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空间计算
图片来源:Peter Crowther Associates
空间计算包含了思想、解决方案、工具、技术和系统，通过创建对位置的新理解来改变我们的生活，显示我们知道、交流和可视化我们与位置的关系，以及我们如何通过它们导航。普适GPS可以让国家公园的徒步旅行者、湖泊上的划船者、游览新地方的儿童、出租车(或优步司机或自动驾驶汽车)和无人驾驶飞行器知道自己的位置、附近的设施和到达名胜的路线。一个
关键的见解
大型组织将空间计算用于选址、资产跟踪、设施管理、导航和物流。科学家使用全球导航卫星系统，简称GNSS24(如全球定位系统)，以追踪濒危物种，更好地了解动物行为，而农民则使用这些技术来支持精准农业，以提高作物产量和降低成本。虚拟地球仪14(如谷歌Earth和NASA World Wind)以一种吸引人和互动的方式帮助学生了解他们的当地社区和外面的世界(如夏威夷附近的维尼海山、火星和月球上的地外景观和斯隆数字巡天)。在最近的自然灾害之后(例如2012年的飓风桑迪)，谷歌Earth已经允许数百万人访问图像，以帮助灾害反应和恢复服务。26在2010年海地地震后的几天内，由于公民志愿者及时向流行的志愿者地理信息网站提交了当地信息，灾后路线图就被制作出来了13网站“。44
在未来十年，空间计算有望带来一系列革命性的能力;例如，目前的寻路方法是基于最短的旅行时间或距离，而公司正在试验生态路线，寻找燃料消耗和温室气体排放最小化的路线。避免左转的智能路线每年为快递公司UPS节省超过300万加仑的燃料。20.当消费者和车队所有者(包括公共交通)都能获得生态路线服务时，这种节省可以成倍增加。
手机的无处不在为我们提供了一个收集关于我们这个世界和生活在其中的人的方方面面的信息的机会。17研究表明，手机内置运动探测器的潜力，日常用户携带，可以在地震开始几秒钟后探测到地震。11导航公司(如Waze;https://www.waze.com/)越来越多地使用手机通话记录来估计繁忙高速公路上的交通水平。对网络基础设施的需求越来越大(比如美国国家科学基金会的地球立方计划，http://www.nsf.gov/geo/earthcube/)以帮助我们理解地球是一个复杂的系统。技术的进步大大便利了从实地和实验室收集数据和模拟地球系统。这导致了地球科学数据的指数级增长，以及我们在地球系统模型中适应各种现象的能力的显著提高。这些进展可能对理解我们不断变化的地球及其物理(如海洋、大气和陆地)、生物学(如植物、动物和生态学)和社会(如气候变化，19可持续经济发展，理解粮食、能源和水系统之间的相互作用，36还有联网和自动驾驶汽车1)．
近几十年来，空间计算方面的工作非常广泛，特别是在地理环境方面。通过一篇杂志文章，很难向广大的计算机社区传达这种大型跨学科工作的广度和深度。因此，我们在此的目标有两个:基于2012年计算社区联盟研讨会(http://cra.org/ccc/events/spatial-computing-workshop/)，并就更大的计算社区在这一跨学科领域可以扮演的角色展开更广泛的讨论。我们通过描述研讨会上的几个例子来做到这一点，而不试图区分优先级或全面;附录和Shekhar等人给出了更多的例子。52最后，我们主张支持这里所举的例子之外的跨学科领域。我们包括了几个人物来说明讲习班中的社会故事和愿景。
革命性的成就
空间计算最初旨在支持地图和其他地理数据的计算表示和分析。它的影响集中在高度专业化的学科(以列于表1)．从那时起，许多革命性的空间计算技术已经深入融入社会，帮助回答人类一直在问的许多问题。在此，我们简要介绍了几个具有重要意义和广泛意义的应用和研究成果;想要更深入地了解空间计算，请参阅各种教科书，3.，5，6，47，50专著,45，48百科全书,16，53和期刊。4
全球定位系统。我在地球表面的什么地方?在18岁th世纪，“经度问题”55是科学中最具挑战性的。由于没有测量经度的能力，在伟大的探险时代，水手们一旦看不见陆地，就会在海上迷路。最后，在罗盘、地图、星星位置和天文钟(一种用于移动船只的时钟)的共同帮助下，即使在没有地标的海洋中央，人们也可以在一定程度上精确地确定自己的位置。随着1978年全球定位系统(GPS)的推出和随后的民用应用，人们现在可以快速而精确地在地球表面的任何地方定位。GPS是天基全球导航卫星系统的一个例子，24，27它可以提供地球上任何地方的位置和时间信息，只要有四颗或更多导航卫星(在几十颗卫星中)的视线畅通无阻。39基于gnss的精确计时为日常活动(如计算机网络中的时钟同步，包括互联网)、监视移动物体(如导弹、飞机、车辆和构造板块)的地理分布式传感器网格和电力分配网格提供了便利。它的定位功能为终端用户提供了许多基于位置的服务(如逐弯导航、本地搜索和地理编码)。如今，全球导航卫星系统和相关的基于位置的服务被广泛部署，在商业、科学、跟踪和监视方面非常有用。GPS系统的广泛普及是由于其低成本的超大规模集成(VLSI)电路实现，可以很容易地集成到移动电话和平板电脑。
遥感。3.地球表面有多少部分被森林覆盖?近几十年来，面对气候变化、城市化和人口增长，森林覆盖发生了怎样的变化?传统上，这些问题是通过人工土地调查来回答的，这是劳动密集型的，因此往往仅限于小范围。现代遥感卫星(如MODIS;http://modis-land.gsfc.nasa.gov/，以及陆地卫星，http://landsat.usgs.gov/)使得持续监测土地覆盖变化成为可能31在全球范围内。此外，专门的仪器可以探测地下资源(比如木星最大的卫星木卫三上的含水层和地下海洋)。由于数据量大，计算技术在遥感数据集的存储、查询和分析中起着至关重要的作用。这些数据集也启发了像谷歌地球引擎这样的计算创新。43
地理信息系统。朝鲜的导弹可以打到哪些国家?图1是平面地图上使用圆距离计算错误距离信息的一个众所周知的例子，如果没有GIS支持的球面测量，很容易犯这种错误。地理信息系统理解一般地理数据生产者使用的大量地图投影，并帮助融合来自不同来源的地图数据。由于地球不是一个完美的球体，地理信息系统也理解更精确的地球表示，包括椭球表示和非参数表示，使用陆地大地基准点进行定位。GIS捕获、存储、分析、管理和可视化空间数据;22，53例如，地球地图是一个曲面在平面上的表示。虽然地图投影在很大程度上保留了拓扑属性(地图边界除外)，但度量属性(如距离和面积)的保留取决于所使用的投影。GIS有许多独特的功能(例如制图、大地测量数据和地图层)。GIS还可以根据几何图形连接表，以支持空间查询和统计分析，这将在接下来的两段中讨论。GIS从计算的进步(比如像平面扫描这样的算法)和数据结构(比如与地图绘制和地图覆盖相关的三角形不规则网络)中受益匪浅。
空间数据库管理系统。在斯隆数字巡天计划中，找到彼此距离在30弧秒内的星系对。哪些房屋最有可能被全球变暖导致的海平面上升、云暴或春雪融化淹没?在空间数据库发展之前，由于二维空间数据与传统数据库系统(如B+ Tree)使用的一维数据类型(如数字)和索引不匹配，这样的空间查询需要大量编程，计算时间长。此外，空间数据类型的原始集合对于多阶段查询是不够的，因为一些查询的结果(例如不相交多边形的并集)不能自然地表示为点、线或多边形。空间数据库50(如Oracle Spatial和PostGIS)引入了空间数据类型(如OGIS简单特性)38)、操作(如内部和距离)、空间数据结构(如r -树和Voronoi图)和算法(如最短路径、最近邻和范围查询)来表示和有效地回答多阶段并发空间查询。减少的编程工作量导致了更紧凑的代码和更快的响应时间。
空间统计数据。硅片的哪些区域有异常高浓度的缺陷?有疾病爆发吗?在哪里?1854年，约翰·斯诺博士在伦敦的街道地图上手工绘制了霍乱的位置，以直观地识别出宽街水泵周围的爆发热点(参见图2一个)．即使是在一个小的地理区域内对一种疾病进行分析也需要好几天的时间。今天，公共卫生机构通过空间统计检验(图2 b)，用于检测病毒爆发(如扫描统计数据)和热点，并将这些事件与自然变化区分开。空间统计技术也经常用于公共安全(如犯罪报告热点)、超大规模集成电路设计(如硅片上的缺陷热点)、天气预报(如数据同化)、交通运输(如事故热点)、采矿(如克里格)、公共卫生(如癌症集群检测)和农业(如为精确农业设计管理区域和农业普查的样本设计)。空间统计理论(如点过程、空间自相关和地质统计学)解决了在将传统统计模型(如线性回归、皮尔逊相关系数)应用于地理数据时所面临的独特挑战(如违反独立同分布假设)。虽然空间统计技术比传统统计技术的计算和数据密集程度高一个数量级，但近几十年来廉价的高性能计算和数据技术(如传感器、空间数据库管理系统和GIS)的增加促进了对空间统计方法的更广泛的兴趣和采用。12
最近的变化
在20年代后期th世纪以来，大多数地图都是由政府机构和测绘公司的一小群训练有素的人绘制的。组织(如美国国防部和石油勘探公司)使用高度专业化的软件(如Esri ArcGIS和Oracle Spatial)来编辑和分析地理信息。总结于表2在美国，最近空间计算的进步极大地改变了这种情况。拥有手机和互联网接入的用户数量达到数十亿，这意味着几乎整个地球都在使用空间技术。它们的成功提高了用户对空间计算的期望。与此同时，用户越来越担心位置数据可能被滥用。
数十亿美元使用基于位置的服务和更新真实的地图。基于网络的技术、手机、智能手表、消费者gps设备和基于位置的社交媒体的普及促进了基于位置的服务的广泛使用，48而互联网服务(如谷歌Earth和OpenStreetMap)则为大众带来了地理信息系统。有了手机和消费GPS设备，服务(如Enhanced 911和导航应用程序)被数十亿人使用。Uber、Waze、谷歌Maps、Facebook签到和其他基于位置的社交媒体在全球也有超过10亿人使用。
我在地球表面的什么地方?
数十亿人充当地图绘制者，许多现象可见。地理数据的来源越来越多地是智能手机用户，他们可能会主动甚至被动地贡献自己的地理信息。直接的影响是，各种空间数据的覆盖范围更广，测量人员的数量也增加了。越来越多的现象正变得可观测到，因为用于3D测绘的传感器越来越丰富，而更宽的光谱和更精细的分辨率正在被捕获。
多个位置感知平台。传统上，空间计算支持仅限于应用软件层(如ArcGIS)、Web服务(如谷歌Maps和MapQuest)和数据库管理(如SQL3/OGIS)。在过去的十年中，空间计算支持已经出现在计算堆栈的多个级别，包括HTML5、社交媒体签到、Internet协议版本6和开放位置服务。
由于巨大的潜力和风险，预期不断上升。基于位置的服务、导航辅助和交互式地图可以说超出了用户的预期。他们的直观基础和易用性为他们赢得了坚实的声誉。消费者看到了空间计算在减少温室气体排放、加强网络安全、提高消费者信心以及解决许多其他社会问题方面的潜力。然而，空间计算技术的成功也引起了用户的警惕。因此，必须解决地缘隐私问题，以避免吓到公民，使经济实体承担责任，破坏公众信任。
短期的机会
这里概述的深刻变化反映了空间计算研究的新兴途径，并带来了许多令人兴奋的新机会。
增强现实系统。增强现实通过实时叠加空间对齐的媒体，丰富了我们对现实世界的感知;例如，它可以通过添加计算机图形来传达关于一个地方或物体的过去、现在或未来信息，从而改变用户对环境的看法图3而且图4．它已经被用于飞机驾驶舱的平视显示器中，并已成为智能手机应用程序中的一个流行功能。随着重量轻、功能强大、由计算机驱动的眼镜变得越来越普遍，增强现实将在医学、建筑、旅游、商业、工程、民用/城市规划、装配和维护，以及日常智能放大等领域发挥更重要的作用。这一领域的新的空间计算研究挑战源于对新算法的需求，以及用户和云之间的合作，对人和设备的全3D位置和方向(姿势)估计，以及物理和虚拟事物的注册。什么样的自然界面可以利用人类所有的感官(如视觉、听觉和触觉)和控制(如拇指、手指、手、腿、眼睛、头和躯干)，在多个任务中与增强现实进行交互?科技如何能完全自由地捕捉人体，并在虚拟空间中表现它们?
空间预测分析。空间统计的进展45空间数据挖掘51过去十年有可能提高对飓风未来路径、传染病传播和交通拥堵的预测的准确性和及时性。这些问题让经典的预测方法感到困惑32，35由于诸如空间自相关、非平稳性和边缘效应等挑战。在对许多问题进行时空预测时，空间模型是无价的，包括人体肿瘤可能生长的位置，飞机机翼或公路桥梁裂缝的扩散。在这一研究领域需要回答的问题包括:机器学习技术如何能够30.能否推广用于解决自相关性、非平稳性、异质性和多尺度的时空挑战?如何在交易导致的扭曲(如邻居关系的丢失或重复计算)的情况下挖掘频繁的时空模式?在空间自回归建模的极大似然参数估计中，有什么可扩展的和数字鲁棒的方法可以用于计算非常大的稀疏(但不是带状)矩阵的行列式?
地理协作系统，舰队和人群。空间计算有望将互联网从网络空间扩展到位置感知的万物互联网，实现固定结构和移动物体(如汽车、行人和自行车)之间的连接，帮助协调移动和理解城市内外的移动模式;例如，洛杉矶市在2013年4月将其所有4500个交通信号灯连接起来，以改善高峰期的交通流量。空间计算使smartmob(一群人)能够为了一个共同的目标快速走到一起，减少了任何一个人领导的需要;未来，司机、智能汽车和基础设施可能会合作，以减少拥堵，加快疏散速度，并提高安全性。在使用一组空间代理进行计算和决策时，这种合作提出了“信任”的挑战。地理上分布的代理(如智能信号和汽车)如何以可靠的方式进行合作，即使面对GPS欺骗?
将空间计算移动到室内、水下和地下。尽管全球范围内都有GPS信号，但我们人类80%到90%的时间都是在室内度过的，而室内的GPS信号在很大程度上是不可用的。56基于位置的服务(如路线导航)目前占据了我们10%到20%的时间，但随着室内定位、路由和导航等新兴技术的出现(可在主要机场和医院使用)，21世纪的新期望圣世纪是我们的空间环境将基本上随时可用，利用本地化室内和地下(如矿山和隧道)通过手机信号塔，Wi-Fi发射器和其他室内基础设施。室内定位提出了几个新的研究问题，包括:什么样的可伸缩算法可以从CAD图纸创建室内空间的导航地图?没有CAD图纸的建筑物怎么办?在GPS信号可能被减弱或拒绝的室内空间，我们如何进行可靠的定位?
长期研究需求
空间计算为社会提供了巨大的价值，但这些成功也带来了重大的挑战。满足这些要求确实需要超出空间计算本身领域的专业知识。首先，要克服公众实际上是地图绘制者和大多数可观察到的现象的挑战，需要从融合来自少数几个可信来源的数据转移到协同利用大量志愿者的数据。其次，要克服装备多个平台以实现位置感知的挑战，空间计算将从少数平台(如手机)转移到几乎所有平台(如传感器、pc和云)。第三，需要对人类认知有更深入的了解，以确保所有社会成员都能从基于位置的服务中受益。最后，空间计算将不得不解决用户对隐私的信任和担忧。
从聚变到协同学。历史上，流行的GIS软件产品(如Esri的Arc系列、PCI Geomatica和ERDAS IMAGINE)是为几何数据(如点、线和多边形)和栅格数据(如卫星图像)而设计的。然而，越来越多的地理数据来自志愿公民，通过签到、推特、地理标签、Ushahidi的地理报告和捐赠的GPS轨迹。自愿提供的地理信息带来了与数据错误、可信度和偏见相关的挑战。空间计算技术中的错误可能造成很高的政治和法律后果;例如，在2005年卡特里娜飓风之后，美国国会对新奥尔良最易受洪水侵袭的社区的联邦地图发布的延迟引起了相当大的关注，这延缓了重建进程，同时带来了不确定性。15这种政治/法律方面的复杂情况将来可能会恶化。应对这些挑战需要从传统的数据融合理念向更广泛的数据协同范式转变，这引发了更多的问题;例如，志愿者经常使用地名(如硅谷)和介词(如near, in, at和along)而不是数字坐标(如经纬度)。因此，需要有方法将当前基于数字坐标的数据结构和算法移植到具有地名和空间介词的空间数据。此外，还需要空间和时空计算标准，以便通过质量改进过程(如同行评审和近代性测试)和质量度量文件(如位置精度)更有效地利用自愿提供的地理信息。
从传感器到云。在20岁th世纪以来，空间计算的公众形象是由软件(如ArcGIS和Oracle空间数据库)来代表的。如今，由于智能手机和基于web的虚拟地球仪的广泛使用，越来越多的平台具有位置感知能力，这一事实影响了空间系统中所有级别的计算堆栈。需要新的基础设施来支持计算堆栈底层的空间计算，以便跨硬件、汇编语言、操作系统内核、运行时系统、网络堆栈、数据库管理系统、地理信息系统和应用程序适当分配空间数据类型和操作。增强现实功能需要适应诸如眼镜显示器和智能手机等设备，以实现信息的自动化、精确和可扩展检索、识别和表示。传感机会包括为应急响应、健康管理和水和能源分配的实时情况感知提供普适基础设施，实现厘米级的实时本地化。计算问题5空间大数据的提出意味着云计算的新研究机会，解决空间数据集的规模、种类和更新速度超过常用空间计算技术合理努力学习、管理和处理数据的能力的问题。
我们如何在保护个人地理隐私的同时满足社会需求(如跟踪传染病)?
首先是空间认知。空间计算服务以前只为少数经过地理信息系统培训的专业人员定义，他们使用一种一般公众不容易理解的专门技术语言。随着日常市民在使用基于位置的服务的同时，他们自己也变成了地图绘制者，现在迫切需要了解空间认知的心理学。这种了解将改善社会上大部分人对地图和其他地理信息产品的使用和设计。需要进一步研究空间认知辅助，以探索诸如基于地标的路线等想法，以帮助无法阅读地图的人，或在一个新空间(如建筑或校园)内导航，而不是所有区域(如人行道)都有名称。从参与性规划(如景观、桥梁和建筑设计方面的合作)或协调位置移动的智能群体的角度理解群体行为，将增强针对群体的空间计算服务，而不是针对个人。还应该将上下文(例如谁在发tweet，他们在哪里，以及情况中的物理特征)引入到这些场景中，以研究在紧急情况(如飓风桑迪等自然灾害)期间对警告警报进行tweet解释的新机会。理解我们的空间能力(如导航、学习空间布局和阅读地图)和不同群体(如司机和行人)思考空间的方式的新方法必须进一步研究，以利用这些机会:人类是如何表示和学习认知地图的?空间认知概念如何提高空间计算服务的可用性?我们如何创建用户界面，以弥合空间计算的“小”(通常是在室内桌面系统上的立体显示器和精确3D跟踪)和空间计算的“大”(通常是在户外通过移动/可穿戴设备上的粗糙GNSS)之间的差距?
Geoprivacy。虽然位置信息(如手机和汽车上的GPS)为应急人员、消费者和行业提供了巨大价值，但这类数据流也带来了严重的隐私和可信性问题，涉及到使用地理定位和地理监视来监视和控制公民，有时也称为跟踪、地理奴役，7和geoprivacy;18，34，41，42例如，欧盟指责谷歌街景(https://www.google.com/maps/streetview/)，导致它在多个国家遭到暂时禁令。在实用和隐私之间取得平衡仍然是一项艰巨的挑战。迄今为止，计算机科学试图混淆位置信息的努力在很大程度上产生了负面结果。因此，由于担心自己的位置、轨迹和其他时空个人信息的隐私，许多人对沉迷于移动商务犹豫不决。18计算机科学家需要与政策制定者和其他倡导者联合起来，以赢得消费者的信心。新的法律原则必须与“公平的信息实践”相一致，42特别是那些与通知、透明度、同意、诚信和问责有关的内容。然而，这种对齐也提出了一些问题，包括:对于收集空间数据，什么被认为是“充分的通知”?如何要求同意?应该存储什么信息，存储多长时间?更广泛地说，什么时候定位(比如GPS跟踪)会导致侵犯隐私?降低时空分辨率是否足以阻止跟踪和其他形式的地理奴役?我们如何在保护个人地理隐私的同时满足社会需求(如跟踪传染病)?
结论
未来几十年，空间计算将为研究人员和企业家带来一系列令人印象深刻的机会。成功地利用这种潜力将需要大量的智力投资和空间计算研究主题的相关资金，包括但不限于我们在这里探讨的例子。如今，许多空间计算项目都过于有限，无法达到取得重大进展所需的临界质量。捐助人必须认真考虑资助规模更大、更有冒险精神的项目，涉及多所大学的十几个或更多教师团体。一些示范性的倡议包括美国国家地理信息和分析中心、加拿大的信息决策地理信息网络、荷兰的地理信息研究中心和澳大利亚的空间信息合作研究中心。研究进展的另一个障碍是，拨款提案通常由很少或没有空间计算专家的小组审查，有时导致缺乏拥护者。因此，供资机构应考虑设立专门的审查小组和专门的提案要求。
一些机构在空间计算方面有研究计划，23，25，26，28，29包括国家癌症研究所的空间不确定性:数据、建模和通信计划、国家地理空间情报局的学术研究计划和Chorochronos项目49由欧盟资助。考虑到其跨领域的影响，捐助者应该致力于通过创建一个专门的和持久的空间计算研究项目，在这个新兴领域建立计算机科学的领导地位。多机构协调以减少竞争项目并促进跨学科、跨机构的研究将使整个领域以及各机构本身受益。
最后，空间计算科学家需要更多的机构支持。除了一次性的大笔资助外，一些研究型大学已经建立了GIS中心(类似于20世纪60年代的计算机中心)，以及校园范围内的空间计划(如加州大学圣巴巴拉分校的空间研究中心;http://spatial.ucsb.edu/和明尼苏达大学的U-Spatial)，为包括气候变化和公共卫生在内的一系列学科的研究工作提供服务。更多的研究型大学应该效仿它们。
空间计算已经证明自己是社会的一个主要经济机会，对空间计算研究的进一步支持将确保更多革命性的进步到来。
致谢
在国家科学基金会的支持下，我们感谢计算社区联盟2012年空间计算可视化研讨会的参与者，特别是组委会成员:Peggy Agouris, Michael F. Goodchild(国家科学院成员)，Erik Hoel, John Jensen (ASPRS, AACI)， Craig A. Knoblock, Richard Langley(导航研究所)，Edward Mikhail (ASPRS)， Ouri Wolfson和May Yuan (UCGIS前主席)。我们感谢整个计算社区联盟，包括Erwin Gianchandani、Kenneth Hines、Hank Korth和Eric Horvitz的指导和有价值的反馈。我们感谢明尼苏达大学的Michael Evans、Dev Oliver、Venkata Gunturi和Reem Ali在空间计算2020愿景活动中的帮助。我们也要感谢12届《愿景与挑战》论文追踪的贡献者th空间和时间数据库国际研讨会。40我们感谢Kim Koffolt提高了本文的可读性。Shashi Shekhar的研究由国家科学基金会通过拨款1029711,iss -1320580, 0940818和iss -1218168支持，美国国防部通过拨款HM1582-08-1-0017和HM0210-13-1-0005支持，明尼苏达大学在OVPR U-Spatial项目下支持。Steven K. Feiner的研究得到了美国国家科学基金会iss -1514429拨款的部分支持。Walid G. Aref的研究得到了美国国家科学基金会iis1117766拨款的部分支持。
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脚注
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数据
图1。地理信息系统。2003年的一篇文章《经济学人》严重低估了朝鲜导弹的飞行距离，因为它的地图没有考虑到地球的球形;正确的版本如下。9
图2。1854年伦敦的水泵选址和霍乱死亡人数分析:54(a)泵站和死亡人数;(b)空间统计检验的输出。
图4。飞机发动机装配中的实验性增强现实辅助。程序性任务的精神运动阶段的增强现实。在IEEE混合和增强现实国际研讨会论文集(2011)。
数字观看作者在此独家讨论他们的工作通信视频。//www.eqigeno.com/videos/spatial-computing
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