制图科学：GIS 如何改变我们的世界观

在世界任何地方，这都是忙碌的一天。你从床上滚下来，拿起你的智能手机。您查看新闻网站或天气应用程序，或查找赴约路线。大多数人不会想太多，但这些现代便利依赖于空间数据——连接和覆盖世界不同方面信息的地图。

该空间数据使用地理信息系统 （GIS） 进行组织，地理信息系统是用于存储、可视化、分析和解释地理数据的基于计算机的工具。有关道路、地形、天气状况、地标、企业等的信息被组织成图层，可以组合并显示在地图上。

如今，无处不在的 GIS 远远超出了智能手机的范畴，延伸到工业使用的系统（例如，确保产品和人员到达他们需要去的地方），再到各种科学应用。它帮助流行病学家绘制疾病传播图，生态学家了解野生动物的运动，气候科学家了解冰川、海平面和区域天气模式的变化。此外，GIS 还帮助研究全球冲突和移民的社会科学家以及城市规划师和工程师确定新开发和基础设施的最佳地点。

我们依赖 GIS 的世界和 GIS 相关科学是如何演变的，GIS 从何而来？事实证明，美国国家科学基金会在这项技术的发展和增长中发挥了核心作用。这种支持一直持续到今天。仅在过去两年中，NSF就授予了大约180笔赠款，总额超过8300万美元，以支持与GIS相关的研究，涉及地理、数学、计算机科学、地质学、人类学和教育等领域。

从空间数据处理到地理信息科学

当 GIS 在 1950 年代和 60 年代首次开发时，它被称为空间数据处理，反映了该领域起源于一种技术追求——使用计算机来管理、显示和分析空间数据。

1969 年，Jack Dangermond 和他的妻子 Laura 创立了环境系统研究所（现称为 Esri），以帮助客户将 GIS 用于土地利用和规划项目。随着时间的流逝，这项工作转变为销售 Esri 为这些项目开发的软件的企业。“我们真正开始的想法是将地理信息抽象为图层，将其放入计算机中，”Jack Dangermond 回忆道，“……我们必须对我们正在做的事情进行某种程度的弥补。我们必须发明数据模型。

到了 80 年代，从业者开始争论 GIS 是否不仅仅是一种地图制作和分析技术。1988 年，美国国家地理信息与分析中心 （NCGIA） 成立，是 NSF 资助的加州大学圣巴巴拉分校、纽约州立大学布法罗分校和缅因大学之间的联盟。

在接下来的十年中，NCGIA的举措涵盖了有关空间数据的基本问题，包括其准确性和代表性。该计划还深入研究了与使用、管理和共享大型数据集相关的更多技术问题，并探索了用于研究全球变化、法律、社会政策等的 GIS 应用。在这一系列的研究活动中，该中心开发了第一个 GIS 核心课程。

NCGIA的研究和课程产出有助于将地理信息系统的研究提升为一门科学。“我认为，使用相同的首字母缩略词GIS很有意义，但含义从’S等于系统’到’S等于科学’，”UCSB名誉杰出教授迈克尔·古德柴尔德（Michael Goodchild）说。“这是将 GIS 变成一门公认的科学的共同努力。”

价值 280 亿美元的产业

随着 1990 年代的结束，NCGIA 的努力已经分拆成几个相关的 NSF 支持中心，包括位于 UCSB 的空间综合社会科学中心和国家生态分析与综合中心。地理信息系统在科学中的应用已经从地理学扩展到社会学和犯罪学，从地质学扩展到保护科学、生态学和工程学。很大程度上，由于NCGIA的核心课程，GIS教学也得到了普及。

开源和专有软件的使用，如Esri提供的软件，已经加速进入Dangermond估计的“280亿美元的应用程序生态系统”。GIS 认证协会在 2020 年估计有超过 675,000 人从事 GIS 专业人员工作。

“美国国家科学基金会（National Science Foundation）对投资该中心的洞察力具有巨大的影响力，”丹格蒙德说。“这可能是NSF有史以来最具杠杆率的投资之一。

空间整合社会科学中心（Center for Spatially Integrated Social Sciences）从NCGIA停止的地方开始，支持更多的研究计划，并专注于旨在培训社会科学家GIS工具和理论的研讨会。地理信息系统的科学、技术和应用也在继续交织在一起。Dangermond 将它们描述为三角形的边，其比例随时间而变化。“有时研究会增长，然后技术就会赶上。…有时应用程序会向前推进，有时基础技术会改变事物。

在地图的指导下将田野聚集在一起

GIS最初是为了将地图与计算机系统集成而开发的。但现在很少有技术没有 GIS 组件。“导航、天气预报、交付系统，这一切都是由空间数据科学推动的，”UCSB地理学杰克和劳拉·丹格蒙德（Jack and Laura Dangermond）主席Trisalyn Nelson说。“问题是，人们往往没有意识到他们正在使用空间技术，但如果它停止工作，他们会注意到。

UCSB很早就对GIS研究人员、项目和中心进行了战略性投资。像古德柴尔德这样的教师努力将这项技术发展成为一门成熟的科学学科，地理信息科学一直是该大学的强项。GIS 已融入整个校园的研究，UCSB 拥有空间研究和数据科学中心，该中心促进学术界、工业界和政府机构的空间思维和分析。

UCSB的教职员工继续为GIS寻找新的应用。美国国家科学基金会（NSF）的受助人索马耶·道奇（Somayeh Dodge）利用运动来调查群体与其环境之间的变化和反馈——从当地对野火的反应到泰国大型猫科动物的行为。与此同时，艾米·弗雷泽（Amy Frazier）也是NSF的受助人，她使用GIS、机器学习和统计学来为保护决策提供信息。她希望生物和环境数据可以帮助政策制定者对哪些地区进行分类，以保护哪些地区，以便最大限度地提高生物多样性和气候适应力的效益。

Nelson 本人使用 GIS 来了解交通以及大数据如何为更好的城市规划提供信息。Nelson 领导创建了 BikeMaps.org，这是一个网络地图和应用程序，用于收集有关自行车碰撞和未遂事故的自愿地理信息。

使用人工智能合成空间数据也带来了机遇和挑战，同时创建了数字孪生——现实世界系统的计算机模型，这些模型非常强大，可用于模拟和预测现实世界的场景。数据共享和访问也是重要的问题，使 GIS 的优势民主化。

“人工智能正在极大地颠覆教育系统和研究世界，”古德柴尔德说。“我们已经开始使用人工智能进行预测。我们还将人工智能用于空间搜索。

无论这些新发展的结果如何，GIS 已经取得了长足的进步，从空间数据处理到充满活力的科学领域，该领域构成了帮助解决现代社会一些最关键问题的集成方法的基础。

这个故事改编自美国国家科学基金会提供的版本。