“智慧南昌”時空大數據與云平臺建設研究

張 軍，高潔純

（1.江西省地質局地理信息工程大隊，江西南昌 330001；2.江西華昌企業發展有限責任公司，江西南昌 330108）

0 引言

從數字化到智能化再到智慧化，近年來，南昌市統籌推進從數字城市到智慧城市的轉型，加快構建“智慧南昌”一體化建設格局?！爸腔勰喜钡慕ㄔO離不開地理空間框架的支持，隨著大數據、云計算、區塊鏈等先進技術的快速發展，各級城市的地理信息數據庫逐步升級為時空大數據，原地理信息公共平臺升級為云平臺［1］。由此，時空大數據與云平臺建設成為當前“智慧南昌”建設的重要內容。

“智慧南昌”時空信息云平臺建設試點項目已于2021 年4 月通過專家組驗收并正式投入運營。該項目基于泛在網絡、云計算、地理空間集成等新一代信息技術，統籌時空信息資源建設，在豐富數據資源、完善軟件和標準體系的基礎上，深入結合智慧城市的建設要求，形成了具有地方特色、國內領先的地理信息開放式服務平臺。該平臺的建設給南昌市帶來多樣化的信息式服務，同時也為建設“智慧南昌”奠定了堅實的基礎，為南昌市多個部門和智慧應用系統提供了安全、可靠、高效的服務，平臺已經成為“智慧南昌”的核心基礎設施之一。

1 平臺總體設計

1.1 時空大數據設計

時空大數據是時空云平臺建設的基礎，“智慧南昌”時空大數據與云平臺按照統一的數據標準體系和技術規范體系，依托物聯網、云計算、大數據等新一代高科技信息技術，基于原數字南昌地理空間框架建設的成果，將基礎地理信息數據、公共專題數據、公共規劃數據、動態感知數據、實時傳感信息以及網絡抓取信息等資源進行整合，構建了高精度、長跨度、寬廣度的時空大數據集。依據公眾版的網絡地理信息服務數據的要求以及相關規定，由測繪行政主管部門進行數據脫密技術處理，各政府單位可根據自身權限通過互聯網獲取脫密后的數據資源，在云平臺基礎上進行注冊并發布各種服務，并可基于云平臺提供的各種服務搭建各類GIS應用系統［2］，實現了數據即服務、軟件即服務、應用即服務，以滿足日常的業務辦公需求，實現數據信息的共建共享。

1.2 云平臺設計

云平臺的目的主要是通過統一服務門戶系統，滿足各類用戶對空間數據的應用需求，并利用時空數據幫助各類型的用戶進行數據深度挖掘，獲取到更深層次的知識價值［3］。時空信息大數據通過廣泛的網絡條件、智能化的實時監測傳感器以及大型的計算統計軟件等先進技術集成到智慧城市時空信息云平臺中，依托城市專用的政務云存儲和云計算資源，形成更加智能的地理信息公共平臺。城市各個部門提供的時空信息資源（硬件、數據、功能、軟件等）都進行統一的存儲、管理和對外發布服務的功能。云平臺的構建就在滿足以上需求的基礎上，實現時空信息的高效整合、互相通信、互相調和。平臺總體架構如圖1 所示。

圖1 平臺總體架構示意圖

1.3 智慧專題應用系統設計

在時空信息云平臺成果的基礎上，南昌市逐步建成了不動產權籍智慧管理系統、智慧耕地管理系統、國土空間規劃監測評估預警管理系統、自然資源綜合執法監管平臺等多個智慧應用管理系統，充分發揮出時空信息云平臺的應用支撐作用，為政府部門和社會公眾提供及時高效、多樣化、個性化的一站式地理信息服務。

1.3.1 不動產權籍智慧管理系統

以南昌市時空信息云平臺為基礎，對接現有的南昌市不動產登記信息平臺，建立基于時空信息云平臺下的不動產權籍管理系統。南昌市不動產權籍智慧管理系統是一個集信息管理、空間型、網絡化與辦公自動化于一體的新一代不動產權籍綜合解決系統，具有不動產圖屬互查，權籍信息輸入、查詢、檢索、分析、輸出和管理，與GIS 結合還可進行全空間一體化展示目標區域內樓盤信息等功能，實現了二、三維一體化不動產管理，有效解決了不動產權利交叉等問題，實現了不動產權籍調查的流程化、規范化和標準化管理。

1.3.2 智慧耕地管理系統

以南昌市時空信息云平臺為基礎，并充分利用物聯網、地理信息、云計算等現代先進技術開展南昌市智慧耕地管理系統的建設。南昌市智慧耕地管理系統基于信息化和智能化的耕地保護管理模式進行開發，并以耕地監測、政務辦公、輔助決策、信息服務為基本核心，能夠實現耕地信息的展示、查詢、智能配置和維護等功能，為耕地保護和國家糧食安全提供全新的技術支持，形成了上下貫穿、互聯互通的新型“智慧耕地”信息化應用體系。

1.3.3 國土空間規劃監測評估預警管理系統

國土空間規劃監測評估預警管理系統充分運用大數據和云計算等相關先進技術，以國土空間規劃的智能管理目標為核心，通過集成資源整合、業務管控、梳理指標與模型體系，建立覆蓋南昌全市的二、三維一體化的國土空間規劃監測評估預警管理系統。該系統能夠實現輔助國土空間規劃編制、評審、監測、評價和預警的一系列管控業務，對于提高國土空間治理能力，推進全域全要素的國土空間信息化進程，打造數字化和現代化的國土空間規劃并實現智慧國土空間規劃具有十分重要的意義。

1.3.4 自然資源綜合執法監管平臺

南昌市自然資源綜合執法監管平臺共有7 大模塊，包括基礎數據管理與綜合統計分析模塊、違法信息采集模塊、執法工作動態查詢模塊、衛片執法檢查模塊、違法行為處理模塊和機構人員管理模塊等。該平臺實現了自然資源執法信息和管理層級間的互聯互通，不僅做到了執法過程有記錄可查，還能做到執法過程全程追蹤和回放；同時該平臺還打通了自然資源綜合執法與其他項業務之間的聯絡，搭建了全過程、全業務的自然資源大數據執法綜合監管環境。

2 平臺建設關鍵技術

2.1 基于用戶訪問規律和GIS服務質量的云資源智能縮放技術

在云平臺建設過程中需要考核的一項重要指標就是在保證服務質量的前提下，最大限度降低硬件資源和能源的消耗。南昌市在時空大數據云平臺建設過程中，通過對云平臺的時刻監控，建立了多指標約束下的優化求解模型，將云計算資源的利用狀況、服務質量驅動的動態資源優化、服務的靜態資源需求列為三項約束條件，實現了對云計算資源的智能伸縮、彈性擴展和動態分配，保證了服務質量。

2.2 基于Hadoop的時空大數據存儲技術

時空大數據不僅具有大數據的數據量大、數據種類復雜的特性，還兼有時間、空間兩個要素。由于時空大數據帶有時序性，因此文件存儲系統要能做到高吞吐的寫入效率。此外，對于時空大數據的查詢具有批量性的特點，故時空大數據的存儲要從兩方面來重點考慮，除了滿足數據的高效存儲，還要有大批量查詢數據和數據挖掘的能力。平臺建設選用Hadoop 來作為時空大數據的整體框架是基于時空大數據的幾個特性考量的。因為時空大數據的多源異構、多尺度、多維度的特性并且數據的增長速度是PB 級（1 PB＝1024 TB）的，傳統意義上的關系型數據庫無法滿足海量數據的管理、分析、挖掘，單一節點的文件存儲結構對于來源復雜、格式混亂的數據沒有可靠性、可擴展性以及高容錯性，而Hadoop 分布式計算框架能對時空大數據提供統一的存儲、管理和數據挖掘方案。Hadoop Database 是NoSQL 數據庫，即非關系型數據庫。本平臺主要面向的是非結構化數據，采用并列式存儲的設計。由于Hadoop 是分布式存儲結構，所以對于每臺接入其上的計算機來說，每臺計算機的物理邊界就不再受到局限，可以理解為無限個環繞在一起，這樣的存儲機制帶來的效用是當從Hadoop 集群里任何N 臺計算機中的一臺訪問HDFS（分布式文件系統）時，用戶能獲得的存儲空間是N 倍機器空間，存儲的文件可以分布在N 多個計算機中。數據分配在N 臺計算機上，相應的處理速度也就從單一的處理速度變為N 倍處理速度，這是基于分布式和并列計算得到的，從而極大提高了數據處理速度，使得在單位時間內處理的數據量得到極大擴大，進而實現了高吞吐量的能力。

2.3 地名地址匹配技術

地名地址數據是連接基礎地理信息和其他眾源數據的橋梁，因此其快速高效的匹配十分重要。地名地址匹配技術是智慧城市建設中應用的一項關鍵技術，南昌市時空信息云平臺建設中充分應用地名地址匹配技術，進行地址匹配時，程序首先通過地址要素詞典對輸入地址進行切分，通過正向最長匹配算法，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，通過兩個數據結構的指針連接，程序也同時獲得了一組標準地址樹中的地址要素節點，即地址字符串切分和地址要素匹配同時完成。由于有時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，所以程序再根據打分排序算法，對地址樹中匹配到的各條地址打分，確定最佳匹配結果。這個雙樹索引機制還可以處理部分不規范的輸入地址，通過地址樹中沿著分支的上溯返回完整的標準地址。

2.4 市縣一體化建設關鍵技術

考慮到共享平臺的建設成本和建設難度，也為了更好實現市縣兩級的互聯互通，形成全市地理信息資源的“大共享”，共享平臺將政務版軟件成果免費推廣到各縣（市、區），并統籌建設市縣兩級公眾版軟件，在保障市縣平臺統一的同時，必將大大促進縣級平臺的建設。公眾版節點在全國首次采用了市縣一體化的統籌建設模式，也即市縣兩級的“數據集中、軟件統一、硬件集中、二級運維”。具體而言，平臺后臺通過同一套在線服務基礎系統和服務管理系統對市縣兩級節點進行統一支撐和管理，平臺前端則為南昌市本級及各縣（市、區）分別構建多樣化、獨立運維的門戶網站系統，并且將所有的服務軟件體系運行在統一支撐環境中，統籌建設模式，實現了市縣兩級節點的深度耦合，也極大降低了縣級節點的建設成本。

2.5 三維場景快速顯示及二、三維一體化技術

與二維相比，三維地理信息更符合客觀世界表達的真實性要求，可視化效果更佳，越來越受到人們的關注，但三維數據的數據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走向網絡化之后，如何通過技術優化實現網絡條件下的三維快速顯示愈發重要。三維場景快速顯示及二、三維一體化技術遵照人類自然視覺的原理，視點較遠，顯示范圍較大、細節內容少；視點較近，顯示范圍小、細節內容豐富。它始終保持屏幕信息量的固定，采用地形和地物的多級LOD（Levels of Detail 的簡稱）技術，可實現多層次的三維數據簡化與消隱，將自然地形數據分成多層、地物模型數據分成多級，實時動態計算視點與目標的距離確定顯示精細度，實現了網絡環境下的三維場景的快速顯示?！爸腔勰喜睍r空大數據與云平臺系統充分應用該項技術，主要實現了以下二、三維一體化的顯示效果：

1）數據管理一體化，二維與三維信息均通過統一的服務接口發布，服務數據源在組織上保持一致，不再存儲兩套數據，減少維護工作量。

2）可視表達一體化，二維視圖和三維場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、分布區域大小和視圖的擴大縮小比例等組合形成；后者的描述方式主要是由觀察點的三維坐標、周邊可視范圍區域等組合形成。通過將描述的組合內容進行嚴格對應，以此來確保二、三維顯示的一致性。

3）實時聯動一體化，將二維系統的操作與三維系統的操作進行實時監控，建立雙向通信互操作的同步模塊，分別將監控到的實時變動互相傳遞以實現聯動一體化，影像二維數據和地下管線以及地上建筑實現了聯動一體化。

4）應用分析一體化，二維GIS 分析和處理的結果均可以在三維場景顯示，同時支持三維環境下的量測與分析功能，在二維環境中搜索建筑名稱，在三維場景中實現建筑模型定位。

5）信息擴展一體化，對于用戶標注、加載到二維視圖中的個性化擴展信息，均可以在三維場景中直接顯示；二維文本標注即可在三維場景中直接顯示。

3 結語

時空信息云平臺作為“智慧南昌”整體框架中一個重要的、不可缺少的空間信息基礎設施，將最大程度地推進地理信息資源的共享和應用，提高政府管理和決策水平，顯著推進南昌市的信息化進程，引導“智慧南昌”地理信息、大數據以及各類智慧應用等信息經濟產業的快速發展。下一步，南昌市將對平臺進一步完善，并加快推廣應用，并在此基礎上，積極探索發展以時空大數據平臺為代表的新型基礎設施建設，優化技術創新和科技成果產業化的政策體系、激勵機制和市場環境，不斷推進智慧城市的建設。