管理平臺提供統一的空間地理時空大數據底板；以空間坐標為連接點，打通各類數據關聯，促進各類場景建設和數據可視化表達，全息全景展現城市治理要素、對象、過程、結果等各類信息，具有較好的借鑒和推廣意義。