城市地下空间资源信息共享研究

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摘要：本文在介绍城市地下空间信息共享发展需求的基础上，认为传统的信息资源建设往往只强调数据资源或网络系统，缺乏对软环境-政策法规的系统研究。数据资源、政策法规和信息网络是信息共享体系的有机组成部分，三者缺一不可。提出了城市地下空间资源共享的架构体系，认为系统应该分为两个层次，首先面向决策支持，其次是面向公众服务。指出了系统内容不仅是服务体系，还是技术体系，包括系统的语义交换机制、数据字典和分布式数据分析等。最后结合北京CBD实例简单阐述了信息共享系统的建设。 关键词：电子政务 信息共享 城市地下空间资源 数字城市 Abstract：Based on analysis to the developing necessity of city underground spatial information sharing, the opinion is put forward that the sharing system cannot be emphasize either on the data resource or on the network system, however the policy, law and standard system should be established together. The three resources construct the information sharing system of city underground. The structure of the city underground information sharing is set up based on the utilization of the existed governmental network. The structure of the system divides into two layers; one orients the policy-decided support, other for common service. The contents of this system are specified that it not only the service system, but also the technique system, such as semantic exchange, data dictionary, distributed data analysis and so on. Also, these techniques are the key issues to establish the information sharing system. Finally, combined with the example of the Beijing CBD, the establishment of the sharing system is explained simply. 1. 研究背景 随着城市化进程的加快，城市人口急剧膨胀，城市规模不断扩大，人们不得不重视日益严重的城市问题[1]。由于城市地下空间开发具有工程的隐蔽性、地质条件的复杂多变性和岩土体性质的不准确性，为此有关学者提出建立城市三维地质信息系统，实现对城市地质信息输入、数据库管理和三维地质数据可视化分析功能[2]。但是，单一的信息系统无法实现对城市地下空间信息整体融合和处理。因此需要明确城市地下空间信息内容，建立信息共享机制和框架体系。对现有地下空间资源的评估、开发、规划，实现多部门数据的融合信息资源共享，为整个地下空间资源的开发提供信息保障。 “我们拥有大量的数据，却拥有较少的信息”[3]，因为现有的城市地下空间信息资料分散在各个部门和行业里，各部门根据自己的实际需求建立行业数据库，如纽约为了支持实现安全协作和信息共享，由纽约环境保护署进行了城市地下地图绘制工作[4]；行业性质的3DGIS支持下的城市三维地质数据管理与服务系统[5]。城市空间数据基础设施是数字城市的建设的基础，传统的数据基础设施建设侧重于地面的空间信息内容，忽略了地下空间的数据内容。随着城市地下空间的开发，城市地下空间数据基础设施建设也日益受到重视，堪萨斯州为了预防地下灾害，促进城市、县和州的信息共享专门成立一个系统[6]。城市地下空间数据基础设施建设的重点是实现城市地下空间信息共享机制。 2. 城市地下空间信息资源 传统的信息系统或信息共享机制的建设片面强调数据库的开发、信息系统网络的建设，缺乏将二者的统一，尤其是忽略了系统软环境建设，即保障系统正常运行、责权利明晰的政策法规系统建设。笔者认为，完整的信息共享系统由三部分组成：数据资源、政策法规和规章制度以及网络系统环境。 城市地下空间开发是城市整体建设不可分割的重要一环，它直接影响着地表的规划、建设、开发等活动；反之，地表的活动也制约着地下空间的开发。因此，城市地下空间信息资源是数字城市空间信息基础设施的重要组成部分，是不可或缺的。城市地下空间信息资源首先是数据资源，主要指地表以下各类空间数据资源，地下空间数据资源与相关的地表数据资源之间互为补充、成为整体。 城市地下数据资源主要包括钻孔数据、地球物理勘探、地球化学数据、地下水文数据，还包括城市地下管网数据、地下工程数据、城市人防工程数据。相关的地表数据资源主要包括地面地质调查数据、地面高程数据、地形测量数据、地籍数据、遥感数据、交通道路、地表水系资料、地面文物古物分布资料等等。这些数据资源几乎涵盖了国计民生的各个部门。但对于城市地下空间信息资源共享这一目标，无疑所涉及的数据资源十分庞大。 此外，城市地下空间信息资源还包括相应的政策法规或规范标准，这是实现地下空间信息数据共享的政策保障和技术保障，也是城市地下空间信息共享建设的重要组成部分。城市地下空间数据来源于各个行业和部门，这些行业和部门均有自己法定的或约定俗成的行业标准或规范。尽管这些标准或规范保障了相应行业的信息共享和交流，却成为行业间的信息共享障碍。解决该问题，势必需要推动各部门建立相应的行业元数据规范，统一城市地下空间信息资源的描述规范；建设城市地下空间信息资源本体、信息资源分类与编码标准、目录组织与访问技术标准、信息资源交换标准和协议[7]。其中，城市地下空间信息资源的分类和编码体系需要与国际标准信息分类体系的兼容。 城市地下空间信息资源涉及许多重要的部门和行业数据资源。对于数据安全的分类和管理以及相应的服务分级需要建立科学、安全的标准或协议，以指导和规范信息服务。数据资源可以粗略地分为三级：1）一级数据包括涉及国家安全的数据，如不同级别的大地测量基准点数据、地球重力场数据、重要的人防工程数据等，以及有关的原始数据资料，该级数据可以根据用户的级别和目的参照相应的国家安全规范进行共享、操作与利用；2）二级数据主要指经过数据加工、处理，面向公众和生产单位的数据，该级数据属于有偿数据，需要用户支付一定的费用；3）三级数据主要指面向公众的免费数据，无偿提供用户下载。三级数据之间没有明确的界限，各级数据的级别可以根据国家、部门的要求而调整。但是，三级数据标准的划分和制定以及服务规范应该有严格的法律法规作为保障。 城市地下空间信息资源还应包括现有的网络系统资源。各部门根据自身数字化建设的需要，采用不同的数据库系统建立了各种数据库资源。但信息资源数据是呈离散式分布的，缺乏相应的整合与管理，多处在无序或重复状态中。因此，整合政府部门现有的数据资源，管理和保护这些宝贵的信息数据，并保证这些信息数据的完整性、准确性、实时性和可访问性是信息共享建设的核心问题[7]。这些系统资源可以采用分布式管理模式，建立信息资源的联合目录、元数据转换协议、访问权限协议等，对分布式的信息资源进行统一导航、检索和定位。对资源调度和知识产权管理按照一定的标准协议进行。这就需要独立于各部门之外建立协调、管理、集中发布这些信息资源的中心机构和服务系统。从而形成一个由中心节点、分节点、数据生产者、数据用户所构成的分层分级体系。 3. 信息共享的体系结构 城市地下空间资源信息共享体系应拥有可扩展的体系构架，其目的是充分利用、整合现有的信息系统资源，另一方面支持新应用节点和服务节点的加入。目前，城市地下空间信息资源内容丰富，处理手段日趋电子化，并且已经形成纵横交错的信息传输通道。 图1 城市地下空间资源信息共享体系结构 Fig. 1 Structure of the city underground information sharing 中心节点 节点1 节点2 节点3 节点4 节点n Oracle Foxpro ACESS dBase 联机检索 SQL Server 权限协议 动态交换 图形申请 数据申请 公众查询 免费下载 SQL 外部信息检索 面向公众服务 内部数据交换 面向决策支持 实时更新 该体系结构设立一个中心节点，连接体系的两个端点，一是数据服务提供方，另一个是数据用户，如图1所示。连接各个数据节点，通过各种协议和标准实现节点间的联机检索、动态交换，达到部门之间数据资源共享和资源整合的目的。同时也是系统为各类用户访问所有信息资源的入口，用户在中心合法注册并申请相应的数据服务。分节点的信息资源由各节点负责管理、维护和更新。各节点显然是“异构”结构，所谓的异构是指应用系统除应用功能不同外，在硬件平台、操作系统与网络平台和数据库平台等方面的不同[8]。如图1，各个节点采用的数据库平台可以是多种多样的，如Dbase 、Foxpro、Access、SQL Server、Oracle等。因此，城市地下空间信息共享体系应该支持这种异构、异型、异地的数据交换和访问。 共享体系向用户提供公众查询、法规服务、用户认证、免费下载、数据申请、图形申请、数据验证等服务。该体系不仅提供数据本身的服务，还鼓励和帮助更多用户享有数据服务，支持用户发布自己所拥有的信息资源，促进和刺激更大规模的信息集成及其市场发育。 系统架构充分利用现有的网络系统资源，以政府骨干网为网络基础设施，同时构建连接各部门的局域网，实现信息资源整合和共享的核心数据交换网。数据交换与共享服务是城市地下空间信息共享的核心业务，主要面向政府、生产部门，支持决策服务，属于体系的第一层次；面向公众的应用服务属于体系的第二层次。 总的来说，城市地下空间信息共享体系的系统架构分为内外两层。内层是个部门构成的局域网，实现数据内部的交换和共享，直接面向决策支持，网络的保密性较高、专业性强。也就是体系的第一层次。外层网络是依托公众网，面向大众服务，信息内容可以查询和下载，即体系的第二层次。 4. 信息共享的体系内容 城市地下空间信息共享体系不仅是一个应用服务体系，还是一个技术体系。各行业关心的侧重有所不同，对同一事物的命名机制不同，造成了信息资源的多语义，不利于信息的检索、集成和共享。信息资源共享首先建立一个统一的语义指标体系，实现信息资源内在关联，提供一种语义的表达和转换机制，使得具有不同应用背景的系统和用户能够方便地交换空间数据而不会造成语义上的误解和损失[9]，方便信息资源检索、定位和共享。 建立一个分布的、可扩展的、可集成的、可交换的具有统一规范标准的数据字典，对各类地下空间资源进行组织和管理，以统一的术语、分类规则和编码方式对其进行分类描述和引用，促进异质异构的信息资源的共享、集成、整合和互操作。 图2 北京CBD城市地下空间数据共享框架 Fig.2 Sharing framework of the Beijing CBD city underground spatial data 城市地下空间数据共享体系不仅支持数据的分布式存储，还需要支持分布式分析。城市地下空间数据是典型的海量数据集，数据分析需要大量的数据支持。海量数据的网络传输不仅占用了大量的网络系统资源，而且还可能造成网络阻塞。GIS组件可以跨平台、网络、应用程序运行，支持重用和互操作，占用网络资源少[10]。它可以根据客户端的需求，通过网络传输按用户要求动态合成应用软件，并使其在客户机上运行。这种函数库式服务器理论和技术还需进一步研究。 5. 信息共享的体系建设:以北京市CBD为例 北京市长期的地质和工程生产活动积累了丰富的地下空间数据资料，而且北京市经济的快速发展迫切需要开发地下空间资源缓解城市发展压力，亟需建设地下空间信息共享体系，尤其是北京CBD区的地下空间信息共享体系。北京CBD城市地下空间信息共享应包括基础地理数据库、地层数据库、城市规划数据库和人防工程数据库4大部分组成，如图2所示。这4大信息群以北京CBD数据交换中心为基础，实现数据的集成、动态交换和联机检索，支持城市地下工程辅助设计、城市地下景观数值模拟和城市地下空间资源分析。 北京CBD城市地下空间信息共享体系建设将主要依托现有的国家基础地理数据库、地质钻孔数据库、城市规划数据信息、人防工程数据资料中心，完善各数据中心的数据资料。以国家主干网为信息网络骨架连接个部门的数据中心，并建设CBD数据交换中心以实现各数据的联机检索、信息过滤和交换。建设联系各资料中心的联合目录和元数据库，实现各数据库的联机检索，达到数据集成和共享的目的。虽然到目前为止，还无法实现各数据库之间的联机分析以及数据整体的动态更新，但面向决策支持的信息共享体系已能满足实际决策的需要，依托现有的网络信息系统资源和技术能够实现。北京CBD城市地下空间数据共享建设属于决策支持的第一层次，主要面向城市规划、工程设计、建筑施工等具体的生产决策部门，支持现代北京的城市基础建设的健康发展和城市总体发展规划，以及城市地下空间的科学开发利用。 6. 结语 城市地下空间信息共享是为了打破行业、部门对信息的垄断、分割和无序的状态，实现城市多源信息的集成和综合利用。完善各种法律法规是信息共享的保障，信息系统平台建设、信息交换机制和管理技术是信息共享的关键，各种信息资源数据库体系的建立是信息共享的基础，面向决策支持和公众信息服务是信息共享的目的。这些环节紧紧相扣，构成一个有机的整体。 城市地下空间信息共享体系的建立首先是面向决策支持的信息共享，强调为政府部门和生产建设单位服务。虽然一些信息共享和网络技术还有待于进一步研究，如基于组件的函数库式软件组合理论和技术，但无论从业务需求还是技术需求都势在必行，而且完全可以依托现有的信息共享和网络理论与技术实现。