省级北斗时空大数据底座的建设及应用成效

文 | 李亚平 魏国 吴凯 赵晓梅 张静 孟奇

1.中科院空天信息创新研究院 2.内蒙古自治区军民融合发展研究中心

随着“数字经济”时代的到来，数据已经成为第五大生产要素，正在逐渐形成流通和交易制度。随着北斗导航的大众化、规模化应用，北斗用户终端以及服务于北斗用户终端的信息系统所产生的海量数据是一种具有特殊意义的数据，也具有重要挖掘价值，已经被政府和行业重点关注。近年来省级北斗时空大数据底座建设被作为推动北斗产业发展和规模化应用的重要举措，正在加速推进。本文针对省级北斗时空大数据底座建设的背景、现状、关键技术、预期成效以及面临的挑战进行了初步探索研究，为未来省级北斗时空大数据底座建设提供参考。

一、省级北斗时空大数据底座建设概念与建设现状

1. 省级北斗时空大数据底座概念

时空大数据是指基于统一的时空基准（空间参照系统、时间参照系统），存在于空间与时间中，与位置直接（定位）或间接（时空分布）相关联的大规模海量数据集，由“基础地理时空数据”和“部门行业专题数据”融合而成[1]。省级北斗时空大数据底座是时空大数据平台和国家北斗大数据中心省级分中心融合的产物，主要完成以北斗导航为时空基准的省级基础地理数据和行业应用中动态要素数据的汇聚、处理、管理、共享分发，把省级各种分散的（点数据）和分割的（条数据）时空大数据汇聚到一个特定的自主可控的平台上,并使之发生持续的聚合效应。因此，省级北斗时空大数据中心底座可以定义为汇聚省级北斗连续运行参考站（CORS）站网数据、北斗用户终端数据、省级基础时空数据，利用北斗系统的导航、定位、授时、短报文四大服务，打造具备省级泛在、智能、可信的定位、导航与授时（PNT）服务能力的基础服务平台。其核心要素包括地基增强感知网、北斗大数据中心（基础设施、数据中台）、灾备中心、北斗位置服务云平台、基础地图、标准规范体系、行业示范应用共性插件(业务中台）。基于该平台所支撑的示范行业包括但是不限于智慧农业、城市管理、智能交通、政务信息化、地质灾害预警、应急指挥等。

2. 省级北斗时空大数据底座建设现状

国家“十四五”规划纲要明确指出，要“迎接数字时代，激活数据要素潜能，推进网络强国建设，加快建设数字经济、数字社会、数字政府，以数字化转型整体驱动生产方式、生活方式和治理方式变革”[2]。北斗行业用户终端、北斗手机等大众的普及应用，将产生海量的动态时空数据，时空数据的分析挖掘，能够为城市管理提供重要决策依据。省级北斗时空大数据底座的基础是国家北斗大数据中心省级分中心，北斗大数据中心的建设为北斗时空底座的构建奠定了基础。下面针对国家级、省级北斗时空数据中心建设现状进行总结。

（1）国家级北斗时空大数据中心

2013年，中国卫星导航定位应用管理中心和国家信息中心达成合作协议，共建北斗导航位置服务数据中心[3]，中心统筹利用国家信息基础设施与数据资源，构建跨层级、跨行业的北斗数据中心，推动北斗导航系统在地方经济建设中尽快发挥作用。2017年1月，国家北斗时空大数据中心开始挂牌运行。贵州、重庆、安徽等分中心也陆续挂牌。

国家北斗时空大数据中心旨在统筹国家基础信息和数据资源，向社会提供跨行业、跨层级的北斗数据。中心建设分三级，分别是国家级中心、行业及省级数据分中心、地市及以下级数据子中心。

（2）省级北斗时空大数据中心

近些年来，尤其是“东数西算”“数字经济”“推进北斗规模化应用”等国家相关支持政策的陆续发布，省级北斗分中心的推进力度开始加大。近五年媒体报道[3-5]的省级北斗分中心有6个（表1）。

表1 近五年省级北斗时空大数据中心建设情况

二、省级北斗时空大数据底座的体系架构

省级北斗时空大数据底座主要完成省级北斗时空数据的汇聚、处理、管理和分发，顶层架构设计是系统建设、安全运行的核心关键，各省份建设没有统一的模板，而且随着区域需求变化、信息技术的发展不断有新的架构出现，目前，以云安全、云计算、数据中台等为支撑的技术架构较为普及。

本文给出一种较为通用的技术架构体系，自上而下包括云基础设施、北斗大数据软件、应用支撑系统和应用系统，其中基础设施包括计算资源、存储资源、网络资源、机房安全环境、云管平台、虚拟化系统等；大数据中心的软件设计采用数据中台的设计思路，主要模块组成包括数据汇聚、专业数据处理、数据存储管理、大数据分析和数据交换分发等；应用支撑系统承上启下，将多种行业专题应用所需要的共性模型、算法进行抽象建模，封装成共性模型算法和应用服务组件库，为上层应用提供支撑；应用系统包括服务于各行业、公众服务的应用系统，为系统的应用提供支撑，服务的用户包括政府、行业、公众以及第三方企业等，如图1所示。

图1 省级北斗时空大数据底座体系架构图

三、建设省级北斗时空大数据底座的关键技术

建设一个省级北斗时空大数据底座是一个复杂的系统工程，通用的技术包括底层云计算、虚拟化、云安全等计算机领域技术，还有数据中心所涉及的海量数据汇聚、高效存储、共享分发等大数据技术，以及空间数据的处理存储等，涉及的技术很多，列举与导航/GIS学科强关联的关键技术如下。

1. 省级北斗时空大数据底座的数据体系构建

数据是省级北斗时空大数据底座建设的核心，是决定数据中心软硬件建设规模的主要因素，数据中心需要汇集的数据包括基准站原始观测数据、普通终端观测数据、北斗RDSS服务终端数据、数据采集设施的状态数据、基础地理信息数据、高分辨率遥感数据、重点区域的实景三维数据、行业应用的专题数据、引接国家信息中心的宏观经济数据、数据中心进行数据融合处理后的高精度服务产品数据，以及在此基础上进行的数据清理、治理、处理过程数据等，需要构建一个完备、合理的数据体系，以适应海量多源异构数据跨时空、多尺度汇聚与分布式存储需求。

2.多模态时空大数据的组织和可视化技术

北斗时空大数据中心需要展示北斗终端的位置态势、北斗行业应用态势和北斗服务态势等，需要在海量、高维、动态的多模态时空大数据中挖掘有价值、潜在、复杂的时空语义关联,综合感知时空大数据反映的发展态势,进行科学合理的探索推理预测，为区域北斗产业发展、北斗行业应用等政策规范的制定提供支持。而时空大数据具有多源、多粒度、多模态和时空复杂关联的特点，时空大数据可视化重点对时间与空间维度以及与之相关的信息对象属性建立可视化表征[6]，对与时间和空间密切相关的模式及规律进行展示，大数据环境下时空数据的高维性、实时性等特点是时空数据可视化的重点[7]。

3.规模化导航增强网实时处理与信息服务技术

北斗时空大数据中心汇聚的GNSS原始观测数据，在数据中心完成实时数据处理，形成高精度的服务产品，为本区域内的终端提供高精度的信息服务。省级的CORS网络分布范围依据各省区划面积不同而不同，但需要基本全省覆盖、行业全覆盖、重点区域加密建设，一般都在上百个站以上，由于信息汇聚的CORS站网数据量大，服务范围广，需要建立高效的处理与分发算法完成实时服务，大规模的GNSS网络计算成为本项目关键技术[8]。

四、省级北斗时空大数据底座的建设成效

1.建设基础环境，提高区域时空信息服务能力

省级北斗时空大数据底座，汇聚区域内分散建设的CORS基础数据，构建大数据中心的硬件基础设施，把各种分散的（点数据）和分割的（条块）时空大数据汇聚到一个平台上，形成持久的聚合效应。通过多维度数据融合、关联分析、数据挖掘，形成时空数据资源的基础环境、应用环境，提高区域时空信息服务能力。图2为内蒙古省级北斗时空大数据底座的主界面图。

图2 内蒙古省级北斗时空大数据底座的主界面图

2.引导行业应用，推进北斗产业化发展

省级北斗时空大数据底座的应用标准、应用接口、规范的发布，有利于基础信息与测绘导航信息融合共享，降低了行业、企业开发利用北斗高精度信息服务的成本，从而可以降低北斗产业的进入门槛，促进区域北斗规模化应用，推进北斗产业化发展。图3为基于位置云平台的矿山边坡、公路安全监测行业示范系统。

图3 基于位置云平台的矿山边坡、公路安全监测行业示范系统

3.赋能数字经济，拓展时空大数据应用市场

数字经济时代，数据被列为第五大生产要素，时空数据是数据资源体系的核心，现实生活中80%的数据与时间或空间相关。时空数据具有大数据典型特征，海量多源数据的高效准确处理技术挑战较大。北斗导航、测绘遥感、地理信息等组成的时空信息服务，可充分发挥时空大数据在推动数字经济高质量发展中的基础性、先行性作用。图4为省级北斗时空大数据底座的数据资产管理系统。

图4 省级北斗时空大数据底座的数据资产管理系统

五、建设省级北斗时空大数据底座面临的挑战

1.数据来源与共享服务的合理管控问题

省级北斗时空大数据底座的建设，需要汇集来自不同行业领域的北斗时空位置数据，同时需要为政府、行业、公众提供共享分发服务，为第三方企业用户提供有偿服务，随着北斗导航应用的规模化、普及化，数据来源日益多样化，如何利用先进的技术手段、规范体系来保障数据来源的合理性、规范性、持续性，同时能保证数据去向的可追溯性、共享渠道的安全性等，是省级北斗大数据底座建设面临的重要挑战。

2.时空信息的安全保障问题

省级北斗时空大数据底座所承载的北斗位置服务数据、行业应用数据以及基础的北斗CORS网数据，都是信息安全领域重点关注的问题，基于位置的服务已经深度融入公众生活，时空信息的大数据挖掘也成为个人信息泄露的重要渠道，区别北斗时空底座承载了大量个人、行业、政府的动态位置信息，所以，时空信息的安全保障问题是区域北斗大数据时空底座建设的重要挑战。

3.大数据平台的运营维护问题

省级北斗时空大数据底座的建设属于系统工程，投资规模都在千万级以上，具备很大的经济效益和社会效益，但是，后续需要有持续可靠的运营维护方案，保障有偿经营类收入能够抵扣公益服务类以及平台本身升级改造的成本，实现平台本身具备自我造血和持续发展的能力，让平台持续发挥其整体服务效能，是目前面临的一大挑战。

六、小结

面向各种挑战问题，在省级北斗时空大数据底座的建设过程中，各中心也探索出了不同的措施进行应对，包括依托当地通信运营商的运营网络渠道保障汇聚数据的来源与合理管控，依托省级政务中心的硬件基础资源和大数据中心资源保障安全，与大型国企用户、运营商、行业用户等共建共营、共同推进保障运营运维。省级北斗时空大数据底座作为推进北斗规模化、大众化应用的具体措施，将会在推动数字经济、带动产业等领域发挥重要作用。