秦 昆，康朝貴

(武漢大學(xué) 遙感信息工程學(xué)院,湖北 武漢 430072)

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計(jì)算社會(huì)科學(xué)的時(shí)空分析理論與方法

秦 昆，康朝貴

(武漢大學(xué) 遙感信息工程學(xué)院,湖北 武漢 430072)

一、時(shí)空問(wèn)題是大數(shù)據(jù)時(shí)代計(jì)算社會(huì)科學(xué)的關(guān)鍵問(wèn)題之一

正在向智慧社會(huì)方向發(fā)展的大數(shù)據(jù)時(shí)代的計(jì)算社會(huì)科學(xué)具有復(fù)雜性、自適應(yīng)性、社會(huì)交互性和時(shí)空特性等特點(diǎn)，從社會(huì)數(shù)據(jù)、信號(hào)、情報(bào)到社會(huì)智慧的轉(zhuǎn)化及量化是智慧社會(huì)的核心目標(biāo)。計(jì)算社會(huì)科學(xué)利用先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)、信息技術(shù)和智能技術(shù)等定量分析方法，研究復(fù)雜的人類行為及社會(huì)運(yùn)行，既體現(xiàn)了日趨復(fù)雜的人類活動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)社會(huì)所提出的迫切現(xiàn)實(shí)需求，也促進(jìn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)及多學(xué)科交叉所產(chǎn)生的新方法、新工具的快速發(fā)展。

然而，作為一種新的研究范式，計(jì)算社會(huì)科學(xué)在引起普遍關(guān)注的同時(shí)，也引發(fā)了廣泛的爭(zhēng)論和質(zhì)疑。要充分認(rèn)識(shí)計(jì)算社會(huì)科學(xué)的積極意義與價(jià)值，我們必須對(duì)自然科學(xué)、以技術(shù)為主導(dǎo)的學(xué)科、工業(yè)界與計(jì)算社會(huì)科學(xué)的交叉融合及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行深入思考：社會(huì)科學(xué)的可計(jì)算性及其核心技術(shù)是什么？社會(huì)系統(tǒng)的復(fù)雜自適應(yīng)性及其如何度量？社會(huì)系統(tǒng)具有何種時(shí)空分布及演變規(guī)律？腦科學(xué)與智能科學(xué)與技術(shù)如何影響計(jì)算社會(huì)科學(xué)？如何分析大數(shù)據(jù)時(shí)代計(jì)算社會(huì)科學(xué)的物理機(jī)制和生態(tài)學(xué)機(jī)制？如何分析大數(shù)據(jù)時(shí)代計(jì)算社會(huì)科學(xué)的社會(huì)交互網(wǎng)絡(luò)？如何建立相對(duì)合理完善的計(jì)算社會(huì)科學(xué)的方法體系？正確認(rèn)識(shí)這些問(wèn)題，乃是理解和預(yù)測(cè)計(jì)算社會(huì)科學(xué)及其支撐學(xué)科的走向和發(fā)展前景、促進(jìn)社會(huì)科學(xué)研究者接受和發(fā)展計(jì)算社會(huì)科學(xué)研究的動(dòng)力。

上述問(wèn)題中，時(shí)空問(wèn)題已成為大數(shù)據(jù)時(shí)代計(jì)算社會(huì)科學(xué)順利發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一。如何借助遙感(RS：Remote Sensing)、地理信息系統(tǒng)(GIS：Geographical Information System)、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS：Global Navigation Satellite System)等空間信息科學(xué)與技術(shù)，從時(shí)空觀的角度，研究和探討計(jì)算社會(huì)科學(xué)的時(shí)空分析理論和方法，是擁抱大數(shù)據(jù)時(shí)代計(jì)算社會(huì)科學(xué)的重要發(fā)展方向。

二、計(jì)算社會(huì)科學(xué)的時(shí)空觀

時(shí)空問(wèn)題是社會(huì)理論的核心。社會(huì)科學(xué)是以“人”為研究對(duì)象的學(xué)科，同時(shí)研究人與地理空間的關(guān)系；地理空間信息科學(xué)是以“地理空間”為研究對(duì)象的學(xué)科，同時(shí)研究地理空間與人的關(guān)系。二者分別從不同的視角研究“人——地關(guān)系”和“地——人關(guān)系”。

社會(huì)的一切結(jié)構(gòu)性和過(guò)程性變遷，不僅都是在時(shí)空維度上進(jìn)行的，而且時(shí)空變化構(gòu)成了一切社會(huì)變化最基礎(chǔ)的層面。因此，社會(huì)時(shí)空視角被看作研究社會(huì)發(fā)展的基本視角，社會(huì)時(shí)空分析被廣泛運(yùn)用于社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域。以人文社會(huì)科學(xué)研究的“空間轉(zhuǎn)向”為契機(jī)，運(yùn)用地理空間信息科學(xué)的空間綜合思維，可以加強(qiáng)社會(huì)科學(xué)基礎(chǔ)性研究成果的整理、挖掘與可視化表達(dá)，促進(jìn)社會(huì)科學(xué)相關(guān)學(xué)科的交叉與融合，形成新的研究方向和研究課題，從而推動(dòng)計(jì)算社會(huì)科學(xué)研究走向縱深。然而，受限于數(shù)據(jù)采集、管理、分析、展示的能力，傳統(tǒng)社會(huì)科學(xué)研究學(xué)者對(duì)“時(shí)空”進(jìn)行研究在尺度、粒度、直觀度等方面已經(jīng)顯得較為落后，從而限制了相關(guān)研究及結(jié)果的傳播。

因此，抓住大數(shù)據(jù)、地理計(jì)算、遙感科學(xué)、地理信息科學(xué)和社會(huì)智能等科技進(jìn)步帶來(lái)的重大機(jī)遇，尋求建立更具綜合性和一般性的空間綜合人文社會(huì)科學(xué)理論，是人文科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、計(jì)算科學(xué)和空間科學(xué)、地理信息科學(xué)等領(lǐng)域?qū)W者的共同歷史使命。以遙感、地理信息系統(tǒng)、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為核心的地理空間信息科學(xué)與技術(shù)，集地理信息、空間分析方法與地理空間知識(shí)于一體，為多種學(xué)科、多種來(lái)源的數(shù)據(jù)整合與集成提供了技術(shù)平臺(tái)，為擴(kuò)展傳統(tǒng)學(xué)科、促進(jìn)學(xué)科交叉融合和開拓新興學(xué)科提供了信息和學(xué)術(shù)支撐。

三、計(jì)算社會(huì)科學(xué)的時(shí)空分析方法

以大數(shù)據(jù)時(shí)代計(jì)算社會(huì)科學(xué)的時(shí)空觀為理論基礎(chǔ)，針對(duì)時(shí)空分析與時(shí)空可視化的迫切需求，計(jì)算社會(huì)科學(xué)應(yīng)重點(diǎn)開展以下幾個(gè)方面的時(shí)空分析方法研究。

(一)計(jì)算社會(huì)科學(xué)的空間化與可視化方法

利用地理編碼方法，將計(jì)算社會(huì)科學(xué)中的文本信息、描述性信息進(jìn)行空間化處理，進(jìn)行地學(xué)可視化表達(dá)，讓抽象的描述性文字在地理空間中進(jìn)行地學(xué)可視化，將為計(jì)算社會(huì)科學(xué)的研究提供更加形象和科學(xué)的表達(dá)方法。

地理編碼(Geocoding)，也稱為地址匹配，是將地址映射成地理坐標(biāo)的過(guò)程，它提供了一種把描述文本地址的地理位置信息轉(zhuǎn)換成地理坐標(biāo)的方式。地理編碼，可以利用地址數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)建立地址與地理坐標(biāo)空間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，地址編碼技術(shù)是大量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可視化定位和空間分析的橋梁。通過(guò)地理編碼，可以實(shí)現(xiàn)原有信息系統(tǒng)和空間信息的融合，將日常的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、人文、歷史、旅游、商業(yè)等一系列城市生活中的信息空間化，用于在空間信息支持下進(jìn)行空間分析和決策應(yīng)用。

地學(xué)可視化(Geo-visualization)，也稱地理空間數(shù)據(jù)可視化，指運(yùn)用地圖學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將地學(xué)信息輸入、處理、查詢、分析以及預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)及結(jié)果采用圖形符號(hào)、圖形、圖像，并結(jié)合圖表、文字、表格、視頻、音頻等可視化形式顯示，進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。對(duì)計(jì)算社會(huì)科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行地學(xué)可視化，可以讓社會(huì)科學(xué)問(wèn)題在實(shí)際的地理空間進(jìn)行可視化展現(xiàn)，從而在可視化的“人——地”空間中進(jìn)行社會(huì)問(wèn)題的分析，將產(chǎn)生一系列有效的計(jì)算社會(huì)科學(xué)的地學(xué)可視化分析方法。

我們認(rèn)為：抓住信息科學(xué)發(fā)展的機(jī)遇，引入地理空間信息科學(xué)領(lǐng)域的地理編碼技術(shù)和地學(xué)可視化技術(shù)，對(duì)社會(huì)科學(xué)研究的問(wèn)題和社會(huì)要素?cái)?shù)據(jù)在地理空間進(jìn)行空間定位、地學(xué)可視化展示，將對(duì)社會(huì)科學(xué)的研究方法和思路產(chǎn)生革命性的變化，并將促進(jìn)計(jì)算社會(huì)科學(xué)的極大發(fā)展。

(二)計(jì)算社會(huì)科學(xué)的時(shí)空統(tǒng)計(jì)分析方法

統(tǒng)計(jì)分析是社會(huì)調(diào)查研究的常用方法。但是，面對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代計(jì)算社會(huì)科學(xué)中的海量時(shí)空數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的社會(huì)統(tǒng)計(jì)分析方法已經(jīng)難以勝任，迫切需要發(fā)展計(jì)算社會(huì)科學(xué)的時(shí)空統(tǒng)計(jì)分析方法，具體包括：

1.社會(huì)科學(xué)數(shù)據(jù)的探索性時(shí)空統(tǒng)計(jì)分析方法。探索性時(shí)空統(tǒng)計(jì)分析方法是在探索的基礎(chǔ)上再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空建模的方法，不預(yù)先作理論假設(shè)，實(shí)際上是 “讓時(shí)空數(shù)據(jù)說(shuō)話”的方法。

2.社會(huì)科學(xué)數(shù)據(jù)的時(shí)空相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析方法。時(shí)空相關(guān)性是一些時(shí)空變量之間時(shí)間和空間的相互依賴性，包括全局性時(shí)空相關(guān)性統(tǒng)計(jì)和局部時(shí)空相關(guān)性統(tǒng)計(jì)。從時(shí)間和空間兩個(gè)維度，對(duì)計(jì)算社會(huì)科學(xué)的社會(huì)要素?cái)?shù)據(jù)之間的空間相關(guān)性、時(shí)間相關(guān)性，以及時(shí)空交互的時(shí)空相關(guān)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.社會(huì)科學(xué)數(shù)據(jù)的時(shí)空聚集模式探測(cè)方法。對(duì)一些社會(huì)現(xiàn)象的時(shí)空分布模式進(jìn)行分析，對(duì)于社會(huì)科學(xué)研究具有十分重要的意義。這些社會(huì)現(xiàn)象的時(shí)空分布是規(guī)則的聚集分布模式，還是隨機(jī)分布模式？是什么因素影響和造成了這種分布模式？一種社會(huì)現(xiàn)象的時(shí)空分布是否會(huì)對(duì)另一種社會(huì)現(xiàn)象的時(shí)空分布產(chǎn)生影響？如何量化這種影響？諸如此類問(wèn)題的分析需要建立和發(fā)展社會(huì)科學(xué)數(shù)據(jù)的時(shí)空聚集模式探測(cè)方法，可以將地理空間信息科學(xué)的時(shí)空聚集模式探測(cè)方法，引入社會(huì)科學(xué)數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域，并進(jìn)行適應(yīng)性改造，從而發(fā)展社會(huì)科學(xué)數(shù)據(jù)的時(shí)空聚集模式探測(cè)方法。

我們認(rèn)為：將社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域的一般統(tǒng)計(jì)方法，擴(kuò)展為社會(huì)科學(xué)數(shù)據(jù)的時(shí)空統(tǒng)計(jì)分析方法，將社會(huì)空間與地理空間進(jìn)行統(tǒng)一分析，必將產(chǎn)生一些創(chuàng)新性的時(shí)空統(tǒng)計(jì)分析方法，也將促進(jìn)計(jì)算社會(huì)科學(xué)、時(shí)空統(tǒng)計(jì)分析方法的大發(fā)展。

(三)計(jì)算社會(huì)科學(xué)的時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)方法

在大數(shù)據(jù)時(shí)代，我們積累了越來(lái)越多的社會(huì)科學(xué)數(shù)據(jù)，含有豐富的時(shí)空信息，將這些數(shù)據(jù)和信息轉(zhuǎn)化為有效的知識(shí)，是計(jì)算社會(huì)科學(xué)服務(wù)于智慧社會(huì)的迫切需要。時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)，是從時(shí)空數(shù)據(jù)中提取隱含其中的、事先未知的、潛在有用的、最終可理解的時(shí)空知識(shí)和規(guī)則的過(guò)程。將時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)方法引入大數(shù)據(jù)時(shí)代的計(jì)算社會(huì)科學(xué)，可產(chǎn)生以下方法：(1)計(jì)算社會(huì)科學(xué)數(shù)據(jù)的時(shí)空聚類方法；(2)計(jì)算社會(huì)科學(xué)的時(shí)空關(guān)聯(lián)挖掘方法；(3)計(jì)算社會(huì)科學(xué)數(shù)據(jù)的時(shí)空預(yù)測(cè)方法。

將時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)方法引入計(jì)算社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域，可以發(fā)展計(jì)算社會(huì)科學(xué)的大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，將研究出一些創(chuàng)新性的社會(huì)數(shù)據(jù)時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)方法。

(四)計(jì)算社會(huì)科學(xué)的時(shí)空分析建模與輔助決策服務(wù)方法

時(shí)空分析建模是運(yùn)用地理時(shí)空分析方法建立有效的時(shí)空分析模型，產(chǎn)生期望的信息，并提供輔助決策服務(wù)的過(guò)程和方法。智慧社會(huì)是大數(shù)據(jù)時(shí)代計(jì)算社會(huì)科學(xué)的發(fā)展目標(biāo)，通過(guò)對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代社會(huì)科學(xué)的特點(diǎn)進(jìn)行研究，分析和吸收大數(shù)據(jù)時(shí)代與計(jì)算社會(huì)科學(xué)相關(guān)的多學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新成果，研究計(jì)算社會(huì)科學(xué)在智慧社會(huì)中的具體應(yīng)用，如教育問(wèn)題、農(nóng)民工問(wèn)題、社會(huì)治理創(chuàng)新、群體性事件發(fā)生時(shí)的應(yīng)對(duì)等，通過(guò)分析這些具體的社會(huì)問(wèn)題，構(gòu)建時(shí)空分析模型，提供輔助決策服務(wù)，從而有利于促進(jìn)計(jì)算社會(huì)科學(xué)自身在智慧社會(huì)領(lǐng)域的長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展。

計(jì)算社會(huì)科學(xué)研究的最終目的是為社會(huì)服務(wù)，為解決現(xiàn)實(shí)中的教育問(wèn)題、農(nóng)民工問(wèn)題、社會(huì)治理問(wèn)題、群體性事件問(wèn)題等貢獻(xiàn)一份力量。通過(guò)構(gòu)建計(jì)算社會(huì)科學(xué)問(wèn)題研究的時(shí)空分析模型，并提供輔助決策服務(wù)，將為現(xiàn)實(shí)社會(huì)問(wèn)題的解決提供更加科學(xué)有效的方法。

四、空間人文社會(huì)調(diào)查與分析方案

下面以我們正在開展的一項(xiàng)社會(huì)科學(xué)與地理空間信息科學(xué)學(xué)科交叉的項(xiàng)目為例，介紹空間人文社會(huì)調(diào)查與分析方法，對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代計(jì)算社會(huì)科學(xué)的時(shí)空分析方法進(jìn)行一個(gè)實(shí)際的探索性研究。

GIS(地理信息系統(tǒng))與GPS(全球定位系統(tǒng))技術(shù)正在逐步應(yīng)用于人文社會(huì)科學(xué)，為人文社會(huì)科學(xué)的研究提供了空間化、計(jì)量化的新技術(shù)和新手段。我們的項(xiàng)目從測(cè)繪地理信息科學(xué)與社會(huì)科學(xué)學(xué)科交叉入手，研究和探討基于GIS和GPS的空間人文社會(huì)調(diào)查與分析方法，具體包括：(1)GIS支持下的社會(huì)調(diào)查空間抽樣方法；(2)GIS和GPS支持下的社會(huì)調(diào)查輔助技術(shù)；(3)社會(huì)調(diào)查的行為軌跡分析方法；(4)社會(huì)調(diào)查數(shù)據(jù)的空間統(tǒng)計(jì)分析方法。

上述研究將為社會(huì)調(diào)查提供空間化和可視化的新方法，拓展GIS和GPS在人文社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，從而為測(cè)繪地理信息科學(xué)與社會(huì)科學(xué)的交叉融合做出基礎(chǔ)性貢獻(xiàn)。

五、結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代計(jì)算社會(huì)科學(xué)的時(shí)空分析理論、方法和應(yīng)用進(jìn)行了探索性的討論。在計(jì)算社會(huì)科學(xué)的新語(yǔ)境下，社會(huì)科學(xué)與地理空間信息科學(xué)的交叉融合，正成為國(guó)際研究的新熱點(diǎn)，雙方的學(xué)者日益注重借鑒對(duì)方的視角，對(duì)社會(huì)結(jié)構(gòu)與社會(huì)過(guò)程中的“人——地關(guān)系”和“地——人關(guān)系”展開創(chuàng)新性的交叉研究。從社會(huì)科學(xué)研究者的角度來(lái)看，社會(huì)科學(xué)研究急需地理信息科學(xué)(遙感、地理信息系統(tǒng)、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))為其提供空間化、可視化、定量化的新技術(shù)手段。站在地理信息科學(xué)研究者的角度而言，地理信息科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者也迫切需要拓展在人文社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，研究地理信息科學(xué)理論與技術(shù)在人文社會(huì)科學(xué)中應(yīng)用的新理論和新方法。兩大領(lǐng)域?qū)W者的合作研究與交流討論必將產(chǎn)生更多的創(chuàng)新性成果，必將促進(jìn)兩大學(xué)科各自產(chǎn)生長(zhǎng)足的進(jìn)步，從而共同為推動(dòng)社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步貢獻(xiàn)一份力量。

2016-09-12

國(guó)家社科基金重大項(xiàng)目“大數(shù)據(jù)時(shí)代計(jì)算社會(huì)科學(xué)的產(chǎn)生、現(xiàn)狀與發(fā)展前景研究”(16ZDA086)的階段性成果。

秦 昆(1972-)，男，湖北隨州人，武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：空間分析與數(shù)據(jù)挖掘、智能空間信息處理；康朝貴(1987-)，男，湖南衡陽(yáng)人，武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院講師，博士。研究方向：軌跡計(jì)算、城市信息學(xué)。