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开放地理信息空间联盟智慧城市空间信息框架

来源:测绘发展研究中心    时间:2016-11-15 08:40:00
 

 

开放地理信息空间联盟智慧城市空间信息框架

本文由国家测绘地理信息局测绘发展研究中心薛超进行编译整理。

一、摘要

《开放地理信息空间联盟智慧城市空间信息框架白皮书》(后简称“白皮书”)基于以下观点,支持智慧城市空间信息框架的发展:

     智慧城市是高密度创新和信息的孵化器。

     位置信息是智慧城市科技效益的主要驱动力。

     智慧科技的效益必须由大众评判。

     再利用和重新利用对于城市复原力至关重要。

     开放标准是实现互操作、高效率、应用创新和高收益的必需。

对于智慧城市,国际上存在很多标准。这些标准大多数都在某种程度上涉及到了室内/室外的位置,因此关于位置信息的内容就贯穿在了大多数智慧城市标准化工作中。

二、智慧城市的空间信息网络

如今,城镇人口占全球人口总数54%(世界卫生组织2014年),城市化发展的趋势越来越明显。人、物质、环境中电子系统的有效整合,保障了城市居民生活质量的提高、城市治理的改善和城市的繁荣、包容、可持续发展和复原。位置信息是构建智慧城市服务的首要需求。任何有关位置的交流沟通都需要制定一个标准。本白皮书强调了对于实现智慧城市至关重要的开放信息技术标准框架。

白皮书提出了关于智慧城市空间信息框架的草案,以结构化方法编写,形成了一系列定义信息系统的观点,这些观点基于ISO/IEC 10746“信息技术——开放分布式处理——参考模型标准规范。

白皮书第二部分从企业视角出发,内容包括智慧城市的定义、技术评估的价值指标和智慧城市信息系统的总体构成。

白皮书第三部分从信息的视角出发,概述了智慧城市中需要的空间信息和其他数据。

白皮书第四部分从计算机服务的视角出发,内容包括为实现以服务为导向的智慧城市架构所需要的流程和界面。

第五部分从框架实施的角度出发,指出了在城市中实施空间信息架构的方法。

三、智慧城市的信息

(一)智慧城市的智慧之处

智慧城市实现了环境中物质、数字、人文系统的有效整合,为市民带来了可持续、繁荣和包容的未来。

虽然本白皮书的重点在于技术,但是为实现智慧城市发展,必须考虑社会政策和科技对于人类的效益。许多智慧城市技术主要聚焦于应急响应和资源管理的命令、控制方法。虽然对于资源管理的命令和控制是必需的,但智慧城市的标准规范必须考虑到公民对于智慧城市中资源的使用需求。这样的观点让人回想起了简·雅各布在几十年前提出的城市规划改革,改革聚焦于社区生活和社交网络的重要性上:

     智慧城市信息系统的设计需要考虑开放度,并将其作为标准制定原则的重中之重。

     基于开放接口和编码标准的低成本的、开放参与的试验、测试和试点鼓励了创新,并为创新提供了参考和指导,这项工作优化了创新的形式,预防了故障的发生。

为了实现智慧城市愿景,智慧城市必须让市民、机构和政府选择各种资源的机会。

(二)城市服务和生活质量的指标

1.可持续发展和社区自我修复力的指标

智慧城市的表现需要利用标准来衡量。ISO国际标准组织正在制定一系列标准,以支持城市的可持续发展和城市的自我修复力。其中一个关键的标准就是 ISO/DIS 37120 可持续发展和自我修复力标准——城市发展和生活质量指标。

ISO37120定义了一套指标来指导和衡量城市的服务和生活质量。在ISO37120的指标分为以下几个主题:

     经济

     教育

     能源

     环境

     休闲

     安全

     庇护

     固体垃圾

     电信和创新

     财经

     消防和应急响应

     治理

     健康

     运输

     城市规划

     废水

     水和卫生设施

大部分ISO37120指标的开发和通讯数据中都涉及到了地理信息技术和传感器,这些传感器大多具有位置属性。在空间信息框架中涉及的空间信息技术将会作为指标评价的辅助支持,空间信息技术不仅对这些因素进行了计算,同时也促使了规划的落实。

2.休闲指标:户外休闲空间

“人均公共户外休闲空地(平方米)”是ISO 37120标准中娱乐分类中的13.2项指标。ISO标准指出:这个指标所需的数据可以从城市规划相关部门中获取,户外休闲空间可以利用航空影像或土地利用图进行确定。一旦户外休闲空间在地图上确定,就可以采用低成本的地理信息技术计算其面积。如果航空影像不能使用,则可以通过手持测量设备计算出区域面积。

在理解户外休闲空间指标时,理解“空间流”是很重要的。例如在休闲空间中何人通过何种途径做何事?休闲空间如何优化,才能使市民福利最大化?与空间位置相关的能源、水、垃圾的流动有哪些?这些空间流如何与非休闲地区的空间流相结合?要想回答这些问题,需要收集各种二维、三维、四维空间数据。

3.能源指标:可再生能源来源

“作为城市总能源消耗中的一部分,可再生能源占城市总能源消耗的百分比”是ISO 37120标准中能源分类的7.4项指标。

ISO 37120标准建议此项指标的数据应从本地公共事业机构、城市能源或环境办公室、国际能源机构(IEA)或世界银行处等不同国际来源获取。

对于可再生能源的供应来说,由市政建筑和服务所消耗的总能量相比整个城市所消耗的总能源来说更容易进行量化和管理。智慧城市将开展出多种方式,计算对于能源和“超本地化”尺度可再生资源的需求。柏林太阳能机构指出在柏林大约有22万个房顶适合安装光伏发电系统,但许多房屋业主没有意识到光伏发电的潜力。如果太阳能发电系统能够安装到柏林所有符合条件的房顶,它们每年可以提供大约300万千瓦电力。

2.2.4 环境指标:噪音污染

“噪音污染”是ISO/DIS 37120标准中环境分类中的8.7项指标。

ISO 37120 标准中指出,噪音污染应该根据ISO 1992-2:1987标准提出的方案,对有可能引起反感的噪音划分等级Lden(早、晚、夜间),识别城市中Lden数值高于55分贝的区域,并且估算这些区域人口占城市总人口的数量。最终结果应当被表示为人口受噪音影响的百分比。已利用符合OGC CityGML标准的INSPIRE 建筑模型绘制了基于欧洲法规的三维可视化噪声地图。

(三)智慧城市应用

智慧城市科技激活了一系列相关应用,包括:

     设施——智能格网、智能水源等

     卫生

     智能建筑

     智能交通

     健康

     社会公共安全产品

     环境保护

     紧急服务

     教育

     城市规划

     开放数据

附录A中所列出的标准制定组织具有一系列的智慧城市应用,包括OGC成员公司在内的商业公司也对智慧城市有多方位的战略部署。例如OGC成员正在发展智慧城市战略和智慧城市应用商店。

(四)智慧城市企业架构

智慧城市要求部署互操作信息系统。组成智慧城市的高层次企业在图1中表示。这些智慧城市的组成以分层的形式进行分类。

1智慧城市企业架构

企业组成图中的层是基于ITU智能化可持续发展焦点组给出的方法定义的,这样的分层方法也与中国智慧城市试点中运用的分层方法是一致的。

四、空间信息和智能城市

(一)空间信息具有普适性

当利用时空的概念进行整理时,关于城市的信息可以成为多种服务、分析、决策的有力基础。本部分给出了基于CityGML等基于开放标准的城市空间智能架构。

城市空间环境必须强调空间信息的多种尺度。

2简述了一些构成开放信息技术标准框架的数据模型标准或编码标准。OGC成员积极主动地参与制定了整合这些方法的实践范例,这些实践范例将成为智慧城市空间信息框架的一部分。

2 智慧城市信息系统设计师使用的一系列空间信息数据标准和技术标准

(二)CityGMLIndoorGML

智慧城市需要可靠权威的数据,例如二维和三维的核心参考数据、识别符号和地址信息数据、智能基础设施(智能格网和建筑信息模型)、传感器反馈数据等。智慧城市对于数据格式的开放度同样重要,如对志愿、非结构化、关联数据的开放度。这样的数据框架需要强大的数据整合平台,这个平台的一部分是由OGC城市地理标记语言(CityGML)支撑的。

有了CityGML,空间数据就变成了虚拟化城市的操作系统。利用CityGML的实践应用包括了交通的优化和能源使用效率的优化。柏林城市模型使得一系列城市服务改进措施(经济发展/投资、房地产、城市市场和实践管理等)的落实成为了可能。几十年来,城市一直利用地理信息数据和技术改善各种服务和运营水平。其中最好案例就是伦敦2012年奥运会和残奥会中对地理信息的利用。伦敦利用地理信息数据建立了路线网络,并估算了赛事对交通的影响。伦敦当局也利用了地理信息来实现安全运营的目标。

智慧城市需要能够促使数据和程序进行互操作的标准,但是这样的标准经常被忽视。落实这个标准的最好方法就是创立城市二维和三维数据模型,整合现有不同来源的地理信息数据。这样,这些数据模型就会成为城市的开放标准,成为数据集、科技用于交互的语言(如图3)。

3 作为整合平台的CityGML

CityGML的典型应用主要有:

     CityGML已经在荷兰、巴林、德国、阿布达比等国家和城市中应用。CityGML允许语义建模,也就是模型中每一个要素都包含了要素含义、结构和关系数据的建模。

     柏林三维城市模型是世界上最大的城市模型之一。它利用CityCML建立,包括了56万个详细度为2级的完整贴图建筑模型和超过200个详细度为34的模型。此城市模型是柏林经济总图和太阳能总图的基础。

     INSPIRE 建筑数据规范规定了统一的空间数据标准。INSPIRE建筑数据规范也是前文提到的噪音地图的基础。

     荷兰的全国三维标准是利用CityGML制定的。

     CityGML的其他应用正在开展:

     芬兰的全国三维模型倡议

     巴林王国的国家数据三维模型

     马来西亚的三维空间数据基础设施

     三维新加坡项目

     应用CityGMLARMLI-35W大桥垮塌模拟

     I-Scope项目

     法国里昂的CityGML模型应用

OGC 提出的IndoorGML编码标准明确了室内空间信息(尤其是应用于导航的室内空间建模信息)的可延伸标记语言(XML)架构和开放抽象数据模型。IndoorGML可以与CityGML协同合作。

IndoorGML提供了支持简易数据探索、评估、接入和数据利用的开放的标准,标准可以应用于基于室内位置的服务、室内路线分析、室内签到服务和室内空间紧急控制等领域。室内设施管理等其他类型的应用将在下一版本的IndoorGML中进行强调。

IndoorGML提供了利用单元代表内部空间(房间、走廊等)的框架。空间之间的联系和空间之间的移动限制(如门、障碍等)被定义为单元之间的关系。这个OGC标准详细定义了以下关于室内空间的信息:

     导航环境和制约因素

     空间类型的细分和空间之间的连接类型

     空间和连接的几何及语义特征

     导航网络(逻辑和测量)及其关系

(三)LandXMLInfraGML

LandXML是一种非专有的XML数据文件格式,它包含了土地利用领域和运输产业中常用的土木工程和测绘测量数据。有650个组织中的750LandXML用户支持此标准,并有70多个注册软件产品支持此标准的数据利用。

OGC土地和基础设施工作组正在开发一种新的备用标准——OGC InfraGML编码标准。这个编码标准是LandXML功能的用例驱动子集。LandInfraDWG标准2013年制定,其目标在于便于CAD土地信息和其他OGC标准的整合使用。土地领域、基础设施领域以及地理信息技术领域的用户将会从两种信息的整合中直接受益。

LandInfraDWG的最初目标之一就是更好的了解LandXML及其具体功能。LandXML-1.2包含了将近5000XML编码,覆盖了16个领域。它没有正式发布的文档、用户目录、需求定义和底层概念模型。

土地和基础设施标准工作组(LandInfraSWG)也因以上原因成立。它的首要任务是开发一种统一建模语言(UML),将其作为LandXML 1.2的概念模型,以便于:

     辅助理解LandXML 1.2的定义和功能

     根据用户需求,为未来土地标准的概念模型做基础

LandXML概念模型的逆向工程揭露了LandXML存在的一系列问题,并使其与OGC标准的差异更加明晰。修改LandXML并对其进行扩充支持新科技,将使LandXML最终产生一个非向后兼容的版本。因此,LandInfraSWG决定着手制定新的InfraGML标准。最初涉及到的领域主要包括路线、道路、测绘、地形和宗地。

(四)建立信息模型

OGC正与其他标准制定组织进行合作,以对建筑信息模型(BIM)、三维标准和地理信息标准进行汇聚融合。ISO/TC 59建筑土木工程标准、BuildingSMART以及OGC正在进行合作制定标准,作为建筑和土木工程设计以及地理信息技术的基础。

五、智慧城市的互操作服务

(一)地理信息服务的架构

智慧城市内地理信息的接入和处理是在利用开放标准的面向服务的体系结构中实现的(如图4)。

4 用于决策支持的地理信息访问和处理的OGC服务架构

(二)传感器网络和SensorThings

OGC的传感器网络(SWE)标准允许了开发者制造各种类型的传感器、换能器,以及允许建立可通过互联网发现、访问、利用的传感数据库。

OGC 的传感网络支持标准是:

观测和测量(O&M-总模型,是观测和测量的XML编码。

传感器模型语言(SensorML-标准模型,描述了传感器内部处理流程和观测处理系统的XML架构。

传感器观察服务(SOS-是获取传感器中观测数据、传感器信息、平台描述的网络服务开放界面。

传感器规划服务(SPS-是一个开放的网络服务接口,用户可以确定从多个传感器或模型中收集信息的可行性,并提交数据收集的请求。

PUCK 协议标准-定义了获取SensorML信息、传感器代码和设备其他自有信息的协议,从而允许了传感器的自动安装、配置和运行。

SWE常用数据模型-定义了在OGC SWE框架下节点间数据交换的低层数据模型。

SWE服务模型-定义了OGC SWE框架服务中常用的数据类型。

OGCSensorThings应用程序介面(API)备选标准现在还在草案拟定阶段,它将会成为物联网中重要的标准。他基于OGC复杂的SWE标准建立,但是他被设计成了相对轻量化且易于实施的标准。他继承了RESTAPIJSON编码,支持位置编码(室内/室外,移动/固定)。

(三)数据接入服务

接入业务包括了WFSWCS标准。OGC网络要素服务(WFS)标准,也就是ISO 19142标准,允许了用户利用地理标记语言(GML)等编码格式来检索和更新地理信息数据。WFS确定了地理要素数据访问和操作的接口。通过这些接口,用户客户端可以整合、使用、管理不同来源的地理数据。编码特征数据的开放标准包括GMLJSONKML等。

六、智慧城市空间信息框架的发展

(一)智慧城市空间信息架构

白皮书为智慧城市中的开放标准做出了自己的贡献。白皮书将会开展关于下一步计划的讨论。开展OGC标准项目的下一步计划:

     与其他标准制定工作组讨论智慧城市空间信息框架(如城市规划DWG和三维信息管理DWG)。

     发展智慧城市的实践案例,将白皮书作为实践案例的建议。

     制定OGC关于智慧城市的标准文件。

     与其他标准制定组织协作制定智慧城市操作标准。

(二)OGC智慧城市互操作举措-测试平台、试点等

OGC互操作项目为加速标准的制定和测试提供了一个灵活、迅速的环境。在备选信息交换标准提出的同时,OGC供应商成员正在开发企业解决方案原型。基于每个用户提供的方案,在过去15年中,OGC已经进行了80多个国际多企业研发实验。在基于开放标准将研究转换成生产力方面,OGC测试平台取得了不断的成功。

OGC互通性项目正在制定关于智慧城市的战略。有关的智慧城市活动正在OGC 11号测试平台和CityGML质量互操作试验中开展。对于特定城市的试点也正在规划阶段。

(三)    智能城市空间信息框架部署

1.建立城市模型

利用OGC CityGML简历城市环境模型是发展的第一步, CityGML模型的构建已在许多城市已经完成,OGC 正在准备一个为场馆业主设计的快速建模报告,报告主要关于利用多种信息来源建立CityGML模型的步骤和花费。

2.通用运营图

准确、及时、具有地理参考的信息对运营决策和战略决策至关重要。以前,紧急情况出现时专有数据库和软件不相容一直是一个问题。基于经验教训,政府机构要求民营部门支持开放标准,以在应急响应特殊情况时创立“通用运营图”。通过与政府和企业的合作,OGC引导着通用运营图(COP)应急架构的发展。图4给出了COP推荐的基于网络服务的服务架构。此架构已经在多个市区紧急情况中应用。图5给出了基于实践范例和开放标准的服务与接口。这种架构是基于操作系统和开发系统的。

5.COP面向服务的架构

3.休闲指标:户外休闲空间

计算城市空地的面积是一种成熟的GIS能力。达到最佳使用城市空间目标的关键是对空间具有充分的语义理解。将室内空间和室外空间一同计入城市空地也非常重要。

“人均公共户外休闲空地平方米”是ISO 37120 标准中休闲类别的13.2项指标。对于这个指标和其他相关空间的计算用CityGML模型很容易实现。休闲空地面积的计算可以通过用户对WFS数据库进行查询实现,或向WPS系统进行查询实现。

对于“空间流”的其他研究也对理解休闲空间非常重要。以下两个OGC标准也和空间流相关:

     OGC InDoorGML标准是用来进行室内空间的导航和线路规划的。其重点是了解不同模式的室内移动性下可用的空间流。

     OGC移动要素标准用来捕获空间中行人和车辆的移动。移动计算的提升和联网传感器设备(包括传感器、手机GPS转发器以及笔记本电脑)的使用使得移动要素数据方面的应用迅速提升。

对于城市环境中行人和车辆移动数据的众包对空间流研究来说是一个极好的数据来源,这种研究可以提高城市生活的质量和安全水平。

4.能源指标:可再生能源

“作为城市总能源消耗中的一部分,可再生能源占总消耗的百分比”是ISO 37120标准中能源分类的7.4项指标。

柏林太阳能图是基于柏林CityGML模型的一套操作系统。由于这个系统基于开放标准,所以在任何基于CityGML建模的城市,实施相似的计划都很容易。

开放标准是欧洲SUNSHINE城市能源优化规划中的地理信息和智能电表、整合建筑信息系统的基础。

5.环境指标:噪音污染

“噪音污染”是ISO/DIS 37120标准中环境分类中的8.7项指标。

这个指标可以利用基于OGC标准的方法评估。基于欧洲标准对噪音地图的三维可视化已经通过基于OGC CityGML标准的INSPIRE建筑模型实现。

 

6.城市经济分析

城市经济建模和高效空间规划是实现城市可持续性的重要工具。但是在实践中存在很多技术障碍,如信息孤岛、数据记载不善、缺乏软件平台加速协作等,这些问题正在挑战决策制定的有效性。为此,城市GCC依据WMSWFS,和WPS OGC标准,其中WPS作为地理信息处理服务的链式流程,以支持高效的空间决策分析和决策制定。

7.分析——城市的新科学

分析是指探索和交流数据的有效形式,尤其是关于大数据探索。由于大数据是海量结构化和非结构化数据,因此运用传统的软件方法和数据库方法非常难以处理。在智慧城市中,利用大数据技术分析处理传感器的反馈将会在很多方面发挥作用。

分析的新科学对于《城市的新科学》这本书来说是必不可少的,这本书由Michael Batty 所作,书中提到:

“要想了解城市,我们必须不能简单的把它看成空间中的一个地方,而是将其当作网络和流动的一个系统。他强调,要想理解空间,我们必须明白流动;要想了解流动,我们必须了解网络——即物体之间的关系,它构成了城市系统。Batty借鉴了复杂科学、社会物理学、城市经济学、交通运输理论、区域科学和城市地理学的理论,并立足于自己以前的研究工作,他介绍了揭示城市如何发挥作用的深层结构和理论方法。

WPS“包裹云计算的运用对于大数据分析来说已经成功了,同时,WPS包裹云计算也直接适用于城市的新科学中涉及到的分析中。

8.众包

众包和志愿地理信息系统(VGI)可以通过开放数据和制定公开标准的方式增加数据的可接入性,很多现有的众包应用成为了从传感器到浏览器之间的烟囱,没有达到开放数据的目标。运用OGC的标准才是生产真正公开数据的核心。

运用网络要素服务和传感器观测服务的结合,“人作为传感器”的概念已经在之前的OGC举措中实现,应用案例有TwitterFlickr等(图7)。

7. 整合Flickr OGC服务的OGC测试平台案例

SensorThingsOGCSWE标准扩展到了物联网环境中。SensorThings 为传感器真正无处不在的新型世界带来了强大的语义支持(图8)。

8.SensorThings标准展望

目前,有很多新项目为智能城市提供了部署好的传感器,如监测噪音和空气质量的AirCasting,以城市街区分辨尺度监测天气和空气质量的Array of Things。获得这些数据的方法之一是和这些项目合作,提供开放接口、开放数据,以从开放智慧城市中获得更广泛的效益。

9.智慧城市的开放数据

开放数据是保证公众知情权和城市官方知情权的首要驱动力。公众获取和使用数据的能力随着网络的发展一起提高。开放空间数据和很多城市的开放数据正在给人们带来新机遇,这样的机遇为集体决策提供了更好的决策建议。OGC应同开源地理信息供应商合作,如OS Geo LocationTechApache等并从Open Street Map Location Tech等利用OGC标准服务的公司,以获取公开数据。

 

 

 

 

 

 


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