葉信岳

(美國(guó)肯特州立大學(xué) 計(jì)算社會(huì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，俄亥俄州 44240)

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時(shí)空計(jì)量分析的框架研究

葉信岳

(美國(guó)肯特州立大學(xué) 計(jì)算社會(huì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，俄亥俄州 44240)

推動(dòng)科學(xué)研究設(shè)計(jì)的應(yīng)該是研究問(wèn)題。大多數(shù)實(shí)證研究是由某些明確界定的研究問(wèn)題激發(fā)出來(lái)的。因此，研究者總是尋找合適的分析方法和適合于該方法的研究數(shù)據(jù)。研究分析解釋和成果評(píng)估則往往在研究的最后階段才進(jìn)行。然而，傳統(tǒng)的研究方法在揭示地理的時(shí)空現(xiàn)象上并不是非常有用，尤其是在處理一些新的、大量的和復(fù)雜的時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)。正如經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象的時(shí)間和空間耦合屬性難以去表達(dá)與檢視，GIS與經(jīng)濟(jì)地理面臨著同樣的挑戰(zhàn): 即如何在跨尺度與跨維度的層面來(lái)處理地理過(guò)程的時(shí)間演變動(dòng)態(tài)，以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程的空間演化動(dòng)態(tài)。為此，需要新的方法來(lái)概括時(shí)空經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的特征與結(jié)構(gòu)。動(dòng)態(tài)GIS將為認(rèn)清某些演變模式提供分析工具，并通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)變化的預(yù)測(cè)。GIS與經(jīng)濟(jì)地理在處理跨尺度和維度的地理過(guò)程時(shí)間動(dòng)態(tài)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間動(dòng)態(tài)方面面臨著挑戰(zhàn)。耦合了空間和時(shí)間屬性的經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象集成了空間、時(shí)間屬性, 在單一數(shù)據(jù)集下很難表達(dá)與檢視。我們可以利用多種類型的跨尺度與跨維度分析單元來(lái)一般化時(shí)空經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)集的特征和結(jié)構(gòu)。這些分析單元發(fā)揮類似建筑街區(qū)的作用，用于構(gòu)建表達(dá)經(jīng)濟(jì)世界的時(shí)空系統(tǒng)。為此，經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)分析可系統(tǒng)地抽象，在此基礎(chǔ)上可以開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的分析工具。

區(qū)域差異研究向來(lái)是地理學(xué)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，眾多的學(xué)者從不同角度提出了諸多區(qū)域差異測(cè)度方法，包括非時(shí)空測(cè)度方法、時(shí)間序列測(cè)度方法、空間測(cè)度方法和時(shí)空測(cè)度方法?？v觀已有研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)展于主流社會(huì)科學(xué)學(xué)科的方法在應(yīng)用時(shí)，很少關(guān)注到空間自相關(guān)造成的潛在挑戰(zhàn)，更別說(shuō)在多尺度隨時(shí)間推移的空間效應(yīng)。所以，隨著區(qū)域差異研究的不斷深入，構(gòu)建一個(gè)能發(fā)掘空間、時(shí)間和經(jīng)濟(jì)屬性相互作用的區(qū)域差異分析框架已十分必要。若要發(fā)展一套更為明確的空間增長(zhǎng)理論，首先必須有一套可操作的測(cè)量方法來(lái)捕捉隱含在區(qū)域數(shù)據(jù)集中的空間動(dòng)態(tài)特征。將工具、數(shù)據(jù)模型和軟件進(jìn)行有效的整合是今后區(qū)域差異分析方法的研究方向。換言之，開(kāi)發(fā)該工具有利于更好地理解時(shí)空經(jīng)濟(jì)系統(tǒng), 發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的多層依賴和異質(zhì)性。該框架能夠在更好的尺度和維度水平上，有助于動(dòng)態(tài)GIS揭示經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象的時(shí)空動(dòng)態(tài)。此外，若失去時(shí)空計(jì)量工具和空間經(jīng)濟(jì)學(xué)之間的相互裨益，時(shí)空計(jì)量將僅局限為一項(xiàng)技術(shù)，而不是對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展問(wèn)題的一個(gè)解決方案。時(shí)空計(jì)量分析流程和與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)相關(guān)的特定知識(shí)，共同決定適宜工具和方法的選擇。

空間模式與其時(shí)間是相關(guān)聯(lián)的，調(diào)查研究這一空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和更改的過(guò)程，應(yīng)該理解時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)。因此，在構(gòu)思一個(gè)新的研究問(wèn)題之前，分析者應(yīng)該熟悉數(shù)據(jù)情況。熟悉數(shù)據(jù)的過(guò)程就是探索性數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。

探索性數(shù)據(jù)分析用于交互式地提出假設(shè)。在探索性數(shù)據(jù)分析的框架結(jié)構(gòu)下，探索性空間數(shù)據(jù)分析被定義為發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的空間模式，根據(jù)地理數(shù)據(jù)提出系統(tǒng)假設(shè)，評(píng)估空間模型。它是一系列旨在描述和觀察空間分布的技術(shù)，這些技術(shù)識(shí)別空間特異值，探索空間關(guān)聯(lián)、集群或熱點(diǎn)地區(qū)的模式，識(shí)別空間體制或其他的空間異質(zhì)性形式。大量證據(jù)闡明空間依賴性和異質(zhì)性，往往是規(guī)則而不是例外。探索性空間數(shù)據(jù)分析，能夠揭示其他方法所無(wú)法確定的復(fù)雜的空間現(xiàn)象，它也為系統(tǒng)化闡述新穎的研究問(wèn)題奠定了基礎(chǔ)。

與此同時(shí)，人們?cè)诮?jīng)濟(jì)收斂和差異的研究中，越來(lái)越意識(shí)到空間的重要性?？臻g概念在自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)中的轉(zhuǎn)變，是要將地理信息引入到這些領(lǐng)域的概念框架并進(jìn)行應(yīng)用。隨著世界經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和政治領(lǐng)域的日益全球化，導(dǎo)致進(jìn)一步研究區(qū)域現(xiàn)象的興趣加深。然而，近期的區(qū)域經(jīng)濟(jì)學(xué)研究成果受到批評(píng)，因現(xiàn)存的經(jīng)濟(jì)和區(qū)域發(fā)展理論，不能完全解釋在實(shí)證研究中遇到的空間模式的豐富細(xì)節(jié)。在增長(zhǎng)與收斂的常規(guī)理論模型中集成時(shí)空因素，是可靠政策建議的先決條件，有助于規(guī)劃制定和評(píng)估區(qū)域政策。目前，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)分析中的時(shí)空關(guān)系開(kāi)始受到關(guān)注。然而，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的研究結(jié)果，通常在一個(gè)相同的經(jīng)濟(jì)體系內(nèi)表現(xiàn)出差異，甚至相互矛盾，因?yàn)榻?jīng)濟(jì)發(fā)展是一個(gè)多空間多尺度的現(xiàn)象。舉世矚目的中國(guó)經(jīng)濟(jì)成就背后的區(qū)域差異問(wèn)題日益引起人們的關(guān)注與重視。中國(guó)地域遼闊，空間跨度大，自然稟賦和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展條件迥異。改革開(kāi)放后，在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)作用下，具備良好的發(fā)展條件和政策的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)快速發(fā)展，并在報(bào)酬遞增機(jī)制的作用下，出現(xiàn)了強(qiáng)者愈強(qiáng)、弱者愈弱的沿海與內(nèi)陸、東部與中西部、城市與鄉(xiāng)村的區(qū)域差異格局。國(guó)內(nèi)外實(shí)踐已經(jīng)證明，過(guò)大的區(qū)域差異會(huì)降低經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)產(chǎn)生的福利，產(chǎn)生一系列的社會(huì)問(wèn)題，進(jìn)而阻礙經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展。因此，縮小區(qū)域差異，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)可持續(xù)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，是當(dāng)前中國(guó)發(fā)展的重要任務(wù)。

隨著人們對(duì)空間因素的重視程度越來(lái)越高，對(duì)區(qū)域差異的研究方法越來(lái)越傾向于由時(shí)間差異向空間、時(shí)空差異轉(zhuǎn)變，融合時(shí)間、空間和其他屬性于一體成為重要趨勢(shì)。回顧已有研究可以發(fā)現(xiàn)，眾多學(xué)者從不同尺度，運(yùn)用不同方法對(duì)區(qū)域差異進(jìn)行研究得出了分歧較大的結(jié)論，可見(jiàn)研究方法對(duì)最終的研究結(jié)果有較大的影響?？臻g計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)，強(qiáng)調(diào)空間依賴和空間尺度在分析區(qū)域經(jīng)濟(jì)收入分布動(dòng)態(tài)中的重要作用。一系列的探索性空間數(shù)據(jù)分析技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在區(qū)域收入分配的研究中。馬爾科夫鏈方法記載了時(shí)空數(shù)據(jù)的趨勢(shì)穩(wěn)定性、形態(tài)和等級(jí)變動(dòng)等方面。為了理解時(shí)空在經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象中的作用，很多新穎的數(shù)據(jù)分析和可視化方法正在日益凸顯出其價(jià)值，尤其是在分析分配稀缺資源方面。顯然，時(shí)空關(guān)系日益成為我們理解經(jīng)濟(jì)發(fā)展的視角，新的研究方法需要真正地整合時(shí)間和空間。時(shí)空方法可以通過(guò)空間依賴結(jié)合演變，或者通過(guò)延伸靜態(tài)的空間到一個(gè)動(dòng)態(tài)的環(huán)境。因此，擁有一個(gè)可以完全探索空間、時(shí)間和跨尺度經(jīng)濟(jì)屬性之間相互關(guān)系的框架，以及構(gòu)建一個(gè)能夠引導(dǎo)時(shí)空計(jì)量分析設(shè)計(jì)的研究問(wèn)題系統(tǒng)都是非常有價(jià)值的。

在很多學(xué)科中，研究人員要求比較和對(duì)比兩個(gè)事物，比如兩個(gè)理論，兩個(gè)時(shí)間趨勢(shì)，兩個(gè)空間過(guò)程等等。探索兩個(gè)地區(qū)之間的共性或者兩組區(qū)域的差異性是有意義的，這能夠提煉出一些重要的研究問(wèn)題。這種研究興趣跨越了各種各樣的學(xué)科。面對(duì)一系列棘手的差異性和相似性，需要設(shè)計(jì)的研究問(wèn)題更加具有邏輯和全面。研究者和政策制定者通過(guò)對(duì)比分析，能夠更好地理解不同的經(jīng)濟(jì)發(fā)展機(jī)制和政策的實(shí)施方案。此外，經(jīng)濟(jì)發(fā)展是一個(gè)多尺度現(xiàn)象，因?yàn)橐粋€(gè)尺度的分布特征可能會(huì)影響到另一個(gè)尺度中的分布。

盡管大量概念框架強(qiáng)調(diào)收入分配過(guò)程的空間動(dòng)態(tài)與不公平，但實(shí)證研究與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模型之間的差距仍在擴(kuò)大。很多基于增長(zhǎng)理論的經(jīng)濟(jì)計(jì)量模型，并不能合理地解析數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)空間效應(yīng)。因此，最為關(guān)鍵的是在假設(shè)檢驗(yàn)之前系統(tǒng)地理解數(shù)據(jù)。值得注意的是，數(shù)據(jù)收集過(guò)程同樣是基于我們對(duì)系統(tǒng)的理解和假設(shè)。然而，分析單元與觀察單元的定義應(yīng)該區(qū)別開(kāi)來(lái)，以便表征時(shí)空數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)。

分析單元是研究中被分析的主要實(shí)體，而觀察單元是數(shù)據(jù)收集與報(bào)告的基本實(shí)體。分析對(duì)象是被研究者設(shè)計(jì)出來(lái)的。然而，觀察主體由數(shù)據(jù)收集的方法所決定，并不能由研究者完全控制。大多數(shù)研究并不區(qū)分二者之間的差別。雖然有時(shí)將產(chǎn)生一些問(wèn)題，但認(rèn)識(shí)這一差別對(duì)于比較時(shí)空分析框架是非常重要的，主要原因在于分析單元涉及尺度問(wèn)題以及數(shù)據(jù)聚合，在展開(kāi)數(shù)據(jù)分析任務(wù)時(shí)非常有用。不同的空間區(qū)劃方案導(dǎo)致不同的分析單元類型，反過(guò)來(lái)生成審視相同數(shù)據(jù)的不同視角。因此，在形成研究問(wèn)題之前，考慮所有可能的空間視角是有價(jià)值的。同時(shí)，值得注意的是所有的時(shí)間配置也需要考慮進(jìn)來(lái)。當(dāng)空間和時(shí)間分劃方案均考慮以后，便生成了很多類型的分析單元。例如，失業(yè)問(wèn)題可以在縣級(jí)尺度利用月度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，也可以在州級(jí)尺度用年度數(shù)據(jù)分析，再或者在任何其他空間區(qū)劃和時(shí)間片段上進(jìn)行分析。

為了揭示這些關(guān)系，空間、時(shí)間與屬性的分布應(yīng)該作為度量所在的背景因素處理，而不是僅僅設(shè)定某個(gè)單一的空間或時(shí)間作為背景因素?？臻g的分布(空間維度)指代屬性的空間分布，而屬性的分布(統(tǒng)計(jì)分布維度)指對(duì)屬性的安排處理，展示它們觀察的或理論的發(fā)生頻率。此外，時(shí)間的分布(時(shí)間維度)表示的是屬性的時(shí)間動(dòng)態(tài)趨勢(shì)。美國(guó)加利福尼亞州1970年的人均收入可以映射到空間分布上的某個(gè)地區(qū)，時(shí)間趨勢(shì)上的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，以及統(tǒng)計(jì)分布上的某個(gè)位置。同樣，亞利桑那州的人均收入也可以從這三個(gè)維度上審視。值得注意的是，相鄰的加利福尼亞州與亞利桑那州(空間關(guān)系)在統(tǒng)計(jì)分布上的位置相差甚遠(yuǎn)。從時(shí)間角度來(lái)看，加利福尼亞州1970年的收入位于經(jīng)濟(jì)蕭條的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，而亞利桑那州在同年記錄了較高的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。如果這些分布不作為兩個(gè)收入的背景因素，也就無(wú)法發(fā)現(xiàn)二者之間的相似與差別。通過(guò)總結(jié)這些現(xiàn)象，可以生成數(shù)據(jù)分析的任務(wù)清單。換言之，如果忽略參考系與屬性之間的關(guān)系，很多有趣的研究問(wèn)題將無(wú)法深入下去。

除了維度，尺度問(wèn)題的認(rèn)知也十分重要。在此考慮四個(gè)尺度：個(gè)體尺度、局部尺度、中等尺度和全局尺度。個(gè)體尺度上的分析單元表示屬性的地理位置，屬性的時(shí)間標(biāo)簽或?qū)傩缘燃?jí)。換言之，個(gè)體尺度的分析單元并沒(méi)有將觀察對(duì)象之間的任何關(guān)系考慮進(jìn)去。局部尺度的分析單元對(duì)一組單元進(jìn)行探索，這些單元由聚焦對(duì)象及其鄰域?qū)ο笤谀骋粋€(gè)維度上形成。例如，在局部尺度上，聚焦州及其鄰域州從空間維度(分布)的視角可認(rèn)為是一個(gè)分析單元；聚焦年份以及相鄰的前一年和后一年從時(shí)間維度可視為一個(gè)分析單元；聚焦等級(jí)及其緊鄰的較高和較低級(jí)別從統(tǒng)計(jì)維度可視為一個(gè)分析單元。研究者可靈活定義哪些觀察對(duì)象可作為聚焦觀察對(duì)象在空間、時(shí)間和統(tǒng)計(jì)分布上的鄰域。例如，可使用各種類型的空間權(quán)重矩陣來(lái)定義聚焦觀察對(duì)象的空間鄰域單元。

中等尺度與局部尺度一樣，都是用來(lái)處理觀察對(duì)象的某個(gè)子集。中等尺度分析研究的是在空間、時(shí)間以及統(tǒng)計(jì)分布上具有相似特征的一組實(shí)體。換言之，局部尺度分析與中等尺度分析的差別在于獲取時(shí)空數(shù)據(jù)的方式不同。前者強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)集中的其他元素與聚焦對(duì)象相近，而后者在數(shù)據(jù)集中根本不存在聚焦元素。此外，后者的分析單元通常較前者具有更大的數(shù)據(jù)集合(空間范圍更廣或時(shí)間跨度更長(zhǎng))。例如，從空間維度視角，富裕州的空間分布在中等尺度上可看作是一個(gè)分析單元；從統(tǒng)計(jì)維度視角，收入落入同一個(gè)四分位范圍的州在中等尺度上可視為一個(gè)分析單元。正如上面三個(gè)實(shí)例所闡釋的那樣，中等尺度從觀察對(duì)象的范圍角度，可看作是介于局部尺度和全局尺度之間的一個(gè)尺度。

在全局尺度上的分析則是對(duì)所有區(qū)域、時(shí)間和屬性的全面檢視。例如，在全局尺度上，所有收入的空間分布是基于空間維度視角的分析單元；所有年份是基于時(shí)間維度的分析單元(時(shí)空動(dòng)態(tài)研究對(duì)初年和終年的選取非常敏感)；所有收入的統(tǒng)計(jì)分布可視為基于統(tǒng)計(jì)維度的分析單元。若僅局限于這些維度和尺度中的某一個(gè)，將導(dǎo)致對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)動(dòng)態(tài)理解的偏頗。探索式數(shù)據(jù)分析可概括為三個(gè)步驟：綜覽、縮放與過(guò)濾，按需進(jìn)行細(xì)節(jié)分析。在第一步，分析者必須對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面瀏覽，也即所指的全局尺度方法。在第二步，分析者對(duì)關(guān)注對(duì)象進(jìn)行縮放，也即所指的中等尺度方法。在第三步，分析者選取某個(gè)對(duì)象及(或)其周圍鄰域?qū)ο筮M(jìn)行更為詳細(xì)的檢視，也即所指的局部尺度或個(gè)體尺度方法。值得注意的是這一過(guò)程是循環(huán)迭代的，分析者可隨時(shí)不斷地回到上一步驟。

空間數(shù)據(jù)分析、時(shí)間數(shù)據(jù)分析以及概率分布分析，是時(shí)空數(shù)據(jù)的三個(gè)基本的分析方法。因此，將三個(gè)維度與四種尺度結(jié)合可以概念化為12個(gè)基本的分析單元。時(shí)空數(shù)據(jù)的這一分析視角有助于描述某些經(jīng)濟(jì)活動(dòng)模式，如發(fā)生于跨尺度的地理空間溢出現(xiàn)象，可能比傳統(tǒng)的宏觀經(jīng)濟(jì)要素具有更高的顯著性。通過(guò)識(shí)別分析單元，可建立一般的任務(wù)類型分類。這一框架可生成一個(gè)全面的研究問(wèn)題清單。 這一框架同樣可用于土地利用變化的元胞自動(dòng)機(jī)建模中，跨尺度空間維度可明確用于檢驗(yàn)各種構(gòu)建鄰域形成規(guī)則的情景，而跨尺度的時(shí)間維度將可很好地抽象為土地利用變化的生命周期。此外，屬性可用作不同發(fā)展階段的閾值(不同尺度統(tǒng)計(jì)分布)。

通過(guò)各種交互進(jìn)行模式探索，而這些視圖彼此動(dòng)態(tài)集成，由此產(chǎn)生動(dòng)態(tài)空間數(shù)據(jù)分析的第二層意義(第一層意思是將時(shí)間引入空間數(shù)據(jù)分析)。本框架所建議的尺度與維度豐富了交互與視圖的形式。在全局尺度上，網(wǎng)絡(luò)方法將經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)協(xié)方差矩陣在單一地圖上進(jìn)行可視化。該協(xié)方差矩陣反映了每個(gè)州(省)收入動(dòng)態(tài)之間協(xié)方差的矩陣形式。協(xié)方差提供了對(duì)兩兩收入集合之間相關(guān)強(qiáng)度的量度。這一成對(duì)的時(shí)態(tài)協(xié)方差可利用網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行地理表達(dá)。以每個(gè)區(qū)域?yàn)橹行?，它們之間的連邊(協(xié)方差聯(lián)系)是基于預(yù)定義的空間權(quán)重矩陣畫(huà)出的。協(xié)方差聯(lián)系受兩個(gè)相鄰空間單元間的時(shí)態(tài)協(xié)方差強(qiáng)度的制約。當(dāng)兩接壤區(qū)域的收入時(shí)間序列協(xié)方差高于全國(guó)平均水平，則定義這兩個(gè)區(qū)域在時(shí)間動(dòng)態(tài)上相似(具有強(qiáng)烈的時(shí)態(tài)聯(lián)系)。當(dāng)兩個(gè)收入時(shí)間動(dòng)態(tài)相似，則意味著在兩個(gè)區(qū)域之間可能存在某種類型的經(jīng)濟(jì)交互。

一旦知道了任意兩個(gè)區(qū)域之間的協(xié)方差，即可測(cè)度每個(gè)兩兩“區(qū)域?qū)Α敝g的時(shí)態(tài)聯(lián)系強(qiáng)度。該方法通過(guò)引入空間組件對(duì)收入的時(shí)間動(dòng)態(tài)進(jìn)行展示。更具體地說(shuō)，該網(wǎng)絡(luò)圖識(shí)別出了區(qū)域之間相似與不同的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)一個(gè)經(jīng)濟(jì)體與所有空間鄰域具有較強(qiáng)的時(shí)態(tài)聯(lián)系(表現(xiàn)出相似的時(shí)間動(dòng)態(tài))，那么對(duì)該聚焦區(qū)域來(lái)說(shuō)可能存在非常強(qiáng)的時(shí)空一體化。此外，不同的相關(guān)水平也可被可視化，其將截面關(guān)系更明確地識(shí)別出來(lái)。在中等尺度上，一組區(qū)域的空間特性可通過(guò)利用凸包描繪點(diǎn)集“形狀”的方法進(jìn)行匯總。例如，基于一組貧窮區(qū)域的凸包研究，可用于總結(jié)這些區(qū)域的空間分布。此外，這些凸包的時(shí)間穩(wěn)定性可能反映了某種隱蔽的空間擴(kuò)散或交互過(guò)程，其可通過(guò)探測(cè)凸包大小、緊密度和位置的改變發(fā)現(xiàn)。蛛網(wǎng)圖明確反映了某一區(qū)域與其他所有區(qū)域系統(tǒng)之間收入的時(shí)態(tài)協(xié)方差，反映了每個(gè)區(qū)域與其各自國(guó)家系統(tǒng)之間可能的經(jīng)濟(jì)一體化。該圖識(shí)別出與其共享同一動(dòng)態(tài)特征的特定區(qū)域。這些聯(lián)系均由連接聚焦區(qū)域與相似區(qū)域之間的連線顯示出來(lái)。

在局部尺度上，LISA是檢驗(yàn)局部自相關(guān)的一個(gè)指標(biāo)。將該局部空間依賴的靜態(tài)試圖擴(kuò)展到動(dòng)態(tài)環(huán)境背景下，LISA的時(shí)間路徑圖描繪了聚焦單元收入值與其空間滯后(聚焦單元一階鄰域均值)隨時(shí)間的成對(duì)移動(dòng)現(xiàn)象。LISA時(shí)間路徑也可視為Markov轉(zhuǎn)移矩陣的連續(xù)表達(dá)。多尺度多維度框架可揭示某些很難發(fā)現(xiàn)的隱藏時(shí)空模式。因此，這一框架為探索具有時(shí)間和空間維度的數(shù)據(jù)提供了一個(gè)理想和強(qiáng)大的環(huán)境。在全局尺度上有證據(jù)表明從收入的空間動(dòng)態(tài)來(lái)看，美國(guó)比中國(guó)的一體化更加明顯。然而，宏觀結(jié)構(gòu)通常可以掩蓋細(xì)節(jié)尺度上的大量波動(dòng)現(xiàn)象。美國(guó)和中國(guó)所有州(省)的LISA時(shí)間路徑表明，中國(guó)具有更為分散的空間動(dòng)態(tài)，可能意味著中國(guó)存在各種不同的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。研究者可進(jìn)一步確定哪些省份可能存在和其他經(jīng)濟(jì)單元完全不同的經(jīng)濟(jì)發(fā)展路徑，以及這一差異的程度有多大。在個(gè)體尺度上，某一特定州(省)可能沿統(tǒng)計(jì)分布上下移動(dòng)。在局部尺度上，聚焦區(qū)域可能具有與周邊區(qū)域不同的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度。在中等尺度上，某些統(tǒng)計(jì)分布區(qū)間可能反映了空間過(guò)程隨時(shí)間而變化的有趣現(xiàn)象。

很多社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)包含大量跨尺度的交互要素。這些系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)表達(dá)，以及這些交互的嚴(yán)格定量分析是人類理解世界的重要努力的一部分。比較時(shí)空框架通過(guò)結(jié)合空間——時(shí)間——統(tǒng)計(jì)分布與個(gè)體——局部——中等——全局尺度，可以發(fā)展出一個(gè)通用任務(wù)結(jié)構(gòu)。

時(shí)空計(jì)量分析與空間經(jīng)濟(jì)學(xué)在以下進(jìn)程中可互相裨益：首先，分析者出于特定原因研究不同的經(jīng)濟(jì)發(fā)展問(wèn)題，既可以表述為一個(gè)一般問(wèn)題，也可以表述為一個(gè)一般問(wèn)題集。其次，將分析的本質(zhì)與數(shù)據(jù)集的任務(wù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行比對(duì)。第三，分析者選出配對(duì)的任務(wù)并從中查出有趣且與分析相關(guān)的東西。第四，新奇且更為具體的問(wèn)題脫穎而出，這些問(wèn)題激勵(lì)分析者尋找更多的細(xì)節(jié)，也影響著哪些細(xì)節(jié)將被審視以及以哪種方式進(jìn)行審視。最后，修改步驟一提出的一般問(wèn)題，分析者再次重復(fù)上面的步驟。因此，這一工作流程將促進(jìn)跨學(xué)科的研究。

這一時(shí)空框架為當(dāng)前經(jīng)濟(jì)收斂和收入不均研究做出貢獻(xiàn)，后者缺少系統(tǒng)的比較時(shí)空研究。盡管該比較框架在本研究中僅分析了收入分布動(dòng)態(tài)，但是它同樣可用于更廣的具有跨地區(qū)單元與多時(shí)間片段上度量的地理索引數(shù)據(jù)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)過(guò)程中，例如犯罪率動(dòng)態(tài)、房產(chǎn)市場(chǎng)動(dòng)態(tài)等。換言之，該框架與選取的展示工具可直接用于具有離散對(duì)象概念化的學(xué)科和主題。這是一個(gè)包含大多社會(huì)科學(xué)學(xué)科的廣闊領(lǐng)域，其數(shù)據(jù)集越來(lái)越具有空間和時(shí)間足跡特征。同樣，針對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)和分析任務(wù)設(shè)計(jì)出的可操作的分類法可能對(duì)數(shù)據(jù)分析者和不同特定領(lǐng)域的用戶均會(huì)有所幫助，用以預(yù)測(cè)可能從數(shù)據(jù)探索中產(chǎn)生的典型問(wèn)題。

實(shí)際上，我們見(jiàn)證了空間時(shí)代在我們面前展開(kāi)，地理空間信息和觀點(diǎn)在個(gè)人和集體水平的決策中不可或缺。世界上的許多挑戰(zhàn)性問(wèn)題，如全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)、貧困問(wèn)題、全球變暖等，如果不通過(guò)地理方法，就得不到解決。 從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，空間時(shí)代的到來(lái)是一場(chǎng)革命。這意味著地理學(xué)的運(yùn)用方面，只要敢想，就能做到，這是我們的歷史中前所未有的。在地理動(dòng)態(tài)背景下，地理信息科學(xué)關(guān)注工具、數(shù)據(jù)模型、軟件與其他有助于動(dòng)態(tài)現(xiàn)象分析和建模的資源，通過(guò)系統(tǒng)地設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分析任務(wù)與研究問(wèn)題，來(lái)集成“工具、數(shù)據(jù)模型、軟件”。比較時(shí)空分析的目的在于提出研究問(wèn)題，在一個(gè)數(shù)據(jù)集中以及跨越兩個(gè)數(shù)據(jù)集對(duì)時(shí)空模式與趨勢(shì)進(jìn)行比較。該框架可為進(jìn)一步研究提供一個(gè)有用的平臺(tái)，對(duì)地理動(dòng)態(tài)進(jìn)行描述、理解與預(yù)測(cè)。

責(zé)任編輯 彭國(guó)勝 英文審校 孟俊一

2016-10-12

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。

葉信岳(1974-)，男，浙江端安人，美國(guó)肯特州立大學(xué)計(jì)算社會(huì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)始主任，地理系副教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)際華人地理信息科學(xué)學(xué)會(huì)主席。研究方向：時(shí)空分析與大數(shù)據(jù)方法。