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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計算社會科學(xué)的時空分析理論與方法

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、時空問題是大數(shù)據(jù)時代計算社會科學(xué)的關(guān)鍵問題之一

正在向智慧社會方向發(fā)展的大數(shù)據(jù)時代的計算社會科學(xué)具有復(fù)雜性、自適應(yīng)性、社會交互性和時空特性等特點，從社會數(shù)據(jù)、信號、情報到社會智慧的轉(zhuǎn)化及量化是智慧社會的核心目標(biāo)。計算社會科學(xué)利用先進的計算技術(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運行，既體現(xiàn)了日趨復(fù)雜的人類活動和網(wǎng)絡(luò)社會所提出的迫切現(xiàn)實需求，也促進了計算機技術(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，計算社會科學(xué)在引起普遍關(guān)注的同時，也引發(fā)了廣泛的爭論和質(zhì)疑。要充分認(rèn)識計算社會科學(xué)的積極意義與價值，我們必須對自然科學(xué)、以技術(shù)為主導(dǎo)的學(xué)科、工業(yè)界與計算社會科學(xué)的交叉融合及未來發(fā)展趨勢進行深入思考：社會科學(xué)的可計算性及其核心技術(shù)是什么？社會系統(tǒng)的復(fù)雜自適應(yīng)性及其如何度量？社會系統(tǒng)具有何種時空分布及演變規(guī)律？腦科學(xué)與智能科學(xué)與技術(shù)如何影響計算社會科學(xué)？如何分析大數(shù)據(jù)時代計算社會科學(xué)的物理機制和生態(tài)學(xué)機制？如何分析大數(shù)據(jù)時代計算社會科學(xué)的社會交互網(wǎng)絡(luò)？如何建立相對合理完善的計算社會科學(xué)的方法體系？正確認(rèn)識這些問題，乃是理解和預(yù)測計算社會科學(xué)及其支撐學(xué)科的走向和發(fā)展前景、促進社會科學(xué)研究者接受和發(fā)展計算社會科學(xué)研究的動力。

上述問題中，時空問題已成為大數(shù)據(jù)時代計算社會科學(xué)順利發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。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)，從時空觀的角度，研究和探討計算社會科學(xué)的時空分析理論和方法，是擁抱大數(shù)據(jù)時代計算社會科學(xué)的重要發(fā)展方向。

二、計算社會科學(xué)的時空觀

時空問題是社會理論的核心。社會科學(xué)是以“人”為研究對象的學(xué)科，同時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”為研究對象的學(xué)科，同時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”。

社會的一切結(jié)構(gòu)性和過程性變遷，不僅都是在時空維度上進行的，而且時空變化構(gòu)成了一切社會變化最基礎(chǔ)的層面。因此，社會時空視角被看作研究社會發(fā)展的基本視角，社會時空分析被廣泛運用于社會科學(xué)領(lǐng)域。以人文社會科學(xué)研究的“空間轉(zhuǎn)向”為契機，運用地理空間信息科學(xué)的空間綜合思維，可以加強社會科學(xué)基礎(chǔ)性研究成果的整理、挖掘與可視化表達(dá)，促進社會科學(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，從而推動計算社會科學(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)社會科學(xué)研究學(xué)者對“時空”進行研究在尺度、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)、地理計算、遙感科學(xué)、地理信息科學(xué)和社會智能等科技進步帶來的重大機遇，尋求建立更具綜合性和一般性的空間綜合人文社會科學(xué)理論，是人文科學(xué)、社會科學(xué)、計算科學(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于一體，為多種學(xué)科、多種來源的數(shù)據(jù)整合與集成提供了技術(shù)平臺，為擴展傳統(tǒng)學(xué)科、促進學(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、計算社會科學(xué)的時空分析方法

以大數(shù)據(jù)時代計算社會科學(xué)的時空觀為理論基礎(chǔ)，針對時空分析與時空可視化的迫切需求，計算社會科學(xué)應(yīng)重點開展以下幾個方面的時空分析方法研究。

(一)計算社會科學(xué)的空間化與可視化方法

利用地理編碼方法，將計算社會科學(xué)中的文本信息、描述性信息進行空間化處理，進行地學(xué)可視化表達(dá)，讓抽象的描述性文字在地理空間中進行地學(xué)可視化，將為計算社會科學(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)庫來建立地址與地理坐標(biāo)空間的對應(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。通過地理編碼，可以實現(xiàn)原有信息系統(tǒng)和空間信息的融合，將日常的經(jīng)濟、社會、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，指運用地圖學(xué)、計算機圖形學(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)測的數(shù)據(jù)及結(jié)果采用圖形符號、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，進行交互處理的理論、方法和技術(shù)。對計算社會科學(xué)數(shù)據(jù)進行地學(xué)可視化，可以讓社會科學(xué)問題在實際的地理空間進行可視化展現(xiàn)，從而在可視化的“人——地”空間中進行社會問題的分析，將產(chǎn)生一系列有效的計算社會科學(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)，對社會科學(xué)研究的問題和社會要素數(shù)據(jù)在地理空間進行空間定位、地學(xué)可視化展示，將對社會科學(xué)的研究方法和思路產(chǎn)生革命性的變化，并將促進計算社會科學(xué)的極大發(fā)展。

(二)計算社會科學(xué)的時空統(tǒng)計分析方法

統(tǒng)計分析是社會調(diào)查研究的常用方法。但是，面對大數(shù)據(jù)時代計算社會科學(xué)中的海量時空數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的社會統(tǒng)計分析方法已經(jīng)難以勝任，迫切需要發(fā)展計算社會科學(xué)的時空統(tǒng)計分析方法，具體包括：

1.社會科學(xué)數(shù)據(jù)的探索性時空統(tǒng)計分析方法。探索性時空統(tǒng)計分析方法是在探索的基礎(chǔ)上再對數(shù)據(jù)進行時空建模的方法，不預(yù)先作理論假設(shè)，實際上是 “讓時空數(shù)據(jù)說話”的方法。

2.社會科學(xué)數(shù)據(jù)的時空相關(guān)性統(tǒng)計分析方法。時空相關(guān)性是一些時空變量之間時間和空間的相互依賴性，包括全局性時空相關(guān)性統(tǒng)計和局部時空相關(guān)性統(tǒng)計。從時間和空間兩個維度，對計算社會科學(xué)的社會要素數(shù)據(jù)之間的空間相關(guān)性、時間相關(guān)性，以及時空交互的時空相關(guān)性進行統(tǒng)計分析。

3.社會科學(xué)數(shù)據(jù)的時空聚集模式探測方法。對一些社會現(xiàn)象的時空分布模式進行分析，對于社會科學(xué)研究具有十分重要的意義。這些社會現(xiàn)象的時空分布是規(guī)則的聚集分布模式，還是隨機分布模式？是什么因素影響和造成了這種分布模式？一種社會現(xiàn)象的時空分布是否會對另一種社會現(xiàn)象的時空分布產(chǎn)生影響？如何量化這種影響？諸如此類問題的分析需要建立和發(fā)展社會科學(xué)數(shù)據(jù)的時空聚集模式探測方法，可以將地理空間信息科學(xué)的時空聚集模式探測方法，引入社會科學(xué)數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域，并進行適應(yīng)性改造，從而發(fā)展社會科學(xué)數(shù)據(jù)的時空聚集模式探測方法。

我們認(rèn)為：將社會科學(xué)領(lǐng)域的一般統(tǒng)計方法，擴展為社會科學(xué)數(shù)據(jù)的時空統(tǒng)計分析方法，將社會空間與地理空間進行統(tǒng)一分析，必將產(chǎn)生一些創(chuàng)新性的時空統(tǒng)計分析方法，也將促進計算社會科學(xué)、時空統(tǒng)計分析方法的大發(fā)展。

(三)計算社會科學(xué)的時空數(shù)據(jù)挖掘與知識發(fā)現(xiàn)方法

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

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

(四)計算社會科學(xué)的時空分析建模與輔助決策服務(wù)方法

時空分析建模是運用地理時空分析方法建立有效的時空分析模型，產(chǎn)生期望的信息，并提供輔助決策服務(wù)的過程和方法。智慧社會是大數(shù)據(jù)時代計算社會科學(xué)的發(fā)展目標(biāo)，通過對大數(shù)據(jù)時代社會科學(xué)的特點進行研究，分析和吸收大數(shù)據(jù)時代與計算社會科學(xué)相關(guān)的多學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新成果，研究計算社會科學(xué)在智慧社會中的具體應(yīng)用，如教育問題、農(nóng)民工問題、社會治理創(chuàng)新、群體性事件發(fā)生時的應(yīng)對等，通過分析這些具體的社會問題，構(gòu)建時空分析模型，提供輔助決策服務(wù)，從而有利于促進計算社會科學(xué)自身在智慧社會領(lǐng)域的長期可持續(xù)發(fā)展。

計算社會科學(xué)研究的最終目的是為社會服務(wù)，為解決現(xiàn)實中的教育問題、農(nóng)民工問題、社會治理問題、群體性事件問題等貢獻一份力量。通過構(gòu)建計算社會科學(xué)問題研究的時空分析模型，并提供輔助決策服務(wù)，將為現(xiàn)實社會問題的解決提供更加科學(xué)有效的方法。

四、空間人文社會調(diào)查與分析方案

下面以我們正在開展的一項社會科學(xué)與地理空間信息科學(xué)學(xué)科交叉的項目為例，介紹空間人文社會調(diào)查與分析方法，對大數(shù)據(jù)時代計算社會科學(xué)的時空分析方法進行一個實際的探索性研究。

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)用于人文社會科學(xué)，為人文社會科學(xué)的研究提供了空間化、計量化的新技術(shù)和新手段。我們的項目從測繪地理信息科學(xué)與社會科學(xué)學(xué)科交叉入手，研究和探討基于GIS和GPS的空間人文社會調(diào)查與分析方法，具體包括：(1)GIS支持下的社會調(diào)查空間抽樣方法；(2)GIS和GPS支持下的社會調(diào)查輔助技術(shù)；(3)社會調(diào)查的行為軌跡分析方法；(4)社會調(diào)查數(shù)據(jù)的空間統(tǒng)計分析方法。

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

五、結(jié)語

本文對大數(shù)據(jù)時代計算社會科學(xué)的時空分析理論、方法和應(yīng)用進行了探索性的討論。在計算社會科學(xué)的新語境下，社會科學(xué)與地理空間信息科學(xué)的交叉融合，正成為國際研究的新熱點，雙方的學(xué)者日益注重借鑒對方的視角，對社會結(jié)構(gòu)與社會過程中的“人——地關(guān)系”和“地——人關(guān)系”展開創(chuàng)新性的交叉研究。從社會科學(xué)研究者的角度來看，社會科學(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，必將促進兩大學(xué)科各自產(chǎn)生長足的進步，從而共同為推動社會發(fā)展和進步貢獻一份力量。

2016-09-12

國家社科基金重大項目“大數(shù)據(jù)時代計算社會科學(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：軌跡計算、城市信息學(xué)。