计算社会科学的时空分析理论与方法

秦 昆，康朝贵

(武汉大学 遥感信息工程学院,湖北 武汉 430072)



计算社会科学的时空分析理论与方法

秦 昆，康朝贵

(武汉大学 遥感信息工程学院,湖北 武汉 430072)

一、时空问题是大数据时代计算社会科学的关键问题之一

正在向智慧社会方向发展的大数据时代的计算社会科学具有复杂性、自适应性、社会交互性和时空特性等特点，从社会数据、信号、情报到社会智慧的转化及量化是智慧社会的核心目标。计算社会科学利用先进的计算技术、信息技术和智能技术等定量分析方法，研究复杂的人类行为及社会运行，既体现了日趋复杂的人类活动和网络社会所提出的迫切现实需求，也促进了计算机技术及多学科交叉所产生的新方法、新工具的快速发展。

然而，作为一种新的研究范式，计算社会科学在引起普遍关注的同时，也引发了广泛的争论和质疑。要充分认识计算社会科学的积极意义与价值，我们必须对自然科学、以技术为主导的学科、工业界与计算社会科学的交叉融合及未来发展趋势进行深入思考：社会科学的可计算性及其核心技术是什么？社会系统的复杂自适应性及其如何度量？社会系统具有何种时空分布及演变规律？脑科学与智能科学与技术如何影响计算社会科学？如何分析大数据时代计算社会科学的物理机制和生态学机制？如何分析大数据时代计算社会科学的社会交互网络？如何建立相对合理完善的计算社会科学的方法体系？正确认识这些问题，乃是理解和预测计算社会科学及其支撑学科的走向和发展前景、促进社会科学研究者接受和发展计算社会科学研究的动力。

上述问题中，时空问题已成为大数据时代计算社会科学顺利发展的关键问题之一。如何借助遥感(RS：Remote Sensing)、地理信息系统(GIS：Geographical Information System)、全球卫星导航系统(GNSS：Global Navigation Satellite System)等空间信息科学与技术，从时空观的角度，研究和探讨计算社会科学的时空分析理论和方法，是拥抱大数据时代计算社会科学的重要发展方向。

二、计算社会科学的时空观

时空问题是社会理论的核心。社会科学是以“人”为研究对象的学科，同时研究人与地理空间的关系；地理空间信息科学是以“地理空间”为研究对象的学科，同时研究地理空间与人的关系。二者分别从不同的视角研究“人——地关系”和“地——人关系”。

社会的一切结构性和过程性变迁，不仅都是在时空维度上进行的，而且时空变化构成了一切社会变化最基础的层面。因此，社会时空视角被看作研究社会发展的基本视角，社会时空分析被广泛运用于社会科学领域。以人文社会科学研究的“空间转向”为契机，运用地理空间信息科学的空间综合思维，可以加强社会科学基础性研究成果的整理、挖掘与可视化表达，促进社会科学相关学科的交叉与融合，形成新的研究方向和研究课题，从而推动计算社会科学研究走向纵深。然而，受限于数据采集、管理、分析、展示的能力，传统社会科学研究学者对“时空”进行研究在尺度、粒度、直观度等方面已经显得较为落后，从而限制了相关研究及结果的传播。

因此，抓住大数据、地理计算、遥感科学、地理信息科学和社会智能等科技进步带来的重大机遇，寻求建立更具综合性和一般性的空间综合人文社会科学理论，是人文科学、社会科学、计算科学和空间科学、地理信息科学等领域学者的共同历史使命。以遥感、地理信息系统、全球卫星导航系统为核心的地理空间信息科学与技术，集地理信息、空间分析方法与地理空间知识于一体，为多种学科、多种来源的数据整合与集成提供了技术平台，为扩展传统学科、促进学科交叉融合和开拓新兴学科提供了信息和学术支撑。

三、计算社会科学的时空分析方法

以大数据时代计算社会科学的时空观为理论基础，针对时空分析与时空可视化的迫切需求，计算社会科学应重点开展以下几个方面的时空分析方法研究。

(一)计算社会科学的空间化与可视化方法

利用地理编码方法，将计算社会科学中的文本信息、描述性信息进行空间化处理，进行地学可视化表达，让抽象的描述性文字在地理空间中进行地学可视化，将为计算社会科学的研究提供更加形象和科学的表达方法。

地理编码(Geocoding)，也称为地址匹配，是将地址映射成地理坐标的过程，它提供了一种把描述文本地址的地理位置信息转换成地理坐标的方式。地理编码，可以利用地址数据库来建立地址与地理坐标空间的对应关系，地址编码技术是大量业务数据可视化定位和空间分析的桥梁。通过地理编码，可以实现原有信息系统和空间信息的融合，将日常的经济、社会、人文、历史、旅游、商业等一系列城市生活中的信息空间化，用于在空间信息支持下进行空间分析和决策应用。

地学可视化(Geo-visualization)，也称地理空间数据可视化，指运用地图学、计算机图形学和图像处理技术，将地学信息输入、处理、查询、分析以及预测的数据及结果采用图形符号、图形、图像，并结合图表、文字、表格、视频、音频等可视化形式显示，进行交互处理的理论、方法和技术。对计算社会科学数据进行地学可视化，可以让社会科学问题在实际的地理空间进行可视化展现，从而在可视化的“人——地”空间中进行社会问题的分析，将产生一系列有效的计算社会科学的地学可视化分析方法。

我们认为：抓住信息科学发展的机遇，引入地理空间信息科学领域的地理编码技术和地学可视化技术，对社会科学研究的问题和社会要素数据在地理空间进行空间定位、地学可视化展示，将对社会科学的研究方法和思路产生革命性的变化，并将促进计算社会科学的极大发展。

(二)计算社会科学的时空统计分析方法

统计分析是社会调查研究的常用方法。但是，面对大数据时代计算社会科学中的海量时空数据，传统的社会统计分析方法已经难以胜任，迫切需要发展计算社会科学的时空统计分析方法，具体包括：

1.社会科学数据的探索性时空统计分析方法。探索性时空统计分析方法是在探索的基础上再对数据进行时空建模的方法，不预先作理论假设，实际上是 “让时空数据说话”的方法。

2.社会科学数据的时空相关性统计分析方法。时空相关性是一些时空变量之间时间和空间的相互依赖性，包括全局性时空相关性统计和局部时空相关性统计。从时间和空间两个维度，对计算社会科学的社会要素数据之间的空间相关性、时间相关性，以及时空交互的时空相关性进行统计分析。

3.社会科学数据的时空聚集模式探测方法。对一些社会现象的时空分布模式进行分析，对于社会科学研究具有十分重要的意义。这些社会现象的时空分布是规则的聚集分布模式，还是随机分布模式？是什么因素影响和造成了这种分布模式？一种社会现象的时空分布是否会对另一种社会现象的时空分布产生影响？如何量化这种影响？诸如此类问题的分析需要建立和发展社会科学数据的时空聚集模式探测方法，可以将地理空间信息科学的时空聚集模式探测方法，引入社会科学数据分析领域，并进行适应性改造，从而发展社会科学数据的时空聚集模式探测方法。

我们认为：将社会科学领域的一般统计方法，扩展为社会科学数据的时空统计分析方法，将社会空间与地理空间进行统一分析，必将产生一些创新性的时空统计分析方法，也将促进计算社会科学、时空统计分析方法的大发展。

(三)计算社会科学的时空数据挖掘与知识发现方法

在大数据时代，我们积累了越来越多的社会科学数据，含有丰富的时空信息，将这些数据和信息转化为有效的知识，是计算社会科学服务于智慧社会的迫切需要。时空数据挖掘与知识发现，是从时空数据中提取隐含其中的、事先未知的、潜在有用的、最终可理解的时空知识和规则的过程。将时空数据挖掘与知识发现方法引入大数据时代的计算社会科学，可产生以下方法：(1)计算社会科学数据的时空聚类方法；(2)计算社会科学的时空关联挖掘方法；(3)计算社会科学数据的时空预测方法。

将时空数据挖掘与知识发现方法引入计算社会科学领域，可以发展计算社会科学的大数据挖掘技术，将研究出一些创新性的社会数据时空数据挖掘与知识发现方法。

(四)计算社会科学的时空分析建模与辅助决策服务方法

时空分析建模是运用地理时空分析方法建立有效的时空分析模型，产生期望的信息，并提供辅助决策服务的过程和方法。智慧社会是大数据时代计算社会科学的发展目标，通过对大数据时代社会科学的特点进行研究，分析和吸收大数据时代与计算社会科学相关的多学科协同创新成果，研究计算社会科学在智慧社会中的具体应用，如教育问题、农民工问题、社会治理创新、群体性事件发生时的应对等，通过分析这些具体的社会问题，构建时空分析模型，提供辅助决策服务，从而有利于促进计算社会科学自身在智慧社会领域的长期可持续发展。

计算社会科学研究的最终目的是为社会服务，为解决现实中的教育问题、农民工问题、社会治理问题、群体性事件问题等贡献一份力量。通过构建计算社会科学问题研究的时空分析模型，并提供辅助决策服务，将为现实社会问题的解决提供更加科学有效的方法。

四、空间人文社会调查与分析方案

下面以我们正在开展的一项社会科学与地理空间信息科学学科交叉的项目为例，介绍空间人文社会调查与分析方法，对大数据时代计算社会科学的时空分析方法进行一个实际的探索性研究。

GIS(地理信息系统)与GPS(全球定位系统)技术正在逐步应用于人文社会科学，为人文社会科学的研究提供了空间化、计量化的新技术和新手段。我们的项目从测绘地理信息科学与社会科学学科交叉入手，研究和探讨基于GIS和GPS的空间人文社会调查与分析方法，具体包括：(1)GIS支持下的社会调查空间抽样方法；(2)GIS和GPS支持下的社会调查辅助技术；(3)社会调查的行为轨迹分析方法；(4)社会调查数据的空间统计分析方法。

上述研究将为社会调查提供空间化和可视化的新方法，拓展GIS和GPS在人文社会科学领域的应用，从而为测绘地理信息科学与社会科学的交叉融合做出基础性贡献。

五、结语

本文对大数据时代计算社会科学的时空分析理论、方法和应用进行了探索性的讨论。在计算社会科学的新语境下，社会科学与地理空间信息科学的交叉融合，正成为国际研究的新热点，双方的学者日益注重借鉴对方的视角，对社会结构与社会过程中的“人——地关系”和“地——人关系”展开创新性的交叉研究。从社会科学研究者的角度来看，社会科学研究急需地理信息科学(遥感、地理信息系统、全球卫星导航系统)为其提供空间化、可视化、定量化的新技术手段。站在地理信息科学研究者的角度而言，地理信息科学领域的学者也迫切需要拓展在人文社会科学领域的应用，研究地理信息科学理论与技术在人文社会科学中应用的新理论和新方法。两大领域学者的合作研究与交流讨论必将产生更多的创新性成果，必将促进两大学科各自产生长足的进步，从而共同为推动社会发展和进步贡献一份力量。

2016-09-12

国家社科基金重大项目“大数据时代计算社会科学的产生、现状与发展前景研究”(16ZDA086)的阶段性成果。

秦 昆(1972-)，男，湖北随州人，武汉大学遥感信息工程学院教授，博士生导师。研究方向：空间分析与数据挖掘、智能空间信息处理；康朝贵(1987-)，男，湖南衡阳人，武汉大学遥感信息工程学院讲师，博士。研究方向：轨迹计算、城市信息学。