省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)底座的建設(shè)及應(yīng)用成效

文 | 李亞平 魏國(guó) 吳凱 趙曉梅 張靜 孟奇

1.中科院空天信息創(chuàng)新研究院 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)軍民融合發(fā)展研究中心

隨著“數(shù)字經(jīng)濟(jì)”時(shí)代的到來(lái)，數(shù)據(jù)已經(jīng)成為第五大生產(chǎn)要素，正在逐漸形成流通和交易制度。隨著北斗導(dǎo)航的大眾化、規(guī)模化應(yīng)用，北斗用戶終端以及服務(wù)于北斗用戶終端的信息系統(tǒng)所產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)是一種具有特殊意義的數(shù)據(jù)，也具有重要挖掘價(jià)值，已經(jīng)被政府和行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注。近年來(lái)省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)底座建設(shè)被作為推動(dòng)北斗產(chǎn)業(yè)發(fā)展和規(guī)模化應(yīng)用的重要舉措，正在加速推進(jìn)。本文針對(duì)省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)底座建設(shè)的背景、現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)、預(yù)期成效以及面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了初步探索研究，為未來(lái)省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)底座建設(shè)提供參考。

一、省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)底座建設(shè)概念與建設(shè)現(xiàn)狀

1. 省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)底座概念

時(shí)空大數(shù)據(jù)是指基于統(tǒng)一的時(shí)空基準(zhǔn)（空間參照系統(tǒng)、時(shí)間參照系統(tǒng)），存在于空間與時(shí)間中，與位置直接（定位）或間接（時(shí)空分布）相關(guān)聯(lián)的大規(guī)模海量數(shù)據(jù)集，由“基礎(chǔ)地理時(shí)空數(shù)據(jù)”和“部門(mén)行業(yè)專(zhuān)題數(shù)據(jù)”融合而成[1]。省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)底座是時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)和國(guó)家北斗大數(shù)據(jù)中心省級(jí)分中心融合的產(chǎn)物，主要完成以北斗導(dǎo)航為時(shí)空基準(zhǔn)的省級(jí)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和行業(yè)應(yīng)用中動(dòng)態(tài)要素?cái)?shù)據(jù)的匯聚、處理、管理、共享分發(fā)，把省級(jí)各種分散的（點(diǎn)數(shù)據(jù)）和分割的（條數(shù)據(jù)）時(shí)空大數(shù)據(jù)匯聚到一個(gè)特定的自主可控的平臺(tái)上,并使之發(fā)生持續(xù)的聚合效應(yīng)。因此，省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)中心底座可以定義為匯聚省級(jí)北斗連續(xù)運(yùn)行參考站（CORS）站網(wǎng)數(shù)據(jù)、北斗用戶終端數(shù)據(jù)、省級(jí)基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)，利用北斗系統(tǒng)的導(dǎo)航、定位、授時(shí)、短報(bào)文四大服務(wù)，打造具備省級(jí)泛在、智能、可信的定位、導(dǎo)航與授時(shí)（PNT）服務(wù)能力的基礎(chǔ)服務(wù)平臺(tái)。其核心要素包括地基增強(qiáng)感知網(wǎng)、北斗大數(shù)據(jù)中心（基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)中臺(tái)）、災(zāi)備中心、北斗位置服務(wù)云平臺(tái)、基礎(chǔ)地圖、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、行業(yè)示范應(yīng)用共性插件(業(yè)務(wù)中臺(tái)）。基于該平臺(tái)所支撐的示范行業(yè)包括但是不限于智慧農(nóng)業(yè)、城市管理、智能交通、政務(wù)信息化、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警、應(yīng)急指揮等。

2. 省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)底座建設(shè)現(xiàn)狀

國(guó)家“十四五”規(guī)劃綱要明確指出，要“迎接數(shù)字時(shí)代，激活數(shù)據(jù)要素潛能，推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)建設(shè)，加快建設(shè)數(shù)字經(jīng)濟(jì)、數(shù)字社會(huì)、數(shù)字政府，以數(shù)字化轉(zhuǎn)型整體驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)方式、生活方式和治理方式變革”[2]。北斗行業(yè)用戶終端、北斗手機(jī)等大眾的普及應(yīng)用，將產(chǎn)生海量的動(dòng)態(tài)時(shí)空數(shù)據(jù)，時(shí)空數(shù)據(jù)的分析挖掘，能夠?yàn)槌鞘泄芾硖峁┲匾獩Q策依據(jù)。省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)底座的基礎(chǔ)是國(guó)家北斗大數(shù)據(jù)中心省級(jí)分中心，北斗大數(shù)據(jù)中心的建設(shè)為北斗時(shí)空底座的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。下面針對(duì)國(guó)家級(jí)、省級(jí)北斗時(shí)空數(shù)據(jù)中心建設(shè)現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)。

（1）國(guó)家級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)中心

2013年，中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用管理中心和國(guó)家信息中心達(dá)成合作協(xié)議，共建北斗導(dǎo)航位置服務(wù)數(shù)據(jù)中心[3]，中心統(tǒng)籌利用國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施與數(shù)據(jù)資源，構(gòu)建跨層級(jí)、跨行業(yè)的北斗數(shù)據(jù)中心，推動(dòng)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)中盡快發(fā)揮作用。2017年1月，國(guó)家北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)中心開(kāi)始掛牌運(yùn)行。貴州、重慶、安徽等分中心也陸續(xù)掛牌。

國(guó)家北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)中心旨在統(tǒng)籌國(guó)家基礎(chǔ)信息和數(shù)據(jù)資源，向社會(huì)提供跨行業(yè)、跨層級(jí)的北斗數(shù)據(jù)。中心建設(shè)分三級(jí)，分別是國(guó)家級(jí)中心、行業(yè)及省級(jí)數(shù)據(jù)分中心、地市及以下級(jí)數(shù)據(jù)子中心。

（2）省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)中心

近些年來(lái)，尤其是“東數(shù)西算”“數(shù)字經(jīng)濟(jì)”“推進(jìn)北斗規(guī)模化應(yīng)用”等國(guó)家相關(guān)支持政策的陸續(xù)發(fā)布，省級(jí)北斗分中心的推進(jìn)力度開(kāi)始加大。近五年媒體報(bào)道[3-5]的省級(jí)北斗分中心有6個(gè)（表1）。

表1 近五年省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)中心建設(shè)情況

二、省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)底座的體系架構(gòu)

省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)底座主要完成省級(jí)北斗時(shí)空數(shù)據(jù)的匯聚、處理、管理和分發(fā)，頂層架構(gòu)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)建設(shè)、安全運(yùn)行的核心關(guān)鍵，各省份建設(shè)沒(méi)有統(tǒng)一的模板，而且隨著區(qū)域需求變化、信息技術(shù)的發(fā)展不斷有新的架構(gòu)出現(xiàn)，目前，以云安全、云計(jì)算、數(shù)據(jù)中臺(tái)等為支撐的技術(shù)架構(gòu)較為普及。

本文給出一種較為通用的技術(shù)架構(gòu)體系，自上而下包括云基礎(chǔ)設(shè)施、北斗大數(shù)據(jù)軟件、應(yīng)用支撐系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)，其中基礎(chǔ)設(shè)施包括計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)資源、機(jī)房安全環(huán)境、云管平臺(tái)、虛擬化系統(tǒng)等；大數(shù)據(jù)中心的軟件設(shè)計(jì)采用數(shù)據(jù)中臺(tái)的設(shè)計(jì)思路，主要模塊組成包括數(shù)據(jù)匯聚、專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)交換分發(fā)等；應(yīng)用支撐系統(tǒng)承上啟下，將多種行業(yè)專(zhuān)題應(yīng)用所需要的共性模型、算法進(jìn)行抽象建模，封裝成共性模型算法和應(yīng)用服務(wù)組件庫(kù)，為上層應(yīng)用提供支撐；應(yīng)用系統(tǒng)包括服務(wù)于各行業(yè)、公眾服務(wù)的應(yīng)用系統(tǒng)，為系統(tǒng)的應(yīng)用提供支撐，服務(wù)的用戶包括政府、行業(yè)、公眾以及第三方企業(yè)等，如圖1所示。

圖1 省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)底座體系架構(gòu)圖

三、建設(shè)省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)底座的關(guān)鍵技術(shù)

建設(shè)一個(gè)省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)底座是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，通用的技術(shù)包括底層云計(jì)算、虛擬化、云安全等計(jì)算機(jī)領(lǐng)域技術(shù)，還有數(shù)據(jù)中心所涉及的海量數(shù)據(jù)匯聚、高效存儲(chǔ)、共享分發(fā)等大數(shù)據(jù)技術(shù)，以及空間數(shù)據(jù)的處理存儲(chǔ)等，涉及的技術(shù)很多，列舉與導(dǎo)航/GIS學(xué)科強(qiáng)關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵技術(shù)如下。

1. 省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)底座的數(shù)據(jù)體系構(gòu)建

數(shù)據(jù)是省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)底座建設(shè)的核心，是決定數(shù)據(jù)中心軟硬件建設(shè)規(guī)模的主要因素，數(shù)據(jù)中心需要匯集的數(shù)據(jù)包括基準(zhǔn)站原始觀測(cè)數(shù)據(jù)、普通終端觀測(cè)數(shù)據(jù)、北斗RDSS服務(wù)終端數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集設(shè)施的狀態(tài)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、高分辨率遙感數(shù)據(jù)、重點(diǎn)區(qū)域的實(shí)景三維數(shù)據(jù)、行業(yè)應(yīng)用的專(zhuān)題數(shù)據(jù)、引接國(guó)家信息中心的宏觀經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理后的高精度服務(wù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的數(shù)據(jù)清理、治理、處理過(guò)程數(shù)據(jù)等，需要構(gòu)建一個(gè)完備、合理的數(shù)據(jù)體系，以適應(yīng)海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)跨時(shí)空、多尺度匯聚與分布式存儲(chǔ)需求。

2.多模態(tài)時(shí)空大數(shù)據(jù)的組織和可視化技術(shù)

北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)中心需要展示北斗終端的位置態(tài)勢(shì)、北斗行業(yè)應(yīng)用態(tài)勢(shì)和北斗服務(wù)態(tài)勢(shì)等，需要在海量、高維、動(dòng)態(tài)的多模態(tài)時(shí)空大數(shù)據(jù)中挖掘有價(jià)值、潛在、復(fù)雜的時(shí)空語(yǔ)義關(guān)聯(lián),綜合感知時(shí)空大數(shù)據(jù)反映的發(fā)展態(tài)勢(shì),進(jìn)行科學(xué)合理的探索推理預(yù)測(cè)，為區(qū)域北斗產(chǎn)業(yè)發(fā)展、北斗行業(yè)應(yīng)用等政策規(guī)范的制定提供支持。而時(shí)空大數(shù)據(jù)具有多源、多粒度、多模態(tài)和時(shí)空復(fù)雜關(guān)聯(lián)的特點(diǎn)，時(shí)空大數(shù)據(jù)可視化重點(diǎn)對(duì)時(shí)間與空間維度以及與之相關(guān)的信息對(duì)象屬性建立可視化表征[6]，對(duì)與時(shí)間和空間密切相關(guān)的模式及規(guī)律進(jìn)行展示，大數(shù)據(jù)環(huán)境下時(shí)空數(shù)據(jù)的高維性、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)是時(shí)空數(shù)據(jù)可視化的重點(diǎn)[7]。

3.規(guī)模化導(dǎo)航增強(qiáng)網(wǎng)實(shí)時(shí)處理與信息服務(wù)技術(shù)

北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)中心匯聚的GNSS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)中心完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，形成高精度的服務(wù)產(chǎn)品，為本區(qū)域內(nèi)的終端提供高精度的信息服務(wù)。省級(jí)的CORS網(wǎng)絡(luò)分布范圍依據(jù)各省區(qū)劃面積不同而不同，但需要基本全省覆蓋、行業(yè)全覆蓋、重點(diǎn)區(qū)域加密建設(shè)，一般都在上百個(gè)站以上，由于信息匯聚的CORS站網(wǎng)數(shù)據(jù)量大，服務(wù)范圍廣，需要建立高效的處理與分發(fā)算法完成實(shí)時(shí)服務(wù)，大規(guī)模的GNSS網(wǎng)絡(luò)計(jì)算成為本項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)[8]。

四、省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)底座的建設(shè)成效

1.建設(shè)基礎(chǔ)環(huán)境，提高區(qū)域時(shí)空信息服務(wù)能力

省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)底座，匯聚區(qū)域內(nèi)分散建設(shè)的CORS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，構(gòu)建大數(shù)據(jù)中心的硬件基礎(chǔ)設(shè)施，把各種分散的（點(diǎn)數(shù)據(jù)）和分割的（條塊）時(shí)空大數(shù)據(jù)匯聚到一個(gè)平臺(tái)上，形成持久的聚合效應(yīng)。通過(guò)多維度數(shù)據(jù)融合、關(guān)聯(lián)分析、數(shù)據(jù)挖掘，形成時(shí)空數(shù)據(jù)資源的基礎(chǔ)環(huán)境、應(yīng)用環(huán)境，提高區(qū)域時(shí)空信息服務(wù)能力。圖2為內(nèi)蒙古省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)底座的主界面圖。

圖2 內(nèi)蒙古省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)底座的主界面圖

2.引導(dǎo)行業(yè)應(yīng)用，推進(jìn)北斗產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)底座的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用接口、規(guī)范的發(fā)布，有利于基礎(chǔ)信息與測(cè)繪導(dǎo)航信息融合共享，降低了行業(yè)、企業(yè)開(kāi)發(fā)利用北斗高精度信息服務(wù)的成本，從而可以降低北斗產(chǎn)業(yè)的進(jìn)入門(mén)檻，促進(jìn)區(qū)域北斗規(guī)模化應(yīng)用，推進(jìn)北斗產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。圖3為基于位置云平臺(tái)的礦山邊坡、公路安全監(jiān)測(cè)行業(yè)示范系統(tǒng)。

圖3 基于位置云平臺(tái)的礦山邊坡、公路安全監(jiān)測(cè)行業(yè)示范系統(tǒng)

3.賦能數(shù)字經(jīng)濟(jì)，拓展時(shí)空大數(shù)據(jù)應(yīng)用市場(chǎng)

數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，數(shù)據(jù)被列為第五大生產(chǎn)要素，時(shí)空數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)資源體系的核心，現(xiàn)實(shí)生活中80%的數(shù)據(jù)與時(shí)間或空間相關(guān)。時(shí)空數(shù)據(jù)具有大數(shù)據(jù)典型特征，海量多源數(shù)據(jù)的高效準(zhǔn)確處理技術(shù)挑戰(zhàn)較大。北斗導(dǎo)航、測(cè)繪遙感、地理信息等組成的時(shí)空信息服務(wù)，可充分發(fā)揮時(shí)空大數(shù)據(jù)在推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展中的基礎(chǔ)性、先行性作用。圖4為省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)底座的數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理系統(tǒng)。

圖4 省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)底座的數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理系統(tǒng)

五、建設(shè)省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)底座面臨的挑戰(zhàn)

1.數(shù)據(jù)來(lái)源與共享服務(wù)的合理管控問(wèn)題

省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)底座的建設(shè)，需要匯集來(lái)自不同行業(yè)領(lǐng)域的北斗時(shí)空位置數(shù)據(jù)，同時(shí)需要為政府、行業(yè)、公眾提供共享分發(fā)服務(wù)，為第三方企業(yè)用戶提供有償服務(wù)，隨著北斗導(dǎo)航應(yīng)用的規(guī)模化、普及化，數(shù)據(jù)來(lái)源日益多樣化，如何利用先進(jìn)的技術(shù)手段、規(guī)范體系來(lái)保障數(shù)據(jù)來(lái)源的合理性、規(guī)范性、持續(xù)性，同時(shí)能保證數(shù)據(jù)去向的可追溯性、共享渠道的安全性等，是省級(jí)北斗大數(shù)據(jù)底座建設(shè)面臨的重要挑戰(zhàn)。

2.時(shí)空信息的安全保障問(wèn)題

省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)底座所承載的北斗位置服務(wù)數(shù)據(jù)、行業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)以及基礎(chǔ)的北斗CORS網(wǎng)數(shù)據(jù)，都是信息安全領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，基于位置的服務(wù)已經(jīng)深度融入公眾生活，時(shí)空信息的大數(shù)據(jù)挖掘也成為個(gè)人信息泄露的重要渠道，區(qū)別北斗時(shí)空底座承載了大量個(gè)人、行業(yè)、政府的動(dòng)態(tài)位置信息，所以，時(shí)空信息的安全保障問(wèn)題是區(qū)域北斗大數(shù)據(jù)時(shí)空底座建設(shè)的重要挑戰(zhàn)。

3.大數(shù)據(jù)平臺(tái)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)問(wèn)題

省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)底座的建設(shè)屬于系統(tǒng)工程，投資規(guī)模都在千萬(wàn)級(jí)以上，具備很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但是，后續(xù)需要有持續(xù)可靠的運(yùn)營(yíng)維護(hù)方案，保障有償經(jīng)營(yíng)類(lèi)收入能夠抵扣公益服務(wù)類(lèi)以及平臺(tái)本身升級(jí)改造的成本，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)本身具備自我造血和持續(xù)發(fā)展的能力，讓平臺(tái)持續(xù)發(fā)揮其整體服務(wù)效能，是目前面臨的一大挑戰(zhàn)。

六、小結(jié)

面向各種挑戰(zhàn)問(wèn)題，在省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)底座的建設(shè)過(guò)程中，各中心也探索出了不同的措施進(jìn)行應(yīng)對(duì)，包括依托當(dāng)?shù)赝ㄐ胚\(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)渠道保障匯聚數(shù)據(jù)的來(lái)源與合理管控，依托省級(jí)政務(wù)中心的硬件基礎(chǔ)資源和大數(shù)據(jù)中心資源保障安全，與大型國(guó)企用戶、運(yùn)營(yíng)商、行業(yè)用戶等共建共營(yíng)、共同推進(jìn)保障運(yùn)營(yíng)運(yùn)維。省級(jí)北斗時(shí)空大數(shù)據(jù)底座作為推進(jìn)北斗規(guī)模化、大眾化應(yīng)用的具體措施，將會(huì)在推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)、帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。