基于GIS空間分析的城市小學(xué)布局優(yōu)化研究
——以大連市甘井子區(qū)小學(xué)為例

徐文聞， 傅維利

(1.遼寧師范大學(xué) 教育學(xué)院，遼寧 大連 116029； 2.遼寧警察學(xué)院 安全保衛(wèi)系，遼寧 大連 116036；3.深圳大學(xué) 灣區(qū)教育研究院，廣東 深圳 518000)

改革開放40 a來，隨著新型城市化發(fā)展進程不斷加快，促使大量農(nóng)村剩余勞動力進入城鎮(zhèn)[1-2]，而其學(xué)齡階段子女隨遷進入城市就學(xué)的現(xiàn)象也越來越普遍.流入地政府迫切需要對城市公共服務(wù)功能區(qū)進行重新規(guī)劃，以更好地調(diào)整社會人口流動的方向，服務(wù)社會.在國民經(jīng)濟和社會快速發(fā)展的背景下，小學(xué)作為重要的基礎(chǔ)教育服務(wù)設(shè)施，必然對其提出更高的要求，對小學(xué)的空間格局提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).由此，學(xué)區(qū)的劃分如何最大限度地體現(xiàn)就近原則，以及如何確定小學(xué)的適當(dāng)規(guī)模和最佳服務(wù)半徑，具有重要的現(xiàn)實意義.

近年來，針對城市化發(fā)展步伐加快、城鄉(xiāng)居民點的變遷、居民點人口布局不斷變化等一系列時代特征，國內(nèi)外學(xué)者提出一種基于空間屬性數(shù)據(jù)，并且能夠進行空間分析的公共設(shè)施選址方法，相關(guān)研究集中在學(xué)校區(qū)位選址[3-6]、學(xué)校布局的優(yōu)化調(diào)整[7-8]、學(xué)區(qū)劃分[9]、入學(xué)可達(dá)性[10]、學(xué)校與交通設(shè)施的空間關(guān)系[11-12]等問題進行了深入的研究.綜上所述，目前對于小學(xué)空間布局優(yōu)化調(diào)整的相關(guān)研究主要表征為以下幾個方面：①小學(xué)區(qū)位選址和學(xué)?？臻g布局問題；②學(xué)校空間布局的公平性及可達(dá)性問題；③教育資源再分配和學(xué)校布局優(yōu)化調(diào)整問題；④學(xué)校服務(wù)半徑及交通設(shè)施的空間布局關(guān)系問題.

大連市甘井子區(qū)是大連市城市化進程中改革發(fā)展的重點區(qū)域，也在一定程度上代表了我國城市化發(fā)展中教育、醫(yī)療等公共服務(wù)設(shè)施配置和規(guī)劃的普遍矛盾和主要問題.因此，本文以大連市甘井子區(qū)所在轄區(qū)的小學(xué)作為研究對象，運用緩沖區(qū)分析甘井子區(qū)小學(xué)布局及學(xué)校服務(wù)范圍的現(xiàn)狀和存在問題，進而通過基于路網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)和泰森多邊形技術(shù)對甘井子區(qū)小學(xué)服務(wù)范圍進行優(yōu)化，提出切實可行的優(yōu)化調(diào)整方案，為提高甘井子區(qū)教育資源利用效率和改善區(qū)內(nèi)適齡學(xué)生上學(xué)環(huán)境提供指導(dǎo)性建議.

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域概況

甘井子區(qū)位于大連西部和西北部(121°16′E～121°45′E,38°47′N～39°07′N)，是大連市的市轄區(qū)，屬市內(nèi)四區(qū)之一，占地502 km2，轄區(qū)內(nèi)城市拓展區(qū)面積大，是連接中心城區(qū)與新市區(qū)的關(guān)鍵紐帶.區(qū)內(nèi)三面環(huán)海，路網(wǎng)發(fā)達(dá)，設(shè)有周水子國際機場，是東北地區(qū)的重要交通樞紐之一，也是遼寧省對外開放的主要門戶之一.

根據(jù)2020年政府統(tǒng)計數(shù)據(jù)，甘井子區(qū)全區(qū)小學(xué)生數(shù)為79 762人.區(qū)內(nèi)小學(xué)73所，分布于甘井子轄區(qū)周水子街道、甘井子街道等15個街道，203個社區(qū).其中，位于城市區(qū)域小學(xué)49所,位于城市拓展區(qū)小學(xué)24所，其分布情況詳見圖1.

圖1 甘井子區(qū)小學(xué)分布及城市功能劃分圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)來源包括：30 m分辨率的DEM影像數(shù)據(jù)，來源于地理空間數(shù)據(jù)云；2020年大連市甘井子區(qū)73所小學(xué)的經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)來源于Google Earth.結(jié)合2020年谷歌地球影像生成大連市甘井子區(qū)城市小學(xué)生生源分布及道路網(wǎng)絡(luò)遙感地圖.來源于地理空間數(shù)據(jù)云直觀呈現(xiàn)了甘井子區(qū)城市區(qū)域、城市拓展區(qū)、主(次)干道及小學(xué)生生源分布情況，詳見圖2.2020年大連市甘井子區(qū)小學(xué)具體地址、在校生人數(shù)等數(shù)據(jù)來源于遼寧省政府機構(gòu)信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)來源與說明詳見表1.

圖2 甘井子區(qū)城市功能區(qū)域劃分

表1 數(shù)據(jù)來源與說明

2 研究方法

2.1 緩沖區(qū)分析

緩沖區(qū)(Buffer)是用來描述某一地理空間目標(biāo)的影響范圍或服務(wù)范圍的概念，結(jié)合空間內(nèi)點、線和面，建立起具有一定寬度的多邊區(qū)域.根據(jù)《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計規(guī)范》GB50180—93(2002)標(biāo)準(zhǔn)，城市小學(xué)的基本服務(wù)半徑不得超過500 m，允許根據(jù)實際情況，做出適當(dāng)調(diào)整.城市拓展區(qū)主要是位于城市原有的農(nóng)村區(qū)域，隨著城市化建設(shè)的推進，完成村轉(zhuǎn)社區(qū)建設(shè).對于城市拓展區(qū)域小學(xué)來說，不能完全參照城市小學(xué)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，暫時沒有出臺國家標(biāo)準(zhǔn)，但通過對各省和地方政策的綜合分析，普遍認(rèn)為城市拓展區(qū)小學(xué)的服務(wù)半徑應(yīng)保持在2 000 m左右.

利用ArcGIS中的緩沖區(qū)分析，以小學(xué)為中心，分別以500 m和2 000 m為服務(wù)半徑，建立緩沖區(qū)，得到了城市與城市拓展區(qū)小學(xué)服務(wù)范圍圖，即小學(xué)服務(wù)500 m緩沖區(qū)圖和2 000 m緩沖區(qū)圖，并進一步分析500 m及2 000 m緩沖區(qū)圖中的覆蓋盲區(qū)及重疊區(qū)狀況.

2.2 基于路網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)分析

道路是小學(xué)與學(xué)生居住點之間最基礎(chǔ)的連接橋梁，將各類道路集合成一個基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，根據(jù)政府信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)，包括學(xué)校規(guī)模以及實際學(xué)生數(shù)等數(shù)據(jù)，結(jié)合學(xué)校布局?jǐn)?shù)據(jù)進行分析.利用遙感影像數(shù)據(jù)獲取建成區(qū)位置分布圖，將各個街道小學(xué)生人數(shù)通過ArcGIS軟件中的創(chuàng)建隨機點方法，隨機生成建成區(qū)位置分布圖，最終構(gòu)建小學(xué)生分布點數(shù)據(jù)庫.鑒于具體到街道中具體小學(xué)生數(shù)量的數(shù)據(jù)無法獲取，所以使用平均法將小學(xué)生總數(shù)按建成區(qū)面積平均分到各個建成區(qū)，完成數(shù)據(jù)估算，數(shù)據(jù)有20%～25%的彈性浮動，屬于合理范圍.

2.3 泰森多邊形

泰森多邊形(Thiessen Polygons)又稱為維諾圖(Voronoi)，是由研究區(qū)內(nèi)兩相鄰點連線的垂直平分線組成的連續(xù)多邊形.目標(biāo)區(qū)域經(jīng)過泰森多邊形的平面切割，每一個中心點會對應(yīng)一個多邊形，多邊形內(nèi)任意一點到該區(qū)域內(nèi)中心點距離要小于這一點到其他區(qū)域中心點位置.而且，經(jīng)過切割，整個目標(biāo)區(qū)域沒有重疊區(qū)和盲區(qū)，可以保證所有點被覆蓋，沒有遺漏.

因此，泰森多邊形符合甘井子區(qū)學(xué)區(qū)劃片的實際需要，并從空間距離角度定位到最近距離小學(xué)，實現(xiàn)“就近入學(xué)”原則的要求.

3 結(jié)果分析

3.1 緩沖區(qū)分析

利用ArcGIS中的緩沖區(qū)分析，以大連市甘井子區(qū)73所小學(xué)為中心，分別以500 m和2 000 m為服務(wù)半徑,建立緩沖區(qū)，得到了城市與城市拓展區(qū)小學(xué)服務(wù)范圍圖，即小學(xué)服務(wù)500 m緩沖區(qū)圖(圖3)和2 000 m緩沖區(qū)圖(圖4).

圖3中，城市區(qū)域內(nèi)重疊較明顯，說明城市區(qū)域教育資源豐富，學(xué)生密集，學(xué)校分布集中，但也更容易產(chǎn)生教育資源的浪費.而城市拓展區(qū)小學(xué)分布較為分散，數(shù)據(jù)顯示，以500 m為服務(wù)半徑，產(chǎn)生的教育服務(wù)盲區(qū)范圍過大，如北華小學(xué)覆蓋生源數(shù)為0人，第十四中學(xué)附屬小學(xué)覆蓋生源數(shù)為9人，雙臺溝小學(xué)覆蓋生源數(shù)41人，等等.數(shù)據(jù)說明，位于城市拓展區(qū)域的小學(xué)資源相對匱乏，學(xué)校間距離較遠(yuǎn)，大部分學(xué)生上學(xué)要走更遠(yuǎn)的路，超距離上學(xué)情況十分突出，500 m的服務(wù)半徑不適用于評價城市拓展區(qū)小學(xué)的服務(wù)范圍.

圖3 500 m緩沖區(qū)及學(xué)源分布情況

結(jié)合2 000 m作為服務(wù)半徑來考量城市拓展區(qū)域小學(xué)的服務(wù)范圍，如圖4顯示，基本能夠覆蓋農(nóng)村80%以上的學(xué)源，但仍有約20%的學(xué)生無法覆蓋其中，超距離上學(xué)現(xiàn)象不能完全避免.

圖4 2 000 m緩沖區(qū)及學(xué)源分布

表2中部分?jǐn)?shù)據(jù)，分為城市小學(xué)和城市拓展區(qū)小學(xué).從表中看出，圓形的緩沖區(qū)劃出的教育服務(wù)區(qū)可以用于判斷合理性，但是不能用于學(xué)區(qū)劃分，需要運用基于路網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)和泰森多邊形進行進一步的學(xué)區(qū)劃分與優(yōu)化.

表2 小學(xué)500 m及2 000 m緩沖區(qū)合理性分析表(部分)

通過兩圖的比較及部分?jǐn)?shù)據(jù)的分析，可以得出結(jié)論，城市與城市拓展區(qū)域必須制定不同的服務(wù)半徑來衡量小學(xué)服務(wù)范圍的合理性，并且要根據(jù)學(xué)校班型考量學(xué)校的服務(wù)效率，只有這樣才能夠符合現(xiàn)實需要，對小學(xué)的現(xiàn)實分布作出合理解釋.

3.2 基于道路網(wǎng)絡(luò)的小學(xué)服務(wù)范圍優(yōu)化

兼顧城市小學(xué)500 m、城市拓展區(qū)小學(xué)2 000 m標(biāo)準(zhǔn)，以1 500 m進行合理性分析，用ArcGIS的位置分配模型進行學(xué)校服務(wù)范圍優(yōu)化.選取紅旗街道5所小學(xué)的覆蓋范圍進行具體分析.紅旗街道轄區(qū)面積83 km2，其中,68 km2的區(qū)域被國家林業(yè)局批準(zhǔn)為大連西郊國家森林公園.其轄區(qū)人居密度較大的東部區(qū)域被劃入城市區(qū)域，僅占街道18%的面積;而其轄區(qū)的中部和西部為森林公園位置，被劃入城市拓展區(qū)域，占街道82%的面積.

數(shù)據(jù)及模型圖(圖5)顯示，轄區(qū)的5所小學(xué)除了1所位于城市及城市拓展區(qū)的交界處，其余4所小學(xué)集中在東部的城市區(qū)域中.因此，紅旗街道的自然布局條件決定了其在城市拓展區(qū)中的生源必然出現(xiàn)超距離上學(xué)的情況.如表3所示，紅旗轄區(qū)小學(xué)1超距離上學(xué)的學(xué)生比例高達(dá)83.79%,小學(xué)2雖劃入城市區(qū)域，但其超距離上學(xué)的學(xué)生比例高達(dá)78%，小學(xué)3有超距離生源31.5%，而小學(xué)4和小學(xué)5的位置處于紅旗街道城市學(xué)源的中心，超距離上學(xué)的情況則較少.

圖5 位置分配模型圖——紅旗街道5所小學(xué)的學(xué)區(qū)分配

表3 基于路網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)論——紅旗街道轄區(qū)小學(xué)

3.3 基于泰森多邊形的學(xué)區(qū)優(yōu)化方法

對大連市甘井子區(qū)小學(xué)的學(xué)區(qū)優(yōu)化主要采用泰森多邊形技術(shù)，在不增加新學(xué)校的情況下對學(xué)區(qū)進行優(yōu)化.將待優(yōu)化小學(xué)設(shè)置為中心，所有小學(xué)生設(shè)置為點，每個中心點會對應(yīng)一個多邊形，所有點被多邊形區(qū)域包含，而且保證區(qū)域中任意一點到區(qū)域內(nèi)部點位(學(xué)校)的距離比到區(qū)域外部任意一點距離都要小，區(qū)域邊界上的點到兩區(qū)域內(nèi)部點距離相等.結(jié)合優(yōu)化學(xué)區(qū)的要求，恰好能夠通過網(wǎng)絡(luò)空間分析和建立Voronoi圖的功能來很好地實現(xiàn).整個中心城區(qū)內(nèi)每個學(xué)區(qū)對應(yīng)一個學(xué)校，不存在服務(wù)盲區(qū)也不存在一個居民點地被劃入多個學(xué)區(qū)的情況.如圖6所示.

圖6 學(xué)區(qū)優(yōu)化方案

對于大部分學(xué)區(qū)，通過泰森多邊形進行空間布局的優(yōu)化，可以使學(xué)區(qū)服務(wù)范圍更為適宜，改善學(xué)區(qū)生源超距離上學(xué)的情況.通過優(yōu)化圖前后對比數(shù)據(jù)，獲得新的學(xué)區(qū)劃分方案，學(xué)區(qū)優(yōu)化數(shù)學(xué)(部分)詳見表4.

優(yōu)化數(shù)據(jù)(部分)顯示，處于城市拓展區(qū)域的小學(xué)學(xué)區(qū)相對穩(wěn)定，位于城市區(qū)域的學(xué)區(qū)調(diào)整空間比較大，這是因為城市小學(xué)以街道或小區(qū)(學(xué)區(qū)房)作為學(xué)區(qū)劃分依據(jù)，反映在學(xué)區(qū)布局上，存在一定的不合理性.另外，城市生源密集，生均資源占有情況不均勻.因此，在現(xiàn)有資源情況下，學(xué)生上學(xué)的實際需要與資源的有限性之間的矛盾仍然存在，這是需要通過長期規(guī)劃才能根本解決的.

優(yōu)化以后，部分學(xué)校的規(guī)模與服務(wù)范圍明顯合理.如表4所示，小學(xué)25原有學(xué)區(qū)范圍有2 132位生源，經(jīng)優(yōu)化后，優(yōu)化學(xué)區(qū)的生源數(shù)降到1 700人.在保持班級數(shù)量不變(現(xiàn)有40班)的情況下，班額縮減到43人，是比較理想的班型.這表明泰森多邊形的劃分對小學(xué)25的優(yōu)化是合理、有效的.

表4 學(xué)區(qū)優(yōu)化數(shù)據(jù)表(部分)

當(dāng)然，對于優(yōu)化后生源增加的小學(xué)，要通過實地調(diào)研的方式，提出更加適宜的優(yōu)化方案.比如小學(xué)4經(jīng)過優(yōu)化以后，學(xué)區(qū)范圍增大，增加了300多名學(xué)生.對于小學(xué)4而言，鑒于其處于城市與城市拓展區(qū)的交界區(qū)域，當(dāng)?shù)赜邪l(fā)展較好的涉農(nóng)產(chǎn)業(yè)，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，可以預(yù)測到極有可能會出現(xiàn)學(xué)齡人口日益密集、隨遷子女大量就學(xué)的狀態(tài).因此，小學(xué)4在進行資源配置的同時，應(yīng)充分考慮適當(dāng)擴充學(xué)校辦學(xué)資源，根據(jù)需要新建小學(xué)，以緩解學(xué)生就學(xué)壓力.

4 結(jié) 論

基于大連市甘井子區(qū)小學(xué)、生源的空間分布數(shù)據(jù)及區(qū)內(nèi)交通路網(wǎng)分布情況，運用緩沖區(qū)分析及泰森多邊形技術(shù)，對各小學(xué)的學(xué)區(qū)分布進行優(yōu)化.結(jié)論如下：

(1)根據(jù)2020年數(shù)據(jù)，大連市甘井子區(qū)共有小學(xué)73所，其中,位于城市區(qū)域小學(xué)49所，位于城市拓展區(qū)域小學(xué)24所.分別以500 m和2 000 m作為服務(wù)半徑考察小學(xué)的服務(wù)范圍覆蓋情況，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，城市區(qū)域和城市拓展區(qū)適用不同尺度的服務(wù)半徑標(biāo)準(zhǔn)，除了確定小學(xué)服務(wù)半徑的底線標(biāo)準(zhǔn)，還要設(shè)置充足的彈性空間.根據(jù)空間數(shù)據(jù)分析的研究結(jié)論，本研究在城市500 m及城市拓展區(qū)2 000 m服務(wù)半徑基礎(chǔ)上，確定城市20%和農(nóng)村25%的彈性空間，以滿足不同城市功能區(qū)域小學(xué)服務(wù)范圍的需求.

(2)運用道路交通網(wǎng)絡(luò)，選取1 500 m為標(biāo)準(zhǔn)對紅旗社區(qū)小學(xué)超距離上學(xué)情況進行分析，并利用ArcGIS的位置分配模型進行學(xué)校服務(wù)范圍優(yōu)化.數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，甘井子區(qū)小學(xué)超距離上學(xué)情況比較普遍，尤其集中在城市拓展區(qū)域，區(qū)域內(nèi)人居密度小、區(qū)域范圍大、學(xué)校數(shù)量少.

(3)在不增加學(xué)校數(shù)量的前提下，運用泰森多邊形對現(xiàn)有小學(xué)進行學(xué)區(qū)優(yōu)化.優(yōu)化結(jié)果顯示，城市拓展區(qū)域的學(xué)區(qū)相對穩(wěn)定，主要面臨超距離上學(xué)問題.對于城市區(qū)域小學(xué)，生源密集，主要面臨學(xué)校規(guī)模與學(xué)生需求不相匹配的問題.在運用泰森多邊形進行學(xué)區(qū)優(yōu)化的同時，要結(jié)合學(xué)?？臻g位置實際，具體分析學(xué)校生源密集的驅(qū)動原因，進一步確定學(xué)區(qū)優(yōu)化方案.

5 討 論

運用緩沖區(qū)分析及泰森多邊形技術(shù)對大連市甘井子區(qū)小學(xué)學(xué)區(qū)分布進行優(yōu)化分析，對甘井子區(qū)小學(xué)的合理布局和教育資源的均衡配置具有重要意義.與國內(nèi)外已有研究相比，本文創(chuàng)新之處如下：①研究數(shù)據(jù)創(chuàng)新：現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)大多來源于問卷調(diào)查、統(tǒng)計年鑒或?qū)嵉卣{(diào)研數(shù)據(jù)等，本研究數(shù)據(jù)主要來自政府機構(gòu)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，提高了研究數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[13]和可信性[14].②研究區(qū)域創(chuàng)新.現(xiàn)有研究多以宏觀層面研究為主，本研究以中觀與微觀相結(jié)合的介尺度理論為指導(dǎo)確定研究區(qū)域，使研究能夠兼具中觀與微觀視角，使研究結(jié)論更具有指導(dǎo)性.同時，本文也存在以下局限性：①要實現(xiàn)規(guī)劃的科學(xué)性和可持續(xù)性，就必須對研究區(qū)人口發(fā)展變化趨勢進行長期調(diào)查，及時監(jiān)測研究區(qū)人口發(fā)展?fàn)顩r的變化，及時調(diào)整和完善規(guī)劃，實現(xiàn)社會資源的相對平衡和有效性;②學(xué)區(qū)規(guī)劃要考慮數(shù)據(jù)獲取的延續(xù)性，并在前期數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上對規(guī)劃后情況做科學(xué)合理的預(yù)測，以減少短期數(shù)據(jù)對研究結(jié)論帶來的偏差.