时空信息云平台建设总体架构

侯玉莹+邹同元+葛宝玉+鲍珊珊

摘 要：时空信息云平台是智慧城市建设的重要支撑。文章介绍了一种时空信息云平台的总体设计方案。本方案将空间基础数据、物联网节点数据和公共信息数据相融合，建设了一种时空信息数据库，为智慧城市整体建设提供数据基础。同时详细介绍了时空信息公共平台的总体架构及系统组成，以及在平台之上的应用示范系统建设。通过时空信息云平台建设，达到基础数据的时间空间一体化、各行业部门资源整合、信息共享等目的。

关键词：智慧哈尔滨;时空信息;GIS;物联网

中图分类号：TP208             文献标识码：A             文章编号：2095-1302（2015）09-00-05

0  引  言

我国政府高度重视智慧城市的建设，近十年间，中共中央、国务院、各级部委及国家测绘地理信息局等发布了多项政策以促进智慧城市的建设。智慧城市的建设离不开时空信息框架的支撑，主要包含时空信息数据库和时空信息公共平台[1]。以法定的、统一的时空信息框架为基础，整合人口、法人、经济、社会、文化等信息内容，建设时空信息云平台，是城市信息化的必然要求[2]。

时空信息云平台建设有着非常重大的意义。在政府信息化建设方面，时空信息云平台建设是哈尔滨政务信息化不可缺少的重要数据资源，能为哈尔滨的发展提供有力的信息保障;在经济社会发展方面，时空信息数据是提高管理决策水平的重要基础;在专业信息系统方面，时空信息云平台是建设各专业信息系统必不可少的支撑环境，可促进信息共享，减少重复建设[3];在社会公众服务方面，时空信息云平台将通过现代化的网络通讯技术提供导航、定位、出行等位置服务，为社会公众的生活提供便利[4]。

针对目前智慧城市建设的现状及设计需求，本文介绍了一种时空信息云平台总体设计方案。本方案将空间基础数据、物联网节点数据和公共信息数据相融合，为智慧城市整体建设提供数据基础[5];同时详细介绍了时空信息公共平台的总体架构及系统组成，以及在平台之上的应用示范系统建设。

1  时空信息云平台设计需求

为保证时空信息云平台的实用性，在哈尔滨市建委、规划局领导下，哈尔滨航天恒星数据系统科技有限公司会同哈尔滨勘察测绘研究院采用实地走访、会议座谈、调查问卷、电话咨询等多种方式，历时2个月，对哈尔滨市城乡规划局、城市管理局等强GIS部门及各区政府、街道办等弱GIS部门开展了时空信息使用现状、应用需求的调研，总结出平台设计中需要满足的各项功能需求。

1.1政府协同办公需求

为满足政府机关各部门之间办公信息的收集与处理、动静态数据查看与共享的需求，系统应具备各部门间时空数据交互流转，政府领导带图审批，办公操作实时记录，公文处理状态查看等功能[6]，以达到对时空信息进行精细化管理，进而辅助各级政府进行科学决策的目的。

1.2  数据资源共享需求

为满足智慧城市建设过程中部门之间资源共享的要求，提供精细化管理的数据支撑，系统需要将地理信息数据、管网数据、城市空间信息数据、城市地下空间数据、人口、法人证照数据以及物联网节点数据进行分类、整合、汇总后[7]，通过非涉密网和专网实现各部门之间的互联互通、资源整合、资源更新和信息共享。

1.3  行业典型应用需求

时空信息云平台可以支持行业典型应用系统的扩展开发，在时空信息云平台上搭建行业典型应用系统，以满足强GIS部门直接通过时空信息云平台调用时空信息数据、进行基本的地图操作的需求[8]。在时空信息云平台的基础上进行专项功能的开发，辅助一些行业职能部门对关注的时空信息进行业务管理。

1.4  数据管理及服务需求

系统需满足用户对城市时空数据进行管理以及提供二维、三维信息服务和空间分析的需求[9]。其中，数据管理包括元数据管理和时空数据管理;二三维信息服务包括基本地图类服务及定位展示服务;分析服务包含三维模型分析及数据分析。

1.5  大数据存储、挖掘需求

时空信息数据类型和数据格式具有多样性，巨量性（百TB级数据）的特点，系统需要支持多种存储方式，以适应不同形式的数据存储需求以及满足不同效率的访问需求。同时能够从大量的数据中挖掘出有用的信息，支持辅助决策。

1.6  信息安全功能需求

能够对外提供全面、稳定、高效、安全、优质的虚拟化服务，具备可靠的安全保密特性，为服务器虚拟化提供较好的支持，为用户的数据传输、存储提供高强度安全防护[10]。

1.7  兼容可扩展需求

时空信息的管理针对政府部门、行业用户和相关企事业单位，为信息系统的各类用户提供相应权责范围内的统一服务接口，实现城市空间信息管理的全管理事项的集成，以满足政府对时空信息管理的信息化运行的需求。在统一的云平台上提供标准接口协议与服务接口，与已有系统互联互通，同时整合在建系统。

1.8  系统监控及运维管理需求

为了提升信息管理工作效率，保障系统持续运行，需要实现从整体上对机房环境、网络、硬件设备、中间件、数据库等软硬件环境进行统一监控，当出现异常情况时能实现及时发现、及时定位、及时分析、及时处理、及时记录。系统运维管理的内容不仅包含软硬件运行维护、配置资源变更管理、事件追踪、任务管理、漏洞扫描、入侵监控，还需要支持平台设置、业务审核、用户管理、资源宿主、资源发布等功能。

2  时空信息云平台总体架构

时空信息云平台建设项目的总体架构分为感知层、网络层、支撑层、服务层、应用层。总体架构如图1所示。

2.1  感知层

在哈尔滨市现有信息基础设施的基础上，建设和完善以RFID、摄像头、环境传感器等为代表的地面信息采集系统，并补充卫星技术为代表的天地信息感知手段，形成纵向天空的立体覆盖、横向全面无缝感知的哈尔滨市信息感知网络[11]。

2.2  网络层

哈尔滨智慧城市天地立体通信网建设，一方面加快地面有线、无线通信网络的建设和完善，实现哈尔滨市的无缝、有效覆盖;另一方面，建设以卫星通信为基础的深空一体化应急通信网络，作为地面通信网络的有效备份。

2.3  支撑层

时空信息公共平台是哈尔滨智慧城市的核心，按照集中与分散相结合的原则构建。分散是指将基础信息资源存储于资源所在城市的信息中心，将行业数据存储于相关行业的信息中心;集中是时空信息共享云平台根据需要调用城市信息中心的数据和行业信息中心的数据为政府决策者、行业职能管理部门、企事业单位、社会大众提供统一的服务[12]。

（1）建成公共信息数据库，为上层服务及各类应用提供地名地址、人口、法人等数据支撑;

（2）建成空间信息数据库，为上层服务及各类应用提供基础地理信息、地上空间信息、地下管线、地下空间信息等数据支撑;

（3）建成物联网节点数据库，为上层服务及各类应用提供位置服务信息、视频监控信息、传感器信息、监测站信息等数据支撑;

（4）通过接入网关接入通信网络上传的大规模数据，将多元异构数据接入时空信息公共云平台;

（5）各业务用户通过数据管理分系统访问平台的数据。

2.4  服务层

服务层的主要任务有两部分：

（1）将接入的大规模数据汇集整合、存储、分析、处理后为政府决策者、行业用户提供共享服务;

（2）为行业提供数据交换平台，实现多源异构数据聚合、转换与发布，并开放数据预处理、数据挖掘接口，供各行业应用开发者调用并方便的搭建自己的业务系统[13]。

2.5  应用层

基于时空信息公共平台构建面向行业的智慧应用，诸如智慧交通、智慧环保、智慧管网、智慧照明及智慧安监等。

3  时空信息云平台系统方案

3.1  基础数据

3.1.1  空间信息数据

（1）基础地理信息数据

基础地理数据主要包括大地测量数据、数字线划图数据、数字正射影像数据（包含无人机正射影像数据）、数据高程模型数据、数字栅格地图数据等。现有2012年采用航摄方法制作完成1：1 000数字线划图。2014年7月完成覆盖测区的分辨率为0.2米的数字正射影像获取，用于修测已有的1：1 000数字线划图（DLG）。数字高程模型数据（DEM）、数字正射影像数据（DOM）、数字栅格图数据（DRG）还需要每年更新。卫星及遥感影像方面，哈尔滨市已掌握的数据包括2004年至2013年的高分辨率影像数据（0.61米），2011年获得的天绘卫星影像及航空遥感影像等影像数据以及2013年获得的QuickBird影像数据。建设时空信息云平台还需进一步丰富大比例尺基础地理信息数据，包括1：500、1：2 000等大比例尺覆盖规划区范围及1：5 000或1：10 000的覆盖全市范围的数据。并对历史基础地理信息数据进行规范化处理，统一空间基准与坐标系，以满足数据共享系统兼容互通的需求。

（2）地上空间信息数据

地上空间信息数据记录了城市全要素、全周期的空间位置、属性信息，是智慧城市建设的最基本数据。2014年已经普查入库主城区3.5米以上市政道路及第一排建筑物范围内约117平方公里的城市空间信息。计划2015年完成社区及剩余测区约283平方公里的普查。普查内容包括普查范围内现存的全要素点状、线状、面状空间信息，共分为6大类，24中类，77小类，271个对象。预计2015年7月完成普查工作。已建成的城市空间信息数据库能够实现静态数据的管理，但还无法做到实时动态数据的监测，需在其基础上通过数据扩充、添加时间属性以及数据重组，实现从城市空间信息数据到时空信息数据的升级。

（3）地下管线数据

我市已掌握累计共19 216.67公里管线数据。包括主城区的1.5万余千米的主干线管网数据;老城区剩余施工道路和开放小区地下管线1 131.8公里的数据;松北区、群力开发区和迎宾区地下管线3 180.6公里的数据;三环和四环之间280公里油气管线普查数据。已有管网普查文字资料1 021份、综合管线图1 747幅、专业管线图11 490幅。基本形成覆盖全市的地下管网基础数据，为哈市管线管理及行业权属应用提供准确、详实、可靠的数据资源。在已经掌握的管线数据信息中，还缺少对应的时间属性和管线监测数据，无法实现管线运行数据的智能分析和管线预警的应急策略支撑。还需要进一步制定监测和更新方案，接入动态传感数据。

（4）地下空间设施数据

我市对1990年以后建成的地下城市空间信息资料掌握较全面，但1990年之前建成的人防工程资料缺失情况比较严重，且现有数据的标准与格式不统一，系统只能在二维地图上进行数据展示，没有三维空间分析、推演等功能，无法为城市应急提供辅助决策。为进一步完善数据，我市将于2015年对人防工程设施进行普查， 预计一年内完成，形成覆盖全市的地下空间基础数据。同样，地下空间信息也不包括时间属性，也需要进一步关联扩充。

3.1.2  物联网节点数据

物联网传感器和移动终端的广泛应用，产生了海量的实时动态信息，目前这部分信息由相应业务部门分别存储和管理，缺少统一的数据库进行集中存储和管理。在交通领域有电子警察设备150多个、天网摄像头50个，但是仅个别路口实现了高清视频监控功能，需要增加摄像头的数量来实现覆盖全市主城区道路的监测网络。在环保领域配备了50余辆地面巡检车，并设立了12个空气质量监测站，但缺乏车辆动态定位，监测站点数量也偏少，无法实现全市范围的覆盖监控。物联网数据需要通过专业测量手段，采集室外物联网节点的空间位置，调查相关属性内容。依托人工确认或室内定位方法，获取室内物联网节点的相对空间位置及其属性。对于具有精准空间位置的物联网节点，通过坐标与时空信息进行关联与匹配;对于仅有相对空间位置的物联网节点，通过人机协同实现与三维精细模型的关联，或者实现与二维分层平面图的关联。分成静态与动态子库，连同时空信息数据一体化组织管理。

3.1.3  公共信息数据

公共信息数据主要包括地名地址数据和人口法人数据，目前哈尔滨已有基础地名地址数据和人口法人数据。但还需扩充自然村以上的行政地名，建立市级、县级、乡级和行政村级四级区划单元;丰富街、巷名，以及制造企业、交通运输和邮政、信息传输和计算机服务、零售和批发、住宿和餐饮、金融和保险、房地产、商务服务、教育科研、卫生社会保障和社会福利、文化体育娱乐、公共管理和社会等兴趣点名。

3.2  时空信息公共平台

时空信息公共平台由时空信息共享云平台、时空信息服务、业务应用扩展、时空数据管理、地图在线服务、共享服务管理及平台运维管理七个分系统组成。

3.2.1  时空信息共享云平台分系统

时空信息共享云平台分系统是智慧城市的核心，将全市各部门、各行业的海量异构数据进行接入、汇集、整合，并提供大数据存储、大数据处理、大数据挖掘等功能，为其他分系统提供底层数据支撑;通过虚拟化技术可以使用户在虚拟化环境中实现其在真实环境中的部分或者全部功能，确保了资源的安全性及完整性。

3.2.2  时空数据管理分系统

时空数据管理分系统是时空信息公共平台的全部空间数据资源的存储管理与应用支持中心，为整个平台中其他应用系统提供数据存档管理与属性和空间数据库支持，是应用系统各个子系统间数据共享与服务的技术基础与运行基础。建立覆盖数据入库、数据更新维护、数据查询统计全流程管理工具。

3.2.3  共享服务管理分系统

共享服务管理分系统主要实现公共服务平台与用户之间数据和服务的共享交互。主要侧重以下几方面功能：

（1）将平台的数据资源以服务的方式提供给用户，用户可以方便的获取相应的服务资源;

（2）用户可以进行地图服务及分析服务查询与浏览;

（3）用户可以注册已有的服务，方便用户对服务的定位与查找;

（4）用户可以对在线数据有限制地编辑、更新数据;

（5）用户需要进行服务申请，通过审核合格后才可使用相应服务。

3.2.4  地图在线服务分系统

地图在线服务分系统提供哈尔滨市多源、异构、多尺度、各类空间数据资源的综合应用与主题服务，主要体现在二三维、动静态、地上地下一体化可视化展示、多维度服务浏览和多角度空间数据状况的查询统计，满足使用者对空间地理数据和专题数据的基本操作需求。

3.2.5  时空信息服务分系统

时空信息服务分系统采用门户网站的方式将时空数据进行展示，通过采用统一登录门户，按照权限快捷操作各分系统。门户同时承担着平台的信息发布，网上互动等任务，使浏览用户能够检索到门户网站，了解平台功能，促进更多部门与用户加入到时空信息公共平台中，使其发挥最大功效。

3.2.6  业务应用扩展分系统

业务应用扩展分系统提供平台基础空间操作全部服务，这些服务注册在平台中，通过业务应用扩展子系统展现给开发用户，使其能够根据目录了解服务的功能、开发方式、开发方法以及示例代码等。业务应用扩展子系统为各委办局数据对接、基于平台开发专业系统以及基于平台完善其自有系统等提供快捷的组装工具。

3.2.7  平台运维管理分系统

通过建设平台运维管理分系统，在统一的平台上实现对平台内数据和服务运行状况进行实时监控管理，及时发现故障隐患，方便进行问题排查，并为管理员提供可操作接口，从而保证系统能够长期稳定、可靠地运行。

3.3  应用系统

我市近几年对智慧城市建设进行深入论证，深入挖掘如交通、照明、人防、环保、社区、城管、水务等方向的行业需求，已基本全面掌握哈尔滨市各行业对地理信息数据的应用需求。通过深入分析，决定以智慧交通、智慧环保、智慧管网、智慧照明及安全应急作为时空信息云平台的应用示范，以提升行业地理信息应用，便于平台的推广。

3.3.1  智慧管网

智慧管网信息系统建设内容概括为管线数据及信息共享、管线综合管理及应用服务和管线设施监测及信息服务三方面的内容，目前已建成管线数据及信息共享分系统和管线综合管理及应用服务分系统，在智慧哈尔滨时空信息云平台建设项目中主要完成管线设施监测及信息服务系统的建设，实现对管线进行动态监管。

3.3.2  智慧交通

基于哈尔滨市的交通发展现状、问题分析及智慧交通建设现状，结合交通的需求分析，以时空信息云平台提供的空间数据、交通相关的动态数据为基础，应用大数据、云计算、物联网等技术搭建涵盖交通管控系统、交通诱导系统、智慧公交管理系统及交通应急指挥系统于一体的智慧交通信息系统。

3.3.3  智慧照明

基于哈尔滨市的照明现状及用户需求，针对智慧照明信息系统的建设目标，将建设任务落实为三个分系统，即智能监控分系统、安全生产分系统和信息辅助分系统。

3.3.4  智慧环保

智慧环保综合服务系统包括四大应用分系统，即环境监测分系统、环境监察分系统、环境应急分系统以及公众服务分系统。各应用分系统以图层叠加的方式在时空信息公共平台提供的基础地理信息图层之上叠加业务相关数据，形成环保专题图层，为用户提供环境监测、环境监察、环境应急、公众服务等专业的数据服务和应用服务。

4  结  语

智慧哈尔滨建设是一项具有基础性、公益性的庞大的系统工程，它的建设是顺应国家智慧城市建设的方针政策，同时也符合哈尔滨市的城市规划、经济建设和发展目标。本文详细介绍了一种时空信息云平台建设方案，该系统以完备的空间信息数据、物联网节点数据、公共信息数据为基础，通过时空信息公共平台及应用示范系统建设，达到数据时间空间一体化、各行业部门资源整合、信息共享等目的。时空信息云平台将加快哈尔滨智慧城市的建设，为哈尔滨的宏伟蓝图画上浓墨重彩的一笔。

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