徐佑軍，譚成國(guó)

(1. 武漢大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430072； 2. 武大吉奧信息技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223)

時(shí)空數(shù)據(jù)的組織與應(yīng)用研究

徐佑軍1，譚成國(guó)2

(1. 武漢大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430072； 2. 武大吉奧信息技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223)

時(shí)空數(shù)據(jù)是智慧城市各個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)智能化的關(guān)鍵性支撐技術(shù)，智慧城市的建設(shè)離不開(kāi)時(shí)空數(shù)據(jù)。本文以智能應(yīng)用為導(dǎo)向，提出了時(shí)空數(shù)據(jù)的組織模型，構(gòu)建了智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)計(jì)算、分析、服務(wù)框架，實(shí)現(xiàn)了時(shí)空數(shù)據(jù)全生命周期的高效管理與智能應(yīng)用。

時(shí)空大數(shù)據(jù)；智慧城市；信息融合；時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘；時(shí)空對(duì)象

隨著我國(guó)電子政務(wù)信息化建設(shè)的發(fā)展，“兩網(wǎng)一站四庫(kù)十二金”相繼建成并逐步完善，各級(jí)政府部門(mén)的政務(wù)信息化水平不斷提升，政務(wù)履職和公眾服務(wù)過(guò)程中積累了豐富的數(shù)據(jù)資源，但“數(shù)據(jù)孤島”的弊病存在已久，各種數(shù)據(jù)源之間相互缺少碰撞，數(shù)據(jù)價(jià)值不能有效挖掘等現(xiàn)象嚴(yán)重。為加快推動(dòng)政務(wù)信息系統(tǒng)互聯(lián)和公共數(shù)據(jù)共享，充分發(fā)揮政務(wù)信息資源共享在深化改革、轉(zhuǎn)變職能、創(chuàng)新管理中的重要作用，2015年8月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《促進(jìn)大數(shù)據(jù)發(fā)展行動(dòng)綱要》，2016年9月5日印發(fā)了《政務(wù)信息資源共享管理暫行辦法》?？梢?jiàn)，深入整合現(xiàn)有城市管理資源，實(shí)現(xiàn)城市信息化資源大共享、深共享與泛共享已成為智慧城市建設(shè)的主要任務(wù)之一。

同時(shí)，為全面推進(jìn)智慧城市建設(shè)，國(guó)家發(fā)展改革委、中央網(wǎng)信辦聯(lián)合印發(fā)了《新型智慧城市建設(shè)部際協(xié)調(diào)工作組2016—2018年任務(wù)分工》，明確了智慧城市時(shí)空基礎(chǔ)設(shè)施為智慧城市建設(shè)提供統(tǒng)一的時(shí)空定位基礎(chǔ)，是城市信息化不可或缺的、基礎(chǔ)性的信息基礎(chǔ)設(shè)施[1]。在智慧城市和大數(shù)據(jù)時(shí)代，時(shí)空信息融合為城市資源要素的優(yōu)化配置，減少城市資源的消耗和浪費(fèi)提供決策支撐，時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘也在交通管理、犯罪分析、疾病監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、公共衛(wèi)生與醫(yī)療健康等領(lǐng)域得到應(yīng)用，分析海量、高維的時(shí)空數(shù)據(jù)，發(fā)掘時(shí)空數(shù)據(jù)的價(jià)值具有重要意義。

本文以智能應(yīng)用為導(dǎo)向，以重點(diǎn)解決城市信息資源管理、社會(huì)信息資源管理和城市運(yùn)行系統(tǒng)部門(mén)協(xié)同共享等問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)分析智慧城市時(shí)空數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，定義時(shí)空數(shù)據(jù)組織、分析模型，構(gòu)建了運(yùn)用智能傳感網(wǎng)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)手段，以“充分感知、互聯(lián)互通、融合共享、業(yè)務(wù)協(xié)同、按需服務(wù)”為目標(biāo)的智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)框架，從而實(shí)現(xiàn)城市運(yùn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成、管理、服務(wù)和應(yīng)用，為建設(shè)廣泛互聯(lián)、深度應(yīng)用、信息服務(wù)的智慧城市提供了基礎(chǔ)支撐。

1 時(shí)空數(shù)據(jù)的組織

近年來(lái)，伴隨城市信息化的發(fā)展，傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、射頻識(shí)別、全球定位系統(tǒng)等設(shè)備得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，具有時(shí)間和空間維度的時(shí)空數(shù)據(jù)呈爆炸式增長(zhǎng)。時(shí)空大數(shù)據(jù)由于其所在空間的空間實(shí)體和空間現(xiàn)象在時(shí)間、空間和屬性3個(gè)方面的固有特征，呈現(xiàn)出多維、語(yǔ)義、時(shí)空動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)的復(fù)雜性，具有時(shí)變、空變、動(dòng)態(tài)、多維演化的特點(diǎn)。

1.1 時(shí)空數(shù)據(jù)模型

時(shí)空數(shù)據(jù)的核心是地理對(duì)象，地理對(duì)象具有特定的地理意義與空間唯一性，對(duì)應(yīng)現(xiàn)實(shí)地理世界中的一個(gè)具有完整意義的對(duì)象，它能夠與相關(guān)社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息進(jìn)行掛接，具有時(shí)間維(T)、空間維(S)和屬性維(D)等特征。

時(shí)空數(shù)據(jù)模型(如圖1所示)中包括：地理對(duì)象、地理事件和地理過(guò)程。地理對(duì)象具有空間、屬性、時(shí)間等特征信息，地理對(duì)象的時(shí)空變化是可度量的，其變化過(guò)程可作為事件來(lái)描述，通過(guò)地理對(duì)象、地理過(guò)程與地理事件的關(guān)聯(lián)映射，建立時(shí)空大數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)模型。

圖1 時(shí)空數(shù)據(jù)邏輯模型

地理過(guò)程演繹著變化的空間和時(shí)間特性，反映地理系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)變化[2]。地理對(duì)象在時(shí)間維上的發(fā)展變化可以看成是從一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的不斷變遷過(guò)程，每次引起地理對(duì)象的狀態(tài)從一個(gè)到另一個(gè)的質(zhì)變過(guò)程稱(chēng)為地理事件[3]。地理對(duì)象的產(chǎn)生、發(fā)展與消亡都是由特定的事件引發(fā)，通過(guò)分析誘發(fā)對(duì)象變化的事件特性，探索預(yù)測(cè)地理對(duì)象與地理事件之間的關(guān)系、原因與過(guò)程。

所有的地理對(duì)象具有唯一標(biāo)識(shí)，所有的地理對(duì)象均明確標(biāo)示其產(chǎn)生和消亡時(shí)間。產(chǎn)生和消亡時(shí)間采用實(shí)體自然產(chǎn)生和消亡的時(shí)間，以其管轄部門(mén)業(yè)務(wù)規(guī)則為依據(jù)。地理對(duì)象消亡后，在數(shù)據(jù)庫(kù)中繼續(xù)保留，不執(zhí)行刪除操作，作為歷史信息存在。

1.2 監(jiān)測(cè)預(yù)警模型

隨著互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，水污染預(yù)警與監(jiān)控、城市管理、能源互聯(lián)網(wǎng)、社會(huì)空間大數(shù)據(jù)感知等行業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)中包含了豐富的時(shí)空數(shù)據(jù)。構(gòu)建時(shí)空數(shù)據(jù)預(yù)警監(jiān)測(cè)模型，根據(jù)不同智能應(yīng)用的需求，定義時(shí)序字段，按照一定的時(shí)間單位記錄地理對(duì)象的時(shí)空信息。

時(shí)空數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)預(yù)警模型(如圖2所示)從時(shí)空數(shù)據(jù)中自動(dòng)抽取出模式、關(guān)聯(lián)、變化、異常和有意義的結(jié)構(gòu)，建立時(shí)空約束、態(tài)勢(shì)模型，形成地理事件服務(wù)。觀(guān)測(cè)連接器按照一定的時(shí)間單位抽取地理對(duì)象的階段時(shí)空特征；地理事件處理器中保存著事件行為的本體模型和規(guī)則庫(kù)，為異常事件的模式挖掘和主動(dòng)預(yù)警提供知識(shí)保障，“實(shí)時(shí)”地覺(jué)察、理解和預(yù)測(cè)地理對(duì)象的行為走勢(shì)；輸出連接器以預(yù)警通知的方式反饋給服務(wù)對(duì)象。

圖2 時(shí)空數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)預(yù)警模型

觀(guān)測(cè)連接器中記錄時(shí)空數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔可以以周期、年、季度、月、周、天、時(shí)、分、秒等一系列為單位[4]，根據(jù)不同地理對(duì)象的應(yīng)用需要，定義相應(yīng)的觀(guān)測(cè)頻次、時(shí)序字段等。同時(shí)，針對(duì)監(jiān)測(cè)任務(wù)還需要定義相應(yīng)的地理事件(見(jiàn)表1)。

表1 地理對(duì)象時(shí)空監(jiān)測(cè)內(nèi)容

地理事件引起地理對(duì)象狀態(tài)的一次變化[5]，根據(jù)事件引起的變化不同，可以將變化劃分為屬性變化、幾何形態(tài)變化、空間位置變化3種。對(duì)于屬性變化而言，發(fā)生變化的是空間對(duì)象本身的屬性，如水質(zhì)的變化、所有權(quán)的變更等；對(duì)于幾何形態(tài)變化而言，發(fā)生變化的是空間對(duì)象的幾何形狀，如植物的生長(zhǎng)、道路的拓寬等；而對(duì)于空間位置變化而言，發(fā)生變化的則是空間對(duì)象的空間位置，如物體的運(yùn)動(dòng)等。

1.3 生產(chǎn)更新維護(hù)

在城市政務(wù)信息管理過(guò)程中，時(shí)空數(shù)據(jù)的定義需要按照語(yǔ)義的理解，協(xié)調(diào)主要應(yīng)用部門(mén)的認(rèn)知差異，求得地理要素表達(dá)的最大公約數(shù)[6]。同時(shí)，按照“誰(shuí)主管，誰(shuí)提供，誰(shuí)負(fù)責(zé)”的原則，提供部門(mén)需要對(duì)時(shí)空對(duì)象進(jìn)行唯一標(biāo)識(shí)碼的確定和維護(hù)，保證時(shí)空對(duì)象的權(quán)威性和唯一性，并及時(shí)維護(hù)和更新信息，保障數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性、時(shí)效性和可用性。使用部門(mén)依法依規(guī)使用共享的時(shí)空對(duì)象信息，實(shí)現(xiàn)共享信息的“共享使用中管理、業(yè)務(wù)協(xié)同中更新”。

在智能需求的應(yīng)用過(guò)程中，不同部門(mén)的“條數(shù)據(jù)”根據(jù)唯一標(biāo)識(shí)碼進(jìn)行關(guān)聯(lián)，時(shí)序字段用來(lái)標(biāo)識(shí)時(shí)空對(duì)象的狀態(tài)，觀(guān)測(cè)傳感器依據(jù)觀(guān)測(cè)頻次記錄時(shí)序字段值，通過(guò)將各類(lèi)“條數(shù)據(jù)”解構(gòu)、交叉、融合等集合處理，形成涉及人、事、物等各類(lèi)數(shù)據(jù)的綜合“塊數(shù)據(jù)”[7]。在塊數(shù)據(jù)集合過(guò)程中，包含了數(shù)據(jù)空間的填充、空間數(shù)據(jù)的重構(gòu)、集合過(guò)程的組構(gòu)，以及組構(gòu)過(guò)程中的集合，通過(guò)分析已記錄的海量時(shí)空數(shù)據(jù)的痕跡，便能對(duì)未來(lái)社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)作出智能化預(yù)測(cè)。

2 智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)

人類(lèi)活動(dòng)在一定時(shí)間和空間里發(fā)生、發(fā)展、演變。隨著生活越來(lái)越現(xiàn)代化，出現(xiàn)的城市問(wèn)題也越來(lái)越多，如交通的擁堵、能耗的增加、環(huán)境的惡化等。時(shí)空大數(shù)據(jù)能有效緩解城市發(fā)展中的“城市病”，給城市管理應(yīng)用時(shí)空大數(shù)據(jù)提供了內(nèi)在動(dòng)力，例如大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)災(zāi)害監(jiān)測(cè)和交通應(yīng)急指揮決策等[8]。

2.1 城市時(shí)空計(jì)算框架

城市時(shí)空計(jì)算的基本框架(如圖3所示)包括：感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、處理層、決策層，構(gòu)成了一個(gè)實(shí)時(shí)、共享、融合、協(xié)同的城市管理和運(yùn)行框架。

圖3 城市時(shí)空計(jì)算框架

感知層利用視頻監(jiān)控、交通卡口、社交媒體、射頻識(shí)別、傳感器、刷卡設(shè)備和遙感衛(wèi)星信息采集設(shè)備，實(shí)時(shí)獲取各類(lèi)目標(biāo)對(duì)象的感知數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)進(jìn)行延伸、擴(kuò)展，接入網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行傳輸，各類(lèi)時(shí)空數(shù)據(jù)匯集到大數(shù)據(jù)中心，與數(shù)據(jù)交換中心的海量數(shù)據(jù)一并存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中。利用空間數(shù)據(jù)分析工具、數(shù)據(jù)挖掘工具、可視化工具等進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)時(shí)空數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)、融合、碰撞、展示、分析，形成城市體征一張動(dòng)態(tài)圖，達(dá)到對(duì)實(shí)體世界的實(shí)時(shí)監(jiān)控、精準(zhǔn)管理及科學(xué)決策[9]，探索時(shí)空行為和城市空間之間的關(guān)系[10]，幫助城市實(shí)現(xiàn)人口合理分布、交通合理安排、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步、環(huán)境保護(hù)、資源可持續(xù)利用等智慧城市愿景。

2.2 時(shí)空數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域

在智慧城市系統(tǒng)中，人口、資源要素、商業(yè)活動(dòng)、空間利用、產(chǎn)業(yè)等高度密集，需要從區(qū)外輸入能源、食品、水等多種要素。因此，城市的時(shí)空特征成為城市經(jīng)濟(jì)、基礎(chǔ)設(shè)施、城市人口、城市生態(tài)、城市服務(wù)各個(gè)系統(tǒng)之間相互協(xié)調(diào)和均衡發(fā)展的重要因子，在城市國(guó)土資源利用、城市規(guī)劃設(shè)計(jì)、公共設(shè)施管理、交通管理、災(zāi)害預(yù)警、犯罪分析、疾病監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、公共衛(wèi)生與醫(yī)療健康等眾多領(lǐng)域均有應(yīng)用案例[11]。

3 時(shí)空大數(shù)據(jù)應(yīng)用研究

3.1 時(shí)空數(shù)據(jù)管理工具

依據(jù)以上時(shí)空數(shù)據(jù)組織模型和管理方法，筆者研發(fā)了存儲(chǔ)和檢索時(shí)空數(shù)據(jù)的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)GeoTimeSeriesDB和時(shí)空數(shù)據(jù)管理系列工具，包括地理實(shí)體生產(chǎn)工具、時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、時(shí)空數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)(如圖4、圖5所示)。系統(tǒng)能滿(mǎn)足數(shù)據(jù)生產(chǎn)管理部門(mén)對(duì)時(shí)空大數(shù)據(jù)生產(chǎn)過(guò)程管理、加工處理、分發(fā)共享與集成應(yīng)用全生命周期的管理需要，同時(shí)也能滿(mǎn)足數(shù)據(jù)應(yīng)用部門(mén)對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)集成化、實(shí)時(shí)化、時(shí)序化、動(dòng)態(tài)化、服務(wù)化、大眾化、智能化與人性化應(yīng)用的需要[12]。

圖4 時(shí)空數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

圖5 時(shí)空數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)

3.2 時(shí)空數(shù)據(jù)的應(yīng)用案例

將地理空間數(shù)據(jù)與具有時(shí)空屬性的人口活動(dòng)、社會(huì)事件、交通出行、互聯(lián)網(wǎng)社交、天氣環(huán)境、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，利用克里金插值、關(guān)聯(lián)規(guī)則分析、時(shí)間序列、線(xiàn)性回歸、聚類(lèi)分析、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)挖掘模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析挖掘，為城市商業(yè)選址、人物社會(huì)關(guān)系分析、吸毒人員辨別、交通規(guī)劃等應(yīng)用提供決策依據(jù)。

以歷年地價(jià)買(mǎi)賣(mài)合同數(shù)據(jù)，以及近幾年以來(lái)各個(gè)監(jiān)測(cè)站每年監(jiān)測(cè)到的地面基準(zhǔn)價(jià)格數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合地形圖數(shù)據(jù)，采用協(xié)同克里金插值數(shù)據(jù)挖掘模型，預(yù)測(cè)地塊的單位價(jià)格，為城市土地的合理規(guī)劃提供決策指導(dǎo)(如圖6所示)。

圖6 土地價(jià)格評(píng)估

通過(guò)道路傳感器和車(chē)載GPS實(shí)時(shí)獲取城市交通路況數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析、處理，形成城市交通實(shí)時(shí)路況圖，同時(shí)可基于地圖對(duì)定位車(chē)輛進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和軌跡查詢(xún)，實(shí)現(xiàn)定位車(chē)輛的有效監(jiān)管和調(diào)度，緩解城市交通擁堵，提高城市運(yùn)行效能(如圖7所示)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文重點(diǎn)圍繞時(shí)空數(shù)據(jù)的組織與管理，設(shè)計(jì)了智慧城市時(shí)空計(jì)算框架， 并結(jié)合實(shí)例介紹了時(shí)空數(shù)

據(jù)的應(yīng)用，為智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。城市中時(shí)空數(shù)據(jù)的組織需要根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求進(jìn)行整理，特別是涉及時(shí)空對(duì)象標(biāo)識(shí)、時(shí)序字段、觀(guān)測(cè)頻次3個(gè)方面的管理。同時(shí)，還需進(jìn)一步研究時(shí)空數(shù)據(jù)的分析方法和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估模型，特別是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的時(shí)空分析能力。

圖7 實(shí)時(shí)交通路況

[1] 李維森．?dāng)?shù)字中國(guó)的建設(shè)與智慧城市的探索[J]．地理信息世界，2013，20(2): 1-5．

[2] 趙瑩，柴彥威，陳潔，等．時(shí)空行為數(shù)據(jù)的GIS分析方法[J]．地理與地理信息科學(xué)，2009，29(5)：1-5．

[3] 陳新保．事件和過(guò)程的時(shí)空數(shù)據(jù)模型及其時(shí)變分析模型的研究[D]．長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2011.

[4] 郭云嫣，劉全海，冉慧敏．時(shí)空信息云平臺(tái)下數(shù)據(jù)管理及可視化方法[J]．測(cè)繪科學(xué)，2016，41(10)：100-105．

[5] 劉飛，何珍文，鄭新奇．一種基于事件的雙序列時(shí)空數(shù)據(jù)模型[J]．地理與地理信息科學(xué)，2015(3)：1-6．

[6] 陳少勤．基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)升級(jí)對(duì)策[C]∥新常態(tài)下的測(cè)繪地理信息研究報(bào)告.北京：社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社，2015．

[7] 陳剛．塊數(shù)據(jù)的理論創(chuàng)新與實(shí)踐探索[J]．中國(guó)科技論壇，2015(4): 46-50．

[8] 李德仁，馬軍，邵振峰．論時(shí)空大數(shù)據(jù)及其應(yīng)用[J]．衛(wèi)星應(yīng)用，2015(9)：07-11.

[9] 袁磊，趙俊三，李洪波．物聯(lián)網(wǎng)空間數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)框架體系及管件技術(shù)分析[J]．地理信息世界，2013(1)：58-63．

[10] 秦蕭，甄峰，熊麗芳，等．大數(shù)據(jù)時(shí)代城市空間行為研究方法[J]．地理科學(xué)進(jìn)展，2013(9)：1352-1361．

[11] 王忠，安智慧．國(guó)外城市管理大數(shù)據(jù)應(yīng)用典型案例及啟示[J]．現(xiàn)代情報(bào)，2016(9)：168-172.

[12] 肖建華，王厚之，彭清山，等．地理時(shí)空大數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用云平臺(tái)建設(shè)[J]．測(cè)繪通報(bào)，2016(4): 38-42．

Study on the Spatio-temporal Data Organization and Application

XU Youjun1,TAN Chengguo2

(1. Computer School of Wuhan University, Wuhan 430072,China; 2. Wuda Geoinformatics Co.,Ltd., Wuhan 430223,China)

Spatio-temporal data is the typical supporting technique to realize smart city in all aspects, which the construction of intellectualized city relies on. Guiding by intelligent appliance, it has proposed the organized model of spatiotemporal data and formed the frame where large data in intellectualized city calculate, analyze and do some service. Extraordinarily efficient management of full lifecycle in spatio-temporal data and smart application are achieved.

spatio-temporal big data; smart city; data fusion; spatio-temporal data mining；spatio-temporal object

徐佑軍，譚成國(guó).時(shí)空數(shù)據(jù)的組織與應(yīng)用研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(2)：98-101.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0058.

2016-11-23

徐佑軍(1968—)，男，博士，副教授，主要從事地理信息應(yīng)用工程的研究工作。E-mail：xuyj@whu.edu.cn

P208

A

0494-0911(2017)02-0098-04