GIS的未来是什么？
The following article is from 地球空间信息科学学报GSIS Author 争创一流的
自从罗杰·汤姆林森教授在1970年率先提出计算机制图的概念开始，地理信息系统(Geographical Information System ,GIS)作为一门新兴的、交叉的、应用型学科，得到了长足的发展，并随着位置服务概念的深入人心，越来越广泛地应用于普通公众的日常生活中。
在快速发展的过程中，GIS也面临了许多重大的挑战：栅格和矢量仍然是表示的基础；地图仍然是概念隐喻，以GIS图层的形式存在；地图投影仍在广泛使用，地球始终是二维化表达 ；在测量、表示和处理不确定性方面进展甚微等等。
为了明晰GIS学科发展的方向，ESRI总裁Jack Dangermond和美国科学院院士Michael F. Goodchild教授这两位当今GIS领域最举足轻重的权威人物联合撰写了学术论文《Building geospatial infrastructure》，发表于GSIS 2020年第1期。
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内容概要
在文中，作者首先对GIS的发展过程（early vision to GIS today）进行总结，并对快速变化的外部环境进行了概括。其中，地理门户网站（Portals）、开放数据（Open Data）、参与性（Engagement）、企业GIS（Enterprise GIS）、协作网络（A network of collaboration）、故事地图（Story Map）、云存储（The Cloud）等对GIS的发展都起到了富有变革性的推动作用。
然后，对GIS相关进展（Advances in GIS）进行介绍，如地理人工智能（GeoAI）、ModelBuilder和Jupyter等脚本和工作流，可复制性（Replicability，如Docker等工具）、预测模型、实时分析等。
对GIS的未来，作者提出了地理空间基础设施（Geospatial infrastructure）的概念。
“地理空间基础设施是尺度上的地理信息系统，从半个世纪前起不断吸收许多重要的应用，是一个从普通公民到地理空间科学家的社区，以及满足个人、组织和整个企业需求的服务。
Geospatial infrastructure is GIS at scale, grown from small beginnings half a century ago to embrace a host of important applications, a community that extends from the average citizen to geospatial scientists, and services that meet the needs of individuals, organizations, and entire enterprises.
作者预言，如果地理空间技术建设得当，技术足够全面，并且对所有人开放和可利用，人类面临的许多挑战可以通过地理空间技术来解决。
前沿观点
“地理信息系统是一套工具，可以使本来很难或不可能看到的东西变得可见，并通过故事地图来促进（效果的）理想化。
GIS is a set of tools for making visible what would otherwise be hard or impossible to see, and for promoting ideals through story maps.
“它（Google Earth）提供了一个令人信服的例子，说明了地理信息不需要首先用地图投影来压平和扭曲地球依然可以共享，并帮助地理空间技术摆脱在早期愿景中非常重要的地图隐喻的限制。
It provided a compelling illustration of how geographic information could be shared and examined without the need first to flatten and distort the Earth with a map projection, and helped to free geospatial technology from the constraints of the map metaphor that had been so important in earlier visions .
“……今天，我们可以将数字地球描述为数字孪生或数字复制品的实例。谷歌地球（google earth）等系统强调复制地球的外观。但原则上，一个数字孪生地球也应该复制地球的运行方式，使用软件来复制改变地球物理和社会系统的过程。
……but in principle a digital twin should also replicate how the Earth works, by using software to reproduce the processes that modify the Earth’s physical and social systems.
“主要街道、命名地点、海岸线、湖泊和河流的底图在广泛的应用中被使用，正如精细分辨率的地球图像一样。它们需要开放、自由访问和准确，以支持其他应用，并作为地理空间基础设施的基础。
Base maps of major streets, named places, coastlines, and lakes and rivers are used in a vast array of applications, as is fine-resolution Earth imagery. They need to be open, freely accessible, and accurate, in order to support those other applications and as a foundation for the geospatial infrastructure.
“生产力和效率在地理信息系统应用的许多领域都是有价值的目标，从车队的路线和调度到零售店的选址、物流业、卫生服务或应急响应。
Productivity and efficiency are valuable goals in many areas of GIS application, from the routing and scheduling of vehicle fleets to site selection for retail outlets, the logistics industry, health services, or emergency response.
“共享和协作应是地理空间基础设施最重要的目标之一，这一目标由地理空间技术日益增加的参与和可访问性实现。
Sharing and collaboration should be among the most important goals of a geospatial infrastructure, enabled by the kinds of engagement and accessibility that are an increasing feature of geospatial technology.
“很少有用户阅读或理解应用程序的使用条款和条件，或共享个人数据的含义。保护个人隐私必须是地理空间基础设施的一个重要目标。
Few users read or understand the Terms and Conditions of Use of apps, or the implications of sharing personal data. Protection of personal privacy must be an important goal of geospatial infrastructure.
“……预测GIS的未来总是很愚蠢，但有可能列出一些已经在酝酿中的变化，并且可能在未来几年内出现。其中一些（变化）起源于数据科学的快速增长，有些（进展）则普遍关注科学的可复制性。其他的原因是卫星图像的可用性、无人机的日益复杂程度以及各种传感器的迅速下降成本方面取得了巨大进展。
Some of these originate in the rapid growth of data science, and some in a general concern for replicability in science. Others originate in dramatic advances in the availability of satellite imagery, in the increasing sophistication of drones, and in the rapidly falling costs of various kinds of sensors.
*****以下为全文渣翻，强烈建议阅读英文全文*****
01
Introduction
自从地图和地球图像的内容首次数字化并存储在计算机中以来，在过去的半个世纪里，对地理空间技术的许多设想都得到了发展。然而，信息技术的发展速度继续加快，嵌入地理空间技术的社会、经济、政治和环境环境环境仍在以很大程度上不可预测的方式发展。因此，地理空间界应该在这个时候寻找一个新的愿景，一个能够帮助我们向前迈进并给我们一个方向感的新的愿景，这是完全合理的。
我们将如何利用这项技术，以及它如何应对我们目前面临的和未来几年将面临的挑战？在本文中，我们描述了地理空间基础设施这一新兴概念，它是对地理空间技术的一种当代和全面的展望。我们回顾了它与早期愿景的关系，将其放在当今信息技术的背景下，并解决访问、参与和保护个人隐私的问题。
今天的人类面临着无数的挑战。我们人类创造的世界和我们所处的世界不同于任何过去的世界；回归过去是不可能的。其中许多挑战可以通过地理空间技术来解决，特别是如果地理空间技术建设得当，技术足够全面，并且对所有人开放和可利用。在本文中，我们描述了地理空间基础设施愿景的主要特点，并概述了这些功能将如何应对挑战。
02
Earlier visions
Maps in computers
罗杰·汤姆林森在1970年和1972年召开的国际会议汇集了来自世界各地志同道合的人，他们认识到将地图和地球图像的内容存储在计算机中可以带来的巨大好处。他还可以利用计算机来分析其他人在编制地图的过程中，如何利用计算机对地图进行精确的编辑；以及如何利用计算机对地图进行编辑。
然而，缺乏合适的数据结构和模型来表示地理信息，而且几乎完全没有软件，认为空间数据的处理是最直接的问题，并为未来的发展提供了远景的基础，而空间数据处理这一术语在两年一度的一系列国际会议上仍然存在。
罗杰·汤姆林森(Roger Tomlinson，1933-2014) 世界公认的GIS之父
A geographic information system
到20世纪70年代末，地理信息系统（GIS）的概念已被企业、教育工作者、机构和个人广泛采用。现成的软件已经出现，简单的数据模型可以有效地捕捉多种类型的地理信息。
在这个构想中，地理信息系统是一个单片计算机应用程序，执行包括捕获、存储和分析在内的广泛功能。人们可以把终极的地理信息系统想象成一个运行在大型计算机中的软件包，能够对任何类型的地理空间数据执行任何可能的功能。几家公司开始销售地理信息系统软件，地理信息系统行业开始了长期的扩张。
在随后的几十年里，为了支持新的应用程序和为新的决策提供输入，功能集和底层数据模型激增，地理信息系统软件也从大型机迁移到小型计算机，最终迁移到桌面。尽管地理空间技术已经远远超出了这一设想，但在本文的其余部分中，首字母缩略词GIS被用作总括术语。
Spatial data infrastructure
20世纪90年代初，地理信息系统的这一构想发生了两个非常重大的变化：第一，以地图和图像的形式以及越来越多的数字数据的形式，地理信息的生产几乎是资金充足的机构，特别是国家政府的专有财产。生产成本很高，许多法域都在努力从用户那里收回至少一部分成本。但随着信息技术的进步，地方机构、公司甚至个人都有可能创建自己的数据。全球定位系统（GPS）大大降低了测量位置的成本，只需要一个便宜的手持设备；摄影测量基本上实现了自动化；扫描使人们能够快速、廉价地将纸质地图转换为数字数据库。美国国家研究委员会（1993年）的一份报告提出了地理空间数据生产的新构想，该报告提出了国家空间数据基础设施的设想。
美国国家研究委员会 https://www.nationalacademies.org/
这份报告是及时的，它的建议在总统的一项行政命令中得到执行，授权联邦地理数据委员会组织一系列计划。其中包括制定地理空间数据库（元数据）描述标准，确定框架层，并努力改善数据库的互操作性，这是开放地理信息系统联盟（现为开放地理空间联盟）采取的一项举措。
The Web and the Internet
第二次变革始于万维网的普及，随之而来的是互联网和第一个网络浏览器——Netscape。
施乐帕克研究中心（xeroxparc）等组织很快看到了以电子方式共享地图和地理空间数据库的潜力，并将地理空间数据的整个集合放到网上供任何人使用。
1973年， The Xerox PARC发明的第一台个人电脑。
地理门户的概念出现了，它是一个允许访问各种地理空间数据库的网站。到1990年代末，在一个有时被称为web2.0的开发中，普通的Web用户已经成为信息的消费者和生产者。其结果是用户生成的内容急剧增加，最终自发地理信息的概念也随之增加。
自发地理信息（Volunteered Geographic Information，简称VGI），是指用户通过在线协作的方式，以普通手持GPS终端、开放获取的高分辨率遥感影像以及个人空间认知的地理知识为基础参考，创建、编辑、管理、维护的地理信息。
这一概念由M.F. Goodchild 于2007年提出，是用户创建内容(User-generated content, UGC)、Web2.0等思想与地理信息系统相结合的产物，反映了互联网时代地理信息新的获取与应用方式。
Digital Earth
到了20世纪80年代末，图形工作站已经发展到可以在显示屏上创建和操作三维对象的表示。此外，可以在物体上覆盖二维图像，并随意旋转和缩放。用户在二维屏幕上看到物体的能力仍然是三维的。
为了将地球图像覆盖在一个球体上，创建了一个虚拟地球，开发了一些应用程序。分级数据结构使得屏幕上的图像可以平滑地从10公里分辨率的整个星球图像缩放到亚米分辨率的小区域图像。
“数字地球”一词由美国副总统阿尔·戈尔（Al-Gore）在1992年的一本书中提出，1998年戈尔准备发表一篇演讲，描述一个虚拟环境，可以用来探索地球表面的许多维度，包括现在和过去。
第一届国际数字地球研讨会于1999年在北京召开，2005年谷歌向公众发布了Google Earth应用程序，可以在个人电脑这样简单的设备上下载和运行，从互联网上获取大量地球图像和其他地理空间数据，实现数字地球的概念。
它提供了一个令人信服的例子，说明了地理信息如何可以共享和检查，而不需要首先用地图投影来压平和扭曲地球，并帮助地理空间技术摆脱在早期愿景中非常重要的地图隐喻的限制（Goodchild 2018）。
今天，我们可以将数字地球描述为数字孪生或数字复制品的实例。谷歌地球（google earth）等系统强调复制地球的外观。
但原则上，一个数字孪生兄弟也应该复制地球的运行方式，使用软件来复制改变地球物理和社会系统的过程。
Time and the third spatial dimension
随着获取和处理地理空间信息的成本持续下降，早期设想的许多假设受到挑战。地图和地理空间数据的获取和汇编成本很高，这导致了对变化最快的那些类型要素的重视，以便它们的制图表示能够尽可能长时间有效。
现在，用户只需几分钟就可以免费绘制道路交通图，而这类应用程序只需几分钟就可以轻松创建拥堵地图。环境中的传感器能够创建大量与时间相关的地理空间数据，使时间成为当今地理空间技术远景的一个重要元素。类似地，基于地面运动的三维雷达（如基于地面运动的三维成像技术）和基于地面运动的三维成像技术（如基于地面运动的三维成像技术）的获取。
今天，我们认为地理空间技术的基本元素是一个元组<x，y，z，t，a>其中x，y，z是三维空间中的位置，t是时间，a是该位置在时空中的属性。
A nervous system for the planet
人类神经系统收集来自身体许多部位的信号，并将其传送到大脑，在那里，这些信号可以被处理和组合，最终导致行动。用这种方式来表达，神经系统和地理空间技术之间有着明显的相似之处。鉴于人类对地球的压力，一个收集、收集和传播多维地球信息的系统显然具有巨大的价值。然而在实践中，人们对地球的感知方式、产生的数据是如何传输给谁的、各种信号是如何合并和存储的，以及所有这些成本是如何支付的，都存在着巨大的差异。与数字地球一起，神经系统类比为地理空间信息的获取、分发和处理提供了一种更全面、更国际化和更全面的方法。
03
GIS today
今天，地理空间技术已经扩展到人类活动的几乎所有领域，帮助解决问题和作出决定，预测结果，发现和解释地球的环境和社会系统是如何工作的。地理空间技术允许用户“看到别人看不到的东西”，通过使用地图和统计数据来揭示在其他情况下无法看到、欣赏或理解的内容。
政府机构、企业、研究人员和非营利组织在其业务和活动的许多方面都使用地理信息系统。个人公民在地图和寻路应用程序中遇到地理信息系统，在提供根据用户位置定制的信息的应用程序中。地理信息系统的范围已经远远超出了这个术语本身，许多使用地理空间技术的个人和组织甚至可能不认识到这一点。下面简要介绍当今GIS应用的一些主要领域。
Environmental monitoring, assessment, and conservation
地理信息系统用于根据地球观测卫星、飞机和无人机、实地观测和地面传感器收集的数据来跟踪环境状况。它被用来确定关键关注的领域，保护生物多样性和人类遗产，以及制定和评估保护战略的效果。使用GPS传感器可以跟踪运动，并对结果进行分析，从而推断出栖息地的适宜性。
Forestry and land management
早在20世纪70年代，森林管理是GIS的第一个重要应用之一。从详细的地图开始，分析人员能够评估林分的生产力，并计划造林和采伐。地理信息系统使人们很容易估算林分中木材的数量和质量以及相关的采伐成本，并解决与野生动物栖息地和人类娱乐等其他用途的冲突。
Health, demographics, and statistics
GIS的一些最引人注目的应用集中在社会数据上，并且由于最近从社交媒体和电子医疗记录中获得的高分辨率数据而迅速扩展。地理信息系统用于分析全球大面积传染病和其他医疗状况的比较率，提供疫情的早期预警，并研究不同地区医疗服务的可及性和费用如何变化。我们知道生活的结果在某种程度上取决于一个人在哪里出生和长大，但现在可以对这些影响进行前所未有的详细研究（库克2019）。地理信息系统也被广泛应用于规划学校服务区，以及为政治利益操纵投票区。地理信息系统也广泛地应用于商业应用中，其中位置总是起着至关重要的作用。
Transportation planning and management
地理信息系统被公司用来规划和安排送货、垃圾收集、公共汽车系统和许多其他服务。依靠地理信息系统而不是传统的手工方法已经被证明可以大大节省时间和燃料消耗。新的数据源，如公交用户卡，为公交系统的规划和调度提供了比以前更丰富的信息。地理信息系统在预测和规划交通系统的重大中断方面也具有巨大的价值，包括由于重大事件造成的短期中断，也包括由于引入无人驾驶车辆和共享服务等长期原因。
Building and facility management
增加了处理第三空间维度的能力，为地理信息系统带来了许多新的应用。目前正在开发和实施各种技术，以便在室内扩展全球定位系统，绘制建筑物内部的地图，并提供准确的位置测定。地理信息系统可用于规划和管理内部空间的活动分配，并支持机场、购物中心和矿山等复杂三维空间中的寻路和紧急疏散。地理信息系统还广泛应用于复杂的校园设施、军事基地和企业总部的管理。
Public safety and national security
执法部门以多种方式利用地理信息系统，从规划警区和巡逻到分析犯罪的地理模式。长期以来，军队广泛使用地理信息系统，从基础测绘、交通能力分析到实时态势感知。近年来，在紧凑的城市空间中打仗的需要导致了一种新的视角，强调第三空间维度以及感知和理解人类运动和行为的能力。
Preparing for and responding to disasters
地理信息系统在灾害管理的所有四个阶段都是非常宝贵的：规划、响应、恢复和减轻（国家研究委员会，2007年）。在规划阶段，它提供了建立所需数据库和协商数据共享安排的手段。在响应阶段，重点必须放在快速操作地理信息系统，为响应者提供必要的地图，并为管理者提供态势感知。在恢复中，地理信息系统被用来绘制灾难的影响图，并确定恢复工作的优先次序。在减轻阶段，地理信息系统用于计划和实施措施，以尽量减少未来事件中的损失。地理信息系统也是预测和估计损失程度、管理疏散和引导撤离人员前往避难所的重要工具。
04
A rapidly changing environment
地理信息系统的概念第一次在大型计算机上实现已经有半个世纪了，它的内存非常有限，计算能力不如今天的智能手机，而且无法与其他计算机进行电子通信。数据供不应求，必须通过从物理媒体（通常是纸质地图）进行艰苦的转换来创建数据。
此后，在计算能力、存储容量和通信方面取得了许多技术进步。如今许多数据都是数字化的，数据库很容易在互联网上找到和共享。此外，随着新技术的上线和新用途的激增，变革的步伐继续加快。
但地理信息系统的其他方面却没有明显改变。栅格和矢量仍然是表示的基础；地图仍然是概念隐喻，以GIS图层的形式存在；地图投影仍被广泛用于将地球二维化；在测量、表示和处理不确定性方面进展甚微，这些不确定性是在数字数据中测量和捕捉到的，但并不总是出现在已出版的地图中。
一方面，我们看到地理信息系统的潜力在不断扩大，因为它利用了信息和计算机技术不断加速的变化。另一方面，我们接受的训练鼓励我们遵循经过时间考验的实践，作为早期解决方案的后遗症？跳出框框思考，应对重大技术干扰，并认识到新机遇的全部潜力，一直都很困难，人们总是更容易看到新的发展使旧的做法更容易、更快、更便宜；而更难看到技术进步所带来的新问题和新做法。
Portals
从20世纪90年代中期开始，数字地图库、空间数据仓储和地理门户网站的发展对数字地理空间数据的可用性产生了巨大的影响。早期的地理信息系统工作流程一直被繁琐的数字化任务所支配，数据库只能通过交换物理介质来共享。今天，绝大多数地理空间数据集要么在建立时已是数字化形式，要么是通过门户网站以数字方式共享的。元数据既提供了查找数据的手段，也提供了评估其在给定应用程序中使用的适宜性的手段；而如今的地理信息系统软件使得从应用程序中发布数据以供其他人使用变得更加容易。
Open data
1993年报告建议建立国家空间数据基础设施，同时预计到地理空间数据生产不断变化的经济会产生巨大的影响。也许没有什么比开放街道地图项目（OSM）更明显的了。OSM诞生于2004年，由于对一些政府机构制作地理空间数据的成本非常高感到沮丧，OSM开始利用志愿者、高分辨率地球图像和GPS创建一个免费的、对所有人开放的数字地图。今天，OSM通常是世界上许多地区最完整、最准确的基础测绘来源，在应急响应中发挥着不可估量的作用。
Engagement
地理信息系统作为一个参与系统的概念是相对较新的，也许可以追溯到20世纪90年代末的数字地球演讲。即使是在那个时候，图书馆也是提供所需高端设备和宽带连接的最佳机构。当然，今天，通过智能手机、笔记本电脑和台式机，所有人都可以使用这些设备和这种连接。正如特纳指出的（Turner 2006），普通公民现在既是地理空间信息的消费者，也是地理空间信息的生产者，地理空间专家和地理空间业余爱好者之间不再存在有效的区别。几乎每个人都可以使用基于位置的服务，几乎每天都可以使用，而且用户通常没有意识到这一点。
Enterprise GIS
每一个组织都采取了一种将自己划分为部门的方式，每个部门都有自己的主题重点和一系列相关的责任。随着地理信息系统的发展，它最初应用于个人或团体的工作，后来又应用到整个部门。例如，一家石油公司可能采用地理信息系统来管理其租约和地表资产，但可能会使用完全不同的系统进行地下勘探或营销。企业地理信息系统的愿景是将所有这些系统视为集成的，并由一个统一的数据库和相关软件（一个系统系统）提供支持。企业地理信息系统使用单一的通用语言来描述地理空间特征及其相互关系，有助于打破在分段或烟囱式组织中经常出现的沟通障碍。
A network of collaboration
万维网、因特网，以及大量组织和个人的参与，使人们产生了一种新的感觉，即支持单个调查员的地理信息系统的旧模式已经转变为地理信息系统作为协作网络的远景。今天的技术不仅允许直接或通过门户共享数据，还允许共享软件和工作流。现在很容易捕获工作流并与其他人共享。可以保存工作流，保留特定分析如何执行的记录，并将其打开供其他人使用。网络已成为地理空间基础设施的一个重要组成部分，使各小组能够在没有面对面的互动的情况下进行远程合作。
Story maps
长期以来，书面报告和出版物一直是交流成果的传统手段，也许还可以通过幻灯片和叙述相结合的演示来加以加强。但人类一直重视故事，它是一种叙事、手势、例子，有时还有插图的混合体，作为一种以令人信服的方式传达信息的方式。
在地理空间世界中，地图一直在交流中扮演着重要的角色，而地图设计的原则在今天被称为“智能地图”中已经达到了高度的复杂程度。近年来，“故事地图”以一种简单的用户界面，将文本、交互式地图、视频和音频以线性方式组合在一起，成为GIS成果交流的一种新颖而重要的方式。
故事地图很容易创建，现在可以在网上找到数百万个。它们讲述了人类冲突、解决环境问题的进展、城市社会结构的变化、历史遗产以及其他许多主题。故事地图在开辟分享地理信息系统项目成果的新途径和吸引公众方面取得了巨大成功。
地理信息系统技术环境中最根本和最深远的变化之一是设备独立性，即通过几乎任何设备（从智能手机或平板电脑到笔记本电脑或台式机）访问和接触地理信息系统的能力。虽然有些交互仍然通过有线连接进行，但用户的设备越来越能够根据需要在蜂窝、WiFi和有线通信之间进行切换。
长期以来，地理信息系统用户更喜欢大屏幕，而且经常使用多个屏幕，但是智能手机地图应用程序已经证明，即使是小型手持屏幕也可以满足许多应用程序。
The Cloud
过去几年另一个影响深远的变化是云技术取代了特定的服务器。许多GIS功能现在可以通过基于云的服务（如ArcGIS Online）获得，许多用户现在可以在云中接收电子邮件并维护其文件，而不是在必须定期备份的特定服务器上。长期以来，本地硬盘一直是笔记本电脑和台式机的重要组成部分，在这个从任何地方访问所有设备的新世界中，本地硬盘越来越成为过去。
05
Advances in GIS
预测总是很愚蠢，但有可能列出一些已经在酝酿中的变化，并且可能在未来几年内出现。其中一些起源于数据科学的快速增长，有些则普遍关注科学的可复制性。其他的原因是卫星图像的可用性、无人机的日益复杂程度以及各种传感器的迅速下降成本方面取得了巨大进展。下面是一些最有希望的进展，即将到来。
Some of these originate in the rapid growth of data science, and some in a general concern for replicability in science. Others originate in dramatic advances in the availability of satellite imagery, in the increasing sophistication of drones, and in the rapidly falling costs of various kinds of sensors.
Geo AI
人工智能（AI）工具在许多领域都取得了令人瞩目的成就。它们允许对大量原始数据进行分析，寻找模式并进行简单的分析，在许多情况下，它们的性能优于更传统的分析工具，其中许多工具早在大规模计算和大数据出现之前就已经开发出来了。图像分析提供了人工智能在地理空间数据中的一些最引人注目的早期应用；它能够非常快速地分析大量图像，找到街道和道路等特征，对农作物进行分类，并学习指示疾病或火灾风险的因素。
Scripting and workflows
在过去，地理信息系统的用户不得不依靠记忆或手写笔记来跟踪某些应用程序中的许多步骤。ModelBuilder是ESRI软件的一个长期存在且非常有用的特性，但是最近笔记本软件的发展有望彻底改变工作流的创建、记录和共享。Jupyter笔记本电脑已成为复杂地理信息系统分析和地理信息系统教育的重要辅助工具，允许以严格的方式记录和复制过程，并很可能很快成为地理信息系统工具包的重要组成部分。
Replicability
尽管科学家们长期以来都受过训练，能够详细地描述和记录他们的研究成果，以使其他人能够复制和复制其结果，并将可复制性视为科学方法的一个主要特征，但近年来，人们对未能复制结果表示关切，尤其是实验心理学（国家研究委员会，2019年）。地理学和其他处理时空现象的学科早就认识到了一个更广泛的问题：我们是否应该期望在世界某一地区取得的结果，在某一时间也应适用于世界其他地区和其他时间？这通常被称为泛化，但它与复制性密切相关。如果物理或化学的结果证明不能在空间和时间上普遍化，那么它们肯定会被拒绝，那么地理空间科学家有什么权利宣布不可归纳的结果是科学的呢？开放性，特别是开放的数据和开放的软件，将大大有助于确保其他人可以复制结果。使用Docker等工具的集装箱化也将允许捕获和冻结给定研究的细节，以便能够准确地再现。
Predictive modeling
在过去几年里，围绕大数据和数据科学的兴奋大多来自预测，使用来自不同来源的大量数据以及人工智能和机器学习技术。预测通常预测什么时候会发生什么事，但是在地理空间世界里，除了时间之外，人们对什么地方也有很大的兴趣。预测是非常有用的，然而科学传统上更关心的是理解和解释，以及为什么要这样做。因此，对预测建模的这种新的强调对于科学界来说是一种新的背离，而对预测建模的支持也同样是对GIS的一种新的背离。各种工具正在开发中，未来几年可能会出现在新版本的GIS软件中。
Real-time analysis
除了数据量，大数据的特点是速度，越来越多的数据可以实时获取，这些数据来源于传感器并通过互联网分发。从卫星上获取遥感图像的延迟正在逐渐减少，预计有一天，地球表面的数字图像将有可能获得，或者几分钟前的样子。来自无人机的图像可能已经实时可用。
数据的这种即时性导致了一些有趣的问题。是否有可能以足够快的速度处理实时数据，从而也可以实时获得结果？
例如，有没有可能足够快地感知和处理一个大城市的疏散，从而做出交通管制的决定？如果科学主要关注理解和解释，如果科学发现在任何时候、任何地点都是真实的，那么实时分析有什么作用吗？在可复制性的标题下讨论的问题之间的相关性是什么？
然而，实时分析对于态势感知是非常有价值的，它允许用户通过仪表盘和其他适当设计的界面来监控地球表面上或附近的事件。
06
Geospatial infrastructure
地理空间基础设施是地理信息系统的尺度，从半个世纪前的一个小的开始发展到包含了许多重要的应用，一个从普通公民到地理空间科学家的社区，以及满足个人、组织和整个企业需求的服务。无论是计算机技术还是通信技术，人类面临的问题和挑战，还是我们感知地理世界许多方面的能力，都在加速变化。很明显，人类发现自己身处一个从未去过的地方，比以往任何时候都更需要数字地理和科学的力量。
那么，地理空间基础设施的目标应该是什么，应该如何配置？以下是许多可能的目标。
Envision what’s possible
技术进步最大的挑战之一在于看到这些进步所带来的可能性，即“跳出框框”思考问题。过去的实践演变为利用早期的技术；随着技术的进步，实践也必须进步。
在计算能力非常有限的时期所做的决定会被载入实践中，而这些实践可能很难动摇。例如，统计学中的许多实践，例如通过最小化总平方偏差来拟合回归线，反映了在计算机出现之前所做的选择。
Build and manage essential data
并非所有地理空间数据集都具有相同的价值。一些，例如美国国家空间数据基础设施的七个“框架”数据集，为其他数据的添加提供了必要的基础。
主要街道、命名地点、海岸线、湖泊和河流的底图在广泛的应用中被使用，正如精细分辨率的地球图像一样。它们需要开放、自由访问和准确，以支持其他应用，并作为地理空间基础设施的基础。
Improve productivity and efficiency
生产力和效率在地理信息系统应用的许多领域都是有价值的目标，从车队的路线和调度到零售店的选址、物流业、卫生服务或应急响应。
空间决策支持系统利用地理信息系统的工具，结合诸如燃料消耗最小化、响应时间最小化、不良健康后果最小化或利润最大化等目标来解决这些问题。
Develop sustainably
生产力和效率当然只是做决定的基础之一。可持续性是另一个相关目标，如最小化环境影响。近年来，测地设计的概念作为一种地理信息系统应用被引入，它处理的是试图修改地球表面的项目，而不是对其进行清点。测地设计将设计的美学任务与评估影响的更科学的任务相结合。设计能力应该是任何地理空间基础设施愿景的重要组成部分，以及利益相关者参与、设计共享和建立共识的技术的概念。
Engage citizens
近年来，公民参与已成为地理空间技术的一个主要焦点。它是通过独立于设备的访问、公民每天使用的地理空间服务以及公民使用web2.0服务提供数据和其他类型输入的能力来实现的。同时，这种参与度的增长正在改变地理信息系统，使得用户界面的直观性变得比以往任何时候都更加重要，并使用对普通公民而不是地理空间专家有意义的术语。与早期的地理信息系统（GIS）的接口完全是根据测量的坐标来工作的，现在接口可以识别出感兴趣的地点和点的名称。
Protect biodiversity
地理信息系统在保护方面有许多引人注目的应用。已经开发了一些技术来确定栖息地的适宜性，保护栖息地区域之间的走廊，以避免隔离亚种群，以及测量和绘制多样性图。所有这些都很好地说明了这样一个原则：地理信息系统是一套工具，可以使本来很难或不可能看到的东西变得可见，并通过故事地图来促进理想。保护和保护生物多样性应是地理空间基础设施的主要目标之一。
Make agencies smarter
信息和信息处理技术显然是明智决策的必要条件。地理空间技术已经在智能城市的新兴概念以及农业和林业等农村活动中发挥着重要作用。地理空间基础设施有助于使机构更加智能化，尤其是当它充分利用第三空间维度和时间的力量时，能够在紧急情况下进行实时决策。
Design for resilience
弹性系统是能够经受住冲击的系统，特别是难以预测或不可能发生的冲击。地理空间技术在应对紧急情况方面发挥了许多关键作用，但也可用于衡量恢复力(National Research Council 2012)，恢复力可作为测地设计的目标之一。
Share and collaborate
共享和协作应是地理空间基础设施最重要的目标之一，这一目标由地理空间技术日益增加的参与和可访问性实现。
Ensure individual privacy
最后，虽然许多司法管辖区采取了各种形式的隐私保护，但从最近的分析和媒体报道（2019年《纽约时报》）可以清楚地看到，大量的个人信息正在被获取，在某些情况下被出售。
地理空间信息尤其容易受到攻击，因为在许多情况下，从几个位置记录推断身份和其他个人特征是微不足道的。很少有用户阅读或理解应用程序的使用条款和条件，或共享个人数据的含义。保护个人隐私必须是地理空间基础设施的一个重要目标。
07
Summary
未来几年，整个社会以及地理空间技术都将发生巨大变革。
为了实现上一节中提出的目标，特别是关于开放性、访问性和参与性的目标，未来的地理空间基础设施必须基于网络。它必须集成信息、流程和工作流，并捕获足够的信息以支持可复制性。它将拥有强大的技术来整合具有大数据特征的各种数据源：合并、重采样、向上扩展和融合。它将需要跟踪数据的来源，并允许中间产品回收。所有这些都以某种形式已经可用，并且不断地进行增量变化。
但在我们看来，我们缺少的是一种愿景，一种“登月计划”，一种可以衡量进步的原则声明。20多年前，数字地球演讲提供了这样一个登月机会，并导致了一些研究和开发项目，接近实现戈尔的设想。
今天，我们认为需要另一次登月计划，作为我们在本文中描述的新兴地理空间基础设施的愿景。
作者简介
Jack Dangermond
ESRI公司主席、联合创始人，GIS技术、空间分析方法和测地设计领域公认的先驱。1969年成立ESRI公司，并坚定不移地支持地理信息科学，认为GIS是人类解决城市、区域、环境和全球问题的最有前途的决策工具之一。
他在许多国际会议上发表了主旨演讲，发表了数百篇关于地理信息系统和计算机科学、摄影测量、规划、环境科学和制图等不同领域的论文，并在世界各地作了数千次关于地理信息系统的演讲。
Michael F. GoodChild
加州大学圣巴巴拉分校地理名誉教授，香港理工大学、亚利桑那州国家大学特聘讲座教授。1965年获得剑桥大学物理学士学位，1969年获得麦克马斯特大学地理博士学位。2002年当选为加拿大国家科学院院士、加拿大皇家学会外籍院士，2006年当选为美国文理学院院士，2010年当选为英国皇家学会外籍院士和相应院士；2007年获得瓦特林·路德奖（Prix Vautrin Lud）----地理学的诺贝尔奖。他的研究兴趣集中在地理信息科学、空间分析和地理数据的不确定性上。
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