· 文 |信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院 王家耀

時(shí)空大數(shù)據(jù)及其在智慧城市中的應(yīng)用

· 文 |信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院 王家耀

王家耀簡介：

王家耀，1936年生，湖北省武漢市人，中國工程院院士。現(xiàn)任中國人民解放軍信息工程大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，政府特殊津貼獲得者。曾任國務(wù)院學(xué)位委員會(huì)學(xué)科評(píng)議組成員、中國測(cè)繪地理信息學(xué)會(huì)理事、地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)專業(yè)委員會(huì)主任。

王家耀院士長期從事地圖制圖與地理信息工程領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作。作為主要學(xué)科帶頭人，最先在國內(nèi)創(chuàng)辦計(jì)算機(jī)地圖制圖、地理信息工程等新專業(yè)。主持完成國家及軍隊(duì)科研項(xiàng)目20余項(xiàng)，獲國家、軍隊(duì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)9項(xiàng)，出版學(xué)術(shù)著作8部。發(fā)表學(xué)術(shù)論文130余篇，主編學(xué)術(shù)論文集4部。其中，《地圖制圖數(shù)據(jù)處理的模型方法》提出了模型方法是地圖制圖的重要科學(xué)方法等觀點(diǎn)，為現(xiàn)代地圖學(xué)開拓了新的研究領(lǐng)域；《數(shù)字地圖自動(dòng)制圖綜合原理與方法》等3部著作先后獲全國高等學(xué)校優(yōu)秀測(cè)繪教材一等獎(jiǎng)；《空間信息系統(tǒng)原理》被譽(yù)為“知識(shí)創(chuàng)新的專著”。

一、引言

（一）空間與時(shí)間

在哲學(xué)上，空間與時(shí)間一起構(gòu)成運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)存在的兩種基本形式?？臻g指物質(zhì)存在的廣延性；時(shí)間指物質(zhì)運(yùn)動(dòng)過程的持續(xù)性和順序性?？臻g和時(shí)間具有客觀性，同運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)不可分割。沒有脫離物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的空間和時(shí)間，也沒有不在空間和時(shí)間中運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)?？臻g和時(shí)間也是相互聯(lián)系的?，F(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展，特別是相對(duì)論，證明空間和時(shí)間同運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)的不可分割的聯(lián)系?？臻g和時(shí)間是無限和有限的統(tǒng)一。就宇宙而言，空間無邊無際，時(shí)間無始無終；而對(duì)各個(gè)具體事物來說，則是有限的[1]。

（二）空間參照與時(shí)間參照

空間參照與時(shí)間參照是自然與社會(huì)現(xiàn)象的兩個(gè)基本參照系統(tǒng)，任何事物和任何現(xiàn)象都離不開這兩個(gè)基本參照。換句話說，空間坐標(biāo)與時(shí)間刻度是標(biāo)識(shí)自然萬物與社會(huì)現(xiàn)象的兩個(gè)基本特征[2]。

（三）人類活動(dòng)與空間時(shí)間

人類生活在地球上，人類的一切活動(dòng)（學(xué)習(xí)、工作、生活等）都是在確定的時(shí)間與確定的空間（位置）進(jìn)行的，時(shí)時(shí)刻刻都與時(shí)間空間相關(guān)聯(lián)。什么時(shí)間、什么地點(diǎn)、在干什么？什么時(shí)間、什么地方、發(fā)生什么事？什么時(shí)間、在什么地方、探測(cè)（深空、深地、深海）到了什么？全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（GNSS）、遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS），即“3S”集成（基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)和時(shí)空大數(shù)據(jù)與智能挖掘技術(shù)，可以回答以上問題。

（四）大數(shù)據(jù)研究面臨的問題

近些年來，學(xué)界和業(yè)界對(duì)大數(shù)據(jù)的問題十分重視，國內(nèi)外出版了許多論著[3-16]，特別是成立了許多研究院所（中心），但是目前該領(lǐng)域的研究還存在不少問題，歸納起來，大致有以下幾個(gè)方面：

1）論述商業(yè)大數(shù)據(jù)的多（受商業(yè)利益驅(qū)動(dòng)），研究科學(xué)大數(shù)據(jù)的少（科學(xué)決策驅(qū)動(dòng)不夠）；

2）研究一般大數(shù)據(jù)的多，而涉及時(shí)空大數(shù)據(jù)的少，這涉及對(duì)大數(shù)據(jù)與時(shí)空大數(shù)據(jù)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)問題；

3）研究大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的多，真正研究大數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)的少；

4）試圖掌握（擁有）大數(shù)據(jù)的多，而真正應(yīng)用大數(shù)據(jù)的少，有的甚至不知道怎樣應(yīng)用大數(shù)據(jù)；

5）數(shù)據(jù)隱含價(jià)值→技術(shù)發(fā)現(xiàn)價(jià)值→應(yīng)用實(shí)現(xiàn)價(jià)值，或數(shù)據(jù)→大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與挖掘→決策支持的大數(shù)據(jù)技術(shù)系統(tǒng)尚未形成；

6）大數(shù)據(jù)的產(chǎn)業(yè)化還剛剛起步，更未形成大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)體系（軟件產(chǎn)品、軟硬件集成產(chǎn)品、數(shù)據(jù)產(chǎn)品）；

7）數(shù)據(jù)科學(xué)的邊界還不夠清晰，大數(shù)據(jù)理論研究薄弱，更未形成大數(shù)據(jù)理論體系。

二、時(shí)空大數(shù)據(jù)及其科學(xué)價(jià)值與意義

（一）時(shí)空數(shù)據(jù)與時(shí)空大數(shù)據(jù)

時(shí)空數(shù)據(jù)是以地球?yàn)閷?duì)象，基于統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)的與位置直接或間接相關(guān)聯(lián)的地理要素（或現(xiàn)象）信息的數(shù)據(jù)。具有時(shí)間維（T）、空間維（S）和屬性維（D）等多維特征。時(shí)空大數(shù)據(jù)則是大數(shù)據(jù)與地理時(shí)空數(shù)據(jù)的融合，即以地球?yàn)閷?duì)象、基于統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)，活動(dòng)于時(shí)空中與位置直接或間接相關(guān)聯(lián)的大數(shù)據(jù)。

時(shí)空大數(shù)據(jù)揭示了幾乎所有大數(shù)據(jù)都是在一定的時(shí)間和空間中產(chǎn)生的，與位置直接或間接相關(guān)聯(lián)的。大數(shù)據(jù)本質(zhì)上就是時(shí)空大數(shù)據(jù)，它是現(xiàn)實(shí)地理世界空間結(jié)構(gòu)與空間關(guān)系各要素（現(xiàn)象）的數(shù)量、質(zhì)量特征及其隨時(shí)間變化而變化的數(shù)據(jù)集的“總和”。

（二）時(shí)空大數(shù)據(jù)的類型

時(shí)空大數(shù)據(jù)主要包括時(shí)空基準(zhǔn)數(shù)據(jù)、GNSS和位置軌跡數(shù)據(jù)、大地測(cè)量與重磁測(cè)量數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、地圖數(shù)據(jù)、與位置相關(guān)的空間媒體數(shù)據(jù)等類型。

1. 時(shí)空基準(zhǔn)數(shù)據(jù)

時(shí)空基準(zhǔn)數(shù)據(jù)主要包含時(shí)間基準(zhǔn)數(shù)據(jù)（守時(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、授時(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、用時(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)）和空間基準(zhǔn)數(shù)據(jù)（大地坐標(biāo)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)、重磁基準(zhǔn)數(shù)據(jù)、高程和深度基準(zhǔn)數(shù)據(jù)）的總和。

2. GNSS和位置軌跡數(shù)據(jù)

●GNSS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)

一個(gè)基準(zhǔn)站按1s采樣率一天得到的數(shù)據(jù)量約為70MB，按全國3000個(gè)基準(zhǔn)站計(jì)算，則一天的數(shù)據(jù)總量約為210GB。

● 位置軌跡數(shù)據(jù)

通過GNSS測(cè)量和手機(jī)等方法獲得的用戶活動(dòng)數(shù)據(jù)，可被用于反映用戶的位置和用戶的社會(huì)偏好及相關(guān)交通情況等，包括個(gè)人軌跡數(shù)據(jù)、群體軌跡數(shù)據(jù)、交通軌跡數(shù)據(jù)、信息流軌跡數(shù)據(jù)、物流軌跡數(shù)據(jù)、資金流軌跡數(shù)據(jù)等。

3. 大地測(cè)量與重磁測(cè)量數(shù)據(jù)

包括大地控制數(shù)據(jù)、重力場(chǎng)數(shù)據(jù)、磁場(chǎng)數(shù)據(jù)等。

4. 遙感影像數(shù)據(jù)

●衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)——可見光影像數(shù)據(jù)、微波遙感影像數(shù)據(jù)、紅外影像數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)掃描影像數(shù)據(jù)

●航空遙感影像數(shù)據(jù)

●地面遙感影像數(shù)據(jù)

●地下感知數(shù)據(jù)——地下空間和管線數(shù)據(jù)

●水下聲納探測(cè)數(shù)據(jù)——水下地形和地貌數(shù)據(jù)、阻礙物數(shù)據(jù)

5. 地圖數(shù)據(jù)

指各類地圖、地圖集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國1∶5萬數(shù)字矢量線劃地圖（DLG）數(shù)據(jù)量達(dá)250GB、數(shù)字柵格地圖（DRG）數(shù)據(jù)量達(dá)10TB，1∶1萬DLG達(dá)5.3TB、DRG達(dá)350TB。

6. 與位置相關(guān)的空間媒體數(shù)據(jù)

指具有空間位置特征的隨時(shí)間變化的數(shù)字化文字、圖形、圖像、聲音、視頻、影像和動(dòng)畫等媒體數(shù)據(jù)，如通信數(shù)據(jù)、社交網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、搜索引擎數(shù)據(jù)、在線電子商務(wù)數(shù)據(jù)、城市監(jiān)控?cái)z像頭數(shù)據(jù)等。

（三）時(shí)空大數(shù)據(jù)的科學(xué)價(jià)值與意義

這里，僅從時(shí)空大數(shù)據(jù)帶來的科學(xué)范式的變化和產(chǎn)業(yè)的變化予以說明。

1.時(shí)空大數(shù)據(jù)帶來的科學(xué)范式的變化

美國著名科學(xué)哲學(xué)家Thomas S.Kuhn（庫恩）在《The Structure of Scientific Revolutions》（《科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)》）一書中提出“范式”的概念和理論：指的是一個(gè)共同體成員所共享的信仰、價(jià)值、技術(shù)等的集合，指常規(guī)科學(xué)所賴以運(yùn)作的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐規(guī)范，是從事某一科學(xué)的研究者群體所共同遵從的世界觀和行為方式。

計(jì)算機(jī)圖靈獎(jiǎng)得主Jim Grey的四個(gè)科學(xué)范式理論。其中：第一范式，稱為經(jīng)驗(yàn)范式，產(chǎn)生于數(shù)千年前，是描述自然現(xiàn)象的，人們依靠經(jīng)驗(yàn)和觀察為依據(jù)進(jìn)行科學(xué)研究，即依靠科學(xué)實(shí)驗(yàn)的方式探索未知；第二范式，稱為理論范式，產(chǎn)生于幾百年前，是以建模和歸納為基礎(chǔ)的理論學(xué)科和分析范式，即在科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行模型歸納形成相應(yīng)的規(guī)則和理論；第三范式,稱為計(jì)算范式，產(chǎn)生于幾十年前，是以模擬復(fù)雜現(xiàn)象為基礎(chǔ)的計(jì)算科學(xué)范式，即在科學(xué)實(shí)驗(yàn)很難進(jìn)行、理論計(jì)算難以開展和歸納的情況下，采用模擬仿真方式以驗(yàn)證理論及方法正確的可能性，同時(shí)探索更廣泛的科學(xué)領(lǐng)域；第四范式，稱為數(shù)據(jù)密集型范式，今天正在出現(xiàn)，是以數(shù)據(jù)考察為基礎(chǔ)，聯(lián)合理論、實(shí)驗(yàn)和模擬一體的數(shù)據(jù)密集計(jì)算的范式，即從數(shù)據(jù)入手，使用計(jì)算機(jī)程序?qū)嫶蟮臄?shù)據(jù)庫進(jìn)行挖掘，尋找數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。從本質(zhì)上講，他們是利用計(jì)算機(jī)對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，從而發(fā)現(xiàn)各種規(guī)則。

測(cè)繪學(xué)與地理學(xué)的發(fā)展與演進(jìn)，同Jim Grey四個(gè)科學(xué)范式的理論非常契合。當(dāng)今的地球空間信息科學(xué)，正面臨著時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代的全球性挑戰(zhàn)，“第四范式”可能是解決面臨挑戰(zhàn)的具有本質(zhì)性的理論、方法與技術(shù)，不僅是科研方式的轉(zhuǎn)變，也是人們思維方式的大變化（大數(shù)據(jù)思維），通過大數(shù)據(jù)分析和大數(shù)據(jù)挖掘，可以發(fā)現(xiàn)過去的科學(xué)方法發(fā)現(xiàn)不了的新模式、新知識(shí)和新規(guī)律。這正是地球空間信息科學(xué)要解決的問題。

所以，大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來也是推動(dòng)地球空間信息科學(xué)發(fā)展的重要因素，同時(shí)數(shù)據(jù)密集型科學(xué)范式也成為地球空間信息科學(xué)的科學(xué)研究范式。

2.時(shí)空大數(shù)據(jù)帶來的大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的變化

在時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代，應(yīng)該走一條從時(shí)空大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)研究起步的大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)化之路，這樣才能可持續(xù)發(fā)展。

（1）構(gòu)建時(shí)空大數(shù)據(jù)理論體系

圍繞時(shí)空大數(shù)據(jù)科學(xué)理論體系、時(shí)空大數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)與科學(xué)理論、時(shí)空大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的顛覆性應(yīng)用模型探索等開展重大基礎(chǔ)研究，構(gòu)建時(shí)空大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)理論與方法體系。

（2）構(gòu)建時(shí)空大數(shù)據(jù)技術(shù)體系

采用政產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的協(xié)同創(chuàng)新模式和基于開源社區(qū)的開放創(chuàng)新模式，圍繞時(shí)空大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、時(shí)空大數(shù)據(jù)智能綜合與多尺度時(shí)空數(shù)據(jù)庫自動(dòng)生成及增量級(jí)聯(lián)更新、時(shí)空大數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)分析與挖掘、時(shí)空大數(shù)據(jù)可視化、自然語言理解、深度學(xué)習(xí)與深度增強(qiáng)學(xué)習(xí)、人類自然智能與人工智能深度融合、信息安全等領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新性研究，形成時(shí)空大數(shù)據(jù)技術(shù)體系。

（3）構(gòu)建時(shí)空大數(shù)據(jù)產(chǎn)品體系

圍繞時(shí)空大數(shù)據(jù)獲取、處理、分析、挖掘、管理、應(yīng)用等環(huán)節(jié)，研發(fā)時(shí)空大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理軟件、時(shí)空大數(shù)據(jù)分析與挖掘軟件、時(shí)空大數(shù)據(jù)可視化軟件等軟件產(chǎn)品與軟硬件集成產(chǎn)品和多樣化數(shù)據(jù)產(chǎn)品，提供時(shí)空數(shù)據(jù)與各行各業(yè)大數(shù)據(jù)、領(lǐng)域業(yè)務(wù)流程及應(yīng)用需求深度融合的時(shí)空大數(shù)據(jù)解決方案，形成比較健全實(shí)用的時(shí)空大數(shù)據(jù)產(chǎn)品體系。

三、時(shí)空大數(shù)據(jù)與智慧城市

（一）智慧城市的內(nèi)涵與特征

1. 內(nèi)涵

目前，我國的城市信息化建設(shè)絕大部分還停留在數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化階段，而一旦數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展成熟，積累了大量數(shù)據(jù)，勢(shì)必就會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步的信息化需求，這就是智能化。簡單地說，智慧城市就是讓城市更聰明，本質(zhì)上是讓作為城市主體的人更聰明。通過互聯(lián)網(wǎng)把無處不在的被植入城市物體的智能化傳感器連接起來形成的物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理城市的全面感知，利用云計(jì)算等技術(shù)對(duì)感知信息進(jìn)行智能處理和分析，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上“數(shù)字城市”與物聯(lián)網(wǎng)的融合，并發(fā)出指令，對(duì)包括政務(wù)、民生、環(huán)境、公共安全、城市服務(wù)、工商活動(dòng)等在內(nèi)的各種需求做出智能化響應(yīng)和智能化決策支持。

2. 特征

（1）透徹感知

無處不在的智能傳感器，對(duì)物理城市實(shí)現(xiàn)全面、綜合的感知和對(duì)城市運(yùn)行的核心系統(tǒng)實(shí)時(shí)感測(cè)，實(shí)時(shí)智能地獲取物理城市的各種信息。

（2）全面互聯(lián)

通過物聯(lián)網(wǎng)將無所不在的智能傳感器連接起來，通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的智能傳輸和存儲(chǔ)。

（3）深度整合

當(dāng)前智慧城市建設(shè)的關(guān)鍵點(diǎn)。充分利用現(xiàn)有系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息資源整合、設(shè)備資源整合、業(yè)務(wù)系統(tǒng)整合，打造完善、高效的數(shù)據(jù)流，并以此促進(jìn)業(yè)務(wù)流程改造和轉(zhuǎn)型，提升綜合服務(wù)和決策能力。

（4）資源共享

當(dāng)前智慧城市建設(shè)的重要突破點(diǎn)。以信息資源為核心，從技術(shù)層面和管理體制方面著手推進(jìn)智慧城市信息共享，打破信息孤島，建立科學(xué)合理的管理制度和標(biāo)準(zhǔn)體系。

（5）協(xié)同運(yùn)作

建設(shè)成為面向?qū)ο蟮姆?wù)聚合。

（6）智能服務(wù)

在城市智慧信息設(shè)施基礎(chǔ)上，利用云計(jì)算服務(wù)模式，充分利用和調(diào)動(dòng)現(xiàn)有一切信息資源，通過構(gòu)架一個(gè)新型的服務(wù)模式或一種新的能提供服務(wù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)海量感知數(shù)據(jù)進(jìn)行并行處理、數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)，為人們提供各種不同層次、不同要求的低成本、高效率的智能化服務(wù)。

（7）激勵(lì)創(chuàng)新

鼓勵(lì)政府、企業(yè)和個(gè)人在智慧信息基礎(chǔ)設(shè)施上進(jìn)行科技和業(yè)務(wù)的創(chuàng)新應(yīng)用，尋求新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，為城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供源源不斷的動(dòng)力。

（二）新型智慧城市及其對(duì)時(shí)空信息的需求

1. 新型智慧城市及其特點(diǎn)

截至2015年底，我國智慧城市建設(shè)的數(shù)量已達(dá)到386個(gè)，其中省級(jí)和副省級(jí)智慧城市建設(shè)達(dá)到100%，地級(jí)市建設(shè)智慧城市達(dá)到74%，縣級(jí)市建設(shè)智慧城市達(dá)到32%，取得了一些進(jìn)展，但也暴露了許多問題，主要表現(xiàn)在：缺乏國家層面的頂層設(shè)計(jì)與綜合協(xié)調(diào)機(jī)制；缺乏健全的信息安全技術(shù)、機(jī)制與體系；缺乏應(yīng)對(duì)大數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)的技術(shù)與管理機(jī)制；缺乏智慧城市建設(shè)的風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)和對(duì)應(yīng)策略；盲目跟風(fēng)，無明確目標(biāo)；協(xié)調(diào)不夠，各自為政；試點(diǎn)過多，流于形式；體制機(jī)制缺乏創(chuàng)新。

根據(jù)智慧城市建設(shè)中暴露出來的問題，亟待加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)、統(tǒng)籌規(guī)劃、科學(xué)引導(dǎo)、有序推進(jìn)。正是在這種情況下，國家發(fā)展改革委、中央網(wǎng)絡(luò)辦等25個(gè)部委于2016年5月聯(lián)合成立了新型智慧城市建設(shè)部級(jí)協(xié)調(diào)工作組。新型智慧城市是適應(yīng)新型智慧城鎮(zhèn)化建設(shè)，以信息化創(chuàng)新引領(lǐng)城市發(fā)展轉(zhuǎn)型，全面推進(jìn)新一代信息通信技術(shù)與城市發(fā)展融合創(chuàng)新，加快工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化融合，提高城市治理能力現(xiàn)代化水平，實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的新路徑、新模式、新形態(tài)。

2. 新型智慧城市對(duì)時(shí)空信息的需求

新型智慧城市對(duì)時(shí)空信息的需求，主要體現(xiàn)在智慧城市時(shí)空信息云平臺(tái)建設(shè)（如圖1所示）。其中：

1）共享。指地理時(shí)空數(shù)據(jù)為城市各部門（行業(yè)）共享（城市“一張圖”），即各部門（行業(yè)）在統(tǒng)一的地理時(shí)空數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建設(shè)各自的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。

2）交換。各部門（行業(yè)）能交換的信息都應(yīng)以統(tǒng)一地理時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，相互交換，避免出現(xiàn)不一致現(xiàn)象。

3）聚合。指各部門（行業(yè)）除不能公開的信息都應(yīng)聚合在統(tǒng)一的地理時(shí)空數(shù)據(jù)上，以建立城市綜合決策系統(tǒng)。

4）傳感網(wǎng)接入。指時(shí)空信息云平臺(tái)應(yīng)是一個(gè)開放共享平臺(tái)，包括具有空間位置特征的地面?zhèn)鞲芯W(wǎng)（如大氣、地面溫度、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、土壤監(jiān)測(cè)等）和地下管線智能感知設(shè)備等，都應(yīng)能接入時(shí)空信息云平臺(tái)。

5）時(shí)空大數(shù)據(jù)體系。指?jìng)鞲芯W(wǎng)接入數(shù)據(jù)、地理時(shí)空數(shù)據(jù)與各部門（行業(yè)）融合的數(shù)據(jù)所建成的時(shí)空大數(shù)據(jù)集，并對(duì)其進(jìn)行一致性處理，形成時(shí)空大數(shù)據(jù)體系。

6）時(shí)空大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與挖掘。指對(duì)時(shí)空大數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列和空間趨勢(shì)的統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)挖掘，發(fā)現(xiàn)知識(shí)，為空間決策支持系統(tǒng)提供知識(shí)服務(wù)。

3. 時(shí)空大數(shù)據(jù)在智慧城市中的應(yīng)用

（1）智能交通

智能交通系統(tǒng)（ITS）擁有實(shí)時(shí)的交通和天氣信息，所有車輛都能夠預(yù)先知道并避開交通堵塞，減少二氧化碳的排放，沿最快捷的路線到達(dá)目的地，能隨時(shí)找到最近的停車位，甚至在大部分時(shí)間車輛可以自動(dòng)駕駛，而乘客可以在旅途中欣賞在線電視節(jié)目。

這需要信息技術(shù)、交通大數(shù)據(jù)、先進(jìn)交通管理給予支持。依托城市交通信息中心，實(shí)現(xiàn)城市公共汽車系統(tǒng)、出租車系統(tǒng)與軌道交通系統(tǒng)、交通信號(hào)系統(tǒng)、電子通信系統(tǒng)、車輛導(dǎo)航系統(tǒng)、電子地圖系統(tǒng)綜合集成的一體化交通信息管理。

目前智能交通已經(jīng)取得以下應(yīng)用實(shí)例：

1）利用智能交通信息技術(shù)支撐、交通大數(shù)據(jù)支撐、先進(jìn)交通管理支持等，實(shí)現(xiàn)道路的“零堵塞”、“零傷亡”和“極限同行能力”。

2）利用車輛軌跡和交通監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，為政府改善交通狀況，為乘客提供交通信息，為駕駛員提高行車效益提供幫助。

3）根據(jù)用戶歷史數(shù)據(jù)，為司機(jī)和乘客設(shè)計(jì)一種雙向最優(yōu)出租車招車/候車服務(wù)模型。

4）基于出租車GNSS軌跡數(shù)據(jù)，并結(jié)合天氣及個(gè)人駕駛習(xí)慣、技能和對(duì)道路的熟悉程度等，設(shè)計(jì)針對(duì)個(gè)人的最優(yōu)導(dǎo)航算法，可平均為每30min的行車路線節(jié)約5min時(shí)間。

5）利用車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和用戶車輛慣性傳感器數(shù)據(jù)，匯集司機(jī)急剎、急轉(zhuǎn)等駕駛行為數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)司機(jī)的移動(dòng)行為，為司機(jī)提供主動(dòng)安全預(yù)警服務(wù)。

（2）智能電網(wǎng)

以先進(jìn)的通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以電網(wǎng)設(shè)備間的信息交互為手段，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好和使用安全為目標(biāo)的先進(jìn)的現(xiàn)代化電力系統(tǒng)，其核心是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的信息化、自動(dòng)化和智能化。

信息技術(shù)支持：通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)電網(wǎng)和用戶的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和采集，并可將已嵌入智能傳感器的各類供電、輸電和用電設(shè)備連成一體，從而實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備的物理實(shí)體入網(wǎng)，通過智能化、網(wǎng)絡(luò)化的管理實(shí)現(xiàn)能源替代以及對(duì)電能的最優(yōu)配置和利用。

電網(wǎng)大數(shù)據(jù)支持：通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，連接遍布電網(wǎng)六大要素的傳感器，每秒從發(fā)電系統(tǒng)讀取60次同步相量測(cè)量值記錄所有電流數(shù)據(jù)和智能電網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，智能電表每隔15min到1h從每個(gè)家庭或企業(yè)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，甚至跨區(qū)域電網(wǎng)收集數(shù)據(jù)。電網(wǎng)基礎(chǔ)地理空間大數(shù)據(jù)，如電網(wǎng)布局的空間結(jié)構(gòu)和空間關(guān)系數(shù)據(jù)、全部傳感器位置數(shù)據(jù)、輸電線路巡線位置軌跡數(shù)據(jù)、停電或事故斷電等電網(wǎng)安全數(shù)據(jù)。

先進(jìn)電網(wǎng)管理支持：集發(fā)電監(jiān)控中心、調(diào)度中心、輸電系統(tǒng)、變電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、用電系統(tǒng)等于一體的智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)。

目前智能電網(wǎng)已經(jīng)取得以下應(yīng)用實(shí)例：

1）智能電表數(shù)據(jù)的應(yīng)用：更好地掌控電網(wǎng)中用戶的需求層次；監(jiān)控各種電器詳細(xì)的電力消耗情況；可按時(shí)間或需求量的變化定價(jià)；根據(jù)用電模式對(duì)用戶進(jìn)行分類；避開高峰時(shí)段用電；識(shí)別用電需求來自哪個(gè)地方或用戶。

2）智能電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行：基于智能電網(wǎng)地理空間大數(shù)據(jù)的電網(wǎng)覆蓋范圍布局的空間結(jié)構(gòu)和空間關(guān)系的優(yōu)化設(shè)計(jì)；基于電網(wǎng)地理空間大數(shù)據(jù)的電網(wǎng)上所有傳感器的精確空間定位；基于電網(wǎng)地理空間大數(shù)據(jù)的智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)（集發(fā)電系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、輸電系統(tǒng)、變電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、用電系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)等于一體）的高效運(yùn)行。

（3）智能物流

采用GNSS、PDA、多功能手持終端、RFID、無線網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，集生產(chǎn)中心、倉儲(chǔ)中心、商務(wù)中心、配送中心、監(jiān)控中心等于一體的精細(xì)化、智能化、協(xié)同化物流信息系統(tǒng)。

信息技術(shù)支持：GNSS、多種感知設(shè)備（溫、濕、壓等多功能手持終端、RFID等）、無線通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)。

物流大數(shù)據(jù)支持：覆蓋物流網(wǎng)范圍的地理空間大數(shù)據(jù)、物流系統(tǒng)五元素空間位置數(shù)據(jù)、物流網(wǎng)絡(luò)詳細(xì)交通數(shù)據(jù)、油氣管道線路位置數(shù)據(jù)及其感知設(shè)備上的位置數(shù)據(jù)、智能物流過程的大數(shù)據(jù)、食品物流過程數(shù)據(jù)（溫、濕、壓、車況、人況）、油罐或化學(xué)品等易燃易爆物流過程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、物流車等的位置軌跡數(shù)據(jù)、物流車時(shí)間數(shù)據(jù)、車速數(shù)據(jù)。

先進(jìn)物流管理支持：集生產(chǎn)中心、倉儲(chǔ)中心、商務(wù)中心、配送中心、監(jiān)控中心于一體的智能物流信息系統(tǒng)中心。

目前智能物流已經(jīng)取得以下應(yīng)用實(shí)例：

1）對(duì)物流車輛進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和指揮調(diào)度：根據(jù)顯示在電子地圖上的GNSS記錄的物流車輛位置軌跡數(shù)據(jù)，分析和掌控物流車輛（隊(duì)）行駛狀況；根據(jù)顯示在電子地圖上的相應(yīng)感知設(shè)備記錄的車上物資的溫度、濕度、壓力等監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，分析和掌控物流物資的安全狀況。

2）對(duì)油氣管道物流狀況的監(jiān)控：根據(jù)管道安全巡線員利用PDA和GNSS進(jìn)行巡線的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析并發(fā)出應(yīng)對(duì)指令；根據(jù)管道上各類感知設(shè)備記錄的溫、濕、壓、損數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析并采取相應(yīng)措施。

3）物流安全事故預(yù)防和事故處理：監(jiān)控中心根據(jù)物流大數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，發(fā)現(xiàn)可能隱患，并提出預(yù)防措施；對(duì)已發(fā)事故，利用監(jiān)控中心的物流信息系統(tǒng)平臺(tái)研究處理方案，調(diào)集和組織力量趕赴事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)搶救。

（4）智慧醫(yī)療

智慧醫(yī)療是為了實(shí)現(xiàn)各級(jí)醫(yī)院之間人才資源、醫(yī)療信息資源和醫(yī)療文獻(xiàn)資源共享。

信息技術(shù)支持：人的身體和生理微型感知技術(shù)；互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)；醫(yī)學(xué)影像分析處理和三維仿真技術(shù)；計(jì)算機(jī)電子醫(yī)療檔案技術(shù)；醫(yī)療衛(wèi)生物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

醫(yī)療大數(shù)據(jù)支持：城市醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)（行政機(jī)構(gòu)、各類各級(jí)醫(yī)院、衛(wèi)生院所、保健院、藥品商店、急救中心等）的空間分布數(shù)據(jù)；地方病、流行病、急性傳染病數(shù)據(jù)；各類各級(jí)醫(yī)院特色（專業(yè)）、人才、床位、醫(yī)療檔案（病歷）、大型專業(yè)和特殊設(shè)備、醫(yī)療文獻(xiàn)等數(shù)據(jù)；個(gè)人保健數(shù)據(jù)。

目前智能醫(yī)療已經(jīng)取得以下應(yīng)用實(shí)例：

1）流感傳播預(yù)測(cè)：美國Rochester大學(xué)的研究人員利用全球定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，分析紐約63萬多微博用戶的440萬條微博數(shù)據(jù)，繪制身體不適用戶位置“熱點(diǎn)”地圖，顯示流感在紐約的傳播情況，指出最早可在個(gè)人出現(xiàn)流感癥狀之前8天做出預(yù)測(cè)，準(zhǔn)確率達(dá)90%。

2）個(gè)人保健：通過安裝在人身上的各類傳感器，對(duì)人的健康指數(shù)（體溫、血壓、心電圖、血氧等）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并實(shí)時(shí)傳遞至醫(yī)療保健中心，如有異常，保健中心會(huì)通過手機(jī)，提醒你去醫(yī)院檢查身體。

3）遠(yuǎn)程醫(yī)療：通過國家衛(wèi)生信息網(wǎng)絡(luò)，利用醫(yī)療資源共享及檢查結(jié)果互認(rèn)數(shù)據(jù)以及急重病人異地送診過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，在線會(huì)診分析、治療和途中急救等。

（5）智慧城市社會(huì)管理

信息技術(shù)支持：傳感網(wǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)；平安城市監(jiān)控?cái)z像頭、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、車流監(jiān)測(cè)；GPS/北斗導(dǎo)航技術(shù)；搜索引擎技術(shù)；地理信息系統(tǒng)技術(shù)。

城市社會(huì)化大數(shù)據(jù)支持：城市基礎(chǔ)地理空間信息交換共享平臺(tái)（一張圖）大數(shù)據(jù)；位置軌跡數(shù)據(jù)；平安城市攝像頭監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；搜索引擎數(shù)據(jù)；流動(dòng)人口注冊(cè)數(shù)據(jù)。

目前智慧城市社會(huì)管理已經(jīng)在平安城市中得到應(yīng)用。利用部署在大街小巷的監(jiān)控?cái)z像頭數(shù)據(jù)，進(jìn)行圖像敏感性智能分析，并與110、119、112等交互，通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)探頭與探頭之間、探頭與人、探頭與報(bào)警系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)，從而構(gòu)造和諧安全的城市生活環(huán)境。例如：

1）從城市人群流動(dòng)數(shù)據(jù)中，揭示區(qū)域功能和區(qū)域人流的關(guān)系，對(duì)城市區(qū)域的社會(huì)學(xué)功能進(jìn)行分類和優(yōu)化。

2）利用地理監(jiān)測(cè)站有限的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，結(jié)合交通流道路結(jié)構(gòu)、興趣點(diǎn)分布、氣象條件和人群流動(dòng)規(guī)律等大數(shù)據(jù)，基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法建立數(shù)據(jù)與空氣質(zhì)量的映射關(guān)系，從而推斷出整個(gè)城市細(xì)粒度的空氣質(zhì)量。

3）通過對(duì)各類企業(yè)（特別是房地產(chǎn)）的銷售狀況的監(jiān)管和分析，發(fā)現(xiàn)不交或交增值稅的問題，征收或罰款，確保國家和地方財(cái)政收入。

四、總結(jié)

1）大數(shù)據(jù)是信息時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì)，已經(jīng)滲透到社會(huì)工作、學(xué)習(xí)、生活的方方面面，我們這個(gè)時(shí)代已近乎就此打上了大數(shù)據(jù)的烙印，必將帶來思維變革、商業(yè)變革和管理變革，我們必須認(rèn)識(shí)大數(shù)據(jù)、適應(yīng)大數(shù)據(jù)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)。

2）時(shí)空大數(shù)據(jù)是時(shí)空數(shù)據(jù)與大數(shù)據(jù)的融合，強(qiáng)調(diào)大數(shù)據(jù)的空間化（空間定位）。一切大數(shù)據(jù)都是人類活動(dòng)的產(chǎn)物，而人類的一切活動(dòng)都是在一定的時(shí)間和空間進(jìn)行的，所以大數(shù)據(jù)都具有時(shí)間和空間特征，從這個(gè)角度看，大數(shù)據(jù)本質(zhì)上就是時(shí)空大數(shù)據(jù)。時(shí)空大數(shù)據(jù)是一個(gè)更為科學(xué)的術(shù)語。導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)則是時(shí)空大數(shù)據(jù)的一種最基本的組成部分。

3）時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，使我們面臨前所未有的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。時(shí)空大數(shù)據(jù)帶來了科學(xué)范式的變化，可能是解決當(dāng)前面臨挑戰(zhàn)的具有本質(zhì)性的理論、方法與技術(shù)；時(shí)空大數(shù)據(jù)有可能實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)→信息→知識(shí)→決策支持”到“數(shù)據(jù)→知識(shí)→決策支持”的轉(zhuǎn)變；時(shí)空大數(shù)據(jù)推動(dòng)時(shí)空大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的變化，可能形成以時(shí)空大數(shù)據(jù)科學(xué)為核心的理論體系、以人類自然智能與計(jì)算機(jī)人工智能深度融合為核心的技術(shù)體系和以軟件產(chǎn)品、軟硬件集成產(chǎn)品和數(shù)據(jù)產(chǎn)品為核心的產(chǎn)品體系。

4）時(shí)空大數(shù)據(jù)無論在軍事領(lǐng)域還是民生領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用，并將帶來革命性的影響。其中民生領(lǐng)域的智慧城市是大數(shù)據(jù)時(shí)代發(fā)展的必然。應(yīng)用的拓展將帶來新的科學(xué)問題，需要新的關(guān)鍵技術(shù)。

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