地理信息時空數據中臺的構建與應用
——以南沙新區為例

陳可蘊，柳翠明，趙林峰*，韓珊珊，夏小科

（1. 廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060）

近年來傳感器、物聯網、云計算、5G通信、人工智能、大數據、智能制造等新一代信息技術蓬勃發展，已廣泛應用于城市規劃、建設、管理、治理和服務中[1]，并產生和積累了大量地理信息數據。黨的十九屆四中全會首次將數據列為一種生產要素，并提出“構建以數據為關鍵要素的數字經濟”。2021年3 月發布的《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》反復強調了數據資源的規劃藍圖，包括激活數據要素潛能，構建城市數據資源體系，推進數據跨部門、跨層次、跨地區匯聚融合和深度應用等。由此可見，數據資源在國家層面的重要性。因此，時空數據的建設研究在政策層面上順應數據資源深度融合應用和共享的發展趨勢。南沙新區作為粵港澳大灣區的幾何中心，在國家、省、市發展大局中形成了“三區一中心”的發展格局。南沙新區當前快速、高標準的發展建設水平對地理信息數據的現勢性、覆蓋率和空間精度等方面提出了更高的要求；且在區域發展建設過程中累積了海量多源異構地理信息數據。

通常數據建設主要是針對某一應用需求建立相應的數據庫和信息化系統，但存在如下問題：①各應用系統獨立運行，產生了嚴重的數據壁壘；②數據利用率低，未形成統一有效的積累和更新；③數據分析指標多而散、數據價值未有效體現，系統價值低。數據中臺是一個集采集、加工、管理、存儲、共享功能于一體，并將標準統一化的數據提供給應用層的服務平臺[2]，可作為解決上述數據信息系統共性問題的一種手段。數據中臺的概念是阿里在2015年根據自身業務需要提出的[3]，隨后各大互聯網公司紛紛提出中臺戰略并進行組織架構調整，由此中臺技術蓬勃發展。中臺的核心是抽象和組件化共性的能力，目的是降低成本、避免重復建設導致資源浪費[4]。隨著物聯網、大數據、云計算等新型信息技術的發展，中臺技術迅速拓展到各行業。數據中臺通常包含數據倉庫、數據中間件、數據資產管理和數據應用[5]，數據倉庫是存儲數據的容器；數據中間件包括數據計算、分析、可視化等；數據資產管理包括時空信息數據、公共基礎數據等；數據應用則是面向具體的業務場景和需求，為數據資產搭建相應的應用體系架構。基于此，本文設計了面向南沙新區的地理信息時空數據中臺，基于大數據、云計算、物聯網技術，充分挖掘當前累積的多源異構地理數據的應用價值，提高各類數據的共享和復用程度，提升數據服務的支撐能力，實現數據的精細化和高效化管理。

1 數據中臺設計

1.1 總體架構設計

數據中臺是使用數據技術對海量數據進行采集、計算、存儲、管理、分析和應用的服務平臺[6]。不同于傳統的時空數據平臺，數據中臺以應用場景需求為出發點，對數據資源進行抽象、封裝和標準化，為前臺業務提供可復用的數據服務。本文構建的南沙新區地理信息時空數據中臺，包括設施層、數據層、平臺層、應用層和用戶層（圖1），設施層是中臺的物質基礎，包含計算、存儲、網絡、觀測傳感器的基礎設施設備；數據層是中臺的核心，按照《廣東省自然資源一體化數據庫設計》標準構建時空數據架構，結合分布式集群技術，分門別類建立各類數據庫服務器，對于不同類型的數據，采用本地文件、地理數據庫、數據庫管理系統等形式進行數據的組織、管理與維護；平臺層承接數據資源的管理、查詢、表達和計算分析，通過資源管理中心，利用最新的時空大數據、云計算技術，實現多元服務集成管理、運維管理、共享交換、制圖可視化和模型分析；應用層是對中臺的應用表達，具備在線服務和定制開發能力，能面向不同類型、不同行業、不同目標的應用提供數據和服務支撐；用戶層是中臺的使用者，主要面向自然資源系統內的政務部門。

圖1 數據中臺總體架構圖

1.2 中臺應用流程設計

不同的業務和應用場景對數據的需求不同，如小區管理關注小區內部的全部要素、交通管理關注道路上的要素。數據中臺不僅需要涵蓋類型豐富、格式多樣的數據，還需滿足數據應用的多樣性、精細化和個性化。為實現數據中臺從數據到產品的組裝、從產品到應用的賦能，本文以“按需服務”為導向，設計了可組裝、參數可調整的數據分析模型，進而形成了一套靈活多樣的數據分析模型庫。在數據庫和模型庫的基礎上，本文設計了“數據+模型=產品”的流程（圖2），用戶設定目標需求，從數據中臺中選擇相應的數據和模型，并進行排列組合，即可組裝生產滿足需求效果的數據產品。

圖2 中臺組裝應用流程圖

2 關鍵技術研究

2.1 時空數據模型構建技術

基于南沙新區現有的數據時空語義特征和自然資源部建設規則，本文構建“向上滿足建設要求、向下符合區域特點”的南沙新區時空數據模型。該模型不僅需準確表達地理數據時間與空間屬性，還需反映地理數據時態、位置、數量、質量、生態的時空屬性關系，實現各類數據在空間上的分層、在時間上的分期、在位置上的分區、在業務上的邏輯關聯[7]。

CityGML 是用于表達三維城市模板的通用數據模型，從數據適宜程度、精度、對象簡化程度等方面規范了城市三維模型的細節層次（LOD）[8]。本文利用CityGML 構建南沙新區三維時空數據模型的表達層次，包括區域、城市、城市區域、建筑外觀、建筑內部5個LOD（圖3），模型LOD越高，對應的數據精度越高，語義信息越豐富。

圖3 三維時空數據模型的細節層次

2.2 時空數據存儲管理技術

數據中臺面向的業務復雜，涉及的數據類型多、體量大，常規數據庫無法滿足其數據存儲需求。根據南沙新區不同業務和應用場景下的多源異構數據特征，本文設計了基于Redis的時空數據庫，以實現多源異構數據的高效存儲、表達和管理。三維模型數據被設計為三級存儲結構[9]，第一級為三維時空數據庫，包含一個區域集列表和描述該數據庫的元數據信息；第二級為區域集，將三維模型按照區域劃分到不同的集合中，包含區域內建筑要素集合和描述該區域建筑要素的元數據信息；第三級為建筑要素，包含三維模型的空間信息和語義信息。

2.3 時空數據索引技術

由于二三維一體數據中臺的數據庫量級較大，采用高效的索引方法尤為重要。空間目標排序需要一個排序的規則，空間填充曲線即為對目標排序規則的一種直觀表現。空間填充曲線一般通過行列號進行順序索引，不能顧及地物的空間聚類特征；而Hilbert曲線具有優異的空間聚類性，采用遞歸定義的方法，有顯著的規律可尋，即通過不斷的復制翻轉即可得到更高階的曲線。Hilbert曲線構建的空間索引對于空間相鄰的瓦片在索引序列中也是相鄰的，因此加載時能快速獲取場景周邊的瓦片數據。將二階和三階的Hilbert曲線擴展至四階，使曲線從二維擴展至三維，以快速構建空間數據的索引結構。

2.4 三維模型輕量化技術

三維模型數據往往數據量較大，在Web端加載緩慢且易導致瀏覽器卡頓崩潰[10]，一直以來是三維模型加載面臨的瓶頸，嚴重影響了用戶體驗，限制了三維模型的應用；同時對于移動端三維模型加載可視化的需求也越來越迫切。因此，本文針對三維空間數據的結構優化、數據紋理壓縮和組織方式，設計了一種三維模型數據輕量化方法，首先對模型瓦片進行合并；再利用變分近似方法拆分模型，得到模型的每個面；然后刪除每個面內部的三角格網，只保留輪廓線；最后對模型面進行重組，并將紋理映射到相應的面，得到簡化后的輕量化模型。

2.5 快速制圖表達引擎技術

地圖產品是空間數據和統計分析數據的可視化方式之一，能在直觀表達數據內涵和邏輯的基礎上，引導用戶發現數據規律、挖掘潛在知識，從而成為輔助決策的常用手段。本文通過事先預設多風格多尺度的底圖模板、豐富的制圖模板和符號庫等，將快速制圖加工封裝為類似于工廠車間的“生產線”流程式服務，使用戶能根據流程向導制定多專題地圖產品，高效快速，特別適用于應急場景下的產品組裝；支持地圖的增、刪、改、查和服務共享等操作，可實現快速迭代和持續優化。快速制圖流程操作步驟為：①加載或上傳專題數據，可加載平臺中數據目錄內的數據或單獨上傳與平臺數據目錄相同空間坐標的矢量數據；②底圖選擇，選擇底圖區域范圍、適宜相應專題內容和使用需求的底圖風格；③符號設置，為加載的專題數據設置符號、注記等；④模板設置，根據地圖產品用途、需求、內容等，選擇和編輯布局整飾模板；⑤導出地圖，組裝完畢后，選擇導出格式、分辨率等參數，一鍵導出地圖。

3 典型應用案例

根據“邊建設、邊應用”的原則[2]，本文以地理信息時空數據中臺為支撐，開展多行業的應用服務，以不斷提高中臺應用能力，促進中臺共性需求建設。

1）在城市空間演變中的應用。數據中臺助力回溯南沙發展歷史，研究城市空間增長特征和時空演變規律，為南沙未來城市建設和空間規劃提供科學參考。從數據中臺中提取多時相遙感影像數據和多時序土地利用現狀數據，在數據采集和分析上節約了較大的人力和時間成本，高效完成了南沙城市擴張時空演變特征和空間增長模式的定量分析。

2）在“兩違”監督中的應用。利用地理信息時空數據中臺和二三維一體化技術，構建“兩違”監督管理二三維一體平臺（圖4），匯聚全景圖、視頻、統計圖表等多源強現勢性數據，滿足違法用地監管和違法建筑證據留存的需求，實現農用地、建設用地、未利用地全域“兩違”變化識別追蹤能力，提高儲備用地的視頻模型協同證據留存能力，減少外業巡查人員的人力成本和視角局限，人力和時間成本降低70%。

圖4 “兩違”監督管理二三維一體平臺

3）在工業企業摸查中的應用。數據中臺助力南沙新區工業企業現狀調查，開展工業企業發展與產業用地現狀摸查，支撐南沙新區工業高質量發展。基于時空數據中臺，對企業數據進行邏輯劃分，建立工業企業分析模型，形成了“目標、數據、模型、產品”的應用體系（圖5）。通過迅速提取和挖掘工業企業摸查中需要的時空數據，對全區規上工業企業和規下樣本企業的地理、社會、經濟等屬性進行摸查和快速制圖表達，節約了近100 d 的工業企業地理屬性采集時間，制圖時間縮短了58%。

圖5 數據中臺助力南沙新區工業企業摸查應用模式

4）在城市體檢中的應用。數據中臺支撐城市體檢評估，面向南沙新區全域約803 km2范圍，開展南沙新區城市人居環境評價，查找城市問題并提出政策建議。基于數據中臺數據構建面向城市體檢指標評價的分析模型，形成“目標、數據、模型、指標、產品”的應用體系（圖6），產品制圖時間縮短了65%。

圖6 數據中臺支撐城市體檢應用模式

5）在招商引資中的應用。綜合采用地理信息、移動互聯網和數據庫技術，以數據中臺為載體，對地理空間數據進行集中管理與分布使用，支撐招商引資系統建設。系統包括地圖瀏覽、基礎地理圖層切換、距離與面積測量、功能規劃區識別、地圖標注、位置點搜索查詢和720°全景圖瀏覽等功能，可輔助城市發展戰略規劃落圖、產業用地可視化核查、重點片區可視化宣傳、重點樓宇可視化推介，全方面、多角度展示南沙新區各大區塊的地理環境，有利于在短時間內快速考察多個區塊的區位、交通、產業、周邊設施等情況，節約單次現場考察的時間和交通成本，在一定程度上提高了招商引資的資金引進率。

4 結 語

地理信息時空數據中臺作為智慧南沙的地理信息數據底座，落實“兩服務、兩支撐”的要求，聚焦自然資源空間管控需求，面向資源統籌、安全底線、要素配置，提供了豐富的數據、產品與功能服務，高效支撐智慧應用建設，全面提升南沙新區時空地理信息數據的服務和共享能力，在解決信息孤島、數據壁壘、數據利用低、業務響應慢、數據質量差、數據價值低等方面取得了一定成效。

隨著信息技術的更加成熟，未來可獲取的數據種類越來越多，數據應用的業務場景也更加復雜多樣。數據中臺應始終堅持以應用為導向，務實資源提供和深度應用能力，朝著數據更多樣、底層更智能、上層更簡單、應用更豐富的方向發展。另外，數據中臺需協同各行業，共同豐富數據中臺生態圈，不斷迭代循環，優化時空數據資源，進一步提升數據應用服務能力，實現“用數據說話、用數據決策、用數據管理、用數據創新”，為南沙新區建設提供權威、全面、時效、安全的數據服務支撐。