全球人口遷移網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)探測與時空分析

高謝慶，秦 昆*，喻雪松，張 凱

（1.武漢大學(xué) 遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079）

隨著科技與經(jīng)濟的發(fā)展，各個國家或地區(qū)之間的聯(lián)系和交往越來越密切，人口遷移已成為各個國家或地區(qū)之間頻繁發(fā)生的交互現(xiàn)象。數(shù)據(jù)處理技術(shù)的進步為人口遷移數(shù)據(jù)提供了更好的獲取方式，提高了數(shù)據(jù)的真實性與可靠性。人口遷移作為世界發(fā)展的物質(zhì)流、信息流、資金流、技術(shù)流的重要載體，推動著各個國家或地區(qū)的物質(zhì)、資金、信息等生產(chǎn)要素的加速流動和優(yōu)化，全球人口遷移網(wǎng)絡(luò)化正逐步形成。

對于人口遷移的研究，目前大部分學(xué)者主要試圖解釋或模擬人口遷移趨勢，或側(cè)重于應(yīng)用，如利用人口流動網(wǎng)絡(luò)揭示社會結(jié)構(gòu)[1-2]，將人口遷移與經(jīng)濟、社會事件等要素進行聯(lián)系以研究其相關(guān)關(guān)系[3-4]。人口遷移研究主要關(guān)注城市[5]、國家[6]或全球[7-9]范圍內(nèi)的人口流動，多數(shù)學(xué)者以某個或幾個城市以及國家之間的人口遷移數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)開展研究，只有少數(shù)學(xué)者針對全球人口遷移問題進行研究。探索全球尺度的人口遷移，能深刻反映全球人口遷移的特征，更加充分認(rèn)識世界人口遷移的變化趨勢。目前，國內(nèi)外關(guān)于全球人口遷移的分析研究主要是通過統(tǒng)計方法和統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行全球人口遷移數(shù)據(jù)估算以及全球人口遷移趨勢預(yù)測，部分利用到復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的研究也大多是同一時間內(nèi)的對比性研究或為其他數(shù)據(jù)分析起輔助作用[10]。本文以全球人口遷移數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和社會網(wǎng)絡(luò)分析理論和方法[11-12]，對全球人口遷移網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特征和基本性質(zhì)進行探索，并分析了其時空變化規(guī)律，擬為全球人口問題的研究提供基礎(chǔ)。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

本文采用國家人力資源和社會保障部公開的國家編碼數(shù)據(jù)和全球人口遷移數(shù)據(jù)兩個數(shù)據(jù)集。其中，國家編碼數(shù)據(jù)用于提取各個國家的坐標(biāo)信息，如圖1a所示，包含國家編碼、國家名稱和國家經(jīng)緯度字段；全球人口遷移數(shù)據(jù)為1990—2010年20 a間196個國家每5 a的人口遷移量，該數(shù)據(jù)根據(jù)參考文獻[13]的方法估算得到，根據(jù)連續(xù)的人口存量表，利用統(tǒng)計缺失數(shù)據(jù)方法估算得到1990—2010年以5 a為一個時間段196個國家之間的單邊流量，每5 a約有3.8萬條單邊人口遷移數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)下載網(wǎng)址為：https://download.gsb.bund.de/BIB/global_flow/，數(shù)據(jù)形式如圖1b所示，共包含16個字段。通過原文的數(shù)據(jù)質(zhì)量評估，該數(shù)據(jù)的具體國家或地區(qū)的凈移民流量與聯(lián)合國公布的凈移民估計數(shù)非常接近，且該數(shù)據(jù)包含196個國家或地區(qū)，占國家人力資源和社會保障部公開信息中244個國家或地區(qū)的80%，說明其具有較高的準(zhǔn)確性和較好的覆蓋量，具有分析的可行性。本文采用數(shù)據(jù)涉及的字段包括country_orig_id（人口遷出國編碼）、country_dest_id（人口遷入國編碼）、countryflow_1990（1990—1995年人口遷移量）、countryflow_1995（1995—2000年人口遷移量）、countryflow_2000（2000—2005年人口遷移量）、countryflow_2005（2005—2010年人口遷移量）等。

圖1 研究源數(shù)據(jù)展示圖

1.2 研究方法

本文的研究方法主要以復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)，對基于全球人口遷移數(shù)據(jù)構(gòu)建的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)進行基礎(chǔ)測度統(tǒng)計分析、結(jié)構(gòu)探測和時空分析；從而對全球人口遷移網(wǎng)絡(luò)的無標(biāo)度和小世界特性以及基礎(chǔ)測度和社區(qū)結(jié)構(gòu)的特征展開研究，技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線圖

作為對全球人口遷移的整體探索，本文主要考慮國家或地區(qū)之間的整體遷移關(guān)系，不考慮其中的遷入遷出，所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)為無向網(wǎng)絡(luò)，通過數(shù)據(jù)收集與處理對數(shù)據(jù)中的單邊流量進行合并處理，獲得整體的人口遷移量。根據(jù)數(shù)據(jù)集的4個時間段，本文以國家或地區(qū)為節(jié)點分別建立了4個無權(quán)無向網(wǎng)絡(luò)與4個加權(quán)無向網(wǎng)絡(luò)，無權(quán)網(wǎng)絡(luò)的邊主要體現(xiàn)各個國家或地區(qū)之間是否發(fā)生遷移關(guān)系，加權(quán)網(wǎng)絡(luò)的邊則表示國家或地區(qū)之間的人口遷移量。

在完成網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建后，對網(wǎng)絡(luò)的測度指標(biāo)進行統(tǒng)計，根據(jù)兩種網(wǎng)絡(luò)的不同含義，本文先對無權(quán)網(wǎng)絡(luò)的整體屬性進行測度統(tǒng)計，主要包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)N、連邊數(shù)M、平均度、圖密度D、平均聚類系數(shù)C、平均路徑長度L以及度同配系數(shù)DA；然后通過對加權(quán)網(wǎng)絡(luò)的部分測度進行冪律分布分析和社區(qū)檢測分析來探索網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征。本文采用基于模塊度的Louvain算法進行社區(qū)檢測，并以此為基礎(chǔ)研究全球人口遷移網(wǎng)絡(luò)的集群分布，揭示網(wǎng)絡(luò)深層次的結(jié)構(gòu)特征。為了直觀探測網(wǎng)絡(luò)的社區(qū)結(jié)構(gòu)，本文為全球人口遷移網(wǎng)絡(luò)節(jié)點添加空間位置信息，在地理空間中表示網(wǎng)絡(luò)的社區(qū)劃分結(jié)果。

在對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有了一定認(rèn)識后，再通過對網(wǎng)絡(luò)測度的時序變化分析以及對社區(qū)檢測結(jié)果的時序和空間變化分析，完成對全球人口遷移網(wǎng)絡(luò)的時空分析，并得出相應(yīng)結(jié)論。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 網(wǎng)絡(luò)測度統(tǒng)計分析

2.1.1 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)測度統(tǒng)計

網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)測度是根據(jù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論中對于不同測度的定義公式計算而來，測度統(tǒng)計結(jié)果如表1所示，N為該時段內(nèi)發(fā)生過人口遷移現(xiàn)象的國家數(shù)量，M為該時段內(nèi)發(fā)生過遷移關(guān)系的國家對數(shù)量，為該時段內(nèi)所有國家發(fā)生遷移關(guān)系的平均數(shù)，D為遷移關(guān)系發(fā)生的緊密程度，可以看出，1990—2010年每5 a內(nèi)全球至少有80%的國家或地區(qū)參與了人口遷移，且網(wǎng)絡(luò)有較大的邊數(shù)和平均度數(shù)；由可知，每個國家均與其他一半及以上的國家存在遷移關(guān)系，全球各個國家/地區(qū)之間的遷移關(guān)系非常緊密。

表1 無權(quán)遷移網(wǎng)絡(luò)測度指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果

對于平均聚類系數(shù)和平均路徑長度的分析，需要與相似隨機網(wǎng)絡(luò)的測度進行對比。因此，構(gòu)建了一個節(jié)點數(shù)為196，每個節(jié)點與其他節(jié)點連接概率為50%的隨機網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)的測度指標(biāo)統(tǒng)計如表2所示。通過對比可以看出，該網(wǎng)絡(luò)具有較大的平均聚類系數(shù)與較小的平均路徑長度，這也反映了該網(wǎng)絡(luò)具有一定的小世界特性，說明各個國家之間人口遷移的連通程度較高。網(wǎng)絡(luò)的度同配系數(shù)為負(fù)值，說明該遷移網(wǎng)絡(luò)是異配的，具有遷移關(guān)系的國家數(shù)量相差過大的國家之間更傾向于發(fā)生遷移活動，而具有遷移關(guān)系的國家數(shù)量相近的國家則更少發(fā)生遷移活動。

表2 隨機網(wǎng)絡(luò)的測度指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)測度的冪律分布分析

在真實世界的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中，與隨機網(wǎng)絡(luò)或規(guī)則網(wǎng)絡(luò)不同的是大多數(shù)節(jié)點傾向于與少量核心節(jié)點進行連接，這種機制使得復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)具有無標(biāo)度性質(zhì)。本文探究了網(wǎng)絡(luò)中的資源分布規(guī)律，對加權(quán)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點強度與邊強度進行冪律分布分析。4個時段的加權(quán)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點強度與邊強度分布如圖3所示，由節(jié)點強度分布圖可知，不論哪個時段內(nèi)，一個國家與其他國家發(fā)生遷移的次數(shù)均存在非常大的差異，只有極少數(shù)國家發(fā)生了大量的遷移關(guān)系，而絕大多數(shù)國家發(fā)生的人口遷移次數(shù)都很少，非常符合冪律分布的基本原則；由邊強度分布圖可知，邊強度也滿足冪律分布規(guī)律，與節(jié)點強度分布不同的是，邊強度分布的差異更顯著，只有極端少數(shù)連邊的邊強度值較大，絕大多數(shù)連邊的邊強度值都較小。

圖3 加權(quán)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點強度與邊強度分布

2.1.3 網(wǎng)絡(luò)測度時序變化分析

本文選擇了部分度中心性較高且具有一定代表性的國家節(jié)點進行基于度中心性的測度時序變化分析，對全球人口遷移網(wǎng)絡(luò)的時空分析方法進行深入探索，為全球人口遷移分析提供新思路、新視角。

部分國家節(jié)點度中心性時序變化如圖4所示，圖4a中表示了中國（CHN）、美國（USA）、俄羅斯（RUS）、印 度（IND）、墨 西 哥（MEX）、德 國（DEU）、巴基斯坦（PAK）和阿富汗（AFG）的節(jié)點度中心性變化，可以看出，美國的度中心性一直遙遙領(lǐng)先于其他各國，但在1995—2000年增加后，后期一直在減少；除美國外，其他各國的度中心性均在0～0.06左右變化。

為了更加明顯地分析除美國外其他國家的度中心性變化，不添加美國的其他國家節(jié)點的度中心性變化情況如圖4b所示，可以看出，處于中東地區(qū)的巴基斯坦與阿富汗的度中心性變化跨度較大，這與1990—2000年發(fā)生的中東戰(zhàn)爭相對應(yīng)；處于亞洲的中國（大陸）與印度的度中心性整體上在增加；處于北歐地區(qū)的俄羅斯與德國的度中心性整體上在減少，這些變化正好對應(yīng)了1990—2010年中國（大陸）的經(jīng)濟發(fā)展、印度的人口增長以及蘇聯(lián)解體后俄羅斯的發(fā)展?fàn)顩r與兩德統(tǒng)一后德國的發(fā)展?fàn)顩r。

圖4 部分國家節(jié)點度中心性時序變化圖

2.2 社區(qū)探測與時空變化分析

本文利用基于模塊度的Louvain算法進行社區(qū)探測。該算法能在聚類過程中遍歷所有節(jié)點，相較于其他算法，對于本實驗數(shù)據(jù)的聚類效果更加明顯，社區(qū)探測與劃分結(jié)果如圖5所示，圖中圓心代表網(wǎng)絡(luò)的國家節(jié)點的地理位置中心，圓形的顏色代表節(jié)點所屬社區(qū)。通過分析4個時段的網(wǎng)絡(luò)社區(qū)劃分圖可知，地理位置較近的國家節(jié)點更容易被劃分到同一社區(qū)中，具有相同鄰海的國家雖然地理位置不相近也有較多處于同一社區(qū)的現(xiàn)象，在一定程度上體現(xiàn)了地理位置對人口遷移的影響。

圖5 網(wǎng)絡(luò)社區(qū)劃分地理位置可視化展示

為了對社區(qū)結(jié)構(gòu)的時空變化進行更具體的分析，本文選擇4個時段內(nèi)中國（大陸）所在的社區(qū)進行變化探測。4個時段內(nèi)中國（大陸）所在社區(qū)的社區(qū)劃分如圖6所示，可以看出，變化較大的是1995—2000年中國（大陸）所在的社區(qū)，1995—2000年中國（大陸）只與東南亞部分國家存在于同一社區(qū)，且社區(qū)內(nèi)節(jié)點數(shù)量遠(yuǎn)小于另外3個時段，這與1995年中國援外工作的改革相對應(yīng)，中國在1995年后加強了與東南亞部分國家的援助與合作工作，從而提高了人口遷移規(guī)模。

圖6 中國（大陸）所在社區(qū)可視化展示

除1995—2000年的社區(qū)變化較大以外，對比其他3個時段的社區(qū)劃分圖可知，有許多共同的國家和地區(qū)節(jié)點，因此可通過提取社區(qū)劃分結(jié)果的共同節(jié)點進行進一步分析。通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，只有中國香港與中國澳門在4次劃分中一直與中國（大陸）在同一個社區(qū)，說明中國國內(nèi)3個地區(qū)的人口遷移關(guān)系一直都非常密切；除了中國香港與中國澳門，還有26個國家在3個時段內(nèi)均與中國（大陸）劃分在同一個社區(qū)，如圖7所示，可以看出，這26個國家大多出現(xiàn)在東南亞地區(qū)和北美地區(qū)，包括美國、加拿大、日本、韓國等。結(jié)合上文對邊強度變化的分析可知，1995—2000年中國與加拿大、日本、韓國等國家之間的人口遷移量減少，正好對應(yīng)了1995—2000年社區(qū)劃分的明顯變化；而中國與美國之間人口遷移量激增、美國與美洲其他國家人口遷移關(guān)系密切，也對應(yīng)了中國與一些美洲國家多次劃分在同一社區(qū)的現(xiàn)象。

圖7 社區(qū)劃分共同節(jié)點可視化展示

3 結(jié)語

本文以全球人口遷移數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了全球人口遷移網(wǎng)絡(luò)，并運用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和社會網(wǎng)絡(luò)分析的理論與方法對人口遷移網(wǎng)絡(luò)的測度與結(jié)構(gòu)特征進行挖掘，探索分析了人口遷移網(wǎng)絡(luò)的時空變化特征，為全球人口遷移和全球人口問題研究奠定了基礎(chǔ)。同時，本文為全球人口遷移活動研究提供了新思路，即從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的基本原理出發(fā)，結(jié)合時空分析等其他理論方法對全球人口遷移特征進行深入探索與研究。

本文研究發(fā)現(xiàn)全球人口遷移網(wǎng)絡(luò)具有無標(biāo)度、小世界和異配等特性，即全球人口遷移在各個國家或地區(qū)之間發(fā)生得非常密集，但人口遷移總量較大的國家或地區(qū)與具有較大雙邊遷移量的國家對在整體中只有極小的占比，且人口遷移量差距較大的國家之間更傾向發(fā)生遷移關(guān)系。通過對社區(qū)結(jié)構(gòu)進行探測與變化分析發(fā)現(xiàn)，全球人口遷移變化與地理位置、國際關(guān)系、國際事件具有一定聯(lián)系，對于全球人口遷移的探測、分析與預(yù)測具有重要的指示意義。后續(xù)研究可考慮結(jié)合各國人口政策、國際關(guān)系以及全球航空交通等，進行多因素的綜合分析，從而為全球人口問題研究提供更好的決策支持。本文對于全球人口遷移網(wǎng)絡(luò)的特性大多給出了定性的證明，而對于其特性的強弱并沒有一個定量的分析，還需在后續(xù)對于該網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和研究中進行補充和完善。