趙 元，彭 玲，池天河，楊麗娜，姚曉婧

(1.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101；2.中國(guó)科學(xué)院北京國(guó)家技術(shù)轉(zhuǎn)移中心，北京 100086；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

智慧城市綜合信息分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙 元1，3，彭 玲1，2，池天河1，楊麗娜1，姚曉婧1

(1.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101；2.中國(guó)科學(xué)院北京國(guó)家技術(shù)轉(zhuǎn)移中心，北京 100086；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

基于從數(shù)字城市到智慧城市的發(fā)展背景，針對(duì)從數(shù)據(jù)單純共享到數(shù)據(jù)整合分析的需求轉(zhuǎn)變，站在數(shù)據(jù)資源整合和綜合信息分析的角度，對(duì)智慧城市綜合信息分析系統(tǒng)的技術(shù)特征進(jìn)行了分析；重點(diǎn)探討了城市級(jí)時(shí)空綜合數(shù)據(jù)模型、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合、存儲(chǔ)及動(dòng)態(tài)更新、城市級(jí)空間全要素編碼、多層級(jí)城市綜合信息展示與分析等關(guān)鍵技術(shù)的研究?jī)?nèi)容和方向；闡述了系統(tǒng)的體系架構(gòu)、總體技術(shù)路線，以及在中新天津生態(tài)城的實(shí)際建設(shè)與應(yīng)用情況。

智慧城市；空間地理信息；空間信息平臺(tái)；多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合；綜合分析

一、引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、新一代移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的迅速發(fā)展和深入應(yīng)用，信息化向更高階段的智慧化發(fā)展，“智慧城市”的概念迅速崛起并快速發(fā)展。建立以基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)為載體，融合業(yè)務(wù)專題數(shù)據(jù)，依托互聯(lián)網(wǎng)為社會(huì)公眾、政府部門及企事業(yè)單位等提供查詢、分析、輔助決策等服務(wù)的智慧城市公共信息平臺(tái)是構(gòu)建智慧城市的基礎(chǔ)和框架[1]。以地理空間框架為基礎(chǔ)的數(shù)字城市建設(shè)極大地促進(jìn)了城市數(shù)據(jù)資源的集成、開(kāi)發(fā)和利用[2]，然而，如何更全面地融合城市空間內(nèi)的異構(gòu)多源信息，在共享的基礎(chǔ)上深入挖掘城市綜合信息中蘊(yùn)含的發(fā)展模式、變化趨勢(shì)等決策價(jià)值，是智慧城市建設(shè)中面臨的核心挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述趨勢(shì)和挑戰(zhàn)，本文站在數(shù)據(jù)資源整合和綜合信息分析的角度，對(duì)架構(gòu)在智慧城市公共信息平臺(tái)基礎(chǔ)上的智慧城市綜合信息分析系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“綜合信息分析系統(tǒng)”)的框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，討論相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的主要研究方向和研究?jī)?nèi)容，并以中新天津生態(tài)城為例，探討城市級(jí)綜合信息分析系統(tǒng)的實(shí)際建設(shè)問(wèn)題。

二、系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)從邏輯結(jié)構(gòu)上分為6層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、平臺(tái)層、應(yīng)用層、用戶層，如圖1所示。感知層是物聯(lián)網(wǎng)的終端層，包括二維碼標(biāo)簽和識(shí)讀器、RFID標(biāo)簽和讀寫器、攝像頭、GPS、傳感器網(wǎng)絡(luò)等感知終端，主要是識(shí)別物體和采集信息的作用[3]；網(wǎng)絡(luò)層承擔(dān)信息傳輸?shù)墓ぷ?，包括通信網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等；數(shù)據(jù)層融合終端采集的數(shù)據(jù)及與業(yè)務(wù)系統(tǒng)對(duì)接的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、檢查等，并關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)，為應(yīng)用層進(jìn)行智能化分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；平臺(tái)層實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的目錄提取與管理，針對(duì)服務(wù)的審批與發(fā)布進(jìn)行統(tǒng)一管理，并維護(hù)整體系統(tǒng)運(yùn)行；應(yīng)用層整合各方面信息進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、智能化分析，并將結(jié)果與空間數(shù)據(jù)可視化結(jié)合，為用戶提供有效決策輔助信息。

三、系統(tǒng)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)據(jù)來(lái)源的廣泛性直接決定了數(shù)據(jù)綜合分析決策支持的有效性[4]，綜合信息分析系統(tǒng)的生命力來(lái)源于各種空間數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)信息數(shù)據(jù)，系統(tǒng)需要對(duì)資源進(jìn)行全面整合與深入分析，才能實(shí)現(xiàn)信息共享與挖掘，主要包括城市級(jí)時(shí)空綜合數(shù)據(jù)模型，多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合、存儲(chǔ)及動(dòng)態(tài)更新，城市全要素編碼與自動(dòng)尋址，多層級(jí)城市綜合信息分析等關(guān)鍵技術(shù)。

1.城市級(jí)時(shí)空綜合數(shù)據(jù)模型

城市內(nèi)要素和事件具有明顯的空間特征和時(shí)間特征，智慧城市的建設(shè)與管理亟須一種能夠融合全面信息，立體表達(dá)時(shí)間、空間特征，體現(xiàn)事物空間相關(guān)性及時(shí)間變化特性，符合人類認(rèn)知的數(shù)據(jù)模型。本文提出從多尺度、多時(shí)態(tài)、多維度、多專題四維角度建立城市級(jí)時(shí)空綜合數(shù)據(jù)概念模型，如圖2所示?？臻g尺度方面，對(duì)城市區(qū)域進(jìn)行不規(guī)則多級(jí)劃分，利用多尺度建立地理要素空間上的嵌套關(guān)系；時(shí)間尺度方面，建立以空間要素為單元，以時(shí)間為記錄節(jié)點(diǎn)的變化關(guān)系，體現(xiàn)空間要素時(shí)序上的變化；綜合信息方面，整合多維度地理空間、多源異構(gòu)業(yè)務(wù)專題數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、融合、共享、分析，建立多源信息采集路徑及多專題信息服務(wù)提供。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

圖2 城市級(jí)時(shí)空綜合數(shù)據(jù)概念模型

2.多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合、存儲(chǔ)及動(dòng)態(tài)更新

在實(shí)際建設(shè)應(yīng)用中，為實(shí)現(xiàn)城市級(jí)時(shí)空綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，面臨著3個(gè)挑戰(zhàn)：①政府各部門獨(dú)立建設(shè)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)組織、存儲(chǔ)方式、平臺(tái)構(gòu)建等都不盡相同[5]，必須對(duì)這些混亂的信息源進(jìn)行清洗、重組融合，獲取所需“純凈”信息[6]并提煉升華為能夠支持決策的“知識(shí)”。②城市的全面感知隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展全面鋪開(kāi)，同時(shí)文本、音頻、圖像、動(dòng)畫、視頻等新的數(shù)據(jù)形式也逐漸被重視起來(lái)。這些分散異構(gòu)、大數(shù)據(jù)量的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)管理、存儲(chǔ)、傳輸與共享提出了新的挑戰(zhàn)[7]。③數(shù)據(jù)是公共信息平臺(tái)的“血液”，而數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性則是平臺(tái)的“生命”[7]，是平臺(tái)持續(xù)發(fā)揮作用的保障。需要針對(duì)不同特點(diǎn)的數(shù)據(jù)制定長(zhǎng)期有效的數(shù)據(jù)更新機(jī)制，包括更新責(zé)任歸屬、更新周期、數(shù)據(jù)更新質(zhì)量檢查、安全控制、歷史數(shù)據(jù)管理等機(jī)制問(wèn)題[8]。

系統(tǒng)構(gòu)建基于數(shù)據(jù)中心模式的分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)，融合數(shù)據(jù)中心集中管理、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)易于擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，利用多個(gè)分中心實(shí)現(xiàn)與異構(gòu)業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的無(wú)縫銜接，進(jìn)行數(shù)據(jù)的抽取、審查、清洗、編碼預(yù)處理等。系統(tǒng)初始對(duì)接時(shí)確定每項(xiàng)數(shù)據(jù)的更新方式、更新頻率等，流程確認(rèn)后系統(tǒng)定期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新維護(hù)；利用主中心建立統(tǒng)一多層級(jí)數(shù)據(jù)目錄和管理平臺(tái)，統(tǒng)一空間坐標(biāo)系和數(shù)據(jù)編碼，實(shí)現(xiàn)空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)集中管理，與分中心進(jìn)行核心數(shù)據(jù)的交換并冗余存儲(chǔ)，提高數(shù)據(jù)服務(wù)的性能。系統(tǒng)利用元數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)日志記錄數(shù)據(jù)的屬性、更新參數(shù)、審批參數(shù)及歷史更新?tīng)顟B(tài)，全程記錄和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)全生命周期，保證數(shù)據(jù)表的一致性和準(zhǔn)確性。

3.城市級(jí)空間全要素編碼

城市地理空間信息是其他各領(lǐng)域信息存儲(chǔ)、管理、分析的基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)人口、經(jīng)濟(jì)、交通、規(guī)劃、環(huán)保等專題數(shù)據(jù)的深層次泛在融合，需要突破常規(guī)的基于規(guī)則格網(wǎng)(如四叉樹(shù))進(jìn)行空間剖分的方法，采用具有自然語(yǔ)義的不規(guī)則空間格網(wǎng)進(jìn)行地理空間多層次剖分，增加剖分空間與實(shí)體目標(biāo)間映射對(duì)應(yīng)的適應(yīng)性[9]，形成可以滿足多尺度應(yīng)用需求的城市級(jí)空間全要素編碼。

本文提出前段分類識(shí)別碼、中段空間定位碼和后段順序碼組合的城市級(jí)空間全要素編碼模型。前段分類編碼參考《基礎(chǔ)地理信息要素分類與代碼》(GB/T 13923—2006)[10]標(biāo)準(zhǔn)，包括大類、中類、小類、子類碼，用于識(shí)別編碼類別(地理實(shí)體、業(yè)務(wù)實(shí)體)；中段空間定位碼結(jié)合地理實(shí)體的自然屬性與管理屬性，按照“省級(jí)行政區(qū)—市級(jí)行政區(qū)—區(qū)(縣)級(jí)行政區(qū)—街道級(jí)行政區(qū)—社區(qū)—管理單元—地塊—建筑”8個(gè)尺度，將城市地理空間進(jìn)行剖分，構(gòu)造出唯一且統(tǒng)一的空間層級(jí)編碼；后段順序碼主要起同類別、同屬空間位置要素的順序標(biāo)識(shí)作用。該模型具有統(tǒng)一性、可推廣性及可擴(kuò)展性?；诳臻g全要素編碼，開(kāi)發(fā)智能化的自動(dòng)尋址引擎，提出基于全文檢索技術(shù)構(gòu)造地址匹配引擎的思路，實(shí)現(xiàn)非空間數(shù)據(jù)的自動(dòng)尋址定位關(guān)聯(lián)、數(shù)據(jù)空間化、融合的自動(dòng)化和智能化。

4.多層級(jí)城市綜合信息展示與分析

對(duì)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)中集成的數(shù)據(jù)進(jìn)行基于業(yè)務(wù)模型、專家知識(shí)、地理規(guī)則的分析，成為能夠支持決策的“智慧”是綜合分析系統(tǒng)的最終目的。因此，以地理空間信息為核心，突破城市內(nèi)部行業(yè)壁壘，將專題信息集中展現(xiàn)，綜合利用各種技術(shù)手段進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，分析數(shù)據(jù)間關(guān)系，提取事件發(fā)生的空間模式等是綜合信息分析系統(tǒng)的核心。

對(duì)城市綜合信息的分析應(yīng)具備面向多用戶、多尺度分析、多展示維度、多時(shí)態(tài)對(duì)比、多相關(guān)專題等特征。面向多用戶是指系統(tǒng)面向不同用戶需求提供不同功能，面向領(lǐng)導(dǎo)提供行業(yè)結(jié)果性、綜合性數(shù)據(jù)，輔助管理決策；面向公眾提供居住、交通、購(gòu)物類的便民信息；面向業(yè)務(wù)人員提供跨部門的共用數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息共享互用。多尺度分析是指在基于地理空間進(jìn)行業(yè)務(wù)信息分析時(shí)，智能識(shí)別地圖尺度級(jí)別并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析的精細(xì)定位及粒度控制。多展示維度是指系統(tǒng)支持對(duì)地理空間信息的多維度展示，包括二維、2.5維、三維地圖、遙感影像等，多角度全面展示城市地理空間，支撐各類信息的疊加與動(dòng)態(tài)展現(xiàn)。多時(shí)態(tài)對(duì)比主要指不同時(shí)間的多期遙感衛(wèi)星/航攝影像進(jìn)行對(duì)比分析，直觀清晰地為用戶展示城市建設(shè)的變化信息。多相關(guān)專題是指系統(tǒng)支持展示跨部門、跨業(yè)務(wù)的相關(guān)專題信息，并進(jìn)行綜合分析，體現(xiàn)相關(guān)專題之間的相關(guān)關(guān)系。

四、系統(tǒng)建設(shè)與實(shí)現(xiàn)

基于以上設(shè)計(jì)思路，以O(shè)racle與ArcSDE結(jié)合作為海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)基礎(chǔ)，系統(tǒng)整體采用B/S框架，結(jié)合Flex與Java開(kāi)發(fā)語(yǔ)言在中新生態(tài)城公共信息平臺(tái)的基礎(chǔ)上研發(fā)了智慧城市綜合信息分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了城市級(jí)別數(shù)據(jù)資源的匯集、共享、整合、展示、分析，為公眾提供便民服務(wù)、為業(yè)務(wù)人員提供統(tǒng)一查詢、為政府提供管理決策支持。

前臺(tái)數(shù)據(jù)分析與展示功能應(yīng)用ArcGIS API for JavaScript和ArcGIS API for Flex等前端應(yīng)用編程接口，通過(guò)Java編寫的Web Services實(shí)現(xiàn)前臺(tái)界面和數(shù)據(jù)庫(kù)的交互。地圖服務(wù)應(yīng)用ArcGIS Server發(fā)布，并供前臺(tái)系統(tǒng)調(diào)用，對(duì)SOM和SOC采用分布式部署方式，將負(fù)載分?jǐn)偟蕉鄠€(gè)服務(wù)器上，以確保地理信息服務(wù)質(zhì)量與響應(yīng)效率。

1.數(shù)據(jù)建設(shè)

基于中新天津生態(tài)城建設(shè)局、環(huán)境局、經(jīng)濟(jì)局、城管大隊(duì)、投資公司(企業(yè))等單位共享的地理空間數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行逐項(xiàng)梳理，結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，形成適用于生態(tài)城的智慧城市數(shù)據(jù)體系，構(gòu)建以基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)、專業(yè)共享數(shù)據(jù)庫(kù)、地名地址數(shù)據(jù)庫(kù)、編碼數(shù)據(jù)庫(kù)、元數(shù)據(jù)庫(kù)等為主的城市級(jí)全要素?cái)?shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，對(duì)數(shù)據(jù)的匯交方式及更新機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)定制化，在系統(tǒng)層面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)更新，保證前端系統(tǒng)應(yīng)用中的數(shù)據(jù)“鮮活”。

2.系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)主要功能包括：①多維數(shù)據(jù)展示，支持二維電子地圖、多期遙感衛(wèi)星影像、2.5維地圖數(shù)據(jù)、三維模型場(chǎng)景數(shù)據(jù)、實(shí)景GIS影像等；②公眾服務(wù)，系統(tǒng)為公眾用戶提供基礎(chǔ)地圖瀏覽，餐飲、購(gòu)物、賓館、教育、醫(yī)療等POI點(diǎn)查詢定位，交通路線查詢等便民功能(如圖3所示)，并將此部分功能同步移植至移動(dòng)終端(手機(jī)/PAD)上，更加便捷；③多指標(biāo)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)將終端傳感器傳回的空氣、水質(zhì)等監(jiān)測(cè)值，以及視頻流等，利用監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行定位，在地圖上對(duì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化信息實(shí)時(shí)上圖、圖文互查和聯(lián)動(dòng)，突破原有二維表格死板化的辦公模式，提高辦公效率(如圖4所示)；④多尺度分析，綜合地理實(shí)體的自然屬性與管理屬性，將地理區(qū)域不規(guī)則剖分為“生態(tài)城全區(qū)—片區(qū)—街區(qū)—細(xì)胞—地塊—建筑”6個(gè)尺度，查詢進(jìn)行時(shí)只對(duì)選中尺度內(nèi)的信息進(jìn)行分析，細(xì)化了空間統(tǒng)計(jì)分析的粒度和精確度，有效支持領(lǐng)導(dǎo)決策；⑤全庫(kù)搜索，系統(tǒng)對(duì)各業(yè)務(wù)部門提供的文檔、圖片等非空間和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理，分類整理并構(gòu)建索引，實(shí)現(xiàn)基于關(guān)鍵詞的綜合數(shù)據(jù)庫(kù)范圍內(nèi)的全庫(kù)搜索，并將搜索記錄與空間位置進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的屬性與空間信息互聯(lián)搜索查詢。

圖3 公眾服務(wù)功能主界面

圖4 視頻監(jiān)控界面

五、結(jié)束語(yǔ)

在數(shù)字城市向智慧城市跨越發(fā)展的背景下，在城市多源數(shù)據(jù)從簡(jiǎn)單共享轉(zhuǎn)變?yōu)槿诤戏治龅男枨髮?dǎo)向下，本文提出了智慧城市綜合信息分析系統(tǒng)建設(shè)的體系架構(gòu)，從數(shù)據(jù)資源整合與綜合信息分析角度探討了時(shí)空數(shù)據(jù)模型、全要素編碼、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合存儲(chǔ)及動(dòng)態(tài)更新、多層級(jí)綜合信息分析等關(guān)鍵技術(shù)，為城市綜合信息分析、政府決策支持與公眾服務(wù)提供了可行思路。該系統(tǒng)已經(jīng)在中新天津生態(tài)城實(shí)現(xiàn)，為下一步實(shí)現(xiàn)智慧城市智能分析、預(yù)測(cè)決策奠定了良好基礎(chǔ)。

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Design and Implementation of Smart City Integrated Information Analysis System

ZHAO Yuan，PENG Ling，CHI Tianhe，YANG Lina，YAO Xiaojing

P208

B

0494-0911(2014)11-0116-04

2013-11-04

國(guó)家科技部政策引導(dǎo)類項(xiàng)目(2011FU125Z24)；國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(41201397)

趙 元(1990—)，女，黑龍江鶴崗人，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)橹腔鄢鞘泄残畔⒐蚕砥脚_(tái)技術(shù)研究與應(yīng)用。

彭 玲

趙元，彭玲，池天河，等.智慧城市綜合信息分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪通報(bào)，2014(11)：116-119.

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