基于空間大數(shù)據(jù)的社會感知

大數(shù)據(jù)時(shí)代產(chǎn)生了大量具有時(shí)空標(biāo)記、能夠描述個(gè)體行為的空間大數(shù)據(jù)，如手機(jī)數(shù)據(jù)、出租車數(shù)據(jù)、社交媒體數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)為人們進(jìn)一步定量理解社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境提供了一種新的手段。近年來，計(jì)算機(jī)科學(xué)、地理學(xué)和復(fù)雜性科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者基于不同類型數(shù)據(jù)開展了大量研究，試圖發(fā)現(xiàn)海量群體的時(shí)空行為模式，并建立合適的解釋性模型。筆者采用“社會感知(social sensing)”概念構(gòu)建了空間大數(shù)據(jù)研究框架，指出社會感知就是借助于各類空間大數(shù)據(jù)研究人類時(shí)空間行為特征，進(jìn)而揭示社會經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象的時(shí)空分布、聯(lián)系及過程的理論和方法。值得一提的是，與強(qiáng)調(diào)基于多種傳感設(shè)備采集微觀個(gè)體行為數(shù)據(jù)的社會感知計(jì)算(socially aware computing)相比，社會感知更加強(qiáng)調(diào)群體行為模式以及背后地理空間規(guī)律挖掘。

社會感知數(shù)據(jù)可從三個(gè)方面獲取人的時(shí)空間行為特征：(1)對地理環(huán)境的情感和認(rèn)知，如基于社交媒體數(shù)據(jù)獲取人們對于一個(gè)場所的感受；(2)在地理空間中的活動和移動，如基于出租車、簽到等數(shù)據(jù)獲取海量移動軌跡；(3)個(gè)體之間的社交關(guān)系，如基于手機(jī)數(shù)據(jù)獲取用戶之間的通話聯(lián)系信息。由于空間大數(shù)據(jù)包含了海量人群的時(shí)空間行為信息，使得我們可以基于群體的行為特征揭示空間要素的分布格局、空間單元之間的交互以及場所情感與語義（如圖1所示）?？臻g大數(shù)據(jù)提供的社會感知手段，第一次為地理學(xué)乃至相關(guān)人文社會科學(xué)研究開啟了一種“由人及地”的研究范式。而“社會感知”這一概念，正是概括描述了空間大數(shù)據(jù)在相關(guān)研究與應(yīng)用中所提供的數(shù)據(jù)以及方法上的支撐能力。

本文梳理了近年來針對空間大數(shù)據(jù)開展的研究，尤其是其中用到的數(shù)據(jù)分析與模式發(fā)現(xiàn)方法。這些方法一方面借鑒了計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的最新進(jìn)展，另一方面也充分考慮了地理空間的規(guī)律和特征。

社會感知分析方法

根據(jù)社會感知的概念，對于空間大數(shù)據(jù)的研究可以分為“人”和“地”兩個(gè)層面。前者關(guān)注人的空間行為模式，以及模式所受到的地理影響；后者則側(cè)重于在群體行為模式的基礎(chǔ)上，探討地理環(huán)境的相關(guān)特征。

個(gè)體行為模式分析法

空間大數(shù)據(jù)可以感知人的三個(gè)方面的空間行為模式，如圖1所示。其中，移動是個(gè)體層次空間行為最直接的外在表現(xiàn)。由于大數(shù)據(jù)對于移動軌跡的獲取能力較強(qiáng)，因此目前的研究多集中在移動模式和模型的建立。

動物以及人在空間中移動所展示的規(guī)律性是復(fù)雜系統(tǒng)領(lǐng)域研究的一個(gè)重要議題。每個(gè)個(gè)體的移動模式可以表示為隨機(jī)游走(random walk)模型。通過對動物的移動進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)其移動步長和角度的統(tǒng)計(jì)分布特征呈現(xiàn)一定的模式，提高了覓食的效率。當(dāng)移動方向均勻分布，而步長為冪律分布，且指數(shù)在1~3之間時(shí)，移動為列維飛行模型(Levy flight)，如圖2所示。與動物相比，人的出行目的更加多樣化，并且存在一個(gè)或者多個(gè)頻繁重訪地點(diǎn)，這使得人的移動模式與動物的移動模式存在機(jī)理上的差異。在海量個(gè)體移動軌跡數(shù)據(jù)的支持下，我們可以觀察人的移動模式并構(gòu)建相應(yīng)的解釋模型。從布羅克曼(Brockmann)等人發(fā)表在《自然》上的基于錢幣追蹤數(shù)據(jù)開展的研究開始，許多學(xué)者利用手機(jī)、出租車、社交媒體簽到等數(shù)據(jù)探討了人的移動模式，并且試圖建立解釋性模型。

步長的統(tǒng)計(jì)分布是移動性模式表達(dá)中的重要元素。對于移動軌跡而言，由于距離衰減，使得長距離出行的概率較低，而短距離出行的概率較高。表征這種分布特征的函數(shù)有冪律分布、指數(shù)分布、指數(shù)截?cái)嗟膬缏煞植嫉萚5~9]。許多學(xué)者試圖建立模型以解釋觀察到的人類移動模式。除了距離衰減影響外，解釋移動模式需要考慮的因素還包括地理環(huán)境和個(gè)體的空間行為特征。其中地理環(huán)境因素決定了潛在的個(gè)體移動到訪點(diǎn)的空間分布，該分布通常與人口密度分布正相關(guān)；而個(gè)體的空間行為特征則反映了人們移動中的一些個(gè)性化的規(guī)律。目前得到較多關(guān)注的是個(gè)體軌跡中的重訪點(diǎn)，這是人類移動和動物移動存在較大差異的方面。人類移動存在家和工作地等頻繁重訪的地點(diǎn)，具有較高的可預(yù)測性[10]。在地理環(huán)境分布特征方面，我們通常從城市范圍內(nèi)及城市間兩個(gè)尺度分別探討移動性模式。城市范圍內(nèi)的移動受到城市用地結(jié)構(gòu)的影響。對于一個(gè)城市而言，通常市中心區(qū)土地開發(fā)強(qiáng)度較大，居民出行的密度相對較高，而在城市邊緣地區(qū)，土地利用強(qiáng)度和出行密度都相對較低。這種地理環(huán)境分布模式使得城市尺度的移動步長分布尾部不那么“重”[11]。而對于城市間的移動，城市體系中不同規(guī)模的城市空間分布同樣影響了觀測到的移動模式。韓（Han，音譯）等人探討了層次城市體系對于人類移動模式的影響，指出人們在低層次城市之間的移動通常要經(jīng)由高層次城市，從而產(chǎn)生了步長的冪率分布特征[12]。

目前研究所采用的空間大數(shù)據(jù)多數(shù)都是“移動軌跡豐富，活動信息不足”，這使得軌跡背后豐富的語義信息（尤其是出行目的信息）缺失。在交通地理學(xué)研究中，出行目的是理解出行移動模式的基礎(chǔ)，不同的出行目的受到空間的約束也不同。一些學(xué)者試圖結(jié)合軌跡數(shù)據(jù)、時(shí)間約束以及地理環(huán)境特征，推斷出行目的，從而達(dá)到充實(shí)軌跡語義的目的[13,14]。

個(gè)體層次的時(shí)空間行為除了移動和活動外，社交關(guān)系(social ties)也是很重要的要素。利用空間大數(shù)據(jù)可以揭示社交關(guān)系背后的地理影響。這方面的研究主要包括個(gè)體地理位置對于個(gè)體間社交關(guān)系的影響[15,16]以及個(gè)體空間移動與社交關(guān)系的相互作用[17,18]兩個(gè)方向，目的是探求空間距離和時(shí)空共現(xiàn)(spatio-temporal co-occurrence)與社交關(guān)系之間的量化聯(lián)系。

活動時(shí)間變化特征分類法

不同類型的大數(shù)據(jù)可以揭示一個(gè)區(qū)域或城市的活動以及人口分布狀態(tài)。大數(shù)據(jù)的時(shí)間標(biāo)記可以用于解釋人口分布的動態(tài)變化特征。這種變化特征往往具有較強(qiáng)的周期性。對于城市研究而言，尤其以日周期變化最為明顯。城市居民在居住地點(diǎn)和工作地點(diǎn)之間的通勤行為產(chǎn)生了相關(guān)地理單元人口密度的時(shí)變特征（如圖3a）。因此，我們可以基于城市不同區(qū)域?qū)?yīng)的活動日變化曲線來研究其用地特征和在城市運(yùn)行中所承載的功能。

利用空間大數(shù)據(jù)所提取的活動分布特征感知土地利用類別的基本依據(jù)是活動量日變化特征對地塊的指示能力。提取特征時(shí)通常采用非監(jiān)督分類方法，最常用的算法有k-平均算法(k-means)聚類、k-中心點(diǎn)算法(k-medoids)聚類等[19~21]。我們經(jīng)常可以看到相同的土地覆被對應(yīng)不同的居民活動特征，而外形相近的建筑可能承擔(dān)了不同的社會功能，與之相較，利用大數(shù)據(jù)提取活動分布特征的方法從活動角度更為全面地解讀了城市土地利用情況。在分類過程中，因?yàn)楣δ芟嗤牡貕K存在活動強(qiáng)度的差異，如高密度居民區(qū)和低密度居民區(qū)，盡管人口總量不同，但是其人口密度日變化特征相似，故而在非監(jiān)督分類過程中，通常需要對活動時(shí)變曲線進(jìn)行歸一化處理。此外，考慮城市居民工作日和周末的不同活動特征，在一些研究中，會將工作日數(shù)據(jù)和非工作日數(shù)據(jù)分開處理。由于空間大數(shù)據(jù)所提取的活動時(shí)空分布信息可以處理成與傳統(tǒng)遙感數(shù)據(jù)相似的形式，因此除了非監(jiān)督分類外，一些圖像處理方法也可以應(yīng)用于社會感知數(shù)據(jù)。圖3b展示了如何從人對于城市空間利用的視角去解讀城市的結(jié)構(gòu)特征。近年來，也有一些研究采用主成分分析以及非負(fù)矩陣分解方法，識別一個(gè)城市不同區(qū)域活動變化的全局和局部變化特征[22~25]。此外，張量(tensor)也是分析時(shí)空大數(shù)據(jù)的有效工具，張量模型的高階(high order)表達(dá)能力能夠描述時(shí)空數(shù)據(jù)在時(shí)間、空間、個(gè)體狀態(tài)等多方面的特征。王靜遠(yuǎn)等使用張量分析了城市交通節(jié)律、社區(qū)組團(tuán)、用地性質(zhì)等要素之間的聯(lián)系[26]，范（Fan，音譯）等人對城市時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行了譜分析，研究了不同個(gè)體在不同時(shí)間、不同地點(diǎn)對于突發(fā)災(zāi)害事件的響應(yīng)模式[27]（如圖4所示）。

場所情感及語義分析法

社交媒體（推特、微博等）中包含了大量文本數(shù)據(jù)，成為語義信息獲取的重要來源。帶有位置的社交媒體數(shù)據(jù)通常占3%，研究者可以利用這部分?jǐn)?shù)據(jù)揭示與地理位置有關(guān)的語義信息。目前的研究主要包括三個(gè)方向：(1)獲取一個(gè)場所的主題詞（圖5a）；(2)獲取與場所有關(guān)的情感信息（圖5b），如高興還是抑郁[28~30]；(3)獲取對于特定事件（如災(zāi)害[31]、事故[32]、
疾病[33]）的響應(yīng)。由于社交媒體數(shù)據(jù)是大量用戶自發(fā)創(chuàng)建的，分析語義信息及其時(shí)空模式有助于政策制定者了解社情民意并制定相關(guān)公共政策。在社交媒體文本語義處理中，潛在狄利克雷分配 (Latent Dirichlet Allocation, LDA)模型被廣泛應(yīng)用，以確定每條信息所表示的主題以及相關(guān)的情緒信息。然而，由于社交媒體數(shù)據(jù)中每條文本存在字?jǐn)?shù)的限制，并且內(nèi)容隨意性較強(qiáng)，因此如何從中挖掘更加精確的、有意義的信息，尚需進(jìn)一步研究。

近年來，深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展使得自動提取識別照片語義信息成為可能。一些研究基于對照片共享網(wǎng)站帶有時(shí)空標(biāo)記的圖像進(jìn)行內(nèi)容分析，揭示地理環(huán)境的特征（圖5c）。
與基于文本的語義信息提取相比，照片語義信息更為客觀且豐富。每張照片反映了拍照者對于場所的感知。周（Zhou，音譯）等人利用在全球不同城市拍攝的照片，研究比較了城市的空間特征，其發(fā)現(xiàn)的模式有助于評估城市規(guī)劃的效果[34]?？紤]到文本和照片不同的表達(dá)能力，我們認(rèn)為結(jié)合文本和照片語義信息，能夠全面捕獲一個(gè)地理場所給人們帶來的體驗(yàn)。

空間交互分析

在地理學(xué)研究中，空間交互(spatial interaction)指的是兩個(gè)場所之間的聯(lián)系，通常可以基于人流、貨流、資金流等進(jìn)行量化。研究空間交互有助于理解一個(gè)區(qū)域內(nèi)部的結(jié)構(gòu)以及動態(tài)演化特征。在空間大數(shù)據(jù)中，個(gè)體的移動軌跡以及個(gè)體之間的社交關(guān)系都可以在聚集層面量化兩個(gè)場所之間的交互強(qiáng)度，前者如兩個(gè)城市間的人流總量，后者如兩個(gè)城市之間互相關(guān)注的好友對數(shù)。空間交互強(qiáng)度受到距離衰減效應(yīng)的影響，距離遠(yuǎn)的兩個(gè)地理單元間的聯(lián)系相對較弱。因此，在地理學(xué)研究中，大多基于重力模型來擬合場所之間的交互強(qiáng)度，采用距離的負(fù)冪函數(shù)(d-β)表示空間阻隔的影響。目前可用的擬合方法有線性規(guī)劃法、代數(shù)求解法、模擬法等[35~37]。根據(jù)重力模型擬合結(jié)果，可以通過距離衰減系數(shù)β來表征特定空間交互行為中距離衰減效應(yīng)的大小，即β值越低，距離的影響越小。實(shí)證研究表明，對于居民在城市尺度的移動行為，距離衰減系數(shù)在1~2之間，而對利用手機(jī)、社交媒體等途徑建立的空間交互，距離衰減效應(yīng)盡管較弱(β<1)，但依然存在影響[38]。

利用地理單元之間的空間交互，可以構(gòu)建嵌入空間的網(wǎng)絡(luò)(spatially-embedded network)，并引入網(wǎng)絡(luò)分析方法研究其結(jié)構(gòu)特征。在該網(wǎng)絡(luò)中，通常每個(gè)節(jié)點(diǎn)為一個(gè)地理單元，而邊的權(quán)重為地理單元間交互的強(qiáng)度，如圖6a所示，基于空間交互，構(gòu)建嵌入空間的網(wǎng)絡(luò)，從而引入網(wǎng)絡(luò)科學(xué)分析方法，分析研究區(qū)的空間結(jié)構(gòu)特征[47]。在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究中，常見的分析方法是對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行社區(qū)發(fā)現(xiàn)(community detection)分析，而網(wǎng)絡(luò)中的社區(qū)由相對聯(lián)系更為緊密的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。目前，用于社區(qū)發(fā)現(xiàn)的算法有Girvan-Newman[39]、Multilevel[40]、Fastgreedy[41]、Infomap[42]和Walktrap[43]等。對于嵌入空間的網(wǎng)絡(luò)而言，一個(gè)社區(qū)往往對應(yīng)地理空間中聯(lián)系相對緊密的區(qū)域[44~47]。由于距離衰減效應(yīng)以及行政區(qū)劃的影響，如果僅僅考慮交互強(qiáng)度而不考慮相鄰約束，社區(qū)發(fā)現(xiàn)的結(jié)果通常為空間上連續(xù)的區(qū)塊，并且往往與行政區(qū)劃邊界相一致（圖6b）[48]。

結(jié)合傳統(tǒng)空間數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用

城市是空間大數(shù)據(jù)產(chǎn)生最頻繁的區(qū)域。因此，空間大數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究目前主要集中在城市區(qū)域。相關(guān)的研究領(lǐng)域有交通管理、城市規(guī)劃、環(huán)境、公共衛(wèi)生等。在此基礎(chǔ)上，鄭宇等提出了城市計(jì)算(urban computing)的概念，利用包括空間大數(shù)據(jù)在內(nèi)的城市多源數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)并解決城市運(yùn)行中的問題[49]。

在上述應(yīng)用中，除了空間大數(shù)據(jù)外，還要結(jié)合傳統(tǒng)空間數(shù)據(jù)（如城市用地和建筑數(shù)據(jù)、道路網(wǎng)數(shù)據(jù)、檢測站點(diǎn)數(shù)據(jù)等）進(jìn)行分析。例如，王（Wang，音譯）等人利用舊金山和波士頓地區(qū)的手機(jī)數(shù)據(jù)和路網(wǎng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了交通擁堵路段的車流來源，并且給出了緩解擁堵的建議[50]；鄭（Zheng，音譯）等人利用監(jiān)測站數(shù)據(jù)、天氣數(shù)據(jù)以及交通和人的移動數(shù)據(jù)，推斷城市的實(shí)時(shí)精細(xì)分辨率空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，該結(jié)果有助于城市居民規(guī)劃戶外活動[51]。由于空間大數(shù)據(jù)的獲取建立在海量群體的空間行為的基礎(chǔ)上，因此使我們能夠更好地感知人的行為模式及其與地理環(huán)境之間的耦合模型。我們認(rèn)為建立在社會感知基礎(chǔ)上的公共政策制定，更能夠體現(xiàn)“以人為本”的理念，有著廣闊的應(yīng)用前景。

空間大數(shù)據(jù)為我們提供了一條透過海量人群的空間行為模式去觀察、理解地理環(huán)境特征及影響的研究路徑。社會感知概念的提出正是概括了空間大數(shù)據(jù)的這種能力?？臻g大數(shù)據(jù)的處理，一方面需要有高效的分析方法，一方面需要對人的行為動力學(xué)模型和地理環(huán)境特征有充分的理解。因此，需要信息科學(xué)、復(fù)雜性科學(xué)、地理學(xué)等不同學(xué)科以及不同應(yīng)用領(lǐng)域的學(xué)者進(jìn)行通力合作，才能有效提取空間大數(shù)據(jù)中所蘊(yùn)含的信息，并充分體現(xiàn)其應(yīng)用價(jià)值。