佳文赏析 | 时间地理学与时空GIS
时间地理学提供的优雅而简洁的概念体系能够有效地支撑个体日常活动的定量化和可视化分析，被广泛地应用于各领域的研究中。GIS依托于计算机技术的发展，具有强大的空间分析能力，也被广泛应用于各类地理现象的分析中。“人地”关系是地理学的研究传统，将擅长分析“人”的时间地理学理论与擅长分析“地”的GIS技术相结合是学科发展的一个必然趋势。
01
时间地理学概述及基本概念
1969年，在哥本哈根召开的区域科学学会上，瑞典著名地理学家哈格斯特朗(Hägerstrand)做了题为“区域科学中的人”(What about people in regional science)的报告，首次提出了时间地理学的核心概念体系(Hägerstrand,1970)。其后，在由其所代表的隆德学派(LundSchool)的大力发展和推广下，时间地理学的思想在世界范围内快速传播，并在多个领域得到了广泛应用(柴彦威等,2010;柴彦威，1998;Thriftetal．，1981，1977;Lenntorp,1978;Pred,1977)。
“人地”关系是地理学的研究传统，随着时代的进步，有关“人地”关系的研究逐渐从面向“地”的空间现象分布转向面向“人”的行为以及以“人”为中心的环境分析。研究问题的转向也伴随着研究方法的变化。时间地理学的产生与发展同样顺应了地理学研究对象侧重点的转变趋势。传统的基于地图的表述方式能够很好地对现实世界中的地理环境进行展示和分析，而对位于环境中的“人”的表现能力存在不足(Miller,2003)。时间地理学理论旗帜鲜明的表示出其对环境中“人”的关注。
▲ 时间地理学概念的基本架构
时间地理学的理论体系围绕着连续时空环境下的个体活动研究而建立。如图所示，其研究对象的内核是人的活动(activity)，外围是与人的活动有关的时空背景，其间构筑了不同层次的概念模型，用以表达人的活动与外界环境之间的关系。这些概念体系是逐渐发展而来的。从时间地理学正式提出，一直延续到今天，时间地理学的概念体系仍在不断发展和完善，以适应新时代的发展需求。
人的概念是时间地理学的核心。哈格斯特朗用银行中钱币的例子作为引导，说明了人与其他地理事物之间存在着重要的差异，其中一个本质的差异便是不同个体之间是不能等价对换的。人的这种独特性使得许多传统用于分析地理现象的方法在指导有关人的决策时呈现局限性。因此，哈格斯特朗指出在对人的活动进行建模和表达时，时间和空间要素是非常重要的资源，尤其是时间资源，个体的活动无法逆转时间单向流逝的基本规律。
基于上述假设，哈格斯特朗借以路径(path)的概念(Hägerstrand,1970)来表达个体整个生命过程。当在地理空间上增加时间的维度，一个完整的生命路径(life path)或者其中的片段便可以得到直观地表达。这种路径表达的方法有效地刻画了个体在客观地理环境中的活动特征。例如，个体的活动在时空上的连续性以及对时空资源的占用。值得注意的是，个体生命路径具有丰富的内涵，并不局限于当前常用的三维时空的表达方法。
▲ 时空坐标下的时空路径
个体的时空路径(space-time path)表示的是在三维时空坐标系下个体的路径所形成的不间断轨迹(Golledge et al.1997)。
在特定的时空条件下,个体在一定的时间可以到达的范围称为可达的范围,在三维的时空坐标系中,可达范围可以用时空棱镜(prism)进行直观而形象的表达(Hägerstrand, 1970)。
▲ 时空棱镜和潜在活动区域
时空棱镜边界的斜率表示对应时空条件下个体的移动速度,而时空棱镜所包含的时空范围称为潜在路径空间(potential path space)(Golledge et al.1997),其在空间平面的投影是个体的潜在活动区域(potential path area)(Miller, 2005).
个体行为在连续时空中的表达、所受到的约束以及个体与既有约束之间的交互是时间地理学的核心问题。相比于预测人的空间行为,时间地理学更关注各种制约条件下人的行为的时空特征.对此,哈格斯特朗总结了三种类型的制约:能力制约、组合制约和权威制约(柴彦威,1999;Hägerstrand, 1970)。
▋能力制约(capability constraint)是指由于生理需求或资源可得性导致的活动参与限制。例如，个体由于需要休息而导致其在睡眠时间不能参与其他活动;又如，个体由于缺乏小汽车而导致其不能进行某些出行。
▋组合制约(coupling constraint)是指个体之间或者个体与环境之间的交互需要满足一定的条件。例如，面对面的会议需要与会者在约定的时间和地点在场才能进行，而工厂的生产活动需要工人和设备在特定的位置共同出现。
▋权威制约(authority constraint)是指由于法律、习惯或者社会规范等对个体活动所产生的限制。例如，军管区不允许闲杂人等随意出入，而餐饮企业只是在营业时间才提供相应的服务。
三种类型的制约通过各种直接或者间接的方式相互作用，共同影响个体的活动。例如，针对一次面对面的会议，高收入人群能够进入到高收费的场所，并拥有丰富的交通工具去往较广的范围，其会面的时间和地点受到的各种制约相对较小，具有更大的灵活性。
经典时间地理学的概念体系成为研究个体活动的有效工具，然而由于其简化和抽象的表达框架难以反映行为主体内在的精神世界和主观能动性，相反突出了人类行为的外在物质表现形式，遭受到其他人本主义学者的诸多批判，批判的核心在于其忽视主观能动性的物质主义倾向(蔡运龙等,2011)。而实际上，时间地理学理论体系的框架在提出之后，面对来自其他学科的批判，哈格斯特朗本人对时间地理学中的概念体系也进行了“勘正”和“发展”(Shaw,2012)。例如，提出企划(project)的概念来表示个体生活中为了完成特定目的而进行的一系列活动，将个体自身的主观目的融入进去(Hägerstrand,1982)。
个体在完成特定的目的时，在不同的情境下所做出的时空行为也有所不同。对此，哈格斯特朗引入了情境(diorama)的概念来表达个体的“在场”(thereness)，即个体行为是发生在不断进化的周围环境(evolving situation)中的(Hägerstrand,1982)。情境是依赖于企划而存在的，而且可能是随着时间和空间不断变化的。此外，人类活动需要占据空间，需要形成并持续维护一定的“地方秩序口袋”(pockets of local order)来保证企划和活动的顺利实施(Ellegård et al.,2004)。而这种“地方秩序口袋”则构成了个体活动开展所面临的情境。
经典的时间地理学概念体系不仅构筑了一套能够灵活扩展的符号系统，同时也体现了一种对个体行为活动分析和研究的哲学观。随着时代的变化，一方面，既有的概念在新的研究问题中被不断调适，例如复杂路网空间下的潜在路径空间以及虚拟空间中个体活动的时空路径(Yin et al.2015;Chen et al.2012);另一方面，从环境约束角度研究个体行为的逻辑也为进一步拓展时间地理学的核心概念体系奠定了基础，例如Ellegård近期所倡导的“新”时间地理学(张艳和柴彦威,2016;Ellegård et al.,2015;Ellegård et al.,2004)。
总而言之，由于对时空背景下人类活动的关注，时间地理学的理论体系始终紧跟着时代步伐不断地发展，并持续地焕发出新的生命力。
02
基于时间地理学框架的时空GIS
人类行为的定量化分析对复杂社会与经济现象的诠释具有相当大的帮助，对城市规划管理、社会公共安全以及区域经济发展等具有巨大的应用价值(萧世伦等，2014)。时间地理学为研究人类行为提供了优雅而简洁的概念体系，其与GIS强大的空间分析能力结合能够有效地响应这一需求。时间地理学概念模型中所使用的时空三维坐标与GIS中的空间参考均属于欧几里得空间体系，它们本质上是一致的。两者的结合需要在统一的时空坐标下，将时间地理学的概念进行定义，并对其表达和分析的方法进行建构。
计算机技术和地理信息科学的发展使得时间地理学的计算机表达和可视化计算工具成为可能。在时空GIS中，将时间维度作为Z轴，构建三维时空坐标系，在此坐标系下将附带时空信息的点、线、面等几何要素进行表达，能够有效地支撑时间地理学中相关概念的表达。Miller(1991)从交通网络出发，基于交通网络节点和路段组成的网络空间，利用Arc/Info工具设计了时空棱镜的计算方法。之后，Miller在1999年提出了最短路径树的概念来衡量个体在交通路网中的可达性，并在Arc/Info进行了实现(Miller，1999)。Wu等(2001)也提出了交通路网上的动态潜在路径树(dynamic potential path tree，DPPT)，用以表达时间地理学中潜在活动区域在路网空间的投影。经过探索和总结之后，Miller在2005年提出了一套较为完整的时间地理学量测理论，系统地给出了时间地理学理论中主要概念的严格数学化定义(Miller，2005)，包括时空路径、时空棱镜、路径束等核心概念，而且这些定义可以扩展，支持更高维度的表达。
随着信息与通信技术(information and communication technologies，ICT)的进步，个体的日常活动类型也发生了深刻的变化。人们在互联网和通信技术所构建的虚拟空间中的活动变得普遍。对此，时间地理学的概念一方面得到了扩展，例如虚拟与物理空间中活动的交互方式;另一方面，个体在虚拟空间中的活动也在GIS中被定义和实现。例如Shaw和Yu扩展了时间地理学概念，对个体在虚拟空间中的活动进行了表达，构建了个体在虚拟空间中的活动与物理空间活动的交互模式，并基于ArcGIS工具对相应的模型进行了实现(Shaw et al.，2009;Yu et al.，2007，2008;Yu，2006)。Yin等(2011a)基于GIS技术，提出了ICT时代个体间在物理空间的面对面(face-to-face)交流机会量化分析框架，并据此分析了ICT技术对此类交流机会的影响情况。之后，Yin等(2015)又将时间地理学框架从物理空间拓展到虚拟社交空间，基于社交邻近性提出了个体在虚拟社交空间中的社交时空路径的定义及生成方法，并进一步分析了个体在物理空间的邻近性和社交空间中邻近性之间的关系。
▲ 不同个体之间面对面交流机会在时空GIS平台中的展示
(Yin et al．,2011b)
▲ 探索个体物理空间和社交邻近空间的时空GIS原型系统
(Yin et al．,2015)
GIS与时间地理学的结合，强化了时间地理学理论的量化分析能力。而对于GIS而言，时间地理学理论的引入，也进一步丰富了GIS对时间维度和人类活动的表达分析能力，拓展了其支持的科学问题类型。分析模型强调概念的严格数学表述，其主要目的是为了保证相应概念的明确性和统一性，能够在概念明确的基础之上展开进一步的分析。Goodchild提出了基于量测的GIS(measurement-based GIS)和基于坐标系统的GIS(coordinate-based GIS)两种概念，其中基于量测的GIS不仅能够获取和处理原始记录中的坐标位置信息，同时也要具有能够从原始记录推估个体位置信息的功能;而基于坐标系统的GIS在空间误差分析以及如何降低空间的误差和不确定性方面存在限制(Goodchild,2002)。时间地理学概念的严格数学化定义能够促进其与GIS的深入融合，支持对个体的相关实体和关系信息的推测。而对于GIS而言，在其形成和发展过程中，主要面对的是地表空间中地理现象的表达与分析，例如基于对象和基于场的数据模型。在初始发展阶段，GIS更多的是作为一个用于分析地理现象之间空间关系的工具为科学家、相关机构以及大众所熟知。随着社会的发展，不管是政府还是科学研究领域将更多的目光转向以人为本的发展理念。时间地理学分析框架的引入，大大增强了GIS对围绕“人”所构建的科学问题的处理能力，进一步促进了GIS学科的理论和应用发展(陈洁等,2016)。
在时间地理学的发展过程中，学者们从时间地理学面向“人”的核心理念出发，结合社会科技发展中产生的新现象与新问题，依托GIS对时间地理学分析框架的拓展和增强，展示了时间地理学与时空GIS的结合在解决行程时间估计与“物理虚拟”混合空间下的活动研究的有效性。
本文摘编自《城市人群活动时空GIS分析》（北京：科学出版社，2018.9）一书“第2章 时间地理学与时空GIS”，有大幅删减修改。
城市人群活动时空GIS分析
萧世𤦎 方志祥 陈碧宇 尹凌 陈洁 杨喜平著
ISBN 978-7-03-055271-6
责任编辑：杨光华
理解城市人群活动模式规律对城市空间优化、交通规划、出行与位置服务、行业设施选址与业务流优化等都具有重要意义。本书从轨迹数据质量评价、隐私问题、活动区域、人群聚集消散、可达性、适应性等多个角度来理解城市人群时空活动，与城市人群活动数据、城市功能与空间结构、人类动态等维度进行系统地联系，提出城市人群活动的时空GIS基础理论与方法，形成人群动态及其与空间结构适应性的初步分析手段，实际指导面向时空需求的城市设施选址与优化服务。本书可供地理信息、测绘遥感、城市地理、国土、交通、物流等专业科研人员参考，也可作为高等院校的本科生或研究生教材。
转载自赛杰奥（ID：sci_geo）
文字： 尹凌 萧世伦等
排版：王丽佳
责任编辑：郝娜
审核：任宇飞 王冠 党少华
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