摘 要
针对时空大数据平台早期建设过程中暴露出来的数据汇聚难、更新不及时、服务不智能、应用不聚焦等问题，该文围绕新时期机构改革后测绘地理信息的工作定位以及新型基础测绘体系的技术变革，在变化发现增量更新、多尺度联动更新、网络抓取汇聚更新、平台智能化改造以及示范应用聚焦选取等方面提出了时空大数据平台建设的技术思路。结合正在开展的智慧城市时空大数据平台建设试点，探索了为自然资源“两统一”职责行使提供主动与智能服务、为政府各部门提供基础性公共信息服务的试点建设新模式。
引用格式
马照亭，刘勇，沈建明，等． 智慧城市时空大数据平台建设的问题思考［Ｊ］． 测绘科学，２０１９，４４（６）：２７９-２８４．
正文
0引言
智慧城市是运用物联网、云计算、大数据、空间地理信息集成等新一代信息技术，促进城市规划、建设、管理和服务智慧化的新理念和新模式[1]。建设智慧城市，对加快工业化、信息化、城镇化、农业现代化融合，提升城市可持续发展能力具有重要意义，已经成为破解城市发展难题、提升城市治理能力现代化、转变经济社会发展方式和城市科学发展的方向选择。以时空大数据平台为主要建设内容的智慧时空基础设施是智慧城市建设重要的信息基础设施之一，既是智慧城市不可或缺的、基础性的信息资源，又是其他信息交换共享与协同应用的载体，为其他信息在三维空间和时间交织构成的四维环境中提供时空基础，实现基于统一时空基础下的规划、布局、分析和决策[2]。
为进一步推动城市信息化进程，更好地满足城市运行、管理与服务的自动化、智能化需求，及时有效地为智慧城市探索与建设提供地理信息服务，原国家测绘地理信息局在总结前期数字城市地理空间框架建设经验的基础上，于2012年启动了智慧城市时空信息云平台建设试点工作[3]，陆续制定、修编了《智慧城市时空信息云平台建设试点技术指南》《智慧城市时空信息云平台建设技术大纲（2015版）》和《智慧城市时空大数据与云平台建设技术大纲（2017版）》，并发布《关于加快推进智慧城市时空大数据与云平台建设试点工作的通知》[4]，着力指导、推进全国的试点建设工作。截至2018年3月底机构改革前，全国共有46个城市开展了智慧城市时空信息云平台建设试点工作，先后有武汉、老河口、重庆、潍坊和聊城5个城市的试点工作通过了验收。国务院机构改革后，原国家测绘地理信息局的业务职能全部融入自然资源部，测绘工作成为自然资源统一监管工作的组成部分，也使得测绘工作的服务目标和对象更加明确，工作重心更加突出。即由原来面向全社会的“普适性服务”，转化为围绕自然资源“两统一”职责履行这个中心，做好技术保障与支持的同时，为经济建设、国防建设和社会发展继续提供基础性、公益性测绘保障。
随着社会治理的精细化发展，社会各界各部门对测绘的要求越来越高、需求越来越迫切，测绘技术与互联网、大数据、云计算等高新技术不断融合发展。面向新时期智慧城市建设的新需求，现有的时空大数据平台在建设过程中还存在以下不足[5-10]：①公共专题、物联网实时感知数据汇聚难，汇聚到的时空大数据现势性不强、更新不够及时；②平台服务不能按需，自学习和智能化体现不够充分；③平台服务的对象不够聚集，示范应用与业务的结合还不够紧密，时空基础设施的社会价值未能充分体现。机构改革后，时空大数据平台建设工作如何开展，急需从测绘管理工作的职能角度明确定位，并从管理与技术层面开展相应的研究与探索。
2 时空大数据平台建设的定位思考
根据《自然资源部机关各司局职能配置、内设机构和人员编制》，组织数字中国时空信息数据库建设与更新是自然资源部依法赋予相关职能部门的重要职责。城市时空大数据平台是数字中国时空信息数据库的重要组成部分，是基础测绘转型升级的重要任务，是智慧城市的基础支撑。
时空大数据平台是基础时空数据、公共管理与公共服务涉及专题信息的“最大公约数”（简称公共专题数据）、物联网实时感知数据、互联网在线抓取数据、根据本地特色扩展数据，及其获取、感知、存储、处理、共享、集成、挖掘分析、泛在服务的技术系统。从技术逻辑上看，纵观国内外智慧城市的认识和建设实践，尽管运作方式、建设内容和解决问题等存在差异、各具特色，但其体系框架具有共性，时空大数据平台在智慧城市总体架构中的基础性地位已得专家与学者的普遍认可[11-15]。但从管理逻辑看，时空大数据平台作为城市管理提供一张底板、一个平台、一套数据的地位并未深入人心，这也是时空大数据平台建设过程中数据汇聚困难的主要原因。
解决数据汇聚的难题不是一蹴而就的，将随着管理层面对时空大数据平台定位认识的提高而逐渐解决。在此过程中，通过宣传培训来推进政府各个部门的认识水平固然是一项措施，但受限于大家的信息化基础不同，对新事物、新观点接受的水平不一，最终的效果往往大打折扣。最行之有效的措施是借助国家正在开展的政务信息资源整合工作，开展与市级负责政务信息资源共享交换的电子政务办（或大数据局）等部门的密切合作，汇聚共享交换的数据，并负责数据的空间化整合工作，提升政务信息资源整合的数据质量，实现合作共赢。
3 时空大数据平台建设的技术探索
针对现有时空大数据平台建设过程中的不足，结合信息技术和新型基础测绘体系的发展，本文开展了时空数据更新、平台按需服务、应用聚焦选取3个方面的技术探索。
3.1 时空数据更新
3.1.1 变化区域增量更新
传统基础测绘数据的更新采取全要素、固定周期的生产模式，周期长、费用高，已经不能满足政府部门和社会公众对数据现势性的需求。基于前后时相的卫星遥感影像智能解译对比，可以快速发现地表信息的变化情况，结合无人机、网格化外业采集队伍、视频监控设备或者志愿者，辅助于一体化测图系统，可以实现对基础时空数据的天空地人增量更新。天空地人一体化增量更新的技术流程如图1所示。
图1. 天空地人一体化增量更新的技术流程
Fig. 1 Technological Process of Incremental Renewal based on Sky,Ground and Human
其中，不同时相的卫星遥感影像可以来自于国产卫星影像云服务平台在各省市的分发节点，地表信息的自动变化发现可以通过整合网络可共享的深度学习接口实现；无人机、网格化外业采集队伍、视频监控设备或志愿者采集的变化信息，通过一体化测图系统实现变化信息与基础信息的匹配、拼接、匀色和正射处理，即可实现任意时间段的局部区域数据即时增量更新。
3.1.2 多尺度联动更新
时空大数据的价值体现在微观层面的统计分析和宏观层面的可视表达，因此需要借助不同尺度的基础时空数据。以往的基础测绘建设模式按照国家、省、市三级体系分别开展，同一地理要素重复采集，彼此之间缺乏更新与同步机制。考虑到当前测量技术下地理实体采集的精度，为达到不同尺度基础时空数据的联动更新，设计技术路线如下。
1） 定义无尺度地理要素的产品模式。多尺度联动更新首先要摒弃当前“分尺度数据建库”的数据组织模式，依托无级综合和自动制图等智能化技术，建立一个模式统一的无尺度地理要素数据库。用地理要素实体对象组织空间数据，一个地理要素只按最高精度采集一次，并赋以唯一的标识。根据地图制图表达理论，定义不同比例尺情况下地理要素在地图上表达的内容、精度以及图式规范，以便根据需要自动实现向指定尺度的联动更新。
2）明确分级分类、共建共享的生产模式。梳理分析现有分级建设的基础测绘成果及其生产体系，按照自上而下的顺序，依次明确必须由国家、省级、市级采集、维护的地理要素内容，并明确各自的更新频率以及三级地理要素整合共享的渠道。
3） 基于无级综合的联动更新。基于上述产品模式，在时空大数据平台试点城市构建归属市级采集建设的地理要素数据，按照国、省、市三级共建的生产模式，实现与省级、国家级地理要素数据的共享与整合，形成数据内容完整、要素属性规范的无尺度地理要素库。在此基础上，基于无级综合软件，训练、优化空间分辨率、语义分辨率、精度等地理要素综合指标，根据用户使用数据的精度需要，开展由原始高精度向指定低精度数据的自动综合。基于无级综合的联动更新，不仅要支持对植被、居民地、道路、水系等单要素数据的自动综合，而且要支持顾及多类型地理要素位置关系的智能综合。联动更新在提升基础时空数据现势性的同时，大大减少了数据采集的重复投入。
3.1.3 网络抓取汇聚更新
时空大数据中的公共专题数据、物联网实时感知数据来自政府的不同部门，其原始数据的更新频率取决于各部门的业务需要。时空大数据在开展分析决策时，需要预先或实时汇聚这些数据，并实现与基础时空数据的融合。为确保这类数据的现势性，需要基于网络抓取技术开展多源数据的汇聚更新。
来源于网络的多源数据，因服务的业务需求不同，其内容、格式、更新频率等都各不相同，需要一套灵活的工具实现汇聚时的智能化定制。网络抓取汇聚更新的技术流程如图2所示。
图2. 网络抓取汇聚更新的技术流程
Fig.2 Technological Process of Network Grabbing, Convergence and Renewal
其中，任务调度器根据用户提出的抓取需求，在抓取引擎专家知识库和可视化流程的支持下确定获取的位置、专题内容以及更新频率，智能化定制抓取的流程和处理方式，形成抓取方案。任务执行器通过前置的ETL服务器，对发现的数据流按照频率分门别类地动态抓取。抓取的过程和结果统一跟踪记录，通过数据清洗形成专题数据库并持续更新。
政府部门、企事业单位以及社会公众对时空信息平台在数据、功能和业务流程上均存在差异化的使用需求，当前的时空信息云平台，侧重于将服务资源池中已经池化的数据服务、接口服务、功能服务、计算存储服务、知识服务等按固定的渠道提供用户使用，缺少对用户个性需求的理解与响应。为增加平台的自学习能力，提升智能化服务水平，应增强其根据新任务自主解析、按需汇聚新数据、新接口的能力。具体来讲，应包括任务知识库构建、任务智能解析和知识库自学习3个部分。
1)任务知识库构建。基于服务元数据信息，构建基于关键词的任务知识库，建立资源池中全部数据、功能、业务流与关键词的复杂对应关系。
2）任务智能解析。开展基于语义的任务智能解析，能够在线智能识别用户自然证言、关键词输入或键鼠操作的具体需求，提炼所需的数据、功能和业务流程等任务关键词，进而定位现有知识库中的相关数据服务、功能或接口服务。
3）知识库自学习。对于知识库中无法关联服务的任务关键词，提交至知识库自学习清单，通过智能搜索、实时感知、在线抓取、接口验证等手段，汇聚所缺失的数据或功能，经多次使用确认后，丰富到任务知识库。对于平台之外需要聚合使用的共享接口，无论是数据接口，还是功能接口，动态聚合后，都能够达到“不求所有，但求所用”的效果。
以“资源承载力分析”任务为例，用户输入任务后，本模块应能自动提炼出任务所在地域、年份，分析所需使用数据清单、分析模型、统计报表、可视化方法等，提交给用户确认。当任务所需的资源全部满足时，平台分别调用任务分析所需的数据服务、接口服务，开展时空大数据分析，并以可视化的方式反馈给用户。对于目前服务资源池中没有的服务资源，通过知识库自学习功能，汇聚所缺失的数据或功能，并丰富知识库的内容。流程如图3所示。
图3 任务自主解析的技术流程
Fig.3 Technical Process of Task Autonomous Parsing
要切实发挥时空大数据平台的基础性作用和应用价值，应聚焦自然资源、生态环境、城市管理等重点领域，海绵城市、地下管廊、信息惠民等重大工程，以及智慧交通、智慧医疗、智慧社区等民生方面，开展智慧示范应用。
1）自然资源服务支撑。自然资源部的组建，从机构上保障了“山水林田湖”作为生命共同体进行系统管理，实现了自然资源开发和保护的有机统一。在应用建设中，应面向自然资源调查、国土空间规划、空间用途管制、生态修复、自然资源确权登记和自然资源管理等工作，做好摸清家底、科学规划、精准施策的服务支撑。
2）知识挖掘与精细化管理。围绕智慧城市建设的总体规划，按照需求导向、问题导向的原则，开展与时空信息结合紧密的示范应用，如公安、交通、安监等领域，利用时空大数据平台提供的时空分析功能，深入挖掘大数据背后的知识与规律，切实发挥“城市大脑”的作用，提升政府部门精细化管理能力，便捷百姓生活。
3）政务公开服务示范应用。在面向本地特色和百姓服务方面进一步提升，开展面向社会公众的时空大数据政务公开服务。在建设时，应结合智能终端、物联网、移动互联等技术，深挖地方特色需求，紧跟百姓关注热点，为百姓在当地的政务办理提供全方位时空服务。
4 时空大数据平台试点建设实践
为验证智慧城市时空大数据平台建设的新思路，在临沂、淄博两试点城市开展了相关实践工作，取得了较好的应用效果。
智慧临沂试点项目于2018年11月通过自然资源部验收。临沂市按照无尺度地理要素的产品模式，开展了市区2 300 km2的无尺度地理要素的生产和变化区域的增量更新工作，实现了多尺度基础时空数据的联动更新以及省市基础时空数据的融合与共享。基于分布在市区的视频监控设备，开展了实时视频图像与卫星遥感影像的匹配、拼接、匀色和正射处理，实现了任意时间段、局部区域数据的即时增量更新（图4）。
图4 临沂基于监控视频数据的影像即时更新
Fig.4 Real-time Image Updating based on Surveillance Video Data on Linyi
智慧淄博试点项目于2019年1月通过自然资源部验收。淄博市基于网络抓取技术建设了按需服务的时空大数据云平台，汇聚更新了全市的人口、法人、公安、扶贫、不动产等20个部门的专题数据。基于云平台的知识引擎，实现了扶贫机构、扶贫对象、扶贫项目与人口、企业等相关信息在统一空间底盘上的分析，挖掘分析出全市申报贫困家庭中有车、有房、有经营实体的“假贫困户”，确保扶贫资源能切实帮助真正有需要的贫困家庭。此外，淄博市还基于云平台整合的阿里云影像变化发现深度学习接口和批（供）地数据接口，开展了用地图斑的智能判读工作，实现了疑似违法用地图斑的自动发现，有效提高了国土资源监察执法的工作效率，转变了土地监察从事后处罚到事中干预的工作模式，使土地资源得到了更加及时有效的保护（图5）。
图5淄博市违法用地图斑的自动化发现
Fig. 5 Automatic Discovery of Illegal Map Patches in Zibo City
5 结束语
新时期智慧城市时空大数据平台的建设是提升城市治理能力的具体举措，也是全面履行好自然资源部职责的切实行动，对于促进城市政务信息资源整合共享、实现信息资源深度应用、支撑政府科学决策具有重要意义。机构改革后，时空大数据平台在智慧城市总体架构中的基础性地位不变，但在服务于自然资源管理“两统一”职责履行的地位得到了强化。实践证明，在加强时空数据更新、平台智能化、应用聚焦选取等技术工作后，时空大数据平台在自然资源、生态文明、精确扶贫等工作中价值得到进一步凸显。下一步，希望能够在后续的试点建设中，持续提高时空大数据平台的自学习能力和智能化水平，在未来的智慧城市建设中发挥更大价值。
参考文献（略）
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