國家發(fā)改委和中央信息辦在智慧城市建設規(guī)劃中，將“時空基礎設施”建設的組織任務分配給(原)國家測繪地理信息局，很多城市啟動了“智慧城市時空大數(shù)據(jù)與云平臺”項目。

　　在《智慧城市時空大數(shù)據(jù)與云平臺建設技術大綱(2017版)》中，明確：“時空基礎設施作為智慧城市的重要組成，既是智慧城市不可或缺的、基礎性的信息資源，又是其他信息交換共享與協(xié)同應用的載體，為其他信息在三維空間和時間交織構成的四維環(huán)境中提供時空基礎，實現(xiàn)基于統(tǒng)一時空基礎下的規(guī)劃、布局、分析和決策。”

　　對以上目標，筆者完全認同。同時，筆者認為——在“信息資源提供”和成為“交換共享與協(xié)同應用的載體”兩者之中，后者更為重要，時空作為數(shù)據(jù)融合共享的載體是天然的。我們一起剝絲抽繭，討論一下時空大數(shù)據(jù)在智慧城市中的應用模式。

　　01.支撐時空決策，是時空大數(shù)據(jù)的存在價值

　　關于“大數(shù)據(jù)”的描述，筆者認同Teradata首席分析專家Bill Franks在《駕馭大數(shù)據(jù)》中表達的觀點：沒有一種數(shù)據(jù)叫做“大數(shù)據(jù)”，“大”和“數(shù)據(jù)”都不重要，使用數(shù)據(jù)的方法才重要。我們無需爭論哪些數(shù)據(jù)屬于大數(shù)據(jù)和時空大數(shù)據(jù)，所有的數(shù)據(jù)都在時空中，也都是大數(shù)據(jù)，只要用大數(shù)據(jù)的方法去使用。

　　收集和使用數(shù)據(jù)的方法取決于需要解決的問題，我們把工作任務分為兩類，一類是事務性任務，需要精確采集、記錄事實信息和處置過程，比如土地所有權發(fā)證、工程測量、辦理銀行存款、電子商務交易；一類是決策類任務，例如土地規(guī)劃、應急指揮、營銷策略制定等，需要收集多維度數(shù)據(jù)進行綜合分析。

　　大數(shù)據(jù)的應用目標是支持決策類任務，而非事務性工作。事務性工作是數(shù)據(jù)產(chǎn)生的源頭，其積累的數(shù)據(jù)成果，經(jīng)過抽取、融合后方可成為支撐大數(shù)據(jù)分析的輸入。大數(shù)據(jù)分析不必、也不能直接面向原始業(yè)務數(shù)據(jù)。

　　順便說一下大數(shù)據(jù)和云平臺的關系。云平臺的本質(zhì)是計算資源和存儲資源的虛擬化，是大數(shù)據(jù)實施的適宜支撐環(huán)境，但非必須。云平臺能力并不等同于大數(shù)據(jù)能力，兩者的關系類似于“結婚和買房”。

　　02.數(shù)據(jù)融合，是時空大數(shù)據(jù)的核心能力

　　智慧城市首先強調(diào)數(shù)據(jù)共享，各地紛紛成立“大數(shù)據(jù)局”匯集數(shù)據(jù)，此舉就可以消除“信息孤島”了嗎？一位資深地方信息中心主任半開玩笑地說：以前是“煙囪式”的數(shù)據(jù)調(diào)用，現(xiàn)在將一堆煙囪捆在一起集中排放，污染更加嚴重。

　　數(shù)據(jù)如果無法融合，共享便失去意義。

　　數(shù)據(jù)融合有兩種，一種是以人為線索。比如，將一個人在公安、社保、工商、稅務等多個部門的數(shù)據(jù)打通，實現(xiàn)信息互通。這是辦公流程的優(yōu)化，事務性工作的效率提升，嚴格講不屬于大數(shù)據(jù)的范疇。在商業(yè)大數(shù)據(jù)領域，通過人的行為數(shù)據(jù)進行“客戶畫像”，制定個性化的營銷策略，應屬于大數(shù)據(jù)應用范疇。

　　另外一種融合，便是時空融合，目的是支撐城市管理者的時空決策，例如：土地規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)布局規(guī)劃、交通治理、環(huán)境治理、應急指揮等等，基本邏輯是“何時、何地、何為”。時間和空間即是所有數(shù)據(jù)的共同特征，又是所有智能的基礎，基于時空的數(shù)據(jù)融合是必然途徑。

　　數(shù)據(jù)融合需要線索，在商業(yè)大數(shù)據(jù)中，圍繞著“人”為線索形成“客戶畫像”；在時空大數(shù)據(jù)中，需要定義“地理實體”進行數(shù)據(jù)融合，形成“地理畫像”。

　　03.基于“地理實體”的數(shù)據(jù)融合

　　在《智慧城市時空大數(shù)據(jù)與云平臺建設技術大綱(2017版)》中，明確要求建設“地理實體”數(shù)據(jù)：以地形圖為基礎，對境界、政區(qū)、道路、水系、院落、建筑物、植被等內(nèi)容進行實體化，并賦予唯一編碼，作為與其它行業(yè)和專題數(shù)據(jù)進行關聯(lián)的基礎。

　　地理實體是占據(jù)一定空間的地物或者現(xiàn)象，地理實體定義及編碼的目標是“通過編碼交換空間信息”，交換的內(nèi)容是指附著在空間上的屬性信息，例如土地性質(zhì)、人口統(tǒng)計、經(jīng)濟指標等等。實施的關鍵是：建立編碼與空間范圍的對應關系并使之成為統(tǒng)一標準，例如全國統(tǒng)一的郵政編碼和行政區(qū)劃。

　　編碼是溝通效率最高、不易產(chǎn)生歧義且管理效率最高的手段，比如身份證號、樓棟號、學籍號、地類代碼等。用編碼代表空間范圍也是一種常用手段，如標準圖幅號、投影帶號、電話區(qū)號等。

　　用地理編碼作為數(shù)據(jù)的空間關聯(lián)線索，可以避免多尺度、多投影、多格式地圖數(shù)據(jù)整合所帶來的繁瑣工作。

　　但是，空間單元本質(zhì)上是業(yè)務管理單元，每個部門都有各自的單元劃分和編碼標準，并在業(yè)務運行和信息系統(tǒng)建設中貫徹執(zhí)行。郵政部門劃定郵政編碼、教育部門劃定學區(qū)、交通部門劃定道路分段、國土部門劃定地塊、城管部門劃定城管網(wǎng)格、公安部門劃定片警轄區(qū)……。

　　不同領域的空間業(yè)務單元劃分差異性很大，互不相容，不可能設計出一套適合所有行業(yè)的劃分規(guī)則；即使存在完美方案也難以推廣，會涉及業(yè)務規(guī)則調(diào)整和信息系統(tǒng)重建，統(tǒng)一的、唯一的編碼無從談起，將編碼作為數(shù)據(jù)關聯(lián)線索也就無法落實。

　　在“大數(shù)據(jù)局”模式下，各部門提交原始業(yè)務數(shù)據(jù)，必會由數(shù)據(jù)規(guī)格多樣而帶來數(shù)據(jù)融合困境，“煙囪”依舊；而制定一個統(tǒng)一空間標準，強制推廣到各個部門，業(yè)務規(guī)則沖突必然導致障礙重重；只有在所有業(yè)務的底層，設計一個共同的融合架構，才可能從根本上解決數(shù)據(jù)融合的問題。

　　04.基于空間網(wǎng)格的地理實體定義和編碼方法

　　有沒有一種方法，既不改動各領域的業(yè)務單元劃分，又能夠?qū)崿F(xiàn)“通過編碼交換空間信息”的目標呢？

　　答案就是基于空間網(wǎng)格的地理實體定義和編碼方法。第一步，設計一套全域覆蓋的多級基礎空間網(wǎng)格，并賦予唯一編碼。設定最小網(wǎng)格尺寸，按四叉樹逐級向上合并生成上一級網(wǎng)格，網(wǎng)格編碼作為網(wǎng)格在計算機中的存儲形態(tài)。

　　第二步，用網(wǎng)格集合定義地理實體，網(wǎng)格集合編碼作為地理實體編碼。不同行業(yè)，不同尺度的地理實體，選擇不同層次的網(wǎng)格集合來定義。例如：用1米網(wǎng)格記錄建筑物信息，用2米網(wǎng)格記錄土地利用現(xiàn)狀，用100米網(wǎng)格記錄人口數(shù)量，用1公里網(wǎng)格記錄空氣質(zhì)量，用5公里網(wǎng)格記錄氣象信息。

　　地理實體編碼由所覆蓋“基礎網(wǎng)格編碼”組合生成，最完整的編碼是把所有覆蓋網(wǎng)格的編碼連接在一起，也可進行編碼壓縮避免過長。這樣，解析編碼即可獲得地理對象的組成網(wǎng)格，進而獲得地理實體的覆蓋范圍。如下圖示意，可根據(jù)需要的空間精度選擇合適層次的網(wǎng)格，網(wǎng)格越小，編碼越長，也越接近原始精度。

　　事實上，在大數(shù)據(jù)應用中，并不需要原始精度的業(yè)務數(shù)據(jù)，也不需要原始數(shù)據(jù)的完整內(nèi)容，而是根據(jù)應用分析和決策支持的需要進行抽取和簡化，而空間網(wǎng)格是空間簡化的適宜方式。如果需要原始數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)格索引調(diào)用即可。

　　由于編碼只與地理實體的覆蓋網(wǎng)格有關，而與業(yè)務內(nèi)容無關，此編碼可自動生成；同一領域的業(yè)務單元劃分在空間上不重疊，編碼的唯一性可以保證；當某一領域的空間業(yè)務單元調(diào)整時，數(shù)據(jù)共享融合系統(tǒng)無需改動。

　　如用戶的數(shù)據(jù)為GIS數(shù)據(jù)，解析圖形即可獲得編碼；如用戶數(shù)據(jù)為表格數(shù)據(jù)，解析其中地名地址信息即可生成編碼，只需提前生成標準的地名地址網(wǎng)格編碼；對于智能感知數(shù)據(jù)，也可選擇合適的網(wǎng)格級別進行空間化標定。

　　通過一個輕量化的數(shù)據(jù)抽取工具，對接到不同行業(yè)的業(yè)務系統(tǒng)中，即可以自動生成形式為“地理實體編碼+屬性數(shù)據(jù)”交換數(shù)據(jù)，由于所有地理實體基于相同的基礎空間網(wǎng)格生成，基礎網(wǎng)格是不同地理實體溝通的橋梁，各種空間分析可利用“編碼計算”完成，利用地理編碼進行多源異構數(shù)據(jù)的共享、交換、協(xié)同和融合得以實現(xiàn)。

　　05.基礎時空框架與時空網(wǎng)格數(shù)據(jù)倉庫

　　在李德仁院士的論文《從數(shù)字地圖到空間信息網(wǎng)格——空間信息多級網(wǎng)格理論思考》(2003)中，明確指出：“空間數(shù)據(jù)種類繁多、數(shù)據(jù)格式各異、存在多種比例尺、多種空間參考系和多種投影類型。這給需要使用空間數(shù)據(jù)的用戶帶來了很大的困難，不利于空間信息的共享。究其原因，主要在于GIS是面向空間數(shù)據(jù)，特別是地圖數(shù)據(jù)的，而不是直接面向空間信息的。” 空間信息網(wǎng)格使空間應用直接面向空間信息，走出地圖的束縛。

　　智慧城市時空大數(shù)據(jù)平臺需要建立基礎空間網(wǎng)格，作為空間基礎設施；將連續(xù)的時間離散化，形成多尺度基礎時間網(wǎng)格，是以時間為線索進行數(shù)據(jù)檢索和融合的基礎框架；還需建立標準的地名地址網(wǎng)格對象，是地名地址空間范圍的網(wǎng)格表達，是基于基礎空間網(wǎng)格的公共網(wǎng)格集合。“基礎時空網(wǎng)格+地名地址網(wǎng)格對象”組成了智慧城市“基礎時空框架”，是大數(shù)據(jù)時空融合的底層支撐。

　　基礎時空框架與具體數(shù)據(jù)無關，網(wǎng)格劃分是靜態(tài)的，不會因城市擴張、行政區(qū)劃合并、撤消、分割等情況而改變，不同時間的信息網(wǎng)格具有空間可比性，可方便地進行時序分析。同時，各種量化的統(tǒng)計指標都基于共同的基礎時空框架，也便于不同行業(yè)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行時空對比分析。

　　從不同行業(yè)數(shù)據(jù)庫中抽取出來的網(wǎng)格數(shù)據(jù)匯集到一起，形成了“時空網(wǎng)格數(shù)據(jù)倉庫”。數(shù)據(jù)倉庫是面向決策過程的、面向主題的、集成的、穩(wěn)定的、不同時間的時空網(wǎng)格數(shù)據(jù)集合，是實現(xiàn)時空決策分析的數(shù)據(jù)基礎和支撐環(huán)境。在數(shù)據(jù)倉庫之上，構建若干時空決策分析服務，形成支撐智慧城市時空大數(shù)據(jù)決策支持分析的完整架構。

　　在基礎時空框架的支撐下，時空大數(shù)據(jù)平臺可提供基于網(wǎng)格的公用基礎數(shù)據(jù)資源；各行業(yè)之間在框架內(nèi)基于網(wǎng)格交換信息；更重要的是，有共同基因的網(wǎng)格數(shù)據(jù)匯聚到一起后，智慧城市的各項時空決策得以高效務實地進行。

　　總結

　　智慧城市時空大數(shù)據(jù)與云平臺建設中，數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)范圍擴展以及運行環(huán)境的云平臺升級，僅完成了“基礎信息資源提供”的目標，而利用時空網(wǎng)格體系構建基礎時空框架和數(shù)據(jù)倉庫，突破數(shù)據(jù)融合瓶頸，才能成為“交換共享與協(xié)同應用的載體”，實現(xiàn)“基于統(tǒng)一時空基礎下的規(guī)劃、布局、分析和決策”，才能稱得上智慧城市的“時空基礎設施”。