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智慧城市时空信息云平台解决方案
二〇一八年一月二十二日

一、平台建设背景
在经历改革开放 30 年后，中国的城镇化水平已经超过了47%，然而城市建设的速度远远跟不上日益涌入的人口增长速度，由此带来了一系列城市管理者必须面临四个难题：一是如何改变目前以量取胜的城市发展模式，实现以质取胜的城市发展；二是如何更有效地分配城市资源，使之实现公平与效率的平衡；另外如何更有效地管理城市的诸多方面的设施，使之保持活力；最后如何进行产业升级以创造更多的就业机会，促进地方经济的发展。在我国资源分配不均衡的现状下，需要管理者对城市资源设施进行完整、有效的监控和管理，并在此基础上对资源、设施进行合理的再分配和管理。在新一轮信息技术变革的过程中，基于信息化的良好基础和城市发展定位，依靠信息化的力量，通过城市信息化的手段，充分了解城市的各项设施状况，合理配置资源，减少浪费和重复投资，提升城市的智能化水平和城市建设档次，系统推进“智慧城市”的建设，是城市信息化发展的趋势。
城市地理时空信息平台作为“智慧城市”整体框架中一个重要的、不可缺少的基础设施，以一种更加直观的信息可视化方式表达所有事物天然俱备的位置特征信息，是建设智慧城市的关键性基础信息平台。城市地理时空信息平台通过提供基于位置的信息服务，带动个人消费、企业应用、行业应用和公共管理等领域的技术创新、业务创新和应用创新，为智慧物流、智慧交通、智能电网、智慧城市安全等各种智慧城市专业领域提供基础信息服务，是智慧城市发展的信息载体。

智慧水利
图1 城市时空信息与智慧城市
地理时空信息系统是一种采集、处理、存储、管理、分析、输出地理空间信息及其属性信息的计算机信息系统。自20世纪60年代诞生以来，系统发展迅速，应用也日趋深入和广泛，逐渐融入信息技术的主流，正成为信息产业新的增长点，是发展潜力巨大的地理信息产业的重要组成部分之一。
目前，各国已建立了各种地理信息系统，用于测绘制图、资源管理和辅助决策等。随着信息技术的发展，由于不同行业、不同部门之间缺乏信息沟通与合作，原有系统平台之间壁垒分明，数据共享与服务共享困难，造成“信息孤岛”问题。另外，原有平台需要不断升级改造、维护，造成平台软件和硬件建设的重复和浪费。因此，如何提高城市地理时空信息系统软硬件的利用效率，加强信息共享成为智慧城市建设的研究重点。
最近发展起来的云计算技术为解决上述问题找到了新的途径。在云计算环境下，通过各种通信网络为用户提供按需即取服务。这就使得用户可以根据自身的需要特点选择相应的计算能力和存储系统。系统平台的各项功能将通过通信网络来实现，用户可以将各种平台应用部署在云计算供应商所提供的云计算平台中，以实现动态调整软件和硬件的需求。云计算因其在解决上述问题上具有的巨大优势，自诞生以来发展极为迅速。在国际上Google、亚马逊、IBM、微软和雅虎等大公司是先行者，并利用云计算技术建立了自己的云计算平台。在国内，云计算发展势头也得到广泛重视，不同类型的云平台建设的典型案例日益增多，涌现出了一系列如北京“祥云计算”、上海“云海计划”、“宁波智慧城市云平台”、中国移动“Big Cloud”等云计算项目。
目前，云计算已经广泛应用于电子商务、电子政务、信息安全、网络通信等诸多领域。将云计算技术和地理信息技术相结合，通过“云计算”和“云存储”平台，可以使得地理信息数据的存储、计算和分析具有更高可扩展性和动态的支持。另外，研究云平台环境下城市地理时空信息系统的应用模式、服务体系、存储迁移等问题显得很有必要性和商业价值。
二、平台建设目标和内容
根据国家“十二五”总体规划的建设内容，作为智慧城市的地理空间信息的提供载体，城市地理时空云平台应建立较为完善的公共地理信息数据存储体系，平台建设应实现土地、规划、交通、林业、水利、税务、民政、公安等公共部门及民用企业互联互通，形成地理信息资源共享交换机制；最终建成基于云计算的网络化运行环境的城市地理信息服务平台，为政府决策、城市管理、社会公益服务等各行业提供基础的地理信息服务。具体建设内容包括以下四点：
第一，充分利用空间数据集的海量异构源数据，建立智慧城市地理时空信息的数据中心，通过数据中心的功能仓库和集成管理等几方面的提升，实现包括二维、三维、元数据信息的各类数据存储，为智慧城市提供直观的展现平台，为物联化、互联化、智能化提供基础和决策支持。
第二，管理服务平台的转化，从数字城市地理空间框架的管理平台向智慧城市的集成运营平台转化。基于数据、服务及基础设施可提供直观感应的特征，将地理时空信息平台提升为智慧城市的集成运营的平台，为智慧城市建设提供基础数据和各类专题数据的数据支撑，同时基于该平台搭建快速配置应用系统，为智慧城市的平台应用开发提供支持。
第三，平台的可拓展性。以云计算环境为基础搭建具有云平台可拓展性的模式。可拓展性主要内容包括数据、功能、服务、和运营模式的可拓展。为更有效地适应智慧城市快速发展和平台扩展升级，云模式的拓展性具有必要性。
第四，将原有的系统应用纳入平台的框架应用中。在城市时空信息平台框架中，以原有示范应用为基础，建设具有应用基础的平台应用，使之作为智慧城市的智慧国土、智慧交通、智慧规划、智慧旅游、智慧医疗等涉及行业提供应用支撑。
三、平台架构
智慧城市地理时空信息云平台结合经典云平台的设计思路，采用面向服务的SOA架构，采取C/S和B/S混合模式。平台共分为四个核心层次和两个支持体系，即以云服务管理层、云服务层、基础数据层和运行支持层为基础，结合标准化体系和安全保障体系组成城市地理时空信息云平台的主体架构。总体架构如下图2所示。

图2 平台总体架构图
四、关键技术
1、海量数据分布存储技术
城市地理时空信息云平台由大量服务器集群组成，需要为大量用户提供不同服务，存储大量的小文件。平台采用分布式存储的方式存储海量地理信息数据，将小文件合并为大的文件。建立两个文件: 一个是数据文件，保存文件数据; 一个是索引文件，保存文件的索引信息；用冗余存储的方式保证数据的可靠性。
2、虚拟化技术
虚拟化是云平台的基础，虚拟化可以在一台物理服务器上聚集多个操作系统和应用程序，可以更好地利用服务器的计算资源。虚拟化平台软件帮助客户搭建公有或私有的虚拟平台，供客户部署应用，实现服务器资源的灵活伸缩，降低维护、升级成本。
3、负载、压力测试技术:不同虚拟机安装的软件不同，实现的功能也不同，如何正确评估虚拟机分配的资源（CPU、内存、网络、硬盘空间）是否满足了系统设计的要求，需要我们对不同类型的服务器进行负载、压力测试，根据测试结果动态调整虚拟机的各项配备资源，最终在保证系统高效运行的同时充分利用资源。
4、3S技术在云平台中，采用图片引擎技术快速访问地图，采用地理编码技术获取地址匹配服务，采用网格的定位、三维建模等3S技术，实现对客户的地理信息数据、服务数据的快速响应。
五、平台应用模式
基于云计算的城市时空信息云平台是一项多用户参与、多数据源、多应用、技术环境复杂的系统工程，平台采用三级分布结构的服务模式和技术模式，结构服务模式如图3所示。

图3 智慧城市时空信息云平台服务模式图
云平台由主节点、次节点和基节点构成，分别依托市、县区及相应政府部门的地理信息服务机构，各级节点分别管理、提供相应信息数据，节点间之间互联互通，在云硬件、云软件和云服务的技术支持下，为政府部门、企事业单位和社会公众提供应用服务，为智慧城市的运行管理提供支撑。
数据是智慧城市时空信息云平台的基础，如何保证云平台正常运行、保护云平台的数据资源，将平台稳定发展的关键。根据不同部门、机构和企业对数据保密性要求，云平台网络系统分为涉密广域网和非涉密广域网，其中涉密广域网利用政府机构内网实现涉密地理信息交换与共享；非涉密广域网利用公众外网以及互联网实现非涉密地理信息交换与共享。云平台对外的空间基础信息数据交换共享，除了特殊的需要外，要尽量避免直接暴露数据自身，利用云计算技术模式可以大大提高数据的安全保密性，能够快捷方便地实现数据灾难备份和恢复功能，大大地提高数据的安全性。
六、平台基础应用服务
智慧城市时空信息云平台在基础数据的支撑下，提供四类基础服务：地理信息内容即服务、地理信息软件即服务、地理信息平台即服务、地理信息基础设施即服务。
1、地理信息平台即服务
地理信息平台即服务是把地理信息整个开发环境作为服务向外提供。地理信息平台即服务是提供涉及城市时空信息系统应用一个开发平台服务，包括向开发人员提供开发和部署自定义应用程序的平台或中间件。这些中间件提供的常规解决方案涵盖了 API 和开发工具、数据库、业务流程管理系统等。
2、地理信息软件即服务
地理信息软件即服务是指地理信息软件开发商利用云计算技术包装服务，将应用软件统一部署在该云平台的服务器上，普通用户、政府机构等根据需求通过互联网向厂商订购应用软件服务，服务提供商免费或根据客户所定软件的数量、时间的长短等因素收费。
3、地理信息内容即服务
地理信息内容即服务，就是把地理信息的内容作为一种服务向外提供，比如“云位置”服务，数以万计的服务器、丰富的地理数据资源、强大的GIS分析功能连接起来形成一片“云”，用户按需即取即用。地理信息内容即服务是云平台应用中的最低层次，将云平台中的基础地理信息数据有偿或免费提供给普通公众、企业单位及政府机构。我国的地球系统科学数据共享网、测绘科学数据共享网都属于地理信息内容即服务层次。
4、地理信息基础设施即服务
地理信息服务的构建可以运行在其他商业公司构建的云基础设施中。云平台运营者在以平台的基础设施服务环境为基础提供相应的计算资源、弹性租赁服务。通过云计算技术，平台用户可以租用智慧城市时空信息云计算平台的软件和硬件资源，把地理信息服务部署在云中提供。目前，提供这种云设施的公司主要是Amazon。它提供了弹性云计算（Elastic Compute Cloud，EC2）和简单存储服务（simple Storage Service，S3）23两种租用方式。这种存储服务按照每个月类似租金的形式行进付费。
现今的云平台使用 REST 和简单对象访问协议（SOAP）等标准接口，用户可以通过这些接口访问到相应的存储服务。在用户使用模式上，亚马逊弹性云计算要求用户创建基于亚马逊规格的服务器映像（Amazon Machine Image，AMI）。地理信息用户通过创建自己的 AMI 将自己的地理信息服务上传到弹性云计算平台，然后调用亚马逊的应用编程接口（API），对 AMI 进行使用和管理。目前，ArcGIS S 已经可以部署在 Amazon 的云计算平台上。
七、结束语
智慧城市是城市信息化发展的必然趋势，是在数字城市建设发展到一定阶段，科学技术达到一定水平，社会需求达到一定程度的必然要求。智慧城市建设已经从概念研究迈向实践探索，正在成为城市转变经济发展模式、改善人们生产与生活方式、推进社会管理创新的新手段和新途径。
智慧城市时空信息云平台是通过泛在网络、传感设备、智能计算等新型高科技手段，实时汇集城市各种时空信息，而形成的更透彻感知、更广泛互联、更智能决策、更灵性服务和更安全可靠的地理信息服务平台，是智慧城市建设的重要的空间信息基础设施，能够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。推进智慧城市时空信息云平台建设，是加快实现测绘地理信息事业创新驱动、为智慧城市建设提供可靠保障的重大举措。