基于GIS和云计算的智慧政务服务平台研究

李朝辉

（湖南省第三测绘院 湖南长沙 410007）

城市的发展为城市管理提供了一个新的维度。电子政务可以帮助弥合政府与公民之间的鸿沟，从而减少双方之间的冲突。GIS 的市政应用展示了GIS 在电子政务中的潜在价值，其在物业管理、交通运输、城市规划、废物管理、城市设计和更新中起着决定性的作用［1］。GIS 可为用户提供城市服务并确定相关的解决方案，GIS除了有助于不同数据源的数据集成外，还可以使用地图实现数据可视化，从而增强系统可用性，并协助决策过程。3D GIS 提供可视化呈现，并用作真正的3D 工具——通过使用3D 模型进行查询和在3D 中可视化地理信息。本文提出了一个政务服务平台的顶层设计，充分利用GIS和云计算技术，为智慧城市政务提供便利和处理服务。

城市地区都具备必要的基础设施，因此可以很好地利用电子政务服务。而在农村地区，最大的问题是缺乏必要的基础设施及公民缺乏计算机意识。云计算在未来可以成为满足这些需求的有效解决方案，这将是智能的，并且可供所有人访问［2］。此外，电子政务必须建立在流动的基础上，并不断适应协作治理系统，以应对外部协调和内部整合与合作的双重挑战。

云计算和物联网引领城市管理从数字化阶段进入智能化阶段。作为未来城市的功能核心，云数据中心已在不同区域进行了大规模建设。同时，针对硬件重、软件轻、应用不足，亟需开发具有自主知识产权的云计算、云存储、云服务领域的产品，建立专业化的城市云平台，开展产业化应用。本文打造了一个基于云架构的智慧城市3D 管理服务软件平台，聚焦公共交通、市政管网、环保、防灾、公共信息等不同领域［3］，旨在为城市规划、建设和管理服务提供全面、实用、一体化的解决方案。与以往其他云架构相比，其独特的特点和先进性主要体现在类似于Google Earth 的地球3D空间云政务平台开发。其特点主要包括：（1）软件、硬件、应用一体化的优势；（2）空间数据的多访问方法；（3）3D 可视化系统；（4）自主开放的空间云应用系统；（5）优秀的数据挖掘和空间分析功能；（6）针对不同行业需求的电子政务功能和前端定制。

1 研究意义

1.1 数字城市是智慧城市的空间支撑

现代城市的发展约80%与地理空间位置有关。支撑智慧城市的核心是数字城市。对于一个城市来说，数字城市是一个地理环境，是高效运行的指挥系统，是基础设施，是模拟系统。一些城市开始从数字城市向智慧城市过渡，如从电子政务管理向政务物联网应用管理转变，应利用物联网的建设和建设资源，促进政务的推广应用，提高政府的行政效率［4］。这包括整合现有和即将建设的城市运营管理的传感器网络和信息网络数据，实现政府投资设施和信息系统的自动数据交换和共享，依托电子政务，加强官方城市管理和服务，实现数据共享、协同、开放。从数字城市向智慧城市的转变也是解决全球可持续发展危机的必然选择。

1.2 智慧城市是发展的必然

近20年来，城市信息化建设经历了信息港和数字城市两个阶段，目前，它正朝着智慧城市的阶段发展，这些阶段是过去和未来之间的纽带。在信息港阶段，城市信息化建设的主要资源用于宏观信息基础设施建设，如带宽扩展、网络建设等。在数字城市阶段，城市信息化建设的主要资源用于数据库开发和互联网应用。数字城市旨在通过计算机网络获得现实世界中的大量作品。在智慧城市阶段，主要资源用于城市信息网络建设，实现自动监控、信息采集、分析处理和决策响应。智慧城市源于并超越数字城市。

1.3 智慧城市是数字城市和物联网的结合

以物联网和云计算为代表的新一轮信息技术革命为信息技术向智能化发展提供了重要的技术基础。智慧城市是指通过信息通信技术的建设，充分利用信息技术（ICT）基础设施、认证、安全平台，加快攻关关键技术难题，构建城市发展的智能环境，形成基于海量信息和智能过滤处理的新的生活方式、产业发展和社会管理，建立新的城市形态。数字城市是对城市进行多分辨率、多尺度、多时空、多物种的3D描述。物联网通过基于约定协议的信息传感设备将任何物品与互联网连接起来，实现信息交换和通信，实现智能识别、定位、跟踪、监控和管理。智慧城市可以通过结合数字城市和物联网来实现。

2 平台实现与应用

基于GIS、RS、GPS、数字地形模型（DTM）、虚拟现实、3D建模、大型空间数据库平台等关键技术，充分利用现有信息基础设施条件和地理空间数据资源，整合城市自然资源和空间地理信息及相关经济社会信息，建立及时更新的多尺度、多分辨率空间基础数据库，构建空间信息交换共享在线服务体系，这样一来，就建立了市区范围内的3D GIS场景［5］。以3D GIS为基础，开发相关行业应用板块业务系统，使其成为数字城市空间的基础信息平台，整合空间信息资源的核心专业应用系统。

基于该平台，以高性能空间信息云计算与分析挖掘为手段，开展数字城市和智慧城市相关的基础应用研究和应用工程建设，为城市安全、环境、交通、健康等民生领域提供空间信息技术支撑，促进新型社会空间信息服务产业的发展。

2.1 3D智慧城市云平台

作为多源、多时空、多尺度的城市空间数据管理平台，建立跨行业、跨部门、跨平台的数据共享新模式，实现多领域间的信息交换和共享。该平台除可应用于城市管网、消防、税务外，还可应用于城市设施监管、城市交通监管、社会公共服务等领域，提升城市管理和服务功能。

以往的3D数字城市系统存在数据分散、数据难以有效整合和复用等问题，导致资源浪费严重。该平台依托物联网、云计算等新技术，与基于3D GIS技术的3D数字城市服务平台有效融合，有效整合各类城市资源和空间地理基础信息，建立多源、多时空、多尺度的信息数据库，开发相关行业的业务应用，建立可靠、高效、共享的3D 智慧城市云服务平台，有效整合数据资源和功能资源，服务政府、企业、公众，引导人口、资源、环境、经济和社会。该平台在数字城市取得了良好的测试应用效果。

云平台的底层包括Xen 和PowerVM 虚拟Linux 操作系统映射和Hadoop并行工作负载安排，与之前的分布式平台不同，它可以通过管理服务器根据需求确保最佳性能。云计算包括云应用的能力，充分利用了能够跨多台服务器实时分配资源的软件。通过基于SOA的Web服务，它可以与现有的IT基础设施集成，如图1所示。

图1 云计算中的城市数据流

3D GIS 提供了一个友好直观的界面，将虚拟化技术应用于云计算平台，可以获得良好的性能，包括：（1）可以将计算平台动态定位到所需的物理平台上；（2）多个轻量级虚拟机的计算节点可以合并到同一个物理节点中；（3）通过虚拟机在不同物理节点上的动态迁移，可以取得与应用无关的负载均衡性能；（4）部署更加灵活，即虚拟机可以直接部署到物理计算平台上。

2.2 城市灾害与环境保护

该平台围绕城市环境监测、规划和自然灾害预警等需求开展研发与实践，它基于对大量地理现象和过程的广泛观察、分析和抽象，解决了过程数值模拟计算的数学表达和尺度理论。根据不同地学类型，过程数值模拟计算模型构建和“数据—模型—系统—表达”一体化城市资源环境监测与灾害预警方法的基本理论。在高性能计算环境的支持下，实现了过程数值模拟计算的解决方案。

2.2.1 资源环境数据同化与整合

多源数据采集设备为环境监测和灾害预警提供了丰富的数据，但是，数据提供的信息是冗余的、互补的和协作的。数据集成是一种有效的多源数据采集方法，将同一区域内不同数据源的信息作为多源数据进行互补处理。有效的数据集成技术可以减少数据冗余，提高数据可靠性，对政府数据分析、挖掘和管理具有重要意义。

2.2.2 灾害过程并行计算数值预测技术研究

时空过程模型是灾害模拟的核心。开发空间、天空和地球观测数据开发同化方法，引入时空过程模型，研究多源数据的同化，提高地表演化过程中监测模型的准确性。云计算可以有效减少灾害模拟预报过程的时间，使灾害的及时准确预报成为可能。

2.3 智能交通

3S 技术为智能交通系统（ITS）的空间数据和交通信息的获取、处理、分析和可视化提供了必要的理论和技术支持。交通运输地理信息系统（GIS-T）是地理信息系统技术在交通运输领域的扩展，也是构建智能交通系统的重要基础。

利用3S技术对基础地理数据、网络数据等空间数据的处理和分析优势，合理组织、管理和发布交通信息，有利于提高交通系统运行效率，降低交通事故发生率。通过对交通信息的分析和交通数据挖掘，可以得到不同时期、不同地区的人们出行规律，这为交通管理部门进行交通规划、引导和流量预测提供了支持，为缓解交通拥堵提供了理论依据。

2.4 城市资源变化监测与分析

RS 技术用于研究城市扩张和城市化进程的动态监测。RS 和GIS 的综合应用将有效监控违法建设行为。在典型的架构变化中，使用干涉合成孔径雷达（InSAR）技术来描述面向对象架构的后向散射和干扰特性。然后建立多日期SAR 城市变化检测，以高效可靠地提取城市土地利用/覆盖变化信息。最后根据城市规划图和矢量变化分类，利用变化检测生成的地图、GIS技术数据处理功能和空间分析能力，以及属性信息查询的方法，对变化目标进行分析、识别、消除虚假，从而确定违法建筑。

2.5 城市环境动态监测预警

将自动监测系统采集的地面不同资源环境数据与各种RS监测数据进行整合，形成天地一体化监测手段，这样就可以对各种资源环境问题进行多尺度、多角度的综合分析监测，保证监测结果的有效性和准确性［6］。基于分布式计算技术，将有效解决大数据的实时处理，确保及时发现相关环境和资源问题，形成快速有效的解决方案，减少影响和损失。基于GIS 3D的资源环境状态展示技术更生动地表达了相关资源环境问题，为人员和决策者的相关分析提供了更直观的交互界面。

2.6 城市地质灾害监测预警

在城市地质灾害和线状特征、大面积地表变形监测预警中，计划利用卫星遥感、卫星定位、光纤传感网络技术，实现多尺度、3D（地表和地下）、高地表变形的精确、实时、动态监测、安全评估和预警。在塌陷、滑坡、泥石流等岩土位移和地面沉降、地裂缝等地面变形类地质灾害中，开展研究开发不同型号的压力传感器和位移传感器。

3 结语

智慧城市是当今世界的新一轮信息化。传感器安装在城市电网、道路、建筑物、管道和其他基础设施中，以连接到物联网并与互联网结合，这样就可以实现人类社会与城市物理系统的互联互通。同时，通过建立云计算中心，对人员、机器、设备进行高效管控，对城市生产生活进行精细化、动态化管理，实现智慧状态，从而提高资源利用率和生产力质量，改善城市环境，促进全球可持续发展。本文提出了一个充分利用GIS及云计算技术的政务服务平台，为智慧城市的政务提供便利的服务。