现在城市精细化管理技术体系研究

◎ 住房和城乡建设部信息中心 郭理桥

一、引言

《国家信息化发展战略（2006—2020年）》指出，“大力推进信息化，是覆盖我国现代化建设全局的战略举措，是贯彻落实科学发展观、全面建设小康社会、构建社会主义和谐社会和建设创新型国家的迫切需要和必然选择。”

在我国快速城镇化发展的经济社会当前历史阶段，将现代工业化时代的精细化管理理念融入现代城市管理当中，遵守“注重细节、立足专业、科学量化”的原则，结合空间信息承载应用这一技术手段，通过“复杂事情简单化，简单事情流程化，流程事情定量化，定量事情信息化”的管理方法，实现现代城市精细化管理模式。本文在对现代城市精细化管理相关理论研究、关系梳理、明确方向的基础上，开展现代城市精细化管理技术体系框架的研究，希望能符合我国当前城市管理现状、问题、机遇和挑战，利用信息化技术支撑中国特色的“城镇化”道路更快、更好地发展。

二、现代城市精细化管理技术框架

“现代城市精细化管理框架”是按照“一体化平台”的理念设计，即逻辑上是一个平台（集中），但物理上是分散的、分布的。“统一”或“一体化”的概念是依靠标准化、规范化，实现可共享、可交换和可协同。

“空间信息承载应用”是以高分对地观测数据为载体，融合各类矢量、业务、图像以及视频等数据的一种综合应用模式，“空间信息承载应用框架”包括了空间信息承载应用平台和空间信息承载应用系统这两个重要组成部分。空间信息承载应用平台是空间信息承载应用系统的支撑平台，它提供了支撑应用的数据标准和目录交换体系、海量数据存储、各类数据服务和应用服务。空间信息承载应用系统是基于空间信息承载平台开展的面向行业、城市、国家及公众的各类应用。我们将“空间信息承载应用框架”结合城市精细化管理的专项应用领域，提出了“现代城市精细化管理框架”这一概念，其中“空间信息承载应用平台”和“空间信息承载应用系统”仍然是这一体系框架的重要组成部分。

“现代城市精细化管理框架”包括了数据、平台、应用三个要素。具有如下特点：

图1 现代城市精细化管理框架

1、基于高分辨率对地观测的高分数据、基础地理空间和城市三维模型数据，通过整合各类业务数据，构建大型空间信息数据库；

2、依托国家电子政务网，建立现代城市精细化管理空间信息承载服务平台、空间信息目录和交换平台、空间信息数据仓库等支撑软件；

3、在城市规划、城市建设、城市管理、决策支持、应急指挥、防灾减灾、城市经济、城市人文等各行各业实现精细化管理的应用。

现代城市精细化管理项目的总体框架为数据层、平台层、应用层三层架构，如图1所示。数据层主要负责城市精细化管理的多源数据的获取、处理、

图2 空间信息目录和交换体系架构图

校正、生成、更新、维护、空间化以及规范化。平台层主要从空间数据组织和管理、资源目录体系、资源交换体系、承载服务应用等角度展开。平台层是联接数据层和应用层的中间关键层，既有数据采集、数据组织、数据加工等看不见的工作，又有数据呈现可视要求，而且还需要为各类应用系统提供地图服务、数据服务、功能服务。应用层是基于“空间信息承载服务平台”构建的各类面向行业、城市及国家具体业务应用的“空间信息承载应用系统”。

三、城市多源数据流式处理技术

城市多源高分数据流式处理技术主要包括对地观测数据流式处理、空间矢量数据处理、三维模型数据处理、业务数据地理编码及空间化处理、时空数据全生命周期管理等五大关键技术：

（一）对地观测数据流式处理技术

以国产自主卫星数据为主、国外商业卫星数据为辅，建立面向建设行业和区域应用的对地观测数据流式处理生产线，开发专用的核心算法部件，服务于现代城市精细化管理的广泛需求。

（二）空间矢量数据处理技术

完成对历史积累空间矢量数据的数字化，应用开发成熟的遥感信息提取识别技术，建立高分辨率对地观测数据+数字化矢量数据的快速修测生产线，提高系统的综合效益，满足现代城市精细化管理的高时效性要求。

（三）三维模型数据处理技术

通过对局部地区的数据进行精细化的处理，构建局部地区的建筑物三维建模，植被三维建模，最终通过计算机图形构成的三维数字模型，在地理空间框架上重现开放的、逼真的、互动的“虚拟环境”，实现对重点区域、核心工作区域的三维建模。

（四）城市其他数据采集处理

城市管理当中各政府部门的业务数据采集和交换是非常重要的，此类信息的采集处理主要通过现代城市精细化管理空间信息目录和交换系统实现。

四、空间信息目录交换协同技术

（一）目录和交换体系架构

空间信息共享和服务体系结构如图2所示。

1）目录注册系统：提供WFS、WMS或WCS等“功能服务目录”注册，对可交换的空间信息进行“交换服务目录”注册，对可共享的公共资源进行“公共资源目录”；

2）目录管理系统：对注册的数据服务、交换服务和功能服务进行目录的管理；

3）目录发布系统：以UDDI或OGC CSW（元数据目录服务）方式发布已注册的目录；

4）交换服务系统：采用集中式或分布式的方式，提供数据的共享交换服务。

（二）空间信息目录服务系统

通过基于元数据的目录服务系统所提供的目录注册服务、目录管理服务和目录发现服务，把数据和功能的提供者、管理者和使用者联系起来，让目录服务系统成为三者的纽带和桥梁，能够充分发挥空间信息的资源，服务于城市精细化管理各项应用，形成基于空间信息提供和功能提供等的产业链。

1）空间数据注册：高分数据以及基础地理空间数据等注册到目录服务系统中，如果这些数据需要作为数据资源为发现者使用的话，还需要预先或者按需通过交换系统将各类数据传输到数据中心；

2）业务数据注册：对空间数据进行提取，生产出批量可应用于业务应用的数据；另一方面政府部门各行业的业务应用系统作为重要的数据来源，提供城市中所需的公共或共享的业务数据；提供公众服务的同时，也可以获取到相关政府部门无法产生的数据，这些业务数据都可以注册到目录服务系统中。对于公共性的行业数据，可以预先通过交换系统传送到数据中心，其他按需提供；

3）空间信息注册：通过对空间数据、提取数据和业务数据等按照空间信息集成模型等方式进行组合，形成一体化的空间信息，属于经过加工处理的数据资源，同样可以注册到目录服务系统；

4）功能服务注册：空间信息承载服务平台中可以提供相关对空间信息的共享和应用的功能服务，各政府行业部门也可结合行业自身特点，提供相关服务并注册到目录服务系统中；另外一方面就是产业链上的企业，提供基于商业应用功能服务；

5）目录管理服务：目录管理者通过目录管理服务管理提交的目录注册申请，审核验证通过后，对政府专网内或者互联网（可公开的服务）进行发布；

6）目录发现服务：服务使用者通过目录发现服务，利用各种方式获取所需空间信息或功能服务。可按照数据集序列、数据分类、功能集序列、功能分类、关键词、时间、空间（图形方式）、组合（模糊）等方式发现所需服务。对于需要将数据进行本地利用的情况，可通过交换系统进行订阅获取，对于在线的数据或功能获取，可以利用提供的地址实现数据和功能的远程调用。

（三）空间信息交换服务系统

空间信息交换系统是依托国家电子政务网络和电子政务信息安全基础设施，为部门内、跨部门、跨地域空间信息资源交换与共享提供服务的系统。可提供多种交换模式，如：请求响应式、订阅响应式、自动获取式、集中获取式、跨部门业务协同式等。

1）前置交换系统：指放在各部门机房的前置交换服务器和前置交换软件；

2）中心交换系统：指通过交换域的中心交换系统进行信息中转；

3）交换网络：指基于电子政务网络建立的具有安全保证的网络；

4）共享信息库：包括基础库、业务库和服务库等；

5）应用服务器：指完成工作流管理的工作流服务器，以及实现一般数据库存取的应用服务器；

6）应用终端：指通过应用服务器存取共享信息。

五、空间信息时空数据组织技术

（一）时空数据组织模型

时空数据全生命周期组织和管理模型，是重点针对城市多源异构数据的组织、管理和维护，典型的数据有城市遥感影像数据、城市遥感POI数据、空间矢量数据、各类专题数据、三维模型数据、地理编码数据、空间化的业务数据以及按照各类标准规划化之后的数据等。

现代城市精细化管理空间信息承载服务平台是基于时间和空间组织数据的，基础空间数据采用基于分层（尺度和时间）组织的时空模型，动态数据采用“时间+属性+空间”的事件模型。空间信息承载与可视化平台是基于时间和空间组织数据的。而一般的时空数据组织模型包括：简单时空数据模型、面向对象的时空数据模型、时间或过程模型等。图3是建设行业的时空数据组织模型。

图3 建设行业时空数据组织模型图

（二）空间数据组织管理

考虑到空间基础数据在空间上的连续分布的特点，承载平台通过在以下几个方面的努力来解决这些问题：

1）采用矢量栅格化解决分布式存储带来的矢量数据访问效率问题；

2）采用“空间换时间”的优化方式，利用“分层、分级、分块”的组织方式和多级缓存机制解决栅格数据的访问效率问题；

3）采用统一的数据格式标准和地理编码方案实现多尺度多源数据的融合，保证数据的完整性，满足不同层面的应用需求。

（三）业务数据组织管理

人类活动信息的80%以上都与空间相关，它是信息资源中数量最大、最为重要的部分。因此，以统一的空间坐标为参照，实现城市业务信息资源的高度统一与整合就具备了现实可行性。

业务信息空间化处理系统通过城市地理空间编码地址库对其它的城市业务信息资源进行地理编码，以对地观测数据、空间矢量数据等城市基础地理数据为基础，叠加人口、社会经济、行业应用和政务等专题信息，实现非空间数据空间化，从而使业务信息具备了在空间信息承载服务平台上显示、编辑、操作和进行生命周期管理的条件。

（四）实时数据组织管理

在动态数据的组织和管理中，空间信息承载服务平台采用了如下的解决方案：

1）将“时间，空间、属性”融合为一个实体对象——“事件”；

2）引入生命周期的概念。

（五）历史数据组织管理

现状数据和历史数据的组织基于现状数据和历史数据的变化情况和便于管理的目的，在数据管理中，可以将数据分为两个部分，除现势数据外，其他的所有历史数据都存储在同一个数据库中。当现势数据变更时，更新实体的时间标志，将其存入历史数据库中，同时并不删除旧的历史数据，实现历史数据的增量存储。这样，现势数据和历史数据共同组成了所有时段的空间和业务信息，并且数据是无冗余的。当要查看某一给定时间的历史数据情况时，可以通过给定时间条件，叠加现状数据和历史数据，得到完整的特定时间的地理空间图。

六、空间信息数据仓库建设技术

现代城市精细化管理空间信息基础数据库、业务数据库建设完成后，形成具有“面向主题的、集成的、当前或接近当前的、不断变化的”的特性的数据，其中包括了栅格（高分）、矢量（大比例尺）、模型、数码（视频）、文档、其他属性数据、专题数据、知识数据等各类型的数据，这些数据量汇聚起来是海量的，而且有一个很重要的时间维度，随着时间的迁移，空间信息承载服务平台的数据中心要存储大量的历史空间数据、业务属性数据，这些海量的、历史的数据需要利用数据仓库进行有效管理。

数据仓库是一个“面向主题的、集成的、非易失的，随时间变化的用来支持管理人员决策的”数据集合，非常适合空间信息时空数据组织模型的实现。

数据仓库中数据存在着不同细节级：早期细节级（通常是存储在备用海量存储器上）、当前细节级、轻度综合数据级（数据集市级）以及高度综合数据级。数据是由操作型环境导入数据仓库。相当数据量的数据转换通常发生在数据由操作层向数据仓库层传输的过程中。一旦数据过期，就有当前细节级进入早期细节级。综合后的数据由当前细节级进入轻度综合数据级，然后由轻度综合数据级进入高度综合数据级。

数据仓库的第一个特点是面向主题（Subject Oriented）的数据集合，而操作型环境的数据库系统是面向应用进行组织的。

数据仓库的第二个显著特点是它是集成(Integrated) 的数据集合。在数据仓库的所有特性之中，这是最重要的。数据仓库中的数据是从多个不同的数据源传送来的。当这些数据进入数据仓库时，就进行转换，重新格式化，重新排列以及汇总等操作。得到的结果就是只要是存在于数据仓库中的数据就具有单一物理映像。

数据仓库的第三个重要特性是数据仓库是非易失(Nonvolatile)的数据集合。对操作型数据的访问和处理，一般按一次一条记录的方式进行。操作型环境中的数据必然是要更新的，但数据仓库中的数据呈现出一组非常不同的特性。数据仓库的数据通常是以批量方式载入与访问的，但在数据仓库环境中并不进行一般意义上的数据更新。数据仓

图4 空间信息应用和数据仓库系统关系图

库中的数据在进行装载时是以静态快照的格式进行的。当产生后继变化时，一个新的快照记录就会被写入数据仓库。这样在数据仓库中就保存了数据的历史状况。

数据仓库的最后一个显著特性是它是随时间变化(Time Variant) 的数据集合。时变性的意思是说数据仓库中的每个数据单元都只是在某一时间是准确的。在一些情况下，记录中加有时戳，而在另外一些情况下记录则包含一个事务的时间。总之任何情况下记录都包含某种形式的时间标志用以说明数据在哪一时间是准确的。

总的来说数据仓库是：集成的数据，从时间的角度，不可更新，只能加载，非联机访问，只能批处理，面向主题，不同层次的粒度，可以包含外部数据，非冗余，关于时间的细节数据，有时称为“原子”数据。利用数据仓库建库技术，结合空间信息时空数据组织模型，将现代城市精细化管理的数据进行有效组织，支持后续高层次的服务数据库建设，如图4所示。

七、空间信息承载与可视化技术

现代城市精细化管理空间信息承载服务平台可以分为处于后台的数据服务和处于前台的数据可视化两个部分。后台数据承载服务的基本任务就是向业务应用系统提供高效、健壮的数据服务；前台的数据可视化的核心任务则是实现终端用户对业务应用相关支持数据的有效交互和操控，由此实现整个平台对承载的应用系统的全面支持。空间信息承载与可视结构如图5所示。

1、数据承载体系结构

对于数据服务部分，要求平台便于容纳不同类型、不同来源的数据，便于构造不同规模的系统，能够有效地整合其他分系统提供的数据，能够有效地解决历史数据的使用问题，因而采用分布式服务的方式构造平台后台数据服务框架，其中的数据服务标准接口对具体数据的格式和访问方式进行了约束，屏蔽了数据提供者和数据消费者双方的实现细节，在技术层面上实现了不同部分间的松耦合。

2、数据可视化体系结构

对于数据可视化部分，由于数据的多样性，关注的不仅仅是不同数据的存取方法和显示方法，重要的是解决数据在可视化过程中的关联问题，也就是要实现具有内在逻辑组织的多类型数据的可视化。展示方式的多样性是应用需求多样性在这个平台的一种具体体现。不但要提供基本的2D展示方式、3D展示方式、比对展示方式和动态展示方式等，还要随业务过程的升级改造提供全新的展示方式。针对数据的交互操作既包含了数据的浏览操作，也包含了数据的查询检索操作。高可用性的浏览和检索方式要求直接针对具体的应用开发，这就导致了对交互操作方式的多样性要求和可扩展性要求。

八、空间信息应用服务门户技术

基于高分对地观测数据，将现代城市精细化管理相关应用、空间数据、业务数据和服务资源在一个统一的门户上进行展示和服务。物理分散在各个城市中的数据、服务通过全国城市精细化管理空间信息承载服务平台汇聚到空间信息应用服务门户，管理组织好这些数据和服务，协调好这些数据和服务的各类使用，是空间信息应用服务门户的主要工作，因此，空间信息应用服务门户的建设工作从以下几个方面开展：

1、统一授权认证管理：利用现代城市精细化管理信息安全保障建设的相关内容，研究统一授权认证在空间信息应用服务门户应用的集成，为门户内信息和服务的使用提供统一、安全的身份认证，并开放相关接口，满足各类接入服务的身份验证调用，实现单点登录。

2、资源访问权限管理：研究建立空间信息应用服务门户基于“用户-角色-资源”的统一权限管理系统，实现控制每个用户或角色对门户内每条信息或每项服务的访问权限。

3、信息安全监控管理：利用现代城市精细化管理信息安全保障建设研究的相关成果，研究空间信息应用服务门户的安全保障集成，打造一个安全有保障的门户。

图5 空间信息承载与可视结构

4、城市数据/服务资源目录查询：利用现代城市精细化管理空间信息承载服务平台研究的相关成果，研究空间信息应用服务门户的城市数据/服务资源目录查询集成，加强门户的查询功能。

5、组件式应用集成：利用现代城市精细化管理指标体系及标准规范研究的相关成果，研究空间信息应用服务门户的组件集成，使现代城市精细化管理的各项应用可以持续不断地集成到门户上。

九、结束语

现代城市精细化管理是一项复杂的系统性工程，其实施过程中涉及的技术领域非常广泛；而且，我们也要清醒的认识到技术是一个发展的过程，随着精细化管理的不断深化、完善，会应用到不同的技术。今天的技术，明天可能过时，今天不可能的技术，明天可能得到广泛的应用；因此，现代城市精细化管理技术体系的研究也是一个不断发展和完善的过程。