构筑三维数字底盘，赋能城市多场景时空信息服务
• 本文刊登于2021年5月第73期《超图通讯》
“数字中国”在被写入“十九大”报告后上升为国家战略，其后，党中央和国务院发布了一系列相关政策。最近公布的“十四五”规划纲要单列一篇再次强调“加快数字化发展建设数字中国”，以数字化助推城乡发展和治理模式创新，全面提高运行效率和宜居度，分级分类推进新型智慧城市建设，并提到完善城市信息模型平台和运行管理服务平台，构建城市数据资源体系，推进城市数据大脑建设，探索建设数字孪生城市。可见，数字孪生城市、新型智慧城市建设已成为数字中国建设的重要组成部分。
01需求与挑战
我国智慧城市于 2012 年启动首批试点，目前已覆盖全国各省、市和自治区，先后建立了数字城市地理空间框架、时空信息云平台、时空大数据平台，取得了一定成效。近年来，面临新型基础测绘、自然资源机构改革、新基建、城市高质量发展等新形势新要求，时空信息和时空信息服务的外延不断丰富。智慧城市对地理信息的服务需求不再局限于信息集成与共享。同时，随着新技术的发展，时空信息的服务模式也将进一步升维。
1、三维化：城市空间原本就是立体的空间，包括三维的地表自然资源、三维的地上建筑和基础设施、三维的地质体和地下空间等。传统的二维系统已经无法满足三维立体空间的规划管理和空间治理需求。需要通过三维的分析、设计和可视化表达，有效解决二维空间分析表达的局限。例如，通过三维不动产登记，直观展示分层分户的不动产情况，通过三维城市设计，360°全息展示规划设计成果。
2、动态化：以往静态的信息展示也已经无法实现城市动态管理的需求。城市的管理需要海量的数据与平台进行输送，智慧交通、智慧就医、应急安防、智慧建筑、智慧能源、智慧社区都需要有专业的设备和专业的人员进行管理。城市感知要求更加敏锐，城市治理要求更加高效。
3、精细化：实景三维中国的建设从地形级到城市级再到部件级，逐步精细化。城市管理和社会治理从城市级逐步下沉到社区、乡镇街道，甚至到楼宇建筑和感知设备。随之带来的挑战就是多尺度数据宏观微观一体化、海量 BIM 数据轻量化等问题。
4、融合化：不管是摸清自然资源家底，还是城市管理跨部门协同，都需要消除数据孤岛，实现全域全要素的多源信息融合，并建立信息之间的关联，再现城市全景、全周期变化和内在关系。
5、智能化：不仅需要刻画城市的表象，更需要科学认知城市运行规律，对城市规划能够模拟，对复杂问题能够进行研判，对灾害事件能够进行预警，对城市发展能够推演，通过智能化空间治理推动城市高质量发展。
因此，需要充分运用大数据、人工智能、GIS、BIM、IoT 等数字孪生技术手段，构建新形势下的智慧城市三维数字底盘，为城市、社区 / 园区、场站、楼宇等不同层次的空间治理应用建设提供支撑平台。
02定位
在新形势下，开展三维数字底盘建设，需要充分践行新时期测绘工作“两服务、两支撑”的思想，首先做实基础地理实体服务，扩展并适配山水林田湖草等自然资源实体，然后进一步融合与人类活动、社会经济发展和基础设施相关的公共专题信息。在此基础上，以实体为核心，面向行业应用需求可关联融合相关业务信息。通过国土空间基础信息平台，支撑自然资源管理需求，为生态文明建设提供智慧的时空信息服务；通过智慧城市时空大数据平台或 CIM 平台，支撑各行业公共需求，为经济社会发展提供智慧的时空信息服务。如图 1 所示，超图三维数字底盘由SuperMap GIS 软件的底层平台、SuperMap SGS 空间信息服务平台、以及城市级或行业级的基础平台共同构成一体化的三维数字底盘。
基于三维数字底盘，可面向全国、区域、城市、园区、场站、楼宇 / 建筑等不同层次的场景空间，构建全空间覆盖、全周期管控、全业务协同的空间治理应用，通过空间治理带动提升城市管理和社会治理水平，从而推动城市高质量发展。
▲图1 三维数字底盘赋能空间治理
全国各地已经建立的时空大数据平台、国土空间基础信息平台等，将作为三维数字底盘的重要基础。应充分利用已有基础，通过应用大数据、AI、三维 GIS、BIM、IoT 等技术，拓展多维化、动态化、精细化、融合化、智能化相关功能。三维数字底盘也可独立建设，但应涵盖时空大数据平台的主要能力，包括多源数据的融合、数据时空化、数据服务化，以实现基于统一时空基准的规划、管理与决策。
03建设思路
超图三维数字底盘天然符合中台的特点，因此技术架构上是浑然一体的，平顶山、咸宁、济南等地时空大数据平台“一体三面”的实践模式充分证明了该架构的合理性、可行性、集约性和开放性。
超图三维数字底盘总体架构如图 2 所示，包含技术中台、数据中台和业务中台三部分。
1、技术中台提供技术支撑能力，解决安全可控、微服务与容器治理、三维、分布式大数据计算等底层技术问题，保障平台稳定高效运行；
2、数据中台提供数据治理能力，包括多源异构数据采集汇聚清洗融合、更新管理、挖掘分析、服务发布等能力，保障数据“进得来、管得住、出得去、用得好”；
3、业务中台提供应用支撑能力，为前台应用提供开箱即用的可复用服务资源池，实现平台统一服务和统一运维。
▲图2 超图三维数字底盘总体架构
• 技术中台：基于微服务和容器化部署技术，保障平台安全稳定高效运行
技术中台提供构建和运行应用程序的一整套技术方法、框架和工具。采用微服务、容器化部署、自动化编排等技术，使平台充分利用云的能力，确保平台更弹性、更稳定、更便捷。弹性的价值在于资源可以更集约，计算可以更高效；稳定源于故障可以自动转移、服务可以自动恢复，服务永久在线；更便捷体现在平台内置大数据引擎、地理编码引擎、规则引擎、工作流引擎等核心服务引擎，使开发人员可以专注于业务和数据逻辑，过滤掉技术细节，快速开发平台服务。
技术中台提供各种监控、预警、日志、报告工具，做到提早发现问题，并主动解决，解决过程主要依托自动化，实现运维方式从手工到自动，从被动到主动的转变，进而提高信息化的服务水平。
超图三维数字底盘全面适配国产化基础软硬件，包括 CPU、操作系统、数据库、中间件等不同层面的适配，满足信创要求。
• 数据中台：采用 DIKW 四库模型构建思路，实现数据价值最大化
数据中台核心是要解决“数据进得来、管得住、出得去、用得好”的问题。不同于时空信息共享服务平台，三维数字底盘除了提供时空信息的共享服务，更加注重对时空信息的挖掘分析，支撑业务化的场景应用。这就要求不仅要构建实体库，还要能够针对自然资源管理和城市治理等应用提供基于实体的数字化的指标和规则库。
为此，数据中台借鉴 DIKW 理念，构建以实体为核心的基础库、指标库、规则库、知识库，从而为业务中台输出可靠的、丰富的数据服务、功能服务和知识服务。其中，基础库（实体库）实现各类数据的汇聚和实体化，指标库用以支撑不同层级的自然资源和城市空间体征的表达，规则库是对一些规则的处理，通过规则库可以智能识别空间异常，知识库则是对前几个库的综合运用，通过知识引擎实现认知推理智能化。
▲图3 基于DIKW的数据中台构建思路
1、实体库：三维数字底盘的数据包括传统的矢量数据、栅格数据，以及三维数据、流数据、视频数据、互联网数据等新兴大数据。支撑多源、异构、海量的数据的汇聚融合。从全国、省、城市、园区 / 社区到建筑物，会有不同的实体，城市有城市的规划、设计、重大项目等，建筑物有不同阶段的建筑信息模型等，企业和人口可以与建筑物关联。将汇聚融合的基础库以“实体”为核心进行组织，从而形成实体库。
2、指标库：指标库基于实体库进行构建和更新。面向社会经济、自然资源、城市规划、城市建设、城市运行等领域关注的不同维度的信息，在实体数据库基础上，提取分析维度，并建立维度表，如：建筑物数据，将行政区划、建造时间、房屋用途、规划用途、当前状态等提取为不同的维度表，并建立实体表和维度表之间的关系，从而建立指标库，为表达城市体征提供数据支撑。
3、规则库：现实生活中，规则无处不在，法律、法规和各种制度均是，国土空间规划中控规地块的控高、容积率、绿地率等指标均为规则。分析业务体系中的各类规则，包括限定性规则、一般性规则及提示性规则等，把以往只有人才能看懂的规则条文加工梳理为机器可以读懂的标准化数字化规则库。并通过技术中台提供的规则引擎来实现规则的自定义、服务化及自动化运用。用户可快速根据业务规则做出决策，从而使得空间治理更加科学高效。
4、知识库：需要选取实体的多个指标、多种规则，结合专家知识，建立分析决策模型，来智能推演模拟自然资源和城市空间的发展态势和运行规律。
超图三维数字底盘内置四库示例数据，并提供数据管理系统实现基础库和实体库构建，提供指标和模型管理系统实现指标库、规则库和知识库构建，以满足用户个性化业务需求。
• 业务中台：提供四大中心，提升业务应用支撑能力
业务中台在技术中台和数据中台基础之上，提供统一的权限认证、统一的数据中心、应用中心、开发中心和运维中心，为上层应用构建提供业务支撑能力。业务中台的价值在于核心功能只开发一次，业务应用集约化构建。
1、数据中心：以三维立体一张图形式直观展示自然资源或城市空间历史、现状与未来，在线提供各类数据资源的统一展示、查询、分析、制图、共享等应用，辅助城市规划设计、开发建设、运行管理与监管决策。
2、应用中心：为用户提供一个统一的应用超市，包含平台内置的各类主题应用、个人定制的应用、智慧城市规建管应用体系等，提供应用查询浏览、应用申请、应用访问、应用注册、应用管理等功能。
3、开发中心：面向开发用户，通过 API 调用、服务接口、二次开发等多种技术形式，实现数据浏览、数据查询、信息共享等数据资源服务，规划设计、开发建设、运行管理等专题应用服务，以及空间分析、统计报表、产品制作等基础通用服务。
4、运维中心：面向平台管理人员，建立平台统一运维管理中心，提供云基础设施管理、服务资源管理、数据资源管理、日志管理、目录管理、用户权限管理、平台配置等功能。
04特性能力
超图三维数字底盘充分利用新型基础测绘、新一代三维GIS 技术、大数据、云计算、AI 等技术，通过以下六大能力赋能城市高质量发展和空间治理。
• 精准映射能力
通过新型基础测绘、工程建设项目 BIM 报建等途径，采集不同层级、不同精度的自然资源和城市空间三维模型数据，对全空间全要素进行实体化，并基于地理实体实现自然属性和社会属性的融合，形成全空间全要素且相关关联的数据底板。既可以渲染宏大开阔的场景，也可以展示建筑构件局部特征，实现地形级、城市级、建筑部件级多层次渲染，并可结合高逼真可视化引擎，真实刻画空间细节，打造精准、动态、可视化的数字场景，满足不同业务和应用场景需求。
• 体征感知能力
在多元汇聚的数据库（实体库）基础上，根据需求进行指标的动态计算和提取，构建指标库，针对指标定义、指标描述信息、指标值、指标体系进行统一管理，满足实际应用中指标多维度、多版本的管理要求。并能通过丰富的指标可视化图表及预警效果，结合多维度管理实现指标数据时空维度的下钻、聚合，最终让用户能够查看不同层次的数据，以此来表达自然资源或城市体征，如进行国土空间规划实施评估、城市体检评估等。
• 认知推理能力
结合规划设计、技术指南、标准规范、相关政策等内容，共同确定自然资源和城市空间不同阶段的管控规则，对各种空间管控规则进行数字化建库，通过预演空间规划、建设方案、实施计划，明确城市管控规则对城市高质量发展的影响，辅助决策人员根据实际情况进行方案调整优化，实现城市智能化管理。
• 空间模拟仿真能力
可以动态模拟从地形级、城市级到部件级全空间多层次的空间信息。可以接入实施视频数据等实时动态的城市感知数据，增强空间的仿真能力。还可以基于历史数据，通过深度学习等算法，推演城市未来发展态势并可视化呈现，增强对未来发展的判断力。如推演城市交通发展态势、人群集聚情况、环境污染情况等。
• 空间分析计算能力
提供叠加分析、缓冲分析等矢量分析，坡度坡向分析等栅格分析，天际线分析、可视域分析等三维分析、热点分析、OD 分析等空间大数据分析，聚类分析、回归分析等 AI 分析算子，满足空间场景下的分析计算需求；支持分布式空间分析计算能力，满足大范围、多口径的高效统计计算和数据挖掘需求。
• 共享服务能力
提供门户访问、系统定制、在线 API、云桌面工作室、多级部署等多种共享服务模式。门户访问模式支持在线看、查和分析；系统定制模式提供定制工具，根据需求结合四库定制所需的应用；在线 API 模式适用于二次开发人员构建第三方应用；数据工作室模式支持专业人员进行更高级更深入的分析应用。
05应用价值
数字城市阶段，时空信息共享服务平台支撑的应用比较单一，应用广度和深度都不够。三维数字底盘可为自然资源和城市规划、建设、管理全过程，提供三维化、实体化的时空信息服务，通过底盘的共享服务能力，实现跨部门应用的构建，带动平台数据更新，增强平台支撑能力，最终实现平台和应用协同发展的良好局面，有效解决空间治理的最后一公里问题。
规划设计是空间治理的龙头，基于三维数字底盘，可更客观地对自然和社会要素的保护和发展格局进行合理设计和优化配置，形成数字化、规则化、智能化的面向未来的智慧城市发展框架，为国土空间规划、城市体检等应用提供支撑；开发建设是对规划设计的实施，通过三维数字底盘，可为建设项目的立项、用地审批、规划审批、建设监管、竣工验收等应用系统提供城市空间信息服务；运营管理是对城市管理、基层治理、园区管理、场站管理、楼宇治理中的“人地事物组织”的管理，通过三维数字底盘，结合无人机、移动采集、物联网监测等多种手段，可更准确、更快速的把控区域综合运行情况，及时发现运行管理中存在的问题或规律。
文/智慧城市研发中心 张艳
●专访济南市自然资源和规划局：时空大数据平台是“基础性担当”