智慧城市时空大数据云平台发展策略思考
本文刊载于《超图通讯》2020年6月总第六十八期
转眼间，从2012年底开始的国家智慧城市时空信息云平台（以下简称时空云）的建设试点已经过去了7年多时间，许多建设试点已经陆续进入验收阶段，武汉、重庆、潍坊、柳州、贵阳、无锡等城市的试点已通过验收。时空云试点已经在智慧城市建设中取得了显著的成效，成为智慧城市的时空基础设施或“操作系统”，为城市提供了公共性和基础性的时空数据资源、基于时空框架的信息整合共享机制（一张图模式）和时空信息服务，在城市治理、网格化城市管理和公共服务等多个方面发挥了重要的作用。
但是试点项目的验收或时空云的建成还只是万里长征走完了第一步。未来，时空云的建设与发展还将经历漫长过程，在迎来如城市大脑、国土空间规划、新型基础测绘和新型设基础施建设等新机遇的同时，也将面临许多新的挑战，如2019年无锡高架垮塌事件和2020年武汉突发的新冠肺炎疫情等突发事件。重新认识时空云、制定相应的时空云发展策略，以应对这些新的机遇与挑战，将有利于时空云的建设和健康可持续发展。
曾经有人将时空云的建设等同于智慧城市建设，认为时空云建成了，智慧城市就初步实现。但事实上，时空云只是智慧城市时空基础设施的核心组成部分，它只是发挥了提供公共性、基础性的时空信息资源和时空信息服务，为城市要素的数字化和城市各种数据的集成提供统一的时空框架，为基于地理空间的多层次分区分块的城市治理及业务协同提供网格化技术支撑等作用，因此，它不等于智慧城市。
时空云的价值体现有赖于城市政府及各部门、企业和公众的普遍应用，以及体制及机制的支持。某种意义上，时空云在智慧城市的各种应用场景中发挥着不可或缺的背景作用，但却不是主角。如同电力价值的发挥有赖于用户所拥有的领域知识、技能和设备设施，却不是供电部门能越俎代庖的。
2017年11月，武汉智慧城市时空信息时空云建设试点通过了国家验收，是国家首个通过验收的试点城市。项目构建了全市统一的时空大数据中心，以时空信息为载体，整合了城市人口、法人、房屋等基础信息8500项2.5亿条，积聚了1803层专题信息，在城市规划、国土资源管理、社会管理创新、智慧税务、智慧水务、网上群众服务、智慧城管、应急指挥、智慧工地、区域研究及公众服务等30多个领域开展应用。但是当2020年1月新冠肺炎疫情发生时，时空云虽为应对新冠疫情提供了相应的时空信息服务，却很难对疫情的防控发挥根本性和决定性的作用。
2019年5月，国家级试点智慧无锡时空大数据与时空云通过验收，平台与智慧无锡城市大数据中心充分共享，深度融合，汇聚了国土、城管、公安等十多个部门近百余项政务专题数据，接入了近3万个智能感知节点的实时数据，如全市环境实时监测站点、水雨情监测站点、气象监测、出租车实时位置、神经节网关等数据，让无锡城市管理“耳聪目明”起来，为城市装载了城市管理“最强大脑”，大大提升了城市治理效率。然而，2019年 11月发生了惨烈的无锡高架垮塌事件。这也说明，时空云在灾难的预防方面并没有发挥关键性的作用。
通过以上两个案例，我们可以看到，时空云在智慧城市中发挥着提供时空信息服务的支撑作用，但不能够直接解决相关部门的业务问题。这些业务问题涉及领域知识、体制、机制和人等诸多因素，但是在具体的指挥决策以及网格化管理中又不能没有时空信息服务。
从智慧的本质来看，智慧是在理解知识的基础上解决复杂问题的能力，是无止境的。智慧城市是城市发展的终极目标，受技术、认识和发展环境的制约，有其持续演进的阶段特征与目标。时空云作为智慧时空信息基础设施的核心组成部分，也有其持续演进的阶段特征与目标。
时空云的时空信息服务源于城市基础地理信息服务。上世纪九十年代后期，随着规划、国土和公安等部门GIS应用对基础地理数据产生共性和共享的需求，城市基础地理信息服务逐步从各部门GIS系统中独立出来，成为为政府各部门、企业和公众提供服务的公共基础性的基础地理信息系统。它是一种集生产（数据采集、内外业处理）、管理与服务于一体的系统，但它在各城市属于建设的可选项。
2000年以后，国家电子政务强调建设人口、法人、宏观经济、自然资源与地理空间四大基础数据库。自然资源与地理空间数据库可以基于地理空间的框架集成和整合人口、法人和宏观经济数库，其核心是基础地理信息数据库，主要实现了管理与服务的功能。
2007年，随着数字城市的发展，在基础地理数据库的基础上，扩展一些公共基础性的专题数据，进而在公共地理信息服务的层面构建了数字城市地理空间框架。由于不包含数据生产的功能，其数据持续更新能力较弱，影响了数字城市地理框架的有效应用。
2012年，随着智慧城市的发展，在地理空间框架的基础上，扩展地理空间数据库的时间维度为时空数据库，并结合云计算和物联网技术，演进为时空信息云平台。2015年，时空信息云平台融入大数据技术，进一步演进为时空大数据与时空云，2019年，正式定名为时空大数据平台。在时空云中，缺少数据生产能力这一问题依然存在，这也将成为制约时空云的发展关键因素。
从本质来看，时空云的核心价值在于集时空数据的生产、管理与服务于一体，为用户提供以基础地理数据为核心的，能满足时效性（现势性）、内容和质量要求的时空信息服务。因此，作为基础地理信息系统面向智慧城市的转型升级，时空云应集成时空数据的生产能力。谷歌和百度等互联网地图服务商自建数据生产体系，充分说明了生产、管理与服务一体化对时空信息服务体系的必要性。
生产、管理与服务一体化将成为时空云的核心竞争力。建设自主的生产体系，将有利于为用户提供按需服务，根据用户需求和技术发展扩展数据产品及服务内容。无人机与倾斜摄影、LIDAR、高分卫星遥感、全球定位系统与CORS等测绘技术的发展，也降低了自主数据生产体系建设的技术门槛。
席卷全球的数字化转型浪潮正在推动城市基础测绘的转型升级。新型基础测绘、应急保障体系、地理国（市）情监测、多测合一、国土空间规划、智慧城市建设以及相关信息与测绘技术的发展，为城市基础测绘的转型升级带来了机遇。
数字化转型利用数字化技术促进数据、信息和知识的跨学科与跨领域融合，从而改变了技术手段、工具与业务内容、模式和流程，使业务的跨界在一定程度上成为可能。基于“时空云是基础地理信息系统转型升级”的认识，时空云将不仅仅是时空信息管理与服务的平台，而且将成为时空信息乃至时空知识生产的平台，也就成为了城市基础测绘转型与升级的支撑平台。
在城市层面上，时空云应集成新型基础测绘、应急测绘保障服务、地理国（市）情监测以及多测合一等业务，有效利用云计算资源，实现资源整合和共享，提高数据生产效率。新型基础测绘、应急测绘保障服务、地理国（市）情监测等，可以利用时空云服务渠道（SaaS及PaaS）高效快速地为用户提供集成化的成果服务（如通过城市大脑展现），利用时空云与用户的沟通与需求感知渠道获取用户反馈并提升用户体验，利用时空云感知用户、社会和地理环境数据，为新型基础测绘、应急测绘保障服务、地理国（市）情监测提供新的数据源。
新型基础测绘、应急测绘保障服务、地理国（市）情监测的集成，将能极大地提升时空云的时空信息服务能力，更好地发挥其在智慧城市的核心价值。新型测绘以“地理实体”的核心的测绘模式，将有利于时空数据与其它社会经济数据基于地理实体的集成，并扩展基于实体API的时空云服务模式，增强平台服务的易用性和可集成性。集成应急测绘保障服务，将能提升时空云的平战结合能力，为应对城市突发事件提供服务。
时空云还将为城市基础测绘扩展面向用户所需的时空情报（Intelligence）和时空知识的服务能力（即知识生产）提供平台。随着传统测绘业务的信息化和智能化，数据分析业务将成为城市客户的新需求，并将成为基础测绘的新增长点，时空云的大数据能力也为扩展数据分析业务奠定了基础。
因此，时空云是城市基础测绘转型升级的支撑平台，时空云发展与城市基础测绘转型升级相互促进。
时空云建成后，平台进入运维阶段，平台价值实现和可持续发展是这一阶段需要解决的核心问题。时空云的公共性、基础性的基础设施特征，使其可持续发展，需要协调好数据生产者、数据管理者、服务提供者、平台开发商、应用开发商和平台用户之间的关系，形成高效顺畅的数据流、服务链、价值链，构建一个开放的生态体系，使平台社会价值最大化。
时空云的开放生态体系应包括数据、应用和人才三类生态系统。三者相互作用，相互影响，数据生态是基础，应用生态是动力，人才生态是保障。
数据生态主要确保时空数据的时效性（现势性）、内容与质量能满足用户的要求，并能适应用户需求变化。在数据入口与数据流层面，集成新型基础测绘、应急测绘保障、地理国(市)情监测业务，开拓基于网络的用户、社会和城市环境感知通道，形成可持续、高效的时空数据流和事件流，提升平台大数据库的价值，促进数据获取、生产与服务的良性循环，为平台的可持续发展提供数据基础。
应用生态主要确保时空信息服务应用的可持续扩展，使时空信息服务融入政府部门和企业的业务应用，成为业务应用的有机组成部分，并为公众提供具有地方特色的时空信息服务。应用生态体系的核心在于时空云提供开放性接口服务（平台API），如地图API、地理实体API等，降低服务门槛，在这方面互联网地图服务商已有可借鉴的成功模式。第三方开发商可基于平台API将时空信息服务融入政府、企业和公众的应用中，并可基于时空云实现应用间的协同。时空云开发商可根据第三方开发商的需求扩展平台API，平台API可“按需扩展、用尽废退、持续进化”，使平台能够满足不断增长的应用需要。用户调用平台API的过程，也是反馈用户行为数据的过程，为平台的用户感知提供条件。应用生态体系通过客户需求驱动平台的发展。
人才生态是指平台可持续发展所需人才体系的维持机制。平台涉及较强的专业性，对维持平台发展的数据处理、管理、运维、开发、应用、市场推广等人才有一些特殊的要求，需要结合城市的特点，并结合测绘转型升级，形成一套人才的培养、引进、外包等多种形式的机制，确保平台的可持续发展的人才需求。从目前情况看，数据分析工程师将存在较大的缺口。
基于以上对时空云的认识，时空云的可持续发展可考虑采用“一平台、一总线、多网格、泛场景、强生态”的发展策略。
“一平台”首先是指基于云计算技术，由硬件网络基础设施、时空大数据库、时空信息软件系统构成的时空信息云平台（或时空大数据平台），是基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）、软件即服务（SaaS）的一体化系统。IaaS可以基于电子政务云构建。平台即服务（PaaS）包括基础平台软件即服务(PSaaS)、数据即服务（DaaS）和应用平台即服务(APaaS)，APaaS基于PSaaS和DaaS构建，提供面向应用的时空云API，APaaS是时空信息服务“中台”。SaaS基于时空云API构建，其它应用系统也通过时空云API的调用，集成与共享平台的时空信息服务，从而实现“按需扩展、用进废退、持续演进”的API化战略。时空云API是时空信息服务基于现实语义的应用层面接口或微服务封装，相对于基础平台软件的API而言，封装了领域的概念、规则、数据和业务模型等，形成现实化的API(Reality API)，如基于地理实体封装，建筑API和行政区划API。通过平台API化提高平台服务的开放性、可用性、易用性和可集成性。Serverless技术应用将有助于“一平台”策略发展。
基于“时空云是基础地理信息系统的转型升级”的认识，结合数字化转型的方法论，从数据与知识生产、管理与服务全过程的角度，集成新型基础测绘、应急测绘保障服务、地理国（市）情监测以及多测合一等业务，充分利用云计算“物理集中、逻辑隔离”的特点，采用“分区分块”模式构建平台各个子系统，将时空云发展为城市统一的大测绘平台，实现内外业一体化，采集、更新与服务一体化，同时基于时空云实现跨部门的时空相关信息的交换、共享与应用协同服务，形成高效顺畅的时空信息服务信息流。针对云环境下数据安全和海量数据交互处理与分析的需要，可充分利用GIS云桌面来满足数据生产与交互动态可视化分析的应用需要。
随着自然资源信息化的发展，国土空间基础平台将成为自然资源信息化核心支撑平台，时空云面向自然资源资源信息化的部分可以基于云分区的模式与国土空间基础信息平台的融合。
传统的企业应用以数据库为核心，强调事务处理，关注结果，忽略过程细节，数据库主要保存重要的结果数据，缺乏过程与细节数据。互联网应用重视用户与系统的交互，利用事件或消息实现用户与系统交互并记录过程日志，形成了事件（消息）驱动的应用体系，如Kafka。该体系既有事件驱动的消息分发机制，也有事件与消息存贮的日志体系，形成一种总线架构，既可以实现事件驱动的应用，同时也为系统行为分析积累了大数据，用于挖掘隐含的信息与知识。
时空信息应用本质上是一种事件驱动的应用，基于事件与消息驱动的机制构建时空总线（Spatiotemporal BUS），可以处理时空云各组件、用户以及接入的传感器的属性或状态变化触发的事件和消息，通过日志加以记录，形成基于时空总线感知的时空大数据。时空总线不仅用于感知消息的分发与管理，也可以用于控制（指令）消息分发与管理。因此，时空总线具有软件型网络的特征，扩展软件传感器和软件控制器，有可能使其成为时空云乃至城市的数字神经网络。而时空总线存贮的时空日志，可用于重建时空过程，并提取时空知识，从而构建基于时空事件的时空智能。因此，将时空总线纳入时空云，对于其发展具有重要的意义。
时空总线将用于构建平台的用户感知、环境感知、社会感知到城市系统整体感知体系，并有可能使平台发展为从感知到智能实时响应的时空信息服务体系。
发展到一定阶段，时空总线结合软件定义网络（SDN）、网络功能虚拟化(NFV)技术，将有可能与5G网络基础设施融合，成为真正的新型基础设施，在数字孪生城市中发挥中枢神经作用。
多网格是指以网格化为重点，以多部门网格应用为基础，整合多类型、多层次网格的自然、社会与经济数据，支撑多政府部门业务信息化的应用，促进多部门业务数据的整合、共享与业务协同，实现多网格融合，为城市治理服务。
网格的本质是对地理空间进行分区和分块，划分多层次的管理空间单元，以明确管理的目标和职责，确保管理对象不重不漏。分区是二维的，而分块可以是三维的，可以在不同尺度上进行网格化。网格化不仅能用在网格化城市管理中，国土空间规划、社会经济统计和公安治安管理都用到网格化方法，如城市规划分区与规划地块、统计普查小区、公安部门管理分区。例如，时空云可以在人口和经济普查中发挥作用，为普查提供行政区划和建筑物的数据，为普查图制作服务，而人口普查与经济普查的数据与普查区和建筑关联，形成人口地理和基本单位地理空间分布数据，可以更好地为城市管理服务。
以城市网格化管理为基础，可以把国土空间规划、国土空间管治、生态环境监测与保护等业务通过网格化进行数据集成，促进各部门的数据共享与业务协同，推动城市规划、建设、管理与服务全过程精细化和智能化。多网格融合将为突发应急事件感知、处署和指挥提供有效地技术手段。
泛场景主要是指时空云的时空信息服务具有泛在性，可以广泛应用在政府管理、企业经营和市民生活的方面。时空云利用API化战略，可以将其服务通过API的形式嵌入或融入到各种应用中。这种应用可以是城市宏观尺度的区域管理，也可以是中尺度园区管理、微观尺度的建筑物管理（集成BIM数据），以及智慧园区和智慧楼宇的建设等。
时空总线的发展（尤其是时空总线与5G网络的融合），结合城市信息模型（CIM），将有可能使时空云的应用无所不在，而且将有可能实现基于时空事件的智能预警与调控乃至更为复杂地理监测和地理控制。
上文提到，从平台运维与可持续发展的需求出发，需打造时空云数据、应用与人才三大生态系统。
融合新型基础测绘、应急测绘保障服务、地理国（市）情监测以及多测合一的数据，整合网络空间获取和感知用户、社会与地理环境的数据，形成高效顺畅的数据流和事件流，为应用提供服务。
基于平台API化战略，构建由平台开发商、第三方应用开发商、最终用户形成的应用生态系统，以数据生态为基础，扩展和深化政府、企业和公众的时空信息应用，从城市治理、城市重大决策、部门业务审批、企业经营到市民生活，充分发挥时空云的价值，通过最终用户的应用感知用户，拓展用户新需求。
以数据和应用生态，带动人才和人才生态的发展。在数据与应用生态基础上，构建由高校、研究机构、相关企业、平台运维、最终用户组成的研究-开发-运维（ReDevOps）体系，形成数据分析、知识挖掘，到应用开发、应用一体化的服务链，使时空云可以持续发展，更好地发挥其核心价值。
本文分析了时空大数据云平台的本质特征，认为时空云是城市基础地理信息系统的转型升级，也是城市基础测绘转型升级的支撑平台，应该将时空云发展成为一个开放的生态体系。
为此，提出了时空云“一平台、一总线、多网格、泛场景、强生态”发展策略，强调将新型基础测绘、应急测绘保障服务、地理国（市）情监测以及多测合一业务统一集成于时空云“一平台”内，形成城市大测绘平台。基于云计算技术和平台 API化战略，开放时空信息服务，利用时空总线，构建城市数字神经网络，通过多网格、泛场景拓展时空信息服务应用，构建时空云开放的数据、应用与人才生态体系，促进时空云的可持续发展。
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