李朝輝

（湖南省第三測繪院 湖南長沙 410007）

城市的發(fā)展為城市管理提供了一個新的維度。電子政務(wù)可以幫助彌合政府與公民之間的鴻溝，從而減少雙方之間的沖突。GIS 的市政應(yīng)用展示了GIS 在電子政務(wù)中的潛在價(jià)值，其在物業(yè)管理、交通運(yùn)輸、城市規(guī)劃、廢物管理、城市設(shè)計(jì)和更新中起著決定性的作用［1］。GIS 可為用戶提供城市服務(wù)并確定相關(guān)的解決方案，GIS除了有助于不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)集成外，還可以使用地圖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，從而增強(qiáng)系統(tǒng)可用性，并協(xié)助決策過程。3D GIS 提供可視化呈現(xiàn)，并用作真正的3D 工具——通過使用3D 模型進(jìn)行查詢和在3D 中可視化地理信息。本文提出了一個政務(wù)服務(wù)平臺的頂層設(shè)計(jì)，充分利用GIS和云計(jì)算技術(shù)，為智慧城市政務(wù)提供便利和處理服務(wù)。

城市地區(qū)都具備必要的基礎(chǔ)設(shè)施，因此可以很好地利用電子政務(wù)服務(wù)。而在農(nóng)村地區(qū)，最大的問題是缺乏必要的基礎(chǔ)設(shè)施及公民缺乏計(jì)算機(jī)意識。云計(jì)算在未來可以成為滿足這些需求的有效解決方案，這將是智能的，并且可供所有人訪問［2］。此外，電子政務(wù)必須建立在流動的基礎(chǔ)上，并不斷適應(yīng)協(xié)作治理系統(tǒng)，以應(yīng)對外部協(xié)調(diào)和內(nèi)部整合與合作的雙重挑戰(zhàn)。

云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)引領(lǐng)城市管理從數(shù)字化階段進(jìn)入智能化階段。作為未來城市的功能核心，云數(shù)據(jù)中心已在不同區(qū)域進(jìn)行了大規(guī)模建設(shè)。同時(shí)，針對硬件重、軟件輕、應(yīng)用不足，亟需開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的云計(jì)算、云存儲、云服務(wù)領(lǐng)域的產(chǎn)品，建立專業(yè)化的城市云平臺，開展產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。本文打造了一個基于云架構(gòu)的智慧城市3D 管理服務(wù)軟件平臺，聚焦公共交通、市政管網(wǎng)、環(huán)保、防災(zāi)、公共信息等不同領(lǐng)域［3］，旨在為城市規(guī)劃、建設(shè)和管理服務(wù)提供全面、實(shí)用、一體化的解決方案。與以往其他云架構(gòu)相比，其獨(dú)特的特點(diǎn)和先進(jìn)性主要體現(xiàn)在類似于Google Earth 的地球3D空間云政務(wù)平臺開發(fā)。其特點(diǎn)主要包括：（1）軟件、硬件、應(yīng)用一體化的優(yōu)勢；（2）空間數(shù)據(jù)的多訪問方法；（3）3D 可視化系統(tǒng)；（4）自主開放的空間云應(yīng)用系統(tǒng)；（5）優(yōu)秀的數(shù)據(jù)挖掘和空間分析功能；（6）針對不同行業(yè)需求的電子政務(wù)功能和前端定制。

1 研究意義

1.1 數(shù)字城市是智慧城市的空間支撐

現(xiàn)代城市的發(fā)展約80%與地理空間位置有關(guān)。支撐智慧城市的核心是數(shù)字城市。對于一個城市來說，數(shù)字城市是一個地理環(huán)境，是高效運(yùn)行的指揮系統(tǒng)，是基礎(chǔ)設(shè)施，是模擬系統(tǒng)。一些城市開始從數(shù)字城市向智慧城市過渡，如從電子政務(wù)管理向政務(wù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用管理轉(zhuǎn)變，應(yīng)利用物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)和建設(shè)資源，促進(jìn)政務(wù)的推廣應(yīng)用，提高政府的行政效率［4］。這包括整合現(xiàn)有和即將建設(shè)的城市運(yùn)營管理的傳感器網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)政府投資設(shè)施和信息系統(tǒng)的自動數(shù)據(jù)交換和共享，依托電子政務(wù)，加強(qiáng)官方城市管理和服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、協(xié)同、開放。從數(shù)字城市向智慧城市的轉(zhuǎn)變也是解決全球可持續(xù)發(fā)展危機(jī)的必然選擇。

1.2 智慧城市是發(fā)展的必然

近20年來，城市信息化建設(shè)經(jīng)歷了信息港和數(shù)字城市兩個階段，目前，它正朝著智慧城市的階段發(fā)展，這些階段是過去和未來之間的紐帶。在信息港階段，城市信息化建設(shè)的主要資源用于宏觀信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，如帶寬擴(kuò)展、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等。在數(shù)字城市階段，城市信息化建設(shè)的主要資源用于數(shù)據(jù)庫開發(fā)和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。數(shù)字城市旨在通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)獲得現(xiàn)實(shí)世界中的大量作品。在智慧城市階段，主要資源用于城市信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)控、信息采集、分析處理和決策響應(yīng)。智慧城市源于并超越數(shù)字城市。

1.3 智慧城市是數(shù)字城市和物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合

以物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算為代表的新一輪信息技術(shù)革命為信息技術(shù)向智能化發(fā)展提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。智慧城市是指通過信息通信技術(shù)的建設(shè)，充分利用信息技術(shù)（ICT）基礎(chǔ)設(shè)施、認(rèn)證、安全平臺，加快攻關(guān)關(guān)鍵技術(shù)難題，構(gòu)建城市發(fā)展的智能環(huán)境，形成基于海量信息和智能過濾處理的新的生活方式、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和社會管理，建立新的城市形態(tài)。數(shù)字城市是對城市進(jìn)行多分辨率、多尺度、多時(shí)空、多物種的3D描述。物聯(lián)網(wǎng)通過基于約定協(xié)議的信息傳感設(shè)備將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)信息交換和通信，實(shí)現(xiàn)智能識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。智慧城市可以通過結(jié)合數(shù)字城市和物聯(lián)網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)。

2 平臺實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

基于GIS、RS、GPS、數(shù)字地形模型（DTM）、虛擬現(xiàn)實(shí)、3D建模、大型空間數(shù)據(jù)庫平臺等關(guān)鍵技術(shù)，充分利用現(xiàn)有信息基礎(chǔ)設(shè)施條件和地理空間數(shù)據(jù)資源，整合城市自然資源和空間地理信息及相關(guān)經(jīng)濟(jì)社會信息，建立及時(shí)更新的多尺度、多分辨率空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建空間信息交換共享在線服務(wù)體系，這樣一來，就建立了市區(qū)范圍內(nèi)的3D GIS場景［5］。以3D GIS為基礎(chǔ)，開發(fā)相關(guān)行業(yè)應(yīng)用板塊業(yè)務(wù)系統(tǒng)，使其成為數(shù)字城市空間的基礎(chǔ)信息平臺，整合空間信息資源的核心專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)。

基于該平臺，以高性能空間信息云計(jì)算與分析挖掘?yàn)槭侄?，開展數(shù)字城市和智慧城市相關(guān)的基礎(chǔ)應(yīng)用研究和應(yīng)用工程建設(shè)，為城市安全、環(huán)境、交通、健康等民生領(lǐng)域提供空間信息技術(shù)支撐，促進(jìn)新型社會空間信息服務(wù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2.1 3D智慧城市云平臺

作為多源、多時(shí)空、多尺度的城市空間數(shù)據(jù)管理平臺，建立跨行業(yè)、跨部門、跨平臺的數(shù)據(jù)共享新模式，實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域間的信息交換和共享。該平臺除可應(yīng)用于城市管網(wǎng)、消防、稅務(wù)外，還可應(yīng)用于城市設(shè)施監(jiān)管、城市交通監(jiān)管、社會公共服務(wù)等領(lǐng)域，提升城市管理和服務(wù)功能。

以往的3D數(shù)字城市系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)分散、數(shù)據(jù)難以有效整合和復(fù)用等問題，導(dǎo)致資源浪費(fèi)嚴(yán)重。該平臺依托物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新技術(shù)，與基于3D GIS技術(shù)的3D數(shù)字城市服務(wù)平臺有效融合，有效整合各類城市資源和空間地理基礎(chǔ)信息，建立多源、多時(shí)空、多尺度的信息數(shù)據(jù)庫，開發(fā)相關(guān)行業(yè)的業(yè)務(wù)應(yīng)用，建立可靠、高效、共享的3D 智慧城市云服務(wù)平臺，有效整合數(shù)據(jù)資源和功能資源，服務(wù)政府、企業(yè)、公眾，引導(dǎo)人口、資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會。該平臺在數(shù)字城市取得了良好的測試應(yīng)用效果。

云平臺的底層包括Xen 和PowerVM 虛擬Linux 操作系統(tǒng)映射和Hadoop并行工作負(fù)載安排，與之前的分布式平臺不同，它可以通過管理服務(wù)器根據(jù)需求確保最佳性能。云計(jì)算包括云應(yīng)用的能力，充分利用了能夠跨多臺服務(wù)器實(shí)時(shí)分配資源的軟件。通過基于SOA的Web服務(wù)，它可以與現(xiàn)有的IT基礎(chǔ)設(shè)施集成，如圖1所示。

圖1 云計(jì)算中的城市數(shù)據(jù)流

3D GIS 提供了一個友好直觀的界面，將虛擬化技術(shù)應(yīng)用于云計(jì)算平臺，可以獲得良好的性能，包括：（1）可以將計(jì)算平臺動態(tài)定位到所需的物理平臺上；（2）多個輕量級虛擬機(jī)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)可以合并到同一個物理節(jié)點(diǎn)中；（3）通過虛擬機(jī)在不同物理節(jié)點(diǎn)上的動態(tài)遷移，可以取得與應(yīng)用無關(guān)的負(fù)載均衡性能；（4）部署更加靈活，即虛擬機(jī)可以直接部署到物理計(jì)算平臺上。

2.2 城市災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)

該平臺圍繞城市環(huán)境監(jiān)測、規(guī)劃和自然災(zāi)害預(yù)警等需求開展研發(fā)與實(shí)踐，它基于對大量地理現(xiàn)象和過程的廣泛觀察、分析和抽象，解決了過程數(shù)值模擬計(jì)算的數(shù)學(xué)表達(dá)和尺度理論。根據(jù)不同地學(xué)類型，過程數(shù)值模擬計(jì)算模型構(gòu)建和“數(shù)據(jù)—模型—系統(tǒng)—表達(dá)”一體化城市資源環(huán)境監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)警方法的基本理論。在高性能計(jì)算環(huán)境的支持下，實(shí)現(xiàn)了過程數(shù)值模擬計(jì)算的解決方案。

2.2.1 資源環(huán)境數(shù)據(jù)同化與整合

多源數(shù)據(jù)采集設(shè)備為環(huán)境監(jiān)測和災(zāi)害預(yù)警提供了豐富的數(shù)據(jù)，但是，數(shù)據(jù)提供的信息是冗余的、互補(bǔ)的和協(xié)作的。數(shù)據(jù)集成是一種有效的多源數(shù)據(jù)采集方法，將同一區(qū)域內(nèi)不同數(shù)據(jù)源的信息作為多源數(shù)據(jù)進(jìn)行互補(bǔ)處理。有效的數(shù)據(jù)集成技術(shù)可以減少數(shù)據(jù)冗余，提高數(shù)據(jù)可靠性，對政府?dāng)?shù)據(jù)分析、挖掘和管理具有重要意義。

2.2.2 災(zāi)害過程并行計(jì)算數(shù)值預(yù)測技術(shù)研究

時(shí)空過程模型是災(zāi)害模擬的核心。開發(fā)空間、天空和地球觀測數(shù)據(jù)開發(fā)同化方法，引入時(shí)空過程模型，研究多源數(shù)據(jù)的同化，提高地表演化過程中監(jiān)測模型的準(zhǔn)確性。云計(jì)算可以有效減少災(zāi)害模擬預(yù)報(bào)過程的時(shí)間，使災(zāi)害的及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)成為可能。

2.3 智能交通

3S 技術(shù)為智能交通系統(tǒng)（ITS）的空間數(shù)據(jù)和交通信息的獲取、處理、分析和可視化提供了必要的理論和技術(shù)支持。交通運(yùn)輸?shù)乩硇畔⑾到y(tǒng)（GIS-T）是地理信息系統(tǒng)技術(shù)在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的擴(kuò)展，也是構(gòu)建智能交通系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。

利用3S技術(shù)對基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)等空間數(shù)據(jù)的處理和分析優(yōu)勢，合理組織、管理和發(fā)布交通信息，有利于提高交通系統(tǒng)運(yùn)行效率，降低交通事故發(fā)生率。通過對交通信息的分析和交通數(shù)據(jù)挖掘，可以得到不同時(shí)期、不同地區(qū)的人們出行規(guī)律，這為交通管理部門進(jìn)行交通規(guī)劃、引導(dǎo)和流量預(yù)測提供了支持，為緩解交通擁堵提供了理論依據(jù)。

2.4 城市資源變化監(jiān)測與分析

RS 技術(shù)用于研究城市擴(kuò)張和城市化進(jìn)程的動態(tài)監(jiān)測。RS 和GIS 的綜合應(yīng)用將有效監(jiān)控違法建設(shè)行為。在典型的架構(gòu)變化中，使用干涉合成孔徑雷達(dá)（InSAR）技術(shù)來描述面向?qū)ο蠹軜?gòu)的后向散射和干擾特性。然后建立多日期SAR 城市變化檢測，以高效可靠地提取城市土地利用/覆蓋變化信息。最后根據(jù)城市規(guī)劃圖和矢量變化分類，利用變化檢測生成的地圖、GIS技術(shù)數(shù)據(jù)處理功能和空間分析能力，以及屬性信息查詢的方法，對變化目標(biāo)進(jìn)行分析、識別、消除虛假，從而確定違法建筑。

2.5 城市環(huán)境動態(tài)監(jiān)測預(yù)警

將自動監(jiān)測系統(tǒng)采集的地面不同資源環(huán)境數(shù)據(jù)與各種RS監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，形成天地一體化監(jiān)測手段，這樣就可以對各種資源環(huán)境問題進(jìn)行多尺度、多角度的綜合分析監(jiān)測，保證監(jiān)測結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性［6］?；诜植际接?jì)算技術(shù)，將有效解決大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)相關(guān)環(huán)境和資源問題，形成快速有效的解決方案，減少影響和損失?；贕IS 3D的資源環(huán)境狀態(tài)展示技術(shù)更生動地表達(dá)了相關(guān)資源環(huán)境問題，為人員和決策者的相關(guān)分析提供了更直觀的交互界面。

2.6 城市地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警

在城市地質(zhì)災(zāi)害和線狀特征、大面積地表變形監(jiān)測預(yù)警中，計(jì)劃利用衛(wèi)星遙感、衛(wèi)星定位、光纖傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多尺度、3D（地表和地下）、高地表變形的精確、實(shí)時(shí)、動態(tài)監(jiān)測、安全評估和預(yù)警。在塌陷、滑坡、泥石流等巖土位移和地面沉降、地裂縫等地面變形類地質(zhì)災(zāi)害中，開展研究開發(fā)不同型號的壓力傳感器和位移傳感器。

3 結(jié)語

智慧城市是當(dāng)今世界的新一輪信息化。傳感器安裝在城市電網(wǎng)、道路、建筑物、管道和其他基礎(chǔ)設(shè)施中，以連接到物聯(lián)網(wǎng)并與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，這樣就可以實(shí)現(xiàn)人類社會與城市物理系統(tǒng)的互聯(lián)互通。同時(shí)，通過建立云計(jì)算中心，對人員、機(jī)器、設(shè)備進(jìn)行高效管控，對城市生產(chǎn)生活進(jìn)行精細(xì)化、動態(tài)化管理，實(shí)現(xiàn)智慧狀態(tài)，從而提高資源利用率和生產(chǎn)力質(zhì)量，改善城市環(huán)境，促進(jìn)全球可持續(xù)發(fā)展。本文提出了一個充分利用GIS及云計(jì)算技術(shù)的政務(wù)服務(wù)平臺，為智慧城市的政務(wù)提供便利的服務(wù)。