空間計(jì)算涵蓋諸多內(nèi)容，從概念、應(yīng)對(duì)措施、工具、技術(shù)到系統(tǒng)，這些東西讓我們對(duì)“位置”有了新的理解，極大地改變了我們的生活。新的變化包括：我們?cè)撊绾卫斫庾约号c位置信息之間的關(guān)系，如何溝通并可視化位置信息，以及如何使用導(dǎo)航功能。通過無處不在的全球定位系統(tǒng)(GPS)，無論是在國(guó)家公園里的徒步旅行者、湖面上的蕩舟者、到了新地方的孩子們、計(jì)程車(或Uber司機(jī)、自動(dòng)駕駛汽車)，還是無人飛機(jī)，都能對(duì)自己所在的位置、附近的設(shè)施以及去往名勝古跡的路線了如指掌?！　?/p>

　　要點(diǎn)概括

　　隨著民用GPS的普及，通過諸如谷歌地圖、Uber服務(wù)、地理位置標(biāo)簽、地域指向性服務(wù)等定位服務(wù)，空間計(jì)算極大地豐富了民眾的生活;

　　空間數(shù)據(jù)庫、空間統(tǒng)計(jì)、空間數(shù)據(jù)挖掘之類的概念，讓計(jì)算機(jī)科學(xué)得到進(jìn)一步增強(qiáng);

　　未來機(jī)會(huì)無限：通過無處不在的室內(nèi)定位服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)定位、全球持續(xù)監(jiān)控、可視化、預(yù)測(cè)及警報(bào)，像氣候變更，食物、能量、水源的提供等社會(huì)化問題都會(huì)得到解決。

　　大型公司通過空間計(jì)算來執(zhí)行選址、跟蹤資產(chǎn)、管理設(shè)施、導(dǎo)航與管理物流;科學(xué)家使用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS(比如全球定位系統(tǒng)GPS)來跟蹤瀕危物種，更好地了解動(dòng)物行為;農(nóng)民使用這種技術(shù)增加作物產(chǎn)量，降低開銷;學(xué)生通過虛擬地球儀(比如谷歌地球、NASA地球放大鏡)以積極參與的互動(dòng)方式了解周邊區(qū)域乃至全球。近來在自然災(zāi)難(比如2012年的桑迪颶風(fēng))發(fā)生后，有成千上萬的人訪問谷歌地球，協(xié)助災(zāi)后重建。2010年海地地震后，多虧了志愿者及時(shí)提交的當(dāng)?shù)匦畔?，相關(guān)人士才能制出災(zāi)后路線圖。

　　未來十年，空間計(jì)算還將帶來一系列變革。比如，在搜索路線時(shí)一般會(huì)選擇在時(shí)間或距離上最短的那條，不過有公司在測(cè)試新的方式：環(huán)境路線選擇——選擇耗油量最低、尾氣釋放最少的方案。目前，回避左轉(zhuǎn)的智能路徑選擇讓快遞公司UPS每年節(jié)省超過300萬加侖的燃油，如果環(huán)境路線選擇方案可用的話，帶來的影響必然是量以倍計(jì)的。

　　隨著移動(dòng)電話的普及，世界各類信息的匯集成為了可能。有研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)移動(dòng)電話所內(nèi)置的運(yùn)動(dòng)傳感器，在地震發(fā)生的幾秒內(nèi)就能探測(cè)到相關(guān)信息。而導(dǎo)航公司也越來越多地通過移動(dòng)電話來記錄道路上的交通狀況。人們通過信息化基架協(xié)助對(duì)地球這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的理解，這類的需求也越來越大。

　　技術(shù)進(jìn)步極大地降低了人們從實(shí)地、從實(shí)驗(yàn)室以及從模擬地球系統(tǒng)中收集數(shù)據(jù)的難度，不但使得地學(xué)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)指數(shù)式增長(zhǎng)，還顯著提高了我們對(duì)地球系統(tǒng)模型中多元化現(xiàn)象的適應(yīng)能力。對(duì)于我們理解地球的變化，理解物理學(xué)、生物學(xué)、社會(huì)學(xué)來說，這種進(jìn)步可能是至關(guān)重要的。

　　近十年來，特別是在地理環(huán)境領(lǐng)域，空間計(jì)算方面的工作已經(jīng)非常廣泛，由于涉及了大規(guī)模的跨學(xué)科交流，其深度及廣度單用一篇文章是難以描述的。本文有兩個(gè)目標(biāo)：一是分享我們基于2012計(jì)算社區(qū)聯(lián)盟研討會(huì)的討論結(jié)果;二是開啟新一輪討論：拓展規(guī)模后的計(jì)算聯(lián)盟在這個(gè)跨學(xué)科領(lǐng)域?qū)缪菔裁唇巧?。下面將?huì)通過幾個(gè)研討會(huì)上例子進(jìn)行描述，它們彼此間不分次序，也不是全面的。最后我們提倡對(duì)跨學(xué)科領(lǐng)域提供支持，不限于本文案例中的那些。下面將用數(shù)據(jù)來進(jìn)行說明。

　　革命性的成果

　　空間計(jì)算最初是為了對(duì)地圖及其他地理數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，其影響集中在高度專業(yè)化的學(xué)科領(lǐng)域(表一)。從那時(shí)起，空間計(jì)算技術(shù)的一系列變革已經(jīng)深深地融入人類社會(huì)，協(xié)助我們回答各種各樣的問題。下面將簡(jiǎn)單描述幾個(gè)應(yīng)用程序，還有影響重大而深遠(yuǎn)的研究成果?！　?/p>

　　表一

　　全球定位系統(tǒng)(GPS)：我在地表什么地方?在18世紀(jì)，“經(jīng)度問題”是科學(xué)領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)的問題之一。由于無法測(cè)量經(jīng)度，在大航海時(shí)代，水手們一旦看不到地平線，也就意味著迷失方向。最終，人們靠著羅盤、地圖、星座還有航海經(jīng)線儀(一種計(jì)時(shí)器)，即使身處沒有地標(biāo)的大海，也能進(jìn)行粗略定位了。隨著1978年GPS發(fā)布并隨后民用化以來，如今我們已經(jīng)可以進(jìn)行快速精確定位了。

　　GPS是GNSS的案例之一，只要在4顆及以上的導(dǎo)航衛(wèi)星覆蓋下，我們就能獲得位置與時(shí)間信息?；贕NSS的精確計(jì)時(shí)簡(jiǎn)化了人們的日常活動(dòng)(比如電腦時(shí)鐘同步)、監(jiān)控移動(dòng)對(duì)象的地理分布式傳感網(wǎng)絡(luò)(導(dǎo)彈、飛機(jī)、車輛與地殼構(gòu)造板塊)以及電力分配網(wǎng)絡(luò)。

　　有了這種定位能力，向終端用戶提供基于位置的服務(wù)成為可能(比如逐向道路導(dǎo)航系統(tǒng)、本地搜索、地理位置解析)?，F(xiàn)如今，GNSS以及相關(guān)基于位置的服務(wù)已廣泛應(yīng)用在商業(yè)、科學(xué)、追蹤與監(jiān)控領(lǐng)域。由于價(jià)格低廉的超大規(guī)模集成電路可以輕松集成到手機(jī)與平板電腦中，GPS系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用成為可能。

　　遙感：陸地表面哪里有森林植被覆蓋?在最近幾十年中，隨著氣候變化、城鎮(zhèn)化與人口增長(zhǎng)，森林的覆蓋情況有什么變化?之前，這些都需要實(shí)地測(cè)量才能得知，不但需要耗費(fèi)大量勞動(dòng)力，覆蓋區(qū)域也很有限。但現(xiàn)在，通過遙感衛(wèi)星便可在全球范圍內(nèi)監(jiān)控陸地覆蓋的變化情況。此外，通過專業(yè)工具還能感知地下資源。由于數(shù)據(jù)量巨大，計(jì)算科技在遙感數(shù)據(jù)集的存儲(chǔ)、查詢和分析方面都非常重要。同時(shí)，這些數(shù)據(jù)集也激發(fā)了像谷歌地球引擎這樣的計(jì)算創(chuàng)新。

　　地理信息系統(tǒng)(GIS)：哪些國(guó)家在朝鮮導(dǎo)彈的射程范圍內(nèi)?圖一是一個(gè)著名案例，顯示了在平面地圖上使用球面距離所導(dǎo)致的距離信息計(jì)算錯(cuò)誤，這種錯(cuò)誤在缺乏GIS輔助球面測(cè)量的情況下很容易出現(xiàn)。GIS能夠解讀常見地理數(shù)據(jù)來源所使用的大量地圖投影，協(xié)助融合不同來源的地圖數(shù)據(jù)。但由于地球并非完美的球形，GIS也能解讀更準(zhǔn)確的表現(xiàn)方式，包括橢球體和使用陸基大地參考點(diǎn)定位的非參數(shù)表現(xiàn)方式。

　　GIS還會(huì)對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲、存儲(chǔ)、分析、管理及可視化;例如，在飛機(jī)上的地球地圖就是以曲面表現(xiàn)的。盡管在很大程度上，地圖投影仍保有拓?fù)涮匦裕贿^其保留的度量屬性(比如距離與面積)要取決于所使用的投影。GIS有許多獨(dú)特的功能，比如制圖學(xué)、大地測(cè)量學(xué)數(shù)據(jù)和地圖層等;在與幾何學(xué)融合之后，也能用在空間查詢與統(tǒng)計(jì)分析方面，下面兩段將會(huì)有更深入的描述。算法進(jìn)步(如平面掃描算法)與數(shù)據(jù)架構(gòu)(如地圖渲染和地圖疊加相關(guān)的不規(guī)則三角網(wǎng)格)將會(huì)極大地帶動(dòng)GIS發(fā)展。　　

　　圖一

　　空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：通過斯隆數(shù)字化巡天系統(tǒng)，類星體星系對(duì)可以在30弧秒內(nèi)發(fā)現(xiàn)對(duì)方。在全球變暖引發(fā)的海平面上漲、暴風(fēng)雨驟降與春雪消融等極端氣候面前，最有可能被洪水淹沒的房子在哪兒?在空間數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)前，由于2D空間數(shù)據(jù)與1D數(shù)據(jù)類型，再加上傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)使用的索引之間不匹配，這樣的空間查詢需要耗費(fèi)長(zhǎng)時(shí)間的計(jì)算，并引入巨大的編程工作量。此外對(duì)于多級(jí)查詢來說，單純的空間數(shù)據(jù)類型集合是不夠的，因?yàn)槟承┎樵兊慕Y(jié)果(比如不相交多邊形的集合)無法自然表達(dá)為點(diǎn)、線與多邊形。

　　為了直觀顯示，同時(shí)有效回答多級(jí)并行空間查詢的問題，空間數(shù)據(jù)庫(如Oracle Spatial and PostGIS)引入了空間數(shù)據(jù)類型(比如OGIS的簡(jiǎn)單功能)、計(jì)算(內(nèi)部與距離)、空間數(shù)據(jù)架構(gòu)(比如R-tree和泰森多邊形)和算法(比如最短路徑、最近鄰還有范圍查詢)。編程工作量的減少使得代碼更緊致，響應(yīng)時(shí)間更迅速。

　　空間統(tǒng)計(jì)：硅片哪處區(qū)域的缺陷會(huì)異常高度集中?最近是否有疾病爆發(fā)，爆發(fā)區(qū)域在何處?在1854年，斯諾醫(yī)生在倫敦地圖上手工繪制寬街水泵附近的霍亂爆發(fā)熱點(diǎn)(圖2a)，就算是針對(duì)小區(qū)域內(nèi)單一種類疾病的分析也花了若干天。如今，公共衛(wèi)生機(jī)構(gòu)通過旨在發(fā)現(xiàn)疫情與熱點(diǎn)的(如掃描統(tǒng)計(jì))空間統(tǒng)計(jì)測(cè)試，就可以在大范圍內(nèi)監(jiān)控傳染病評(píng)分(圖2b)，并將這些事件與自然變化區(qū)分開來。

　　空間統(tǒng)計(jì)技術(shù)也常用于公共安全(如高犯罪地域)、超大型積體電路設(shè)計(jì)(如找出硅片缺陷集中區(qū)域)、天氣預(yù)報(bào)(比如數(shù)據(jù)同化)、交通運(yùn)輸(比如事故多發(fā)地段)、礦業(yè)(比如克里金方法)、公共衛(wèi)生(如癌癥群體檢測(cè))以及農(nóng)業(yè)(比如為農(nóng)業(yè)普查中的精細(xì)農(nóng)業(yè)與抽樣設(shè)計(jì)設(shè)置管理區(qū)域)等領(lǐng)域。

　　在將傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)模型(如線性回歸、皮爾森相關(guān)系數(shù))應(yīng)用到地理數(shù)據(jù)方面時(shí)，空間統(tǒng)計(jì)理論(如點(diǎn)過程、空間自相關(guān)、地址統(tǒng)計(jì)學(xué))解決了獨(dú)特的挑戰(zhàn)(比如違反獨(dú)立同分布假設(shè))。盡管空間統(tǒng)計(jì)技術(shù)比傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)技術(shù)在計(jì)算與數(shù)據(jù)量上都要高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，不過近幾十年來，計(jì)算與數(shù)據(jù)技術(shù)也在逐漸趨向低價(jià)高性能，如傳感器、空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)還有GIS，從而推動(dòng)空間統(tǒng)計(jì)方式的采用率?！　?/p>

　　圖二

　　最近的改變

　　在20世紀(jì)末，大多數(shù)的地圖都是由政府機(jī)構(gòu)或測(cè)繪公司中的少數(shù)精英繪制出來的。美國(guó)國(guó)防部或石油勘探公司這樣的機(jī)構(gòu)，使用高度專業(yè)化的軟件(Esri ArcGIS與Oracle Spatial之類)來編輯分析地理信息。表2中總結(jié)了一些空間計(jì)算領(lǐng)域的進(jìn)展，這些技術(shù)顯著改善了這種狀況。在移動(dòng)電話普及，接入互聯(lián)網(wǎng)的用戶上漲到數(shù)十億后，全球幾乎都在使用空間技術(shù)。先驅(qū)者的成功提升了人們對(duì)空間技術(shù)的期待。同時(shí)，人們對(duì)位置信息數(shù)據(jù)濫用的擔(dān)心也在逐漸增長(zhǎng)?！　?/p>

　　表二

　　使用基于位置的服務(wù)和地圖更新服務(wù)的人口多達(dá)數(shù)十億：隨著基于網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)、移動(dòng)電話、智能手表、民用GPS設(shè)備以及基于位置的社交媒體的成長(zhǎng)，基于位置的服務(wù)以及互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)也隨之成長(zhǎng)，將地理信息系統(tǒng)帶到大眾視野中。使用移動(dòng)電話、民用GPS設(shè)備與服務(wù)的人口多達(dá)數(shù)十億。Uber、Waze、Google Maps、Facebook簽到，以及其他基于位置的社交媒體在全球范圍內(nèi)也有超過10億人使用。

　　提供地圖數(shù)據(jù)的功能多達(dá)數(shù)十億種，能觀測(cè)到的現(xiàn)象很多：越來越多的智能手機(jī)用戶也在自愿或被動(dòng)地貢獻(xiàn)著自己的地理位置信息，直接造成了各類空間數(shù)據(jù)的分布范圍更廣、數(shù)量更多。由于3D地圖的傳感器越來越豐富，人們現(xiàn)在所能觀察到的現(xiàn)象也越來越多，地圖分辨率也在逐漸提升。

　　多個(gè)定位平臺(tái)：以往來講，空間計(jì)算支持要受到應(yīng)用軟件層面(比如 ArcGIS)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(比如谷歌地圖和地圖查詢)、數(shù)據(jù)庫管理(比如SQL3/OGIS)等諸多限制。近十年來，對(duì)空間計(jì)算的支持在某些級(jí)別的計(jì)算堆棧中有所體現(xiàn)，包括HTML5、社交媒體簽到、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第六版與開放位置服務(wù)等。

　　由于潛力與風(fēng)險(xiǎn)巨大，預(yù)期也有所提升：基于位置的服務(wù)、導(dǎo)航輔助與交互式地圖可以說是已經(jīng)超出了用戶的期望，其直觀與易于使用的特性贏得了良好的聲譽(yù)?？臻g計(jì)算在各方面潛力明顯，包括減少溫室氣體排放、加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全、提高消費(fèi)者信心與解決很多其他社會(huì)問題上。然而，空間計(jì)算科技的大獲成功也引發(fā)了用戶的警戒心理：位置隱私的隱患必須得到解決，否則公眾對(duì)于位置服務(wù)的信心會(huì)逐漸減退。

　　短期機(jī)遇

　　上面提到的這些變化影響極為深遠(yuǎn)，不但凸顯出空間計(jì)算研究方面的新興渠道，也帶來了許多激動(dòng)人心的新機(jī)遇。

　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)豐富了我們對(duì)真實(shí)世界的感知，通過在空間中疊加虛擬圖像，影響人們的視覺，從而傳達(dá)該地點(diǎn)或物體在過去、現(xiàn)在與未來的信息，如圖三和圖四。這種技術(shù)已經(jīng)用在飛機(jī)座艙的平視顯示器上，也逐漸成為智能手機(jī)應(yīng)用受歡迎的功能。這種技術(shù)雖然很輕量級(jí)卻功能強(qiáng)大，隨著其普及，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將在醫(yī)學(xué)、建筑、旅游、商業(yè)、工程、城市規(guī)劃、組裝維護(hù)以及日常生活智能化領(lǐng)域扮演更重要的角色。

　　空間計(jì)算研究領(lǐng)域所面臨的新挑戰(zhàn)是如何創(chuàng)造新算法，以及如何將其與云技術(shù)、全3D定位、人機(jī)位置估算等技術(shù)相結(jié)合。想要影響人類的所有感官(比如視覺、聽覺、觸覺)與控制能力(手、眼、腿等)，實(shí)現(xiàn)在多個(gè)任務(wù)中與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)交互，需要怎樣接入?如何以充分的自由度通過技術(shù)捕捉人體，并在虛擬空間中表示出來?　　

　　圖三　　

　　圖四

　　空間預(yù)測(cè)分析：隨著過去十年來，空間統(tǒng)計(jì)以及空間數(shù)據(jù)挖掘方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，人們能夠更精準(zhǔn)、更及時(shí)地預(yù)測(cè)颶風(fēng)的路徑、疾病的傳播、交通堵塞情況等。由于空間自相關(guān)性、非平穩(wěn)性與邊緣效應(yīng)，這些問題在傳統(tǒng)預(yù)測(cè)中難以解決。

　　在進(jìn)行針對(duì)大范圍事件進(jìn)行時(shí)間與空間預(yù)測(cè)時(shí)，包括腫瘤的生長(zhǎng)趨勢(shì)、飛機(jī)機(jī)翼或道路橋梁的裂紋擴(kuò)散趨勢(shì)等，空間模型價(jià)值重大。這一研究領(lǐng)域所需要回答的問題包括：如何將機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)拓展到這一領(lǐng)域，解決存在于時(shí)間與空間上的自相關(guān)性、非平穩(wěn)性、多相性與多尺度的挑戰(zhàn)?如何挖掘頻繁出現(xiàn)的時(shí)間與空間模式?

　　利用位置信息輔助系統(tǒng)、車隊(duì)與人群：未來必然會(huì)通過定位設(shè)備，將互聯(lián)網(wǎng)上升到萬物互聯(lián)，讓固定基礎(chǔ)設(shè)施與移動(dòng)對(duì)象(車輛行人等)之間的互聯(lián)成為可能，協(xié)助改善交通狀況，比如在2013年4月洛杉磯將所有4500盞交通信號(hào)燈互相連接起來，以改善高峰時(shí)間的交通狀況。通過信息來源增加，信息不再掌握在少數(shù)人手中，司機(jī)、智能汽車還有基礎(chǔ)設(shè)施都可能在減少擁堵、快速疏散、增強(qiáng)安全性諸方面起到作用。這種合作模式對(duì)“信任”提出了挑戰(zhàn)：即要通過一群人來獲得資源，進(jìn)行計(jì)算和決策，如何確保這些在地理位置上極其分散的人群以值得信任的方式互相協(xié)作?

　　將空間計(jì)算搬到室內(nèi)、水下與地下：盡管在很大程度上，GPS信號(hào)在室內(nèi)是不可用的，但人類在室內(nèi)的時(shí)間多達(dá)80%到90%。基于位置的服務(wù)(比如路線導(dǎo)航)目前只占到了人們?nèi)粘r(shí)間的10%到20%。

　　但隨著室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展尋路與導(dǎo)航功能(可用在大型機(jī)場(chǎng)與醫(yī)院中)，人們對(duì)21世紀(jì)的新期望是GPS在任何情況下可用，無論通過手機(jī)信號(hào)發(fā)射塔、WIFI發(fā)射器還是其他室內(nèi)設(shè)備，從而使人們能夠利用室內(nèi)與地下定位(如礦山、隧道)。關(guān)于室內(nèi)定位有一些新的研究問題，包括：哪種可擴(kuò)展算法能夠通過CAD圖紙為室內(nèi)空間創(chuàng)建導(dǎo)航地圖?如果這個(gè)建筑沒有CAD圖紙呢?在GPS信號(hào)衰減甚至不可用時(shí)，我們?nèi)绾芜M(jìn)行可靠的室內(nèi)定位服務(wù)?

　　長(zhǎng)期研究需求

　　空間計(jì)算為社會(huì)提供了巨大的價(jià)值，不過在斬獲成功的同時(shí)也帶來了巨大的挑戰(zhàn)。想要解決這些挑戰(zhàn)，需要在空間計(jì)算領(lǐng)域乃至更多學(xué)科擁有專業(yè)知識(shí)與技能。首先，需要克服公眾實(shí)際上擔(dān)任地圖繪制者這一現(xiàn)實(shí)的挑戰(zhàn)，需要將數(shù)據(jù)來源從取自幾個(gè)可信任的來源，變成讓大批志愿者協(xié)同合作提供。其次，從給幾個(gè)平臺(tái)配備定位功能(比如手機(jī))這種做法，改成幾乎所有平臺(tái)均配備(比如傳感器、PC和云端等)定位功能。再次，需要更好地了解人類認(rèn)知，以確保全社會(huì)都會(huì)從基于位置的服務(wù)中受益。最后，空間計(jì)算必須解決用戶信任與隱私被曝光的隱患問題。

　　從融合到協(xié)同：一直以來，流行的GIS軟件產(chǎn)品都是為幾何數(shù)據(jù)(如點(diǎn)、線、多邊形)和柵格數(shù)據(jù)(如衛(wèi)星圖像)所設(shè)計(jì)的。然而，現(xiàn)在有越來越多的地理數(shù)據(jù)是來自大眾自愿提供的信息，包括簽到、發(fā)推、地理標(biāo)簽、位置報(bào)告還有GPS追蹤。自愿提供的地理位置信息對(duì)數(shù)據(jù)誤差、可信度與偏差提出了挑戰(zhàn)。在空間計(jì)算技術(shù)中，信息出錯(cuò)所帶來的政治與法律后果可能代價(jià)高昂，比如2005年在特里娜颶風(fēng)過后，美國(guó)國(guó)會(huì)對(duì)新奧爾良最容易發(fā)生洪澇的聯(lián)邦地圖延遲發(fā)布這一點(diǎn)十分關(guān)注，由于信息不確定而導(dǎo)致重建步伐被拖慢。

　　將來，這類的政治或法律問題會(huì)更加嚴(yán)重。要想應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)，需要轉(zhuǎn)換思想，從傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合轉(zhuǎn)到更寬泛的數(shù)據(jù)協(xié)同模型，這種新的模型會(huì)引發(fā)更多問題。例如，志愿者經(jīng)常用到地名(比如硅谷)和介詞(比如附近、在、順著)，而非精確的位置坐標(biāo)(比如經(jīng)緯度)。

　　因此我們需要給出解決辦法，調(diào)整現(xiàn)有基于坐標(biāo)的數(shù)據(jù)架構(gòu)與算法，使其適用基于地名與空間介詞的空間數(shù)據(jù)信息。此外，我們需要針對(duì)空間和時(shí)空的計(jì)算制定標(biāo)準(zhǔn)，通過質(zhì)量改進(jìn)過程(如同行評(píng)審等)和質(zhì)量評(píng)定(如位置精度)，更有效地利用用戶所自愿貢獻(xiàn)的地理信息。

　　從傳感器到云：在20世紀(jì)，空間計(jì)算在公眾心目中就是軟件(比如ArcGIS和Oracle Spatial Databases)。如今，空間系統(tǒng)所有級(jí)別的計(jì)算堆棧都會(huì)受到新的影響：由于智能手機(jī)以及基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬地球儀得到了廣泛使用，越來越多的平臺(tái)都包含了定位功能?？臻g計(jì)算的底層計(jì)算堆棧需要新的基礎(chǔ)設(shè)施支持，從而在不同的硬件、匯編語言、操作系統(tǒng)內(nèi)核、運(yùn)行庫、網(wǎng)絡(luò)堆棧、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)以及應(yīng)用程序中，對(duì)空間數(shù)據(jù)類型與運(yùn)算進(jìn)行合理分配。

　　為了改進(jìn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能，需要對(duì)現(xiàn)有的眼鏡顯示器和智能手機(jī)等設(shè)備作出調(diào)整，從而獲得自動(dòng)、準(zhǔn)確、可擴(kuò)展的檢索方式、識(shí)別方式與信息展示方式。而緊急救援、健康管理、水能分布的實(shí)時(shí)狀況監(jiān)控則需要遍布全球的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，為我們提供實(shí)時(shí)的以厘米為精度的定位信息。由空間大數(shù)據(jù)引發(fā)的計(jì)算問題為云計(jì)算研究提供了新的研究機(jī)遇：現(xiàn)有的空間數(shù)據(jù)集超出了普通空間計(jì)算技術(shù)能力，如何計(jì)算其規(guī)模、種類與更新率，并用合理的方式學(xué)習(xí)、管理、處理數(shù)據(jù)。

　　空間認(rèn)知為先：以前，空間計(jì)算服務(wù)只提供給少數(shù)經(jīng)過GIS訓(xùn)練的專業(yè)人員，他們所分享的專業(yè)術(shù)語難以為大眾所理解。如今，民眾在日常使用位置服務(wù)的同時(shí)，也為地圖制作提供相關(guān)的信息，對(duì)于空間認(rèn)知心理學(xué)的需求也變得迫切起來。理解這些內(nèi)容可以方便大眾更好地利用及設(shè)計(jì)地圖等地理信息產(chǎn)品。需要推進(jìn)對(duì)空間認(rèn)知輔助的研究，探索新的想法，比如為不會(huì)看地圖的用戶提供個(gè)性化的地標(biāo)導(dǎo)航服務(wù)，或者在無名道路上提供新地圖導(dǎo)航服務(wù)。

　　對(duì)群體行為的理解能夠增強(qiáng)針對(duì)人群(相對(duì)于個(gè)體)的空間計(jì)算服務(wù)。在這些場(chǎng)景中，背景信息(比如發(fā)推的人、其位置還有這種情況下的物理特性)也應(yīng)納入考慮，來詮釋緊急情況下在推特上的警報(bào)信息(比如臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害)。

　　應(yīng)當(dāng)對(duì)理解空間服務(wù)的新辦法(比如導(dǎo)航、學(xué)習(xí)空間布局、閱讀地圖)，還有不同群體(比如司機(jī)和行人)理解空間的方式進(jìn)行進(jìn)一步研究，來抓住這些機(jī)會(huì)：人們?nèi)绾伪硎静W(xué)習(xí)認(rèn)知地圖?如何利用空間認(rèn)知概念提高空間計(jì)算服務(wù)的可用性?如何設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的UI界面，縮小“微觀”與“宏觀”的差距——“微觀的”空間計(jì)算，比如在室內(nèi)帶有立體顯示的桌面系統(tǒng)與精確的3D追蹤;“宏觀的”空間計(jì)算，比如在戶外通過手機(jī)或可穿戴設(shè)備上的粗略GNSS。

　　位置隱私：雖然位置信息(如手機(jī)和汽車GPS)為應(yīng)急人員、消費(fèi)者及行業(yè)提供了很大價(jià)值，但是這些數(shù)據(jù)流也帶來了嚴(yán)重的隱私泄漏問題與誠(chéng)信問題，并引出通過位置信息監(jiān)控大眾的信息濫用問題。比如歐盟就曾指責(zé)谷歌街景侵犯隱私，并在一些國(guó)家禁用該服務(wù)。位置信息使用與隱私保護(hù)的博弈仍是個(gè)很大的挑戰(zhàn)。而模糊化位置信息的努力在很大程度上帶來了負(fù)面效果。

　　很多人因擔(dān)心隱私泄漏而不敢使用相關(guān)的服務(wù)，計(jì)算機(jī)科學(xué)家需要與政策制定者一同，努力贏得公眾的信任。必須按照“公平信息處理?xiàng)l例”來設(shè)計(jì)新的法規(guī)，特別是與通知、透明度、承諾、誠(chéng)實(shí)與責(zé)任義務(wù)相關(guān)的那些。不過，這種調(diào)整也會(huì)引發(fā)新的問題，比如：怎么才算得到了收集空間數(shù)據(jù)的“充分通知”?應(yīng)當(dāng)如何請(qǐng)求授權(quán)?應(yīng)當(dāng)保存哪些信息，保存多久?更明白的說法是：什么時(shí)候定位信息會(huì)侵犯隱私權(quán)?降低地圖分辨率是否能解決這個(gè)問題?我們?nèi)绾卧跐M足社會(huì)需求的同時(shí)(如追蹤傳染病)，保護(hù)個(gè)人位置信息的隱私?

　　結(jié)論

　　在未來幾十年中，空間計(jì)算為研究者及企業(yè)家等人提供了一系列重大的機(jī)遇。想要抓住這些機(jī)會(huì)，需要在該研究領(lǐng)域投入大量人才與資金，包括但不限于上面所述的案例。如今的很多空間計(jì)算項(xiàng)目太過局限，無法達(dá)到臨界質(zhì)變所需的進(jìn)步。捐助者必須考慮將大量資金投在綜合多所大學(xué)多個(gè)教職員團(tuán)隊(duì)的更大型更冒險(xiǎn)的研究上。

　　一些示范項(xiàng)目包括美國(guó)國(guó)家地理信息與分析中心、加拿大GEOmatics信息決策網(wǎng)絡(luò)、荷蘭的GRE項(xiàng)目以及澳洲空間信息合作研究中心。在研究領(lǐng)域的另一障礙在于，來自空間計(jì)算專家申請(qǐng)的補(bǔ)助金很少，可能會(huì)導(dǎo)致頂尖人才的缺乏。因此，資助機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)特別考慮這類的補(bǔ)助申請(qǐng)。

　　一些機(jī)構(gòu)在空間計(jì)算方面設(shè)立了研究項(xiàng)目，鑒于其跨領(lǐng)域的范圍，捐助者應(yīng)當(dāng)在這一新興領(lǐng)域創(chuàng)建專為空間計(jì)算設(shè)計(jì)的長(zhǎng)期研究項(xiàng)目，以打造出計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)者。多機(jī)構(gòu)間相互協(xié)調(diào)將會(huì)減少項(xiàng)目競(jìng)爭(zhēng)，促進(jìn)跨學(xué)科交融，而跨部門研究也會(huì)讓整個(gè)領(lǐng)域包括機(jī)構(gòu)自身受益。

　　最后，空間計(jì)算科學(xué)家需要研究者本學(xué)校提供更多制度上的支持。除了一次性的大型資助之外，一些研究型大學(xué)也建立了GIS中心還有校園范圍內(nèi)的空間項(xiàng)目，以進(jìn)行跨學(xué)科的研究，包括氣候變化與公共衛(wèi)生等，更多研究型大學(xué)也應(yīng)該跟上這一步伐。

　　空間計(jì)算已經(jīng)證明了自身價(jià)值——為社會(huì)提供了重大的經(jīng)濟(jì)機(jī)遇，而在這方面的進(jìn)一步深化必將帶來更具革命性的進(jìn)步。