智慧城市時空信息云平臺解決方案

1、智慧城市時空信息云平臺解決方案二一八年一月二十二日一、平臺建設(shè)背景在經(jīng)歷改革開放 30 年后，中國的城鎮(zhèn)化水平已經(jīng)超過了 47%，然而城市建設(shè)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上日益涌入的人口增長速度，由此帶來了一系列城市管理者必須面臨四個難題：一是如何改變目前以量取勝的城市發(fā)展模式，實現(xiàn)以質(zhì)取勝的城市發(fā)展；二是如何更有效地分配城市資源，使之實現(xiàn)公平與效率的平衡；另外如何更有效地管理城市的諸多方面的設(shè)施，使之保持活力；最后如何進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級以創(chuàng)造更多的就業(yè)機會，促進(jìn)地方經(jīng)濟的發(fā)展。在我國資源分配不均衡的現(xiàn)狀下，需要管理者對城市資源設(shè)施進(jìn)行完整、有效的監(jiān)控和管理，并在此基礎(chǔ)上對資源、設(shè)施進(jìn)行合理的再分配和管理。在新一

2、輪信息技術(shù)變革的過程中，基于信息化的良好基礎(chǔ)和城市發(fā)展定位，依靠信息化的力量，通過城市信息化的手段，充分了解城市的各項設(shè)施狀況，合理配置資源，減少浪費和重復(fù)投資，提升城市的智能化水平和城市建設(shè)檔次，系統(tǒng)推進(jìn)“智慧城市”的建設(shè)，是城市信息化發(fā)展的趨勢。城市地理時空信息平臺作為 “智慧城市” 整體框架中一個重要的、不可缺少的基礎(chǔ)設(shè)施，以一種更加直觀的信息可視化方式表達(dá)所有事物天然俱備的位置特征信息，是建設(shè)智慧城市的關(guān)鍵性基礎(chǔ)信息平臺。城市地理時空信息平臺通過提供基于位置的信息服務(wù)，帶動個人消費、企業(yè)應(yīng)用、行業(yè)應(yīng)用和公共管理等領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新、業(yè)務(wù)創(chuàng)新和應(yīng)用創(chuàng)新，為智慧物流、智慧交通、智能電網(wǎng)、智慧城

3、市安全等各種智慧城市專業(yè)領(lǐng)域提供基礎(chǔ)信息服務(wù)，是智慧城市發(fā)展的信息載體。智慧水利圖 1 城市時空信息與智慧城市地理時空信息系統(tǒng)是一種采集、處理、存儲、管理、分析、輸出地理空間信息及其屬性信息的計算機信息系統(tǒng)。自20 世紀(jì) 60 年代誕生以來，系統(tǒng)發(fā)展迅速，應(yīng)用也日趨深入和廣泛，逐漸融入信息技術(shù)的主流，正成為信息產(chǎn)業(yè)新的增長點，是發(fā)展?jié)摿薮蟮牡乩硇畔a(chǎn)業(yè)的重要組成部分之一。目前，各國已建立了各種地理信息系統(tǒng)，用于測繪制圖、資源管理和輔助決策等。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，由于不同行業(yè)、不同部門之間缺乏信息溝通與合作，原有系統(tǒng)平臺之間壁壘分明，數(shù)據(jù)共享與服務(wù)共享困難，造成“信息孤島”問題。另外，原有平臺

4、需要不斷升級改造、維護，造成平臺軟件和硬件建設(shè)的重復(fù)和浪費。因此，如何提高城市地理時空信息系統(tǒng)軟硬件的利用效率，加強信息共享成為智慧城市建設(shè)的研究重點。最近發(fā)展起來的云計算技術(shù)為解決上述問題找到了新的途徑。在云計算環(huán)境下，通過各種通信網(wǎng)絡(luò)為用戶提供按需即取服務(wù)。這就使得用戶可以根據(jù)自身的需要特點選擇相應(yīng)的計算能力和存儲系統(tǒng)。系統(tǒng)平臺的各項功能將通過通信網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，用戶可以將各種平臺應(yīng)用部署在云計算供應(yīng)商所提供的云計算平臺中，以實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整軟件和硬件的需求。云計算因其在解決上述問題上具有的巨大優(yōu)勢，自誕生以來發(fā)展極為迅速。在國際上 Google 、亞馬遜、 IBM、微軟和雅虎等大公司是先行者，并

5、利用云計算技術(shù)建立了自己的云計算平臺。在國內(nèi)，云計算發(fā)展勢頭也得到廣泛重視，不同類型的云平臺建設(shè)的典型案例日益增多， 涌現(xiàn)出了一系列如北京 “祥云計算” 、上海“云海計劃” 、“寧波智慧城市云平臺” 、中國移動“ Big Cloud ”等云計算項目。目前，云計算已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子商務(wù)、電子政務(wù)、信息安全、網(wǎng)絡(luò)通信等諸多領(lǐng)域。 將云計算技術(shù)和地理信息技術(shù)相結(jié)合， 通過“云計算”和“云存儲”平臺，可以使得地理信息數(shù)據(jù)的存儲、計算和分析具有更高可擴展性和動態(tài)的支持。另外，研究云平臺環(huán)境下城市地理時空信息系統(tǒng)的應(yīng)用模式、服務(wù)體系、存儲遷移等問題顯得很有必要性和商業(yè)價值。二、平臺建設(shè)目標(biāo)和內(nèi)容根據(jù)國家“

6、十二五”總體規(guī)劃的建設(shè)內(nèi)容，作為智慧城市的地理空間信息的提供載體，城市地理時空云平臺應(yīng)建立較為完善的公共地理信息數(shù)據(jù)存儲體系，平臺建設(shè)應(yīng)實現(xiàn)土地、規(guī)劃、交通、林業(yè)、水利、稅務(wù)、民政、公安等公共部門及民用企業(yè)互聯(lián)互通，形成地理信息資源共享交換機制；最終建成基于云計算的網(wǎng)絡(luò)化運行環(huán)境的城市地理信息服務(wù)平臺，為政府決策、城市管理、社會公益服務(wù)等各行業(yè)提供基礎(chǔ)的地理信息服務(wù)。具體建設(shè)內(nèi)容包括以下四點：第一，充分利用空間數(shù)據(jù)集的海量異構(gòu)源數(shù)據(jù)，建立智慧城市地理時空信息的數(shù)據(jù)中心，通過數(shù)據(jù)中心的功能倉庫和集成管理等幾方面的提升，實現(xiàn)包括二維、三維、元數(shù)據(jù)信息的各類數(shù)據(jù)存儲，為智慧城市提供直觀的展現(xiàn)平臺，為

7、物聯(lián)化、互聯(lián)化、智能化提供基礎(chǔ)和決策支持。第二，管理服務(wù)平臺的轉(zhuǎn)化，從數(shù)字城市地理空間框架的管理平臺向智慧城市的集成運營平臺轉(zhuǎn)化?；跀?shù)據(jù)、服務(wù)及基礎(chǔ)設(shè)施可提供直觀感應(yīng)的特征，將地理時空信息平臺提升為智慧城市的集成運營的平臺，為智慧城市建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和各類專題數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)支撐，同時基于該平臺搭建快速配置應(yīng)用系統(tǒng)，為智慧城市的平臺應(yīng)用開發(fā)提供支持。第三，平臺的可拓展性。以云計算環(huán)境為基礎(chǔ)搭建具有云平臺可拓展性的模式。可拓展性主要內(nèi)容包括數(shù)據(jù)、功能、服務(wù)、和運營模式的可拓展。為更有效地適應(yīng)智慧城市快速發(fā)展和平臺擴展升級，云模式的拓展性具有必要性。第四，將原有的系統(tǒng)應(yīng)用納入平臺的框架應(yīng)用中。在城市時

8、空信息平臺框架中，以原有示范應(yīng)用為基礎(chǔ)，建設(shè)具有應(yīng)用基礎(chǔ)的平臺應(yīng)用，使之作為智慧城市的智慧國土、智慧交通、 智慧規(guī)劃、 智慧旅游、智慧醫(yī)療等涉及行業(yè)提供應(yīng)用支撐。三、平臺架構(gòu)智慧城市地理時空信息云平臺結(jié)合經(jīng)典云平臺的設(shè)計思路，采用面向服務(wù)的SOA架構(gòu)，采取C/S 和 B/S 混合模式。平臺共分為四個核心層次和兩個支持體系，即以云服務(wù)管理層、云服務(wù)層、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層和運行支持層為基礎(chǔ)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化體系和安全保障體系組成城市地理時空信息云平臺的主體架構(gòu)?？傮w架構(gòu)如下圖2 所示。圖 2 平臺總體架構(gòu)圖四、關(guān)鍵技術(shù)1、海量數(shù)據(jù)分布存儲技術(shù)城市地理時空信息云平臺由大量服務(wù)器集群組成，需要為大量用戶提供不同服務(wù)

9、，存儲大量的小文件。平臺采用分布式存儲的方式存儲海量地理信息數(shù)據(jù)，將小文件合并為大的文件。建立兩個文件:一個是數(shù)據(jù)文件，保存文件數(shù)據(jù);一個是索引文件，保存文件的索引信息；用冗余存儲的方式保證數(shù)據(jù)的可靠性。2、虛擬化技術(shù)虛擬化是云平臺的基礎(chǔ)，虛擬化可以在一臺物理服務(wù)器上聚集多個操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，可以更好地利用服務(wù)器的計算資源。虛擬化平臺軟件幫助客戶搭建公有或私有的虛擬平臺，供客戶部署應(yīng)用，實現(xiàn)服務(wù)器資源的靈活伸縮，降低維護、升級成本。3、負(fù)載、壓力測試技術(shù): 不同虛擬機安裝的軟件不同，實現(xiàn)的功能也不同，如何正確評估虛擬機分配的資源（CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)、硬盤空間）是否滿足了系統(tǒng)設(shè)計的要求，需要我

10、們對不同類型的服務(wù)器進(jìn)行負(fù)載、壓力測試，根據(jù)測試結(jié)果動態(tài)調(diào)整虛擬機的各項配備資源，最終在保證系統(tǒng)高效運行的同時充分利用資源。4、 3S 技術(shù)在云平臺中，采用圖片引擎技術(shù)快速訪問地圖，采用地理編碼技術(shù)獲取地址匹配服務(wù)，采用網(wǎng)格的定位、三維建模等3S技術(shù)，實現(xiàn)對客戶的地理信息數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)的快速響應(yīng)。五、平臺應(yīng)用模式基于云計算的城市時空信息云平臺是一項多用戶參與、多數(shù)據(jù)源、多應(yīng)用、技術(shù)環(huán)境復(fù)雜的系統(tǒng)工程，平臺采用三級分布結(jié)構(gòu)的服務(wù)模式和技術(shù)模式，結(jié)構(gòu)服務(wù)模式如圖3 所示。圖 3 智慧城市時空信息云平臺服務(wù)模式圖云平臺由主節(jié)點、次節(jié)點和基節(jié)點構(gòu)成，分別依托市、縣區(qū)及相應(yīng)政府部門的地理信息服務(wù)機構(gòu)，各

11、級節(jié)點分別管理、提供相應(yīng)信息數(shù)據(jù)，節(jié)點間之間互聯(lián)互通，在云硬件、云軟件和云服務(wù)的技術(shù)支持下，為政府部門、企事業(yè)單位和社會公眾提供應(yīng)用服務(wù)，為智慧城市的運行管理提供支撐。數(shù)據(jù)是智慧城市時空信息云平臺的基礎(chǔ)，如何保證云平臺正常運行、保護云平臺的數(shù)據(jù)資源， 將平臺穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵。 根據(jù)不同部門、機構(gòu)和企業(yè)對數(shù)據(jù)保密性要求，云平臺網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分為涉密廣域網(wǎng)和非涉密廣域網(wǎng)，其中涉密廣域網(wǎng)利用政府機構(gòu)內(nèi)網(wǎng)實現(xiàn)涉密地理信息交換與共享；非涉密廣域網(wǎng)利用公眾外網(wǎng)以及互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)非涉密地理信息交換與共享。云平臺對外的空間基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)交換共享，除了特殊的需要外，要盡量避免直接暴露數(shù)據(jù)自身，利用云計算技術(shù)模式可以大大提高數(shù)

12、據(jù)的安全保密性，能夠快捷方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)災(zāi)難備份和恢復(fù)功能，大大地提高數(shù)據(jù)的安全性。六、平臺基礎(chǔ)應(yīng)用服務(wù)智慧城市時空信息云平臺在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支撐下，提供四類基礎(chǔ)服務(wù)：地理信息內(nèi)容即服務(wù)、地理信息軟件即服務(wù)、地理信息平臺即服務(wù)、地理信息基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)。1、地理信息平臺即服務(wù)地理信息平臺即服務(wù)是把地理信息整個開發(fā)環(huán)境作為服務(wù)向外提供。地理信息平臺即服務(wù)是提供涉及城市時空信息系統(tǒng)應(yīng)用一個開發(fā)平臺服務(wù)，包括向開發(fā)人員提供開發(fā)和部署自定義應(yīng)用程序的平臺或中間件。 這些中間件提供的常規(guī)解決方案涵蓋了API和開發(fā)工具、 數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)流程管理系統(tǒng)等。2、地理信息軟件即服務(wù)地理信息軟件即服務(wù)是指地理信息軟件開發(fā)商利

13、用云計算技術(shù)包裝服務(wù)，將應(yīng)用軟件統(tǒng)一部署在該云平臺的服務(wù)器上，普通用戶、政府機構(gòu)等根據(jù)需求通過互聯(lián)網(wǎng)向廠商訂購應(yīng)用軟件服務(wù)，服務(wù)提供商免費或根據(jù)客戶所定軟件的數(shù)量、時間的長短等因素收費。3、地理信息內(nèi)容即服務(wù)地理信息內(nèi)容即服務(wù)，就是把地理信息的內(nèi)容作為一種服務(wù)向外提供，比如“云位置”服務(wù)，數(shù)以萬計的服務(wù)器、豐富的地理數(shù)據(jù)資源、強大的 GIS 分析功能連接起來形成一片“云”，用戶按需即取即用。地理信息內(nèi)容即服務(wù)是云平臺應(yīng)用中的最低層次，將云平臺中的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)有償或免費提供給普通公眾、企業(yè)單位及政府機構(gòu)。我國的地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)、測繪科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)都屬于地理信息內(nèi)容即服務(wù)層次。4、地理信

14、息基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)地理信息服務(wù)的構(gòu)建可以運行在其他商業(yè)公司構(gòu)建的云基礎(chǔ)設(shè)施中。云平臺運營者在以平臺的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)環(huán)境為基礎(chǔ)提供相應(yīng)的計算資源、彈性租賃服務(wù)。通過云計算技術(shù)，平臺用戶可以租用智慧城市時空信息云計算平臺的軟件和硬件資源，把地理信息服務(wù)部署在云中提供。目前，提供這種云設(shè)施的公司主要是Amazon。它提供了彈性云計算（Elastic Compute Cloud， EC2）和簡單存儲服務(wù)（simpleStorage Service， S3） 23 兩種租用方式。這種存儲服務(wù)按照每個月類似租金的形式行進(jìn)付費。現(xiàn)今的云平臺使用REST 和簡單對象訪問協(xié)議（SOAP）等標(biāo)準(zhǔn)接口，用戶可以通過這些

15、接口訪問到相應(yīng)的存儲服務(wù)。在用戶使用模式上，亞馬遜彈性云計算要求用戶創(chuàng)建基于亞馬遜規(guī)格的服務(wù)器映像（ AmazonMachine Image，AMI）。地理信息用戶通過創(chuàng)建自己的AMI將自己的地理信息服務(wù)上傳到彈性云計算平臺，然后調(diào)用亞馬遜的應(yīng)用編 程 接 口 （ API ）， 對AMI 進(jìn) 行 使 用 和 管 理 。 目 前 ， ArcGIS已經(jīng)可以部署在Amazon 的云計算平臺上。七、結(jié)束語智慧城市是城市信息化發(fā)展的必然趨勢，是在數(shù)字城市建設(shè)發(fā)展到一定階段，科學(xué)技術(shù)達(dá)到一定水平，社會需求達(dá)到一定程度的必然要求。智慧城市建設(shè)已經(jīng)從概念研究邁向?qū)嵺`探索，正在成為城市轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展模式、改善人們生產(chǎn)與生活方