陳可蘊，柳翠明，趙林峰*，韓珊珊，夏小科

（1. 廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060）

近年來傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、5G通信、人工智能、大數(shù)據(jù)、智能制造等新一代信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，已廣泛應用于城市規(guī)劃、建設、管理、治理和服務中[1]，并產(chǎn)生和積累了大量地理信息數(shù)據(jù)。黨的十九屆四中全會首次將數(shù)據(jù)列為一種生產(chǎn)要素，并提出“構(gòu)建以數(shù)據(jù)為關(guān)鍵要素的數(shù)字經(jīng)濟”。2021年3 月發(fā)布的《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》反復強調(diào)了數(shù)據(jù)資源的規(guī)劃藍圖，包括激活數(shù)據(jù)要素潛能，構(gòu)建城市數(shù)據(jù)資源體系，推進數(shù)據(jù)跨部門、跨層次、跨地區(qū)匯聚融合和深度應用等。由此可見，數(shù)據(jù)資源在國家層面的重要性。因此，時空數(shù)據(jù)的建設研究在政策層面上順應數(shù)據(jù)資源深度融合應用和共享的發(fā)展趨勢。南沙新區(qū)作為粵港澳大灣區(qū)的幾何中心，在國家、省、市發(fā)展大局中形成了“三區(qū)一中心”的發(fā)展格局。南沙新區(qū)當前快速、高標準的發(fā)展建設水平對地理信息數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性、覆蓋率和空間精度等方面提出了更高的要求；且在區(qū)域發(fā)展建設過程中累積了海量多源異構(gòu)地理信息數(shù)據(jù)。

通常數(shù)據(jù)建設主要是針對某一應用需求建立相應的數(shù)據(jù)庫和信息化系統(tǒng)，但存在如下問題：①各應用系統(tǒng)獨立運行，產(chǎn)生了嚴重的數(shù)據(jù)壁壘；②數(shù)據(jù)利用率低，未形成統(tǒng)一有效的積累和更新；③數(shù)據(jù)分析指標多而散、數(shù)據(jù)價值未有效體現(xiàn)，系統(tǒng)價值低。數(shù)據(jù)中臺是一個集采集、加工、管理、存儲、共享功能于一體，并將標準統(tǒng)一化的數(shù)據(jù)提供給應用層的服務平臺[2]，可作為解決上述數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)共性問題的一種手段。數(shù)據(jù)中臺的概念是阿里在2015年根據(jù)自身業(yè)務需要提出的[3]，隨后各大互聯(lián)網(wǎng)公司紛紛提出中臺戰(zhàn)略并進行組織架構(gòu)調(diào)整，由此中臺技術(shù)蓬勃發(fā)展。中臺的核心是抽象和組件化共性的能力，目的是降低成本、避免重復建設導致資源浪費[4]。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新型信息技術(shù)的發(fā)展，中臺技術(shù)迅速拓展到各行業(yè)。數(shù)據(jù)中臺通常包含數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)中間件、數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理和數(shù)據(jù)應用[5]，數(shù)據(jù)倉庫是存儲數(shù)據(jù)的容器；數(shù)據(jù)中間件包括數(shù)據(jù)計算、分析、可視化等；數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理包括時空信息數(shù)據(jù)、公共基礎數(shù)據(jù)等；數(shù)據(jù)應用則是面向具體的業(yè)務場景和需求，為數(shù)據(jù)資產(chǎn)搭建相應的應用體系架構(gòu)?；诖?，本文設計了面向南沙新區(qū)的地理信息時空數(shù)據(jù)中臺，基于大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，充分挖掘當前累積的多源異構(gòu)地理數(shù)據(jù)的應用價值，提高各類數(shù)據(jù)的共享和復用程度，提升數(shù)據(jù)服務的支撐能力，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精細化和高效化管理。

1 數(shù)據(jù)中臺設計

1.1 總體架構(gòu)設計

數(shù)據(jù)中臺是使用數(shù)據(jù)技術(shù)對海量數(shù)據(jù)進行采集、計算、存儲、管理、分析和應用的服務平臺[6]。不同于傳統(tǒng)的時空數(shù)據(jù)平臺，數(shù)據(jù)中臺以應用場景需求為出發(fā)點，對數(shù)據(jù)資源進行抽象、封裝和標準化，為前臺業(yè)務提供可復用的數(shù)據(jù)服務。本文構(gòu)建的南沙新區(qū)地理信息時空數(shù)據(jù)中臺，包括設施層、數(shù)據(jù)層、平臺層、應用層和用戶層（圖1），設施層是中臺的物質(zhì)基礎，包含計算、存儲、網(wǎng)絡、觀測傳感器的基礎設施設備；數(shù)據(jù)層是中臺的核心，按照《廣東省自然資源一體化數(shù)據(jù)庫設計》標準構(gòu)建時空數(shù)據(jù)架構(gòu)，結(jié)合分布式集群技術(shù)，分門別類建立各類數(shù)據(jù)庫服務器，對于不同類型的數(shù)據(jù)，采用本地文件、地理數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等形式進行數(shù)據(jù)的組織、管理與維護；平臺層承接數(shù)據(jù)資源的管理、查詢、表達和計算分析，通過資源管理中心，利用最新的時空大數(shù)據(jù)、云計算技術(shù)，實現(xiàn)多元服務集成管理、運維管理、共享交換、制圖可視化和模型分析；應用層是對中臺的應用表達，具備在線服務和定制開發(fā)能力，能面向不同類型、不同行業(yè)、不同目標的應用提供數(shù)據(jù)和服務支撐；用戶層是中臺的使用者，主要面向自然資源系統(tǒng)內(nèi)的政務部門。

圖1 數(shù)據(jù)中臺總體架構(gòu)圖

1.2 中臺應用流程設計

不同的業(yè)務和應用場景對數(shù)據(jù)的需求不同，如小區(qū)管理關(guān)注小區(qū)內(nèi)部的全部要素、交通管理關(guān)注道路上的要素。數(shù)據(jù)中臺不僅需要涵蓋類型豐富、格式多樣的數(shù)據(jù)，還需滿足數(shù)據(jù)應用的多樣性、精細化和個性化。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)中臺從數(shù)據(jù)到產(chǎn)品的組裝、從產(chǎn)品到應用的賦能，本文以“按需服務”為導向，設計了可組裝、參數(shù)可調(diào)整的數(shù)據(jù)分析模型，進而形成了一套靈活多樣的數(shù)據(jù)分析模型庫。在數(shù)據(jù)庫和模型庫的基礎上，本文設計了“數(shù)據(jù)+模型=產(chǎn)品”的流程（圖2），用戶設定目標需求，從數(shù)據(jù)中臺中選擇相應的數(shù)據(jù)和模型，并進行排列組合，即可組裝生產(chǎn)滿足需求效果的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

圖2 中臺組裝應用流程圖

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 時空數(shù)據(jù)模型構(gòu)建技術(shù)

基于南沙新區(qū)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)時空語義特征和自然資源部建設規(guī)則，本文構(gòu)建“向上滿足建設要求、向下符合區(qū)域特點”的南沙新區(qū)時空數(shù)據(jù)模型。該模型不僅需準確表達地理數(shù)據(jù)時間與空間屬性，還需反映地理數(shù)據(jù)時態(tài)、位置、數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)的時空屬性關(guān)系，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)在空間上的分層、在時間上的分期、在位置上的分區(qū)、在業(yè)務上的邏輯關(guān)聯(lián)[7]。

CityGML 是用于表達三維城市模板的通用數(shù)據(jù)模型，從數(shù)據(jù)適宜程度、精度、對象簡化程度等方面規(guī)范了城市三維模型的細節(jié)層次（LOD）[8]。本文利用CityGML 構(gòu)建南沙新區(qū)三維時空數(shù)據(jù)模型的表達層次，包括區(qū)域、城市、城市區(qū)域、建筑外觀、建筑內(nèi)部5個LOD（圖3），模型LOD越高，對應的數(shù)據(jù)精度越高，語義信息越豐富。

圖3 三維時空數(shù)據(jù)模型的細節(jié)層次

2.2 時空數(shù)據(jù)存儲管理技術(shù)

數(shù)據(jù)中臺面向的業(yè)務復雜，涉及的數(shù)據(jù)類型多、體量大，常規(guī)數(shù)據(jù)庫無法滿足其數(shù)據(jù)存儲需求。根據(jù)南沙新區(qū)不同業(yè)務和應用場景下的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)特征，本文設計了基于Redis的時空數(shù)據(jù)庫，以實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的高效存儲、表達和管理。三維模型數(shù)據(jù)被設計為三級存儲結(jié)構(gòu)[9]，第一級為三維時空數(shù)據(jù)庫，包含一個區(qū)域集列表和描述該數(shù)據(jù)庫的元數(shù)據(jù)信息；第二級為區(qū)域集，將三維模型按照區(qū)域劃分到不同的集合中，包含區(qū)域內(nèi)建筑要素集合和描述該區(qū)域建筑要素的元數(shù)據(jù)信息；第三級為建筑要素，包含三維模型的空間信息和語義信息。

2.3 時空數(shù)據(jù)索引技術(shù)

由于二三維一體數(shù)據(jù)中臺的數(shù)據(jù)庫量級較大，采用高效的索引方法尤為重要?？臻g目標排序需要一個排序的規(guī)則，空間填充曲線即為對目標排序規(guī)則的一種直觀表現(xiàn)?？臻g填充曲線一般通過行列號進行順序索引，不能顧及地物的空間聚類特征；而Hilbert曲線具有優(yōu)異的空間聚類性，采用遞歸定義的方法，有顯著的規(guī)律可尋，即通過不斷的復制翻轉(zhuǎn)即可得到更高階的曲線。Hilbert曲線構(gòu)建的空間索引對于空間相鄰的瓦片在索引序列中也是相鄰的，因此加載時能快速獲取場景周邊的瓦片數(shù)據(jù)。將二階和三階的Hilbert曲線擴展至四階，使曲線從二維擴展至三維，以快速構(gòu)建空間數(shù)據(jù)的索引結(jié)構(gòu)。

2.4 三維模型輕量化技術(shù)

三維模型數(shù)據(jù)往往數(shù)據(jù)量較大，在Web端加載緩慢且易導致瀏覽器卡頓崩潰[10]，一直以來是三維模型加載面臨的瓶頸，嚴重影響了用戶體驗，限制了三維模型的應用；同時對于移動端三維模型加載可視化的需求也越來越迫切。因此，本文針對三維空間數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、數(shù)據(jù)紋理壓縮和組織方式，設計了一種三維模型數(shù)據(jù)輕量化方法，首先對模型瓦片進行合并；再利用變分近似方法拆分模型，得到模型的每個面；然后刪除每個面內(nèi)部的三角格網(wǎng)，只保留輪廓線；最后對模型面進行重組，并將紋理映射到相應的面，得到簡化后的輕量化模型。

2.5 快速制圖表達引擎技術(shù)

地圖產(chǎn)品是空間數(shù)據(jù)和統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)的可視化方式之一，能在直觀表達數(shù)據(jù)內(nèi)涵和邏輯的基礎上，引導用戶發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)規(guī)律、挖掘潛在知識，從而成為輔助決策的常用手段。本文通過事先預設多風格多尺度的底圖模板、豐富的制圖模板和符號庫等，將快速制圖加工封裝為類似于工廠車間的“生產(chǎn)線”流程式服務，使用戶能根據(jù)流程向?qū)е贫ǘ鄬ｎ}地圖產(chǎn)品，高效快速，特別適用于應急場景下的產(chǎn)品組裝；支持地圖的增、刪、改、查和服務共享等操作，可實現(xiàn)快速迭代和持續(xù)優(yōu)化?？焖僦茍D流程操作步驟為：①加載或上傳專題數(shù)據(jù)，可加載平臺中數(shù)據(jù)目錄內(nèi)的數(shù)據(jù)或單獨上傳與平臺數(shù)據(jù)目錄相同空間坐標的矢量數(shù)據(jù)；②底圖選擇，選擇底圖區(qū)域范圍、適宜相應專題內(nèi)容和使用需求的底圖風格；③符號設置，為加載的專題數(shù)據(jù)設置符號、注記等；④模板設置，根據(jù)地圖產(chǎn)品用途、需求、內(nèi)容等，選擇和編輯布局整飾模板；⑤導出地圖，組裝完畢后，選擇導出格式、分辨率等參數(shù)，一鍵導出地圖。

3 典型應用案例

根據(jù)“邊建設、邊應用”的原則[2]，本文以地理信息時空數(shù)據(jù)中臺為支撐，開展多行業(yè)的應用服務，以不斷提高中臺應用能力，促進中臺共性需求建設。

1）在城市空間演變中的應用。數(shù)據(jù)中臺助力回溯南沙發(fā)展歷史，研究城市空間增長特征和時空演變規(guī)律，為南沙未來城市建設和空間規(guī)劃提供科學參考。從數(shù)據(jù)中臺中提取多時相遙感影像數(shù)據(jù)和多時序土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)采集和分析上節(jié)約了較大的人力和時間成本，高效完成了南沙城市擴張時空演變特征和空間增長模式的定量分析。

2）在“兩違”監(jiān)督中的應用。利用地理信息時空數(shù)據(jù)中臺和二三維一體化技術(shù)，構(gòu)建“兩違”監(jiān)督管理二三維一體平臺（圖4），匯聚全景圖、視頻、統(tǒng)計圖表等多源強現(xiàn)勢性數(shù)據(jù)，滿足違法用地監(jiān)管和違法建筑證據(jù)留存的需求，實現(xiàn)農(nóng)用地、建設用地、未利用地全域“兩違”變化識別追蹤能力，提高儲備用地的視頻模型協(xié)同證據(jù)留存能力，減少外業(yè)巡查人員的人力成本和視角局限，人力和時間成本降低70%。

圖4 “兩違”監(jiān)督管理二三維一體平臺

3）在工業(yè)企業(yè)摸查中的應用。數(shù)據(jù)中臺助力南沙新區(qū)工業(yè)企業(yè)現(xiàn)狀調(diào)查，開展工業(yè)企業(yè)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)用地現(xiàn)狀摸查，支撐南沙新區(qū)工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。基于時空數(shù)據(jù)中臺，對企業(yè)數(shù)據(jù)進行邏輯劃分，建立工業(yè)企業(yè)分析模型，形成了“目標、數(shù)據(jù)、模型、產(chǎn)品”的應用體系（圖5）。通過迅速提取和挖掘工業(yè)企業(yè)摸查中需要的時空數(shù)據(jù)，對全區(qū)規(guī)上工業(yè)企業(yè)和規(guī)下樣本企業(yè)的地理、社會、經(jīng)濟等屬性進行摸查和快速制圖表達，節(jié)約了近100 d 的工業(yè)企業(yè)地理屬性采集時間，制圖時間縮短了58%。

圖5 數(shù)據(jù)中臺助力南沙新區(qū)工業(yè)企業(yè)摸查應用模式

4）在城市體檢中的應用。數(shù)據(jù)中臺支撐城市體檢評估，面向南沙新區(qū)全域約803 km2范圍，開展南沙新區(qū)城市人居環(huán)境評價，查找城市問題并提出政策建議?；跀?shù)據(jù)中臺數(shù)據(jù)構(gòu)建面向城市體檢指標評價的分析模型，形成“目標、數(shù)據(jù)、模型、指標、產(chǎn)品”的應用體系（圖6），產(chǎn)品制圖時間縮短了65%。

圖6 數(shù)據(jù)中臺支撐城市體檢應用模式

5）在招商引資中的應用。綜合采用地理信息、移動互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，以數(shù)據(jù)中臺為載體，對地理空間數(shù)據(jù)進行集中管理與分布使用，支撐招商引資系統(tǒng)建設。系統(tǒng)包括地圖瀏覽、基礎地理圖層切換、距離與面積測量、功能規(guī)劃區(qū)識別、地圖標注、位置點搜索查詢和720°全景圖瀏覽等功能，可輔助城市發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃落圖、產(chǎn)業(yè)用地可視化核查、重點片區(qū)可視化宣傳、重點樓宇可視化推介，全方面、多角度展示南沙新區(qū)各大區(qū)塊的地理環(huán)境，有利于在短時間內(nèi)快速考察多個區(qū)塊的區(qū)位、交通、產(chǎn)業(yè)、周邊設施等情況，節(jié)約單次現(xiàn)場考察的時間和交通成本，在一定程度上提高了招商引資的資金引進率。

4 結(jié) 語

地理信息時空數(shù)據(jù)中臺作為智慧南沙的地理信息數(shù)據(jù)底座，落實“兩服務、兩支撐”的要求，聚焦自然資源空間管控需求，面向資源統(tǒng)籌、安全底線、要素配置，提供了豐富的數(shù)據(jù)、產(chǎn)品與功能服務，高效支撐智慧應用建設，全面提升南沙新區(qū)時空地理信息數(shù)據(jù)的服務和共享能力，在解決信息孤島、數(shù)據(jù)壁壘、數(shù)據(jù)利用低、業(yè)務響應慢、數(shù)據(jù)質(zhì)量差、數(shù)據(jù)價值低等方面取得了一定成效。

隨著信息技術(shù)的更加成熟，未來可獲取的數(shù)據(jù)種類越來越多，數(shù)據(jù)應用的業(yè)務場景也更加復雜多樣。數(shù)據(jù)中臺應始終堅持以應用為導向，務實資源提供和深度應用能力，朝著數(shù)據(jù)更多樣、底層更智能、上層更簡單、應用更豐富的方向發(fā)展。另外，數(shù)據(jù)中臺需協(xié)同各行業(yè)，共同豐富數(shù)據(jù)中臺生態(tài)圈，不斷迭代循環(huán)，優(yōu)化時空數(shù)據(jù)資源，進一步提升數(shù)據(jù)應用服務能力，實現(xiàn)“用數(shù)據(jù)說話、用數(shù)據(jù)決策、用數(shù)據(jù)管理、用數(shù)據(jù)創(chuàng)新”，為南沙新區(qū)建設提供權(quán)威、全面、時效、安全的數(shù)據(jù)服務支撐。