張 軍，高潔純

（1.江西省地質(zhì)局地理信息工程大隊(duì)，江西南昌 330001；2.江西華昌企業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司，江西南昌 330108）

0 引言

從數(shù)字化到智能化再到智慧化，近年來(lái)，南昌市統(tǒng)籌推進(jìn)從數(shù)字城市到智慧城市的轉(zhuǎn)型，加快構(gòu)建“智慧南昌”一體化建設(shè)格局?！爸腔勰喜钡慕ㄔO(shè)離不開地理空間框架的支持，隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈等先進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展，各級(jí)城市的地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)逐步升級(jí)為時(shí)空大數(shù)據(jù)，原地理信息公共平臺(tái)升級(jí)為云平臺(tái)［1］。由此，時(shí)空大數(shù)據(jù)與云平臺(tái)建設(shè)成為當(dāng)前“智慧南昌”建設(shè)的重要內(nèi)容。

“智慧南昌”時(shí)空信息云平臺(tái)建設(shè)試點(diǎn)項(xiàng)目已于2021 年4 月通過(guò)專家組驗(yàn)收并正式投入運(yùn)營(yíng)。該項(xiàng)目基于泛在網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算、地理空間集成等新一代信息技術(shù)，統(tǒng)籌時(shí)空信息資源建設(shè)，在豐富數(shù)據(jù)資源、完善軟件和標(biāo)準(zhǔn)體系的基礎(chǔ)上，深入結(jié)合智慧城市的建設(shè)要求，形成了具有地方特色、國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的地理信息開放式服務(wù)平臺(tái)。該平臺(tái)的建設(shè)給南昌市帶來(lái)多樣化的信息式服務(wù)，同時(shí)也為建設(shè)“智慧南昌”奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為南昌市多個(gè)部門和智慧應(yīng)用系統(tǒng)提供了安全、可靠、高效的服務(wù)，平臺(tái)已經(jīng)成為“智慧南昌”的核心基礎(chǔ)設(shè)施之一。

1 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

1.1 時(shí)空大數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

時(shí)空大數(shù)據(jù)是時(shí)空云平臺(tái)建設(shè)的基礎(chǔ)，“智慧南昌”時(shí)空大數(shù)據(jù)與云平臺(tái)按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系和技術(shù)規(guī)范體系，依托物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新一代高科技信息技術(shù)，基于原數(shù)字南昌地理空間框架建設(shè)的成果，將基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、公共專題數(shù)據(jù)、公共規(guī)劃數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)感知數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)傳感信息以及網(wǎng)絡(luò)抓取信息等資源進(jìn)行整合，構(gòu)建了高精度、長(zhǎng)跨度、寬廣度的時(shí)空大數(shù)據(jù)集。依據(jù)公眾版的網(wǎng)絡(luò)地理信息服務(wù)數(shù)據(jù)的要求以及相關(guān)規(guī)定，由測(cè)繪行政主管部門進(jìn)行數(shù)據(jù)脫密技術(shù)處理，各政府單位可根據(jù)自身權(quán)限通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)獲取脫密后的數(shù)據(jù)資源，在云平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行注冊(cè)并發(fā)布各種服務(wù)，并可基于云平臺(tái)提供的各種服務(wù)搭建各類GIS應(yīng)用系統(tǒng)［2］，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)即服務(wù)、軟件即服務(wù)、應(yīng)用即服務(wù)，以滿足日常的業(yè)務(wù)辦公需求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的共建共享。

1.2 云平臺(tái)設(shè)計(jì)

云平臺(tái)的目的主要是通過(guò)統(tǒng)一服務(wù)門戶系統(tǒng)，滿足各類用戶對(duì)空間數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求，并利用時(shí)空數(shù)據(jù)幫助各類型的用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)深度挖掘，獲取到更深層次的知識(shí)價(jià)值［3］。時(shí)空信息大數(shù)據(jù)通過(guò)廣泛的網(wǎng)絡(luò)條件、智能化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器以及大型的計(jì)算統(tǒng)計(jì)軟件等先進(jìn)技術(shù)集成到智慧城市時(shí)空信息云平臺(tái)中，依托城市專用的政務(wù)云存儲(chǔ)和云計(jì)算資源，形成更加智能的地理信息公共平臺(tái)。城市各個(gè)部門提供的時(shí)空信息資源（硬件、數(shù)據(jù)、功能、軟件等）都進(jìn)行統(tǒng)一的存儲(chǔ)、管理和對(duì)外發(fā)布服務(wù)的功能。云平臺(tái)的構(gòu)建就在滿足以上需求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)時(shí)空信息的高效整合、互相通信、互相調(diào)和。平臺(tái)總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 平臺(tái)總體架構(gòu)示意圖

1.3 智慧專題應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在時(shí)空信息云平臺(tái)成果的基礎(chǔ)上，南昌市逐步建成了不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍智慧管理系統(tǒng)、智慧耕地管理系統(tǒng)、國(guó)土空間規(guī)劃監(jiān)測(cè)評(píng)估預(yù)警管理系統(tǒng)、自然資源綜合執(zhí)法監(jiān)管平臺(tái)等多個(gè)智慧應(yīng)用管理系統(tǒng)，充分發(fā)揮出時(shí)空信息云平臺(tái)的應(yīng)用支撐作用，為政府部門和社會(huì)公眾提供及時(shí)高效、多樣化、個(gè)性化的一站式地理信息服務(wù)。

1.3.1 不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍智慧管理系統(tǒng)

以南昌市時(shí)空信息云平臺(tái)為基礎(chǔ)，對(duì)接現(xiàn)有的南昌市不動(dòng)產(chǎn)登記信息平臺(tái)，建立基于時(shí)空信息云平臺(tái)下的不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍管理系統(tǒng)。南昌市不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍智慧管理系統(tǒng)是一個(gè)集信息管理、空間型、網(wǎng)絡(luò)化與辦公自動(dòng)化于一體的新一代不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍綜合解決系統(tǒng)，具有不動(dòng)產(chǎn)圖屬互查，權(quán)籍信息輸入、查詢、檢索、分析、輸出和管理，與GIS 結(jié)合還可進(jìn)行全空間一體化展示目標(biāo)區(qū)域內(nèi)樓盤信息等功能，實(shí)現(xiàn)了二、三維一體化不動(dòng)產(chǎn)管理，有效解決了不動(dòng)產(chǎn)權(quán)利交叉等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查的流程化、規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化管理。

1.3.2 智慧耕地管理系統(tǒng)

以南昌市時(shí)空信息云平臺(tái)為基礎(chǔ)，并充分利用物聯(lián)網(wǎng)、地理信息、云計(jì)算等現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)開展南昌市智慧耕地管理系統(tǒng)的建設(shè)。南昌市智慧耕地管理系統(tǒng)基于信息化和智能化的耕地保護(hù)管理模式進(jìn)行開發(fā)，并以耕地監(jiān)測(cè)、政務(wù)辦公、輔助決策、信息服務(wù)為基本核心，能夠?qū)崿F(xiàn)耕地信息的展示、查詢、智能配置和維護(hù)等功能，為耕地保護(hù)和國(guó)家糧食安全提供全新的技術(shù)支持，形成了上下貫穿、互聯(lián)互通的新型“智慧耕地”信息化應(yīng)用體系。

1.3.3 國(guó)土空間規(guī)劃監(jiān)測(cè)評(píng)估預(yù)警管理系統(tǒng)

國(guó)土空間規(guī)劃監(jiān)測(cè)評(píng)估預(yù)警管理系統(tǒng)充分運(yùn)用大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等相關(guān)先進(jìn)技術(shù)，以國(guó)土空間規(guī)劃的智能管理目標(biāo)為核心，通過(guò)集成資源整合、業(yè)務(wù)管控、梳理指標(biāo)與模型體系，建立覆蓋南昌全市的二、三維一體化的國(guó)土空間規(guī)劃監(jiān)測(cè)評(píng)估預(yù)警管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)輔助國(guó)土空間規(guī)劃編制、評(píng)審、監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)和預(yù)警的一系列管控業(yè)務(wù)，對(duì)于提高國(guó)土空間治理能力，推進(jìn)全域全要素的國(guó)土空間信息化進(jìn)程，打造數(shù)字化和現(xiàn)代化的國(guó)土空間規(guī)劃并實(shí)現(xiàn)智慧國(guó)土空間規(guī)劃具有十分重要的意義。

1.3.4 自然資源綜合執(zhí)法監(jiān)管平臺(tái)

南昌市自然資源綜合執(zhí)法監(jiān)管平臺(tái)共有7 大模塊，包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理與綜合統(tǒng)計(jì)分析模塊、違法信息采集模塊、執(zhí)法工作動(dòng)態(tài)查詢模塊、衛(wèi)片執(zhí)法檢查模塊、違法行為處理模塊和機(jī)構(gòu)人員管理模塊等。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了自然資源執(zhí)法信息和管理層級(jí)間的互聯(lián)互通，不僅做到了執(zhí)法過(guò)程有記錄可查，還能做到執(zhí)法過(guò)程全程追蹤和回放；同時(shí)該平臺(tái)還打通了自然資源綜合執(zhí)法與其他項(xiàng)業(yè)務(wù)之間的聯(lián)絡(luò)，搭建了全過(guò)程、全業(yè)務(wù)的自然資源大數(shù)據(jù)執(zhí)法綜合監(jiān)管環(huán)境。

2 平臺(tái)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于用戶訪問(wèn)規(guī)律和GIS服務(wù)質(zhì)量的云資源智能縮放技術(shù)

在云平臺(tái)建設(shè)過(guò)程中需要考核的一項(xiàng)重要指標(biāo)就是在保證服務(wù)質(zhì)量的前提下，最大限度降低硬件資源和能源的消耗。南昌市在時(shí)空大數(shù)據(jù)云平臺(tái)建設(shè)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)云平臺(tái)的時(shí)刻監(jiān)控，建立了多指標(biāo)約束下的優(yōu)化求解模型，將云計(jì)算資源的利用狀況、服務(wù)質(zhì)量驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)資源優(yōu)化、服務(wù)的靜態(tài)資源需求列為三項(xiàng)約束條件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)云計(jì)算資源的智能伸縮、彈性擴(kuò)展和動(dòng)態(tài)分配，保證了服務(wù)質(zhì)量。

2.2 基于Hadoop的時(shí)空大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)

時(shí)空大數(shù)據(jù)不僅具有大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)種類復(fù)雜的特性，還兼有時(shí)間、空間兩個(gè)要素。由于時(shí)空大數(shù)據(jù)帶有時(shí)序性，因此文件存儲(chǔ)系統(tǒng)要能做到高吞吐的寫入效率。此外，對(duì)于時(shí)空大數(shù)據(jù)的查詢具有批量性的特點(diǎn)，故時(shí)空大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)要從兩方面來(lái)重點(diǎn)考慮，除了滿足數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)，還要有大批量查詢數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)挖掘的能力。平臺(tái)建設(shè)選用Hadoop 來(lái)作為時(shí)空大數(shù)據(jù)的整體框架是基于時(shí)空大數(shù)據(jù)的幾個(gè)特性考量的。因?yàn)闀r(shí)空大數(shù)據(jù)的多源異構(gòu)、多尺度、多維度的特性并且數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)速度是PB 級(jí)（1 PB＝1024 TB）的，傳統(tǒng)意義上的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)法滿足海量數(shù)據(jù)的管理、分析、挖掘，單一節(jié)點(diǎn)的文件存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)對(duì)于來(lái)源復(fù)雜、格式混亂的數(shù)據(jù)沒有可靠性、可擴(kuò)展性以及高容錯(cuò)性，而Hadoop 分布式計(jì)算框架能對(duì)時(shí)空大數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一的存儲(chǔ)、管理和數(shù)據(jù)挖掘方案。Hadoop Database 是NoSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)，即非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。本平臺(tái)主要面向的是非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，采用并列式存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)。由于Hadoop 是分布式存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，所以對(duì)于每臺(tái)接入其上的計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，每臺(tái)計(jì)算機(jī)的物理邊界就不再受到局限，可以理解為無(wú)限個(gè)環(huán)繞在一起，這樣的存儲(chǔ)機(jī)制帶來(lái)的效用是當(dāng)從Hadoop 集群里任何N 臺(tái)計(jì)算機(jī)中的一臺(tái)訪問(wèn)HDFS（分布式文件系統(tǒng)）時(shí)，用戶能獲得的存儲(chǔ)空間是N 倍機(jī)器空間，存儲(chǔ)的文件可以分布在N 多個(gè)計(jì)算機(jī)中。數(shù)據(jù)分配在N 臺(tái)計(jì)算機(jī)上，相應(yīng)的處理速度也就從單一的處理速度變?yōu)镹 倍處理速度，這是基于分布式和并列計(jì)算得到的，從而極大提高了數(shù)據(jù)處理速度，使得在單位時(shí)間內(nèi)處理的數(shù)據(jù)量得到極大擴(kuò)大，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了高吞吐量的能力。

2.3 地名地址匹配技術(shù)

地名地址數(shù)據(jù)是連接基礎(chǔ)地理信息和其他眾源數(shù)據(jù)的橋梁，因此其快速高效的匹配十分重要。地名地址匹配技術(shù)是智慧城市建設(shè)中應(yīng)用的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，南昌市時(shí)空信息云平臺(tái)建設(shè)中充分應(yīng)用地名地址匹配技術(shù)，進(jìn)行地址匹配時(shí)，程序首先通過(guò)地址要素詞典對(duì)輸入地址進(jìn)行切分，通過(guò)正向最長(zhǎng)匹配算法，把輸入地址字符串的地址要素和別名切分成段。在完成輸入地址字符串切分的同時(shí)，通過(guò)兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針連接，程序也同時(shí)獲得了一組標(biāo)準(zhǔn)地址樹中的地址要素節(jié)點(diǎn)，即地址字符串切分和地址要素匹配同時(shí)完成。由于有時(shí)不同的地址可能包含同名地址要素，最終匹配到的地址可能有多條，所以程序再根據(jù)打分排序算法，對(duì)地址樹中匹配到的各條地址打分，確定最佳匹配結(jié)果。這個(gè)雙樹索引機(jī)制還可以處理部分不規(guī)范的輸入地址，通過(guò)地址樹中沿著分支的上溯返回完整的標(biāo)準(zhǔn)地址。

2.4 市縣一體化建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

考慮到共享平臺(tái)的建設(shè)成本和建設(shè)難度，也為了更好實(shí)現(xiàn)市縣兩級(jí)的互聯(lián)互通，形成全市地理信息資源的“大共享”，共享平臺(tái)將政務(wù)版軟件成果免費(fèi)推廣到各縣（市、區(qū)），并統(tǒng)籌建設(shè)市縣兩級(jí)公眾版軟件，在保障市縣平臺(tái)統(tǒng)一的同時(shí)，必將大大促進(jìn)縣級(jí)平臺(tái)的建設(shè)。公眾版節(jié)點(diǎn)在全國(guó)首次采用了市縣一體化的統(tǒng)籌建設(shè)模式，也即市縣兩級(jí)的“數(shù)據(jù)集中、軟件統(tǒng)一、硬件集中、二級(jí)運(yùn)維”。具體而言，平臺(tái)后臺(tái)通過(guò)同一套在線服務(wù)基礎(chǔ)系統(tǒng)和服務(wù)管理系統(tǒng)對(duì)市縣兩級(jí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一支撐和管理，平臺(tái)前端則為南昌市本級(jí)及各縣（市、區(qū)）分別構(gòu)建多樣化、獨(dú)立運(yùn)維的門戶網(wǎng)站系統(tǒng)，并且將所有的服務(wù)軟件體系運(yùn)行在統(tǒng)一支撐環(huán)境中，統(tǒng)籌建設(shè)模式，實(shí)現(xiàn)了市縣兩級(jí)節(jié)點(diǎn)的深度耦合，也極大降低了縣級(jí)節(jié)點(diǎn)的建設(shè)成本。

2.5 三維場(chǎng)景快速顯示及二、三維一體化技術(shù)

與二維相比，三維地理信息更符合客觀世界表達(dá)的真實(shí)性要求，可視化效果更佳，越來(lái)越受到人們的關(guān)注，但三維數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量比二維的要高出十幾倍甚至幾十倍，尤其在地理信息服務(wù)走向網(wǎng)絡(luò)化之后，如何通過(guò)技術(shù)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)條件下的三維快速顯示愈發(fā)重要。三維場(chǎng)景快速顯示及二、三維一體化技術(shù)遵照人類自然視覺的原理，視點(diǎn)較遠(yuǎn)，顯示范圍較大、細(xì)節(jié)內(nèi)容少；視點(diǎn)較近，顯示范圍小、細(xì)節(jié)內(nèi)容豐富。它始終保持屏幕信息量的固定，采用地形和地物的多級(jí)LOD（Levels of Detail 的簡(jiǎn)稱）技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多層次的三維數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化與消隱，將自然地形數(shù)據(jù)分成多層、地物模型數(shù)據(jù)分成多級(jí)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)算視點(diǎn)與目標(biāo)的距離確定顯示精細(xì)度，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的三維場(chǎng)景的快速顯示?！爸腔勰喜睍r(shí)空大數(shù)據(jù)與云平臺(tái)系統(tǒng)充分應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，主要實(shí)現(xiàn)了以下二、三維一體化的顯示效果：

1）數(shù)據(jù)管理一體化，二維與三維信息均通過(guò)統(tǒng)一的服務(wù)接口發(fā)布，服務(wù)數(shù)據(jù)源在組織上保持一致，不再存儲(chǔ)兩套數(shù)據(jù)，減少維護(hù)工作量。

2）可視表達(dá)一體化，二維視圖和三維場(chǎng)景的描述方式大大不同，前者的描述方式主要是由視圖的中間位置、分布區(qū)域大小和視圖的擴(kuò)大縮小比例等組合形成；后者的描述方式主要是由觀察點(diǎn)的三維坐標(biāo)、周邊可視范圍區(qū)域等組合形成。通過(guò)將描述的組合內(nèi)容進(jìn)行嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，以此來(lái)確保二、三維顯示的一致性。

3）實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)一體化，將二維系統(tǒng)的操作與三維系統(tǒng)的操作進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，建立雙向通信互操作的同步模塊，分別將監(jiān)控到的實(shí)時(shí)變動(dòng)互相傳遞以實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)一體化，影像二維數(shù)據(jù)和地下管線以及地上建筑實(shí)現(xiàn)了聯(lián)動(dòng)一體化。

4）應(yīng)用分析一體化，二維GIS 分析和處理的結(jié)果均可以在三維場(chǎng)景顯示，同時(shí)支持三維環(huán)境下的量測(cè)與分析功能，在二維環(huán)境中搜索建筑名稱，在三維場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)建筑模型定位。

5）信息擴(kuò)展一體化，對(duì)于用戶標(biāo)注、加載到二維視圖中的個(gè)性化擴(kuò)展信息，均可以在三維場(chǎng)景中直接顯示；二維文本標(biāo)注即可在三維場(chǎng)景中直接顯示。

3 結(jié)語(yǔ)

時(shí)空信息云平臺(tái)作為“智慧南昌”整體框架中一個(gè)重要的、不可缺少的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施，將最大程度地推進(jìn)地理信息資源的共享和應(yīng)用，提高政府管理和決策水平，顯著推進(jìn)南昌市的信息化進(jìn)程，引導(dǎo)“智慧南昌”地理信息、大數(shù)據(jù)以及各類智慧應(yīng)用等信息經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。下一步，南昌市將對(duì)平臺(tái)進(jìn)一步完善，并加快推廣應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上，積極探索發(fā)展以時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)為代表的新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，優(yōu)化技術(shù)創(chuàng)新和科技成果產(chǎn)業(yè)化的政策體系、激勵(lì)機(jī)制和市場(chǎng)環(huán)境，不斷推進(jìn)智慧城市的建設(shè)。